一种恒压超临界态存储的压缩二氧化碳储能系统及方法

本发明属于物理储能，涉及一种恒压超临界态存储的压缩二氧化碳储能系统及方法。

背景技术：

1、电力作为能源消费的主要形式，为经济的快速发展提供强劲的动力。当前，风电、光伏等可再生能源发电装机容量逐年攀升，成为新增电力装机容量的主力。然而，风能、太阳能具有极强的波动性、间歇性等特点，大规模并网对电力系统的安全带来严峻挑战。因此，产生了大规模的“弃风”、“弃光”现象，导致供给侧可再生电力装机容量的占比远大于需求侧可再生电力消费量的占比。如何平抑可再生能源发电固有的波动，提高可再生电力在能源消费结构中的占比，是加快向绿色可持续发展能源体系转变的关键。

2、储能技术可实现电能与其它能量形式的相互转化。将波动的可再生电力通过储能技术转化为可大规模存储的能量形式，最终以可控的电能形式送入电网，可有效解决“弃风”、“弃光”问题，提高电网对新能源电力的接纳能力。压缩气体储能技术具有存储规模大、平准化成本低、储能密度高、技术成熟等优点，是实现风电、光伏等可再生电力高效利用的有效途径。

3、简单来说，压缩气体储能技术原理如下：在储能过程中，通过压缩机消耗电能将低压气体压缩至高压后存储；在释能过程中，高压气体提升温度后进入透平膨胀做功，驱动发电机发电。

4、压缩气体储能技术的发展可分为以下3个层面：

5、1)热力学循环层面。压缩气体过程中带来气体的温升，为了保证高压气体存储过程的安全性，通过换热器将高压气体降温存储。然而，在释能过程中需要提升高压气体的温度以增强做功能力，通过化石燃料补燃这种引入外部热源的热力学形式称为非绝热压缩气体储能技术。随着蓄热技术的发展，将压缩过程产生的热量进行存储，代替化石燃料补燃，系统无外部热量输入，称为绝热压缩气体储能技术。由于压缩热有限，导致系统输出功率等级受限，因此在储能过程中将电能转化为热能进行存储，增大蓄热容量，提升系统输出功率等级，即热电共蓄式压缩气体储能技术。

6、2)工质存储状态层面。空气作为最常见的工质，最先应用于压缩气体储能系统中。然而，空气以气态形式存储时，需要大规模天然洞穴(山洞、废弃矿井等)保证系统具有大规模存储的能力，极大的限制系统储能密度和使用场景。因此，液态存储的压缩气体储能系统应运而生，人工储罐即可满足系统大容量需求，极大提升了储能密度，同时摆脱了地形限制，提升了系统应用灵活性。然而，液化空气带来了新的挑战。空气液化需要在-195℃的极低温条件下进行，这会导致部件出现脆断的问题，对相关材料的耐低温性能要求较高。同时，复杂的液化过程使得系统庞大，运行调控难度升级。

7、3)工质选取层面。由于空气液化困难，需要寻找新的工质来替代。二氧化碳物性良好，具有合适的临界温度(约31.41℃)和适中的临界压力(约7.38mpa)，超临界态时密度与液态时相当，超临界压力下可实现常温液化，同时还具有做功能力大的优点，以二氧化碳为工质的叶轮机械，结构紧凑，可有效缩小系统体积。因此，二氧化碳成为新一代储能系统工质的研究热点。此外，采用二氧化碳作为压缩气体储能系统工质最大的特点在于该系统必须为闭式循环。因为经透平膨胀做功后的低压二氧化碳不能排放到大气中，所以需设置储罐存储低压二氧化碳。

8、现阶段提出的压缩二氧化碳储能系统中，工质存储状态仍是系统设计的关键。低压储罐若以气态形式存储二氧化碳，会导致储能密度不高，同时需配置节流阀来维持压缩机入口压力的稳定，产生了较大的节流损失，降低了系统效率，因此低压储罐液态存储是更佳的选择。高压储罐目前有三种存储方式：恒压液态存储、定容超临界态存储、水下恒压超临界态存储。首先，以恒压液态形式存储二氧化碳，储能过程中二氧化碳液化产生热量损失，释能过程中二氧化碳蒸发也需消耗热量，是系统能量损失的主要来源。其次，定容超临界态存储下，工质在存储和释放过程中没有液化和蒸发的相变过程，减少了热量损失。但是由于定容存储的储罐内压力随着工质质量发生变化，同样需配置节流阀来维持透平入口压力的稳定，产生了较大的节流损失，限制了系统效率。最后，水下恒压超临界态存储是通过采用柔性容器置于数百米深的水下，依靠水压来维持柔性容器内压力在能量储释过程中的恒定，然而系统应用时有地理条件(海边或湖边深水区域)的限制，使得系统应用灵活性受限。

