CN106673100A - 一种利用风能和太阳能的水电联产系统 - Google Patents

一种利用风能和太阳能的水电联产系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用风能和太阳能的水电联产系统，属于新能源利用技术领域。包括连接于连接总线上的风力发电机、电池储能装置、能量分配与控制系统、海水淡化装置以及供电系统控制器，所述海水淡化装置连接电池储能装置，能量分配与控制系统连接控制电池储能装置和供电系统控制器。本申请的技术方案解决了海岛及沿海地区弃风电问题以及淡水不足的问题，充分利用了不稳定的风能生产淡水以及供给电能；解决了太阳能海水淡化直接蒸馏海水的结垢问题，绿色环保，实现对随机性和间隙性风能的有效利用。

Description

一种利用风能和太阳能的水电联产系统
技术领域
本发明涉及一种水电联产装置，属于新能源利用技术领域。
背景技术
风能、太阳能等可再生能源的规模化发展是我国实现能源结构优化调整，实现低碳发展的重要途径。然而，风电、光电等可再生能源固有的能量密度低、随机性、间歇性特点，导致其规模化并网危及电网运行的安全稳定，对电网调频和备用容量规划带来很大挑战，从而造成目前弃风弃光现象严重，影响经济效益。针对这一问题，国内外陆续开始尝试采用网架改造、风光电预测技术、备用容量和大规模储能、风能太阳能供暖、风能太阳能海水淡化等手段来解决瓶颈问题。其中，海水淡化属于高能耗产业，利用风能和太阳能进行海水淡化既可以生产生活和工业所需的淡水，又可以解决能源问题，减少环境污染，是一项很有前景的海水淡化技术，近年来为众多专家学者所关注。
中国发明专利“风光互补的海水淡化系统”(申请号：CN201510822463.0；公开号：CN105461133A)提出了一种利用液化天然气冷能的冷冻脱盐-风光互补真空膜蒸馏混合的海水淡化系统。系统包括间接接触式海水淡化系统、直接接触式膜蒸馏海水淡化系统、冷却系统。其中，间接接触式海水淡化系统与直接接触式膜蒸馏海水淡化系统通过管道连接，冷却系统向间接接触式海水淡化系统与直接接触式膜蒸馏海水淡化系统提供冷能。中国发明专利“海上风光互补海水淡化系统”(申请号：CN201410113281.1；公开号：CN104058473A)提出一种海上风光互补海水淡化系统，包括风力发电机、光伏组件、蓄电池、风光控制器、蒸馏装置，风力发电机、光伏组和蓄电池分别与风光控制器连接，风光控制器与蒸馏装置连接，用来控制供给蒸馏装置的电能。中国发明专利“风能、太阳能海水淡化系统”(申请号：CN201210467844.8；公开号：CN102923801A)提出了一种新型的蒸馏冷凝发海水淡化方法，利用太阳嫩直接为海水加热的热源，使海水产生水蒸气，用集气罩将水蒸气收拢，由风机输送到冷凝器中，在冷凝器中水蒸气被冷凝成淡水，实现海水淡化；风机和冷凝器所需要的动力均来自风力动力源装置，即利用风能做为动力来源。中国发明专利“风光互补供能的全直流负载反渗透海水淡化装置及其方法”(申请号：CN201410711527.5，公开号：CN104445738A)提出了一种风光互补供能的全直流负载反渗透海水淡化装置及其方法，装置包括直流风力发电机、高效陷光膜光伏发电组件、风光互补控制器、电力缓冲均衡控制模块、海水汲取泵、海水前处理模块、反渗透高压泵、反渗透海水淡化装置、臭氧杀菌器、海水贮存装置；高效陷光膜光伏发电组件和直流风力发电机产生的电能通过风光互补控制器和电力缓冲均衡控制模块的互补整流、均衡控制，输送给海水汲取泵、海水前处理模块、反渗透高压泵、反渗透海水淡化装置、臭氧杀菌器等直流负载，产生的淡水储存在淡水贮存装置中。
