CN116164573B - 一种基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统及方法，涉及压缩气体储能技术领域，本发明的系统包括：储能子系统和释能子系统，所述储能子系统包括储气装置、压缩机组、干冰生成器和干冰储罐；所述释能子系统包括干冰升华反应器和膨胀机组；其中，所述储气装置贮存有气态二氧化碳，气态二氧化碳从所述储气装置输送至所述压缩机组中进行压缩耗功，经所述干冰生成器生成固态二氧化碳并存储至所述干冰储罐中，以进行储能；固态二氧化碳从所述干冰储罐输送至所述干冰升华反应器中吸热并定容升华再次形成气态二氧化碳，气态二氧化碳再输送至所述膨胀机组，经所述膨胀机组膨胀做功，以进行释能。

Description

一种基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统及方法

技术领域

本发明涉及压缩气体储能技术领域，具体涉及一种基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统及方法。

背景技术

太阳能、风能等可再生能源发电受到了越来越多的重视，但是其固有的间歇性、随机性和波动性给可再生能源的开发带来了巨大的挑战，水电则因汛期存在弃水，火电、核电厂存在发电灵活性的需要，储能技术可以有效解决这一问题，同时，智能电网、能源互联网的建设也迫切需要储能系统作为支撑技术。储能系统可以实现大容量的能量储存，在需要能量的时候再平稳的释放出来以供发电或其他利用，能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平，为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段。

近年来，储能技术飞速发展，压缩二氧化碳储能由于二氧化碳来源充足，成本低、储能能量大、转换效率高等优点被认为是一种有前景的新型物理储能技术，利用压缩二氧化碳进行储能，可以显著缩小存储系统的规模，降低成本。现有二氧化碳储能技术采用气液两相相变转化进行储能和释能，该技术利用多余的外界能源驱动压缩机将气态二氧化碳压缩后再冷凝成液态二氧化碳高压储存于储液罐中，待到需要时将液态二氧化碳从储液罐中输送出来进行蒸发变成气态二氧化碳，再通过膨胀机膨胀做功并带动发电机进行发电。

但是现有二氧化碳储能技术以液态二氧化碳作为储能工质进行存储，相较于干冰，液态二氧化碳储能密度低，同时，作为储能工质的液态二氧化碳，高压存储在储液罐内，存在安全隐患问题，而且当其在储液罐内压力低于0.7MPa时会凝结成干冰，存在因操作失误或设备故障使其压力低于0.7MPa而凝结成干冰的风险，一旦形成干冰，将构成低温液态二氧化碳储液罐故障甚至损坏储液罐，进而对系统运行的安全性和稳定性构成危害。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统及方法，其以干冰作为储能介质，贮存压力低，不但能够消除液态二氧化碳为储能介质时进行高压存储的安全隐患，还能够规避液态二氧化碳为储能介质时会因操作失误或设备故障凝结成干冰进而导致储液罐故障及损坏储液罐的风险，提升了系统运行的安全性和稳定性。

为实现上述目的，本发明可以采用以下技术方案进行：

第一方面，本发明提供一种基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，其包括：

储能子系统，所述储能子系统包括储气装置、压缩机组、干冰生成器和干冰储罐；以及，

释能子系统，所述释能子系统包括干冰升华反应器和膨胀机组；

其中，所述储气装置贮存有气态二氧化碳，气态二氧化碳从所述储气装置输送至所述压缩机组中进行压缩耗功，经所述干冰生成器生成固态二氧化碳并存储至所述干冰储罐中，以进行储能；固态二氧化碳从所述干冰储罐输送至所述干冰升华反应器中吸热并定容升华再次形成气态二氧化碳，气态二氧化碳再输送至所述膨胀机组，经所述膨胀机组膨胀做功，以进行释能。

如上所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，进一步的，所述储气装置的内部压力为常压、接近常压或压力状态，所述储气装置的内部温度维持在设定范围内；所述储气装置采用膜式柔性储气库、钢结构柔膜复合气柜、地下储气库和压力储气柜的一种或几种组合使用，其中，所述膜式柔性储气库和所述钢结构柔膜复合气柜用于贮存常压或接近常压状态的气态二氧化碳，所述地下储气库和所述压力储气柜用于贮存压力状态下的气态二氧化碳；

所述干冰储罐的类型为罐体、箱体或池体，所述干冰储罐的内部温度低于-78.5℃，且所述干冰储罐的外部设有绝热保温材料；

所述储气装置和所述干冰储罐均为至少一个。

如上所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，进一步的，还包括驱动装置，所述驱动装置用于为所述压缩机组提供驱动动力，所述驱动装置采用电动机、汽轮机、水轮机、风力轮机的一种或几种组合使用，其中，所述驱动装置为电动机时，其电源为太阳能发电、风电、地热发电、电网低谷电、常规电站、水电、核电或潮汐发电的一种或多种组合；

所述压缩机组为至少一台压缩机，当为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式或分轴并联形式，并联形式中各分轴与主驱动轴动连接；

所述膨胀机组为至少一台膨胀机，末级或末端膨胀机的排气接近常压或为预设压力状态，当为多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式，并联形式中各分轴与主驱动轴动连接；

所述压缩机组和膨胀机组均采用活塞式、轴流式、向心式、螺杆式或混合式的一种或几种组合使用。

如上所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，进一步的，所述干冰生成器将气态二氧化碳转化为固态二氧化碳的生成方式为将气态二氧化碳液化后再凝固成固态二氧化碳、或将气态二氧化碳凝华成固态二氧化碳的一种或组合使用，其制取的固态二氧化碳为颗粒状或粉状；

所述干冰生成器设有尾气出口和尾气换热器，所述尾气出口位于所述干冰生成器的顶部或上部，所述尾气换热器设于所述干冰生成器的工质入口管线上，所述尾气换热器的换热方式为逆流换热；所述干冰生成器的尾气出口经过所述尾气换热器与所述压缩机组的入口或所述储气装置相连通，用于将未转化为固态二氧化碳的气态二氧化碳进行回收，以及将其携带的冷量通过换热对所述干冰生成器的入口二氧化碳工质进行冷却。

如上所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，进一步的，所述干冰升华反应器为密闭反应容器，用于使干冰进行升华反应且使升华生成的气态二氧化碳在定容条件下升高压力，所述干冰升华反应器的外部设有绝热保温材料且其内部设有换热组件，所述换热组件内充满有凝固点低于-80℃的换热介质；所述干冰升华反应器布置有至少一个。

如上所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，进一步的，还包括蓄热装置，所述蓄热装置用于对所述压缩机组形成的压缩热进行回收且通过换热将热量转移供给于所述膨胀机组的进气使其升温；

当所述压缩机组为多台压缩机时，每一台压缩机的出气均先经过所述蓄热装置进行换热；当所述膨胀机组为多台膨胀机时，每一台膨胀机的进气均先经过所述蓄热装置进行加热；

所述蓄热装置的蓄热形式是显热、潜热或化学反应热中的一种或几种组合，所述蓄热装置的换热形式是直接接触式换热、通过换热表面与蓄热介质换热的一种或几种组合，所述蓄热装置采用的蓄热介质或/和蓄热材料为熔融盐、无机类结晶水合盐、石蜡、生物质油、有机类脂肪酸、金属及其合金、岩石或混凝土的一种或几种组合，蓄热介质或/和蓄热材料均储存在绝热容器中；

所述蓄热装置外接有外部热源管线，用于获取更多的热量以提高所述膨胀机组的进气温度和及提升其做功能力，所述蓄热装置通过所述外部热源管线与外部热源相连通形成载热循环回路，所述外部热源的热量随时经由所述外部热源管线进入所述蓄热装置进行储存，或在释能时所述外部热源通过所述外部热源管线直接加热所述膨胀机组的进气，所述外部热源采用太阳能集热、低谷电弃电制热、弃电制热、火电核电的低谷产热、地热、工业余热及废热的一种或几种几种组合使用；

