CN103291557B - 基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统，包括风能转换系统、太阳能集热系统、微型压缩空气储能系统，以及蓄热系统；风速较高时，多余电能驱动多级压缩机将空气从大气压压缩至较高压力等级，储存进压缩空气储存管道中，并将压缩过程中的热回收至蓄热系统，此时，冷能和热能供应由泵送的热态导热油经分流后，进入吸收式制冷系统和制热系统来实现；风速较低时，压缩空气从蓄热系统吸热后进入透平膨胀做功，以弥补电能需求的缺口，用户的冷能与热能需求由热态导热油来提供。

Description

基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统

技术领域

本发明属于可再生能源利用领域，涉及一种基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统。

背景技术

能源是人类生存和发展的物质基础，是制约经济持续稳定发展的重要因素。近年来，随着社会经济和人口总量的快速增长，常规能源短缺、温室气体排放和环境污染等问题日趋严重。特别是在我国，由于以化石能源占主体地位的不合理能源结构长期存在，导致我国在能源供应、环境保护、应对气候变化方面的压力日益增大。因此能源利用迫切需要向绿色能源转型，对可再生能源的开发与利用是缓解当前能源与环境问题的重要措施。

我国拥有辽阔的陆地面积和海洋面积，但各地经济发展极不均衡，对远离经济发达地区的西部贫困牧区、山区和边远农村，以及远离海岸线的诸多海岛而言，要形成统一强大的供配电网络需要巨大的投资和漫长的建设周期，能源供应问题严重制约了这些地区的经济发展。根据我国风能、太阳能等的资源分布情况，这些边远的牧区、山区、农村及海岛具有丰富的可再生能源，因此，利用清洁可再生能源的多能互补系统作为孤岛型供能系统来实现这些地区的能源供应是一种合理的能源利用方式。可再生能源的类型较多，但因太阳能、风能等资源总量大、分布广泛，且存在时间分布上的天然互补性，组成多能互补系统具有最佳的匹配性能，可提高供能系统的可靠性。目前国内外关于可再生能源的多能互补孤岛系统的研究主要是围绕风能、太阳能的综合利用所展开，但可再生能源受天气条件制约，具有随机性和波动性，因此必须引入储能装置组成风光储能孤岛型联合供能系统，来保证能量输出的连续性与稳定性。

现阶段基于可再生能源的风光储能孤岛型联合供能系统的主要配置形式为“风力机-光伏-储能装置”，这种类型的系统存在以下主要问题：首先，太阳能利用均采用光伏发电方式，而太阳能光热利用的相关研究工作较少。光伏发电系统与风力发电系统均为独立系统，互补联合系统只利用了风能和太阳能在时间分布上的互补性，而没有将这两种能源深度交叉整合利用，因而能源利用效率不高。其次，孤岛型供能系统应该具有能量供应多元化的能力，而现有风光储能互补孤岛型联合供能系统为多能输入、单能(电能)输出类型的系统，仅为用户提供电能，而冷能、热能的供给需要由电能来转化，存在高品位电能到低品位热能的能量转化过程，造成能源的浪费，不符合能源梯级利用的原则。

有鉴于此，本发明创造涉及一种基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统来实现风能与太阳能资源深度交叉整合利用和孤岛系统能源供给形式的多元化。该风光储能孤岛型冷热电联供系统为多能输入-多能输出系统，即采用风能、太阳能等可再生能源为输入，为用户提供电能、冷能和热能供应。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统，实现风能与太阳能的深度交叉整合利用及孤岛系统能源供给形式多元化，本发明遵循能的梯级利用原则，有效提高可再生能源的利用效率，对于改善能源消费结构、减少环境污染、保护生态环境、促进经济发展等方面具有重要的科学意义和工程应用价值。

本发明提供了一种基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统，包括风能转换系统、太阳能集热系统、微型压缩空气储能系统，以及蓄热系统；所述风能转换系统通过电能控制与调度系统为用户提供电能，所述电能控制与调度系统的输出端还与微型压缩空气储能系统相连；所述蓄热系统以导热油为蓄热材料，包括冷态导热油和热态导热油；当风速较高时，风能转换系统产生的多余电能驱动多级压缩机将空气从大气压压缩至较高压力等级，储存进压缩空气储存管道中，并将压缩过程中的热回收至蓄热系统，此时，冷能和热能供应由泵送的热态导热油经分流后，进入吸收式制冷系统和制热系统来实现；当风速较低时，压缩空气从蓄热系统吸热后进入透平膨胀做功，以弥补电能需求的缺口，此时用户的冷能与热能需求由热态导热油来提供。

作为本发明的优选实施例，所述微型压缩空气储能系统包括发电/电动机、分别通过第一离合器和第二离合器与发电/电动机相连的压缩系统和膨胀系统相连，所述压缩系统和膨胀系统通过所述压缩空气储气管道相连；所述压缩系统采用多级压缩、级间、级后冷却；所述膨胀系统采用多级膨胀，中间再热。

