CN219960127U - 固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统，其包括二氧化碳压缩单元；风力发电单元的输出端、光伏发电单元的输出端、固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的电力输出端分别与配电网的电力输入端电连接，二氧化碳压缩单元、固体蓄热与二氧化碳一体化发电单元的用电设备分别与配电网的电力输出端电连接。优点：本次申请最大创新点是首次将透平及发电机与固体蓄热设备一体化设计，增加了系统效率的同时提高了系统设备的紧凑性，减少了压缩气体释能过程中的热损失；同时，本次申请首次将电储热设施用于压缩气体储能的补热系统，实现固体热能与气体内能的双储存，并最终全部转换为电能进行释放。

Description

固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统

技术领域：

本实用新型涉及清洁生产技术领域，特别涉及固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统。

背景技术：

随着我国提出构建以新能源为主的新型电力系统，各地区的可再生能源发展迅速，特别是非水可再生能源出现快速增长态势，电源结构中可再生能源装机比例不断提高。由于风电、光伏等非水可再生能源具有随机性、间歇性和波动性特点，其运行过程中的不确定性给电网的可靠运行带来挑战，如潮流变化、线路拥塞、电压闪变等，电力系统清洁化、现代化发展面临较多问题。

目前电网常用的调峰调频手段是水电和火电，水电由于受水资源建设条件制约，应用范围局限，建成后容易受丰水期、枯水期等季节性变化影响，调节范围及效果有限；火电由于响应时滞长、爬坡速率低等问题，调节延迟性影响了调节效果及电网安全稳定运行，而且随着我国“碳达峰、碳中和”目标的推进，火电在电源结构中的比重逐步降低。在构建以新能源为主的新型电力系统进程中，亟需在电网中增加新型储能设施与调峰手段。储能设施主要服务于区域电网的调峰与运行，储能设施根据系统内风、光等电源及用电负荷特性，通过智能控制实现联合优化运行，高度参与网内调峰、调频和紧急电力支撑。

电力储能技术种类繁多、特点各异，选择储能技术依据以下因素：能量密度、功率密度、充放电倍率、响应时间、充放电效率、衰减速度、设备寿命(年)或充放电次数、技术成熟度、经济因素(投资成本、运行和维护费用)、安全和环境方面的考虑。

储能电站应具备响应速度快、能量密度高、便于集成、循环次数多等特点，压缩空气储能在运行安全、深充深放、寿命长、资源和环境友好方面优势突出，具有调频(二次和三次调频)，电压调节，峰值负载调节，负载平衡，静止储备，黑启动能力，是一种较为理想储能形式。压缩气体储能系统在运行中，气体在膨胀与压缩过程中存在热量的吸收与释放，根据是否对压缩气体过程中的热量进行回收，一般将压缩气体储能分为非绝热系统与绝热系统。传统的洞穴压缩气体储能属于非绝热系统，利用如高气密性的岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等作为储存容器，系统效率仅为40％-55％，相比其他物理储能如抽水蓄能，效率较低；绝热压缩气体储能系统将压缩过程中产生的热量通过储热器存储起来，待发电过程中用这部分热量预热压缩空气，可以达到回收热量的目的，系统效率可达到70％-75％。另一方面，为提高压缩气体储能的系统效率，在气体膨胀做功前利用系统外热源对压缩气体进行加热升温，根据是否需要利用外界热源对压缩空气进行加热升温，可将压缩气体储能分为补燃型与非补燃型，补燃型压缩气体储能的透平发电效率往往高于非补燃型。但是由于补燃型压缩气体储能的热源通常为天然气等化石能源，增加了储能过程的碳排放，导致压缩气体储能的环保效果降低。

