CN109599857A - 一种岛屿多功能生态能源系统 - Google Patents
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Abstract
一种岛屿多功能生态能源系统包括发电单元、储能单元、电网络、电负荷、热/冷负荷、气网络、热/冷网络、冷热电三联供系统，发电单元、储能单元、电负荷分别与电网络连接，电网络经空气压缩机与气网络连接，电网络经热泵与热/冷网络连接，热/冷网络与热/冷负荷连接，气网络、热/冷网络分别与冷热电三联供系统连接，冷热电三联供系统经发电机与电网络连接。本发明的电网络、气网络和热/冷网络三种网络之间的能量相互耦合使能源系统的稳定性远大于单一网络的稳定性；根据岛屿的天然优势，利用岛屿自然能源供给自身；供能绿色无污染，避免远距离输电与建立传统火电厂造成的不经济和环境污染等问题。
Description
技术领域
本发明属于能源生产供应领域，具体涉及一种岛屿多功能生态能源系统。
背景技术
绿色多功能生态系统就是多种能源网构成，可供应系统各类负荷的绿色生态系统。主要由电网络、气网络，热/冷网络构成。每种能源网络直接或间接的为系统中的各类负荷提供能量。电网难以到达的岛屿地区，其电能供应难以保障，影响了岛上居民的生活。目前的新能源发电如风力发电、太阳能发电等，本身有着随机性，间歇性等特点，该特点不利于电力系统的稳定。
为保证电力系统的稳定性，迫切需要研究一种岛屿能源控制机制和相应的能源控制系统，在保证太阳能发电与风力发电技术满足要求的同时使系统处于稳定运行的状态。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种岛屿多功能生态能源系统，充分利用自然能源构建电网络、气网络和热/冷网络，三种能源网络之间能源相互耦合，供应与之对应的负荷；电网络、气网络和热/冷网络互为储备保证了系统的稳定性。
本发明的技术方案是一种岛屿多功能生态能源系统，包括发电单元、储能单元、电网络、电负荷、热/冷负荷、气网络、热/冷网络、冷热电三联供系统，发电单元、储能单元、电负荷分别与电网络连接，电网络经空气压缩机与气网络连接，电网络经热泵与热/冷网络连接，热/冷网络与热/冷负荷连接，气网络、热/冷网络分别与冷热电三联供系统连接，冷热电三联供系统经发电机与电网络连接，电网络与储能单元之间设置有第一控制器，电网络与空气压缩机之间设置有第二控制器，冷热电三联供系统与发电机之间设置有第三控制器，电网络与热泵之间设置有第四控制器，热/冷网络经第五控制器与储能单元连接，热/冷网络与冷热电三联供系统之间设置有第六控制器，第一控制器、第二控制器、第三控制器、第四控制器、第五控制器、第六控制器分别与冷热电三联供系统连接，冷热电三联供系统用于信息处理、系统协调控制；气网络是大型能量储备网络。
所述发电单元经第一信息采集模块与第一控制器连接，经第五信息采集模块与第四控制器连接，经第六信息采集模块与第六控制器连接；第一信息采集模块、第五信息采集模块、第六信息采集模块分别与冷热电三联供系统连接。
储能单元设有第二信息采集模块，第二信息采集模块分别与第一控制器、冷热电三联供系统连接。
电网络设有第三信息采集模块，第三信息采集模块分别与第一控制器、冷热电三联供系统连接。
气网络设有第四信息采集模块，第四信息采集模块与冷热电三联供系统连接。
热/冷网络经第六信息采集模块分别与第六控制器、冷热电三联供系统连接，经第七信息采集模块与冷热电三联供系统连接。
冷热电三联供系统为信息处理与控制中枢系统，通过第一～第七信息采集模块采集的数据信息来调控电网络、气网络与冷/热网络之间的能量流动，保证各网络的稳定。
