一种基于光热补偿的压缩二氧化碳储能发电的装置及方法

技术领域

本发明涉及储能发电技术领域，具体涉及一种基于光热补偿的压缩二氧化碳储能发电的装置及方法。

背景技术

压缩气体储能技术是一种能够实现大容量和长时间电能存储的电力储能系统，通过压缩机将气体工质，如：空气、二氧化碳，或者二者相结合，压缩至高压并储存的方式来存储多余电力，在需要用电时将高压气体释放并膨胀做功来发电，而目前的压缩二氧化碳储能发电的装置一般采用火电机组作为供热机组，将二氧化碳压缩成液态或固态进行储能。

供热行业以蓄热式电锅炉为主要供热源的供热系统在供热行业已较为普遍，其削峰填谷的经济效果有利于热电厂实现能源转型，提高机组发电效率，太阳能作为清洁能源，环保无污染，成为清洁替代中的主要能源来源，将太阳能补偿蓄热式电锅炉联合供热具有经济高效的意义。

现有的压缩二氧化碳储能发电的装置或系统一般仍采用活力供电的方法将多余的电量通过压缩二氧化碳的方式储存，这样的储能方法难以保证释能发电量大于储能耗电量，仅能储存部分电能，造成能源浪费，而太阳能等清洁能源则存在供能不稳定的缺点，为此提出一种基于光热补偿的压缩二氧化碳储能发电的装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于：为解决现有的压缩二氧化碳储能发电的装置或系统一般仍采用活力供电的方法将多余的电量通过压缩二氧化碳的方式储存，这样的储能方法难以保证释能发电量大于储能耗电量，仅能储存部分电能，造成能源浪费，而太阳能等清洁能源则存在供能不稳定的缺点的问题，本发明提供了一种基于光热补偿的压缩二氧化碳储能发电的装置及方法。

本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种基于光热补偿的压缩二氧化碳储能发电的装置及方法，包括太阳能供电装置、供气组件、气体压缩组件、储能组件和释能组件，所述供气组件依次与所述气体压缩组件、所述储能组件、所述释能组件相连接；

其中，所述太阳能供电装置用于日常供电和为该储能发电装置供电；

所述供气组件用于提供储能所需的二氧化碳工质；

所述气体压缩组件用于压缩和冷凝二氧化碳气体，使其压缩成液态二氧化碳；

所述储能组件用于储存所述气体压缩组件压缩成液态的二氧化碳；

所述释能组件用于将所述储能组件内储存的液态二氧化碳加热气化为二氧化碳气体，并利用二氧化碳相变膨胀做功发电。

进一步地，所述供气组件包括二氧化碳回收装置和火电厂烟气吸附装置，所述二氧化碳回收装置、所述火电厂烟气吸附装置与所述气体压缩组件之间设置有同一个三通输送管道，所述三通输送管道与所述二氧化碳回收装置、所述火电厂烟气吸附装置的接口处均设置有调控阀，所述二氧化碳回收装置与所述释能组件相连接；

其中，所述二氧化碳回收装置用于回收所述释能组件释能供电后产生的气态二氧化碳，以供下一次的储能；

所述火电厂烟气吸附装置用于吸附火电厂产生的烟气中的二氧化碳，以补充和更换气态二氧化碳，并减少火电厂的碳排量。

进一步地，所述火电厂烟气吸附装置包括烟气管道，所述烟气管道依次连接有烟气冷却装置、烟气压缩装置、二氧化碳吸附装置、尾气排放装置，所述二氧化碳吸附装置与所述气体压缩组件相连接；

其中，所述烟气冷却装置用于对火电厂排放的烟气进行多级持续冷却降温；

所述烟气压缩装置用于持续对低温的烟气加压；

所述二氧化碳吸附装置用于吸附高压、低温的烟气中的二氧化碳并输送至所述气体压缩组件中进行压缩；

所述尾气排放装置用于将脱碳后的尾气分离并排放至大气。

进一步地，所述二氧化碳回收装置包括回收容器，所述回收容器的侧壁上固定安装有与所述回收容器内部相连通的回收气管、循环气管，所述回收气管、所述循环气管分别与所述释能组件、所述三通输送管道相连接，所述回收容器的一侧内壁上固定安装有调压电机，所述调压电机的输出轴驱动安装有多节伸缩杆，所述多节伸缩杆的一端固定安装有与所述回收容器相适配的调压阀门，所述回收气管、所述循环气管均位于所述调压阀门的同一侧，位于所述调压阀门另一侧的所述回收容器的内壁和所述调压阀门的周侧均开设有相适配的啮合螺纹槽，所述回收容器的外侧固定套接有密封外壳。

