CN108879777A - 多能耦合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源领域，提供了一种多能耦合系统。该系统包括交流电系统、直流电系统、热系统、冷系统和压缩空气系统；交流电系统包括交流电网和可再生能源发电单元；直流电系统包括直流电网和电力存储单元，直流电网通过双向逆变器与交流电网连接；热系统包括热网、环境集热单元、蓄热单元和热力发电单元；冷系统包括冷网、制冷单元和蓄冷单元，制冷单元分别与交流电网和热网连接；压缩空气系统包括压缩气网、压缩机组、膨胀机组以及与压缩气网连接的储气单元，压缩机组分别与交流电网、储气单元和热网连接，膨胀机组分别与储气单元、热网和交流电网连接。本发明低碳环保、鲁棒性强，能满足孤立区域或微能源网对冷、热、电和气多样化的供能需求。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，具体涉及一种多能耦合系统。
背景技术
目前，全球面临着能源和环境的双重压力，为了协调社会的发展与自然环境保护的关系，大力发展可再生能源、增加可再生能源在能源格局中的占比已经成为各界人士的共识。
作为可再生能源的代表风力和光伏电力因具有储量丰富、绿色低碳的优势，在全球的推广风头强劲，但是由于其具有间歇性、不确定性和波动性等固有缺陷，因此可再生能源的发展也受到了限制。以光伏发电为例，由于日夜交替，光伏发电存在规律性的间歇，同时受日照条件的影响，光伏发电存在规律性的输出功率波动，并且在天空云团的影响下，光伏发电存在不确定性的瞬时输出功率波动。而在阴雨天气时，光伏发电存在不确定性的长周期间歇。随着可再生能源电力在电网中的占比增大，可再生能源的上述固有缺点导致可再生能源接入电网后对电网安全运行的威胁越来越大。因此，可再生能源电力的容量比要求不得超过一定比例，剩余电力不得入网，造成能源浪费。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中可再生能源未得到充分利用的技术问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种多能耦合系统，该系统包括交流电系统、直流电系统、热系统、冷系统和压缩空气系统；
所述交流电系统包括交流电网和可再生能源发电单元，所述可再生能源发电单元与所述交流电网连接、用于为所述交流电网提供电能；
所述直流电系统包括直流电网和电力存储单元，所述直流电网通过双向逆变器与所述交流电网连接，所述双向逆变器用于在所述直流电网和所述交流电网之间双向传递电能；所述电力存储单元与所述直流电网连接、用于与所述直流电网之间双向传递电能；
所述热系统包括热网、环境集热单元、蓄热单元和热力发电单元；所述环境集热单元与所述热网连接、用于为所述热网提供热能；所述热力发电单元分别与所述热网和所述交流电网连接、用于利用所述热网提供的热能为所述交流电网提供电能；所述蓄热单元分别与所述热网和所述交流电网连接、用于将所述交流电网提供的电能转化为热能进行存储以及与所述热网之间双向传递热能；
所述冷系统包括冷网、制冷单元和蓄冷单元，所述制冷单元分别与所述交流电网、所述热网和所述冷网连接，用于利用所述交流电网提供的电能和所述热网提供的热能为所述冷网提供冷能；所述蓄冷单元与所述冷网连接、用于与所述冷网之间双向传递冷能；
所述压缩空气系统包括压缩气网、压缩机组、膨胀机组和储气单元；所述压缩机组分别与所述交流电网、所述储气单元和所述热网连接，用于利用所述交流电网提供的电能分别为所述储气单元提供压缩空气以及为所述热网提供热能；所述储气单元分别与所述压缩气网和所述膨胀机组连接、用于为所述压缩气网和所述膨胀机组提供压缩空气；所述膨胀机组分别与所述热网和所述交流电网连接，用于利用所述热网提供的热能和所述储气单元提供的压缩空气为所述交流电网提供电能。
其中，所述直流电系统还包括与所述直流电网连接的直流充电设备。
