CN113364036A - 一种综合能源利用系统 - Google Patents

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CGN SOLAR ENERGY DEVELOPMENT CO LTD
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Abstract

本申请涉及发电技术领域，尤其涉及的是一种综合能源利用系统。综合能源利用系统通过对多种能源综合利用产生电能，有助于提高供电侧的供电稳定，减少弃电，实现能源梯度利用，提高能源利用效率。而且还可通过对用电负荷侧的短期用电预测，提高对用电负荷侧用电的判断与控制，提高发电子系统、储能子系统、市政电网等电网络的稳定。

Description

一种综合能源利用系统
技术领域
本申请涉及发电技术领域，尤其是涉及一种综合能源利用系统。
背景技术
利用太阳能、风力、潮汐等可再生能源发电，能够节约大量化石类不可再生的资源。随着各类可再生能源发电站的建设增加，有可再生能源发电站产生的电并入电网的电量也持续增长。
由于自然资源分布不均，可再生能源发电站多远离负荷区域。因此需要通过高压输电技术或直流输电技术等送电技术进行大范围的电能输送。
针对上述中的相关技术，发明人认为风力、太阳能等能源具有随机波动性，对应产生的电能也随机波动；将利用可再生能源产生的电能通过送电技术并入市政电网看，容易对市政电网产生冲击、影响市政电网稳定运行。
发明内容
为了减少利用可再生能源产生的电能对电网的冲击影响，本申请提供了一种综合能源利用系统。
本申请提供的一种综合能源利用系统，采用如下的技术方案：
一种综合能源利用系统，包括发电子系统、储能子系统和热功转换子系统；
所述发电子系统用于利用能源产生电能，并将电能并入市政电网；所述发电子系统包括风力发电设备组、光伏发电设备组和光热发电设备组；
所述储能子系统分别连接于发电子系统及市政电网；所述储能子系统用于在用电低谷期储存发电子系统富余的电能，并在用电尖峰期向市政电网补充电能；
所述热功转换子系统分别连接于发电子系统、储能子系统和市政电网；所述热功转换子系统的输出端连接于热水负荷、制冷负荷或采暖负荷。
通过采用上述技术方案，本申请至少利用风力和太阳能两种能源进行发电，可减少供电侧的间歇，并将供电侧产生的多于负荷侧的电能通过储能子系统储存，用于在用电尖峰期补充负荷侧对市政电网电能的需求。
发电子系统可采用光伏发电技术、光热发电技术、水电发电技术、风力发电技术或生物质发电技术等发电技术实现将特定能源转换为电能等。
而且热功转换子系统与储能子系统或市政电网连接时，用于将电能转换为热能供热负荷端使用或将电能转换为冷源供冷负荷使用；当发电子系统采用光热发电技术实现发电时，热功转换子系统可直接与发电子系统连接，直接获取光热发电技术中产生的热能。
可选的，所述储能子系统包括储电设备、储热设备和电加热设备；
所述储电设备分别连接于风力发电设备组、光伏发电设备组和光热发电设备组、市政电网及热功转换子系统；
所述储热设备分别连接于光热发电设备组和热功转换子系统；所述储热设备通过电加热设备连接于风力发电设备组及光伏发电设备组。
通过采用上述技术方案，在用电低谷期，可将富余的电能储存至储电设备或通过电加热设备储存至储热设备，减少弃风弃光弃电等能源浪费。
在用电尖峰期，储电设备、储热设备可向市政电网补充电能。
可选的，所述储热设备包括至少两用于储存导热介质的储存容器；至少一所述储存容器用于储存加热后的导热介质；至少一所述储存容器，用于储存加热前的导热介质；每一所述储存容器顶部均设有两通口，所述通口设有用于输送导热介质的工作泵。
通过采用上述技术方案，将富余的电能对导热介质进行加热，实现电热转换，并采用不同的储存容器分别储存不同温度的导热介质，有助于后续热能转换与使用。而且加热前后的导热介质储存至不同的储存容器，可降导热介质加热前后较高温度差对储存容器造成的损害。储存容器的工作泵用于向储热容器中抽取或注入导热介质。
