太阳能跨临界二氧化碳朗肯循环与压缩空气储能耦合系统的制作方法

本发明涉及一种太阳能跨临界二氧化碳朗肯循环与压缩空气储能耦合系统，属于太阳能热利用和压缩空气储能领域。

背景技术：

能源消耗和传统能源带来的环境污染以及传统能源转换效率低的问题日益严重。因此，寻求可替代的可再生能源以及高效的转换方式迫在眉睫。近年来，利用太阳能、风能、地热能等可再生能源发电得到了广泛关注。然而，可再生能源具有间歇性、波动性以及非周期性等缺点。这些缺点导致输出的电能在并网时对电网产生波动，将带来电网发电的不稳定性。电力储能系统有效的解决了上述可再生能源发电存在的问题。

传统的中低温余热回收发电系统采用有机朗肯循环，但有机朗肯循环在工质蒸发侧属于等温蒸发，对热源的利用效率并不高而且存在“夹点温差”的问题。跨临界二氧化碳朗肯循环有效的解决了这一问题，且跨临界二氧化碳朗肯循环具有部件体积小，整个循环结构紧凑等优点，系统具有可持续性以及优越的经济性。同时，相比于有机朗肯循环，跨临界二氧化碳朗肯循环的热效率较高。可再生能源之一的太阳能具有清洁、持久、资源分布广泛，潜力巨大等优点。太阳能光热发电是太阳能利用的形式之一。以太阳能热能为热源，利用跨临界二氧化碳朗肯循环发电，可有效的解决化石能源带来的环境污染以及有机工质带来的全球变暖等问题。如前所述，太阳能的间歇性、波动性以及非周期性造成太阳能跨临界二氧化碳系统发电的不稳定。因此，压缩空气储能系统的应用有效解决了太阳能热发电的波动性等问题。

压缩空气储能技术是一种能够实现大容量和长时间电能存储的电力储存系统。系统通过压缩空气储存电能，在需要时，将压缩好的气体通过膨胀机做功发电。压缩空气储能系统可用于削峰填谷、平衡电力负荷、可将可再生能源形成稳定的电力供应还可作为备用电源以备用户在紧急情况下使用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种太阳能跨临界二氧化碳朗肯循环与压缩空气储能耦合系统，该系统将太阳能跨临界二氧化碳朗肯循环系统发出的间歇性及不稳定电能使用压缩空气储能的方法进行储存，以解决小型太阳能跨临界二氧化碳朗肯循环系统电力存储的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

太阳能跨临界二氧化碳朗肯循环与压缩空气储能耦合系统，包括：油泵、集热器、蒸发器、油箱、回热器、冷凝器、储液罐、工质泵、膨胀机、压缩机和储气室；

集热器通过管路与蒸发器的进油口连接，蒸发器的出油口与油箱连接；油泵、集热器、蒸发器和油箱依次通过管路连接，形成一个回路；集热器工质出口通过管路连接在膨胀机进口处；集热器工质进口通过管路连接到回热器；蒸发器、回热器、冷凝器、储液罐、工质泵连接，形成一个回路；膨胀机与压缩机同轴连接，将压缩空气存储在储气室；

将太阳能集热器吸收的热量作为蒸发器的热源，通过蒸发器加热跨临界二氧化碳朗肯循环子系统的高压工质，从而高温高压蒸汽推动膨胀机做功发电。

跨临界二氧化碳朗肯循环子系统中膨胀机与压缩空气储能系统中的压缩机同轴相连，压缩机出口与储气室相连，其中，压缩机和储气室形成压缩空气储能系统。在太阳能跨临界二氧化碳朗肯循环系统工作时，系统中膨胀机输出的功被与其同轴相连的压缩机消耗并将这部分能量通过空气势能的形式储存在储气室内。

采用上述方案后，本发明实现了太阳能跨临界二氧化碳朗肯循环系统与压缩空气储能系统的耦合，使小型太阳能热发电系统发出的不稳定电能通过压缩空气的形式储存起来。

有益效果：

1、本发明使用环境友好、稳定、环保、廉价、临界温度低的二氧化碳作为朗肯循环系统工质。由于二氧化碳临界温度低，比较容易达到超临界状态，因此，二氧化碳工质与热源可较好的匹配，不存在等温蒸发，从而提高了系统的热效率。

2、本发明针对太阳能热发电的波动性、间歇性以及非周期性，提出了将太阳能发出的不稳定电能通过压缩空气储能的形式进行储存。储存后的电能根据需要，进行稳定的放电。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1—油泵，2—集热器，3—蒸发器，4—油箱，5—膨胀机，6—回热器，7—冷凝器，8—储液罐，9—工质泵，10—压缩机，11—储气室。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