9、用户能源需求的多样化推动压缩二氧化碳储能系统向供能多元化方向发展，基于压缩二氧化碳储能的冷热电联供系统相继被提出。现有技术中，供热来源有两种，一种是压缩热的提取，这会导致系统释能过程温度提升不足，影响供电能力；另一种是透平出口余热的利用，可以有效提升系统能效。供冷来源也类似，一种是通过提高释能压力，增大膨胀比，降低透平出口温度，实现供冷；另一种是利用透平出口余热驱动制冷循环，提供冷能。主要问题在于，压缩二氧化碳储能技术中存在的高压工质存储状态导致系统能量损失大或地理条件受限，以及冷能和热能的供应与系统储能和释能的状态存在强耦合关系，例如提取压缩热只能在储能过程，透平出口余热仅存在于释能过程，各供能部分不可独立运行，系统运行灵活性较差。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种恒压超临界态存储的压缩二氧化碳储能系统及方法，用于将不稳定的风电与光伏发电。一是通过压缩机转化为二氧化碳工质的压力势能以及内能进行存储，通过透平将所储存的能量稳定的释放。二是将低压二氧化碳以液态存储，基于液压原理设计的高压二氧化碳储罐可实现恒压超临界态存储，解决当前存储方式导致的能量损失大或地理条件受限的问题。三是将跨临界二氧化碳热泵技术融入压缩二氧化碳储能系统中，使系统具备冷热电联供的能力，同时供冷或供热模式可独立运行，不受储能系统运行过程限制。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种恒压超临界态存储的压缩二氧化碳储能系统，包括二氧化碳储能及释能循环回路、跨临界二氧化碳热泵循环回路、蓄冷循环回路和蓄热循环回路；

4、所述二氧化碳储能及释能循环回路包括低压二氧化碳储液罐、高压二氧化碳储罐；所述低压二氧化碳储液罐的出口依次经第一节流阀、第一换热器、二号三通阀、第一压缩机、第二换热器、一号三通阀、第二压缩机与高压二氧化碳储罐的进气口连接，高压二氧化碳储罐的出气口依次经闸阀、第一透平、第三换热器、第二透平、第四换热器与低压二氧化碳储液罐的入口连接，形成二氧化碳储能及释能循环回路；所述高压二氧化碳储罐为凹字形结构，凹进侧的内部设置有用于在横向移动的第一活塞，凸出侧的顶部设置有用于在纵向移动的第二活塞；第一活塞与高压二氧化碳储气罐凹进侧形成二氧化碳储气室；第一活塞、高压二氧化碳储气罐凸出侧及第二活塞形成液压油室；所述第二活塞顶部设置重物，用于恒定二氧化碳储气室的压强；

5、所述二号三通阀的出口依次经第一压缩机、第二换热器、一号三通阀、第五换热器、中压二氧化碳储液罐、第二节流阀、第六换热器与二号三通阀的入口连接，形成跨临界二氧化碳热泵循环回路；

6、所述第二换热器的热出口依次经第二水储罐、第四循环泵、第三换热器、第一水储罐、第三循环泵与第二换热器的冷进口连接，形成蓄冷循环回路；

7、所述第一换热器的冷出口依次经第二甲醇储罐、第二循环泵、第四换热器、第一甲醇储罐、第一循环泵与第一换热器的热进口连接，形成蓄热循环回路。

8、进一步地，所述第一压缩机连接有第一电动机，第二压缩机连接有第二电动机，所述第一电动机、第二电动机由电能驱动，用于带动第一压缩机、第二压缩机压缩二氧化碳至高压。

9、进一步地，所述第二透平连接有发电机，用于输出稳定电能。

10、进一步地，所述第一甲醇罐中的甲醇为常温甲醇，用于将第一换热器中的液态二氧化碳完全气化。

11、进一步地，所述第二甲醇罐中的甲醇为低温甲醇，用于将第四换热器中的气态二氧化碳完全液化。

12、进一步地，所述第一水储罐中的水为低温水，用于吸收第二换热器中二氧化碳的热量；所述第二水储罐中的水为高温水，用于传递热量给第三换热器中的二氧化碳。

13、进一步地，所述第五换热器中的冷却介质为常温水，用于将二氧化碳完全液化。

14、进一步地，所述的跨临界二氧化碳热泵循环回路能够独立运行，通过调节参数实现不同场景供冷或供热功能，其中，所述参数为第一压缩机的压比、第二节流阀出口的压力及二号三通阀控制的跨临界二氧化碳循环回路的流量。

