CN110285700A - 一种含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统及方法，该系统包括电能系统、热能系统和冷能系统；所述电能系统包括电能源、电能转换装置和绝热压缩空气储能系统，电能源经电能转换装置变流后，输入至绝热压缩空气储能系统；热能系统包括天热汽源、热能产生装置和储热装置；热能产生装置产生的热量存储至储热装置；储热装置还存储绝热压缩空气储能系统在压缩储能过程中产生的热量；所述冷能系统包括电制冷机组、热制冷机组和蓄冷装置，所述电制冷机组和热制冷机组产生的冷能存储至蓄冷装置。

Description

一种含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统及方法

技术领域

本公开涉及综合能源利用技术领域，具体涉及一种含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统及方法。

背景技术

进入21世纪，人们对能源的需求与日俱增，能源供需矛盾日益突出。随着化石能源的紧缺，人们对能源危机、气候危机的认识越来越清晰，全球范围内以能源结构改革及新能源高效利用为中心的综合能源系统发展已经成为世界能源研发的必然要求。

传统能源系统的研究仅局限于电、热、气等单一能源形式系统内部的研究，单一能源利用形式为电、气、热、冷等各能源系统独立运行，彼此之间没有缺乏协调，无法充分发挥各能源系统的优势，由此造成了能源利用率低、供能系统整体安全性和自愈能力不强等问题。为了改变这一局面，人们一直在寻求一种能够使各能源系统相互之问通过耦合互联，充分发挥各能源系统的优势，提高各能源利用效率，以达到系统整体能效最优的目的。

电力系统强大的输电系统，可实现电能的大容量、远距离传输，但由于其特殊性，很难进行大规模存储，不利于分布式风电、光伏等可再生能源的大规模消纳。供冷，供热系统的能量存储则相对容易，但供热系统由于损耗原因，跨度规模一般较小，难以实现大规模，多层次传输。

为了解决上述缺点与不足，人们尝试对电、气、热等多种能源进行耦合协调利用，将经济效益和节能性等指标作为目标，对区域综合能源系统进行研究。多能互补已经形成一套较为成熟的规划方法，现有的研究主要是以天然气、沼气、汽油、柴油等为主要燃料带动燃气轮机、微燃机或内燃机发电机等燃气发电设备发电，供应用户电力需求，通过余热锅炉或者余热直燃机等余热回收利用设备回收系统发电后排出的余热，同时使用电制冷机进行制冷，向用户供热、供冷，提高了系统的一次能源利用率，实现了能源的梯级利用。该方式较好的结合了多种能源的特点，在满足用户需求的前提下，显著提高了能源利用率和系统效率，对环境更加友好。发明人在研发过程中发现，上述方案并未考虑到能量的存储，难以实现用户在多时间尺度下的能量需求及调度，造成一定程度的浪费和低效率。且不同能流之间彼此缺乏协调，难以满足用户对多种能量大规模的需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统及方法，提高能源利用率，使系统整体能效最优，经济节能。

本公开一方面提供的一种含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统的技术方案是：

一种含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统，该系统包括电能系统、热能系统和冷能系统；

所述电能系统包括电能源、电能转换装置和绝热压缩空气储能系统，所述电能源经电能转换装置变流后，输入至绝热压缩空气储能系统；

所述热能系统包括天热汽源、热能产生装置和储热装置；所述热能产生装置利用天热汽源燃烧产生的热量存储至储热装置；所述储热装置还与绝热压缩空气储能系统连接，存储绝热压缩空气储能系统在压缩储能过程中产生的热量；

所述冷能系统包括电制冷机组、热制冷机组和蓄冷装置，所述电制冷机组与绝热压缩空气储能系统连接，利用绝热压缩空气储能系统供给的电能进行制冷，产生的冷能存储至蓄冷装置；所述热制冷机组与储热装置连接，利用储热装置供给的热能进行制冷，产生的冷能存储至蓄冷装置。

本公开另一方面提供的一种含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统的工作方法的技术方案是：

一种含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统的工作方法，该方法包括以下步骤：

风力发电电源、光伏电源分别经过能量转换装置变流后，由绝热压缩空气储能系统存储电能；绝热压缩空气储能系统的三级膨胀机运行产生的电能，一部分供给电制冷机组制冷，其余电能供给用户使用；

