一种CO2跨临界热力循环储电系统和方法

一种co2跨临界热力循环储电系统和方法
技术领域
1.本发明涉及储能技术领域，具体涉及一种co2跨临界热力循环储电系统和方法。


背景技术：

2.未来，可再生能源消耗占总能源消耗的比例将迅速提升，发电是可再生能源利用的最重要形式。电力供应结构将由火力发电向可再生能源发电持续并加速转化，可再生能源装机容量不断增大。但受日照、天气和气候的影响，风能、太阳能、潮汐能等可再生能源具有间歇性、波动性特点，其直接发电功率不稳定，储能是解决未来能源时空不匹配性的重要技术方案。对于储电技术来说，储能可保证可再生能源发电功率的平滑输出，提高电网接入能力。
3.目前已有的电力储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、蓄电池储能和超级电容等。其中以抽水储能、压缩空气储能和储热储能为代表的物理储能技术，储能成本低、容量大，适合大规模商业化应用，约占世界现有储能总量的99.5％。抽水储能和传统的压缩空气储能均受地理位置限制，在实际应用过程中受到一定影响。
4.(cn111141056a)公开了一种基于间接储冷储热的热泵储能系统，该系统包括热泵制热制冷储能回路、冷热能热机发电回路、间接储热回路和间接储冷回路，在用电低谷时，利用热泵技术将多余的电能以热和冷的方式储存起来，在用电高峰时，以间接储热介质为高温热源，以间接储冷介质为低温热源，吸收已存储的高温热能和低温冷能，通过热机循环驱动发电机发电。(ep2554804a2)公开了一种有中间储罐的热电储能系统及方法，包括热力循环系统和储罐系统，在用电低谷时，利用跨临界热泵循环将电能转化为热能进行存储，在用电高峰时，利用跨临界动力循环将存储的热能转化为电能，输送到电网。并且针对高温热源端的气体冷却器进行了优化，在气体冷却器的储热介质侧设置分流器，通过控制储热介质的质量流量来减小循环工质与储热介质之间的平均换热温差，以达到提高储能往返效率的目的。
5.上述技术方法均属于热电储能技术领域，在提升换热温度匹配性方面仍存在较大不足。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种co2跨临界热力循环储电系统和方法，将高温端循环工质与储热介质的换热过程进行分段设计，以减小循环工质与储能介质之间的换热平均温差，降低高温端换热过程的损失，最终提高储电系统的整体效率。
7.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
8.一种co2跨临界热力循环储电系统，包括热泵循环回路以及连接在所述热泵循环回路上的储热单元和储冷单元；
9.其中，所述热泵循环回路利用电网中多余的电能将所述热泵循环回路中的工质转化为高温高压的超临界状态并送入所述储热单元内；
10.所述储热单元内具有多段储热介质，高温高压的超临界工质进入所述储热单元内并依次与每一段储热介质进行近定温差换热以实现将热能存储在储热介质中；
11.经所述储热单元吸收热量后的低温高压工质再次进入所述热泵循环回路以完成工质循环。
12.作为本发明的一种优选方案，所述热泵循环回路包括膨胀机、工质泵、储冷单元、压缩
‑
膨胀机、发动机和发电机，所述发动机与所述压缩
‑
膨胀机连接用于驱动所述压缩
‑
膨胀机将低温低压的工质压缩为高温高压的超临界工质，所述压缩
‑
膨胀机的高压端与所述储热单元的热端连接，所述膨胀机的进口以及所述工质泵的出口与所述储热单元的冷端连接用于将低温高压的工质膨胀为低温低压的工质并对外输出轴功，所述膨胀机的输出端与所述发动机、所述压缩
‑
膨胀机以及所述发电机传动连接以使得输出轴功带动所述发电机发电或驱动所述压缩
‑
膨胀机工作，所述膨胀机的出口以及工质泵的进口与所述储冷单元的低焓端连接以实现冷量回收，所述储冷单元的高焓端与所述压缩
‑
膨胀机低压端连接以实现工质循环。
