[0001] 本发明属于储能技术领域，特别涉及一种耦合太阳能储热与二氧化碳储能的能源利用系统及方法。

[0002] 近年来，储能技术受到越来越多的重视，储能技术的应用能够在很大程度上解决新能源发电的波动性与间歇性等弊端，有效地解决了移峰填谷的难题；其中，传统的压缩空气储能技术被认为是目前应用最为广泛的一种大规模储能技术，然而由于压缩空气储能技术所具有的储能密度较低、效率不高以及依赖特殊的地理条件等缺点，压缩空气储能技术的发展受到了一定的限制。与空气相比，二氧化碳的临界点接近常温，具有较高的稳定性和储能密度；因此，近些年来以二氧化碳作为工质的压缩储能技术得到了较大的发展。

[0003] 目前，传统的压缩二氧化碳储能系统，在储能过程中利用多余电力将常温常压二氧化碳压缩至储能压力后冷凝并储存在储罐中，在释能过程中利用储能过程产生的压缩热进行升温后膨胀发电；其中，在储能过程和释能过程中二氧化碳始终为气态，为确保系统拥有足够的容量通常需要较大的储气室体积，从而导致系统的储能密度较低；另外，现有的常规太阳能热发电系统储能功能薄弱，且多与蒸汽轮机朗肯循环耦合工作，使得系统的效率偏低。

[0039] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0040] 请参阅图1，本发明实施例中，提供一种耦合太阳能储热与跨临界二氧化碳储能的综合能源利用系统，包括：二氧化碳储能系统、储冷罐13、储热罐16、太阳能集热器14和蓄冷冰浆17；其中，

[0041] 所述二氧化碳储能系统包括储冷循环、储热循环和释能循环；其中，所述储冷循环中，二氧化碳第一压缩机1的出口经二氧化碳换热器2的第一换热通道与二氧化碳第一透平3的进口相连通，二氧化碳第一透平3的出口经二氧化碳蒸发器4的第一换热通道与二氧化碳第一压缩机1的进口相连通；所述储热循环中，二氧化碳第二压缩机6的出口经二氧化碳冷却器7的第一换热通道与二氧化碳第二透平8的进口相连通，二氧化碳第二透平8的出口经所述二氧化碳换热器2的第二换热通道与二氧化碳第二压缩机6的进口相连通；所述释能循环中，二氧化碳冷凝器9的第一换热通道的出口经二氧化碳加热器11的第一换热通道与二氧化碳第三透平12的进口相连通，二氧化碳第三透平12的出口与二氧化碳冷凝器9的第一换热通道的进口相连通；

[0042] 所述储冷罐13的出口分为两路，一路经所述二氧化碳冷却器7的第二换热通道与所述储热罐16的进口相连通，另一路经太阳能集热器14与所述储热罐16的进口相连通；所述储热罐16的出口经所述二氧化碳加热器11的第二换热通道与所述储冷罐13的进口相连通；

[0043] 所述蓄冷冰浆17为恒温蓄冷冰浆，所述蓄冷冰浆17的第一出口经所述二氧化碳蒸发器4的第二换热通道与所述蓄冷冰浆17的第一进口相连通；所述蓄冷冰浆17的第二出口经所述二氧化碳冷凝器9的第二换热通道与所述蓄冷冰浆17的第二进口相连通。

[0044] 本发明实施例提供的技术方案中，针对现有压缩二氧化碳储能技术和太阳能热发电系统存在的不足，提供了改进新方案；其中，储热循环中，与压缩机进口连接的管道中的工质为过热气态二氧化碳，与压缩机出口连接的管道中的工质为超临界态二氧化碳，根据系统所设定储冷罐的初始温度，在储热循环中透平进口工质状态为超临界态或者过冷液态(透平进口温度与储冷罐温度和冷却器端差有关，当冷却器热端出口温度(即透平进口温度)高于31.1℃时，工质状态为超临界态，反之为液态)，透平出口工质为气液共存的状态，经过换热器后，吸收储冷循环中的热量将工质转化为饱和气态，饱和气态二氧化碳进入预热器中吸收热量转化为过热气态，最后进入压缩机中进行下一次循环；在储冷循环中压缩机进口连接的管道中的工质为饱和气态二氧化碳，与压缩机出口连接的管道中的工质为过热气态二氧化碳，经过换热器后，将热量传递给储冷循环将工质转化为饱和液态，饱和液态二氧化碳进入透平中膨胀做功，工质转化为气液共存的状态，进入蒸发器吸收热量转化为饱和气态，最后进入压缩机中进行下一次循环；在释能循环中，增压泵进口为饱和液态二氧化碳，出口为过冷液态二氧化碳，然后进入加热器中吸收储热循环存储的热量转化为超临界态二氧化碳进入透平中膨胀做功，转化为过热气态，过热气态二氧化碳进入冷凝器中吸收蓄冷冰浆中的冷量转化为饱和液态，再进入增压泵中进行下一次循环。另外，由于本发明系统主要在高压、低温条件下运行，这就使得其具有较好的储能效果和较高的热力学效率，并且不需要设置额外的储存容器储存工质，因此本发明系统能在降低系统耗功的同时能够提高系统的储能密度。

