CN112952868A - 综合能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种综合能源系统，包括发电系统、电化学储能系统、压缩空气储能系统、储冷装置和储热装置，其中发电系统可以为用户提供电能；并且当发电系统的发电量大于用户侧电负荷需求时，启动电化学储能系统和压缩空气储能系统进行电能储存；当发电系统的发电量小于用户侧电负荷需求时，启动电化学储能系统和压缩空气储能系统输出电能至电网，从而给用户提供电能；此外，压缩空气储能系统在存储电能和电能输出电网的过程中，会产生热能和冷空气，将其进行收集利用可以为用户提供相应的热能和冷能。该综合能源系统能根据用户用电需求对其进行适时调整，保证用电平衡，有效节约资源；且能为用户提供多种能源资源，确保资源的合理利用。

Description

综合能源系统
技术领域
本发明涉及能源存储与应用技术领域，具体涉及一种综合能源系统。
背景技术
我国西南地区，例如云南省以及贵州省等省份存在丰富的风能、光伏以及水能等可再生资源。其中，风能、光伏以及水能等可再生资源可以用来发电产生电能，但电能的波动性比较强，容易导致电能质量不高；与此同时，风力发电的出力受风力资源的变化影响较大，光伏发电的出力受太阳能辐射强度影响较大，因此风力发电与光伏发电等可再生能源电力的出力很难跟电负荷用户的需求完全吻合，例如在某些时候容易出现电力过剩，而有些时候又容易出现电力不足。另外，在用户需求侧，用户除了电能需求之外，还存在供热的需求，供冷的需求，可见用户的用能需求是多方面的，需要同时提供电能，热能以及冷能。目前，尚未存在比较良好的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种综合能源系统，用来解决电网供电与用户需求不匹配，以及用户多用能需求的问题。
一种综合能源系统，包括：发电系统、电化学储能系统、压缩空气储能系统、储冷装置和储热装置；其中所述发电系统、所述电化学储能系统和所述压缩空气储能系统的一端分别连接电网，所述压缩空气储能系统的另一端分别连接所述储冷装置和所述储热装置；
当所述发电系统的发电量大于用户侧电负荷需求时，所述电化学储能系统和所述压缩空气储能系统进行电能存储；当所述压缩空气储能系统进行电能存储时产生热量，所述热量用于产生热水，所述热水存储至所述储热装置，用于对用户输出热能；
当所述发电系统的发电量小于用户侧电负荷需求时，所述电化学储能系统和/或所述压缩空气储能系统输出电能至电网；当所述压缩空气储能系统输出电能至电网时产生冷空气；所述冷空气存储于所述储冷装置，用于对用户输出冷能。
本实施例中提供的综合能源系统，包括：发电系统、电化学储能系统、压缩空气储能系统、储冷装置和储热装置，其中发电系统可以为用户提供电能；并且当发电系统的发电量大于用户侧电负荷需求时，启动电化学储能系统和压缩空气储能系统进行电能储存；当发电系统的发电量小于用户侧电负荷需求时，启动电化学储能系统和压缩空气储能系统输出电能至电网，从而给用户提供电能；此外，压缩空气储能系统在存储电能和输出电能的过程中，会产生热能和冷空气，将其进行收集利用可以为用户提供相应的热能和冷能。该综合能源系统能根据用户用电需求对其进行适时调整，保证用电平衡，有效节约资源；并且能为用户提供多种能源资源，确保资源的合理利用。
可选地，所述压缩空气储能系统包括电动机、压缩机、第一换热器、储气空间、蓄热器、第二换热器、膨胀机和发电机；所述电动机通过变压器连接电网，所述电动机的机械传动轴连接所述压缩机，所述第一换热器分别连接所述压缩机、储气空间和蓄热器；所述储气空间释放的压缩空气依次通过所述第二换热器和膨胀机，所述膨胀机的机械传动轴与所述发电机相连，所述发电机通过所述变压器连接电网；所述蓄热器连接所述第二换热器，所述第二换热器连接所述储热装置；所述膨胀机连接所述储冷装置；
