本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種壓縮超臨界二氧化碳蓄能蓄熱系統(tǒng)及其工作方法，屬于蓄能領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著傳統(tǒng)化石能源造成的環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)日益嚴(yán)重，人們將重點(diǎn)更多的放在了新能源的開(kāi)發(fā)利用上，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能和生物質(zhì)燃料等。新能源的主要利用方式是將其轉(zhuǎn)化為電能。在整個(gè)電網(wǎng)內(nèi)，用戶(hù)根據(jù)自身需求的不同存在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期和電網(wǎng)負(fù)荷高峰期，而且這兩個(gè)時(shí)期的用電需求差別很大，這就會(huì)導(dǎo)致發(fā)電廠(chǎng)生產(chǎn)的電能在用電高峰期不能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，而在用電低谷期又會(huì)造成大量的多余電力的浪費(fèi)，因此往往需要配備大型的電力儲(chǔ)存裝置對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)配，起到“削峰填谷”的作用，使得電能得到充分利用。在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期，將電網(wǎng)多余的電力儲(chǔ)存起來(lái)，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期輸出電能，補(bǔ)充發(fā)電，這樣可以大大提高電能的有效利用率，降低投資成本。

目前，世界上的蓄能技術(shù)主要有物理蓄能，如抽水蓄能、壓縮空氣蓄能、飛輪蓄能等、電磁蓄能，如超導(dǎo)電磁蓄能、超級(jí)電容器蓄能等、化學(xué)蓄能，如鉛酸電池、氧化還原液流電池、鋰離子電池等三大類(lèi)。目前發(fā)展最成熟并適用于大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的主要是物理蓄能，其中抽水蓄能受地形制約非常嚴(yán)重，壓縮空氣蓄能也對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)有特殊的要求，飛輪蓄能則需要高額的維護(hù)費(fèi)用，因此尋找其他的物理蓄能的方式是蓄能技術(shù)發(fā)展的重要方向。

超臨界流體是指物質(zhì)處于其臨界溫度和臨界壓強(qiáng)以上而形成的一種特殊狀態(tài)的流體，其多種物理化學(xué)性質(zhì)介于氣體和液體之間，并兼具兩者的有點(diǎn)。其中應(yīng)用較為廣泛的是超臨界二氧化碳，其密度接近于液體，粘度接近于氣體，且臨界條件容易達(dá)到，化學(xué)性質(zhì)不活潑，無(wú)色無(wú)味無(wú)毒，安全，價(jià)格便宜。如果采用壓縮超臨界二氧化碳替代壓縮空氣進(jìn)行蓄能，可以大大降低儲(chǔ)罐的容積，同時(shí)可以節(jié)省壓縮功，在相同電能的情況下儲(chǔ)存更多的能量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明利用超臨界二氧化碳體積小，儲(chǔ)能潛力大等優(yōu)點(diǎn)，采用壓縮超臨界二氧化碳替代壓縮空氣進(jìn)行蓄能，可以大大降低儲(chǔ)罐的容積，同時(shí)可以節(jié)省壓縮功，在相同電能的情況下儲(chǔ)存更多的能量。

一種壓縮超臨界二氧化碳蓄能蓄熱系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、低壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐、冷卻器、蓄熱器、高溫油罐、高壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐、低溫油泵、低溫油罐、高溫油泵、預(yù)熱器、回?zé)崞?、加熱器、透平和發(fā)電機(jī)；

冷卻器包括冷側(cè)入口、冷側(cè)出口、熱側(cè)入口和熱側(cè)出口，蓄熱器包括冷側(cè)入口、冷側(cè)出口、熱側(cè)入口和熱側(cè)出口，預(yù)熱器包括冷側(cè)入口、冷側(cè)出口、熱側(cè)入口和熱側(cè)出口，回?zé)崞靼ɡ鋫?cè)入口、冷側(cè)出口、熱側(cè)入口和熱側(cè)出口，加熱器包括冷側(cè)入口、冷側(cè)出口、熱側(cè)入口和熱側(cè)出口；

