技术领域
[0001] 本发明属于储能技术领域，涉及一种带补热的二氧化碳的水力压缩气体储能系统及方法。
相关背景技术
[0002] 由于新能源的波动性、随机性和不确定性，给电力系统的安全稳定运行带来了严重挑战，电网峰谷差逐渐扩大的趋势使得该问题进一步恶化，电力系统对灵活性调节资源的需求大幅增加，电力系统迫切需要先进的大规模储能技术来解决可再生能源接入问题，以提高常规电力系统和区域能源系统的效率、安全性及经济性。
[0003] 压缩空气储能具有容量大、寿命长、清洁保、安全可靠、经济性好等优点，已有的非补燃式压缩空气储能做功介质和储能介质均为空气，但严重依赖于大规模高压储气容器、储能密度低，目前工程实践中往往采用大规模的盐穴、管线钢作为储气容器，导致系统的建设周期长、系统占地面积大，且容器的压力严重影响系统循环效率；液化空气储能虽然利用空气的相变特性、储能密度高，但是系统结构复杂、保温结构要求严苛，空气液化温度为‑196摄氏度，系统电换电效率低；水力压缩空气储能做功介质为水、储能介质为空气，储能密度高于非补燃式压缩空气储能，但是储能和发电过程中密闭容器内空气压力存在着大幅度变化的情况，维持功率稳定输出的技术挑战大，受压力大幅度变化影响系统运行效率大幅度降低，且空气的体积占比较大，导致长时大规模储能应用时系统所需的压力容器体积大，系统经济性亟需提升。
[0004] 综上所述，现有存在以下不足：
[0005] a、压缩空气储能对大规模压力容器依赖性强，容器的压力严重影响系统循环效率，且非补燃式压缩空气储能系统储能介质和做功介质不能分离；
[0006] b、液化空气储能系统结构复杂；
[0007] c、水力压缩空气储能密闭容器内空气压力存在着大幅度变化，不利于维持功率稳定输出；
[0008] d、发电厂低品余热难以利用。
具体实施方式
[0038] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
[0039] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。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] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0041] 参见图1，本发明公开了一种带补热的二氧化碳的水力压缩气体储能系统，包括储水容器2，储水容器2用于储存做功介质水，做功介质采用水，显著减小了储能系统中储能介质对压力容器体积的需求量。储水容器2内布置有柔性容器1，柔性容器1内用于储存气态二氧化碳，同时柔性容器1也是二氧化碳液化和汽化的场所，通过设置柔性容器1实现了储能介质和做功介质的相互解耦。并且，压缩过程和发电过程中密闭容器中的压力维持在室温饱和压力附近，解决了储能和发电过程中压力大幅度变化的问题。储水容器2分别通过进水管路10和出水管路11连接水泵水轮机6，水泵水轮机6连接蓄水池4，储能时，水泵水轮机6将蓄水池4内的水通过进水管路10输送至储水容器2内加压储能，释放能量时，储水容器2通过出水管路11排水带动水泵水轮机6释放能量。水泵水轮机6的传动轴通过传动装置连接发电电动机7的转动轴，通过水泵水轮机6带动发电电动机7进行发电。能量转换的设备为水泵水轮机6，具有运行效率高、运行寿命长的特点，在高压力、低压力系统中均能高效率运行，解决了压力严重影响系统循环效率问题。