当所述发电系统的发电量大于用户侧电负荷需求时，所述发电系统产生的电能驱动所述电动机带动所述压缩机压缩空气，将常压空气转换成压缩空气存储于所述储气空间；所述压缩机产生热空气，将所述热空气通过与所述第一换热器中导热工质进行热交流，得到升温后的导热工质，所述升温后的导热工质用于对所述蓄热器的冷水进行加热生成热水；
当所述发电系统的发电量小于用户侧电负荷需求时，所述储气空间释放所述压缩空气至所述第二换热器，所述第二换热器采用所述蓄热器中的热水对所述压缩空气进行加热，将加热后的压缩空气输入至所述膨胀机，所述膨胀机驱动所述发电机输出电能，所述电能再返回至电网；所述膨胀机产生冷空气，并将所述冷空气存储至所述储冷装置。
可选地，所述第一换热器和/或所述第二换热器的数量为多个。
可选地，还包括电能输送网；所述电能输出网连接电网，用于为用户输送电能。
可选地，还包括冷能输送网；所述储冷装置连接所述冷能输送网，通过所述冷能输送网为用户输送冷空气。
可选地，还包括热能输送网；所述储热装置连接所述热能输送网，通过所述热能输送网为用户输送热水。
可选地，还包括电制冷设备，所述电制冷设备的一端连接电能输送网，另一端连接所述冷能输送网；所述电制冷设备采用电能产生冷空气并通过所述冷能输送网为用户输送所述冷空气。
可选地，还包括集热器；所述集热器连接所述热能输送网，通过所述热能输送网为用户输送热能。
可选地，所述电制冷设备和/或所述集热器的数量为多个。
可选地，所述发电系统包括风力发电系统、光伏发电系统和水力发电系统。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例提供的综合能源系统结构示意图；
图2为本发明另一个实施例提供的综合能源系统结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为了更详细说明本发明，下面结合附图对本发明提供的一种综合能源系统，进行具体地描述。
请参照图1，一种综合能源系统，包括：发电系统10、电化学储能系统20、压缩空气储能系统30、储冷装置40和储热装置50；其中发电系统10、电化学储能系统20和压缩空气储能系统30的一端分别连接电网，压缩空气储能系统30的另一端分别连接储冷装置40和储热装置50；当发电系统10的发电量大于用户侧电负荷需求时，电化学储能系统20和压缩空气储能系统30进行电能存储；当压缩空气储能系统30进行电能存储时产生热量，热量用于产生热水，热水存储至储热装置50，用于对用户输出热能；当发电系统的发电量小于用户侧电负荷需求时，电化学储能系统20和/或压缩空气储能系统30输出电能至电网；当压缩空气储能系统30输出电能至电网时产生冷空气；冷空气存储于储冷装置40，用于对用户输出冷能。
具体而言，本实施例中提供的综合能源系统包括发电系统10、电化学储能系统20、压缩空气储能系统30、储冷装置40和储热装置50；其中，发电系统10主要用于发电或产生电能，通过电网到电能输送网，为电能输网上的电负荷用户提供电能。另外，当发电系统的发电量大于用户侧电负荷需求时，发电系统产生的电能为电化学储能系统20和压缩空气储能系统30进行电能存储。
可选地，电化学储能系统20通常由电池、电器元件、机械支撑、冷却系统(热管理系统)、双向储能变流器(PCS)、能源管理系统(EMS)以及电池管理系统(BMS)共同组成。电池通过排列，连接组装成电池模组，再和其他元器件一起固定组装到柜体内构成电池柜体。电化学储能系统20可以直接连接在电网上，直接由发电系统10产生的电能对其电池模组进行充电，从而完成电能存储。