压缩气体储能系统的压缩阶段，同等温度与同等压力下，若气体密度越大，同等体积的储罐的储能密度更高，传统压缩气体储能的介质为空气，常压下空气密度为1.25kg/m3，即使在10Mpa高压下密度也只有100kg/m3左右，为了进一步减小储罐体积，可以采用相变的方式，将气体液化，使储能气体介质的密度大大增加，体积大大减少，根据空气的物理性质，若使膨胀机出口的空气液化，需要将温度低于78.6K(-196.5℃)时，但是，空气液化过程会导致能量的大量增加消耗，且对制冷压缩机的要求较高，因此，采用密度更大、沸点更低的气体替代空气，可提高系统的储能密度，降低压缩制冷的技术难度。二氧化碳的相对分子质量(44)大于空气的平均相对分子质量(29)，同等压力、同等温度下，二氧化碳气体的密度大于空气，且二氧化碳的沸点(-56.55℃)高于空气混合气体的沸点(-196.5℃)，式替代空气作为压缩气体储能的理想介质。

实用新型内容：

本实用新型的目的在于提供一种固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统，本实用新型最大创新点是首次将透平及发电机与固体蓄热设备一体化设计，增加了系统效率的同时提高了系统设备的紧凑性，减少了压缩气体释能过程中的热损失；同时，本次申请首次将电储热设施用于压缩气体储能的补热系统，实现固体热能与气体内能的双储存，并最终全部转换为电能的释放。本次申请将压缩气体释能过程中的气体加热方式由单一的回收压缩热加热方式，增加为回收热与固体蓄热共同提供，并由固体蓄热装置提供高位热能，大大增加压缩气体的膨胀做功能力，从而提高整个压缩气体储能系统的能量转化效率。

本实用新型由如下技术方案实施：固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统，其包括风力发电单元、光伏发电单元、二氧化碳压缩单元、固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元和配电网；所述风力发电单元的输出端、所述光伏发电单元的输出端及所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的电力输出端分别与所述配电网的电力输入端电连接，所述二氧化碳压缩单元的用电设备和所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的用电设备分别与所述配电网的输出端电连接；所述二氧化碳压缩单元的二氧化碳输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的二氧化碳输入端通过管路连接，所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的二氧化碳输出端与所述二氧化碳压缩单元的二氧化碳输入端通过管路连接。

进一步地，所述二氧化碳压缩单元包括压缩单元热量回收器、二氧化碳高压储罐、冷罐、热罐和若干个串联的压缩机；每个压缩机的二氧化碳输出端与对应的一个热交换器的二氧化碳输入端通过管路连接，沿二氧化碳输送方向最后一个热交换器的二氧化碳输出端与所述压缩单元热量回收器的二氧化碳输入端连通，所述压缩单元热量回收器的二氧化碳输出端与所述二氧化碳高压储罐的进口连通，其余的各热交换器的二氧化碳输出端沿二氧化碳输送方向与对应的下一个压缩机的二氧化碳输入端连通，第一个压缩机的二氧化碳输入端与所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的二氧化碳低压储罐的出口连通；所述冷罐的蓄热介质输出端与最后一个热交换器的蓄热介质输入端通过管路连接，每相邻两个所述热交换器的蓄热介质输入与输出端相互连通，第一个热交换器的蓄热介质输出端与所述热罐的蓄热介质输入端通过管路连接，所述热罐的蓄热介质输出端与所述冷罐的蓄热介质输入端连通。

进一步地，其还包括预热器1号；所述二氧化碳高压储罐的二氧化碳输出端与所述预热器1号的二氧化碳输入端通过管路连接，所述预热器1号的二氧化碳输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的二氧化碳输入端通过管路连接；所述热罐的蓄热介质输出端与所述预热器1号的蓄热介质输入端通过管路连接，所述预热器1号的蓄热介质输出端与所述冷罐的蓄热介质输入端通过管路连接。

进一步地，所述二氧化碳压缩单元还包括压缩单元变压器、压缩单元配电控制柜；所述压缩单元变压器的电力输入端与所述配电网的电力输出端电连接，所述压缩单元变压器的电力输出端与所述压缩单元配电控制柜的电力输入端电连接，所述压缩单元配电控制柜的电力输出端与所述二氧化碳压缩单元的用电设备电力输入端电连接。