所述第一信息采集模块、第二信息采集模块、第三信息采集模块提供的数据，判断电力系统运行状态，为电力系统的调节提供数据。电网络正常工作时储能单元与电负荷参与电力系统调节。电网络能源充足时，电网络为储能单元充电。电网络能源匮乏时，电网络向储能单元吸收电能。
根据第一信息采集模块、第四信息采集模块提供的数据，当自然能源充足，发电单元输出功率较大，气网络能量低时，电网络启动空气压缩机为气网络提供能量。
根据第一信息采集模块、第五信息采集模块提供的数据，当热/冷网络温度较低，发电单元输出功率较高时，电网络启动热泵为热/冷网络提供能量。
通过第一信息采集模块监测发电单元能量，当发电单元能量充足或匮乏时，储能单元向电网络吸收或输入能量。同时根据第三信息采集模块提供的电网络实时数据，控制输出电能的波动性，达到稳定系统的目的。
通过第一信息采集模块、第二信息采集模块采集发电单元与储能单元的数据信息，当发电量与储能量较高时电网络通过空气压缩机为气网络供能，当发电量与储能量较低时气网络通过气冷/热电三联供系统为电网络供能。
通过第七信息采集模块采集热/冷网络温度信息，当温度过低时气网络通过冷热电三联供系统为热/冷网络供能，气网络与热/冷网络能量单向流动，只能由气网络流向热/冷网络。
所述储能单元包括电储能部分、抽水蓄能部分和热/冷储能部分，电储能部分包括电动汽车模块、储能电池；电动汽车模块包括电动汽车和充电桩，充电桩与电网络连接络。电动汽车是特殊的电储能装置，当电网络出现严重的能量缺失时，电动汽车通过充电桩向电网络提供能量。
所述气网络设有气系统保护装置，气系统保护装置包括气压检测计、气阀，当气网络的气压过高时，气压检测计将气压信息传递给气阀控制装置，打开气阀减小气网络气压，保证气网络安全储能。
所述热/冷网络能量主要来源于地热能端口与聚光充热端口，热/冷网络中设有油管、水管，水管中内置自来水，接入负荷消耗区域。油管与水管并排分布，内置导热油，导热油经分隔阀门后分流为冷态导热油与热态导热油，分别负责制冷与供暖。
所述热/冷负荷包括热水环节、供暖/制冷环节；热水环节与热/冷网络的水管连接，供暖/制冷环节与热/冷网络的油管连接。
所述电负荷包括常用负荷与随机负荷，随机负荷无明显的时段特性，电荷变化特征具有随机性。
所述聚光充热端口包括集热体、透明隔板和隔热层。
所述发电单元包括光伏发电部分和风力发电部分。
本发明的有益效果：
1）电网络、气网络和热/冷网络三种网络之间的能量相互耦合使系统的稳定性远大于单一网络的稳定性；
2）系统中有专用的网络对应系统的负荷，减少能量在转换过程中的损失，加大能源利用率；
3）气网络根据负荷需要，对电网络和热/冷网络进行调节，控制输入或输出能量，使系统更具灵活性和鲁棒性；
4）根据岛屿的天然优势，利用岛屿自然能源供给自身；供能绿色无污染，避免远距离输电与建立传统火电厂造成的不经济和环境污染等问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为岛屿多功能生态能源系统的结构示意图；
其中1发电单元 、2储能单元、3电网络、4气网络、5热/冷网络、6冷热电三联供系统、7热泵、8空气压缩机、9发电机、10聚光充热端口、11第一信息采集模块、12第二信息采集模块、13第三信息采集模块、14第四信息采集模块、15第五信息采集模块、16第六信息采集模块、17第七信息采集模块、18网关、19第一温度计、20第二温度计、21分隔阀、22水管、23油管、24第一功率计、25第二功率计、26第一控制器、27第二控制器、28第三控制器、29第四控制器、30第五控制器、31第六控制器、32第七控制器、33气压检测计、34气阀、35电负荷、36热/冷负荷、37示波器、201电动汽车模块、202储能电池、203抽水蓄能部分、204热/冷储能部分。
具体实施方式