上述的发明装置或方法均采用风能和太阳能实现海水淡化或电、热、水联产，但所用的方法为太阳能直接加热蒸馏海水、风能辅助系统运行的海水淡化技术，或风能和太阳能均转化为电能后利用反渗透方法的海水淡化系统。太能能直接加热蒸馏海水需要用到太阳能真空管换热器，这种换热器在大功率输入时占地面积大，系统连接复杂，另外，海水蒸馏在真空管换热器中很容易结垢，且不容易清洗，系统运行可靠性差。反渗透技术几乎是目前所有利用新能源进行海水淡化所采用的技术，这种技术解决了太阳能真空管的缺点，以纯电能驱动，系统运行可靠，但反渗透海水淡化需要的前处理要求高，对于像海岛以及近海受污染的海域，这种方法并不实用。此外，由于风能和太阳能的间隙性和随机性的特点，风光电反渗透海水淡水需要按模块化思想设计，在变功率输入时关闭或开启一组或几组海水淡化装置以匹配间歇变化的功率，这将增加设备成本，而且海水淡化系统的平均利用率不高，与功率的匹配只能是阶梯形的形式进行，不能实现与风电功率的连续匹配，系统的运行和控制策略也较为复杂。
发明内容
为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种利用风能和太阳能的水电联产系统，用于平滑间歇性和随机性波动的风电输出功率，在提高电网对风电接纳能力的同时生产有用的淡水。该系统提高风能的利用效率，使用的方法有效且应用成本较低，能减少在近海和离岛等风能丰富的区域由于无法并网导致的能源浪费并生产居民日常生活所需的淡水。
本发明的技术方案是：一种利用风能和太阳能的水电联产系统，包括连接于连接总线上的风力发电机、电池储能装置、能量分配与控制系统、海水淡化装置以及供电系统控制器，所述海水淡化装置连接电池储能装置，能量分配与控制系统连接控制电池储能装置和供电系统控制器；
所述海水淡化装置包括蒸发器，蒸发器内顶部设有海水喷淋装置，所述海水喷淋装置底部设有两端分别连接蒸汽进口封头和凝结淡水出水封头的换热管束，所述换热管束底部浓海水管道，浓海水管道连接浓海水泵、经海水换热器A连接浓海水排出口；海水喷淋装置连接海水供水管，海水供水管经海水换热器A和海水换热器B连接海水进水泵，所述蒸发器通过蒸汽管路连接蒸汽压缩机，所述凝结淡水出水封头连接淡水输出管路，淡水输出管路连接蒸汽进口封头，淡水输出管路上设有淡水泵、并经海水换热器B连接至淡水出口，所述淡水输出管路还通过补水管路连接太阳能集热器，所述太阳能集热器连接补水混合器，补水混合器连接蒸汽进口封头和蒸汽压缩机，蒸汽压缩机连接电池储能装置和连接总线。
所述凝结淡水出水封头连接抽气真空泵。
旁路管路与所述太阳能集热器并联于补水管路上。
所述蒸汽压缩机通过电源连接器连接电池储能装置和连接总线。
所述蒸发器内顶部设有除沫器，除沫器通过蒸汽管路连接蒸汽压缩机。
所述蒸汽压缩机为变频机械蒸汽压缩机。
所述变频机械蒸汽压缩机为离心式压缩机或罗茨式压缩机。
所述蒸发器为单效蒸发器或多效蒸发器。
本发明的有益效果是：解决了海岛及沿海地区弃风电问题以及淡水不足的问题，充分利用了不稳定的风能生产淡水以及供给电能；利用太阳能补充海水淡化的能量输入，利用清洁能源提高产水量，降低单位淡水产量的能耗；采用太阳能加热纯淡水补水，利用了太阳能并解决了太阳能海水淡化直接蒸馏海水的结垢问题；系统采用封闭式运行模式，海水淡化系统中泵所需的少量电力能源也由系统供给，除洁净的风能和太阳能，无需消耗其他能源，绿色环保；采用变频的机械式蒸汽压缩海水淡化系统，对功率变化相应迅速，实现对功率输入要求的无阶梯式连续调节，实现对随机性和间隙性风能的有效利用。
附图说明
本发明共有附图2幅。
图1为本发结构明示意图；
图2为机械蒸汽压缩海水淡化系统示意图。
图中附图标记如下：1.风力发电机；2.能量分配与控制系统；3.连接总线；4.电池储能装置；5.海水淡化装置；6.供电系统控制器；7.太阳能集热器；8.电源连接器；9.蒸汽压缩机；10.补水混合器；11.蒸发器；12.蒸汽进口封头；13.换热管束；14.除沫器；15.凝结淡水出水封头；16.浓海水泵；17.淡水泵；18.海水换热器A，19.海水换热器B；20.海水进水泵；21.海水喷淋装置；22.抽气真空泵；23.补水管路；24.旁路管路。