在所述蓄热装置中，经所述压缩机组流入所述蓄热装置的气流方向、经所述外部热源管线流入所述蓄热装置的介质流方向均与经所述蓄热装置流向膨胀机组的气流方向相反。

如上所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，进一步的，还包括蓄冷装置，所述蓄冷装置用于向所述干冰升华反应器供热使其进行升华反应，并通过换热对固态二氧化碳升华形成的冷量进行回收及存储，且在储能时通过换热将所述冷量转移供给于所述干冰生成器的入口二氧化碳工质；

所述蓄冷装置设有换热管线，所述蓄冷装置通过所述换热管线与所述干冰升华反应器中的换热组件相连通形成换热循环回路；

所述压缩机组与所述干冰生成器相连通的管道依次经过所述蓄热装置、所述蓄冷装置和尾气换热器，以对所述干冰生成器的入口二氧化碳工质进行冷却；

所述膨胀机组与所述储气装置相连通的管道经过所述蓄冷装置，以对所述膨胀机组排出的乏气进行冷却从而满足储气装置的储气温度要求；

所述蓄冷装置的蓄冷形式是显热蓄冷或潜热蓄冷中的一种或组合，二氧化碳工质和换热介质在所述蓄冷装置中与蓄冷介质直接接触换热或通过换热器换热；其中，显热蓄冷介质采用岩石、陶瓷、金属氧化物球、密封冰球、沙砾、混凝土、铝带盘的一种或几种组合，潜热蓄冷介质采用共晶盐类水溶液、气体水合物蓄冷、烷烃类烯烃类物质及其化合物、醇类及其水溶液的一种或几种组合，蓄冷介质存储在绝热容器中；

所述蓄冷装置外接有外部冷源管线，所述蓄冷装置通过所述外部冷源管线与外部冷源相连通形成载冷循环回路，用于储能初始启动时提供所需冷量和储能过程中冷量不足时补充冷量；所述外部冷源采用新能源、低谷电、弃电或电网调峰调频电力制冷的一种或几种组合；

在所述蓄冷装置中，经所述换热管线流入蓄冷装置的换热介质流方向、经所述外部冷源管线流入蓄冷装置的介质流方向均与经所述压缩机组流入蓄冷装置的气流方向相反。

如上所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，进一步的，还包括高压储气罐和回热器，

所述高压储气罐与所述干冰升华反应器的出口相连通，以对所述干冰升华反应器输出的二氧化碳流体进行缓冲储气和储压，从而维持对二氧化碳流体的持续稳定的输出，所述高压储气罐布置有至少一个；

所述回热器与所述膨胀机组的出口相连通，且在所述膨胀机组为多台透平膨胀机时，所述回热器与末级或末端膨胀机的出口相连通，所述膨胀机组经过所述回热器与所述储气装置相连通，所述干冰升华反应器经过所述回热器与所述膨胀机组相连通，所述回热器的换热方式为逆流换热，以预热所述膨胀机组的进气和冷却膨胀机组排出的乏气。

如上所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，进一步的，还包括高压储气罐和回热器，

所述高压储气罐与所述干冰升华反应器的出口相连通，以对所述干冰升华反应器输出的二氧化碳流体进行缓冲储气和储压，从而维持对二氧化碳流体的持续稳定的输出，所述高压储气罐布置有至少一个；

所述干冰升华反应器依次经过所述高压储气罐、所述回热器、所述蓄热装置与所述膨胀机组相连通；所述膨胀机组依次经过所述回热器、所述蓄冷装置与所述储气装置相连通。

第二方面，本发明提供一种基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统的储能方法，其利用上述的系统进行，包括循环进行的储能步骤和释能步骤；

所述储能步骤具体包括：

将二氧化碳气体从储气装置输送至压缩机组中，驱动装置利用外界能源驱动压缩机组，压缩机组将二氧化碳气体压缩为高温高压二氧化碳气体；

将压缩后的高温高压二氧化碳气体输送至蓄热装置中进行压缩热回收，同时使高温高压二氧化碳气体的温度降至常温；

将回收压缩热后的常温高压二氧化碳气体输送至蓄冷装置、尾气换热器中依次进行冷却并降温至预设温度；

将降温至预设温度后的二氧化碳流体输送至干冰生成器中生成干冰，二氧化碳由气态变为固态；

将干冰输送至干冰储罐中进行存储；

在此过程中，外界能源转化为蓄热装置中易储存的热能和干冰储罐中易储存的相变能；

与此同时，将干冰生成器中未转化为干冰的二氧化碳尾气经尾气出口输送至尾气换热器中，尾气换热器通过换热将二氧化碳尾气携带的冷量传递给干冰生成器的入口二氧化碳流体；

将经尾气换热器换热后的二氧化碳尾气输送至蓄冷装置中，回收二氧化碳尾气携带的剩余冷量；

将被回收剩余冷量后的二氧化碳尾气输送至压缩机组或储气装置，重新进入储能流程；

所述释能步骤具体包括：

将存储在干冰储罐中的干冰输送至干冰升华反应器，干冰在干冰升华反应器中通过换热组件吸热并定容升华变成二氧化碳气体，二氧化碳由固态变为气态，在定容条件下二氧化碳压力升高，二氧化碳气体在干冰升华反应器中升压至预设压力值时变成高压二氧化碳气体；

与此同时，蓄冷装置通过换热管线、换热组件向干冰升华反应器供热并回收干冰升华形成的冷量；

将定容升华形成的高压二氧化碳气体输送至高压储气罐进行缓冲储气和储压；

将缓冲存储在高压储气罐中的高压二氧化碳气体输送至回热器、蓄热装置中依次进行加热变为高温高压二氧化碳流体，且升温至预设温度；

将升温至预设温度后的高温高压二氧化碳流体输送至膨胀机组中，使膨胀机组膨胀做功，进行相变能和热能的释放，并拖动发电机运转发电，向外输出电能；

将膨胀做功后的二氧化碳乏气经回热器、蓄冷装置依次进行冷却降温后再输送回到储气装置中进行存贮，完成一次循环。

本发明与现有技术相比，其有益效果在于：

1、本发明提供的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，设置了储气装置与干冰储罐，气态二氧化碳被存储于储气装置中，固态二氧化碳(干冰)被存储于干冰储罐中。在具体操作时，气态二氧化碳从储气装置输送至压缩机组中进行压缩耗功，经干冰生成器生成干冰并存储至干冰储罐中，二氧化碳由气态变为固态，完成能量存储，部分能量被存储于干冰中，部分能量存储于蓄热装置中，并在释能时干冰从干冰储罐输送至干冰升华反应器中吸热并定容升华，二氧化碳由固态变为气态，气态二氧化碳再输送至膨胀机组，经膨胀机组膨胀做功完成能量释放，实现了电能及其它外界能源的有效存储和再生。在此过程中，以干冰作为储能介质，将气态二氧化碳转化为固态二氧化碳(干冰),经压缩耗功将外界能源以相变能的形式进行储存，相较于液态二氧化碳，不仅提高了储能密度，还提升了储能效率。

2、本发明以干冰作为储能介质，其贮存压力低，不但能够消除液态二氧化碳为储能介质时进行高压存储的安全隐患，还能够规避液态二氧化碳为储能介质时会因操作失误或设备故障凝结成干冰进而导致储液罐故障及损坏储液罐的风险，提升了系统运行的安全性和稳定性。

