固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统的制作方法

：本发明涉及清洁生产，特别涉及固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统。

背景技术

0、背景技术：

1、随着我国提出构建以新能源为主的新型电力系统，各地区的可再生能源发展迅速，特别是非水可再生能源出现快速增长态势，电源结构中可再生能源装机比例不断提高。由于风电、光伏等非水可再生能源具有随机性、间歇性和波动性特点，其运行过程中的不确定性给电网的可靠运行带来挑战，如潮流变化、线路拥塞、电压闪变等，电力系统清洁化、现代化发展面临较多问题。

2、目前电网常用的调峰调频手段是水电和火电，水电由于受水资源建设条件制约，应用范围局限，建成后容易受丰水期、枯水期等季节性变化影响，调节范围及效果有限；火电由于响应时滞长、爬坡速率低等问题，调节延迟性影响了调节效果及电网安全稳定运行，而且随着我国“碳达峰、碳中和”目标的推进，火电在电源结构中的比重逐步降低。在构建以新能源为主的新型电力系统进程中，亟需在电网中增加新型储能设施与调峰手段。储能设施主要服务于区域电网的调峰与运行，储能设施根据系统内风、光等电源及用电负荷特性，通过智能控制实现联合优化运行，高度参与网内调峰、调频和紧急电力支撑。

3、电力储能技术种类繁多、特点各异，选择储能技术依据以下因素：能量密度、功率密度、充放电倍率、响应时间、充放电效率、衰减速度、设备寿命(年)或充放电次数、技术成熟度、经济因素(投资成本、运行和维护费用)、安全和环境方面的考虑。

4、储能电站应具备响应速度快、能量密度高、便于集成、循环次数多等特点，压缩空气储能在运行安全、深充深放、寿命长、资源和环境友好方面优势突出，具有调频(二次和三次调频)，电压调节，峰值负载调节，负载平衡，静止储备，黑启动能力，是一种较为理想储能形式。压缩气体储能系统在运行中，气体在膨胀与压缩过程中存在热量的吸收与释放，根据是否对压缩气体过程中的热量进行回收，一般将压缩气体储能分为非绝热系统与绝热系统。传统的洞穴压缩气体储能属于非绝热系统，利用如高气密性的岩石洞穴、盐洞、废弃矿井等作为储存容器，系统效率仅为40％-55％，相比其他物理储能如抽水蓄能，效率较低；绝热压缩气体储能系统将压缩过程中产生的热量通过储热器存储起来，待发电过程中用这部分热量预热压缩空气，可以达到回收热量的目的，系统效率可达到70％-75％。另一方面，为提高压缩气体储能的系统效率，在气体膨胀做功前利用系统外热源对压缩气体进行加热升温，根据是否需要利用外界热源对压缩空气进行加热升温，可将压缩气体储能分为补燃型与非补燃型，补燃型压缩气体储能的透平发电效率往往高于非补燃型。但是由于补燃型压缩气体储能的热源通常为天然气等化石能源，增加了储能过程的碳排放，导致压缩气体储能的环保效果降低。

5、压缩气体储能系统的压缩阶段，同等温度与同等压力下，若气体密度越大，同等体积的储罐的储能密度更高，传统压缩气体储能的介质为空气，常压下空气密度为1.25kg/m3，即使在10mpa高压下密度也只有100kg/m3左右，为了进一步减小储罐体积，可以采用相变的方式，将气体液化，使储能气体介质的密度大大增加，体积大大减少，根据空气的物理性质，若使膨胀机出口的空气液化，需要将温度低于78.6k(-196.5℃)时，但是，空气液化过程会导致能量的大量增加消耗，且对制冷压缩机的要求较高，因此，采用密度更大、沸点更低的气体替代空气，可提高系统的储能密度，降低压缩制冷的技术难度。二氧化碳的相对分子质量(44)大于空气的平均相对分子质量(29)，同等压力、同等温度下，二氧化碳气体的密度大于空气，且二氧化碳的沸点(-56.55℃)高于空气混合气体的沸点(-196.5℃)，式替代空气作为压缩气体储能的理想介质。

技术实现思路

0、技术实现要素：

1、本发明的目的在于提供一种固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统，本发明最大创新点是首次将透平及发电机与固体蓄热设备一体化设计，增加了系统效率的同时提高了系统设备的紧凑性，减少了压缩气体释能过程中的热损失；同时，本次申请首次将电储热设施用于压缩气体储能的补热系统，实现固体热能与气体内能的双储存，并最终全部转换为电能的释放。本次申请将压缩气体释能过程中的气体加热方式由单一的回收压缩热加热方式，增加为回收热与固体蓄热共同提供，并由固体蓄热装置提供高位热能，大大增加压缩气体的膨胀做功能力，从而提高整个压缩气体储能系统的能量转化效率。

2、本发明由如下技术方案实施：固体蓄热与补热型二氧化碳储能一体化运行系统，其包括风力发电单元、光伏发电单元、二氧化碳压缩单元、固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元和配电网；所述风力发电单元的输出端、所述光伏发电单元的输出端及所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的电力输出端分别与所述配电网的电力输入端电连接，所述二氧化碳压缩单元的用电设备和所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的用电设备分别与所述配电网的输出端电连接；所述二氧化碳压缩单元的二氧化碳输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的二氧化碳输入端通过管路连接，所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的二氧化碳输出端与所述二氧化碳压缩单元的二氧化碳输入端通过管路连接。

