CN112039115A - 一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统，属于电气工程领域。包括：柔性直流电网，用于提供电能；空气净化模块，用于采用空气净化技术利用电能将空气电离，消纳电能同时实现空气净化；电热供暖模块，用于利用中低温储能技术将电能转换为热能，消纳电能同时实现清洁供暖；海水淡化模块，用于利用电能淡化海水，消纳电能同时实现供水。本发明通过空气净化，有效降低了室内污染物浓度；通过电热供暖实现清洁取暖，解决了燃煤供暖带来的雾霾问题；通过海水淡化实现供水，有效缓解了北方地区的缺水问题；且空气净化、电热供暖、海水淡化措施可以有效消纳过剩的风电、光电，大大减少弃风弃光比例。

Description

一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统
技术领域
本发明属于电气工程领域，更具体地，涉及一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统。
背景技术
无序化散煤取暖是造成我国华北、东北等地区严重雾霾的主要根源。与此同时，华北/东北区域风电发展不平衡、不充分，尤其是消纳问题突出。据统计，2018年内蒙古、吉林等地区的弃风率高达10％、相当于2018年三峡总发电量(1000亿千瓦时)的10％。因此，燃煤取暖引起的雾霾重与消纳缺乏协调所造成的弃风率高已成为了阻碍我国“清洁低碳、安全高效”现代能源体系建设的“凹凸”困境。此外，随着我国经济水平的不断提高、生态文明的加快建设，以北京与雄安为中心的北方地区缺水问题日益严峻，南水北调工程恐难以满足。据测算，自上世纪70年代大规模机井灌溉以来，华北地区地下水储存量已累计亏损约1800亿立方米，华北平原成世界最大地下水“漏斗区”。
针对雾霾重的问题，通过改良热电联产机组以及热网与电网协同运行的方式能提高能源的利用效率，减少霾源，但并未根治燃煤供暖带来的雾霾问题；针对缺水问题，目前并未有好的解决方案，只能通过推行节水措施来应对；针对弃风率高的问题，兴建储能等调峰装置是缓解弃风率高的重要手段，但是储能装置成本高且容量有限，在夜间风电出力高而负荷需求低时，仍有大量夜间风电被迫弃掉。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统，其目的在于解决北方地区雾霾重、水资源短缺、弃风、弃光率高的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统，包括：
柔性直流电网，用于向空气净化模块、电热供暖模块和海水淡化模块提供电能；柔性直流电网提供的电能包括风电和光伏发电；
空气净化模块，用于采用空气净化技术利用电能将空气电离，消纳电能同时实现空气净化；
电热供暖模块，用于利用中低温储能技术将电能转换为热能，消纳电能同时实现清洁供暖；
海水淡化模块，用于利用电能淡化海水，消纳电能同时实现供水。
进一步地，所述电热供暖模块包括集中式电热供暖单元和分布式电热供暖单元；
集中式电热供暖单元，利用集中式电热供暖设备将热能通过供热管网输送到用户；分布式电热供暖单元，利用独立安装的电热供暖设备，实现用户独立供暖。
进一步地，海水经过淡化后还用于提供给抽水储能电站进行发电；淡化后的高盐卤水，提供给盐化工生产。
进一步地，所述系统还包括：电解水模块；所述电解水模块，用于通过电解水得到氢气和氧气，将电能转化为氢能和氧气存储。
进一步地，电解水得到的氢气一部分经碳化后注入天然气管网，通过燃气发电为电热供暖模块提供备用电能；另一部分为氢能汽车提供能源；
电解水得到的氧气提供给富氧燃烧电热蓄能电厂用于发电；富氧燃烧电热蓄能电厂发电产生的二氧化碳一部分用于氢气碳化，剩余部分进行深埋存储。
进一步地，电解水模块的具体实施过程为：
通过磁场控制电极反应区的反应物和生成物粒子的输运过程，加快电极反应速度；根据磁场对电解液产生的磁流体对流效应，调控电极表面电解液微流动模式，影响气泡生长、脱离和在电解液中的分布，增强气泡与电极之间的解附过程；根据磁场对原子氧电子自旋进行作用，产生电子自旋极化效应，加快原子氧之间结合生成氧气分子。
进一步地，所述系统还包括：高温电热储能模块；所述高温电热储能模块利用高温储能技术，将电能转化为热能，提供给富氧燃烧电热蓄能电厂用于发电；
富氧燃烧电热蓄能电厂与高温电热储能模块共同进行电-热-电的储存于转换，实现电热能的跨区输送。