3、本发明提供的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，采用蓄热装置在压缩阶段对压缩机组级间及级后的压缩热量进行回收，可以减少压缩机组耗功，提高压缩机组效率，在释能阶段利用回收的压缩热量对膨胀机组的进气进行加热，形成对热能的耦合利用，有效地降低系统热量的损失，提高系统效率；同时本发明采用蓄冷装置对干冰升华形成的冷量进行回收，充当冷源，供储能时二氧化碳由气态变为固态进行冷却时使用，且供做功后的乏气冷却使用，形成了对冷量的耦合利用，充分利用了干冰升华后携带出来的冷量，降低了系统的冷却成本。本发明通过回收系统内部多余的热能和冷能分别形成耦合利用，不仅能够减少能量浪费，提高能量利用率，系统效率得到了有效提升，还降低了加热和冷却的成本，大大提升系统的经济性。

4、本发明提供的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，干冰吸热发生相态变化生成气态二氧化碳，在定容条件下产生较高压力，吸热后能够生成高温高压的气态或超临界二氧化碳，具体地，在释能时，干冰经定容升华变为气态二氧化碳并升高压力，经回热器、蓄热装置加热后转变为高温高压的气态或超临界态二氧化碳，当二氧化碳流体的温度、压力超过31.1℃和7.38MPa时，二氧化碳流体就处于超临界状态，使得本发明能够采用超临界二氧化碳膨胀机组进行做功发电，充分利用超临界二氧化碳膨胀机组具有的热电转换效率高、动力设备和系统体积小、重量轻、结构简单紧凑、灵活性好等显著优势，大大提升系统效率。

5、本发明提供的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，通过将干冰生成器中未转化为干冰的气态二氧化碳尾气进行回收，并输送至压缩机组或储气装置中，使其得以循环利用，可降低物料损耗，提升系统经济性；通过尾气换热器和蓄冷装置回收二氧化碳尾气携带的冷量，将二氧化碳尾气携带的冷量传递给进干冰生成器的二氧化碳，降低了系统的冷却成本，进而提升系统效率。

6、本发明提供的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，多环节耦合性强，扩展性强，其中所述蓄热装置可以耦合系统外部不同方式的、不同品级的热能进行蓄热，将包括太阳能集热、工业余热及废热等热源系统的热能转化为储能系统中易储存的热能，所述蓄冷装置可以耦合系统外部不同方式的、不同品级的冷能进行蓄冷，且均可以将包括电网低谷或可再生能源并网受限的电能通过制热、制冷转化为储能系统中易储存的热能和冷能；所述驱动装置可以耦合系统外任何动力技术产生的驱动力并转化为储能系统中易储存的热能、相变能及冷能，使得本发明能够提高新能源消纳能力及电网调峰填谷能力，提高经济价值。

7、相比较于抽水蓄能对地质地理条件的限制，上下游水库建设周期漫长，以及压缩空气储能中地下储气库漫长的施工期，本发明提供的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统中的柔性储气库采用工厂化生产，工程现场安装时间短，使得本发明建设周期短。

8、二氧化碳原料易得且存量巨大，成本低廉，制取的干冰存储安全方便，用途广泛，除了用于系统自用，还可以就近对外销售，在干冰清洗、农业二氧化碳气肥及制冷领域有较大用途，能够提高系统利用率，缩短投资回收期。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统的结构示意图。

其中：1、储气装置；2、驱动装置；3、压缩机组；4、蓄热装置；5、蓄冷装置；6、干冰生成器；601、尾气出口；602、尾气换热器；7、干冰储罐；8、干冰升华反应器；9、高压储气罐；10、膨胀机组；11、发电机；12、回热器；13、换热管线；14、外部热源管线；15、外部冷源管线。

具体实施方式

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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

实施例：

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，本发明实施例的术语“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。

需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，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。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1，本发明提供一种基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，其可以包括：储能子系统和释能子系统，储能子系统包括储气装置1、压缩机组3、干冰生成器6和干冰储罐7；释能子系统包括干冰升华反应器8和膨胀机组10；其中，储气装置1贮存有气态二氧化碳，气态二氧化碳从储气装置1输送至压缩机组3中进行压缩耗功，经干冰生成器6生成固态二氧化碳并存储至干冰储罐7中，以进行储能；固态二氧化碳从干冰储罐7输送至干冰升华反应器8中吸热并定容升华再次形成气态二氧化碳，气态二氧化碳再输送至膨胀机组10，经膨胀机组10膨胀做功，以进行释能。

具体的，本实施例设置了储气装置1与干冰储罐7，气态二氧化碳被存储于储气装置1中，固态二氧化碳(干冰)被存储于干冰储罐7中。在具体操作时，气态二氧化碳从储气装置1输送至压缩机组3中进行压缩耗功，经干冰生成器6生成干冰并存储至干冰储罐7中，二氧化碳由气态变为固态，完成能量存储，部分能量被存储于干冰中，部分能量存储于蓄热装置4中，并在释能时干冰从干冰储罐7输送至干冰升华反应器8中吸热并定容升华，二氧化碳由固态变为气态，气态二氧化碳再输送至膨胀机组10，经膨胀机组10膨胀做功完成能量释放，实现了电能及其它外界能源的有效存储和再生。在此过程中，以干冰作为储能介质，贮存压力低，不但能够消除液态二氧化碳为储能介质时进行高压存储的安全隐患，还能够规避液态二氧化碳为储能介质时会因操作失误或设备故障凝结成干冰进而导致储液罐故障及损坏储液罐的风险，提升了系统运行的安全性和稳定性。

再次参见图1，图1展示了一种基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，其可以包括：储能子系统和释能子系统。

具体的，储能子系统通过压缩耗功，且利用干冰生成器6使气态二氧化碳转化为干冰，能够将外界能源转化为相变能，以进行储能，储能子系统包括依次相连通的储气装置1、压缩机组3、蓄热装置4、蓄冷装置5、干冰生成器6和干冰储罐7，以及包括与压缩机组3连接的驱动装置2。储能子系统的储能过程如下：储能时，驱动装置2利用电网低谷电或新能源电力等外界能源驱动压缩机组3；压缩机组3耗功将储气装置1流出的气态二氧化碳压缩为高温高压二氧化碳；蓄热装置4将压缩后流入其中的高温高压二氧化碳携带的压缩热进行回收并储存，在此过程中，蓄热装置4对压缩机组3级间及级后的压缩热量进行回收，可以减少压缩机耗功，提高压缩机效率；经蓄热装置4回收压缩热后，高温高压二氧化碳的温度降为常温；经蓄热装置4流出的常温高压二氧化碳经蓄冷装置5、尾气换热器602依次冷却后输送至干冰生成器6中生成干冰，然后输送至干冰储罐7中存储。在此储能过程中，二氧化碳从气态转变为固态，部分能量以热能形式存储于蓄热装置4中，部分能量以相变能形式存储于干冰储罐7中，完成能量存储。

与此同时，干冰生成器6中未转化为干冰的二氧化碳尾气经尾气出口601输送至尾气换热器602中，尾气换热器602通过换热将二氧化碳尾气携带的冷量传递给干冰生成器6的入口二氧化碳；经尾气换热器602回收冷量后，二氧化碳尾气输送至蓄冷装置5中，经蓄冷装置5回收其携带的剩余冷量；回收剩余冷量后的二氧化碳尾气输送至压缩机组3中进行新的干冰生产流程。在另一实施例中二氧化碳尾气也可以输送至储气装置1中。在此过程中，未转化为干冰的二氧化碳尾气被回收利用，重新进入储能流程，减少了物料损耗，从而大大降低储能成本，同时其携带的冷量也被回收利用，降低了冷却成本，减少能耗，从而进一步地降低储能成本。

释能子系统利用干冰升华反应使干冰转化为气态二氧化碳，通过膨胀做功拖动发电机11将存储的相变能转化为电能，以进行释能，释能子系统包括依次相连通的干冰储罐7、干冰升华反应器8、蓄热装置4、膨胀机组10和储气装置1，以及包括与膨胀机组10连接的发电机11。