其中，所述热系统还包括与所述热网连接的热水网。
其中，所述可再生能源发电单元包括风力发电设备、光伏发电设备、潮汐发电设备和地热发电设备中的至少一种。
其中，所述环境集热单元包括光热集热器、地热集热器、空气源热泵和水源热泵中的至少一种。
其中，所述热力发电单元包括蒸汽发电装置、有机朗肯循环发电装置和氨水卡琳娜循环发电装置中的至少一种。
其中，所述蓄冷单元包括相变蓄冷器和/或显热蓄冷器。
其中，所述蓄热单元包括相变蓄热器和/或显热蓄热器。
其中，所述交流电系统还包括燃气/油发电机组；所述燃气/油发电机组与所述交流电网连接、用于为所述交流电网提供电能。
其中，所述热系统还包括余热锅炉，所述余热锅炉分别与所述燃气/油发电机组和所述热网连接、用于利用所述燃气/油发电机组提供的余热为所述热网提供热能。
本发明低碳环保、鲁棒性强，通过将可再生能源发电单元作为主要输入能源为交流电网提供电能，同时通过利用双向逆变器将交流电网和直流电网耦合，通过制冷单元将冷网与交流电网和热网耦合，通过热力发电单元、压缩机组和膨胀机组将交流电网和热网耦合，不仅能充分利用可再生能源，而且还能满足孤立区域或微能源网对冷、热、电和气多样化的供能需求，适用于偏远地区或局域网内的生活、工业供能。
附图说明
图1是本发明实施例中一种多能耦合系统的结构示意图。
附图标记：
1、可再生能源发电单元；2、环境集热单元；
3、燃气/油发电机组；4、余热锅炉；5、热力发电单元；
6、双向逆变器；7、电力存储单元；8、直流充电设备；
9、蓄热单元；10、制冷单元；11、蓄冷单元；12、压缩机组；
13、储气单元；14、膨胀机组；A、交流电网；B、热网；
C、冷网；D、直流电网；E、压缩气网；F、热水网。
具体实施方式
为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，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，都属于发明保护的范围。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供了一种多能耦合系统，该多能耦合系统包括交流电系统、直流电系统、热系统、冷系统和压缩空气系统；
交流电系统包括交流电网A和可再生能源发电单元1，可再生能源发电单元1与交流电网A连接、用于为交流电网A提供电能；交流电网A可作为交流供电接入端为用户和该系统中的交流设备供电，例如交流电网A可直接给压缩空气系统中的压缩机组12和冷系统中的制冷单元10提供电能。
直流电系统包括直流电网D和电力存储单元7，直流电网D通过双向逆变器6与交流电网A连接，双向逆变器6用于在直流电网D和交流电网A之间双向传递电能，也就是说，交流电网A可通过双向逆变器6为直流电网D提供电能，直流电网D也可通过双向逆变器6为交流电网A提供电能；电力存储单元7与直流电网D连接、用于与直流电网D之间双向传递电能；直流电网D可作为直流供电接入端为用户和该系统中的直流设备供电，还可直接将电能存储在电力存储单元7中。
热系统包括热网B、环境集热单元2、蓄热单元9和热力发电单元5；环境集热单元2与热网B连接、用于为热网B提供热能；热力发电单元5分别与热网B和交流电网A连接、用于利用热网B提供的热能为交流电网A提供电能；蓄热单元9分别与热网B和交流电网A连接、用于将交流电网A提供的电能转化为热能进行存储以及与热网B之间双向传递热能；
冷系统包括冷网C、制冷单元10和蓄冷单元11，制冷单元10分别与交流电网A、热网B和冷网C连接、用于利用交流电网A提供的电能和热网B提供的热能为冷网C提供冷能；蓄冷单元11与冷网C连接、用于与冷网C之间双向传递冷能；
压缩空气系统包括压缩气网E、压缩机组12、膨胀机组14和储气单元13；压缩机组12分别与交流电网A、储气单元13和热网B连接，用于利用交流电网A提供的电能分别为储气单元13提供压缩空气以及为热网B提供热能；储气单元13分别与压缩气网E和膨胀机组14连接、用于为压缩气网E和膨胀机组14提供压缩空气；膨胀机组14分别与热网B和交流电网A连接，用于利用热网B提供的热能和储气单元13提供的压缩空气为交流电网A提供电能。