进一步地，所述烟气冷却装置、所述尾气排放装置均连接有第一换热器，所述第一换热器用于交换并储存所述烟气冷却装置工作时产生的热量。

进一步地，所述气体压缩组件包括压缩机，所述压缩机连接有第二换热器，所述第一换热器、所述第二换热器与所述释能组件之间均设置有换热管路；

其中，所述压缩机用于压缩液化气态的二氧化碳；

所述第二换热器用于交换所述压缩机工作时产生的热量并通过换热油液经所述换热管路向所述释能组件输送。

进一步地，所述释能组件包括预热装置、加热装置、透平发电机，所述预热装置与所述换热管路相连接；

其中，所述预热装置用于接收所述第一换热器、所述第二换热器通过换热油液经所述换热管路输送来的热能，并用于对液体二氧化碳进行预加热；

所述加热装置用于对预加热后的液态二氧化碳进行二次加热，使其气化；

所述透平发电机用于被气化膨胀的二氧化碳推动做功发电。

进一步地，所述预热装置包括二氧化碳出液管，所述二氧化碳出液管的横截面呈环形，所述二氧化碳出液管的内部均匀设置有多个预热油管，所述预热油管均与所述换热管路，所述二氧化碳出液管的内侧固定安装有内真空套，所述二氧化碳出液管的外侧固定套接有外真空套。

进一步地，所述储能组件包括储存罐、真空封存舱，所述储存罐设置于所述真空封存舱内部；

其中，所述储存罐用于储存气体压缩组件压缩液化的液体二氧化碳；

所述真空封存舱用于减少外界环境因素对所述储存罐的影响。

一种基于光热补偿的压缩二氧化碳储能发电的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：在光照充足时，太阳能供电装置工作并向系统内输电，供气组件接收释能组件释放的二氧化碳气体，或接收火电厂产生的烟气并吸附净化为高纯度二氧化碳气体，然后将二氧化碳气体输送至气体压缩组件中；

步骤2：压缩机接收二氧化碳气体并进行压缩，使其液化，然后输送至储能组件中；

步骤3：当光照不足时，太阳能供电装置发电量不足，此时储存罐中的液态二氧化碳输送至释能组件中，预热装置利用第一换热器、第二换热器传输过来的热量对液态二氧化碳进行预加热，加热装置对液态二氧化碳进行二次加热，使其气化；

步骤4：气化膨胀的二氧化碳推动透平发电机做功发电，完成释能。

本发明的有益效果如下：

1、本发明通过将太阳能供电装置多余的发电量用于供给气体压缩组件，使其将高纯度的二氧化碳气体压缩为液态并储存在储能组件中，当太阳能供电装置发电量不足时，由释能组件抽取液态二氧化碳并加热使其气化膨胀做功发电，弥补太阳能发电的不足，既减少了化石能源的浪费，又解决了新能源难以稳定供给的问题；

2、本发明通过三通输送管道和调控阀来控制二氧化碳回收装置和火电厂烟气吸附装置与储能装置的连通，实现二氧化碳回收装置和火电厂烟气吸附装置两种供给端的切换，从而便于在不同需求时更换二氧化碳的供给方式，或同时使用，使两种方式互相补充，满足不同的储能需求；

3、本发明通过利用回收二氧化碳回收装置对释能组件气化释能后的气态二氧化碳进行回收，此时二氧化碳的纯度仍可满足储能标准，二氧化碳回收装置将其回收后直接输送至储能组件进行二次储能利用，可有效避免高纯度二氧化碳的浪费，无需二次重新捕集二氧化碳也节省了能源，同时提高储能时的相应速度；

4、本发明通过从火电厂排放的烟气中收集二氧化碳，利用火电厂烟气吸附装置从烟气中捕集、吸附二氧化碳气体并逐步提纯、冷却汇集成高纯度的二氧化碳气体，然后供给储能组件进行压缩储能，这种方式可以保证二氧化碳的供给量，同时减少火电厂排放烟气中含碳量，即减少火电厂的碳排量；