具体的，释能子系统的释能过程如下：释能时，干冰从干冰储罐7输送至干冰升华反应器8中，在干冰升华反应器8中吸热并进行定容升华，压力升高，二氧化碳由固态(干冰)转变为高压气态二氧化碳，同时蓄冷装置5通过换热管线13向干冰升华反应器供热并回收干冰升华形成的冷量，高压气态二氧化碳升温为常温高压气态二氧化碳，然后输送至高压储气罐9进行缓冲储气和储压，常温高压气态二氧化碳经蓄热装置4加热后转变为高温高压二氧化碳，而后高温高压二氧化碳输送至膨胀机组10中膨胀做功，并驱动发电机11发电。做功后的乏气输送至蓄冷装置5中进行冷却，冷却后存储至储气装置1中进行下一次二氧化碳的循环。在此释能过程中，干冰在干冰升华反应器8中吸热升华，由固态转变为气态，再经膨胀机组10膨胀做功，从而将储能过程中存储于干冰中的相变能和存储于蓄热装置4中的压缩热量释放出去，完成能量释放。

在本实施例中，储能系统通过利用气态二氧化碳和干冰的气固两相相互转化进行储能和释能，实现了电能的有效存储和再生。一方面，该干冰储能系统能够利用新能源电力或电网低谷电等外界能源实现二氧化碳从气态到固态的转变，将能量存储起来，待需要用电或用电高峰时，再将这部分能量释放出去，驱动发电机11输出电能。如此，不仅能够显著提高风光等可再生能源的消纳水平，还可以极大提升传统电力系统的灵活性。另一方面，二氧化碳仅在气态与固态之间转变，在储能之后，二氧化碳处于固态，具体为颗粒状干冰或粉状干冰，其储能密度高，存储压力低，相较于现有的通过二氧化碳气液相变进行储能释能，不仅能够提高储能密度，提升系统效率，还能够消除现有二氧化碳气液相变储能中以液态二氧化碳为储能工质存在的高压存储的安全隐患，能够规避二氧化碳气液相变储能中液态二氧化碳凝结成干冰而导致储液罐故障甚至损坏储液罐的风险，进而提升系统运行的安全性和稳定性。

此外，在上述的储能过程与释能过程中均会产生一些多余能量。通常这些能量被直接释放，会造成较大的能量浪费。而本实施例中，将这些多余能量进行回收形成耦合利用，使这些能量可以在上述的储能过程中与释能过程中得到再次使用。具体的，本发明实施例通过设置蓄热装置4在压缩阶段对压缩机组3级间及级后的压缩热量进行回收，不仅可以减少压缩机组3的耗功，提高压缩机组3的效率，而且在释能阶段利用回收的压缩热量对膨胀机组10的进气进行加热，能够有效地降低热量的损失，提高了系统效率，并大大降低成本。本发明实施例通过设置蓄冷装置5对干冰升华形成的冷量、干冰生成器6中未转化为干冰的二氧化碳尾气携带的剩余冷量进行回收及贮存，并充当冷源，供储能过程中二氧化碳由气态变为固态进行冷却时使用，及供膨胀机组10出口的二氧化碳乏气进行冷却时使用，不仅充分利用了储能和释能过程中形成的冷量，还降低了冷却成本，从而降低了能源损耗。本发明实施例还通过尾气换热器602换热将二氧化碳尾气携带的冷量传递给干冰生成器6的入口二氧化碳，进一步地降低了储能过程中的冷却成本。因此，通过设置上述蓄热装置4、蓄冷装置5及尾气换热器602回收利用内部多余的热能和冷能，能够减少储能与释能过程中的能量浪费，提高能量利用率，提升系统效率。

再次参见图1，在某些实施例中，储气装置1用于贮存气态二氧化碳，其内部压力可以是常压、接近常压或压力状态，且无论采用哪种压力，系统基本相同。储气装置1的内部温度维持在设定范围内，以满足储气要求，如可以通过设置保温装置对储气装置1进行保温，使储气装置1内部的温度维持在设定范围内。示例性的，储气装置1至少为一个，储气装置1的结构形式包括但不限于膜式柔性储气库、钢结构柔膜复合气柜、地下储气库及压力储气柜的一种或任意几种，其中，当储气装置1为膜式柔性储气库或钢结构柔膜复合气柜时，其储气容积可变动，通常用于贮存常压、或接近常压状态的气态二氧化碳。当储气装置1为地下储气库或压力储气柜时，通常用于贮存压力状态下的气态二氧化碳。

需要理解的是，储气装置1的结构类型、压力及数量由储气量、当地地质条件和环境因素决定。例如台风频发地区对柔性储气库的破坏力巨大，可采用地下储气库和压力储气柜，从而能够避免台风造成的破坏。另外膜式柔性储气库是一种超大尺寸储气库，库容大，单体柔性储气库容积为10万m³级和100万m³级，单体容积最大可达1000万m³以上，适于存贮常温常压状态的气态二氧化碳。当储气装置1为膜式柔性储气库时，能够极大的提高储能工质的常压态存储容积，从而可以提供更大功率、更长储能时间的二氧化碳长时储能系统。进一步地，多个膜式柔性储气库组合使用，能够为超大功率电站配套建设GW级以上超大功率的长时储能系统。此外，相较于抽水蓄能对地质地理条件的限制和其上下游水库漫长的建设周期，压缩空气储能中地下储气库同样漫长的施工期，本发明实施例中的膜式柔性储气库采用工厂化生产，工程现场安装时间短，使得本发明建设周期短。

再次参见图1，在某些实施例中，干冰储罐7用于存储干冰，干冰储罐7的类型包括但不限于罐体、箱体或池体，且其内部温度低于-78.5℃，外部设有绝热保温材料。具体的，干冰储罐7至少为一个，设置干冰储罐7的目的在于为干冰提供安全可靠的低温冷藏存贮空间，并保证一定的保温性能。相较于现有的通过二氧化碳气液相变进行储能释能，本发明实施例以干冰作为储能介质存储于干冰储罐7中，干冰储罐7的贮存压力低，不但能够消除液态二氧化碳为储能介质时进行高压存储的安全隐患，还能够规避液态二氧化碳为储能介质时会因操作失误或设备故障凝结成干冰进而导致储液罐故障及损坏储液罐的风险，提升了系统运行的安全性和稳定性。

再次参见图1，在某些实施例中，驱动装置2用于为压缩机组3提供驱动动力，示例性的，驱动装置2的类型包括但不限于电动机、汽轮机、水轮机或风力轮机的一种或任意几种，使得本发明实施例能够适用多种新能源开发利用的应用场景。具体的，设置驱动装置2的目的在于有效利用可再生能源及低谷电，为本发明实施例中压缩机组3提供驱动动力。当驱动装置2采用汽轮机、水轮机或风力轮机时，可直接将富余的热力、水力及风力通过本发明实施例提供的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统转化为电力，无需经过发电再对电力进行储能，从而可降低新能源开发利用中主发电系统的功率，进而降低投资，并提升能源利用效率。当驱动装置2为电动机时，其电源包括但不限于太阳能发电、风电、地热发电、电网低谷电、常规电站低谷电、水电、核电或潮汐发电的一种或多种。当富余电力为风电、光电等持续性较差的新能源电力时，本发明实施例的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统可以将这些新能源电力进行缓冲储存，以降低其并网和利用的难度。