参见附图1，一种太阳能跨临界二氧化碳朗肯循环与压缩空气储能耦合系统，包括三个子系统：太阳能集热子系统，二氧化碳朗肯循环子系统，压缩空气储能子系统。其中，太阳能集热系统包括：油泵1，集热器2，蒸发器3，油箱4，该系统采用导热油为循环介质；跨临界二氧化碳朗肯循环系统包括：蒸发器3，膨胀机5，回热器6，冷凝器7，储液罐8，工质泵9，该系统采用二氧化碳为工作介质；压缩空气储能系统包括：压缩机10，储气室11，该系统采用空气为工作介质。

在太阳能集热系统中，导热油泵1出口连接太阳能集热器2导热油进口，太阳能集热器2导热油出口连接蒸发器3导热油侧进口，蒸发器3导热油侧出口连接油箱4进口，油箱4进口连接导热油泵1进口，组成太阳能集热子系统。

在跨临界二氧化碳朗肯循环系统中，工质泵9出口连接回热器6高压侧进口，回热器6高压侧出口连接蒸发器3工质侧进口，蒸发器3工质侧出口连接膨胀机5进口，膨胀机5出口连接回热器6低压侧进口，回热器6低压侧出口连接冷凝器7工质侧进口，冷凝器7工质侧出口连接储液罐8进口，储液罐8出口连接工质泵9进口，组成跨临界二氧化碳朗肯循环系统。

在压缩空气储能系统中，压缩机10出口连接储气室11进口，组成压缩空气储能系统。其中，压缩机的动力来自于跨临界二氧化碳朗肯循环系统膨胀机做的功，膨胀机5和压缩机10通过轴进行连接。

当耦合系统运行时，其工作过程为：

太阳能集热器2吸收太阳能热量加热导热油，被加热的导热油通过蒸发器3将跨临界二氧化碳朗肯循环系统的高压流体加热为高温高压的超临界二氧化碳工质，高温高压超临界二氧化碳工质进入膨胀机5做功，将太阳能热能转换为电能后转换为低压二氧化碳工质，低压二氧化碳工质进入回热器6低压侧后放热，然后进入到冷凝器7中被冷却回到储液罐8。被冷却的低压低温二氧化碳工质通过工质泵9进行增压变为高压超临界态，高压超临界二氧化碳工质进入回热器6高压侧吸收膨胀机5余热，吸收余热后的跨临界二氧化碳工质进入蒸发器3吸收太阳能集热器2吸收的太阳能热量形成高温高压超临界二氧化碳工质，开始下一轮循环。其中，膨胀机5做功通过与其同轴相连的压缩机10消耗，变为空气势能储存在储气室中。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.太阳能跨临界二氧化碳朗肯循环与压缩空气储能耦合系统，其特征在于：太阳能跨临界二氧化碳朗肯循环与压缩空气储能耦合系统，包括：油泵、集热器、蒸发器、油箱、回热器、冷凝器、储液罐、工质泵、膨胀机、压缩机和储气室；集热器通过管路与蒸发器的进油口连接，蒸发器的出油口与油箱连接；油泵、集热器、蒸发器和油箱依次通过管路连接，形成一个回路；蒸发器工质出口通过管路连接在膨胀机进口处；蒸发器工质进口通过管路连接到回热器；蒸发器、回热器、冷凝器、储液罐、工质泵连接，形成一个回路；膨胀机与压缩机同轴连接，将压缩空气存储在储气室。

2.通过如权利要求1所述的系统进行稳定太阳能光热发电转化的方法，其特征在于：太阳能集热器吸收太阳能热量加热导热油，被加热的导热油通过蒸发器将跨临界二氧化碳朗肯循环系统的高压流体加热为高温高压的超临界二氧化碳工质，高温高压超临界二氧化碳工质进入膨胀机做功，将太阳能热能转换为电能后转换为低压二氧化碳工质，低压二氧化碳工质进入回热器低压侧后放热，然后进入到冷凝器中被冷却回到储液罐；被冷却的低压低温二氧化碳工质通过工质泵进行增压变为高压超临界态，高压超临界二氧化碳工质进入回热器高压侧吸收膨胀机余热，吸收余热后的跨临界二氧化碳工质进入蒸发器吸收太阳能集热器吸收的太阳能热量形成高温高压超临界二氧化碳工质，开始下一轮循环；其中，膨胀机做功通过与其同轴相连的压缩机消耗，变为空气势能储存在储气室中。

技术总结
本发明涉及一种太阳能跨临界二氧化碳朗肯循环与压缩空气储能耦合系统，属于太阳能热利用和压缩空气储能领域。本发明旨在提供一种解决由于太阳能间歇性、波动性以及非周期性造成太阳能热发电系统发电不稳定的问题。系统主要包括太阳能集热器、导热油泵、油箱、朗肯循环侧的工质泵、蒸发器、涡旋膨胀机、回热器、冷凝器、压缩机、高压储气室。本发明使用二氧化碳作为朗肯循环系统工质。跨临界二氧化碳朗肯循环系统膨胀机发出的功被与其同轴相连的压缩机消耗，并以空气势能储存在储气室中。从而解决了太阳能热发电带来的间歇性等问题。

技术研发人员：魏名山;孟佳;宋盼盼
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2019.10.25
技术公布日：2019.12.20