进一步地，所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元包括固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机、一体机发电变压器、发电单元热量回收器、二氧化碳低压储罐、气体控制阀、预热器2号；所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的二氧化碳输入端与所述二氧化碳压缩单元的二氧化碳输出端通过管路连接，所述二氧化碳压缩单元的二氧化碳输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机之间的管路上装设有所述预热器2号与所述气体控制阀；所述预热器2号的低温侧二氧化碳输出端与所述气体控制阀的二氧化碳输入端通过管路链接，所述气体控制阀的二氧化碳输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的二氧化碳输入端通过管路连接；所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的二氧化碳输出端与所述预热器2号的高温侧二氧化碳输入端通过管路链接，所述预热器2号的高温侧二氧化碳输出端与所述发电单元热量回收器的二氧化碳输入端通过管路连接，所述发电单元热量回收器的二氧化碳的输出端与所述二氧化碳低压储罐的进口连通；所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的电力输出端与所述一体机发电变压器的电力输入端电连接，所述一体机发电变压器的电力输出端与所述配电网的电力输入端电连接。

进一步地，所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元还包括一体机变压器和一体机控制柜；所述一体机变压器的电力输出端与所述一体机控制柜的电力输入端电连接，所述一体机控制柜的电力输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的电力输入端电连接。

进一步地，所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机包括绝热炉壳、蓄热砖层、电阻带、底座支架、气-气换热室、一体机二氧化碳管道、高温风机、一体化透平和发电机；所述绝热炉壳架设在所述底座支架上，所述底座支架内设置有所述气-气换热室，所述绝热炉壳内砌筑有所述蓄热砖层，所述蓄热砖层内埋设有若干根所述电阻带；所述绝热炉壳内布有若干风道，所述风道与所述气-气换热室连通；所述底座支架的一端上装设有所述高温风机，所述高温风机与所述风道、所述气-气换热室连通；所述一体化透平固定在底座支架外侧；所述气-气换热室内铺设有所述一体机二氧化碳管道，所述一体机二氧化碳管道的低温二氧化碳入口密封穿过所述气-气换热室、与所述与预热器2号的低温侧二氧化碳输出端连通；所述一体机二氧化碳管道的高温二氧化碳出口密封穿过所述气-气换热室、与所述一体化透平的进气口连通，所述一体化透平的透平轴与所述发电机的输入轴相连，所述一体化透平的二氧化碳输出端为所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的二氧化碳输出端。

本实用新型的优点：风电、光伏的电力盈余时段，实现两个形式的能量储存，一方面，利用风电、光伏的盈余电力驱动二氧化碳压缩单元的压缩机运行，将电能转换为二氧化碳气体内能进行储存；另一方面，利用风电、光伏的盈余电力驱动电固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机运行，将电能转换为热能进行储存；本实用新型的固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机采用电加热装置替代化石燃料燃烧对压缩气体进行补热，摆脱了对天然气、石油等化石燃料的依赖，实现了对环境的零排放、零污染，由此，提高储能系统效率的同时，减少了储能运行过程的碳排放。

二氧化碳在本系统中作为能量载体，通过压缩与膨胀过程实现了“风能、太阳能-电能-势能-动能-电能”的能量储存与转换，是一种新型的物理储能形式；风电、光伏为固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元提供电能用于固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机运行，固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机是用电设备且具备储热功能，为电网提供消纳途径与调峰手段；二氧化碳膨胀做功过程需要从外界吸收热量，固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机为该过程提供热能，实现了“风能、太阳能-电能-热能-动能-电能”的能量储存与转换；本系统中，将二氧化碳压缩与膨胀过程中的热能进行回收，并储存在热罐中，实现了能量的梯级利用。

附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型所述的固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的结构示意图。

图3为图2的左视图。

图4为图2的俯视图。

附图中各部件的标记如下：风力发电单元1、风力发电机1.1、风力发电变压器1.2、光伏发电单元2、光伏组件2.1、逆变器2.2、光伏发电变压器2.3、二氧化碳压缩单元3、压缩单元变压器3.1、压缩单元配电控制柜3.2、压缩机1号3.3、压缩机2号3.4、压缩机n号3.5、热交换器1号3.6、热交换器n-1号3.7、热交换器n号3.8、压缩单元热量回收器3.9、二氧化碳高压储罐3.10、预热器1号3.11、冷罐3.12、热罐3.13、固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4、一体机变压器4.1、锅炉控制柜4.2、固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机4.3、绝热炉壳4.3.1、风道4.3.2、蓄热砖层4.3.3、电阻带4.3.4、底座支架4.3.5、气-气换热室4.3.6、一体机二氧化碳管道4.3.7、低温二氧化碳入口4.3.7.1、炉内二氧化碳管道4.3.7.2、高温二氧化碳出口4.3.7.3、高温风机4.3.8、一体化透平4.3.9、发电机4.3.10、气体控制阀4.4、预热器2号4.5、发电单元热量回收器4.6、二氧化碳低压储罐4.7、一体机发电变压器4.8、配电网5。