5、本发明通过设置第一换热器可以对烟气冷却装置、尾气排放装置冷却烟气、尾气时的热量进行交换，并将其用于释能组件对液态预加热二氧化碳，通过设置第二换热器对压缩机压缩液化二氧化碳产生的热量进行传输，通过换热油液经换热管路向释能组件输送，为液态二氧化碳的预加热供热，实现余热的利用，节省了能源；

6、本发明通过设置二氧化碳回收装置，使得可以通过调压电机驱动多节伸缩杆旋转，使调压阀门在自转的同时进行横向移动，从而调节调压阀门两侧的空间容量，进而调节气态二氧化碳所在空间的气压，以备后续使用，啮合螺纹槽不仅可以起到导向作用，还可以借助啮合作用提供良好的气密性；

7、本发明通过设置预热装置，使得准备释能的液态二氧化碳会输入二氧化碳出液管内，此时与第一换热器、第二换热器交换热量的换热油液会经换热管路传输至多个预热油管内，对液态二氧化碳进行预加热，多个预热油管均匀分布在二氧化碳出液管内部，可以增大液态二氧化碳的换热面积，从而提升预加热效果。

附图说明

图1是本发明基于光热补偿的压缩二氧化碳储能发电的装置结构示意图；

图2是本发明二氧化碳回收装置立体结构示意图；

图3是本发明立体结构示意图；

图4是本发明基于光热补偿的压缩二氧化碳储能发电的装置结构示意图；

图5是本发明基于光热补偿的压缩二氧化碳储能发电的方法流程图；

附图标记：1、太阳能供电装置；2、供气组件；21、二氧化碳回收装置；211、回收容器；212、回收气管；213、循环气管；214、调压电机；215、多节伸缩杆；216、调压阀门；217、啮合螺纹槽；218、密封外壳；22、火电厂烟气吸附装置；221、烟气管道；222、烟气冷却装置；223、烟气压缩装置；224、二氧化碳吸附装置；225、尾气排放装置；226、第一换热器；23、三通输送管道；24、调控阀；3、气体压缩组件；31、压缩机；32、第二换热器；33、换热管路；4、储能组件；41、储存罐；42、真空封存舱；5、释能组件；51、预热装置；511、二氧化碳出液管；512、预热油管；513、内真空套；514、外真空套；52、加热装置；53、透平发电机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至图5所示，一种基于光热补偿的压缩二氧化碳储能发电的装置及方法，包括太阳能供电装置1、供气组件2、气体压缩组件3、储能组件4和释能组件5，供气组件2依次与气体压缩组件3、储能组件4和释能组件5相连接，其中，太阳能供电装置1用于日常供电和为该储能发电装置供电，供气组件2用于提供储能所需的二氧化碳工质，气体压缩组件3用于压缩和冷凝二氧化碳气体，使其压缩成液态二氧化碳，储能组件4用于储存气体压缩组件3压缩成液态的二氧化碳，释能组件5用于将储能组件4内储存的液态二氧化碳加热气化为二氧化碳气体，并利用二氧化碳相变膨胀做功发电，具体的为：该基于光热补偿的压缩二氧化碳储能发电的装置可以将太阳能供电装置1多余的发电量用于供给气体压缩组件3，使其将高纯度的二氧化碳气体压缩为液态并储存在储能组件4中，当太阳能供电装置1发电量不足时，由释能组件5抽取液态二氧化碳并加热使其气化膨胀做功发电，弥补太阳能发电的不足，既减少了化石能源的浪费，又解决了新能源难以稳定供给的问题。

如图1所示，本实施例中，供气组件2包括二氧化碳回收装置21和火电厂烟气吸附装置22，二氧化碳回收装置21、火电厂烟气吸附装置22与气体压缩组件3之间设置有同一个三通输送管道23，三通输送管道23与二氧化碳回收装置21、火电厂烟气吸附装置22的接口处均设置有调控阀24，二氧化碳回收装置21与释能组件5相连接，其中，二氧化碳回收装置21用于回收释能组件5释能供电后产生的气态二氧化碳，以供下一次的储能，火电厂烟气吸附装置22用于吸附火电厂产生的烟气中的二氧化碳，以补充和更换气态二氧化碳，并减少火电厂的碳排量，具体的为：该装置存在三种二氧化碳的获取方式，一是利用回收二氧化碳回收装置21对释能组件5气化释能后的气态二氧化碳进行回收，此时二氧化碳的纯度仍可满足储能标准，二氧化碳回收装置21将其回收后直接输送至储能组件4进行二次储能利用，可有效避免高纯度二氧化碳的浪费，无需二次重新捕集二氧化碳也节省了能源，同时提高储能时的相应速度，但需要在首次使用时输入高纯度二氧化碳，以及在多次使用后进行补充损耗的二氧化碳；