13.作为本发明的一种优选方案，所述储冷单元包括由低温端换热器、压缩机、冷凝器以及节流阀顺次连接的闭合回路，在所述低温换热器与所述压缩机的连接管路上安装有阀门。
14.作为本发明的一种优选方案，所述储热单元包括高温端换热器、分层式储冷罐以及分层式储热罐，所述膨胀机和工质泵的进口通过管道分别连接至所述高温端换热器的冷端，所述分层式冷储罐内设有不同温区，多个温区按照温度从低到高一一对应的与所述高温端换热器的冷端、第一补充口、第二补充口连接，所述高温端换热器的热端、第一排出口、第二排出口通过管道依次连接到分层式储热罐的高温区、中温区和低温区。
15.作为本发明的一种优选方案由低到高顺次设置有不同相变温度的相变介质，所述压缩
‑
膨胀机的出口与最低相变温度的相变介质连通，所述膨胀机的进口与最高相变温度的相变介质相连通。
16.本发明还提供了上述co2跨临界热力循环储电系统的储能方法，其特征在于，包括如下步骤：
17.步骤100、在用电低谷期，利用跨临界热力循环将电网中多余的电能转化为工质的热能，再将热工质与储热介质进行分段换热以实现将热能储存在储热介质内；
18.步骤200、在用电高峰期，利用跨临界热力循环将储热介质中的热能转化为电能并输送到电网。
19.作为本发明的一种优选方案，在步骤100具体包括：
20.步骤101、打开发动机、压缩膨胀机，关闭发电机，经压缩膨胀机压缩后的高温高压的超临界工质进入储热单元内进行分段换热以实现将热能储存在多段储热介质内；
21.步骤102、打开膨胀机，关闭工质泵，经储热单元换热后的低温高压工质进入膨胀机膨胀为低温低压的工质并对外输出轴功减少发动机的耗电；
22.步骤103、膨胀机出口的低温低压工质进入低温换热器内被储冷介质加热蒸发后再次进入压缩膨胀机，完成储电循环。
23.作为本发明的一种优选方案，在步骤200具体包括：
24.步骤201、打开工质泵，关闭膨胀机，释放多段储热介质中储存的热量对来自工质
泵中的低温高压工质进行分段换热获得高温高压状态的工质；
25.步骤202、打开膨胀机、发电机，关闭发动机，高温高压的工质进入压缩
‑
膨胀机进行膨胀并对外输出轴功带动发电机工作；
26.步骤203、膨胀后的低温低压工质进入低温换热器被储冷介质冷却液化后进入工质泵被加压为低温高压状态，完成释电循环。
27.作为本发明的一种优选方案，在步骤100中，分段换热具体包括：
28.在储热单元内按照温度由低到高设置多段储热介质，高温高压的工质依次与不同温度的储热介质进行换热；
29.或，在储热单元内按相变温度由低到高设置多段储热介质，高温高压的工质依次与不同相变温度的储热介质进行换热。
30.作为本发明的一种优选方案，在低温换热器内的温度传感器监测到储冷介质温度升高时，自动打开热平衡系统，气态工质被压缩机压缩后，进入冷凝器内向环境放热并冷却冷凝，再通过节流阀节流降压后进入低温端换热器内吸收热量蒸发，低温低压的气态工质进入压缩机，完成热平衡系统循环。
31.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
32.本发明在高温端循环工质与储热介质的换热过程中，通过调节质量流量和变换相变储热介质的分段换热技术，实现了高温端循环工质与储热介质的换热过程的良好温度匹配，提升了换热效率和储电系统的整体效率。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
34.图1为本发明提供储电系统第一种实施例储能时的循环流程示意图；
35.图2为本发明提供储电系统第一种实施例释能时的循环流程示意图；
36.图3为本发明提供储电系统第二种实施例储能时的循环流程示意图；
37.图4为本发明提供储电系统第二种实施例释能时的循环流程示意图。
38.图中的标号分别表示如下：
39.1、发动机；2
‑
1、压缩
‑
膨胀机；2
‑
2、压缩机；3、高温端换热器；4、膨胀机；5、低温端换热器；6