在某些实施例中，压缩机组3为至少一台压缩机，设置多台压缩机时，能够减少每一级的压比，即可以选用压缩比更小的压缩机，使得压缩机组3的总成本更低。示例性的，当压缩机组3为多台压缩机时，多台压缩机可以是共轴串联形式、或分轴并联形式，并联形式中各分轴与主驱动轴动连接。具体的，当压缩机组3为多台压缩机时，每一台压缩机的出气均经过蓄热装置4与蓄热材料或蓄热介质进行换热降温，且对每一台压缩机的压缩热进行回收。当多台压缩机为共轴串联时，在压缩二氧化碳气体过程中，压缩部分采用蓄热式级间冷却，能够减少压缩机耗功，节省功率消耗，提高压缩气体压力。也即，多级压缩时，多级压缩机与蓄热装置4的连接方式为依次间隔连接，即压缩机的输出端连接蓄热装置4的输入端，蓄热装置4的输出端连接下一级压缩机的输入端，下一级压缩机的输出端再连接有蓄热装置4的输入端，以此将压缩机与蓄热装置4进行多级依次连接，且首级的压缩机与储气装置1相连通，末级的压缩机经过蓄热装置4与蓄冷装置5相连通。

在某些实施例中，膨胀机组10为至少一台透平膨胀机，每一台透平膨胀机的进气均经过蓄热装置4进行加热，且末级或末端膨胀机的排气接近常压或为预设压力状态。具体的，通过设置多台膨胀机，并使每一台膨胀机的进气均加热升温，能够减少每一级的膨胀比，提高其可靠性。末级或末端膨胀机的排气接近常压或为预设压力状态，能够满足乏气进入储气装置1存储时储气装置1对进气的压力要求。

示例性的，当膨胀机组10为多台膨胀机时，多台膨胀机可以为共轴串联形式、或分轴并联形式，并联形式中，各分轴与主驱动轴动连接。压缩机组3和膨胀机组10均包括但不限于活塞式、轴流式、向心式、螺杆式或混合式。可以理解的是，压缩机组3和膨胀机组10的结构类型、连接形式及数量的选择确定，以能够满足压缩机组3对总压比的需求和膨胀机组10对总膨胀比的需求为准，本发明实施例不做特殊的限定。需要注意的是，多台压缩机时，驱动装置2与压缩机组3的共有传动轴固接，多台膨胀机时，发电机11与膨胀机组10的共有传动轴固接，多台压缩机、多台膨胀机可以分布在一根驱动轴或多根驱动轴上。

在某些实施例中，干冰生成器6用于将气态二氧化碳转化为干冰，其生成方式可以是将气态二氧化碳液化后再凝固成干冰，或将气态二氧化碳凝华成干冰的一种或组合，示例性的，将气态二氧化碳液化后再凝固成干冰的方式包括采用喷嘴、雪花状干冰生成器6或颗粒干冰生成器6制取干冰；无论采用哪种干冰生成方式，其制取的干冰为颗粒状或粉状，且温度低于-78.5℃，当制取的干冰为颗粒状干冰时，其粒度直径大小优选为2-4mm，以使干冰作为储能工质能够便于存储和易于输送。

上述实施例中，进一步的，干冰生成器6设有尾气出口601和尾气换热器602，尾气出口601位于干冰生成器6的顶部或上部，尾气换热器602设于干冰生成器6的工质入口管线上，其换热方式为逆流换热；干冰生成器6通过尾气出口601、尾气换热器602与压缩机组3的入口或储气装置1的入口相连通，用于将未转化为干冰的气态二氧化碳进行回收，以及将其携带的冷量通过换热对干冰生成器6的入口二氧化碳工质进行进一步的冷却。

具体的，因为干冰生成器6在干冰生成过程中，会产生未转化为干冰的气态二氧化碳，排放大气中既造成了大气的污染，形成温室效应，又浪费了宝贵的资源，所以对未转化为干冰的气态二氧化碳的回收再利用不仅可以降低物料损耗，还可以减少大气中的二氧化碳，起到降低大气污染的作用。本实施例中，通过在干冰生成器6的顶部或上部设有尾气出口601，在干冰生成器6的工质入口管线上设有尾气换热器602，换热方式采用逆流换热，干冰生成器6依次通过尾气出口601、尾气换热器602、蓄冷装置5与压缩机组3的入口或储气装置1的入口相连通。也就是说，本实施例中，能够将干冰生成器6中未转化为干冰的气态二氧化碳输送至压缩机组3的入口或储气装置1中进行回收。不仅能够使未转化为干冰的气态二氧化碳尾气得以循环利用，降低物料损耗，还能够通过尾气换热器602将未转化为干冰的气态二氧化碳尾气携带的冷量，通过换热对干冰生成器6的入口二氧化碳工质进行进一步的冷却，回收了一部分冷量，且通过蓄冷装置5进一步回收其携带的剩余冷能，使未转化为干冰的气态二氧化碳尾气携带的冷量得到了充分利用。

在某些实施例中，干冰升华反应器8为密闭反应容器，用于使干冰进行升华反应且使升华生成的气态二氧化碳在定容条件下升高压力，干冰升华反应器8的外部设有绝热保温材料，内部设有换热组件，换热组件内充满有凝固点低于-80℃的换热介质；干冰升华反应器8根据膨胀机组10输出功率与实际情况需求布置有至少一个。具体的，干冰升华反应器8为密闭反应容器，其外部设有绝热保温材料，为干冰升华反应提供可靠的低温反应环境，干冰升华反应器8内部设有换热组件，换热组件内充有凝固点低于-80℃的换热介质，示例性的，换热组件可以采用换热管束，换热介质可为天然气或改性烷烃，换热组件的换热介质入口和换热介质出口与换热管线13延伸至干冰升华反应器8的两端分别相连通。

本实施例中，干冰在干冰升华反应器8中通过换热组件吸热并升华为气态二氧化碳，且使干冰升华反应器8中的气态二氧化碳在定容条件下升高压力。因为干冰是能够在1个标准大气压下、-78.5℃存在的固态二氧化碳，其具有易挥发的物理特性，遇高温会发生相态的变化，干冰在温度高于-78.5℃时就会发生升华，吸收热量迅速转化为气态二氧化碳，体积会迅速膨胀600-800倍。也就是说，在定容条件下由于容积有限，干冰升华能够转化为高压气态二氧化碳。故此，干冰升华反应器8中升华形成的高压二氧化碳经过回热器12、蓄热装置4依次加热，可以变为超临界态二氧化碳。当为超临界态二氧化碳时，使得本发明实施例能够采用超临界二氧化碳膨胀机组10进行做功发电，充分利用超临界二氧化碳膨胀机组10具有的热电转换效率高、动力设备和系统体积小、重量轻、结构简单紧凑、灵活性好等显著优势，提升系统效率。

在某些实施例中，蓄热装置4用于对压缩机组3形成的压缩热进行回收，并通过换热将该压缩热量转移供给于膨胀机组10的进气使其升温，通过蓄热装置4可以形成对热能的耦合利用，实现能量的暂存、转移和释放，能量以热量的形式暂存于蓄热材料中或蓄热介质中。当压缩机组3为多台压缩机时，每一台压缩机的出气均先经过蓄热装置4进行换热；当膨胀机组10为多台膨胀机时，每一台膨胀机的进气均先经过蓄热装置4进行加热。

示例性的，蓄热装置4的蓄热形式包括显热、潜热或化学反应热中的一种或几种，其换热形式包括高温二氧化碳气体直接接触式换热、通过换热表面与蓄热介质换热的一种或组合；采用的蓄热介质和蓄热材料包括但不限于熔融盐、无机类结晶水合盐、石蜡、生物质油、有机类脂肪酸、金属及其合金、岩石或混凝土，蓄热介质和蓄热材料均储存在绝热容器中。可以理解的是，蓄热装置4无论采用哪种换热形式，以及采用哪种蓄热介质或蓄热材料，以能够满足蓄热装置4对压缩机组3的压缩热进行回收需要和对膨胀机组10的进气温度需求为准，本发明实施例不做特殊的限定。