3、进一步地，所述二氧化碳压缩单元包括压缩单元热量回收器、二氧化碳高压储罐、冷罐、热罐和若干个串联的压缩机；每个压缩机的二氧化碳输出端与对应的一个热交换器的二氧化碳输入端通过管路连接，沿二氧化碳输送方向最后一个热交换器的二氧化碳输出端与所述压缩单元热量回收器的二氧化碳输入端连通，所述压缩单元热量回收器的二氧化碳输出端与所述二氧化碳高压储罐的进口连通，其余的各热交换器的二氧化碳输出端沿二氧化碳输送方向与对应的下一个压缩机的二氧化碳输入端连通，第一个压缩机的二氧化碳输入端与所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的二氧化碳低压储罐的出口连通；所述冷罐的蓄热介质输出端与最后一个热交换器的蓄热介质输入端通过管路连接，每相邻两个所述热交换器的蓄热介质输入与输出端相互连通，第一个热交换器的蓄热介质输出端与所述热罐的蓄热介质输入端通过管路连接，所述热罐的蓄热介质输出端与所述冷罐的蓄热介质输入端连通。

4、进一步地，其还包括预热器1号；所述二氧化碳高压储罐的二氧化碳输出端与所述预热器1号的二氧化碳输入端通过管路连接，所述预热器1号的二氧化碳输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元的二氧化碳输入端通过管路连接；所述热罐的蓄热介质输出端与所述预热器1号的蓄热介质输入端通过管路连接，所述预热器1号的蓄热介质输出端与所述冷罐的蓄热介质输入端通过管路连接。

5、进一步地，所述二氧化碳压缩单元还包括压缩单元变压器、压缩单元配电控制柜；所述压缩单元变压器的电力输入端与所述配电网的电力输出端电连接，所述压缩单元变压器的电力输出端与所述压缩单元配电控制柜的电力输入端电连接，所述压缩单元配电控制柜的电力输出端与所述二氧化碳压缩单元的用电设备电力输入端电连接。

6、进一步地，所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元包括固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机、一体机发电变压器、发电单元热量回收器、二氧化碳低压储罐、气体控制阀、预热器2号；所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的二氧化碳输入端与所述二氧化碳压缩单元的二氧化碳输出端通过管路连接，所述二氧化碳压缩单元的二氧化碳输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机之间的管路上装设有所述预热器2号与所述气体控制阀；所述预热器2号的低温侧二氧化碳输出端与所述气体控制阀的二氧化碳输入端通过管路链接，所述气体控制阀的二氧化碳输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的二氧化碳输入端通过管路连接；所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的二氧化碳输出端与所述预热器2号的高温侧二氧化碳输入端通过管路链接，所述预热器2号的高温侧二氧化碳输出端与所述发电单元热量回收器的二氧化碳输入端通过管路连接，所述发电单元热量回收器的二氧化碳的输出端与所述二氧化碳低压储罐的进口连通；所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的电力输出端与所述一体机发电变压器的电力输入端电连接，所述一体机发电变压器的电力输出端与所述配电网的电力输入端电连接。

7、进一步地，所述固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元还包括一体机变压器和一体机控制柜；所述一体机变压器的电力输出端与所述一体机控制柜的电力输入端电连接，所述一体机控制柜的电力输出端与所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的电力输入端电连接。

8、进一步地，所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机包括绝热炉壳、蓄热砖层、电阻带、底座支架、气-气换热室、一体机二氧化碳管道、高温风机、一体化透平和发电机；所述绝热炉壳架设在所述底座支架上，所述底座支架内设置有所述气-气换热室，所述绝热炉壳内砌筑有所述蓄热砖层，所述蓄热砖层内埋设有若干根所述电阻带；所述绝热炉壳内布有若干风道，所述风道与所述气-气换热室连通；所述底座支架的一端上装设有所述高温风机，所述高温风机与所述风道、所述气-气换热室连通；所述一体化透平固定在底座支架外侧；所述气-气换热室内铺设有所述一体机二氧化碳管道，所述一体机二氧化碳管道的低温二氧化碳入口密封穿过所述气-气换热室、与所述与预热器2号的低温侧二氧化碳输出端连通；所述一体机二氧化碳管道的高温二氧化碳出口密封穿过所述气-气换热室、与所述一体化透平的进气口连通，所述一体化透平的透平轴与所述发电机的输入轴相连，所述一体化透平的二氧化碳输出端为所述固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机的二氧化碳输出端。

9、本发明的优点：风电、光伏的电力盈余时段，实现两个形式的能量储存，一方面，利用风电、光伏的盈余电力驱动二氧化碳压缩单元的压缩机运行，将电能转换为二氧化碳气体内能进行储存；另一方面，利用风电、光伏的盈余电力驱动电固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机运行，将电能转换为热能进行储存；本发明的固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机采用电加热装置替代化石燃料燃烧对压缩气体进行补热，摆脱了对天然气、石油等化石燃料的依赖，实现了对环境的零排放、零污染，由此，提高储能系统效率的同时，减少了储能运行过程的碳排放。

10、二氧化碳在本系统中作为能量载体，通过压缩与膨胀过程实现了“风能、太阳能-电能-势能-动能-电能”的能量储存与转换，是一种新型的物理储能形式；风电、光伏为固体蓄热与二氧化碳透平一体化发电单元提供电能用于固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机运行，固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机是用电设备且具备储热功能，为电网提供消纳途径与调峰手段；二氧化碳膨胀做功过程需要从外界吸收热量，固体蓄热与二氧化碳透平发电一体机为该过程提供热能，实现了“风能、太阳能-电能-热能-动能-电能”的能量储存与转换；本系统中，将二氧化碳压缩与膨胀过程中的热能进行回收，并储存在热罐中，实现了能量的梯级利用。