压缩空气储能系统30属于物理储能系统，在电能储存的时候，通常使用发电系统产生的电能驱动连接在电网中的电动机，再通过电动机驱动压缩机做功将常压空气增加压力，变成压力很高的压缩空气，将压缩空气储存在储气空间当中。
此外，对电化学储能系统20和压缩空气储能系统30进行电能存储通常是在电网中电能过剩时(即当发电系统20的发电量大于用户侧电负荷需求)进行。
当发电系统10的发电量小于用户侧电负荷需求时，即发电系统10产生的电能不足以供应电负荷用户时，电化学储能系统20将电池中存储的电能输出至电网为电负荷用户供电。而压缩空气储能系统30也可以将存储的压缩空气驱动膨胀机带动发电机工作从而产生电能输送至电网为电负荷用户供电。
此外，压缩空气储能系统30在电能存储以及产生电能的过程中会产生热量和冷空气，对其分别进行存储；其中热量可以将加入的冷水生成热水，将热水存储在储热装置50中，可以为热负荷用户提供热水等热能。可以将冷空气直接存储在储冷装置40中，可以对冷负荷用户提供冷空气。
其中，电负荷用户是指需要使用电力的用户；热负荷用户是指需要使用热能的用户；冷负荷用户是指需要使用冷能的用户。
在一种可选的实施方式中，当发电系统10的发电量小于用户侧电负荷需求时，电化学储能系统20和压缩空气储能系统30中的任意一个或两个都输出电能至电网。当电化学储能系统20和压缩空气储能系统30都输出电能时，可以是电化学储能系统20先输出电能，压缩空气储能系统30可以后输出电能，由于电化学储能系统20输出电能的速度是比较快，从而避免出现断电的情况。
在一个实施例中，如图2所示，发电系统包括风力发电系统、光伏发电系统和水力发电系统。可选地，水力发电系统可以是小水力发电系统。
另外，风力发电系统、光伏发电系统和水力发电系统的数量可以是多个。
本实施例中提供的综合能源系统，包括：发电系统、电化学储能系统、压缩空气储能系统、储冷装置和储热装置，其中发电系统可以为用户提供电能；并且当发电系统的发电量大于用户侧电负荷需求时，启动电化学储能系统和压缩空气储能系统进行电能储存；当发电系统的发电量小于用户侧电负荷需求时，启动电化学储能系统和压缩空气储能系统输出电能至电网，从而给用户提供电能；此外，压缩空气储能系统在存储电能和输出电能的过程中，会产生热能和冷空气，将其进行收集利用可以为用户提供相应的热能和冷能。该综合能源系统能根据用户用电需求对其进行适时调整，保证用电平衡，有效节约资源；并且能为用户提供多种能源资源，确保资源的合理利用。
如图2所示，在一个实施例中，压缩空气储能系统包括电动机、压缩机、第一换热器、储气空间、蓄热器、第二换热器、膨胀机和发电机；电动机通过变压器连接电网，电动机的机械传动轴连接压缩机，第一换热器分别连接压缩机、储气空间和蓄热器；储气空间释放的压缩空气依次通过第二换热器和膨胀机，膨胀机的机械传动轴与发电机相连，发电机通过变压器连接电网；蓄热器连接第二换热器，第二换热器连接储热装置；膨胀机连接储冷装置；当发电系统的发电量大于用户侧电负荷需求时，发电系统产生的电能驱动电动机带动压缩机压缩空气，将常压空气转换成压缩空气存储于储气空间；压缩机产生热空气，将热空气通过与第一换热器中导热工质进行热交流，得到升温后的导热工质，升温后的导热工质用于对蓄热器的冷水进行加热生成热水；当发电系统的发电量小于用户侧电负荷需求时，储气空间释放压缩空气至第二换热器，第二换热器采用蓄热器中的热水对压缩空气进行加热，将加热后的压缩空气输入至膨胀机，膨胀机驱动发电机输出电能，电能再返回至电网；膨胀机产生冷空气，并将冷空气存储至储冷装置。
具体地，压缩空气储能系统包括电动机、压缩机、第一换热器、储气空间、蓄热器、第二换热器、膨胀机和发电机。