热电联产机组以及燃气锅炉工作产生的热能存储至储热装置，储热装置存储的热能一部分供给热制冷机组制冷，另一部分供给绝热压缩空气储能系统在膨胀发电过程中加热高压空气；

热制冷机组利用储热装置供给的热能进行制冷，电制冷机组利用储热装置供给的热能进行制冷，热制冷机组与电制冷机组产生的冷能存储至蓄冷装置，待用户有冷需求时供给用户使用。

通过上述技术方案，本公开的有益效果是：

(1)本公开可以在满足用户能源需求的前提下，结合多种能量流的传输、转换与存储环节，使其充分耦合互补，充分发挥不同能量流的优势，大大提高能源利用率。

(2)本公开加入了储能系统，更能满足用户对于大规模，多时间尺度的能量需求。

(3)本公开有利于多种能源系统之间的耦合互联，充分发挥各能源系统拥有的优势，提高能源利用率，使系统整体能效最优，经济节能。

(4)本公开有利于分布式光伏发电、风力发电等可再生能源的大规模存储和消纳，降低弃风/光率。

(5)本公开有利于电力系统的削峰填谷，平滑电力负荷曲线，提高负荷率，稳定电网的运行；

(6)本公开有利于满足用户的多种能源需求，能够实现用户多种能源，多时间尺度的阶梯利用。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。

图1是实施例一含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统的结构图；

图2是实施例一绝热压缩空气储能系统的结构图；

其中，1、风力发电电源，2、光伏发电电源，3、电网电源，4、第一天然气源，5、第二天然气源，6、第一能量转换装置，7、第二能量转换装置，8、第三能量转换装置，9、绝热压缩空气储能系统，10、热电联产机组，11、燃气锅炉，12、储热装置，13、溴化锂吸收式制冷机组，14、电制冷机组，15、蓄冷装置；16、用户电能需求端，17、用户热能需求端，18、用户冷能需求端，19、储气室，20、高压减压阀，21、第一压缩机，22、第一换热器，23、第二压缩机，24、第二换热器，25、第三压缩机，26、第三换热器，27、第四换热器，28、第一透平膨胀机，29、第五换热器，30、第二透平膨胀机，31、第六换热器，32、第三透平膨胀机，33、发电机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

本实施例提供一种含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统，分布式光伏发电、风力发电以及电网电能通过绝热压缩空气储能系统存储，压缩过程中产生的压缩热经换热器换热后进入储热装置，热电联产机组工作，发出的电能同样由压缩空气储能系统存储，当用户有电能需求时释放存储能量用于发电，热电联产机组和燃气锅炉燃烧天然气所产生的热量经换热器换热后由储热装置存储，以供用户使用；电制冷机组由绝热压缩空气储能系统提供电能，溴化锂吸收式制冷机组制冷所需热量由储热装置提供，用于满足用户冷能需求。

请参阅附图1，所述含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统包括间歇式发电电源、电网电源、能量转换装置、绝热压缩空气储能系统、热电联产机组、燃气锅炉、储热装置、电制冷机组、溴化锂吸收式制冷机组和蓄冷装置。

具体地，所述间歇式发电电源包括风力发电电源1和光伏发电电源2，所述风力发电电源1经第一能量转换装置6与绝热压缩空气储能系统9的电能输入端连接；所述光伏发电电源2经第二能量转换装置7与绝热压缩空气储能系统9的电能输入端连接；所述电网电源3经第三能量转换装置8与绝热压缩空气储能系统9的电能输入端连接；所述绝热压缩空气储能系统9的电能输出端分别与电制冷机组14和用户电能需求端16相连。

所述热电联产机组10的进气口与第一天然气源4连接，所述热电联产机组10的电能输出端与绝热压缩空气储能系统9的电能输入端连接；所述热电联产机组10的热能输出端与储热装置12连接；所述燃气锅炉的进气口与第二天然气源5连接，所述第二天然气源5的热能输出端与储热装置12连接；所述储热装置12的热能输出端分别与溴化锂吸收式制冷机组13、用户热能需求端18和绝热压缩空气储能系统9相连；所述储热装置12还与绝热压缩空气储能系统9连接，用于给绝热压缩空气储能系统9提供热能，绝热压缩空气储能系统9利用储热装置12存储的热能在膨胀发电过程中为高压空气加热。