可选的，所述工作泵为用于将导热介质从储存容器抽出的抽取泵或用于往储存容器输入导热介质的输入泵；所述输入泵远离储存容器的另一端通过管道连接于电加热设备；用于储存加热后导热介质的储存容器包括抽取泵和输入泵。
通过采用上述技术方案，根据实际使用需求，储存容器可切换不同温度的导热介质。在用电尖峰期，可将用于存储加热后导热介质的储存容器更换为储存经过热转换子系统完成热电转换的导热介质，此时导热介质相当于加热前的导热介质，温度较低。
可选的，用于储存加热前导热介质的储存容器包括抽取泵和输入泵。
通过采用上述技术方案，在用电低谷期，用于储存加热后导热介质的储存容器不足，则可将用于储存加热前的储存容器更换为储存加热后的导热介质。
可选的，所述储存容器为熔盐罐；所述导热介质为熔融盐。
通过采用上述技术方案，熔融盐具有较高的导热特性，可提高储热性能。
可选的，用于储存加热后导热介质的储存容器内设有浸入式加热器。
通过采用上述技术方案，通过浸入式加热器可使加热后导热介质保持较高的温度，确保后续热电转换使用或直接供热使用。
可选的，所述储能子系统包括电动机、空气压缩机、冷却器、压力储能容器、回热器、涡轮机、空压发电机；
电动机用于将电能转换为驱动空气压缩机运行的动能；
空气压缩机利用电动机产生的动能，对空气进行压缩；
冷却器用于对进入压力储能容器前的空气进行冷却，降低空气在压力储能容器中的损耗；
回热器用于对空气进行加热，驱动涡轮机运行；
涡轮机用于对从压力储能容器输出的空气进行降压，将空气内能转换为动能；
空压发电机用于将涡轮机产生的动能转化为电能。
通过采用上述技术方案，储能子系统可采用压缩空气的方式，在用电低谷期将电能转换为空气内能，并存储至压力储能容器中，待用电尖峰期再将空气内能转换为电能使用。
可选的，还包括用电负荷监测子系统和中控子系统；所述用电负荷监测子系统用于根据用电负荷侧的历史用电数据，并根据历史用电数据预测用电负荷侧的短期预用电数据；
所述中控子系统根据短期预用电量控制发电子系统并入市政电网的电能，还用于启动储能子系统。
通过采用上述技术方案，通过对用电负荷侧的短期用电预测，提高对用电负荷侧用电的判断与控制，提高发电子系统、储能子系统、市政电网等电网络的稳定。
可选的，所述发电子系统还包括火力发电站、生物质电站、潮汐能发电站或水力发电站。
通过采用上述技术方案，发电子系统增加火力发电、生物质发电、潮汐发电或水力发电中一种或多种，综合多种能源发电，进一步提高供电侧的供电稳定，减少弃电，有助于能源梯度利用，提高能源利用效率。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.本申请至少利用风力和太阳能两种能源进行发电，可减少供电侧的间歇，并将供电侧产生的多于负荷侧的电能通过储能子系统储存，用于在用电尖峰期补充负荷侧对市政电网电能的需求；
2.通过对用电负荷侧的短期用电预测，提高对用电负荷侧用电的判断与控制，提高发电子系统、储能子系统、市政电网等电网络的稳定；
3.综合多种能源发电，进一步提高供电侧的供电稳定，减少弃电，有助于能源梯度利用，提高能源利用效率。
附图说明
图1是本申请综合能源利用系统用电低谷期的原理框图；
图2是本申请综合能源利用系统用电尖峰的原理框图；
图3是本申请负荷侧部分负荷的供电原理框图；
图4是本申请用电低谷期负荷侧部分负荷的一种供电原理框图；
图5是本申请用电尖峰期负荷侧部分负荷的一种供电原理框图；
图6是本申请实施例2中储能子系统的原理框图。
附图标记说明：1、发电子系统；11、风力发电设备组；12、光伏发电设备组；13、光热发电设备组；
2、储能子系统；21、储电设备；22、储热设备；23、电动机；24、空气压缩机；25、冷却器；26、压力储能容器；27、回热器；28、涡轮机；29、空压发电机；30、电加热设备；
