一种液化二氧化碳储能装置

1.本实用新型属于二氧化碳储能技术领域，特别涉及一种液化二氧化碳储能装置。


背景技术：

2.随着节能减排得到越来越多国家重视，储能技术作为一种平滑可再生能源波动、实现传统电力系统调峰调频、提升可再生能源并网灵活性的重要手段，得到了快速的发展。压缩空气储能是一种重要的储能技术，其工作原理是在用电低峰期利用多余的电能压缩空气并将其储存在储气穴中；在用电高峰期释放高压空气，空气经过加热后在膨胀机中做功，带动发电机产生电能。虽然该技术已经得到商业化运行，但其在释能过程中依赖化石燃料加热高压空气，造成了温室气体排放，并且该技术存在储能密度低，需要特定的地理条件建造大型储气室等问题，限制了压缩空气储能的发展。
3.综上，亟需一种新的液化二氧化碳储能装置。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种液化二氧化碳储能装置，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本实用新型采用二氧化碳作为储能介质，不仅可以更加灵活地使用人造容器，提高系统的能量密度，而且系统形成闭环，可避免向环境释放温室气体。
5.为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
6.本实用新型的一种液化二氧化碳储能装置，包括：第一压缩机、第一冷却器、第一热罐、第一冷罐、第二加热器、第一膨胀机、第三膨胀机、蓄冷器、节流阀、第一液态二氧化碳储罐、第二冷罐、第三冷却器、第三加热器、第二热罐、第四加热器、第五泵、第三冷罐、第二液态二氧化碳储罐、第三热罐、分离器、第四膨胀机和第四冷却器；第一压缩机的出口与第一冷却器的第一进口相连通，第一冷却器的第一出口与第四冷却器的第一进口相连通；第一冷却器的第二进口与第一冷罐的出口相连通，第一冷却器的第二出口与第一热罐的进口相连通；第一热罐的出口与第二加热器的第一进口相连通，第二加热器的第一出口与第一冷罐的进口相连通；第四冷却器的第二进口与第三冷罐的出口相连通，第四冷却器的第二出口与第三热罐的进口相连通；第三热罐的出口与第四加热器的第一进口相连通，第四加热器的第一出口与第三冷罐的进口相连通；第四冷却器的第一出口与第四膨胀机的进口相连通，第四膨胀机的出口与分离器的进口相连通；分离器的第一出口与第四冷却器的第三进口相连通，第四冷却器的第三出口与第一压缩机的进口相连通；分离器的第二出口与第二液态二氧化碳储罐的进口相连通，第二液态二氧化碳储罐的出口经第五泵与第四加热器的第二进口相连通，第四加热器的第二出口与第二加热器的第二进口相连通；第三膨胀机的进口与第二加热器的第二出口相连通，第三膨胀机的出口与第三冷却器的第一进口相连通，第三冷却器的第一出口与第一膨胀机的进口相连通，第一膨胀机的出口与蓄冷器的第一进口相连通，蓄冷器的第一出口与第一液态二氧化碳储罐的进口相连通，第一液态二氧化碳储罐的出口经节流阀与蓄冷器的第二进口相连通；蓄冷器的第二出口与第三加热器的
第一进口相连通，第三加热器的第一出口与第一压缩机的进口相连通；第三加热器的第二出口与第二冷罐的进口相连通，第二冷罐的出口与第三冷却器的第二进口相连通，第三冷却器的第二出口与第二热罐的进口相连通，第二热罐的出口与第三加热器的第二进口相连通。
7.本实用新型的进一步改进在于，还包括：第二压缩机和第二冷却器；第二压缩机与第一压缩机同轴布置；第二压缩机的进口与第一冷却器的第一出口相连通，第二压缩机的出口与第二冷却器的第一进口相连通，第二冷却器的第一出口与第四冷却器的第一进口相连通；第二冷却器的第二出口与第一热罐的进口相连通，第二冷却器的第二进口与第一冷罐的出口相连通。