柔性容器1通过第一阀门5连接液态二氧化碳存储容器3，第一阀门5用于控制柔性容器1与液态二氧化碳存储容器3的连通与中断，液态二氧化碳存储容器3用于储存液态二氧化碳，液态二氧化碳存储容器3位于蓄水池4内，蓄水池4内设有换热器14，换热器14连接低热热源15，释放能量时，低热热源15通过换热器14将热量传递至蓄水池4的池水内，用于促进液态二氧化碳存储容器3内的液态二氧化碳的汽化。本发明实现了储能介质和做功介质的相互解耦，显著减小了储能系统中储能介质对压力容器体积的需求量，密闭容器中的压力维持在室温饱和压力附近，压力相对稳定，功率输出稳定，该系统结构简单，在高压力和低压力工况均能高效率运行，采用低品余热崔进液态二氧化碳的汽化，有利于低品余热的利用。
[0042] 传统发电厂，存在较多低品余热，但是，低品余热低品位余热的能量密度较低，使得提取和转化难度较大；很多低品位余热是间歇性的，不利于连续运行和稳定利用；低品位热源一般带有腐蚀性，对设备的长期运行造成不利影响。效率低与投资回报比差。如果用于发电，由于品位低，发电效率往往较低，导致投资回报比不佳。本发明采用低品余热崔进液态二氧化碳的汽化，有利于低品余热的利用。
[0043] 参见图1，在本发明的另一个可行的实施例中，以下根据情况适应性修改。包括储水容器2，储水容器2内布置有柔性容器1，储水容器2分别通过进水管路10和出水管路11连接水泵水轮机6，水泵水轮机6连接蓄水池4，水泵水轮机6的传动轴通过传动装置连接发电电动机7的转动轴；
[0044] 柔性容器1通过第一阀门5连接液态二氧化碳存储容器3，液态二氧化碳存储容器3位于蓄水池4内，蓄水池4内设有换热器14，换热器14连接低热热源15。
[0045] 具体工作时，
[0046] 储存能量时，发电电动机7通过传动装置带动水泵水轮机6，将蓄水池4内的水通过水泵水轮机6和进水管路10输入储水容器2内储水加压做功，压缩柔性容器1使气态二氧化碳液化，压缩过程和发电过程中密闭容器中的压力维持在室温饱和压力附近，液化后的二氧化碳通过第一阀门5进入液态二氧化碳存储容器3内，完成储能后关闭第一阀门5；
[0047] 释放能量时，断开进水管路10，打开第一阀门5，将低热热源15通过换热器14将热量传递至蓄水池4内，通过蓄水池4内的水加热液态二氧化碳存储容器3，将液态二氧化碳存储容器3内的液态二氧化碳气化后排入柔性容器1内，柔性容器1膨胀并将储水容器2内的水通过出水管路11和水泵水轮机6排出至蓄水池4，水泵水轮机6通过传动装置带动发电电动机7发电，能量转换的设备为水泵水轮机6，具有运行效率高、运行寿命长的特点，在高压力、低压力系统中均能高效率运行，解决了压力严重影响系统循环效率问题。
[0048] 实施例一：
[0049] 参见图1，本实施例公开了一种带补热的二氧化碳的水力压缩气体储能系统，包括储水容器2，储水容器2内布置有柔性容器1，储水容器2分别通过进水管路10和出水管路11连接水泵水轮机6，水泵水轮机6连接蓄水池4，水泵水轮机6的传动轴通过传动装置连接发电电动机7的转动轴；
[0050] 柔性容器1通过第一阀门5连接液态二氧化碳存储容器3，液态二氧化碳存储容器3位于蓄水池4内，蓄水池4内设有换热器14，换热器14连接低热热源15。
[0051] 优选的，柔性容器1为球状结构，有利于柔性容器1均匀受力，柔性容器1通过第一管路连接第一阀门5，第一管路穿设在储水容器2上，第一阀门5位于储水容器2的外侧。。
[0052] 优选的，储水容器2为球状结构，柔性容器1的球心与储水容器2的几何中心重合。
[0053] 实施例二：