二是从火电厂排放的烟气中收集二氧化碳，利用火电厂烟气吸附装置22从烟气中捕集、吸附二氧化碳气体并逐步提纯、冷却汇集成高纯度的二氧化碳气体，然后供给储能组件4进行压缩储能，这种方式可以保证二氧化碳的供给量，同时减少火电厂排放烟气中含碳量，即减少火电厂的碳排量，但每次储能都需要重新捕集二氧化碳，不仅耗费能源和时间，还无法对释能产出的高纯度二氧化碳进行回收利用；

三是回收二氧化碳和捕集二氧化碳并存的方式，通过三通输送管道23和调控阀24来控制二氧化碳回收装置21和火电厂烟气吸附装置22与储能装置的连通，实现二氧化碳回收装置21和火电厂烟气吸附装置22两种供给端的切换，从而便于在不同需求时更换二氧化碳的供给方式，或同时使用，使两种方式互相补充，满足不同的储能需求。

如图1所示，本实施例中，火电厂烟气吸附装置22包括烟气管道221，烟气管道221依次连接有烟气冷却装置222、烟气压缩装置223、二氧化碳吸附装置224、尾气排放装置225，二氧化碳吸附装置224与气体压缩组件3相连接，其中，烟气冷却装置222用于对火电厂排放的烟气进行多级持续冷却降温，烟气压缩装置223用于持续对低温的烟气加压，二氧化碳吸附装置224用于吸附高压、低温的烟气中的二氧化碳并输送至气体压缩组件3中进行压缩，尾气排放装置225用于将脱碳后的尾气分离并排放至大气，具体的为：从火电厂排放的烟气中捕集二氧化碳时，烟气经烟气管道221依次经过烟气冷却装置222、烟气压缩装置223进行多级冷却和加压，使烟气中的二氧化碳在高压低温的环境中，被二氧化碳吸附装置224吸附下来，并直至吸附饱和，得到高纯度的二氧化碳，再输送至气体压缩组件3进行压缩液化，保证系统内用于储能的二氧化碳的工质的供给量，尾气排放装置225可将脱碳后的烟气尾气排出，从而减少火电厂排放烟气中的含碳量，降低火电厂的碳排量；

如图2、图3所示，本实施例中，二氧化碳回收装置21包括回收容器211，回收容器211的侧壁上固定安装有与回收容器211内部相连通的回收气管212、循环气管213，回收气管212、循环气管213分别与释能组件5、三通输送管道23相连接，回收容器211的一侧内壁上固定安装有调压电机214，调压电机214的输出轴驱动安装有多节伸缩杆215，多节伸缩杆215的一端固定安装有与回收容器211相适配的调压阀门216，回收气管212、循环气管213均位于调压阀门216的同一侧，位于调压阀门216另一侧的回收容器211的内壁和调压阀门216的周侧均开设有相适配的啮合螺纹槽217，回收容器211的外侧固定套接有密封外壳218，具体的为：通过设置二氧化碳回收装置21，使得从释能组件5膨胀释能后的气态二氧化碳会经回收气管212回收至回收容器211进行储存，再次储能时，该处的调控阀24开启，气态二氧化碳会经循环气管213传输至三通输送管道23内，再传输至气体压缩组件3内进行下一轮的压缩储能，当气态二氧化碳储存在回收容器211内时，可以通过调压电机214驱动多节伸缩杆215旋转，使调压阀门216在相适配的啮合螺纹槽217的导向作用下，在自转的同时进行横向移动，从而调节调压阀门216两侧的空间容量，进而调节气态二氧化碳所在空间的气压，以备后续使用，啮合螺纹槽217不仅可以起到导向作用，还可以借助啮合作用提供良好的气密性。