作为本发明的优选实施例，所述多级压缩包括低压压气机和高压压气机，空气经过滤后在低压压气机内被一次压缩，经中间冷却器冷却后在高压压气机内被二次压缩为较高压力等级，然后经后冷器冷却后进入到压缩空气储气管道；所述多级膨胀包括高压透平膨胀机和低压透平膨胀机，压缩空气储气管道内的压缩空气在前置加热器内吸热升温后在高压透平膨胀机内膨胀至中间压力，在中间再热器内再次吸热升温后在低压透平膨胀机中膨胀至大气压后排出，驱动发电/电动机发电。

作为本发明的优选实施例，所述冷态导热油经第一增压泵与太阳能集热系统和压缩系统的级间冷却器和级后冷却器相连，以吸收太阳光热及压缩过程热变成热态导热油，储存进热态导热油储罐；所述热态导热油经第二增压泵后与膨胀系统的前置加热器和中间再热器相连，经换热降温后变成冷态导热油储存进冷态导热油储罐内。

作为本发明的优选实施例，所述冷热电联供系统进一步包括有制热系统和制冷系统，所述制热系统和制冷系统的输入端与热态导热油相连，其输出端分别与冷态导热油和用户相连。

与现有技术相比，本发明系统至少具有以下优点：本发明基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统是为了实现风能与太阳能的深度交叉整合利用及孤岛系统能源供给形式多元化而发明的，本发明遵循能的梯级利用原则，有效提高可再生能源的利用效率，对于改善能源消费结构、减少环境污染、保护生态环境、促进经济发展等方面具有重要的科学意义和工程应用价值。

附图说明

图1为本发明一种基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统的结构示意图。

图中的标号如下表示：

1	风能转换系统	11	第二离合器	21	第四阀门
						2	太阳能集热系统	12	用户负荷	22	第五阀门
3	空气过滤器	13	第一阀门	23	第一增压泵
						4	低压压气机	14	压缩空气储气管道	24	冷态导热油储罐
5	高压压气机	15	第二阀门	25	第二增压泵
						6	中间冷却器	16	前置加热器	26	制热系统
7	后冷器	17	高压透平膨胀机	27	吸收式制冷系统
						8	电能控制与调度系统	18	中间再热器	28	热态导热油储罐
9	第一离合器	19	低压透平膨胀机
						10	发电/电动机	20	第三阀门

具体实施方式

本发明将风能转换系统、太阳能集热系统、微型压缩空气储能系统、蓄热系统、吸收式制冷循环和制热系统等进行有机集成，构建多能输入-多能输出的联合供能系统。微型压缩空气储能系统主要由压缩系统、膨胀系统和压缩空气储存管道等组成，压缩系统采用多级压缩、级间和级后冷却的配置形式，膨胀系统采用多级膨胀、中间再热的配置形式，而微型压缩空气储能系统所需储气容积较小，采用小型的耐压管道进行压缩空气储存。蓄热系统采用导热油为蓄热材料，并利用显热储存方式存储热能。

风能转换系统主要为用户提供电能，微型压缩空气储能系统除了平抑风电功率波动外，还可以将储能系统的压缩过程热，连同太阳能集热储存进蓄热系统。当风速较高，风电输出充足时，多余的电能将驱动多级压缩机将空气从大气压压缩至较高压力等级，并储存进压缩空气储存管道中，并将压缩过程热回收至蓄热系统，此时冷能和热能供应由泵送的热态导热油经阀门分流后，进入吸收式制冷系统和制热系统来实现。当风速较低，风电难以满足电能负荷需求时，空气调节阀将打开，压缩空气从蓄热系统吸热后进入透平膨胀做功，以弥补电能需求的缺口，此时用户的冷能与热能需求由热态导热油来提供。本发明使用基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型联合供能系统来实现边远地区或海岛的电能、冷能及热能等的独立供应，达到改善我国能源消费结构、减少环境污染、保护生态环境、促进经济发展的目标。

下面结合附图，对本发明一种基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统做详细描述：

参照图1，一种基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统，该系统由风能转换系统、太阳能集热系统、微型压缩空气储能系统、蓄热系统、吸收式制冷循环和制热系统等组成。微型压缩空气储能系统主要由压缩系统、膨胀系统和压缩空气储存管道组成，压缩系统采用多级压缩、级间和级后冷却的配置形式，膨胀系统采用多级膨胀、中间再热的配置形式，而微型压缩空气储能系统所需储气容积较小，采用小型的耐压管道进行压缩空气储存。蓄热系统采用导热油为蓄热材料，并利用显热储存方式存储热能。

风能转换系统1主要为用户负荷12提供电能供应，微型压缩空气储能系统的作用是用来平抑风能转换系统1输出功率的波动，当风能转换系统输出电功率较大时，微型压缩空气储能系统将多余电能储存，当风能转换系统输出电功率不足以满足负荷电能需求时，微型压缩空气储能系统释放电能以弥补缺口。该系统电能、冷能和热能供应可根据风速大小分两种情况来分析。