[0054] 参见图1，本实施例公开了一种带补热的二氧化碳的水力压缩气体储能系统，[0055] 包括储水容器2，储水容器2内布置有柔性容器1，储水容器2分别通过进水管路10和出水管路11连接水泵水轮机6，水泵水轮机6连接蓄水池4，水泵水轮机6的传动轴通过传动装置连接发电电动机7的转动轴；
[0056] 柔性容器1通过第一阀门5连接液态二氧化碳存储容器3，液态二氧化碳存储容器3位于蓄水池4内，蓄水池4内设有换热器14，换热器14连接低热热源15。
[0057] 优选的，换热器14与低热热源15之间设有第四阀门16。
[0058] 优选的，水泵水轮机6与蓄水池4之间设置有阀门。
[0059] 优选的，液态二氧化碳存储容器3为若干个，每个液态二氧化碳存储容器3均通过一个第一阀门5连接柔性容器1。
[0060] 实施例三：
[0061] 参见图1，本实施例公开了一种带补热的二氧化碳的水力压缩气体储能系统，包括储水容器2，储水容器2内布置有柔性容器1，储水容器2分别通过进水管路10和出水管路11连接水泵水轮机6，水泵水轮机6连接蓄水池4，水泵水轮机6的传动轴通过传动装置连接发电电动机7的转动轴；
[0062] 柔性容器1通过第一阀门5连接液态二氧化碳存储容器3，液态二氧化碳存储容器3位于蓄水池4内，蓄水池4内设有换热器14，换热器14连接低热热源15。
[0063] 优选的，发电电动机7电性连接电网8。储存能量时，电网8给发电电动机7通电，发电电动机7带动通过传动装置带动水泵水轮机6，通过水泵水轮机6通过进水管路10向储水容器2内储水加压做功，压缩柔性容器1使气态二氧化碳液化从而完成储能。释放能量时，液态二氧化碳汽化并将储水容器2内的水通过出水管路11排出至水泵水轮机6，水泵水轮机6通过传动装置带动发电电动机7发电，产生的电能用于并网。
[0064] 优选的，进水管路10上设置有第三阀门13，出水管路11上设置有第二阀门12，便于管路的通断的控制。
[0065] 实施例四：
[0066] 本实施例公开了一种基于二氧化碳的压缩气体储能系统，参见图3，本实施例与上述实施例的区别在于，柔性容器1位于储水容器2一侧。
[0067] 实施例五：
[0068] 本实施例公开了一种基于二氧化碳的压缩气体储能系统，参见图4和图5，本实施例与上述实施例的区别在于，柔性容器1位于储水容器2两侧，柔性容器1之间为储水空间。
[0069] 实施例六：
[0070] 本实施例公开了一种基于二氧化碳的压缩气体储能系统，参见图6和图7，本实施例与上述实施例的区别在于，柔性容器1位于储水容器2中间且为条状结构，柔性容器1两侧为储水空间。
[0071] 实施例七：
[0072] 本实施例公开了一种基于二氧化碳的压缩气体储能系统，包括二氧化碳‑水混合容器9、液态二氧化碳存储容器3、蓄水池4、阀门5、水泵水轮机6、管道、发电电动机7及电网8；
[0073] 二氧化碳‑水混合容器9中二氧化碳和水间接接触，二者之间存在热量交换；气态二氧化碳存储在柔性容器1内，柔性容器1外围存在水。
[0074] 气态二氧化碳经过管道、阀门与液态二氧化碳储存容器3连接，液态二氧化碳储存容器与蓄水池4内水体直接接触。
[0075] 二氧化碳‑水混合容器9依靠管道连接阀门，阀门经过管道与水泵水轮机6连接，水泵水轮机经管道与蓄水池连接。
[0076] 水泵水轮机通过轴系统与发电/电动机7连接,发电电动机经过电气接线与电网相连。
[0077] 优选的，储能介质采用二氧化碳，所述做功介质为水，所述储能介质和做功介质相互分离但存在热量交换。
[0078] 优选的，储能介质二氧化碳具有相变特性，储能介质通过柔性容器与做功介质相互隔离。