電動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)相連，壓縮機(jī)出口與蓄熱器熱側(cè)入口相連，蓄熱器熱側(cè)出口通過(guò)蓄能調(diào)節(jié)閥與高壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐入口相連，高壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐出口通過(guò)釋能調(diào)節(jié)閥與預(yù)熱器冷側(cè)入口相連，預(yù)熱器冷側(cè)出口與加熱器冷側(cè)入口相連，加熱器冷側(cè)出口與透平入口相連，透平與發(fā)電機(jī)相連，透平出口與回?zé)崞鳠醾?cè)入口相連，回?zé)崞鳠醾?cè)出口與冷卻器熱側(cè)入口相連，冷卻器熱側(cè)出口與低壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐入口相連，低壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐出口通過(guò)低壓超臨界二氧化碳調(diào)節(jié)閥與壓縮機(jī)入口相連；

低溫油罐出口與低溫油泵相連，低溫油泵出口分兩路，一路通過(guò)蓄熱低溫油閥與蓄熱器冷側(cè)入口相連，蓄熱器冷側(cè)出口與高溫油罐入口相連，另一路通過(guò)回?zé)岬蜏赜烷y與回?zé)崞骼鋫?cè)入口相連，回?zé)崞骼鋫?cè)出口通過(guò)回?zé)岣邷赜烷y與高溫油罐入口相連，高溫油罐出口與高溫油泵相連，高溫油泵出口通過(guò)預(yù)熱高溫油閥與預(yù)熱器熱側(cè)入口相連，預(yù)熱器熱側(cè)出口與低溫油罐入口相連；

所述的壓縮超臨界二氧化碳蓄能蓄熱系統(tǒng)，其特征在于，冷媒介質(zhì)與冷卻器冷側(cè)入口相連，冷卻器冷側(cè)出口與冷媒介質(zhì)系統(tǒng)相連，冷媒介質(zhì)可以是空氣和冷卻水等；

所述的壓縮超臨界二氧化碳蓄能蓄熱系統(tǒng)，其特征在于，熱媒介質(zhì)與加熱器熱側(cè)入口相連，加熱器熱側(cè)出口與熱媒介質(zhì)系統(tǒng)相連，熱媒介質(zhì)可以是太陽(yáng)能集熱、生物質(zhì)燃燒和工業(yè)廢熱等。

所述的壓縮超臨界二氧化碳蓄能蓄熱系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，包括以下過(guò)程：

在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期，打開(kāi)所述蓄熱低溫油閥、蓄能調(diào)節(jié)閥和低壓超臨界二氧化碳調(diào)節(jié)閥，關(guān)閉所述回?zé)岣邷赜烷y、釋能調(diào)節(jié)閥、預(yù)熱高溫油閥和回?zé)岬蜏赜烷y，低溫低壓超臨界二氧化碳從低壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐中流出，經(jīng)低壓超臨界二氧化碳調(diào)節(jié)閥進(jìn)入壓縮機(jī)，電動(dòng)機(jī)將電網(wǎng)多余的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能帶動(dòng)壓縮機(jī)壓縮低壓超臨界二氧化碳，壓縮機(jī)出口的高壓超臨界二氧化碳進(jìn)入蓄熱器的熱側(cè)入口，同時(shí)低溫油罐中的低溫導(dǎo)熱油經(jīng)低溫油泵和蓄熱低溫油閥進(jìn)入蓄熱器冷側(cè)入口，兩股流體在蓄熱器內(nèi)進(jìn)行換熱，低溫導(dǎo)熱油經(jīng)加熱后進(jìn)入高溫油罐儲(chǔ)存?zhèn)溆?，放熱后的低溫高壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)存在高壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存?zhèn)溆茫?/p>