进一步地，将所述抽水储能电站和富氧燃烧电热蓄能电厂发电纳入柔性直流电网中央调度，实施负荷调峰。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)本发明利用空气净化技术进行室内空气净化，有效降低了室内污染物浓度，减少了空气污染造成的健康危害；本发明通过电热供暖实现清洁取暖，“以电代煤”，克服了北方供暖对燃煤的依赖，大幅减少了雾霾源，解决了燃煤供暖带来的雾霾问题；本发明通过海水淡化实现供水，有效缓解了北方地区日益严峻的缺水问题；且上述空气净化、电热供暖、海水淡化措施可以有效消纳过剩的风电、光电等清洁电能，大大减少了弃风弃光比例。
(2)本发明利用风电、光电实施电解水制氢和制氧；氢气既可支持氢能汽车发展，又可经碳化后注入天然气管道，以新能源形式回收；氧气用于火电厂通过富氧燃烧便于收集二氧化碳温室气体，以对氢气进行碳化，剩余部分再通过深埋以实现减排；进一步消纳了过剩电能，减少了弃风弃光比例。
(3)本发明利用风电、光电实施高温电热储能，将电能转化为热能，提供给富氧燃烧电热蓄能电厂用于发电，通过电-热-电的储存与转换，实现了电热能的跨区输送；更进一步消纳了过剩电能，减少了弃风弃光比例。
(4)本发明对海水淡化后还提供给抽水储能电站进行发电，并将抽水储能电站和富氧燃烧电热蓄能电厂发电纳入柔性直流电网中央调度，实施智能化负荷调峰。
附图说明
图1是本发明提供的一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明提供了一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统，包括：
柔性直流电网，用于提供电能；柔性直流电网提供的电能由可再生能源发电产生，包括：风电和光伏发电；
空气净化模块，用于采用空气净化技术利用电能将空气电离，消纳电能同时实现空气净化；优选地，可采用主动式空气净化技术，有效、主动地向空气中释放净化灭菌因子，通过空气弥漫性的特点到达室内的各个角落，对空气进行无死角净化，有效地降低建筑室内空气污染，减少我国室内空气污染造成的健康危害，保障公众健康。
电热供暖模块，用于利用中低温储能技术将电能转换为热能，消纳电能同时实现清洁供暖；电热供暖模块包括集中式电热供暖单元和分布式电热供暖单元；集中式电热供暖单元，利用集中式电热供暖设备将热能通过供热管网输送到用户；分布式电热供暖单元，利用独立安装的电热供暖设备，实现用户独立供暖。
海水淡化模块，用于利用电能淡化海水，消纳电能同时实现供水。具体实施方法为：可采用蓄水池法、电池法、抽水蓄能法、电容去离子等技术进行海水淡化；本发明实施例优选蓄水池法进行海水淡化，蓄水池法的原理为，在系统中风能等可再生能源供给负荷有多余电能时，利用水泵进行抽水，将低位蓄水池的海水抽到高位蓄水池，将多余的电能变成水能存储存起来；在风能等可再生能源供给电能负荷不足时，利用水轮机进行发电，将水能变成电能，连接海水淡化装置供给负载；其中，海水淡化反渗透膜优选采用陶瓷多孔反渗透膜材料，其抗有机物污染能力和抗氧化性强，强度高，使用寿命为聚合物膜的3-5倍，膜通量高2-10倍，化学药剂的耗量减少50％以上，运行维护成本及能耗比聚合物膜超滤技术降低50％以上。可以适应的温度范围大，最低温度5℃以下，最高温度可达65℃，设备简单，成本低，可以将独立海水淡化厂的供水水价由6.0-6.7元/立方降低到4元/立方，远低于南水北调制水成本的5.5元/立方。采用蓄水池法进行海水淡化能够解决因风电和光伏发电不稳定而在独立为海水淡化系统供电上的限制，负载功率和产水量可连续调节，显著降低了海水淡化的能耗和成本，同时也大大降低了风电和光伏发电独立海水淡化的难度和技术风险。
海水淡化后除用于供水，缓解水资源短缺外，还可提供给抽水储能电站进行发电；淡化后的高盐卤水，除保证盐化工用量外，剩余卤水应船运至安全区域(如第一岛链外海)排放，严禁排放渤海湾内。
为了进一步消纳过剩电能，上述系统还包括：电解水模块和高温电热储能模块；其中，电解水模块，用于通过电解水得到氢气和氧气，将电能转化为氢能和氧气存储；电解水得到的氢气一部分经碳化后注入天然气管网，通过燃气发电为电热供暖模块提供备用电能；另一部分为氢能汽车提供能源；电解水得到的氧气提供给富氧燃烧电热蓄能电厂用于发电；富氧燃烧电热蓄能电厂发电产生的二氧化碳一部分用于氢气碳化，剩余部分进行深埋存储。