如图1所示，本实施例中，烟气冷却装置222、尾气排放装置225均连接有第一换热器226，第一换热器226用于交换并储存烟气冷却装置222工作时产生的热量，具体的为：通过设置第一换热器226可以对烟气冷却装置222、尾气排放装置225冷却烟气、尾气时的热量进行交换，并将其用于释能组件5对液态预加热二氧化碳。

如图1所示，本实施例中，气体压缩组件3包括压缩机31，压缩机31连接有第二换热器32，第一换热器226、第二换热器32与释能组件5之间均设置有换热管路33，其中，压缩机31用于压缩液化气态的二氧化碳，第二换热器32用于交换压缩机31工作时产生的热量并通过换热油液经换热管路33向释能组件5输送，具体的为：通过设置第二换热器32对压缩机31压缩液化二氧化碳产生的热量进行传输，通过换热油液经换热管路33向释能组件5输送，为液态二氧化碳的预加热供热，实现余热的利用，节省了能源。

如图1所示，本实施例中，释能组件5包括预热装置51、加热装置52、透平发电机53，预热装置51与换热管路33相连接，其中，预热装置51用于接收第一换热器226、第二换热器32通过换热油液经换热管路33输送来的热能，并用于对液体二氧化碳进行预加热，加热装置52用于对预加热后的液态二氧化碳进行二次加热，使其气化，透平发电机53用于被气化膨胀的二氧化碳推动做功发电，具体的为：液态二氧化碳经预热装置51和加热装置52的二次加热后气化膨胀，推动透平发电机53发电，将内能转化为机械能，再转化为电能，完成释能，实现对太阳能供电装置1发电不足时的能源补充。

如图4所示，本实施例中，预热装置51包括二氧化碳出液管511，二氧化碳出液管511的横截面呈环形，二氧化碳出液管511的内部均匀设置有多个预热油管512，预热油管512均与换热管路33，二氧化碳出液管511的内侧固定安装有内真空套513，二氧化碳出液管511的外侧固定套接有外真空套514，具体的为：通过设置预热装置51，使得准备释能的液态二氧化碳会从储能组件4输入二氧化碳出液管511内，此时，与第一换热器226、第二换热器32交换热量的换热油液会经换热管路33传输至多个预热油管512内，对液态二氧化碳进行预加热，多个预热油管512均匀分布在二氧化碳出液管511内部，可以增大液态二氧化碳的换热面积，从而提升预加热效果。

如图1所示，本实施例中，储能组件4包括储存罐41、真空封存舱42，储存罐41设置于真空封存舱42内部，其中，储存罐41用于储存气体压缩组件3压缩液化的液体二氧化碳，真空封存舱42用于减少外界环境因素对储存罐41的影响，具体的为：当外界温度高于-56.6℃时，二氧化碳气体会液化，当外界温度低于-56.6℃，则二氧化碳气体会被冷凝成固态，通过将储存有液态二氧化碳的储存罐41存放在真空封存舱42内部，可大幅减少外界环境因素对储存罐41及其内部二氧化碳液体的影响。

一种基于光热补偿的压缩二氧化碳储能发电的方法，包括以下步骤：

步骤1：在光照充足时，太阳能供电装置1工作并向系统内输电，供气组件2接收释能组件5释放的二氧化碳气体，或接收火电厂产生的烟气并吸附净化为高纯度二氧化碳气体，然后将二氧化碳气体输送至气体压缩组件3中；

步骤2：压缩机31接收二氧化碳气体并进行压缩，使其液化，然后输送至储能组件4中；

步骤3：当光照不足时，太阳能供电装置1发电量不足，此时储存罐41中的液态二氧化碳输送至释能组件5中，预热装置51利用第一换热器226、第二换热器32传输过来的热量对液态二氧化碳进行预加热，加热装置52对液态二氧化碳进行二次加热，使其气化；

步骤4：气化膨胀的二氧化碳推动透平发电机53做功发电，完成释能。

综上：该基于光热补偿的压缩二氧化碳储能发电的装置可以将太阳能供电装置1多余的发电量用于供给气体压缩组件3，使其将高纯度的二氧化碳气体压缩为液态并储存在储能组件4中，当太阳能供电装置1发电量不足时，由释能组件5抽取液态二氧化碳并加热使其气化膨胀做功发电，弥补太阳能发电的不足，既减少了化石能源的浪费，又解决了新能源难以稳定供给的问题。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。