由此，对于交流电系统来说，当电力盈余时，交流电网A通过双向逆变器6将交流电转换为直流电后，就可通过直流电网D将电能存储在电力存储单元7中；而当电力匮乏时，电力存储单元7既可以将储存的电能直接释放到直流电网D中，对直流电网D进行辅助供电，也可以通过直流电网D和双向逆变器6将电能释放到交流电网A中，对交流电网A进行辅助供电。
对于压缩空气系统来说，当电力盈余时，交流电网A可驱动压缩机组12压缩空气，将高温高压的压缩空气存储在储气单元13中，同时将余热释放到热网B中；而当电力匮乏时，膨胀机组14便可利用储气单元13释放的压缩空气和热网B提供的热能发电，对交流电网A进行辅助供电。
对冷系统来说，当冷能盈余时，制冷单元10可利用交流电网A提供的电能和热网B提供的热能产生冷能，并通过冷网C将冷能存储在蓄冷单元11中；而当冷能匮乏时，蓄冷单元11就可将存储的冷能释放到冷网C中，对冷网C进行辅助供冷。
对热系统来说，当热能盈余时，环境集热单元2就可通过热网B将热能存储在蓄热单元9中，与此同时，交流电网A中盈余的电能也可通过电热转换的方式直接存储在蓄热单元9中，另外，热力发电单元5还可利用热网B提供的热能产生电能，并将电能释放到交流电网A中；而当热能匮乏时，蓄热单元9就可将存储的热能释放到热网B中，对热网B进行辅助供热。
由上可知，本发明低碳环保、鲁棒性强，通过将可再生能源发电单元1作为主要输入能源为交流电网A提供电能，同时通过利用双向逆变器6将交流电网A和直流电网D耦合，通过制冷单元10将冷网C与交流电网A和热网B耦合，通过热力发电单元5、压缩机组12和膨胀机组14将交流电网A和热网B耦合，不仅能充分利用可再生能源，而且能满足孤立区域或微能源网对冷、热、电和气多样化的供能需求，适用于偏远地区或局域网内的生活、工业供能。
需要说明的是，该多能耦合系统中的交流电网A还可直接与外部的大电网连接，在大电网的负荷低谷时，将大电网的电力引入交流电网A直接使用或通过上述方式进行存储；而在大电网的负荷尖峰时，该多能耦合系统中的各个系统可将储能转换为电能后通过交流电网A回馈给大电网。
优选地，直流电系统还包括与直流电网D连接的直流充电设备8。例如，直流电网D可与汽车充电柱连接，直接给汽车充电柱充电。
优选地，热系统还包括与热网B连接的热水网F。由此，热网B就可将部分低温热能以热水的形式供给热水网F。另外，连接在交流电网A、直流电网D、热网B、冷网C、压缩气网E和热水网F中任意一个能源网上的所有设备均可相互直接连接。
优选地，可再生能源发电单元1包括风力发电设备、光伏发电设备、潮汐发电设备和地热发电设备中的至少一种。
优选地，环境集热单元2包括光热集热器、地热集热器、空气源热泵和水源热泵中的至少一种。
优选地，热力发电单元5包括蒸汽发电装置、有机朗肯循环发电装置和氨水卡琳娜循环发电装置中的至少一种。
优选地，电力存储单元7包括物理电力储能装置和/或化学电力储能装置。
优选地，膨胀机组14包括容积式空气膨胀机和/或速度式空气膨胀机。
优选地，压缩机组12包括具有级间或级后换热装置的容积式压缩装置、和/或具有级间或级后换热装置的速度式压缩装置。其中，上述换热装置产生的热能可直接释放到热网B中。
优选地，制冷单元10为吸收式制冷机。
优选地，蓄冷单元11包括相变蓄冷器和/或显热蓄冷器。更优选地，蓄冷单元11的蓄冷温度范围-30℃～10℃。
优选地，蓄热单元9包括相变蓄热器和/或显热蓄热器。更优选地，蓄热单元9的蓄热温度范围为50℃～1500℃。
另外，为了进一步增强该多能耦合系统的鲁棒性，交流电系统还包括燃气/油发电机组3；燃气/油发电机组3与交流电网A连接、用于为交流电网A提供电能，也就是说，燃气/油发电机组3可作为事故备用电力供应源，燃气/油发电机组3生产的电力可直接释放到交流电网A中，也可通过交流电网A转换成其他能源形式。其中，燃气/油发电机组3包括燃气发电机和/或燃油发电机。