具体实施方式：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图4所示，本实施例提供一种固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统，其包括风力发电单元1、光伏发电单元2、二氧化碳压缩单元3、固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4和配电网5；风力发电单元1、光伏发电单元2、固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4的电力输出端分别与配电网5的电力输入端电连接，风力发电单元1、光伏发电单元2、固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4发出的电送入配电网5；二氧化碳压缩单元3的用电设备和固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4的用电设备分别与配电网5的输出端电连接，通过配电网5为各用电设备送电。

二氧化碳压缩单元3根据电网电力余缺情况判定运行状态，当电网电力处于电力盈余，且风力发电单元1与光伏发电单元2出力较大时，二氧化碳压缩单元3运行，将电能转化为二氧化碳的势能储存，实现对风力发电单元1与光伏发电单元2的电力储存；此时，固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4的固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机4.3根据电网电力余缺情况，判定运行状态，当电网电力处于电力盈余，固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机4.3的电阻带4.3.4运行，将风力发电单元1与光伏发电单元2的电能转化为热能进行储存，当电网电力处于电力缺额时，固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机4.3的电阻带4.3.4不运行；当电网电力处于电力缺额时，二氧化碳压缩单元3不运行，固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4的高温风机4.3.8、一体化透平4.3.9、发电机4.3.10同时运行，所发电力送入配电网5。

二氧化碳压缩单元3包括压缩单元变压器3.1、压缩单元配电控制柜3.2、压缩机1号3.3、压缩机2号3.4、压缩机n号3.5、热交换器1号3.6、热交换器n-1号3.7、热交换器n号3.8、压缩单元热量回收器3.9、二氧化碳高压储罐3.10、预热器1号3.11、冷罐3.12、热罐3.13；压缩单元变压器3.1的电力输入端与配电网5的电力输出端电连接，压缩单元变压器3.1的电力输出端与压缩单元配电控制柜3.2的电力输入端电连接，压缩单元配电控制柜3.2的电力输出端与二氧化碳压缩单元3的用电设备的电力输入端电连接。

各压缩机以串联形式连接，即压缩机1号3.3、压缩机2号3.4、压缩机n号3.5串联连接，即压缩机的数量根据实际生产需求确定；压缩机1号3.3的二氧化碳输出端与热交换器1号3.6的二氧化碳输入端通过管路连接，热交换器1号3.6的二氧化碳输出端与压缩机2号3.4的二氧化碳输入端通过管路连接，依次类推，压缩机与热交换器交替连通，热交换器n-1号3.7的二氧化碳输出端与压缩机n号3.5的二氧化碳输入端通过管路连接，压缩机n号3.5的二氧化碳输出端与热交换器n号3.8的二氧化碳输入端通过管路连接；热交换器n号3.8的二氧化碳输出端与压缩单元热量回收器3.9的二氧化碳输入端通过管路连接，压缩单元热量回收器3.9的二氧化碳输出端与二氧化碳高压储罐3.10的二氧化碳输入端通过管路连接，二氧化碳压缩单元3的高压二氧化碳输出端与固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4的二氧化碳输入端通过管路连接；冷罐3.12的蓄热介质输出端与热交换器n号3.8的蓄热介质输入端通过管路连接，热交换器n号3.8的蓄热介质输出端与热交换器n-1号3.7的蓄热介质输入端通过管路连接，依次类推，每相邻两个热交换器的蓄热介质输入与输出端相互连通，热交换器1号3.6的蓄热介质输出端与热罐3.13的蓄热介质输入端通过管路连接，冷罐3.12的蓄热介质用于与各热交换器内的二氧化碳进行换热以吸收热量；本实施例的蓄热介质选用导热油。对于二氧化碳压缩单元3的压缩机而言，压缩过程二氧化碳温度越低，压缩所耗费电能越少，所以，降低二氧化碳压缩单元3的二氧化碳气体的压缩温度，是提高系统效率的一种重要而有效的手段；因此，本实用新型中，在二氧化碳压缩单元3的各级压缩机的出口增加了热交换器，利用蓄热介质回收压缩热的同时，降低二氧化碳的压缩温度。