具体实施方式
下面结合附图1和2对本发明做进一步说明：
一种利用风能和太阳能的水电联产系统，包括连接于连接总线3上的风力发电机1、电池储能装置4、能量分配与控制系统2、海水淡化装置5以及供电系统控制器6，所述海水淡化装置5连接电池储能装置4，能量分配与控制系统2连接控制电池储能装置4和供电系统控制器6；
所述海水淡化装置5包括蒸发器11，蒸发器11内顶部设有海水喷淋装置21，所述海水喷淋装置21底部设有两端分别连接蒸汽进口封头12和凝结淡水出水封头15的换热管束13，所述换热管束13底部浓海水管道，浓海水管道连接浓海水泵16、经海水换热器A18连接浓海水排出口；海水喷淋装置21连接海水供水管，海水供水管经海水换热器A18和海水换热器B19连接海水进水泵20，所述蒸发器11通过蒸汽管路连接蒸汽压缩机9，所述凝结淡水出水封头15连接淡水输出管路，淡水输出管路连接蒸汽进口封头12，淡水输出管路上设有淡水泵17、并经海水换热器B19连接至淡水出口，所述淡水输出管路还通过补水管路23连接太阳能集热器7，所述太阳能集热器7连接补水混合器10，补水混合器10连接蒸汽进口封头12和蒸汽压缩机9，蒸汽压缩机9连接电池储能装置4和连接总线3。
所述凝结淡水出水封头15连接抽气真空泵22。
旁路管路24与所述太阳能集热器7并联于补水管路23上。
所述蒸汽压缩机9通过电源连接器8连接电池储能装置4和连接总线3。
所述蒸发器11内顶部设有除沫器14，除沫器14通过蒸汽管路连接蒸汽压缩机9。
所述蒸汽压缩机9为变频机械蒸汽压缩机。
所述变频机械蒸汽压缩机为离心式压缩机或罗茨式压缩机。
所述蒸发器11为单效蒸发器或多效蒸发器。
所述电池储能装置4采用锂离子电池或铅酸电池或液流电池。
所述太阳能集热器7为真空管式集热器或平板式太阳能集热器。
本发明以风能利用为主，太阳能利用为辅，利用机械蒸汽压缩海水淡化装置作为利用和调节不稳定风电的主要手段，实现风能的有效利用。系统根据风速的大小和稳定与否，灵活转换工作模式，减少风能的利用，将不稳定的无法利用的风能转化为淡水存储。系统可以独立运行，非常适用于风能资源丰富的海岛和海域。太阳能通过加热纯淡水引入而不是直接加热海水，因此避免了太阳能集热管的结垢问题，在提高淡水产量的同时，对系统的运行可靠性几乎没有影响。
如图1所示的利用风能和太阳能的水电联产系统示意图，风力发电机1发出的电能通过连接总线3输出，能量分配与控制系统2负责风力发电机输出能量的管理：判断及预测电池储能装置4的SOC(剩余电量)，控制电池的SOC在30％-90％范围内工作；控制及管理海水淡化装置5的能量输入，在风速较大且稳定时段，开启供水和供电双模式工作，调节供应给海水淡化装置5的输入功率，在满足供水条件下，平滑供电输出，在风速较小或风速波动较大时，通过供电系统控制器6关闭供电模式，风力发电机1所发出的能量除部分补充给电池储能系统外，均供应给海水淡化装置5，尽可能多的产生淡水，将无法利用的不稳定风能转化为淡水。海水淡化装置5中所有的泵所需电力能源由电池储能装置4供给。太阳能集热器7通过加热补水，提高蒸发器入口蒸汽的焓值，增强海水淡化装置5的产水能力。