[0045] 进一步具体解释性地，本发明实施例技术方案设置有太阳能集热器，采用太阳能集热器吸收太阳能热量辅助储热循环为二氧化碳加热器提供热量，可在太阳能充足时储存热量，并在储热循环所产生热量不足时利用太阳能热量，在保障系统正常运行的同时，能够有效提高系统的储能效率，也有效降低了太阳能时段性、波动性等特点对储能系统、热发电系统的影响；使得耦合太阳能储热后的储能系统具有储能效率高、能量密度高等优点。

[0046] 进一步具体解释性地，本发明实施例技术方案设置有恒温的蓄冷冰浆，通过二氧化碳换热器平衡储热循环与储冷循环之间的能量交换，能够为蓄冷冰浆提供足够的冷量，再利用蓄冷冰浆平衡储冷循环与释能循环之间的能量平衡，能够在保障系统正常运行的同时，有效提高系统的储能效率以及系统能量的利用率。

[0047] 本发明实施例技术方案在储能时，储存在储热循环管道内的饱和气态二氧化碳进入压缩机内压缩，升温升压的二氧化碳利用换热器将热量传递给储冷循环，转化为液态二氧化碳后再进入透平膨胀做功，通过系统所设置的冷却器、换热器、蒸发器、储冷罐及蓄冷冰浆的共同作用维持储热循环和储冷循环之间的平衡，使得进入压缩机内的工质始终保持为气态，进入透平内的工质保持为液态或者超临界态，利用“气态压缩‑冷凝‑液态膨胀”的这种方式进行二氧化碳的储能，能够有效降低储能过程压缩机的耗功，有效提升系统储能效率；其中，通过改变储热循环最高压力或释能循环最高压力来改变进入透平的高温高压二氧化碳的状态，能够进一步优化整个储能系统的储能效率和储能密度。本发明由于结构简单且不需要额外设置储气罐或储液罐，因此利于分布式布置，可以进一步提高系统的储能密度。

[0048] 综上所述，本发明实施例提供的技术方案中，储能过程中的储热循环与储冷循环的共同作用为释能过程提供所需冷量；储能系统通过收集太阳能储存热量，为释能过程提供所需要的热量，同时利用储能过程中的储热循环与储冷循环的共同作用为释能过程提供所需冷量，使系统所需能量完全由自身提供，能够实现能量的存储与释放，降低用户电力成本。进一步解释性地，在用电低谷时，系统利用低谷电力使用储冷循环产生冷量、使用储热循环产生热量；在日照充足时，可以利用太阳能集热器收集太阳能，将这一部分热量储存；在用电高峰时，将储存的冷量和热量提供给释能循环进行发电。

[0049] 在本发明的一个优选实施例中，所述释能循环中，二氧化碳增压泵10可设置于所述二氧化碳冷凝器9和所述二氧化碳加热器11之间的连通管道上。

[0050] 在本发明的一个优选实施例中，二氧化碳预热器5设置于所述二氧化碳换热器2的第二换热通道的出口与所述二氧化碳第二压缩机6的进口之间的连通管道上。

[0051] 在本发明的一个优选实施例中，所述储冷罐13的出口分为两路，一路经所述二氧化碳冷却器7的第二换热通道与所述储热罐16的进口相连通，另一路经太阳能集热器14与所述储热罐16的进口相连通具体为，所述储冷罐13的出口分为两路，一路经所述二氧化碳冷却器7的第二换热通道与所述混合器15的第一进口相连通，另一路经太阳能集热器14与所述混合器15的第二进口相连通，所述混合器15的出口与所述储热罐16的进口相连通。