本实施例充分利用自然能源为偏远岛屿居民日常所需的负荷供应能量，建立电网络，气网络与热/冷网络三网能量相互耦合的绿色岛屿型生态系统。电网络能源主要来源于岛屿丰富的太阳能与风能，利用天然能源并结合太阳能光伏与海上风力发电技术满足岛屿居民用电。热/冷网络主要能源来源于地热能与太阳能，能量通过载体水和载体导热油为居民提供热水与控制室内温度服务。气网络是大型的储能网络，在自然能源充裕且其它两种网络满足自身负荷要求的前提下，其它两种网络为气网络补充能量。当自然能量匮乏时气网络先后为电网络，热/冷网络补充能量。要求最大限度保证岛屿不间断供电。
如图1所示，一种岛屿多功能生态能源系统，包括发电单元1、储能单元2、 电网络3、电负荷35、热/冷负荷36，还包括气网络4、热/冷网络5、冷热电三联供系统6，发电单元1、储能单元2、电负荷35分别与电网络3连接，电网络3经空气压缩机8与气网络4连接，电网络3经热泵7与热/冷网络5连接，热/冷网络5与热/冷负荷36连接，气网络4、热/冷网络5分别与冷热电三联供系统6连接，冷热电三联供系统6经发电机9与电网络3连接，电网络3与储能单元2之间设置有第一控制器26，电网络3与空气压缩机8之间设置有第二控制器27，冷热电三联供系统6与发电机9之间设置有第三控制器28，电网络3与热泵7之间设置有第四控制器29，热/冷网络5经第五控制器30与储能单元2连接，热/冷网络5与冷热电三联供系统6之间设置有第六控制器31，第一控制器26、第二控制器27、第三控制器28、四控制器29、第五控制器30、第六控制器31分别与冷热电三联供系统6连接，冷热电三联供系统6用于信息处理、系统协调控制；气网络4是大型能量储备网络；冷热电三联供系统6为信息处理与控制中枢系统。
第一控制器26与冷热电三联供系统6之间设有网关18，第一控制器26、第二控制器27、第三控制器28分别与网关18连接。
发电单元1设置有第一功率计24、第二功率计25，第一功率计24经第一信息采集模块11与第一控制器26连接，第二功率计25经第五信息采集模块15与第四控制器29连接，第二功率计25经第六信息采集模块16与第六控制器31连接；第一信息采集模块11、第五信息采集模块15、第六信息采集模块16分别与冷热电三联供系统6连接。
储能单元2设有第二信息采集模块12，第二信息采集模块12分别与第一控制器26、网关18连接。
电网络3设有示波器37和第三信息采集模块13，第三信息采集模块13分别与第一控制器26、网关18连接。
气网络4设有第四信息采集模块14，第四信息采集模块14与冷热电三联供系统6连接。
热/冷网络5设置有第一温度计19、第二温度计20，还设置有第六信息采集模块16、第七信息采集模块17，第六信息采集模块16分别与第六控制器31、冷热电三联供系统6连接；第七信息采集模块17与冷热电三联供系统6连接。
热/冷网络5与聚光充热端口10连接，聚光充热端口10包括集热体、透明隔板和隔热层。
发电单元1包括光伏发电部分、风力发电部分。光伏发电部分、风力发电部分别与对应其特性的变流器连接，变流器并联接入电网络3供电。电网络3能量主要来源于发电单元1。通过第一信息采集模块11监测发电单元1能量，当发电单元1能量充足或匮乏时，储能单元2向电网络3吸收或输入能量。同时根据第三信息采集模块13提供的电网络3实时数据，控制输出电能的波动性，达到稳定系统的目的。
储能单元2包括电储能部分、抽水蓄能部分203和热/冷储能部分204，电储能部分包括电动汽车模块201、储能电池202；电动汽车模块201包括电动汽车和充电桩，充电桩与电网络3连接络。电动汽车是特殊的电储能装置，当电网络3出现严重的能量缺失时，电动汽车通过充电桩向电网络3提供能量。
电负荷35包括常用负荷与随机负荷，随机负荷无明显的时段特性，电荷变化特征具有随机性。