在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期，打開(kāi)所述回?zé)岣邷赜烷y、釋能調(diào)節(jié)閥、預(yù)熱高溫油閥和回?zé)岬蜏赜烷y，關(guān)閉所述蓄熱低溫油閥、蓄能調(diào)節(jié)閥和低壓超臨界二氧化碳調(diào)節(jié)閥，低溫高壓超臨界二氧化碳從高壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐流出從預(yù)熱器冷側(cè)入口進(jìn)入，同時(shí)高溫油罐中的高溫導(dǎo)熱油經(jīng)高溫油泵和預(yù)熱高溫油閥進(jìn)入預(yù)熱器熱側(cè)入口，兩股流體在預(yù)熱器內(nèi)進(jìn)行換熱，放熱后的高溫導(dǎo)熱油進(jìn)行低溫油罐儲(chǔ)存?zhèn)溆?，預(yù)熱后的高壓超臨界二氧化碳進(jìn)入加熱器冷側(cè)入口，熱媒介質(zhì)從加熱器熱側(cè)入口進(jìn)入，兩股流體在加熱器內(nèi)進(jìn)行換熱，放熱后的熱媒介質(zhì)從加熱器熱側(cè)出口流出系統(tǒng)，被加熱后的高溫高壓超臨界二氧化碳進(jìn)入透平做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，透平出口的低壓超臨界二氧化碳進(jìn)入回?zé)崞鳠醾?cè)入口，同時(shí)低溫油罐中的低溫導(dǎo)熱油經(jīng)低溫油泵和回?zé)岬蜏赜烷y進(jìn)入回?zé)崞骼鋫?cè)入口，回?zé)岷蟮牡蜏貙?dǎo)熱油經(jīng)回?zé)岣邷赜烷y進(jìn)入高溫油罐儲(chǔ)存?zhèn)溆?，放熱后的低壓超臨界二氧化碳進(jìn)入冷卻器熱側(cè)入口，同時(shí)冷媒介質(zhì)從冷卻器冷側(cè)入口進(jìn)入，兩股流體在冷卻器內(nèi)進(jìn)行換熱，吸熱后的冷媒介質(zhì)從冷卻器冷側(cè)出口流出系統(tǒng)，被冷卻的低溫低壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)存在低壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐中。

本發(fā)明在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期將電能用于壓縮超臨界二氧化碳，經(jīng)蓄熱器降溫后儲(chǔ)存在高壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐中，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期釋放壓縮超臨界二氧化碳，經(jīng)預(yù)熱器和加熱器后的高溫高壓超臨界二氧化碳推動(dòng)透平做功發(fā)電，回收做功后超臨界二氧化碳的余熱，冷卻后進(jìn)入低壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐中。本發(fā)明提出的利用壓縮超臨界二氧化碳儲(chǔ)能不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)配，也可以與太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等間歇性發(fā)電結(jié)合使用，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的高品質(zhì)電能，加入導(dǎo)熱油循環(huán)，利用蓄熱器、預(yù)熱器和回?zé)崞鲗?shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)中熱量的充分利用，提高了整個(gè)系統(tǒng)的熱效率。

附圖說(shuō)明

圖1所述壓縮超臨界二氧化碳蓄能蓄熱系統(tǒng)圖；

圖2所述電網(wǎng)負(fù)荷低谷期系統(tǒng)蓄能蓄熱工作過(guò)程圖；

圖3所述電網(wǎng)負(fù)荷高峰期系統(tǒng)釋能放熱工作過(guò)程圖；

圖中標(biāo)號(hào)名稱(chēng)：1-電動(dòng)機(jī)；2-壓縮機(jī)；3-低壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐；4-冷卻器；5-蓄熱器；6-高溫油罐；7-高壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐；8-低溫油泵；9-低溫油罐；10-高溫油泵；11-預(yù)熱器；12-回?zé)崞鳎?3-加熱器；14-透平；15-發(fā)電機(jī)；161-蓄熱低溫油閥；162-儲(chǔ)能調(diào)節(jié)閥；163-回?zé)岣邷赜烷y；164-釋能調(diào)節(jié)閥；165-預(yù)熱高溫油閥；166-回?zé)岬蜏赜烷y；167-低壓超臨界二氧化碳調(diào)節(jié)閥。