[0052] 在本发明的一个优选实施例中，所述储冷罐13的出口经过控制阀18与所述太阳能集热器14的进口相连通。

[0053] 在本发明的一个实施例中，还包括：第一电动机和第二电动机，分别用于利用低谷电力驱动二氧化碳第一压缩机1和二氧化碳第二压缩机6。

[0054] 在本发明的一个实施例中，还包括：第一发电机、第二发电机、第三发电机，分别用于在二氧化碳第一透平3、二氧化碳第二透平8、二氧化碳第三透平12的驱动下发电。

[0055] 在本发明的一个实施例中，所述二氧化碳储能系统中的储冷循环、储热循环和释能循环具体阐述如下：

[0056] 所述储冷循环包括：二氧化碳第一压缩机1、二氧化碳换热器2、二氧化碳第一透平3和二氧化碳蒸发器4；其中，二氧化碳第一压缩机1的出口连接至二氧化碳换热器2的第一进口，二氧化碳换热器2的第一出口与二氧化碳第一透平3的进口连接；二氧化碳第一透平3的出口与二氧化碳蒸发器4的第一进口连接，二氧化碳蒸发器4的第一出口连接至二氧化碳第一压缩机1的进口，完成系统的储冷循环。

[0057] 所述储热循环包括：二氧化碳第二压缩机6、二氧化碳冷却器7、二氧化碳第二透平8和二氧化碳预热器5；其中，二氧化碳第二压缩机6的出口与二氧化碳冷却器7的第一进口连接，二氧化碳冷却器7的第一出口与二氧化碳第二透平8的进口连接，二氧化碳第二透平8的出口与二氧化碳换热器2的第二进口连接，二氧化碳换热器2的第二出口与二氧化碳预热器5的第一进口连接，二氧化碳预热器5的第一出口连接至二氧化碳第二压缩机6的进口，完成系统的储热循环。

[0058] 所述释能循环包括：二氧化碳增压泵10、二氧化碳加热器11、二氧化碳第三透平12和二氧化碳冷凝器9；其中，二氧化碳冷凝器9的第一出口与二氧化碳增压泵10的进口连接，二氧化碳增压泵10的出口与二氧化碳加热器11的第一进口连接，二氧化碳加热器11的第一出口与二氧化碳第三透平12的进口连接，二氧化碳第三透平12的出口与二氧化碳冷凝器9的第一进口相连，完成系统的释能循环。

[0059] 另外，还包括：储冷罐13、太阳能集热器14、混合器15、储热罐16、蓄冷冰浆17以及控制阀18；其中，储冷罐13的出口与二氧化碳冷却器7的第二进口连接，二氧化碳冷却器7的第二出口与混合器15的第一进口连接，混合器15的出口与储热罐16的进口连接，储热罐16的出口与二氧化碳加热器11的第二进口连接，二氧化碳加热器11的第二出口与储冷罐13的进口连接，以上各部件构成整个储能部分。另外，本发明实施例中设置的蓄冷冰浆17用于为释能循环提供冷量，同时用于维持储冷循环与释能循环之间的能量平衡；具体地，二氧化碳蒸发器4的第二出口与蓄冷冰浆17的第一进口连接，蓄冷冰浆17的第一出口与二氧化碳蒸发器4的第二进口连接；蓄冷冰浆17的第二出口与二氧化碳冷凝器9的第二进口连接，二氧化碳冷凝器9的第二出口与蓄冷冰浆17的第二进口连接，以维持储冷循环和释能循环之间的能量平衡。其中，设置的太阳能集热器14吸收太阳能热量，并为二氧化碳加热器11提供热量。具体地，储冷罐13的出口经过控制阀18与太阳能集热器14的进口连接，太阳能集热器14的出口与混合器15的第二进口连接，实现对太阳能热能的收集。

