一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统，该系统利用二氧化碳的超临界特性和二氧化碳在临界点附近的状态变化特性，不需要借助外界环境（如地下、海底空腔）条件即可实现储能系统在定压储能、定压释能、定容储能和定容释能之间的切换，实现不同方式的电力存储和释放。该系统利用二氧化碳由气态转化为超临界或液态的特性完成二氧化碳的存储，相比气体存储有效降低了系统复杂程度和设计难度，减少了储能系统成本；同时利用双存储器的方式，不借助外界环境（如地下、海底空腔）可灵活完成系统在储能/释能方式之间的切换，通过控制二氧化碳的存储/释放方式改变系统的储能和释能特性，增强了系统的灵活性。该系统可与太阳能、风能等可再生能源联合使用，无其他污染物的产生，有良好的环保特性。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统
本系统属于能量存储技术的优化利用领域，具体地说，是一种以压缩空气储能技术为基础，采用双存储器结构，利用二氧化碳在临界点附近的状态变化特性实现定压或定容时的储能/释能模式并完成两者之间切换的能量存储系统。
技术介绍
从工业革命至今，人类对于煤炭、石油等传统能源存在较强的依赖性，而由于传统能源利用导致的二氧化碳气体排放量日益增加，由此产生的温室效应严重影响着人类的生存环境。为了减少二氧化碳对环境的污染，目前对大型化石燃料电厂等排放的大量二氧化碳多采用捕捉和存储(Carbon dioxide Capture and Storage,简称CCS)技术，即:地质存储(在现有的地质构造中存储，如石油和天然气田、地下盐岩层等)、海洋存储(直接释放到海洋水体中或者注入到海底沉积层中)以及将二氧化碳固化成无机碳酸盐等，对二氧化碳进一步的开发和利用还存在较大的空白。压缩空气储能技术是上世纪五六十年代发展起来的一种能量存储技术，其以燃气轮机技术为基础，主要原理是利用电厂的富余电力将空气进行压缩并存储在地下储气室中，当需要时再将高压空气释放，利用透平对外做功。传统的压缩空气储能技术以环境空气为工作介质，当将空气压缩至较高压力时会造成系统部件如透平机械、换热器等的设计复杂化和困难化，导致系统规模庞大，成本较高。此外，由于要将空气压缩至较高压力(不低于40atm)进行存储，系统需要较大容积的地下储气腔或海底容腔作为存储空间实现定容存储或定压存储，而一旦储气腔确定，压缩空气储能系统的储能/释能模式确定且无法更改。这使得传统的压缩空气储能技术不仅存在设计困难、成本较高、结构复杂的缺陷，并会对环境造成一定影响，且地下储气腔或海底容腔等关键部件的开发和选择大大提升了系统成本，同时运行模式的单一造成压缩空气储能系统的可操作性和灵活性较差。因此，如何改善上述情况，减少储能技术的系统成本，同时增加系统应用的灵活性，是压缩空气储能技术面临的主要问题之一。利用二氧化碳取代空气作为储能技术的工作介质是解决上述问题的一种有效方法。二氧化碳有着优秀的物理和化学特性，在空气中比例为0.3%，是一种无毒、不燃的惰性气体，有较高的密度(ρ= I”汕g/Nm3),且有较低的临界温度Τε=31.TC和适中的临界压力Ρε=7.38*106Pa，如图3所示。在超临界状态下，二氧化碳兼有气体和液体的双重特性，其密度接近液体(约为空气密度的800倍)，粘度接近气体，扩散系数接近于气体，是液体的近百倍，具有更好的流动性和传输特性。相比空气，当以二氧化碳为介质实现压缩气体储能技术时，借助二氧化碳密度高且更容易达到超临界状态的特性不仅可以降低系统核心部件如透平机械、换热器等的设计难度，缩小系统的整体规模，大大降低系统成本，且可以进一步增强系统的安全性和应用的灵活性。