优选地，热系统还包括余热锅炉4，余热锅炉4分别与燃气/油发电机组3和热网B连接、用于利用燃气/油发电机组3提供的余热为热网B提供热能。需要说明的是，余热锅炉4除了可以利用燃气/油发电机组3提供的余热以外，还可以利用该多能耦合系统以外的其他工业余热。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种多能耦合系统，其特征在于，包括交流电系统、直流电系统、热系统、冷系统和压缩空气系统；
所述交流电系统包括交流电网和可再生能源发电单元，所述可再生能源发电单元与所述交流电网连接、用于为所述交流电网提供电能；
所述直流电系统包括直流电网和电力存储单元，所述直流电网通过双向逆变器与所述交流电网连接，所述双向逆变器用于在所述直流电网和所述交流电网之间双向传递电能；所述电力存储单元与所述直流电网连接、用于与所述直流电网之间双向传递电能；
所述热系统包括热网、环境集热单元、蓄热单元和热力发电单元；所述环境集热单元与所述热网连接、用于为所述热网提供热能；所述热力发电单元分别与所述热网和所述交流电网连接、用于利用所述热网提供的热能为所述交流电网提供电能；所述蓄热单元分别与所述热网和所述交流电网连接、用于将所述交流电网提供的电能转化为热能进行存储以及与所述热网之间双向传递热能；
所述冷系统包括冷网、制冷单元和蓄冷单元；所述制冷单元分别与所述交流电网、所述热网和所述冷网连接，用于利用所述交流电网提供的电能和所述热网提供的热能为所述冷网提供冷能；所述蓄冷单元与所述冷网连接、用于与所述冷网之间双向传递冷能；
所述压缩空气系统包括压缩气网、压缩机组、膨胀机组和储气单元；所述压缩机组分别与所述交流电网、所述储气单元和所述热网连接，用于利用所述交流电网提供的电能分别为所述储气单元提供压缩空气以及为所述热网提供热能；所述储气单元分别与所述压缩气网和所述膨胀机组连接、用于为所述压缩气网和所述膨胀机组提供压缩空气；所述膨胀机组分别与所述热网和所述交流电网连接，用于利用所述热网提供的热能和所述储气单元提供的压缩空气为所述交流电网提供电能。
2.根据权利要求1所述的多能耦合系统，其特征在于，所述直流电系统还包括与所述直流电网连接的直流充电设备。
3.根据权利要求1所述的多能耦合系统，其特征在于，所述热系统还包括与所述热网连接的热水网。
4.根据权利要求1所述的多能耦合系统，其特征在于，所述可再生能源发电单元包括风力发电设备、光伏发电设备、潮汐发电设备和地热发电设备中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的多能耦合系统，其特征在于，所述环境集热单元包括光热集热器、地热集热器、空气源热泵和水源热泵中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的多能耦合系统，其特征在于，所述热力发电单元包括蒸汽发电装置、有机朗肯循环发电装置和氨水卡琳娜循环发电装置中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的多能耦合系统，其特征在于，所述蓄冷单元包括相变蓄冷器和/或显热蓄冷器。
8.根据权利要求1所述的多能耦合系统，其特征在于，所述蓄热单元包括相变蓄热器和/或显热蓄热器。
9.根据权利要求1至8任一项所述的多能耦合系统，其特征在于，所述交流电系统还包括燃气/油发电机组；所述燃气/油发电机组与所述交流电网连接、用于为所述交流电网提供电能。
10.根据权利要求9所述的多能耦合系统，其特征在于，所述热系统还包括余热锅炉，所述余热锅炉分别与所述燃气/油发电机组和所述热网连接、用于利用所述燃气/油发电机组提供的余热为所述热网提供热能。
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