当风速较大，风能转换系统1输出功率大于用户负荷12的电能需求时，多余的电能将在电能控制与调度系统8控制调度下存储进微型压缩空气储能系统中。这种情况下第一阀门13开启，第二阀门15关闭，第一离合器9啮合，第二离合器11脱离，发电/电动机10工作于电动机状态，拖动低压压气机4将由空气过滤器3中流入的空气压缩至次高压力等级，进入中间冷却器6中进行冷却换热后进入高压压气机5中继续压缩到较高压力等级，经后冷器7换热冷却后通过第一阀门13储存进压缩空气储气管道14。另外，冷态导热油储罐24中的冷态导热油经第一增压泵23增压后分别流入太阳能集热系统2、中间冷却器6和后冷器7吸收太阳光热及压缩过程热，温度升高后变为热态导热油，储存进热态导热油储罐28中。同时，第三阀门20关闭，第二增压泵25将热态导热油增压后流经第四阀门21和第五阀门22分流后分别进入吸收式制冷系统27和制热系统26为用户负荷12提供冷能和热能供应，热态导热油放热温度变低后存储进冷态导热油储罐24中。

当风速较小，风能转换系统1输出功率小于用户负荷12的电能需求时，微型压缩空气储能系统将在电能控制与调度系统8控制调度下进行释能放电，以弥补系统电能的缺口。这种情况下第一阀门13关闭，第二阀门15开启，第一离合器9脱离，第二离合器11啮合，发电/电动机10工作于发电机状态，压缩空气储气管道14中的高压压缩空气经第二阀门15进入前置加热器16吸热升温后在高压透平膨胀机17中膨胀至中间压力，随后进入中间再热器18中再次吸热升温后在低压透平膨胀机19中充分膨胀至大气压后排出，驱动发电/电动机10发电输出电功率。另外，第三阀门20、第四阀门21和第五阀门22均开启，热态导热油储罐28中的热态导热油经第二增压泵25增压后分别流入前置加热器16、中间再热器18、吸收式制冷系统27和制热系统26等部件后换热降温变为冷态导热油储存进冷态导热油储罐24中，为用户负荷提供电能、冷能和热能的协调供应。同时，冷态导热油储罐24中的冷态导热油经第一增压泵23增压后流入太阳能集热系统吸热升温后存入热态导热油储罐28中。

Claims (4)

1.基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统，其特征在于：包括风能转换系统(1)、太阳能集热系统(2)、微型压缩空气储能系统，以及蓄热系统；所述风能转换系统通过电能控制与调度系统为用户提供电能，所述电能控制与调度系统的输出端还与微型压缩空气储能系统相连；所述蓄热系统以导热油为蓄热材料，包括冷态导热油(24)和热态导热油(28)；当风速较高时，风能转换系统产生的多余电能驱动多级压缩机将空气从大气压压缩至较高压力等级，储存进压缩空气储存管道中，并将压缩过程中的热回收至蓄热系统，此时，冷能和热能供应由泵送的热态导热油经分流后，进入吸收式制冷系统和制热系统来实现；当风速较低时，压缩空气从蓄热系统吸热后进入透平膨胀做功，以弥补电能需求的缺口，此时用户的冷能与热能需求由热态导热油来提供；所述微型压缩空气储能系统包括发电/电动机(M/G)、分别通过第一离合器(9)和第二离合器(11)与发电/电动机相连的压缩系统和膨胀系统相连，所述压缩系统和膨胀系统通过所述压缩空气储气管道(14)相连；所述压缩系统采用多级压缩、级间和级后冷却；所述膨胀系统采用多级膨胀，中间再热。

2.如权利要求1所述的基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统，其特征在于：所述压缩系统包括低压压气机(4)和高压压气机(5)，空气经过滤后在低压压气机内被一次压缩，经级间冷却器(6)冷却后在高压压气机内被二次压缩到较高压力等级，然后经级后冷却器(7)冷却后进入到压缩空气储气管道；所述膨胀系统包括高压透平膨胀机(17)和低压透平膨胀机(19)，压缩空气储气管道内的压缩空气在前置加热器(16)内吸热升温后在高压透平膨胀机内膨胀至中间压力，在中间再热器(18)内再次吸热升温后在低压透平膨胀机中膨胀至大气压后排出，驱动发电/电动机发电。

3.如权利要求2所述的基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统，其特征在于：所述冷态导热油(24)经第一增压泵(23)与太阳能集热系统和压缩系统的级间冷却器和级后冷却器相连，以吸收太阳光热及压缩过程热变成热态导热油，储存进热态导热油储罐；所述热态导热油经第二增压泵(25)后与膨胀系统的前置加热器和中间再热器相连，经换热降温后变成冷态导热油储存进冷态导热油储罐内。

4.如权利要求3所述的基于太阳能光热利用的风光储能孤岛型冷热电联供系统，其特征在于：所述冷热电联供系统进一步包括有制热系统(26)和制冷系统(27)，所述制热系统和制冷系统的输入端与热态导热油相连，其输出端分别与冷态导热油和用户相连。