上述实施例中，进一步的，蓄热装置4外接有外部热源管线14，以获取更多的热量，进一步提高膨胀机组10的进气温度及提升其做功能力。因为蓄热装置4回收的热量来自压缩机组3的压缩热，若仅使用蓄热装置4放出的热量进行加热，可能存在热量不足的情况。因此，也可以使用外部热源补充热量，以使加热过程能够顺利进行。示例性的，蓄热装置4可以通过外部热源管线14与外部热源相连通形成载热循环回路，外部热源的热量可以随时经由外部热源管线14进入蓄热装置4进行储存，其中，外部热源采用但不限于太阳能集热、低谷电(弃电)制热、火电核电的低谷产热、地热、工业余热及废热，且为其中的一种或几种，在此载热过程中，包括太阳能集热、火电核电低谷产热、工业余热及废热、电网负荷低谷、电网调峰调频电力的电能或可再生能源并网受限的电能转化为蓄热装置4中易储存的热能，使得本发明能够充分有效利用现有弃热弃电资源，不仅提高二氧化碳气体温度与做功能力，还能够提升系统多能耦合能力。在另一个实施例中，外部热源在释能过程中可以通过外部热源管线14直接加热膨胀机组10的进气，而当外部热源的热量充足过剩时，外部热源可以将热量注入蓄热装置4中进行存贮。进一步地，在蓄热装置4中，经压缩机组3流入蓄热装置4的气流方向、经外部热源管线14流入蓄热装置4的介质流方向均与经蓄热装置4流向膨胀机组10的气流方向相反。

在某些实施例中，蓄冷装置5用于向干冰升华反应器8供热使其进行升华反应，并通过换热对干冰升华形成的冷量进行回收及存储，且在储能时通过换热将冷量转移供给于干冰生成器6的入口二氧化碳工质，蓄冷装置5设有换热管线13，蓄冷装置5通过换热管线13与干冰升华反应器8中的换热组件相连通形成换热循环回路。在设有尾气换热器602的情况下，压缩机组3依次经过蓄热装置4、蓄冷装置5、尾气换热器602与干冰生成器6相连通，用于对干冰生成器6的入口二氧化碳工质进行冷却；膨胀机组10经过蓄冷装置5与储气装置1相连通，用于对膨胀机组10排出的乏气进行冷却，以满足储气装置1的储气温度要求。

具体的，蓄冷装置5设有换热管线13，蓄冷装置5通过换热管线13与干冰升华反应器8中的换热组件相连通形成换热循环回路，其目的在于通过换热管线13对干冰升华反应器8供热使其进行升华反应，并回收干冰定容升华形成的冷量，并通过换热对该冷量进行转移，用于对进干冰生成器6的气态二氧化碳进行冷却以制取干冰，以及对进储气装置1的乏气进行冷却以满足其储气要求，形成对系统内部冷量的耦合利用。

示例性的，蓄冷装置5的蓄冷形式可以采用显热蓄冷或潜热蓄冷中的一种或组合，二氧化碳工质和换热介质在蓄冷装置5中与蓄冷介质直接接触换热或通过换热器换热；显热蓄冷介质采用但不限于岩石、陶瓷、金属氧化物球、密封冰球、沙砾、混凝土、铝带盘或其它金属或非金属物质中的一种或几种；潜热蓄冷介质采用但不限于共晶盐类水溶液、气体水合物蓄冷、烷烃类烯烃类物质及其化合物、醇类及其水溶液中的一种或几种，蓄冷材料、蓄冷介质均存储在绝热容器中。可以理解的是，蓄冷装置5无论采用哪种换热形式，以及采用哪种蓄冷介质或蓄冷材料，以能够满足蓄冷装置5对干冰升华反应器8形成的冷量进行回收需要和对干冰生成器6的入口工质温度需求为准，本发明实施例不做特殊的限定。

上述实施例中，进一步的，蓄冷装置5外接有外部冷源管线15，蓄冷装置5通过外部冷源管线15与外部冷源相连通形成载冷循环回路，用于储能初始启动时提供所需冷量和储能过程中冷量不足时补充冷量；外部冷源采用但不限于新能源、低谷电(弃电)或电网调峰调频电力制冷。进一步的，在蓄冷装置5中，经换热管线13流入蓄冷装置5的换热介质流方向、经外部冷源管线15流入蓄冷装置5的介质流方向均与经压缩机组3流入蓄冷装置5的气流方向相反。

具体的，蓄冷装置5外接有外部冷源管线15，蓄冷装置5通过外部冷源管线15与外部冷源相连通形成载冷循环回路。蓄冷装置5中所需冷量一部分由干冰定容升华提供，不足部分可以由外部冷源补充提供，外部冷源采用但不限于新能源、低谷电(弃电)或电网调峰调频电力制冷，在此过程中，包括新能源、低谷电或电网调峰调频电力的电能随时转化为蓄冷装置5中易储存的冷能，从而可降低新能源并网和利用的难度，提高电网的调峰填谷能力。

再次参见图1，在某些实施例中，本储能系统还包括高压储气罐9和回热器12，高压储气罐9与干冰升华反应器8的出口相连通，用于对干冰升华反应器8中升华形成的高压二氧化碳流体进行缓冲储气，以及按照预设压力值进行储压，以对二氧化碳流体进行持续稳定的输出。此外，高压储气罐9根据膨胀机组10输出功率与实际情况需求布置有至少一个。设置高压储气罐9的目的在于对二氧化碳流体进行持续稳定的输出，以通过膨胀机组10做功完成能量释放，并且减小对膨胀机组10的损伤并稳定输出功率。

上述实施例中，进一步的，回热器12与膨胀机组10的出口相连通，且在膨胀机组10为多台透平膨胀机时，回热器12与末级或末端膨胀机的出口相连通，膨胀机组10经过回热器12与储气装置1相连通，干冰升华反应器8经过回热器12与膨胀机组10相连通，其换热方式为逆流换热，设置回热器12的目的在于预热膨胀机组10的进气，并冷却膨胀机组10排出的乏气，因此能够回收能量，有效减少系统能量损耗。在设有高压储气罐9和回热器12的情况下，干冰升华反应器8依次经过高压储气罐9、回热器12、蓄热装置4与膨胀机组10相连通；在设有回热器12的情况下，膨胀机组10依次经过回热器12、蓄冷装置5与储气装置1相连通。具体的，膨胀机组10做功后排出的乏气输入回热器12高温侧进行换热降温，与此同时，干冰升华反应器8输出的二氧化碳流体经回热器12低温侧通过换热进行预热，也即，回热器12利用膨胀机组10排出的乏气的余热对膨胀机组10的进气进行预热，同时乏气得以冷却降温，从而实现对膨胀机组10排出的乏气携带的余热进行有效的回收利用。

在另一实施例中，在蓄热装置4中，压缩机组3输送至蓄热装置4的出气、外部热源管线14输送至蓄热装置4的入口介质与膨胀机组10的进气进行换热，其换热方式为逆流换热；在蓄冷装置5中，经蓄冷管线输送至蓄冷装置5的入口介质、干冰生成器6排出的尾气、外部冷源管线15输送至蓄冷装置5的入口介质与蓄热装置4输送至蓄冷装置5的气体、膨胀机组10排出的乏气进行换热，其换热方式为逆流换热。本实施例中，通过在蓄热装置4中和在蓄冷装置5中设置上述逆流换热方式，能够提升能源利用效率。

基于同一原理，本发明还提供一种基于二氧化碳气固相变的干冰储能方法，该方法采用上述的一种基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统进行，该方法包括储能步骤和释能步骤。