8.本实用新型的进一步改进在于，还包括：第一加热器和第二膨胀机；第二膨胀机与第三膨胀机同轴布置；第一加热器的第一进口与第一热罐的出口相连通，第一加热器的第一出口与第一冷罐的进口相连通；第一加热器的第二进口与第四加热器的第二出口相连通，第一加热器的第二出口与第二膨胀机的进口相连通，第二膨胀机的出口与第二加热器的第二进口相连通。
9.本实用新型的进一步改进在于，还包括：第一散热器；所述第一散热器设置于第三膨胀机的出口与第三冷却器的第一进口之间。
10.本实用新型的进一步改进在于，还包括：第二散热器；所述第二散热器设置于第一压缩机的进口与第四冷却器的第三出口及第三加热器的第一出口之间。
11.本实用新型的进一步改进在于，第一冷却器、第一热罐、第一冷罐和第二加热器构成储能装置，采用水作为蓄热介质。
12.本实用新型的进一步改进在于，第二热罐、第二冷罐、第三热罐、第三冷罐中的介质为甲醇。
13.本实用新型的进一步改进在于，所述液化二氧化碳储能装置的循环介质为二氧化碳。
14.本实用新型的进一步改进在于，第一液态二氧化碳储罐与第二液态二氧化碳储罐的压力不同。
15.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
16.为了克服压缩空气储能技术存在的缺点，本实用新型采用二氧化碳代替空气作为储能介质，一方面二氧化碳无毒、不助燃、具有较低的临界温度(31.3℃)和临界压力(7.38mpa)；另一方面高压的超临界二氧化碳在环境温度下可以被冷凝成液体，体积显著减小，为摆脱对特定储存条件的限制提供了可能。综上，本实用新型提出了一种采用二氧化碳作为储能介质的液化二氧化碳储能装置，不仅可以更加灵活地使用人造容器，提高了系统的能量密度，而且系统形成一个闭环，避免了向环境释放温室气体。本实用新型实施例的液化二氧化碳储能装置采用两个压力不同的液态二氧化碳储罐，分别用于储存高压二氧化碳液体和低压二氧化碳液体，从而使系统形成一个封闭的储能系统，一方面二氧化碳工质可以循环利用，另一方面避免了向环境排放温室气体。本实用新型中，采用二氧化碳作为工作介质，在较低的压力下容易达到临界状态，利用目前可行的措施相比于采用空气更容易实现液化，在实际应用中可以使用人工容器作为液态二氧化碳储罐，有效减小了储能系统的存储体积，从而摆脱了对特殊地理环境的限制，增加了系统储能密度。
17.本实用新型公开的液化二氧化碳储能装置，其储能过程中高压的超临界二氧化碳在任何环境温度下都可以被冷凝成液体，释能过程中，低压膨胀机出口的二氧化碳可以通过调节膨胀机，实现在蓄冷器中两股流体的换热过程均为纯相变过程，从而避免了因在换热器中既发生潜热换热又存在显热换热而导致的设备庞大且设计复杂的问题。
18.本实用新型中，在第三加热器冷端出口后面设置一个第二散热器用于将二氧化碳气体冷却到环境温度，从而避免进入低压压缩机1的二氧化碳温度过高而增加压缩机的耗功。
19.本实用新型中，第三膨胀机出口的二氧化碳气体温度高于环境温度，所以在第三膨胀机之后安装有第一散热器用于将二氧化碳冷却至环境温度。
附图说明
20.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本实用新型实施例的一种液化二氧化碳储能装置的示意图；
22.图2是本实用新型实施例的又一种液化二氧化碳储能装置的示意图；
23.图1和图2中，1、第一压缩机；2、第一冷却器；3、第二压缩机；4、第二冷却器；5、第一泵；6、第一热罐；7、第一冷罐；8、第二泵；9、第一散热器；10、第一加热器；11、第一膨胀机；12、第二膨胀机；13、第二加热器；14、第三膨胀机；15、蓄冷器；16、节流阀；17、第一液态二氧化碳储罐；18、第三泵；19、第二冷罐；20、第三冷却器；21、第三加热器；22、第四泵；23、第二热罐；24、第四加热器；25、第五泵；26、第三冷罐；27、第二液态二氧化碳储罐；28、第六泵；29、第三热罐；30、分离器；31、第四膨胀机；32、第四冷却器；33、第二散热器；34、第七泵。