[0060] 本发明实施例中，提供一种太阳能储热与跨临界二氧化碳储能耦合的综合能源利用方法，基于本发明实施例上述的综合能源利用系统，具体包括以下步骤：

[0061] 初始状态下，关闭控制阀的阀门，系统管道中存储着不同性态的二氧化碳作为工作工质；其中，关于不同性态的二氧化碳具体解释性地，储热循环中，与压缩机进口连接的管道中的工质为过热气态二氧化碳，与压缩机出口连接的管道中的工质为超临界态二氧化碳；在储热循环中透平进口工质状态为超临界态或者过冷液态，透平出口工质为气液共存的状态，经过换热器后，工质转化为饱和气态，饱和气态二氧化碳进入预热器中吸收热量转化为过热气态，然后进入压缩机中；在储冷循环中，压缩机进口连接的管道中的工质为饱和气态二氧化碳，与压缩机出口连接的管道中的工质为过热气态二氧化碳，经过换热器后，工质转化为饱和液态二氧化碳进入透平中膨胀做功，透平出口工质为气液共存的状态，进入蒸发器吸收热量转化为饱和气态，最后进入压缩机中；在释能循环中，增压泵进口为饱和液态二氧化碳，出口为过冷液态二氧化碳，然后进入加热器中转化为超临界态二氧化碳进入透平中膨胀做功，透平出口工质为过热气态，过热气态二氧化碳进入冷凝器中吸收蓄冷冰浆中的冷量转化为饱和液态，再进入增压泵中。

[0062] 当用户处于用电低谷时，综合能源利用系统的储能部分开始工作，在储能过程中，储热循环与储冷循环同时工作；其中，储存在管道中的气态二氧化碳进入二氧化碳第一压缩机中利用低谷时期的电力进行压缩，二氧化碳升压升温后进入二氧化碳换热器，在二氧化碳换热器中与储热循环中的低温二氧化碳换热降温；降温后的高压低温二氧化碳进入二氧化碳第一透平中膨胀，透平出口的二氧化碳进入二氧化碳蒸发器中蒸发吸热，与恒温蓄冷冰浆完成热量交换，冷量由恒温的蓄冷冰浆收集；蒸发后的气态二氧化碳继续进入二氧化碳第一压缩机继续进行循环，完成储冷循环。同样地，储存在管道中的气态二氧化碳进入二氧化碳第二压缩机中利用低谷时期的电力进行压缩，二氧化碳升压升温后进入二氧化碳冷却器，在二氧化碳冷却器中与来自储冷罐中的低温介质进行换热降温，降温后的高压低温二氧化碳进入二氧化碳第二透平中膨胀，透平出口的二氧化碳进入二氧化碳换热器吸收来自储冷循环中的二氧化碳的热量进行蒸发，蒸发后的气态二氧化碳进入二氧化碳预热器与环境换热升温，升温后的二氧化碳继续进入二氧化碳第二压缩机中继续进行循环，完成储热循环。

[0063] 本发明实施例中，当日照充足时，控制阀的阀门打开，通过控制阀调整进入太阳能集热器的工质流量以收集太阳能的热量，然后进入混合器与经过二氧化碳冷却器换热升温后的工质进行混合，将储热循环产生的热量和收集太阳能产生的热量储存起来，最终储存在储热罐中。

[0064] 本发明实施例中，当日照不足时，控制阀的阀门关闭，储热罐中仅储存来自二氧化碳冷却器中换热产生的热量，至此完成储能阶段的太阳能热量收集以及热量储存。

[0065] 本发明实施例中，当用户处于用电高峰时，控制阀的阀门关闭，综合能源利用系统的释能部分开始进行工作；其中，储存在管道中的低温低压的二氧化碳进入二氧化碳增压泵中增压至目标压力，随后进入二氧化碳加热器中，与来自储热罐中的高温介质进行换热升温，换热后产生的低温介质重新回到储冷罐中储存；升温后的二氧化碳进入二氧化碳第三透平中膨胀对外做功，利用发电机发电；透平出口的二氧化碳进入二氧化碳冷凝器中与恒温蓄冷冰浆进行热量交换，利用恒温蓄冷冰浆降温冷凝，随后继续进入二氧化碳增压泵中继续进行循环，至此完成系统的释能循环。

[0066] 本发明实施例的优选方案中，可以通过调整释能循环最高压力以及储热循环最高压力实现二氧化碳膨胀做功的阶段的状态为液态或者超临界态。本发明实施例的方法，能够在用电低谷时利用低谷电力储存能量时，并在用电高峰时完成能量释放，具有较高的储能效率；能够利用太阳能储存热量以及利用蓄冷冰浆完成冷量的收集与供应，具有较高的能量利用率。

[0067] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。