具體實(shí)施方法

圖1是本發(fā)明提出的壓縮超臨界二氧化碳蓄能蓄熱系統(tǒng)圖，下面參照?qǐng)D1說(shuō)明系統(tǒng)的工作過(guò)程。

在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期，打開(kāi)所述蓄熱低溫油閥161、蓄能調(diào)節(jié)閥162和低壓超臨界二氧化碳調(diào)節(jié)閥167，關(guān)閉所述回?zé)岣邷赜烷y163、釋能調(diào)節(jié)閥164、預(yù)熱高溫油閥165和回?zé)岬蜏赜烷y166，低溫低壓超臨界二氧化碳從低壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐3中流出，經(jīng)低壓超臨界二氧化碳調(diào)節(jié)閥167進(jìn)入壓縮機(jī)2，電動(dòng)機(jī)1將電網(wǎng)多余的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能帶動(dòng)壓縮機(jī)2壓縮低壓超臨界二氧化碳，壓縮機(jī)2出口的高壓超臨界二氧化碳進(jìn)入蓄熱器5的熱側(cè)入口，同時(shí)低溫油罐9中的低溫導(dǎo)熱油經(jīng)低溫油泵8和蓄熱低溫油閥161進(jìn)入蓄熱器5冷側(cè)入口，兩股流體在蓄熱器5內(nèi)進(jìn)行換熱，低溫導(dǎo)熱油經(jīng)加熱后進(jìn)入高溫油罐6儲(chǔ)存?zhèn)溆茫艧岷蟮牡蜏馗邏撼R界二氧化碳儲(chǔ)存在高壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐7中儲(chǔ)存?zhèn)溆茫?/p>

在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期，打開(kāi)所述回?zé)岣邷赜烷y163、釋能調(diào)節(jié)閥164、預(yù)熱高溫油閥165和回?zé)岬蜏赜烷y166，關(guān)閉所述蓄熱低溫油閥161、蓄能調(diào)節(jié)閥162和低壓超臨界二氧化碳調(diào)節(jié)閥167，低溫高壓超臨界二氧化碳從高壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐7流出從預(yù)熱器11冷側(cè)入口進(jìn)入，同時(shí)高溫油罐6中的高溫導(dǎo)熱油經(jīng)高溫油泵10和預(yù)熱高溫油閥165進(jìn)入預(yù)熱器11熱側(cè)入口，兩股流體在預(yù)熱器11內(nèi)進(jìn)行換熱，放熱后的高溫導(dǎo)熱油進(jìn)行低溫油罐9儲(chǔ)存?zhèn)溆?，預(yù)熱后的高壓超臨界二氧化碳進(jìn)入加熱器13冷側(cè)入口，熱媒介質(zhì)從加熱器13熱側(cè)入口進(jìn)入，兩股流體在加熱器13內(nèi)進(jìn)行換熱，放熱后的熱媒介質(zhì)從加熱器13熱側(cè)出口流出系統(tǒng)，被加熱后的高溫高壓超臨界二氧化碳進(jìn)入透平14做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)15發(fā)電，透平14出口的低壓超臨界二氧化碳進(jìn)入回?zé)崞?2熱側(cè)入口，同時(shí)低溫油罐9中的低溫導(dǎo)熱油經(jīng)低溫油泵8和回?zé)岬蜏赜烷y166進(jìn)入回?zé)崞骼鋫?cè)入口，回?zé)岷蟮牡蜏貙?dǎo)熱油經(jīng)回?zé)岣邷赜烷y163進(jìn)入高溫油罐6儲(chǔ)存?zhèn)溆?，放熱后的低壓超臨界二氧化碳進(jìn)入冷卻器4熱側(cè)入口，同時(shí)冷媒介質(zhì)從冷卻器4冷側(cè)入口進(jìn)入，兩股流體在冷卻器4內(nèi)進(jìn)行換熱，吸熱后的冷媒介質(zhì)從冷卻器4冷側(cè)出口流出系統(tǒng)，被冷卻的低溫低壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)存在低壓超臨界二氧化碳儲(chǔ)罐3中。