技术实现思路
本技术涉及一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统，该系统采用双存储器结构，利用二氧化碳的跨临界特性完成储能系统的定压储能/释能或定容储能/释能，并可在不同储能/释能方式间进行切换。该专利技术提高了系统应用的灵活性，优化了储能系统的供电特性，同时不需要使用化石燃料，不产生硫化物、氮化物等污染性气体。本技术为解决其技术问题所采取的技术方案是:一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统，包括:二氧化碳供应单元、二氧化碳压缩储能单元、二氧化碳膨胀释能单元、载热介质循环回路，其特征在于:所述二氧化碳供应单元包括常压二氧化碳存储器；所述二氧化碳压缩储能单元包括低压级二氧化碳压缩机、高压级二氧化碳压缩机、液态二氧化碳存储段泵、超临界二氧化碳存储段泵、液态二氧化碳存储器及超临界二氧化碳存储器，其中，-所述低压级二氧化碳压缩机的进气口通过管路与所述常压二氧化碳存储器的出气口连通，所述低压级二氧化碳压缩机产生的高压气体穿过低压级冷却器的热流体侧后，经气体管路通入所述高压级二氧化碳压缩机的进气口；--所述高压级二氧化碳压缩机产生的高压气体穿过高压级冷却器的热流体侧后，一部分经带有液态二氧化碳存储段开关阀的气体管路通入所述液态二氧化碳存储段泵，所述液态二氧化碳存储段泵产生的高压气体穿过液态二氧化碳存储段冷却器的热流体侧后进入所述液态二氧化碳存储器，另一部分经带有超临界二氧化碳存储段开关阀的气体管路通入所述超临界二氧化碳存储段泵，所述超临界二氧化碳存储段泵产生的高压气体通入所述超临界二氧化碳存储器上容腔；—所述液态二氧化碳存储器存储的液态二氧化碳，经设有液态二氧化碳供应段开关阀的供液管路通入所述`超临界二氧化碳存储器下容腔，所述超临界二氧化碳存储器下容腔存储的液态二氧化碳，经设有液态二氧化碳回流段开关阀的供液管路通入所述液态二氧化碳存储器；所述二氧化碳膨胀释能单元包括高压级二氧化碳膨胀机及低压级二氧化碳膨胀机，其中，-所述超临界二氧化碳存储器存储的高压气体，经设有超临界二氧化碳释能段开关阀的气体管路依次通入预热用换热器和高压级换热器的冷流体侧后通入所述高压级二氧化碳膨胀机；-所述高压级二氧化碳膨胀机膨胀后的气体，经气体管路通入低压级换热器的冷流体侧后通入所述低压级二氧化碳膨胀机；-所述低压级二氧化碳膨胀机膨胀后的气体流入常压二氧化碳存储器；所述载热介质循环回路包括载热介质供应器、高压级储热器、低压级储热器及预热用储热器，所述载热介质供应器中的载热介质经管路分别通入低压级冷却器、高压级冷却器、液态二氧化碳存储段冷却器的冷流体侧后进入所述低压级储热器、高压级储热器、预热用储热器，所述低压级储热器、高压级储热器、预热用储热器中的载热介质经管路分别通入低压级换热器、高压级换热器、预热用换热器的热流体侧后进入所述载热介质供应器。进一步地，所述载热介质供应器通过一共同的低温载热介质供应管路将载热介质分送至低压级冷却器、高压级冷却器、液态二氧化碳存储段冷却器的冷流体侧，位于载热介质供应器和液态二氧化碳存储段冷却器之间的供应管路上设有预热用储热器存储段开关阀。进一步地，所述低压级储热器、高压级储热器、预热用储热器分别通过各自独立的高温载热介质供应管路将载热介质分别送至低压级换热器、高压级换热器、预热用换热器的热流体侧，其中，所述低压级储热器与低压级换热器之间的供应管路上设有低压级储热器开关阀，所述高压级储热器与高压级换热器之间的供应管路上设有高压级储热器开关阀，所述预热用储热器与预热用换热器之间的供应管路上设有预热用储热器释能段开关阀。