所述电制冷机组14和溴化锂吸收式制冷机组13的输出端分别与蓄冷装置15相连，蓄冷装置15直接与用户冷需求端17相连。

本实施例提出的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统的工作过程为：

风力发电电源1和光伏发电电源2分别通过第一能量转换装置6和第二能量转换装置7变流后，由绝热压缩空气储能系统9存储电能；第一天然气源4为热电联产机组10运行提供能量，其工作产生的电能，以及电网电源3低谷电能经第三能量转换装置8变流后，通过绝热压缩空气储能系统9存储。

绝热压缩空气储能系统9在压缩储能过程中产生的压缩热，经换热器换热后，由储热装置12存储；热电联产机组10以及燃气锅炉11工作产生的热能，亦由储热装置12存储，其存储的热能一部分供给溴化锂吸收式制冷机组13用于制冷，另一部分用于绝热压缩空气储能系统9在膨胀发电过程中为高压空气加热，以提高发电效率，其余热量用于满足用户热需求。

绝热压缩空气储能系统9的膨胀机运行产生的电能，一部分用于电制冷机组14制冷，其余电能供给用户使用。

溴化锂吸收式制冷机组13与电制冷机组14工作产生的冷能由蓄冷装置存储，待用户有冷需求时供给用户使用。

所述绝热压缩空气储能系统为直接由机械轴驱动压缩，并使用膨胀机实现压缩空气膨胀做功，共有三级压缩环节，三级膨胀环节，收集并存储压缩过程中产生的压缩热，并将热量用于膨胀环节对空气的加热，实现电能的高效存储与释放。请参阅附图2，所述绝热压缩空气储能系统包括串联的三级压缩机、串联的三级膨胀机和储气室，所述三级压缩机的一端连接第一能量转换装置6、第二能量转换装置7和第三能量转换装置8，另一端连接储气室19，所述三级压缩机包括第一压缩机21、第二压缩机23和第三压缩机25之间连接有第一换热器22，所述第一压缩机21和第二压缩机23之间连接有第二换热器24，所述第三压缩机25与储气室19之间连接有第三换热器26；所述三级膨胀机的一端与储气室连接，另一端与发电机33连接；所述三级膨胀机包括第一透平膨胀机28、第二透平膨胀机30和第三透平膨胀机32，所述第一透平膨胀机28与储气室7之间连接有高压减压阀20和第四换热器27，所述第一透平膨胀机28和第二透平膨胀机30之间连接有第五换热器29；所述第二透平膨胀机30和第三透平膨胀机32之间连接有第六换热器31；所述第一换热器22、第二换热器24、第三换热器26、第四换热器27、第五换热器29和第六换热器31还通过管道与储热装置12连接，第一换热器22、第二换热器24、第三换热器26收集压缩机在压缩空气过程中所产生的压缩热，并传递至储热装置12；第四换热器27、第五换热器29和第六换热器31获取储热装置12存储的热能对高压空气流进行加热，加热后的空气带动相应的膨胀机做功。

本实施例提出的绝热压缩空气储能系统的工作过程为：

电能带动第一压缩机21、第二压缩机23、第三压缩机25工作，向储气室19压缩高压空气，将电能转换为空气内能存储。在压缩空气过程中第一换热器22、第二换热器24、第三转换器26以水为换热介质，收集各级压缩机在压缩空气过程中所产生的压缩热，并经水管将热量传递至储热装置12储热。

发电机发电时，储气室19释放空气，经高压减压阀20控制压力后，高压空气流经第四换热器27、第五换热器29、第六换热器31进行加热，加热后的高压空气带动第一膨胀机28、第二膨胀机30和第三膨胀机32做功，带动发电机33发电，满足用户电力负荷需求。

在本实施例中，所述第一能量转换装置6、第二能量转换装置7和第三能量转换装置8分别采用AC-AC变换器，通过AC-AC变换器对风能、太阳能和电网电能进行变流。

在本实施例中，所述热电联产机组10选用背压式热电联产机组，背压式热电联产机组是重要的能量转换设备，将燃气的化学能转换成为电能和热能，消除了凝汽器的冷源损失，热力循环效率高；发出电能由绝热压缩空气储能系统存储，产出热量由储热装置存储。