‑
1、分层式冷储罐；6
‑
2、分层式热储罐；7、冷凝器；8、节流阀；9、阀门；10、发电机；11、工质泵；12、分层相变储罐。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
41.如图1至图4所示，本发明提供了一种co2跨临界热力循环储电系统，包括热泵循环
回路以及连接在所述热泵循环回路上的储热单元和储冷单元；
42.其中，所述热泵循环回路利用电网中多余的电能将所述热泵循环回路中的工质转化为高温高压的超临界状态并送入所述储热单元内；
43.所述储热单元内具有多段储热介质，高温高压的超临界工质进入所述储热单元内并依次与每一段储热介质进行近定温差换热以实现将热能存储在储热介质中；
44.经所述储热单元吸收热量后的低温高压工质再次进入所述热泵循环回路以完成工质循环。
45.基于上述储电系统的现有结构，本发明着眼于热力循环储电系统高温端循环工质与储热介质的换热过程，通过分段换热技术减小平均换热温差，降低损失，提升储电系统的总体储能效率。由于热力循环储电系统高温端换热器内的循环工质和储能介质具有不同的热物理性质，两者的比热或焓值随温度的变化规律不一致，导致在换热过程中换热温差不均匀一致。将高温端循环工质与储热介质的换热过程进行分段设计，根据循环工质和储热介质的热物性随温度的变化规律，优化控制各换热区间的介质流量或介质物性，从而实现换热器的近定温差换热过程，减小平均换热温差，降低换热过程的损失。
46.具体地，所述热泵循环回路包括膨胀机4、工质泵11、储冷单元、压缩
‑
膨胀机2
‑
1、发动机1和发电机10，所述发动机1与所述压缩
‑
膨胀机2
‑
1连接用于驱动所述压缩
‑
膨胀机2
‑
1将低温低压的工质压缩为高温高压的超临界工质，所述压缩
‑
膨胀机2
‑
1的高压端与所述储热单元的热端连接，所述膨胀机4的进口以及所述工质泵11的出口与所述储热单元的冷端连接用于将低温高压的工质膨胀为低温低压的工质并对外输出轴功，所述膨胀机4的输出端与所述发动机1、所述压缩
‑
膨胀机2
‑
1以及所述发电机10传动连接以使得输出轴功带动所述发电机10发电或驱动所述压缩
‑
膨胀机2
‑
1工作，所述膨胀机4的出口以及所述工质泵11的进口与所述储冷单元的低焓端连接以实现冷量回收，所述储冷单元的高焓端与所述压缩
‑
膨胀机2
‑
1连接以实现工质循环。
47.所述储冷单元包括由低温端换热器5、压缩机2
‑
2、冷凝器7以及节流阀8顺次连接的闭合回路，在所述低温换热器5与所述压缩机2
‑
2的连接管路上安装有阀门9。
48.本发明实施例提供了两种储热单元的具体形式以实现高温端循环工质与储热介质的换热过程的分段调控。
49.第一种为调节质量流量的分段换热技术，具体地，所述储热单元包括高温端换热器3、分层式储冷罐6
‑
1以及分层式储热罐6
‑
2，所述膨胀机4的进口和工质泵11的出口通过管道分别连接至所述高温端换热器3的冷端，所述分层式冷储罐6
‑
1内设有不同温区，多个温区按照温度从低到高一一对应的与所述高温端换热器3的冷端、第一补充口、第二补充口连接，所述高温端换热器3的热端、第一排出口、第二排出口通过管道依次连接到分层式储热罐6
‑
2的高温区、中温区和低温区。
50.图1和图2为将分层式储冷罐6
‑
1和分层式储热罐6
‑
2均划分为三个温区的示例，其中，t1<t2<t3<t4<t5<t6。
51.作为优选，采用co2作为热力循环储电系统工质，采用水作为系统储热介质，采用冰浆或盐水冰浆作为系统储冷介质。
52.作为优选，两种介质逆向流动进行换热，根据冷热介质的热物理性质，将整个换热过程划分为若干换热段，则在每一个换热段内存在局部能量守恒，通过调节冷热换热介质
的流量比，在换热段内实现两种换热介质的温度变化相等或近似相等。依据能量守恒，通过对每个换热段的质量流量调节，最终实现均匀或近似均匀换热温差的全换热过程。