储能步骤在电网时段处于谷价时，或电网降负荷出现剩余电量时，或者可再生能源电力并网受限时进行。储能步骤具体包括：

S1：将二氧化碳气体从储气装置1输送至压缩机组3中，驱动装置2利用电网低谷电或新能源电力等外界能源驱动压缩机组3，压缩机组3将二氧化碳气体压缩为高温高压二氧化碳气体。

S2：将压缩后的高温高压二氧化碳气体输送至蓄热装置4中进行压缩热的回收及存储，同时使高温高压二氧化碳气体的温度降至常温。

S3：将回收压缩热后的常温高压二氧化碳气体依次输送至蓄冷装置5、尾气换热器602中依次进行冷却，并降温至预设温度。

S4：将冷却至预设温度后的二氧化碳输送至干冰生成器6中生成干冰，二氧化碳由气态变为固态。

S5：将干冰输送至干冰储罐7中进行存储。

S6：在此过程中，包括但不限于电网降负荷或可再生能源并网受限的电能等外界能源转化为蓄热装置4中易储存的热能和干冰储罐7中易储存的相变能。

S7：与此同时，将干冰生成器6中未转化为干冰的二氧化碳尾气经尾气出口601输送至尾气换热器602中，尾气换热器602通过换热将回收的二氧化碳尾气携带的冷量传递给干冰生成器6的入口二氧化碳流体。

S8：将经尾气换热器602换热后的二氧化碳尾气输送至蓄冷装置5中，进一步回收二氧化碳尾气携带的剩余冷量。

S9：将回收剩余冷量后的二氧化碳尾气输送至压缩机组3或储气装置1中，重新进入储能流程。

释能步骤在电网时段处于峰价时，或在电网升负荷时，或有电力供应需求时进行。释能步骤具体包括：

S1：将干冰储罐7中存储的干冰输送至干冰升华反应器8中，干冰在干冰升华反应器8中通过换热组件吸热并定容升华变成二氧化碳气体，二氧化碳由固态变为气态，在定容条件下二氧化碳压力升高，二氧化碳气体在干冰升华反应器8中升压至预设压力值时变为高压二氧化碳气体；与此同时，蓄冷装置5通过蓄冷管线、换热组件向干冰升华反应器8供热并回收干冰定容升华形成的冷量。

S2：将定容升华而成的高压二氧化碳气体输送至高压储气罐9进行缓冲储气和储压。

S3：将缓冲存储在高压储气罐9中的高压二氧化碳气体输送至回热器12、蓄热装置4中依次进行加热变为高温高压二氧化碳流体，且升温至预设温度。

S4：将升温至预设温度后的高温高压二氧化碳流体输送至膨胀机组10中，使膨胀机组10膨胀做功，进行相变能和热能的释放，并拖动发电机11运转发电，向外输出电能。

S5：将膨胀做功后的二氧化碳乏气经回热器12、蓄冷装置5依次进行冷却降温后再输送回到储气装置1中存贮，完成一次循环。

本发明实施例的基于二氧化碳气固相变的干冰储能方法，将气态二氧化碳转化为干冰，以干冰作为储能工质，不仅能够提高储能密度，而且能够消除高压存储液态二氧化碳存在的安全隐患，规避以液态二氧化碳为储能介质因操作失误或设备故障凝结成干冰进而导致储液罐故障及损坏储液罐的风险，使系统运行的安全性和稳定性得到了提升。进一步地，其通过耗功生成干冰将外界能源有效利用以热能和相变能的形式进行储能并发电，实现了电能的有效存储和再生。同时，其通过蓄热装置4、蓄冷装置5及尾气换热器602回收利用系统内部多余的热能和冷能，将这些多余能量进行回收形成耦合利用，能够减少储能与释能过程中的能量浪费，从而能够更有效的提高能量利用率，提升系统效率，使得本发明实施例能够用于可再生能源电力波动平抑和电网移峰填谷等场合。

需要指出的是，上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，具体的实施方法，如干冰生成器6的类型、干冰储罐7的类型和干冰升华反应器8的类型，以及压缩机组3、蓄热装置4和膨胀机组10相互连接的布置方法等等仍可进行修改和改进，但都不会由此而背离权利要求书中所规定的本发明的范围和基本精神。

综上，本发明具有储能密度高、系统效率高、稳定性高、能量利用率高和建设周期短的优点，易于推广使用，能够用于可再生能源消纳和电网、电厂移峰填谷等场合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，其特征在于，包括：

储能子系统，所述储能子系统包括储气装置、压缩机组、干冰生成器和干冰储罐；以及，

释能子系统，所述释能子系统包括干冰升华反应器和膨胀机组；

其中，所述储气装置贮存有气态二氧化碳，气态二氧化碳从所述储气装置输送至所述压缩机组中进行压缩耗功，经所述干冰生成器生成固态二氧化碳并存储至所述干冰储罐中，以进行储能；固态二氧化碳从所述干冰储罐输送至所述干冰升华反应器中吸热并定容升华再次形成气态二氧化碳，气态二氧化碳再输送至所述膨胀机组，经所述膨胀机组膨胀做功，以进行释能；所述干冰升华反应器为密闭反应容器，用于使干冰进行升华反应且使升华生成的气态二氧化碳在定容条件下升高压力，所述干冰升华反应器的外部设有绝热保温材料且其内部设有换热组件，所述换热组件内充满有凝固点低于-80℃的换热介质；所述干冰升华反应器布置有至少一个。

2.根据权利要求1所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，其特征在于，

所述储气装置的内部压力为常压、接近常压或压力状态，所述储气装置的内部温度维持在设定范围内；所述储气装置采用膜式柔性储气库、钢结构柔膜复合气柜、地下储气库和压力储气柜的一种或几种组合使用，其中，所述膜式柔性储气库和所述钢结构柔膜复合气柜用于贮存常压或接近常压状态的气态二氧化碳，所述地下储气库和所述压力储气柜用于贮存压力状态下的气态二氧化碳；

所述干冰储罐的类型为罐体、箱体或池体，所述干冰储罐的内部温度低于-78.5℃，且所述干冰储罐的外部设有绝热保温材料；

所述储气装置和所述干冰储罐均为至少一个。

3.根据权利要求1所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，其特征在于，还包括驱动装置，所述驱动装置用于为所述压缩机组提供驱动动力，所述驱动装置采用电动机、汽轮机、水轮机、风力轮机的一种或几种组合使用，其中，所述驱动装置为电动机时，其电源为太阳能发电、风电、地热发电、电网低谷电、常规电站、水电、核电或潮汐发电的一种或多种组合；

所述压缩机组为至少一台压缩机，当为多台压缩机时，多台压缩机为共轴串联形式或分轴并联形式，并联形式中各分轴与主驱动轴动连接；

所述膨胀机组为至少一台膨胀机，末级或末端膨胀机的排气接近常压或为预设压力状态，当为多台膨胀机时，多台膨胀机为共轴串联形式、或分轴并联形式，并联形式中各分轴与主驱动轴动连接；

所述压缩机组和膨胀机组均采用活塞式、轴流式、向心式、螺杆式或混合式的一种或几种组合使用。

4.根据权利要求1所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，其特征在于，所述干冰生成器将气态二氧化碳转化为固态二氧化碳的生成方式为将气态二氧化碳液化后再凝固成固态二氧化碳、或将气态二氧化碳凝华成固态二氧化碳的一种或组合使用，其制取的固态二氧化碳为颗粒状或粉状；

所述干冰生成器设有尾气出口和尾气换热器，所述尾气出口位于所述干冰生成器的顶部或上部，所述尾气换热器设于所述干冰生成器的工质入口管线上，所述尾气换热器的换热方式为逆流换热；所述干冰生成器的尾气出口经过所述尾气换热器与所述压缩机组的入口或所述储气装置相连通，用于将未转化为固态二氧化碳的气态二氧化碳进行回收，以及将其携带的冷量通过换热对所述干冰生成器的入口二氧化碳工质进行冷却。