具体实施方式
24.为使本实用新型实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例。基于本实用新型公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本实用新型保护的范围。
25.请参阅图1，本实用新型实施例的一种液化二氧化碳储能装置，包括：第一压缩机1、第一冷却器2、第一热罐6、第一冷罐7、第二加热器13、第一膨胀机11、第三膨胀机14、蓄冷器15、节流阀16、第一液态二氧化碳储罐17、第二冷罐19、第三冷却器20、第三加热器21、第二热罐23、第四加热器24、第五泵25、第三冷罐26、第二液态二氧化碳储罐27、第三热罐29、分离器30、第四膨胀机31和第四冷却器32；第一压缩机1的出口与第一冷却器2的第一进口相连通，第一冷却器2的第一出口与第四冷却器32的第一进口相连通；第一冷却器2的第二进口与第一冷罐7的出口相连通，第一冷却器2的第二出口与第一热罐6的进口相连通；第一热罐6的出口与第二加热器13的第一进口相连通，第二加热器13的第一出口与第一冷罐7的进口相连通；第四冷却器32的第二进口与第三冷罐26的出口相连通，第四冷却器32的第二
出口与第三热罐29的进口相连通；第三热罐29的出口与第四加热器24的第一进口相连通，第四加热器24的第一出口与第三冷罐26的进口相连通；第四冷却器32的第一出口与第四膨胀机31的进口相连通，第四膨胀机31的出口与分离器30的进口相连通；分离器30的第一出口与第四冷却器32的第三进口相连通，第四冷却器32的第三出口与第一压缩机1的进口相连通；分离器30的第二出口与第二液态二氧化碳储罐27的进口相连通，第二液态二氧化碳储罐27的出口经第五泵25与第四加热器24的第二进口相连通，第四加热器24的第二出口与第二加热器13的第二进口相连通；第三膨胀机14的进口与第二加热器13的第二出口相连通，第三膨胀机14的出口与第三冷却器20的第一进口相连通，第三冷却器20的第一出口与第一膨胀机11的进口相连通，第一膨胀机11的出口与蓄冷器15的第一进口相连通，蓄冷器15的第一出口与第一液态二氧化碳储罐17的进口相连通，第一液态二氧化碳储罐17的出口经节流阀16与蓄冷器15的第二进口相连通；蓄冷器15的第二出口与第三加热器21的第一进口相连通，第三加热器21的第一出口与第一压缩机1的进口相连通；第三加热器21的第二出口与第二冷罐19的进口相连通，第二冷罐19的出口与第三冷却器20的第二进口相连通，第三冷却器20的第二出口与第二热罐23的进口相连通，第二热罐23的出口与第三加热器21的第二进口相连通；其中，所述液化二氧化碳储能装置的循环介质为二氧化碳；第一液态二氧化碳储罐17与第二液态二氧化碳储罐27的压力不同。
26.本实用新型实施例中，还包括：第二压缩机3、第二冷却器4、第一加热器10和第二膨胀机12；
27.第二压缩机3与第一压缩机1同轴布置；第二压缩机3的进口与第一冷却器2的第一出口相连通，第二压缩机3的出口与第二冷却器4的第一进口相连通，第二冷却器4的第一出口与第四冷却器32的第一进口相连通；第二冷却器4的第二出口与第一热罐6的进口相连通，第二冷却器4的第二进口与第一冷罐7的出口相连通；第二膨胀机12与第三膨胀机14同轴布置；第一加热器10的第一进口与第一热罐6的出口相连通，第一加热器10的第一出口与第一冷罐7的进口相连通；第一加热器10的第二进口与第四加热器24的第二出口相连通，第一加热器10的第二出口与第二膨胀机12的进口相连通，第二膨胀机12的出口与第二加热器13的第二进口相连通。
28.本实用新型实施例中，还包括：第一散热器9、第二散热器33；
29.所述第一散热器9设置于第三膨胀机14的出口与第三冷却器20的第一进口之间；所述第二散热器33设置于第一压缩机1的进口与第四冷却器32的第三出口及第三加热器21的第一出口之间。