风力发电单元1与光伏发电单元2为二氧化碳压缩单元3的各压缩机提供电能，通过二氧化碳压缩单元3的各压缩机对系统内的二氧化碳进行压缩，同时，每次经压缩后的二氧化碳所释放的热量与对应的热交换器内的蓄热介质进行热交换，将释放的热量传递给蓄热介质并储存在热罐3.13内，便于利用；而且将最终压缩后的高压二氧化碳送入二氧化碳高压储罐3.10内，以备固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4使用，同时实现了将风力发电单元1与光伏发电单元2的电能转化为二氧化碳的势能；二氧化碳送入二氧化碳高压储罐3.10的同时，其携带的部分热量与压缩单元热量回收器3.9内的蓄热介质换热。

热罐3.13的蓄热介质输出端与预热器1号3.11的蓄热介质输入端通过管路连接，预热器1号3.11的蓄热介质输出端与冷罐3.12的蓄热介质输入端通过管路连接；二氧化碳高压储罐3.10的二氧化碳的输出端与预热器1号3.11的二氧化碳输入端通过管路连接，预热器1号3.11的二氧化碳输出端与固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4的预热器2号4.5的二氧化碳低温侧的输入端通过管路连接；当通过二氧化碳高压储罐3.10向固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4提供高压的二氧化碳时，热罐3.13内的蓄热介质在动力设备泵的作用下进入预热器1号3.11与二氧化碳高压储罐3.10送出的二氧化碳换热，换热后的蓄热介质送入冷罐3.12内；由此，蓄热介质的热量通过预热器1号3.11能够对二氧化碳进行预热，实现热罐3.13内蓄热介质热量的合理利用，经换热后的蓄热介质送入冷罐3.12内。

固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4包括一体机变压器4.1、一体机控制柜4.2、固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机4.3、气体控制阀4.4、预热器2号4.5、发电单元热量回收器4.6、二氧化碳低压储罐4.7、一体机发电变压器4.8；一体机变压器4.1的电力输出端与一体机控制柜4.2的电力输入端电连接，一体机控制柜4.2的电力输出端与固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机4.3的电力输入端电连接，配电网5为固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机4.3供电，将电能转化为热能进行储存。

本实施例中，如图2、图3和图4所示，固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机4.3包括绝热炉壳4.3.1、风道4.3.2、蓄热砖层4.3.3、电阻带4.3.4、底座支架4.3.5、气-气换热室4.3.6、一体机二氧化碳管道4.3.7、低温二氧化碳入口4.3.7.1、炉内二氧化碳管道4.3.7.2、高温二氧化碳出口4.3.7.3、高温风机4.3.8、一体化透平4.3.9、发电机4.3.10；绝热炉壳4.3.1架设在底座支架4.3.5上，底座支架4.3.5内设置有气-气换热室4.3.6，绝热炉壳4.3.1内砌筑有蓄热砖层4.3.3；蓄热砖层4.3.3的材料通常为镁系金属氧化物，最高储热温度可达900℃，本实用新型中采用额定储热温度为850℃；蓄热砖层4.3.3内埋设有若干根电阻带4.3.4，电阻带4.3.4能够将电能转化为热能并储存在蓄热砖层4.3.3中；蓄热砖层4.3.3内及蓄热砖层4.3.3与绝热炉壳4.3.1之间均布设有风道4.3.2，蓄热砖层4.3.3与绝热炉壳4.3.1之间的风道4.3.2两端与置于绝热炉壳4.3.1下方的气-气换热室4.3.6的两端对应连通，蓄热砖层4.3.3内的风道与蓄热砖层4.3.3与绝热炉壳4.3.1之间的风道4.3.2连通；本实施例改造传统固体蓄热锅炉结构，并改变传统蓄热锅炉气-水换热方式，直接在气-气换热室4.3.6实现气-气换热；底座支架4.3.5的一端上装设有高温风机4.3.8，高温风机4.3.8的进风口与气-气换热室4.3.6的一端连通，高温风机4.3.8的出风口与风道4.3.2连通，一体化透平4.3.9固定在底座支架4.3.5远离高温风机4.3.8外侧；在高温风机4.3.8作用下，炉内循环空气介质从气-气换热室4.3.6抽出送往蓄热砖层4.3.3中的风道内，空气介质经蓄热砖层4.3.3加热后送回气-气换热室4.3.6中。