气网络4是大型储能网络，当电网络3、热/冷网络5能量不足时，气网络4通过冷热电三联系统6为电网络3、热/冷网络5供能。若电网络3、热/冷网络5同时出现不足时，先为电网络3供能，保证电网络3正常运行。
通过第一信息采集模块11、第二信息采集模块12采集发电单元1与储能单元2的数据信息，当发电量与储能量较高时电网络3通过空气压缩机8为气网络4供能，当发电量与储能量较低时气网络4通过气冷/热电三联供系统6为电网络3供能。
气网络4设有气系统保护装置，气系统保护装置包括气压检测计33、气阀34，当气网络4的气压过高时，气压检测计33将气压信息传递给气阀34控制装置，打开气阀34减小气网络4气压，保证气网络4安全储能。
气网络4是电网络3与热/冷网络5的第一备用能量网络。通过气压检测计33测量气网络4储能量，当气压过低时，气网络4无法继续提供能量。若此时热/冷储能较低且热水环节与供暖/制冷环节温度过低时，在保证电网络3正常运行的前提下，电网络3通过热泵7为热/冷网络5供能。
热/冷网络5能量主要来源于地热能端口与聚光充热端口10，热/冷网络5中设有油管23、水管22，水管22为双层结构里层中内置自来水，接入负荷消耗区域。油管23与水管22并排分布，内置导热油，导热油经分隔阀门21后分流为冷态导热油与热态导热油，分别负责制冷与供暖。水管22、油管23之间设置有第七控制器32，第七控制器32与第七信息采集模块17连接。根据第七信息采集模块17采集的水管22温度信息，温度低于或高于第七控制器17阈值时，向水管22外层注入冷/热态导热油，利用换热器原理将热流体的热量传递给冷流体。
热/冷负荷36包括热水环节、供暖/制冷环节；热水环节与热/冷网络5的水管22连接，供暖/制冷环节与热/冷网络5的油管连接。
通过第七信息采集模块17采集热/冷网络5温度信息，当温度过高时，热/冷网络5向热/冷储能部分204输入能量；当温度过低时，热/冷储能部分204向热/冷网络5输入能量，气网络4通过冷热电三联供系统6为热/冷网络5供能，气网络4与热/冷网络5能量单向流动，只能由气网络4流向热/冷网络5。
第一～第七信息采集模块分别包括数据测量仪器与HINET智能网关设备，数据测量仪器为功率测量仪表、温度测量仪表、气压测量仪表。通过HINET智能网关设备将各类数据上传。HINET智能网关设备具有远程上传，下载通讯，参数预警等功能，设备含有多个端口，可灵活接入各类设备数据平台，通过多种通讯方式结合，能够适应各种复杂环境。
冷热电三联供系统6为信息处理与控制中枢系统，将HINET智能网关设备内的信息进行处理，通过数据信息来调控电网络3、气网络4与冷/热网络5之间的能量流动，保证各网络的稳定。
根据第一信息采集模块11、第二信息采集模块12、第三信息采集模块13提供的数据，判断电力系统运行状态，为电力系统的调节提供数据。电网络3正常工作时储能单元2与电负荷35参与电力系统调节。电网络3能源充足时，电网络3为储能单元2充电。电网络3能源匮乏时，电网络3向储能单元2吸收电能。
根据第一信息采集模块11、第四信息采集模块14提供的数据，当自然能源充足，发电单元1输出功率较大，气网络4能量低时，电网络3启动空气压缩机8为气网络4提供能量。
根据第一信息采集模块11、第五信息采集模块15提供的数据，当热/冷网络5温度较低，发电单元1输出功率较高时，电网络3启动热泵7为热/冷网络5提供能量。
