[发明专利]一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统

说明书

技术领域

本系统属于能量存储技术的优化利用领域，具体地说，是一种以压缩空 气储能技术为基础，采用双存储器结构，利用二氧化碳在临界点附近的状态 变化特性实现定压或定容时的储能/释能模式并完成两者之间切换的能量存 储系统。

背景技术

从工业革命至今，人类对于煤炭、石油等传统能源存在较强的依赖性， 而由于传统能源利用导致的二氧化碳气体排放量日益增加，由此产生的温室 效应严重影响着人类的生存环境。为了减少二氧化碳对环境的污染，目前对 大型化石燃料电厂等排放的大量二氧化碳多采用捕捉和存储（Carbon dioxide  Capture and Storage，简称CCS）技术，即：地质存储（在现有的地质构造中 存储，如石油和天然气田、地下盐岩层等）、海洋存储（直接释放到海洋水 体中或者注入到海底沉积层中）以及将二氧化碳固化成无机碳酸盐等，对二 氧化碳进一步的开发和利用还存在较大的空白。

压缩空气储能技术是上世纪五六十年代发展起来的一种能量存储技术， 其以燃气轮机技术为基础，主要原理是利用电厂的富余电力将空气进行压缩 并存储在地下储气室中，当需要时再将高压空气释放，利用透平对外做功。 传统的压缩空气储能技术以环境空气为工作介质，当将空气压缩至较高压力 时会造成系统部件如透平机械、换热器等的设计复杂化和困难化，导致系统 规模庞大，成本较高。此外，由于要将空气压缩至较高压力（不低于40atm） 进行存储，系统需要较大容积的地下储气腔或海底容腔作为存储空间实现定 容存储或定压存储，而一旦储气腔确定，压缩空气储能系统的储能/释能模式 确定且无法更改。这使得传统的压缩空气储能技术不仅存在设计困难、成本 较高、结构复杂的缺陷，并会对环境造成一定影响，且地下储气腔或海底容 腔等关键部件的开发和选择大大提升了系统成本，同时运行模式的单一造成 压缩空气储能系统的可操作性和灵活性较差。因此，如何改善上述情况，减 少储能技术的系统成本，同时增加系统应用的灵活性，是压缩空气储能技术 面临的主要问题之一。

利用二氧化碳取代空气作为储能技术的工作介质是解决上述问题的一种 有效方法。二氧化碳有着优秀的物理和化学特性，在空气中比例为0.3%，是 一种无毒、不燃的惰性气体，有较高的密度且有较低的 临界温度T_c=31.1℃和适中的临界压力P_c=7.38*10⁶Pa，如图3所示。在超临界状 态下，二氧化碳兼有气体和液体的双重特性，其密度接近液体（约为空气密 度的800倍），粘度接近气体，扩散系数接近于气体，是液体的近百倍，具有 更好的流动性和传输特性。相比空气，当以二氧化碳为介质实现压缩气体储 能技术时，借助二氧化碳密度高且更容易达到超临界状态的特性不仅可以降 低系统核心部件如透平机械、换热器等的设计难度，缩小系统的整体规模， 大大降低系统成本，且可以进一步增强系统的安全性和应用的灵活性。

发明内容

本发明涉及一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统，该系统采用双 存储器结构，利用二氧化碳的跨临界特性完成储能系统的定压储能/释能或定 容储能/释能，并可在不同储能/释能方式间进行切换。该发明提高了系统应 用的灵活性，优化了储能系统的供电特性，同时不需要使用化石燃料，不产 生硫化物、氮化物等污染性气体。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种以二氧化碳为工质的压缩气体储能系统，包括：二氧化碳供应单元、 二氧化碳压缩储能单元、二氧化碳膨胀释能单元、载热介质循环回路，其特 征在于：

所述二氧化碳供应单元包括常压二氧化碳存储器；

所述二氧化碳压缩储能单元包括低压级二氧化碳压缩机、高压级二氧化 碳压缩机、液态二氧化碳存储段泵、超临界二氧化碳存储段泵、液态二氧化 碳存储器及超临界二氧化碳存储器，其中，

--所述低压级二氧化碳压缩机的进气口通过管路与所述常压二氧化碳存 储器的出气口连通，所述低压级二氧化碳压缩机产生的高压气体穿过低压级 冷却器的热流体侧后，经气体管路通入所述高压级二氧化碳压缩机的进气口；