进一步地，所述液态二氧化碳存储段泵的进口管路上设有液态二氧化碳存储段止回阀，出口管路上设有液态二氧化碳存储段压力表。进一步地，所述超临界二氧化碳存储段泵的进口管路上设有超临界二氧化碳存储段止回阀，出口管路上设有超临界二氧化碳存储段压力表。进一步地，所述常压二氧化碳存储器和低压级二氧化碳压缩机之间的气体管路上设有二氧化碳供气段开关阀，和/或二氧化碳供气段过滤器，和/或二氧化碳供气段止回，和/或二氧化碳供气段干燥器。进一步地，所述低压级二氧化碳膨胀机和常压二氧化碳存储器之间的气体管路上设有二氧化碳回气段减压阀，和/或二氧化碳回气段过滤器，和/或二氧化碳回气段开关阀。进一步地，所述低压级二氧化碳压缩机、高压级二氧化碳压缩机分别由低压级电动机、高压级电动机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统，包括：二氧化碳供应单元、二氧化碳压缩储能单元、二氧化碳膨胀释能单元、载热介质循环回路，其特征在于：所述二氧化碳供应单元包括常压二氧化碳存储器（1）；所述二氧化碳压缩储能单元包括低压级二氧化碳压缩机（6）、高压级二氧化碳压缩机（7）、液态二氧化碳存储段泵（16）、超临界二氧化碳存储段泵（17）、液态二氧化碳存储器（21）及超临界二氧化碳存储器（24），其中，??所述低压级二氧化碳压缩机（6）的进气口通过管路与所述常压二氧化碳存储器（1）的出气口连通，所述低压级二氧化碳压缩机（6）产生的高压气体穿过低压级冷却器（10）的热流体侧后，经气体管路通入所述高压级二氧化碳压缩机（7）的进气口；??所述高压级二氧化碳压缩机（7）产生的高压气体穿过高压级冷却器（11）的热流体侧后，一部分经带有液态二氧化碳存储段开关阀（12）的气体管路通入所述液态二氧化碳存储段泵（16），所述液态二氧化碳存储段泵（16）产生的高压气体穿过液态二氧化碳存储段冷却器（20）的热流体侧后进入所述液态二氧化碳存储器（21），另一部分经带有超临界二氧化碳存储段开关阀（13）的气体管路通入所述超临界二氧化碳存储段泵（17），所述超临界二氧化碳存储段泵（17）产生的高压气体通入所述超临界二氧化碳存储器（24）上容腔；??所述液态二氧化碳存储器（21）存储的液态二氧化碳，经设有液态二氧化碳供应段开关阀（22）的供液管路通入所述超临界二氧化碳存储器（24） 下容腔，所述超临界二氧化碳存储器（24）下容腔存储的液态二氧化碳，经设有液态二氧化碳回流段开关阀（23）的供液管路通入所述液态二氧化碳存储器（21）；所述二氧化碳膨胀释能单元包括高压级二氧化碳膨胀机（37）及低压级二氧化碳膨胀机（38），其中，??所述超临界二氧化碳存储器（24）存储的高压气体，经设有超临界二氧化碳释能段开关阀（33）的气体管路依次通入预热用换热器（34）和高压级换热器（35）的冷流体侧后通入所述高压级二氧化碳膨胀机（37）；??所述高压级二氧化碳膨胀机（37）膨胀后的气体，经气体管路通入低压级换热器（36）的冷流体侧后通入所述低压级二氧化碳膨胀机（38）；??所述低压级二氧化碳膨胀机（38）膨胀后的气体流入常压二氧化碳存储器（1）；所述载热介质循环回路包括载热介质供应器（25）、高压级储热器（26）、低压级储热器（27）及预热用储热器（28），所述载热介质供应器（25）中的载热介质经管路分别通入低压级冷却器（10）、高压级冷却器（11）、液态二氧化碳存储段冷却器（20）的冷流体侧后进入所述低压级储热器（27）、高压级储热器（26）、预热用储热器（28），所述低压级储热器（27）、高压级储热器（26）、预热用储热器（28）中的载热介质经管路分别通入低压级换热器（36）、高压级换热器（35）、预热用换热器（34）的热流体侧后进入所述载热介质供应器（25）。...