地热能端口直接用于供暖，通过热能加热水管22和油管23来控制储存热能；聚光充热端口10包括集热体、透明隔板和隔热层，吸收太阳光谱内光线程度高，同时尽可能减少辐射损失，集热体的光热转换部分使用蓄热材料、导热材料、集热材料，使用集热材料吸收太阳光线，将光能转化成为热能，经过化学、电镀等工艺实现聚光充热端口选择性吸收光谱；蓄热材料通过自身温度变化来储存热能，采用油集热和水集热相辅助来储能；导热材料将热能传递下去，使用导热流管道材料。透明隔板一方面让光照射到集热体上，另一方面保护集热体受环境变化的影响。隔热层与透明隔板在聚光集热端口外部形成一定的绝热性，以降低热能转化和传递过程中的损耗。太阳光照射到聚光充热端口上，透过透明隔板激发集热体进行光热转换，其导热材料将热能通过油温和水温的变化以体现，油和水在管道中流动受隔热层保护，降低了热能损失，但随着聚光充热端口温度上升，通过透明隔板和隔热层产生一定的能量损失，但逐渐实现光热平衡，直到维持聚光充热端口温度达到某一个平衡点，系统保持平衡。
本实施例根据岛屿的天然优势，利用岛屿自然能源供给自身。供能绿色无污染，避免远距离输电与建立传统火电厂造成的不经济和环境污染等问题，为建立边远区域性电网提供一种新思路。
Claims (10)
1.一种岛屿多功能生态能源系统，包括发电单元（1）、储能单元（2）、 电网络（3）、电负荷（35）、热/冷负荷（36），其特征在于，还包括气网络（4）、热/冷网络（5）、冷热电三联供系统（6），发电单元（1）、储能单元（2）、电负荷（35）分别与电网络（3）连接，电网络（3）经空气压缩机（8）与气网络（4）连接，电网络（3）经热泵（7）与热/冷网络（5）连接，热/冷网络（5）与热/冷负荷（36）连接，气网络（4）、热/冷网络（5）分别与冷热电三联供系统（6）连接，冷热电三联供系统（6）经发电机（9）与电网络（3）连接，电网络（3）与储能单元（2）之间设置有第一控制器（26），电网络（3）与空气压缩机（8）之间设置有第二控制器（27），冷热电三联供系统（6）与发电机（9）之间设置有第三控制器（28），电网络（3）与热泵（7）之间设置有第四控制器（29），热/冷网络（5）经第五控制器（30）与储能单元（2）连接，热/冷网络（5）与冷热电三联供系统（6）之间设置有第六控制器（31），第一控制器（26）、第二控制器（27）、第三控制器（28）、第四控制器（29）、第五控制器（30）、第六控制器（31）分别与冷热电三联供系统（6）连接，冷热电三联供系统（6）用于信息处理、系统协调控制；气网络（4）是大型能量储备网络。
2.根据权利要求1所述的岛屿多功能生态能源系统，其特征在于，发电单元（1）经第一信息采集模块（11）与第一控制器（26）连接，经第五信息采集模块（15）与第四控制器（29）连接，经第六信息采集模块（16）与第六控制器（31）连接；第一信息采集模块（11）、第五信息采集模块（15）、第六信息采集模块（16）分别与冷热电三联供系统（6）连接；
储能单元（2）设有第二信息采集模块（12），第二信息采集模块（12）分别与第一控制器（26）、冷热电三联供系统（6）连接；
电网络（3）设有第三信息采集模块（13），第三信息采集模块（13）分别与第一控制器（26）、冷热电三联供系统（6）连接；
气网络（4）设有第四信息采集模块（14），第四信息采集模块（14）与冷热电三联供系统（6）连接；
热/冷网络（5）经第六信息采集模块（16）分别与第六控制器（31）、冷热电三联供系统（6）连接，经第七信息采集模块（17）与冷热电三联供系统（6）连接；
冷热电三联供系统（6）为信息处理与控制中枢系统，通过第一～第七信息采集模块采集的数据信息来调控电网络（3）、气网络（4）与冷/热网络（5）之间的能量流动，保证各网络的稳定。
3.根据权利要求2所述的岛屿多功能生态能源系统，其特征在于，根据第一信息采集模块（11）、第二信息采集模块（12）、第三信息采集模块（13）提供的数据，判断电力系统运行状态，为电力系统的调节提供数据；电网络（3）正常工作时储能单元（2）与电负荷（35）参与电力系统调节；电网络（3）能源充足时，电网络（3）为储能单元（2）充电；电网络（3）能源匮乏时，电网络（3）向储能单元（2）吸收电能；