在本实施例中，所述燃气锅炉11将燃气的化学能转换成为和热能，在燃气轮机所产生的热量不足以满足用户热需求时开始工作，对热量进行补偿，其工作产生热量由储热装置存储。

在本实施例中，所述储热装置12选用变压式蓄热器，变压式蓄热器是以水为的储热介质的蒸汽容器，其工作压力随所储热量的增减而变化。存储背压式热电联产机组和燃气锅炉工作产生的热量，待用户有热需求时释放能量。

在本实施例中，所述蓄冷装置15采用自然分离水蓄冷槽，该自然分离水蓄冷槽蓄冷效果好，冷能损耗低，自然分离水蓄冷槽利用水的显热实现冷量的储存，将热水型吸收式制冷机组和活塞式制冷机组运行产生的冷能存储，满足用户实时冷需求。储能效率高，稳定性好。

在本实施例中，所述电制冷机组14选用活塞式制冷机组，该活塞式制冷机组运行可靠性高，制冷效率高，易于维护保养，根据用户冷需求量，将绝热压缩空气储能系统输出电能转换为冷能，产生冷能由自然分离水蓄冷槽存储并供给用户使用。

在本实施例中，所述溴化锂吸收式制冷机组13选用热水型吸收式制冷机组，热水型吸收式制冷机组将变压式蓄热器中的热能转换为冷能，节能高效，冷输出端与自然分离水蓄冷槽相连。

本实施例提出的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统，可以在满足用户能源需求的前提下，结合多种能量流的传输、转换与存储环节，使其充分你耦合互补，充分发挥不同能量流的优势，大大提高能源利用率；还加入了储能系统，更能满足用户对于大规模，多时间尺度的能量需求。

本实施例提出的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统，包含能量源环节(电源，分布式电源，天然气源)，能量转换环节(背压式热电联产机组，燃气锅炉，溴化锂吸收式制冷机组，活塞式制冷机组)，能量传输环节(系统内能量传输路径)，能量存储环节(绝热压缩空气储能，变压式蓄热器，自然分离水蓄冷槽)。该系统以能量时移为工作原则，即能量负荷低谷时储能，能量负荷高峰时储能装置释放存储能量以满足用户负荷需求。

实施例二

本实施例提供一种含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统的工作方法，该方法是基于实施例一所述的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统实现的。

所述含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统的工作方法包括以下步骤：

S1，分布式光伏发电电源、风力发电电源发电后，电能经过AC-AC变流器变流，由绝热压缩空气储能系统存储能量，同时变压式蓄热器存储绝热压缩空气储能系统中压缩机压缩空气产生的压缩热能。

S2，在每日用电低谷期，电价低廉，启动绝热压缩空气储能系统，消耗电网电能，压缩机工作，绝热压缩空气储能系统9存储电能，压缩机工作的同时，产生的压缩热经换热器换热，热量由变压式蓄热器存储。

S3，在用电高峰期，用户有电能需求时，绝热压缩空气储能系统释放存储的压缩空气，与变压式蓄热器存储的热量换热后，带动膨胀机做功发电；背压式热电联产机组燃烧天然气，所产生电能同样由绝热压缩空气储能系统9存储，燃烧天然气产生的热量经变压式蓄热器存储，待用户有电需求时供给用户使用。

S4，当变压式蓄热器所存储的热量不足以满足用户热需求时，启动燃气锅炉，与背压式热电联产机组同时工作产生热量以满足用户热需求。

S5，用户冷需求由活塞式电制冷机组和溴化锂吸收式制冷机组供给，其中活塞式制冷机组工作所需电能由绝热压缩空气储能系统所储电能和电网的电能直接提供；溴化锂吸收式制冷机组利用变压式蓄热器存储的热量进行制冷；活塞式制冷机组和溴化锂吸收式制冷机组工作产生的冷能由自然分离水蓄冷槽存储，直接供给用户使用。

与现有技术相比，本实施例在解决区域综合能源系统中多种能源间的转换、传输及存储方面具有以下几点优点：

(1)本实施例提出的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统将多种能量转换与储能组件耦合，充分发挥各能源系统拥有的优势，有利于冷热电气等多种能源系统之间的耦合互联，提高能源利用率，使系统整体能效最优，经济节能；

(2)绝热压缩空气储能系统储能容量大，能满足分布式光伏发电、风力发电等可再生能源的大规模存储和消纳，降低弃风/光率，同时有利于电力系统的削峰填谷，平滑电力负荷曲线，提高负荷率，稳定电网的运行。