[0079] 优选的，系统发电过程二氧化碳从蓄水池中的水体中吸收热量从液态转化为气态，维持汽水混合容器压力基本稳定；所述系统储能过程中水泵水轮机抽水对气态二氧化碳—水混合容器内的柔性容器进行冷却和挤压，使用水对气态二氧化碳进行冷却，实现了二氧化碳从气态转化为液态转化，热量从二氧化碳转移到高比热容的水中。
[0080] 优选的，气态二氧化碳‑水混合容器中二氧化碳与水使用柔性容器进行隔离，储能和发电过程中柔性容器内外两侧压力基本维持不变。
[0081] 在储能过程中，二氧化碳气体被压缩并被液化，柔性容器体积减小；发电过程中，二氧化碳从液体膨胀为气体，柔性容器体积增大。
[0082] 气态二氧化碳‑水混合容器、柔性容器的形状相似，为球形或其他规则的相似形状。
[0083] 基于上述结构，本发明还公开了一种带补热的二氧化碳的水力压缩气体储能系统的工作方法，参见图2，包括以下步骤：
[0084] S1.储能时，断开出水管路11，打开第一阀门5，发电电动机7通过传动装置带动水泵水轮机6，通过水泵水轮机6将蓄水池4内的水通过进水管路10输入储水容器2内储水加压，压缩柔性容器1使气态二氧化碳液化，液化后的二氧化碳通过第一阀门5进入液态二氧化碳存储容器3内，完成储能后关闭第一阀门5；
[0085] S2.释放能量时，断开进水管路10，打开第一阀门5，将低热热源15通过换热器14将热量传递至蓄水池4内，加热液态二氧化碳存储容器3，液态二氧化碳存储容器3内的液态二氧化碳气化后排入柔性容器1内，柔性容器1膨胀并将储水容器2内的水通过出水管路11和水泵水轮机6排出至蓄水池4，水泵水轮机6通过传动装置带动发电电动机7发电。
[0086] 释放能量时，能够直接将低品位余热接入蓄水池4内，通过低品位余热促进液态二氧化碳进行气化。
[0087] 本发明方法以水作为做功介质，以二氧化碳作为储能介质，实现了储能介质和做功介质的相互解耦，显著减小了储能系统中储能介质对压力容器体积的需求量，密闭容器中的压力维持在室温饱和压力附近，压力相对稳定，功率输出稳定，该系统结构简单，在高压力和低压力工况均能高效率运行。
[0088] 综上所述，基于本发明的系统和方法，本发明具有以下优点：
[0089] a、本发明通过惰性气体的压缩、膨胀实现储能、发电，实现无地势落差的储能‑发电，具有布置灵活的优点。
[0090] b、本发明储能介质采用带有相变功能介质，做功介质采用水，显著减小了储能系统中储能介质对大规模压力容器的依赖性。
[0091] c、本发明压缩过程和发电过程中密闭容器中的压力维持在饱和压力附近，解决了储能和发电过程中压力大幅度变化的问题。
[0092] d、本发明带有相变功能介质可以采用饱和压力较低的介质，也可采用饱和压力较低的介质。
[0093] e、本发明具有更高的效率，储能过程和膨胀过程接近等压过程，泵和水轮机均能运行于最高效率点，系统的循环效率较高。
[0094] f、本发明系统结构简单，解决了液态压缩空气储能系统中系统结构复杂、保温要求苛刻的难题。
[0095] g、本发明储能过程和发电过程中泵/水轮机运行于稳定水头工况，无需电力电子转换装置，简化了系统控制策略和控制装置，解决了系统高效率稳定功率运行的难题。
[0096] h、本发明大幅度减小了储能介质的容积，避免了发电机出口对电力电子整流逆变设备依赖，显著降低了系统整体成本，解决了储能系统的技术经济性难以兼顾的难题。
[0097] i、本发明发电过程中相变气体可以利用工业领域低品位余热进行气化，解决了工业领域低温余热难以利用的难题。
[0098] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