当风电、光伏以及小水电的电能输出量大于用户的电负荷需求量时，启动压缩空气储能系统，储存过多的可再生能源电能。在电能储存的时候，使用电网中的可再生电能驱动电动机，再通过电动机驱动压缩机做功，将常压空气增加压力，变成压力很高的压缩空气，储存在储气空间当中。在这个过程中，压缩机工作会产生热量，压缩机排出的空气具有较高的温度，携带者热量。此时，在第一换热器中通过导热工质与热空气进行换热，将热空气携带的热量回收，形成高温导热工质存储在蓄热器；另外，换热器中的高温导热工质可以将输入的冷水加热生成高温热水并存储。可选地，导热工质可以是导热油。
当用户侧的电负荷需求大于发电系统发出的电能时，启动压缩空气储能系统输出电能，供应给用户。在压缩空气储能系统对外输出电能的过程中，首先释放储气空间中的高压力空气，空气经过第二换热器加热后进入膨胀机膨胀，膨胀机传动轴驱动发电机输出电能，电能再返回至电网。在这个过程中，水进入蓄热器升温后进入第二换热器对膨胀机中的空气进加热，这部分经过加热的热水在完成空气加热之后被输送至储热装置中储存(其中进入蓄热器的冷水经过加热后会生成温度很高的热水，此时温度很高的热水进入第二换热器对压缩空气进行加热，此时温度很高的热水会出现降温，生成温度合适的热水，将温度合适的热水存储在储热装置中)，为用户的热能输送网络使用。此外，压缩空气储能系统的排气温度较低，可以通过调节膨胀机入口空气的温度，可以使得膨胀机的排气温度可以达到零下20度左右，这部分冷空气携带者大量的冷能。该冷能可以存储在储冷装置中，为用户提供冷能。
该压缩空气储能系统通过变压器与电网连通，能够与电网进行电能的交换，对风电、光伏发电以及小水电等可再生能源电能进行储存与释放，通过压缩空气储能系统的电能储存与释放来达到电网调节的功能，实现电网的安全稳定运行。
在一个实施例中，第一换热器和/或第二换热器的数量为多个。
如图2所示，第一换热器和第二换热器的数量可以是多个，当采用多个换热器时可以快速实现热量的转换。
应当理解，尽管在本实施例中采用术语第一、第二、第三和第四等来描述换热器，但换热器并不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的得分彼此区分开。
在一个实施例中，还包括电能输送网；电能输出网连接电网，用于为用户输送电能。
请参照图2所示，综合能源系统还包括电能输送网，其中电能输送网连接电网，用于为用户输送电能。
在一个实施例中，还包括冷能输送网；储冷装置(即图2中的对外供冷的储冷装置)连接冷能输送网，通过冷能输送网为用户输送冷空气。
请参照图2，综合能源系统还包括冷能输送网；储冷装置连接冷能输送网，通过冷能输送网为用户输送冷空气。
在一个实施例中，还包括热能输送网；储热装置(即图2中的对外供热的储热装置)连接热能输送网，通过热能输送网为用户输送热水。
请参照图2，综合能源系统还包括热能输送网；储热装置连接热能输送网，通过热能输送网为用户输送热水。
在一个实施例中，还包括电制冷设备，电制冷设备的一端连接电能输送网，另一端连接冷能输送网；电制冷设备采用电能产生冷空气并通过冷能输送网为用户输送冷空气。
如图2所示，在本实施例中，综合能源系统还包括电制冷设备；电制冷设备从电能输送网上取电，将电能转变为冷能，作为供冷网络的冷能补充，以更好的满足冷能需求用户的供冷需求。
在一个实施例中，还包括集热器；集热器连接热能输送网，通过热能输送网为用户输送热能。
如图2所示，在本实施例中，综合能源系统还包括集热器。可选地，集热器可以是太阳能集热器；太阳能集热器，将太阳能转变为热能，输入至供热网络中，以满足热用户的供热需求。
在一个实施例中，电制冷设备和/或集热器的数量为多个。