根据第一信息采集模块（11）、第四信息采集模块（14）提供的数据，当自然能源充足，发电单元（1）输出功率较大，气网络（4）能量低时，电网络（3）启动空气压缩机（8）为气网络（4）提供能量；
根据第一信息采集模块（11）、第五信息采集模块（15）提供的数据，当热/冷网络（5）温度较低，发电单元（1）输出功率较高时，电网络（3）启动热泵（7）为热/冷网络（5）提供能量；
通过第一信息采集模块（11）监测发电单元（1）能量，当发电单元（1）能量充足或匮乏时，储能单元（2）向电网络（3）吸收或输入能量；同时根据第三信息采集模块（13）提供的电网络（3）实时数据，控制输出电能的波动性，达到稳定系统的目的；
通过第一信息采集模块（11）、第二信息采集模块（12）采集发电单元（1）与储能单元（2）的数据信息，当发电量与储能量较高时电网络（3）通过空气压缩机（8）为气网络（4）供能，当发电量与储能量较低时气网络（4）通过气冷/热电三联供系统（6）为电网络（3）供能；
通过第七信息采集模块（17）采集热/冷网络（5）温度信息，当温度过低时气网络（4）通过冷热电三联供系统（6）为热/冷网络（5）供能，气网络（4）与热/冷网络（5）能量单向流动，只能由气网络（4）流向热/冷网络（5）。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的岛屿多功能生态能源系统，其特征在于，储能单元（2）包括电储能部分、抽水蓄能部分（203）和热/冷储能部分（204），电储能部分包括电动汽车模块（201）、储能电池（202）；电动汽车模块（201）包括电动汽车和充电桩，充电桩与电网络（3）连接络；电动汽车是特殊的电储能装置，当电网络（3）出现严重的能量缺失时，电动汽车通过充电桩向电网络（3）提供能量。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的岛屿多功能生态能源系统，其特征在于，气网络（4）设有气系统保护装置，气系统保护装置包括气压检测计（33）、气阀（34），当气网络（4）的气压过高时，气压检测计（33）将气压信息传递给气阀（34）控制装置，打开气阀（34）减小气网络（4）气压，保证气网络（4）安全储能。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的岛屿多功能生态能源系统，其特征在于，热/冷网络（5）能量主要来源于地热能端口与聚光充热端口（10），热/冷网络（5）中设有油管（23）、水管（22），水管（22）中内置自来水，接入负荷消耗区域；油管（23）与水管（22）并排分布，内置导热油，导热油经分隔阀门（21）后分流为冷态导热油与热态导热油，分别负责制冷与供暖。
7.根据权利要求6所述的岛屿多功能生态能源系统，其特征在于，热/冷负荷（36）包括热水环节、供暖/制冷环节；热水环节与热/冷网络（5）的水管（22）连接，供暖/制冷环节与热/冷网络（5）的油管连接。
8.根据权利要求1-3任意一项所述的岛屿多功能生态能源系统，其特征在于，电负荷（35）包括常用负荷与随机负荷，随机负荷无明显的时段特性，电荷变化特征具有随机性。
9.根据权利要求1-3任意一项所述的岛屿多功能生态能源系统，其特征在于，聚光充热端口（10）包括集热体、透明隔板和隔热层。
10.根据权利要求1-3任意一项所述的岛屿多功能生态能源系统，其特征在于，发电单元（1）包括光伏发电部分和风力发电部分。
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