气-气换热室4.3.6内铺设有一体机二氧化碳管道4.3.7，一体机二氧化碳管道4.3.7的低温二氧化碳入口4.3.7.1密封穿过气-气换热室4.3.6、与预热器2号4.5的低温侧二氧化碳输出端通过管路连接，预热器2号4.5固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机4.3之间的管路上装设有气体控制阀4.4，通过气体控制阀4.4控制管路的通断；一体机二氧化碳管道4.3.7的高温二氧化碳出口4.3.7.3密封穿过气-气换热室4.3.6、与一体化透平4.3.9的进气口连通；低温二氧化碳入口4.3.7.1为二氧化碳气体输入端，二氧化碳在炉内二氧化碳管道4.3.7.2中被高温空气加热，高温二氧化碳出口4.3.7.3为二氧化碳输出端；经蓄热砖层4.3.3加热后的空气介质，在气-气换热室4.3.6中与炉内二氧化碳管道4.3.7.2中的二氧化碳气体换热，将热量传递给二氧化碳气体，加热二氧化碳气体。

本实施例最大创新点是首次将一体化透平及发电机与固体蓄热设备一体化设计，增加了系统效率的同时提高了系统设备的紧凑性，减少了压缩气体释能过程中的热损失；同时，本实施例首次将电储热设施用于压缩气体储能的补热系统，实现固体热能与气体内能的双储存，并在电网缺电时段全部转换为电能的释放。本实施例将压缩气体释能过程中的气体加热方式由单一的回收压缩热加热方式，增加为回收热与固体蓄热共同提供，并由固体蓄热装置提供高位热能，大大增加压缩气体的膨胀做功能力，从而提高整个压缩气体储能系统的能量转化效率。本实施例采用电热储装置替代传统压缩空气储能系统的燃烧室，摆脱了对天然气、石油等化石燃料的依赖，实现了对环境的零排放、零污染。

一体化透平4.3.9与发电机4.3.10相连，发电机4.3.10的电力输出端与一体机发电变压器4.8的电力输入端电连接，一体机发电变压器4.8的电力输出端与配电网5的电力输入端电连接；本实用新型中，气-气换热室4.3.6中被高温空气加热后的高温二氧化碳气体经高温二氧化碳出口4.3.7.3送往一体化透平4.3.8中，二氧化碳气体在一体化透平4.3.8中膨胀做功，驱动一体化透平4.3.8旋转，一体化透平4.3.8带动发电机4.3.9发电；固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4发电原理是利用二氧化碳膨胀过程对外做功驱动一体化透平4.3.9带动发电机4.3.10发出电能。

固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4的一体化透平4.3.9与发电机4.3.10运行时，二氧化碳压缩单元3不运行，气体控制阀4.4开启，二氧化碳经预热器2号4.5预热后，再通过一体机二氧化碳管道4.3.7与气-气换热室4.3.6内的热空气进行换热，经加热后的二氧化碳进入一体化透平4.3.9驱动发电机4.3.10发电，电力经一体机发电变压器4.8送入配电网5。

对于一体化透平4.3.9而言，气体起始点温度越高，膨胀过程中得到的有用功越多；所以，提高一体化透平4.3.9的进气温度，是提高系统效率的一种重要而有效的手段，本实施例中，二氧化碳在进入一体化透平4.3.9膨胀做功前，依次通过预热器2号4.5与气-气换热室4.3.6提高气体温度，最终提高发电效率。