30.本实用新型实施例中，第一冷却器2与第一冷罐7之间设置有第一泵5；第一热罐6与第二加热器13之间设置有第二泵8；第二冷罐19与第三冷却器20之间设置有第三泵18；第二热罐23与第三加热器21之间设置有第四泵22；第三冷罐26和第四冷却器32之间设置有第六泵28；第三热罐29和第四加热器24之间设置有第七泵34。
31.请参阅图2，本实用新型实施例的一种液化二氧化碳储能装置，包括：储能单元、释能单元、第一储能装置a、第二储能装置b和第三储能装置c；其中，所述系统以储能和释能两种模式运行，系统中的三个储能装置和液态二氧化碳储罐将两种模式连接成为一个整体。
32.本实用新型实施例中，储能单元包括：通过管路依次连通的第一液态二氧化碳储罐、节流阀、加热器、散热器、低压压缩机、低压冷却器、高压压缩机、第二冷却器、冷却器、低
温膨胀机、分离器、第二液态二氧化碳储罐；释能单元包括：通过管路依次连通的低温泵、加热器、高压加热器、高压膨胀机、低压加热器、低压膨胀机、散热器、冷却器、膨胀机、蓄冷器、第一液态二氧化碳储罐。储能装置包括：通过管路依次连接的冷罐、泵、冷却器、加热器、泵、冷罐形成一个闭式的环路。储能过程包括：储能装置c热罐中的储热介质在上述加热器中加热蓄冷器冷端出口的二氧化碳气体，储能装置a冷罐中的储热介质通过在上述低压冷却器、第二冷却器中回收压缩机产生的压缩热并将其储存在热罐中，储能装置b冷罐中的储热介质通过在上述第二冷却器中冷却第二冷却器出口的二氧化碳并将热量储存在热罐中。本实用新型实施例系统的释能过程包括：储能装置b中热罐储存的热量用于加热第二液态二氧化碳储罐出口的二氧化碳，储能装置a中热罐储存的热量分别用于在高压加热器、低压加热器中加热膨胀机进口的二氧化碳，储能装置c冷罐中的储热介质在冷却器中冷却散热器出口的环境温度二氧化碳。
33.本实用新型实施例的液化二氧化碳储能装置采用两个压力不同的液态二氧化碳储罐，分别用于储存高压二氧化碳液体和低压二氧化碳液体，从而使系统形成一个封闭的储能系统，一方面二氧化碳工质可以循环利用，另一方面避免了向环境排放温室气体。
34.本实用新型实施例的储能装置a采用水作为蓄热介质，储能装置b、c采用甲醇作为蓄热介质，其中储能装置中热罐、冷罐出口设有泵用于输送蓄热流体而非提升流体工作压力。
35.优选地，在上述储能装置b中采用三流股冷却器，冷端进口分别引入分离器顶端出口低温二氧化碳气体和冷罐出口甲醇作为冷股工作流体。
36.优选地，储能过程中采用低温膨胀机对三流股冷却器热端出口二氧化碳进行液化，释能过程中采用膨胀机调节冷却器出口二氧化碳的状态以满足蓄冷器的工作需求。
37.优选地，采用散热器用于调节二氧化碳气体的温度降至环境温度。
38.优选地，储能过程中采用电动机驱动多级压缩机，释能过程中采用多级膨胀机驱动连接发电机。
39.本实用新型实施例的系统是一种可被用于平滑可再生能源间歇发电、电网调峰的储能系统。本实用新型以用电低峰期电网富余电能或可再生能源产生的电能作为系统储能阶段的能量来源，在释能阶段通过膨胀机做功带动发电机产生电能用来补充用电高峰期电网供电。从而将电网供电高峰期的供电压力转移至供电低峰期，减少了可再生能源的弃风弃电率，节约了能源。本实用新型采用二氧化碳作为工作介质，在较低的压力下容易达到临界状态，利用目前可行的措施相比于采用空气更容易实现液化，在实际应用中可以使用人工容器作为液态二氧化碳储罐，有效减小了储能系统的存储体积，从而摆脱了对特殊地理环境的限制，增加了系统储能密度。本实用新型公开的液化二氧化碳储能装置，其储能过程中高压的超临界二氧化碳在任何环境温度下都可以被冷凝成液体，释能过程中，低压膨胀机出口的二氧化碳可以通过调节膨胀机，实现在蓄冷器中两股流体的换热过程均为纯相变过程，从而避免了因在换热器中既发生潜热换热又存在显热换热而导致的设备庞大且设计复杂的问题。