5.根据权利要求1所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，其特征在于，还包括蓄热装置，所述蓄热装置用于对所述压缩机组形成的压缩热进行回收且通过换热将热量转移供给于所述膨胀机组的进气使其升温；

当所述压缩机组为多台压缩机时，每一台压缩机的出气均先经过所述蓄热装置进行换热；当所述膨胀机组为多台膨胀机时，每一台膨胀机的进气均先经过所述蓄热装置进行加热；

所述蓄热装置的蓄热形式是显热、潜热或化学反应热中的一种或几种组合，所述蓄热装置的换热形式是直接接触式换热、通过换热表面与蓄热介质换热的一种或几种组合，所述蓄热装置采用的蓄热介质或/和蓄热材料为熔融盐、无机类结晶水合盐、石蜡、生物质油、有机类脂肪酸、金属及其合金、岩石或混凝土的一种或几种组合，蓄热介质或/和蓄热材料均储存在绝热容器中；

所述蓄热装置外接有外部热源管线，用于获取更多的热量以提高所述膨胀机组的进气温度和提升其做功能力，所述蓄热装置通过所述外部热源管线与外部热源相连通形成载热循环回路，所述外部热源的热量随时经由所述外部热源管线进入所述蓄热装置进行储存，或在释能时所述外部热源通过所述外部热源管线直接加热所述膨胀机组的进气，所述外部热源采用太阳能集热、弃电制热、火电核电的低谷产热、地热、工业余热及废热的一种或几种组合使用；

在所述蓄热装置中，经所述压缩机组流入所述蓄热装置的气流方向、经所述外部热源管线流入所述蓄热装置的介质流方向均与经所述蓄热装置流向膨胀机组的气流方向相反。

6.根据权利要求5所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，其特征在于，还包括蓄冷装置，所述蓄冷装置用于向所述干冰升华反应器供热使其进行升华反应，并通过换热对固态二氧化碳升华形成的冷量进行回收及存储，且在储能时通过换热将所述冷量转移供给于所述干冰生成器的入口二氧化碳工质；

所述蓄冷装置设有换热管线，所述蓄冷装置通过所述换热管线与所述干冰升华反应器中的换热组件相连通形成换热循环回路；

所述压缩机组与所述干冰生成器相连通的管道依次经过所述蓄热装置、所述蓄冷装置和尾气换热器，以对所述干冰生成器的入口二氧化碳工质进行冷却；

所述膨胀机组与所述储气装置相连通的管道经过所述蓄冷装置，以对所述膨胀机组排出的乏气进行冷却从而满足储气装置的储气温度要求；

所述蓄冷装置的蓄冷形式是显热蓄冷或潜热蓄冷中的一种或组合，二氧化碳工质和换热介质在所述蓄冷装置中与蓄冷介质直接接触换热或通过换热器换热；其中，显热蓄冷介质采用岩石、陶瓷、金属氧化物球、密封冰球、沙砾、混凝土、铝带盘的一种或几种组合，潜热蓄冷介质采用共晶盐类水溶液、气体水合物蓄冷、烷烃类烯烃类物质及其化合物、醇类及其水溶液的一种或几种组合，蓄冷介质存储在绝热容器中；

所述蓄冷装置外接有外部冷源管线，所述蓄冷装置通过所述外部冷源管线与外部冷源相连通形成载冷循环回路，用于储能初始启动时提供所需冷量和储能过程中冷量不足时补充冷量；所述外部冷源采用新能源、低谷电、弃电或电网调峰调频电力制冷的一种或几种组合；

在所述蓄冷装置中，经所述换热管线流入蓄冷装置的换热介质流方向、经所述外部冷源管线流入蓄冷装置的介质流方向均与经所述压缩机组流入蓄冷装置的气流方向相反。

7.根据权利要求1所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，其特征在于，还包括高压储气罐和回热器，

所述高压储气罐与所述干冰升华反应器的出口相连通，以对所述干冰升华反应器输出的二氧化碳流体进行缓冲储气和储压，从而维持对二氧化碳流体的持续稳定的输出，所述高压储气罐布置有至少一个；

所述回热器与所述膨胀机组的出口相连通，且在所述膨胀机组为多台透平膨胀机时，所述回热器与末级或末端膨胀机的出口相连通，所述膨胀机组经过所述回热器与所述储气装置相连通，所述干冰升华反应器经过所述回热器与所述膨胀机组相连通，所述回热器的换热方式为逆流换热，以预热所述膨胀机组的进气和冷却膨胀机组排出的乏气。

8.根据权利要求6所述的基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统，其特征在于，还包括高压储气罐和回热器，

所述高压储气罐与所述干冰升华反应器的出口相连通，以对所述干冰升华反应器输出的二氧化碳流体进行缓冲储气和储压，从而维持对二氧化碳流体的持续稳定的输出，所述高压储气罐布置有至少一个；

所述干冰升华反应器依次经过所述高压储气罐、所述回热器、所述蓄热装置与所述膨胀机组相连通；所述膨胀机组依次经过所述回热器、所述蓄冷装置与所述储气装置相连通。

9.一种基于二氧化碳气固相变的干冰储能系统的储能方法，其特征在于，利用如权利要求8所述的系统进行，包括循环进行的储能步骤和释能步骤；

所述储能步骤具体包括：

将二氧化碳气体从储气装置输送至压缩机组中，驱动装置利用外界能源驱动压缩机组，压缩机组将二氧化碳气体压缩为高温高压二氧化碳气体；

将压缩后的高温高压二氧化碳气体输送至蓄热装置中进行压缩热回收，同时使高温高压二氧化碳气体的温度降至常温；

将回收压缩热后的常温高压二氧化碳气体输送至蓄冷装置、尾气换热器中依次进行冷却并降温至预设温度；

将降温至预设温度后的二氧化碳流体输送至干冰生成器中生成干冰，二氧化碳由气态变为固态；

将干冰输送至干冰储罐中进行存储；

在此过程中，外界能源转化为蓄热装置中易储存的热能和干冰储罐中易储存的相变能；

与此同时，将干冰生成器中未转化为干冰的二氧化碳尾气经尾气出口输送至尾气换热器中，尾气换热器通过换热将二氧化碳尾气携带的冷量传递给干冰生成器的入口二氧化碳流体；

将经尾气换热器换热后的二氧化碳尾气输送至蓄冷装置中，回收二氧化碳尾气携带的剩余冷量；

将被回收剩余冷量后的二氧化碳尾气输送至压缩机组或储气装置，重新进入储能流程；

所述释能步骤具体包括：

将存储在干冰储罐中的干冰输送至干冰升华反应器，干冰在干冰升华反应器中通过换热组件吸热并定容升华变成二氧化碳气体，二氧化碳由固态变为气态，在定容条件下二氧化碳压力升高，二氧化碳气体在干冰升华反应器中升压至预设压力值时变成高压二氧化碳气体；

与此同时，蓄冷装置通过换热管线、换热组件向干冰升华反应器供热并回收干冰升华形成的冷量；

将定容升华形成的高压二氧化碳气体输送至高压储气罐进行缓冲储气和储压；

将缓冲存储在高压储气罐中的高压二氧化碳气体输送至回热器、蓄热装置中依次进行加热变为高温高压二氧化碳流体，且升温至预设温度；

将升温至预设温度后的高温高压二氧化碳流体输送至膨胀机组中，使膨胀机组膨胀做功，进行相变能和热能的释放，并拖动发电机运转发电，向外输出电能；

将膨胀做功后的二氧化碳乏气经回热器、蓄冷装置依次进行冷却降温后再输送回到储气装置中进行存贮，完成一次循环。