(3)包含储能装置的综合能源系统有利于满足用户的多种能源需求，能够实现用户多种能源，多时间尺度的阶梯利用。控制策略简单，易于操作和实现。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统，其特征是，包括电能系统、热能系统和冷能系统；

所述电能系统包括电能源、电能转换装置和绝热压缩空气储能系统，所述电能源经电能转换装置变流后，输入至绝热压缩空气储能系统；

所述热能系统包括天热汽源、热能产生装置和储热装置；所述热能产生装置利用天热汽源燃烧产生的热量存储至储热装置；所述储热装置还与绝热压缩空气储能系统连接，存储绝热压缩空气储能系统在压缩储能过程中产生的热量；

所述冷能系统包括电制冷机组、热制冷机组和蓄冷装置，所述电制冷机组与绝热压缩空气储能系统连接，利用绝热压缩空气储能系统供给的电能进行制冷，产生的冷能存储至蓄冷装置；所述热制冷机组与储热装置连接，利用储热装置供给的热能进行制冷，产生的冷能存储至蓄冷装置。

2.根据权利要求1所述的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统，其特征是，所述电能源包括电网电源、风力发电电源和光伏电源；所述电能转换装置为AC-AC转换器。

3.根据权利要求1所述的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统，其特征是，所述绝热压缩空气储能系统包括串联的三级压缩机、串联的三级膨胀机和储气室，所述串联的三级压缩机的一端连接能量转换装置，另一端连接储气室，所述串联的三级膨胀机的一端与储气室连接，另一端与发电机连接；每极压缩机的输出端和每级膨胀机的输入端分别连接有换热器，所述换热器还通过管道与储热装置连接，用于收集压缩机在压缩空气过程中所产生的压缩热，并传递至储热装置；获取储热装置存储的热能对高压空气流进行加热，加热后的空气带动相应的膨胀机做功。

4.根据权利要求1所述的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统，其特征是，所述热能产生装置包括热电联产机组和燃气锅炉；

所述热电联产机组的进气口与天然气源连接，所述热电联产机组的电能输出端与绝热压缩空气储能系统的电能输入端连接，将产生的电能存储至绝热压缩空气储能系统；所述热电联产机组的热能输出端与储热装置连接，将产生的热能存储至储热装置；

所述燃气锅炉的进气口与天然气源连接，所述燃气锅炉的热能输出端与储热装置连接，将产生的热能存储至储热装置。

5.根据权利要求1所述的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统，其特征是，所述储热装置采用变压式蓄热器。

6.根据权利要求1所述的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统，其特征是，所述电制冷机组采用活塞式制冷机组；所述热制冷机组采用热水型溴化锂吸收式制冷机组。

7.根据权利要求1所述的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统，其特征是，所述蓄冷装置采用自然分离水蓄冷槽。

8.如权利要求1至7中任一项所述的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统的工作方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

风力发电电源、光伏电源分别经过能量转换装置变流后，由绝热压缩空气储能系统存储电能；绝热压缩空气储能系统的三级膨胀机运行产生的电能，一部分供给电制冷机组制冷，其余电能供给用户使用；

热电联产机组以及燃气锅炉工作产生的热能存储至储热装置，储热装置存储的热能一部分供给热制冷机组制冷，另一部分供给绝热压缩空气储能系统在膨胀发电过程中加热高压空气；

热制冷机组利用储热装置供给的热能进行制冷，电制冷机组利用储热装置供给的热能进行制冷，热制冷机组与电制冷机组产生的冷能存储至蓄冷装置，待用户有冷需求时供给用户使用。

9.根据权利要求8所述的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统的工作方法，其特征是，在每日用电低谷期，启动绝热压缩空气储能系统，串联的三级压缩机工作，向储气室压缩高压空气，将电能转换为空气内能存储；压缩机工作产生的压缩热经换热器换热后，由储热装置存储。

10.根据权利要求8所述的含绝热压缩空气储能的区域综合能源系统的工作方法，其特征是，在用电高峰期，用户有电能需求时，绝热压缩空气储能系统的储气室释放存储的压缩空气，经高压减压阀控制压力后，高压空气流经换热器换热后，带动三级膨胀机做功，带动发电机发电，满足用户电力负荷需求；

热电联产机组燃烧天然气源产生的电能以及电网电源低谷电能经能量转换装置变流后，由绝热压缩空气储能系统存储，待用户有电需求时供给用户使用。