53.如图1所示，储电循环过程：在用电低谷期，利用电网中多余的电能驱动发动机1，发动机带动压缩
‑
膨胀机2
‑
1将低温低压的气态co2压缩为高温高压的超临界co2，通过控制分层式冷储罐6
‑
1、分层式热储罐6
‑
2和高温端换热器3内相应的质量流量，使两种换热介质达到良好的温度匹配，高温高压的气态co2将分层式冷储罐6
‑
1内不同温度的水加热至分层式热储罐6
‑
2内不同温度的水，同时高温高压的气态co2被冷却为低温高压的状态，然后进入膨胀机4内膨胀为低温低压的co2，并对外输出轴功，该轴功可用于带动发动机1运转或通过传动系统驱动压缩
‑
膨胀机2
‑
1，低温低压的co2进入低温端换热器5吸热蒸发，同时低温端换热器内的储冷介质水溶液被冷却为冰浆，低温低压的气态co2进入压缩
‑
膨胀机2
‑
1，完成储电系统循环；
54.如图2所示，在用电高峰期，分层热储罐6
‑
2内不同温度的储热介质水通过管路依次流入高温端换热器3实现分段换热，产生的不同温度的水通过管路流入分层冷储罐6
‑
1，同时来自工质泵的低温高压co2被加热至高温高压状态，高温高压状态的co2流入压缩
‑
膨胀机2
‑
1实现膨胀，并对外输出轴功，该轴功用于带动发电机10发电并通过传动系统驱动工质泵11运转，膨胀后的低温低压co2流入低温端换热器5被冷却为液态co2，同时低温端换热器5内的冰浆融合为液态，液态co2经过工质泵被加压至低温高压状态的co2，从而完成释电循环；当低温换热器5内的温度传感器监测到储冷介质温度升高时，自动打开热平衡系统，气态工质被压缩机2
‑
2压缩后，进入冷凝器7内向环境放热并冷却冷凝，再通过节流阀8节流降压后进入低温端换热器5内吸收热量蒸发，然后低温低压的气态工质进入压缩机2
‑
2，完成热平衡系统循环。
55.第二种为变换相变储热介质的分段换热技术，具体地，所述储热单元包括分层相变储罐12，所述分层相变储罐12内按照温度由低到高顺次设置有不同相变温度的相变介质，所述压缩
‑
膨胀机2
‑
1的高压端与最低相变温度的相变介质连通，所述膨胀机4的进口和所述工质泵11的出口与最高相变温度的相变介质相连通。
56.分层相变储罐12的分区数量、相变介质种类数、相变介质用量，按照储电实际需求选取大于等于2的数目。附图仅显示系统控制必需的阀门，在实际工程中，需根据实际需求增设相应阀门。
57.图3和图4在将分层相变储罐12内设有四种不同相变温度的相变介质的示例，其中t1<t2<t3<t4。
58.作为优选，采用co2作为热力循环储电系统工质，采用具有不同相变温度的相变介质作为系统储热介质，采用冰浆或盐水冰浆作为系统储冷介质，系统的循环流程示意图如图3和图4所示。
59.作为优选，根据冷热介质的热物理性质，将整个换热过程划分为若干换热段，选择若干种相变介质具有不同相变温度的相变介质作为系统储热介质与热力循环工质进行换热，实现不同温区的分段换热。实施例中，选择四个相变储热介质，相变温度由低到高排序为：相变介质1、相变介质2、相变介质3、相变介质4。
60.如图3所示，储电循环过程：在用电低谷期，利用电网中多余的电能驱动发动机1，发动机1带动压缩
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膨胀机2
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1将低温低压的气态co2压缩为高温高压的超临界co2，高温高压
的超临界co2在分层式相变储罐12内在不同换热区内依次与不同相变温度的相变介质换热并被冷却至低温高压状态，同时相变介质实现固态向液态的转变，然后进入膨胀机4内膨胀为低温低压的co2，并对外输出轴功，该轴功可用于带动发动机1运转或通过传动系统驱动压缩
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膨胀机2