可选地，电制冷设备以及集热器的数量可以是多个；在实际使用中，可以根据用户热能以及冷能需求量配置相应数量的电制冷设备和集热器。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种综合能源系统，其特征在于，包括：发电系统、电化学储能系统、压缩空气储能系统、储冷装置和储热装置；其中所述发电系统、所述电化学储能系统和所述压缩空气储能系统的一端分别连接电网，所述压缩空气储能系统的另一端分别连接所述储冷装置和所述储热装置；
当所述发电系统的发电量大于用户侧电负荷需求时，所述电化学储能系统和所述压缩空气储能系统进行电能存储；当所述压缩空气储能系统进行电能存储时产生热量，所述热量用于产生热水，所述热水存储至所述储热装置，用于对用户输出热能；
当所述发电系统的发电量小于用户侧电负荷需求时，所述电化学储能系统和/或所述压缩空气储能系统输出电能至电网；当所述压缩空气储能系统输出电能至电网时产生冷空气；所述冷空气存储于所述储冷装置，用于对用户输出冷能。
2.根据权利要求1所述的综合能源系统，其特征在于，所述压缩空气储能系统包括电动机、压缩机、第一换热器、储气空间、蓄热器、第二换热器、膨胀机和发电机；所述电动机通过变压器连接电网，所述电动机的机械传动轴连接所述压缩机，所述第一换热器分别连接所述压缩机、储气空间和蓄热器；所述储气空间释放的压缩空气依次通过所述第二换热器和膨胀机，所述膨胀机的机械传动轴与所述发电机相连，所述发电机通过所述变压器连接电网；所述蓄热器连接所述第二换热器，所述第二换热器连接所述储热装置；所述膨胀机连接所述储冷装置；
当所述发电系统的发电量大于用户侧电负荷需求时，所述发电系统产生的电能驱动所述电动机带动所述压缩机压缩空气，将常压空气转换成压缩空气存储于所述储气空间；所述压缩机产生热空气，将所述热空气通过与所述第一换热器中导热工质进行热交流，得到升温后的导热工质，所述升温后的导热工质用于对所述蓄热器的冷水进行加热生成热水；
当所述发电系统的发电量小于用户侧电负荷需求时，所述储气空间释放所述压缩空气至所述第二换热器，所述第二换热器采用所述蓄热器中的热水对所述压缩空气进行加热，将加热后的压缩空气输入至所述膨胀机，所述膨胀机驱动所述发电机输出电能，所述电能再返回至电网；所述膨胀机产生冷空气，并将所述冷空气存储至所述储冷装置。
3.根据权利要求2所述的综合能源系统，其特征在于，所述第一换热器和/或所述第二换热器的数量为多个。
4.根据权利要求1-3任一项所述的综合能源系统，其特征在于，还包括电能输送网；所述电能输出网连接电网，用于为用户输送电能。
5.根据权利要求4所述的综合能源系统，其特征在于，还包括冷能输送网；所述储冷装置连接所述冷能输送网，通过所述冷能输送网为用户输送冷空气。
6.根据权利要求5所述的综合能源系统，其特征在于，还包括热能输送网；所述储热装置连接所述热能输送网，通过所述热能输送网为用户输送热水。
7.根据权利要求6所述的综合能源系统，其特征在于，还包括电制冷设备，所述电制冷设备的一端连接电能输送网，另一端连接所述冷能输送网；所述电制冷设备采用电能产生冷空气并通过所述冷能输送网为用户输送所述冷空气。
8.根据权利要求7所述的综合能源系统，其特征在于，还包括集热器；所述集热器连接所述热能输送网，通过所述热能输送网为用户输送热能。
9.根据权利要求8所述的综合能源系统，其特征在于，所述电制冷设备和/或所述集热器的数量为多个。
10.根据权利要求5-9任一项所述的综合能源系统，其特征在于，所述发电系统包括风力发电系统、光伏发电系统和水力发电系统。
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