针对电解水的具体实施，本发明实施例采用一种在工业碱性电解水装置中施加外磁场的技术。磁场产生器件是一种盘香型线圈，线圈镶嵌于钕铁硼永磁材料制成的槽内，线圈和槽一起用环氧绝缘封装成盘状。最后将环氧盘包裹于电解槽的电极板之内，电解槽其他部分不做改动。由外加磁场激励电源提供线圈激励电流，根据线圈激励电流的不同，磁场可以实现多种工作模式：直流恒定电流激励下线圈产生持续恒向磁场；对线圈交替使用励磁和退磁电流，可产生脉冲恒向磁场和脉冲换向磁场。根据磁场对电解液中的水分子之间、离子和水分子之间以及离子和粒子之间的相互作用、扩散系数等产生的影响，通过磁场的作用调节电极反应区的反应物和生成物粒子的输运过程，加快电极反应速度。根据磁场对电解液产生的磁流体对流效应调控电极表面电解液微流动模式，影响气泡的行为，包括生长、脱离和在电解液中的分布，有效增强气泡与电极之间的解附过程，减小损耗。根据磁场对原子氧电子自旋进行作用，产生电子自旋极化效应，加快原子氧之间结合生成氧气分子的反应步，提高析氧效率。
高温电热储能模块利用高温储能技术，将电能转化为热能，提供给富氧燃烧电热蓄能电厂用于发电；富氧燃烧电热蓄能电厂与高温电热储能模块共同进行电-热-电的储存于转换，实现电热能的跨区输送。通过智能化控制将抽水储能电站和富氧燃烧电热蓄能电厂发电纳入柔性直流电网中央调度，实施负荷调峰。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统，其特征在于，包括：
柔性直流电网，用于向空气净化模块、电热供暖模块和海水淡化模块提供电能；所述柔性直流电网提供的电能包括风电和光伏发电；
空气净化模块，用于利用电能将空气电离，消纳电能同时实现空气净化；
电热供暖模块，用于利用中低温储能技术将电能转换为热能，消纳电能同时实现清洁供暖；
海水淡化模块，用于利用电能淡化海水，消纳电能同时实现供水。
2.根据权利要求1所述的一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统，其特征在于，所述电热供暖模块包括集中式电热供暖单元和分布式电热供暖单元；
集中式电热供暖单元，利用集中式电热供暖设备将热能通过供热管网输送到用户；分布式电热供暖单元，利用独立安装的电热供暖设备，实现用户独立供暖。
3.根据权利要求1所述的一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统，其特征在于，海水经过淡化后还用于提供给抽水储能电站进行发电；淡化后的高盐卤水，提供给盐化工生产。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统，其特征在于，所述系统还包括：电解水模块；所述电解水模块，用于通过电解水得到氢气和氧气，将电能转化为氢能和氧气存储。
5.根据权利要求4所述的一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统，其特征在于，电解水得到的氢气一部分经碳化后注入天然气管网，通过燃气发电为电热供暖模块提供备用电能；另一部分为氢能汽车提供能源；
电解水得到的氧气提供给富氧燃烧电热蓄能电厂用于发电；富氧燃烧电热蓄能电厂发电产生的二氧化碳一部分用于氢气碳化，剩余部分进行深埋存储。
6.根据权利要求4所述的一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统，其特征在于，电解水模块的具体实施过程为：
通过磁场控制电极反应区的反应物和生成物粒子的输运过程，加快电极反应速度；
根据磁场对电解液产生的磁流体对流效应，调控电极表面电解液微流动模式，影响气泡生长、脱离和在电解液中的分布，增强气泡与电极之间的解附过程；
根据磁场对原子氧电子自旋进行作用，产生电子自旋极化效应，加快原子氧之间结合生成氧气分子。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统，其特征在于，所述系统还包括：高温电热储能模块；所述高温电热储能模块利用高温储能技术，将电能转化为热能，提供给富氧燃烧电热蓄能电厂用于发电；
富氧燃烧电热蓄能电厂与高温电热储能模块共同进行电-热-电的储存于转换，实现电热能的跨区输送。
8.根据权利要求3或7所述的一种用于雾霾防治和清洁供水的电能消纳系统，其特征在于，将所述抽水储能电站和富氧燃烧电热蓄能电厂发电纳入柔性直流电网中央调度，实施负荷调峰。
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