40.本实用新型提出的这种液化二氧化碳储能装置，主要由储能和释能两种模式运行。
41.在储能过程中，第一液态二氧化碳储罐中储存的低压液态二氧化碳流经节流阀进
入蓄冷器中，蓄冷器中换热介质的温度高于液态二氧化碳的温度，在此过程中二氧化碳吸收热量由液态转变为气态。蓄冷器冷端出口的气态二氧化碳随后流经储能装置c中的加热器，吸收来自热罐储热介质甲醇在释能过程中储存的热量，值得一提的是此时被加热后的气态二氧化碳温度高于环境温度，所以在加热器冷端出口后面设置一个散热器用于将二氧化碳气体冷却到环境温度，从而避免进入低压压缩机的二氧化碳温度过高而增加压缩机的耗功。散热器出口的环境温度二氧化碳进入低压压缩机，经压缩升温升压后进入低压冷却器，在低压冷却器内与来自储能装置a中冷罐的载热介质水进行热量交换，吸收压缩热后的载热介质水被储存在热罐中，被冷却后的二氧化碳进入高压压缩机再次升压。温度压力升高后的二氧化碳进入第二冷却器与来自储能装置a中冷罐的载热介质水进行热量交换，吸收压缩热后的载热介质水被储存在热罐中。第二冷却器冷端出口的超临界二氧化碳气体进入储能装置b中冷却器被分别来自储能装置b中冷罐的载热介质甲醇和分离器顶端出口的二氧化碳同时冷却，吸收热量后的载热介质甲醇被储存在热罐中，换热冷却后的超临界二氧化碳进入低温膨胀机进行液化。液化过程中产生的二氧化碳气液混合物在分离器中进行分离，分离得到的高压液态二氧化碳被储存在第二液态二氧化碳储罐中，分离得到的气态二氧化碳进入储能装置b中冷却器对来自在第二冷却器冷端出口的超临界二氧化碳进行冷却。在此储能过程中，压缩机消耗的能量可以是用电低峰期电网富余电能或可再生能源产生的电能。
42.在释能过程中，第二液态二氧化碳储罐中储存的高压液态二氧化碳经泵输送至储能装置b加热器内与储热介质甲醇进行换热，释放热量后的储热介质甲醇被储存在冷罐中以备下一储能阶段使用，被加热后的二氧化碳进入高压加热器再次被储热介质水加热以提高二氧化碳的做功能力。释放热量后的储热介质水被储存在冷罐中以备下一储能阶段使用，经过两级加热后的二氧化碳进入高压膨胀机做功带动发电机产生电能，膨胀机出口的二氧化碳气体进入低压加热器再次被储热介质水加热，温度升高后的二氧化碳进入低压膨胀机做功带动发电机产生电能。由于低压膨胀机出口的二氧化碳气体温度高于环境温度，所以在低压膨胀机之后安装有散热器用于将二氧化碳冷却至环境温度。散热器出口的环境温度二氧化碳进入储能装置c中冷却器与载热介质甲醇进行换热，吸收热量后的甲醇被储存在热罐中以备下一储能阶段使用，被冷却后的二氧化碳则通过调节膨胀机实现在蓄冷器中的相变液化，液化产生的液态二氧化碳被储存在第一液态二氧化碳储罐以备下一储能阶段使用。
43.本实用新型由储能和释能两个模式组成，储能过程中电网峰谷期多余电能或可再生能源产生的电能以其他形式能量储存起来，在用电高峰期释放储存的能量用于补充电网供电，通过削峰填谷的方式进而实现电网调频的目的。本实用新型的液化二氧化碳储能装置可用于配合电网实现削峰填谷、电网调频，对于可再生能源丰富的地区，本实用液化二氧化碳储能装置可与可再生能源发电厂相配合增加可再生能源利用率，达到节约能源的目的。
44.综上所述，本实用新型的目的在于克服上述压缩空气储能技术存在的缺点，提供一种液化二氧化碳储能装置及方法，从而实现电网调频、削峰填谷，增加可再生能源利用率。该系统以用电低峰期电网富余电能或可再生能源产生的电能作为储能阶段驱动压缩机的能量来源，采用二氧化碳作为储能介质，利用储能装置回收储能过程中二氧化碳工质携
带的热量，并将得到的液态二氧化碳储存在人工容器中，因此该系统具有经济、高效、环保的优点，同时解决了系统能量密度低的问题。
45.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本实用新型的权利要求保护范围之内。