一体化透平4.3.9的二氧化碳输出端与预热器2号4.5的高温侧二氧化碳输入端通过管路连接，预热器2号4.5的高温侧二氧化碳输出端与发电单元热量回收器4.6的二氧化碳输入端通过管路连接，发电单元热量回收器4.6的二氧化碳的输出端与二氧化碳低压储罐4.7的二氧化碳输入端通过管路连接；一体化透平4.3.9排出的高温二氧化碳送入预热器2号4.5内，用于对从预热器1号3.11预热后的二氧化碳进一步预热；经预热器2号4.5换热后的二氧化碳通过发电单元热量回收器4.6进行冷却降温后，存储到二氧化碳低压储罐4.7内，二氧化碳低压储罐4.7的低压二氧化碳输出端与二氧化碳压缩单元3的二氧化碳输入端通过管路连接，为二氧化碳压缩单元3提供低温的二氧化碳。

二氧化碳压缩单元3运行时，固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4的一体化透平4.3.9与发电机4.3.10不运行，气体控制阀4.4处于关闭状态；二氧化碳低压储罐4.7内的低温二氧化碳送入二氧化碳压缩单元3的压缩机内进行压缩，经压缩后的二氧化碳经过压缩单元热量回收器3.9后储存在二氧化碳高压储罐3.10内；压缩的同时，冷罐3.12内的蓄热介质在动力设备泵的作用下送入热交换器内与二氧化碳换热，经吸收热量后存储在热罐3.13内。

工作过程：根据配电网5的调度信息，确定二氧化碳压缩单元3、固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4的各用电设备开机、停机及运行状态。

当配电网5出现电力盈余时，系统进入储能状态，风力发电单元1与光伏发电单元2的盈余电力经配电网5输送给二氧化碳压缩单元3和固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4，二氧化碳压缩单元3各用电设备处于运行状态，压缩机将来自固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4的低压二氧化碳气体，经多级压缩后形成高压的二氧化碳气体储存在二氧化碳高压罐3.10中，压缩过程中，二氧化碳气体释放的热量通过热交换器储存到热罐3.13中；同时，固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4的电阻带4.3.4通电加热蓄热砖层4.3.3，将电能转换为热能储存在蓄热砖层4.3.3中；综上，当配电网5出现电力盈余时，盈余的风电、光伏电力分别转换为气体内能与固体热能进行储存。

当配电网5出现电力缺额时，系统进入发电状态，二氧化碳压缩单元3的压缩机停止运行，固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元4的电阻带4.3.4不通电，气体控制阀4.4开启，二氧化碳压缩单元3的二氧化碳高压罐3.10释放高压低温的二氧化碳，二氧化碳气体在预热器1号3.11吸收热量后升温，再经预热器2号4.5预热后，经气-气换热室4.3.6内加热，进入一体化透平4.3.9驱动发电机4.3.10发电，电力经一体机发电变压器4.8送入配电网5，综上，当配电网5出现电力缺额时，气体内能与固体热能转换为电能为配电网5供电。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统，其特征在于，其包括风力发电单元、光伏发电单元、二氧化碳压缩单元、固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元和配电网；

所述风力发电单元的输出端、所述光伏发电单元的输出端及所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的电力输出端分别与所述配电网的电力输入端电连接，所述二氧化碳压缩单元的用电设备和所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的用电设备分别与所述配电网的输出端电连接；

所述二氧化碳压缩单元的二氧化碳输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的二氧化碳输入端通过管路连接，所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的二氧化碳输出端与所述二氧化碳压缩单元的二氧化碳输入端通过管路连接。

2.根据权利要求1所述的固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统，其特征在于，所述二氧化碳压缩单元包括压缩单元热量回收器、二氧化碳高压储罐、冷罐、热罐和若干个串联的压缩机；