【技术特征摘要】
1.一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统，包括:二氧化碳供应单元、二氧化碳压缩储能单元、二氧化碳膨胀释能单元、载热介质循环回路，其特征在于: 所述二氧化碳供应单元包括常压二氧化碳存储器(I); 所述二氧化碳压缩储能单元包括低压级二氧化碳压缩机(6)、高压级二氧化碳压缩机(7)、液态二氧化碳存储段泵(16)、超临界二氧化碳存储段泵(17)、液态二氧化碳存储器(21)及超临界二氧化碳存储器(24)，其中， -所述低压级二氧化碳压缩机(6 )的进气口通过管路与所述常压二氧化碳存储器(I)的出气口连通，所述低压级二氧化碳压缩机(6)产生的高压气体穿过低压级冷却器(10)的热流体侧后，经气体管路通入所述高压级二氧化碳压缩机(7)的进气口 ； 一所述高压级二氧化碳压缩机(7)产生的高压气体穿过高压级冷却器(11)的热流体侧后，一部分经带有液态二氧化碳存储段开关阀(12)的气体管路通入所述液态二氧化碳存储段泵(16)，所述液态二氧化碳存储段泵(16)产生的高压气体穿过液态二氧化碳存储段冷却器(20)的热流体侧后进入所述液态二氧化碳存储器(21)，另一部分经带有超临界二氧化碳存储段开关阀(13)的气体管路通入所述超临界二氧化碳存储段泵(17)，所述超临界二氧化碳存储段泵(17)产生的高压气体通入所述超临界二氧化碳存储器(24)上容腔；—所述液态二氧化碳存储器(21)存储的液态二氧化碳，经设有液态二氧化碳供应段开关阀(22)的供液管路通入所述超临界二氧化碳存储器(24)下容腔，所述超临界二氧化碳存储器(24)下容腔存储的液态二氧化碳，经设有液态二氧化碳回流段开关阀(23)的供液管路通入所述液态二氧化碳存储器(21)； 所述二氧化碳膨胀释能单元包括高压级二氧化碳膨胀机(37)及低压级二氧化碳膨胀机(38)，其中，` 一所述超临界二氧化碳存储器(24)存储的高压气体，经设有超临界二氧化碳释能段开关阀(33)的气体管路依次通入预热用换热器(34)和高压级换热器(35)的冷流体侧后通入所述高压级二氧化碳膨胀机(37)； 一所述高压级二氧化碳膨胀机(37)膨胀后的气体，经气体管路通入低压级换热器(36)的冷流体侧后通入所述低压级二氧化碳膨胀机(38)； -所述低压级二氧化碳膨胀机(38 )膨胀后的气体流入常压二氧化碳存储器(I); 所述载热介质循环回路包括载热介质供应器(25)、高压级储热器(26)、低压级储热器(27)及预热用储热器(28)，所述载热介质供应器(25)中的载热介质经管路分别通入低压级冷却器(10)、高压级冷却器(11)、液态二氧化碳存储段冷却器(20)的冷流体侧后进入所述低压级储热器(27)、高压级储热器(26)、预热用储热器(28)，所述低压级储热器(27)、高压级储热器(26 )、预热用储热器(28 )中的载热介质经管路分别通入低压级换热器(36 )、高压级换热器(35 )、预热用换热器(34 )的热流体侧后进入所述载热介质供应器(25 )。...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨科，张远，李雪梅，徐建中，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：实用新型
国别省市：