如图2所示的机械蒸汽压缩海水淡化系统示意图，补水通过补水管路23由海水淡化装置5的淡水出口至太阳能集热器7。特殊情况下，如集热器检修，补水可以通过旁路管路24不经过太阳能集热器7。补水进入补水混合器10与蒸汽压缩机9出口的过热蒸汽混合后进入蒸发器11的蒸汽进口封头12内，流量经封头的分配，进入蒸发器11的换热管束13内。蒸汽在换热管束13内加热从海水喷淋装置21喷淋到换热管外的海水，蒸汽放热冷凝成为淡水，进入凝结淡水出水封头15，而管外海水被加热蒸发，生成二次蒸汽。二次蒸汽通过除沫器14过滤掉夹带的液滴后进入蒸汽压缩机9。压缩机通过电源连接器8接入系统的连接总线3，并由系统的能量分配与控制系统2控制功率输入。蒸发器11换热管内的凝结淡水，通过淡水泵17引出蒸发器11，而蒸发后的浓海水通过浓海水泵16引出蒸发器11，并分别通过海水换热器A18和海水换热器B19与由海水进水泵20引入的新鲜海水进行热交换，预热新鲜海水，提高进入蒸发器11的海水焓值。预热后的海水由蒸发器11顶端引入蒸发器11中的海水喷淋装置21。蒸发器11的凝结淡水出口封头16上部连接真空抽气管路并与抽气真空泵22相连，抽气真空泵22抽取海水中的不凝结气体，并产生一定的负压，控制蒸发器11中的蒸发温度。蒸发器11可以为单效蒸发器，也可以为多效蒸发器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用风能和太阳能的水电联产系统，其特征在于，包括连接于连接总线(3)上的风力发电机(1)、电池储能装置(4)、能量分配与控制系统(2)、海水淡化装置(5)以及供电系统控制器(6)，所述海水淡化装置(5)连接电池储能装置(4)，能量分配与控制系统(2)连接控制电池储能装置(4)和供电系统控制器(6)；
所述海水淡化装置(5)包括蒸发器(11)，蒸发器(11)内顶部设有海水喷淋装置(21)，所述海水喷淋装置(21)底部设有两端分别连接蒸汽进口封头(12)和凝结淡水出水封头(15)的换热管束(13)，所述换热管束(13)底部浓海水管道，浓海水管道连接浓海水泵(16)、经海水换热器A(18)连接浓海水排出口；海水喷淋装置(21)连接海水供水管，海水供水管经海水换热器A(18)和海水换热器B(19)连接海水进水泵(20)，所述蒸发器(11)通过蒸汽管路连接蒸汽压缩机(9)，所述凝结淡水出水封头(15)连接淡水输出管路，淡水输出管路连接蒸汽进口封头(12)，淡水输出管路上设有淡水泵(17)、并经海水换热器B(19)连接至淡水出口，所述淡水输出管路还通过补水管路(23)连接太阳能集热器(7)，所述太阳能集热器(7)连接补水混合器(10)，补水混合器(10)连接蒸汽进口封头(12)和蒸汽压缩机(9)，蒸汽压缩机(9)连接电池储能装置(4)和连接总线(3)。
2.根据权利要求1所述的利用风能和太阳能的水电联产系统，其特征在于，所述凝结淡水出水封头(15)连接抽气真空泵(22)。
3.根据权利要求1所述的利用风能和太阳能的水电联产系统，其特征在于，旁路管路(24)与所述太阳能集热器(7)并联于补水管路(23)上。
4.根据权利要求1所述的利用风能和太阳能的水电联产系统，其特征在于，所述蒸汽压缩机(9)通过电源连接器(8)连接电池储能装置(4)和连接总线(3)。
5.根据权利要求1所述的利用风能和太阳能的水电联产系统，其特征在于，所述蒸发器(11)内顶部设有除沫器(14)，除沫器(14)通过蒸汽管路连接蒸汽压缩机(9)。
6.根据权利要求1所述的利用风能和太阳能的水电联产系统，其特征在于，所述蒸汽压缩机(9)为变频机械蒸汽压缩机。
7.根据权利要求6所述的利用风能和太阳能的水电联产系统，其特征在于，所述变频机械蒸汽压缩机为离心式压缩机或罗茨式压缩机。
8.根据权利要求1所述的利用风能和太阳能的水电联产系统，其特征在于，所述蒸发器(11)为单效蒸发器或多效蒸发器。
9.根据权利要求1所述的利用风能和太阳能的水电联产系统，其特征在于，所述电池储能装置(4)采用锂离子电池或铅酸电池或液流电池。
10.根据权利要求1所述的利用风能和太阳能的水电联产系统，其特征在于，所述太阳能集热器(7)为真空管式集热器或平板式太阳能集热器。
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