每个压缩机的二氧化碳输出端与对应的一个热交换器的二氧化碳输入端通过管路连接，沿二氧化碳输送方向最后一个热交换器的二氧化碳输出端与所述压缩单元热量回收器的二氧化碳输入端连通，所述压缩单元热量回收器的二氧化碳输出端与所述二氧化碳高压储罐的进口连通，其余的各热交换器的二氧化碳输出端沿二氧化碳输送方向与对应的下一个压缩机的二氧化碳输入端连通，第一个压缩机的二氧化碳输入端与所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的二氧化碳低压储罐的出口连通；所述冷罐的蓄热介质输出端与最后一个热交换器的蓄热介质输入端通过管路连接，每相邻两个所述热交换器的蓄热介质输入与输出端相互连通，第一个热交换器的蓄热介质输出端与所述热罐的蓄热介质输入端通过管路连接，所述热罐的蓄热介质输出端与所述冷罐的蓄热介质输入端连通。

3.根据权利要求2所述的固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统，其特征在于，其还包括预热器1号；所述二氧化碳高压储罐的二氧化碳输出端与所述预热器1号的二氧化碳输入端通过管路连接，所述预热器1号的二氧化碳输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的二氧化碳输入端通过管路连接；

所述热罐的蓄热介质输出端与所述预热器1号的蓄热介质输入端通过管路连接，所述预热器1号的蓄热介质输出端与所述冷罐的蓄热介质输入端通过管路连接。

4.根据权利要求1所述的固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统，其特征在于，所述二氧化碳压缩单元还包括压缩单元变压器、压缩单元配电控制柜；所述压缩单元变压器的电力输入端与所述配电网的电力输出端电连接，所述压缩单元变压器的电力输出端与所述压缩单元配电控制柜的电力输入端电连接，所述压缩单元配电控制柜的电力输出端与所述二氧化碳压缩单元的用电设备电力输入端电连接。

5.根据权利要求1所述的固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统，其特征在于，所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元包括固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机、一体机发电变压器、发电单元热量回收器、二氧化碳低压储罐、气体控制阀、预热器2号；

所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的二氧化碳输入端与所述二氧化碳压缩单元的二氧化碳输出端通过管路连接，所述二氧化碳压缩单元的二氧化碳输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机之间的管路上装设有所述预热器2号与所述气体控制阀；所述预热器2号的低温侧二氧化碳输出端与所述气体控制阀的二氧化碳输入端通过管路链接，所述气体控制阀的二氧化碳输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的二氧化碳输入端通过管路连接；所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的二氧化碳输出端与所述预热器2号的高温侧二氧化碳输入端通过管路链接，所述预热器2号的高温侧二氧化碳输出端与所述发电单元热量回收器的二氧化碳输入端通过管路连接，所述发电单元热量回收器的二氧化碳的输出端与所述二氧化碳低压储罐的进口连通；所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的电力输出端与所述一体机发电变压器的电力输入端电连接，所述一体机发电变压器的电力输出端与所述配电网的电力输入端电连接。

6.根据权利要求5所述的固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统，其特征在于，所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元还包括一体机变压器和一体机控制柜；所述一体机变压器的电力输出端与所述一体机控制柜的电力输入端电连接，所述一体机控制柜的电力输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的电力输入端电连接。

7.根据权利要求5所述的固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统，其特征在于，所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机包括绝热炉壳、蓄热砖层、电阻带、底座支架、气-气换热室、一体机二氧化碳管道、高温风机、一体化透平和发电机；

所述绝热炉壳架设在所述底座支架上，所述底座支架内设置有所述气-气换热室，所述绝热炉壳内砌筑有所述蓄热砖层，所述蓄热砖层内埋设有若干根所述电阻带；

所述绝热炉壳内布有若干风道，所述风道与所述气-气换热室连通；所述底座支架的一端上装设有所述高温风机，所述高温风机与所述风道、所述气-气换热室连通；所述一体化透平固定在底座支架外侧；

所述气-气换热室内铺设有所述一体机二氧化碳管道，所述一体机二氧化碳管道的低温二氧化碳入口密封穿过所述气-气换热室、与所述预热器2号的低温侧二氧化碳输出端连通；所述一体机二氧化碳管道的高温二氧化碳出口密封穿过所述气-气换热室、与所述一体化透平的进气口连通，所述一体化透平的透平轴与所述发电机的输入轴相连，所述一体化透平的二氧化碳输出端为所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的二氧化碳输出端。