15、进一步地，所述低压二氧化碳储液罐、高压二氧化碳储罐、第二甲醇储罐及第二水储罐外部设置绝热保温材料。

16、一种使用上述恒压超临界态存储的压缩二氧化碳储能系统的方法，所述方法包括储能过程和释能过程，

17、储能过程中，所述低压二氧化碳储液罐中的液态低压二氧化碳经第一节流阀降温减压流入第一换热器，第一甲醇储罐中的甲醇经第一循环泵送入第一换热器，甲醇吸收液态低压二氧化碳的冷能，得到低温甲醇并存入第二甲醇储罐；二氧化碳经二号三通阀进入第一压缩机，压缩至中压气态二氧化碳后进入第二换热器，第一水储罐中的低温水经第三循环泵送入第二换热器，压缩过程中产生的压缩过程热，一部分热能经低温水吸收，得到高温水并存入第二水储罐，另一部分经第二换热器传递至需要热能的部件，实现热能的供应；第二换热器内的中压气态二氧化碳的一部分经一号三通阀进入第五换热器，向冷却介质放热，冷凝后存入中压二氧化碳储液罐，另一部分经一号三通阀进入第二压缩机，将其压缩为超临界状态的高压二氧化碳，存入高压二氧化碳储罐，储能过程完成；

18、超临界状态的高压二氧化碳存入高压二氧化碳储罐时，高压二氧化碳储气室中超临界状态的二氧化增多，第一活塞向右移动，液压油室内的液压油通过第二活塞推动重物向上移动，重物向第二活塞产生恒定压强，高压二氧化碳储气室为恒压状态；

19、释能过程中，中压二氧化碳储液罐中的二氧化碳经第二节流阀降温减压，进入第六换热器吸热蒸发，实现冷能的供应；所述二氧化碳储能及释能循环回路中，超临界态的高压二氧化碳在液压油室中液压的作用下从高压二氧化碳储罐流出，经闸阀流入第一透平膨胀做功，第二水储罐中的高温水经第四循环泵送入第三换热器，二氧化碳吸收高温水的热能，升温后进入第二透平膨胀做功，得到低压气态二氧化碳，同时，经两级透平可带动发电机输出稳定电能送入电网；第二甲醇储罐中的低温甲醇经第二循环泵送入第四换热器，第二透平出口的低压气态二氧化碳进入第四换热器向低温甲醇放热，冷凝为低压液态二氧化碳，回到低压二氧化碳储液罐，释能过程完成；

20、高压二氧化碳储罐内的超临界状态的高压二氧化碳流出时，高压二氧化碳储气室中超临界状态的二氧化减少，液压油室内的液压油通过重物推动第二活塞向下移动，第一活塞向左移动，重物向第二活塞产生恒定压强，高压二氧化碳储气室为恒压状态。

21、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

22、本发明采用二氧化碳作为储能工质，将波动性的可再生电能，通过压缩机转化为二氧化碳工质的压力势能与内能进行存储，通过透平将所储存的能量进行稳定的释放，结合跨临界二氧化碳热泵技术，使系统实现更灵活的冷热电联供，该系统结构紧凑、运行灵活高效、储能密度高，可有效减少“弃风”、“弃光”的现象，满足用户多种用能需求，实现可再生能源的高效利用；

23、进一步地，压缩机压缩二氧化碳至高压，有益于发电机将波动的可再生电能转化为稳定可控的电能，提高可再生能源的并网率；

24、进一步地，低压二氧化碳以液态形式存储，高压二氧化碳以超临界态存储，人工储罐即可满足储能系统大容量需求；同时，基于液压原理设计的高压二氧化碳储罐可实现恒压超临界态存储，减小液态存储方式下由于工质相变产生的不可逆损失，避免定容超临界态存储下节流产生的大量损失，有效提升系统效率。

25、进一步地，采用甲醇作为蓄冷介质，可以实现冷能在系统内部的循环利用，无需依赖外部冷源。

26、进一步地，将跨临界二氧化碳热泵技术与压缩二氧化碳储能技术有机结合，通过分流可使系统部分中压段工质用于制冷或制热，高压段工质用于发电，且两部分可独立运行，提升系统灵活性。

27、进一步地，通过对低压二氧化碳储液罐、高压二氧化碳储罐、第二甲醇储罐及第二水储罐外部设置绝热保温材料，可以有效减少储罐内的热量变化。

28、本发明基于恒压超临界态存储的压缩二氧化碳储能系统的工作方法，首先通过压缩机转化为二氧化碳工质的压力势能以及内能进行存储，通过透平将所储存的能量稳定的释放，解决了当前可再生能源发电固有的波动，从而实现高效利用风电、光伏等可再生电力。其次将低压二氧化碳以液态存储，基于液压原理设计的高压二氧化碳储罐可实现恒压超临界态存储，解决了当前存储方式导致的能量损失大或地理条件受限的问题。最后将跨临界二氧化碳热泵技术融入压缩二氧化碳储能系统中，使系统具备冷热电联供的能力，同时供冷或供热模式可独立运行，不受储能系统运行过程限制，解决了当前冷能和热能的供应与系统储能和释能的状态存在的强耦合关系。

29、综上所述，本发明可以改善高压工质存储过程的能量损失，实现系统冷热电解耦，提升储能系统运行灵活性，提高可再生能源的利用率。

30、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。