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1，低温低压的co2进入低温端换热器5吸热蒸发，同时低温端换热器内的储冷介质水溶液被冷却为冰浆，低温低压的气态co2进入压缩
‑
膨胀机2
‑
1，完成储电系统循环；
61.如图4所示，在用电高峰期，来自工质泵的低温高压co2通过管路依次流入分层式相变储罐12内在不同换热区内依次与不同相变温度的相变介质换热并被加热至高温高压状态，同时相变介质实现液态向固态的转变，高温高压状态的co2流入压缩
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膨胀机2
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1实现膨胀，并对外输出轴功，该轴功用于带动发电机10发电并通过传动系统驱动工质泵11运转，膨胀后的低温低压co2流入低温端换热器5被冷却为液态co2，同时低温端换热器5内的冰浆融合为液态，液态co2经过工质泵被加压至低温高压状态的co2，从而完成释电循环；当低温换热器5内的温度传感器监测到储冷介质温度升高时，自动打开热平衡系统，气态工质被压缩机2
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2压缩后，进入冷凝器7内向环境放热并冷却冷凝，再通过节流阀8节流降压后进入低温端换热器5内吸收热量蒸发，然后低温低压的气态工质进入压缩机2
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2，完成热平衡系统循环。
62.本发明还提供了上述co2跨临界热力循环储电系统的储能方法，包括如下步骤：
63.步骤100、在用电低谷期，利用跨临界热力循环将电网中多余的电能转化为工质的热能，再将热工质与储热介质进行分段换热以实现将热能储存在储热介质内；
64.步骤200、在用电高峰期，利用跨临界热力循环将储热介质中的热能转化为电能并输送到电网。
65.步骤100具体包括：
66.步骤101、打开发动机、压缩膨胀机，关闭发电机，经压缩膨胀机压缩后的高温高压的超临界工质进入储热单元内进行分段换热以实现将热能储存在多段储热介质内；
67.步骤102、打开膨胀机，关闭工质泵，经储热单元换热后的低温高压工质进入膨胀机膨胀为低温低压的工质并对外输出轴功减少发动机的耗电；
68.步骤103、膨胀机出口的低温低压工质进入低温换热器内被储冷介质加热蒸发后再次进入压缩
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膨胀机，完成储电循环。
69.步骤200具体包括：
70.步骤201、打开工质泵，关闭膨胀机，释放多段储热介质中储存的热量对来自工质泵中的低温高压工质进行分段换热获得高温高压状态的工质；
71.步骤202、打开膨胀机、发电机，关闭发动机，高温高压的工质进入压缩膨胀机进行膨胀并对外输出轴功带动发电机工作；
72.步骤203、膨胀后的低温低压工质进入低温换热器被储冷介质冷却液化后进入工质泵被加压为低温高压状态，完成释电循环。
73.在步骤100中，分段换热具体包括：
74.在储热单元内按照温度由低到高设置多段储热介质，高温高压的工质依次与不同温度的储热介质进行换热；
75.或，在储热单元内按相变温度由低到高设置多段储热介质，高温高压的工质依次
与不同相变温度的储热介质进行换热。
76.另外，在低温换热器内的温度传感器监测到储冷介质温度升高时，自动打开热平衡系统，气态工质被压缩机压缩后，进入冷凝器内向环境放热并冷却冷凝，再通过节流阀节流降压后进入低温端换热器内吸收热量蒸发，低温低压的气态工质进入压缩机，完成热平衡系统循环
77.以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。