4、市政电网；5、热功转换子系统；6、制冷负荷；7、采暖负荷；8、热水负荷。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-6及实施例，对本申请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用以解释本申请，并不用于限定本申请。
实施例1
本申请实施例公开一种综合能源利用系统。
参照图1，一种综合能源利用系统，包括发电子系统1、储能子系统2和热功转换子系统5。
发电子系统1用于利用能源产生电能，并将电能并入市政电网4；储能子系统2分别连接于发电子系统1及市政电网4；热功转换子系统5分别连接于储能子系统2和市政电网4。
用电低谷期，储能子系统2可将发电子系统1与市政电网4富余的电能直接或间接储存，减少弃电；也可以将富余的电能通过热功转换子系统5直接转化为热负荷。用电尖峰期，储能子系统2可将储存的能量转换为电能，补充市政电网4，实现能量梯度利用，提高能源利用效率。
参考图1、图2，发电子系统1用于利用包括风力发电设备组11、光伏发电设备组12和光热发电设备组13。
风力发电设备组11用于利用风力发电，光伏发电设备组12用于利用太阳能发电，光热发电设备组13用于利用太阳能及光热转换装置发电。
具体的，光伏发电设备组12与光热发电设备组13可架设在阳光充足、无遮挡的地理位置；而风力发电设备组11可架设在风力较大且稳定的区域，比如高山或海边等。风力发电设备组11可架设在光伏发电设备组12与光热发电设备组13的外围，用于减少风力对光伏发电设备组12与光热发电设备组13的破坏与影响，且利用风力与太阳能发电的多种发电设备集中紧凑布置构建的发电场所也便于电力工作人员集中维护与监控，结构紧凑还可提高占地空间的利用率。
根据实际需求及地理环境因素等，发电子系统1还可包括火力发电站、生物质电站、潮汐能发电站或水力发电站；由此实现多种能源综合利用发电。
参考图3，用电负荷侧可直接通过市政电网4获得供电，也可以通过储能子系统2获得供电。用电负荷侧可包括热水负荷8、制冷负荷6或采暖负荷7。用电负荷侧通过总线与市政电网4及储能子系统2连接。
参考图4、图5，具体的，热功转换子系统5用于将电能转换为热能供热负荷端使用或将电能转换为冷源供冷负荷使用；热功转换子系统5的输出端连接于热水负荷8、制冷负荷6或采暖负荷7。市政电网4的电能具体用途中加热水、制冷、采暖等为主要的消费内容，因此通过热功转换子系统5将富余的电能或光热发电设备组13提供的热能直接连接于热水负荷8、智能负荷或采暖负荷7，可提高能量转换效率，提高能源利用效果。
参考图1，储能子系统2用于在用电低谷期储存发电子系统1富余的电能，并在用电尖峰期向市政电网4补充电能。储能子系统2包括储电设备21、储热设备22和电加热设备30。
储电设备21分别连接于风力发电设备组11、光伏发电设备组12和光热发电设备组13、市政电网4及热功转换子系统5，用于直接存储富余的电能。储电设备21可以是锂电池组、化学蓄电池或液流电池等。
储热设备22分别连接于光热发电设备组13和热功转换子系统5；用电低谷期，光热发电设备组13利用太阳能加热产生的热能可直接传递至储热设备22，无需经过热电传递发电后再储存，可有效减少能量浪费。
储热设备22通过电加热设备30连接于风力发电设备组11及光伏发电设备组12，通过电加热转换，将富余的电能转换为热能进行储存。
具体的，储热设备22包括至少两储存容器；至少一储存容器用于储存加热后的导热介质；至少一储存容器用于储存加热前的导热介质。也就是说，储存容器至少包括一高温容器和一低温容器。
每一储存容器顶部均设有两通口，通口设有工作泵，工作泵用于输送导热介质。工作泵可为抽取泵，也可为输入泵；抽取泵用于将导热介质从储存容器抽出。输入泵用于往储存容器输入导热介质；输入泵远离储存容器的另一端通过管道连接于电加热设备30。
本实施例中，每一储存容器的均设有抽取泵与输入泵。而且用于储存加热后导热介质的储存容器内设有浸入式加热器，浸入式加热器用于。
温度较低的情况下，导热介质可能出现结块或结晶，并因此影响加热前导热介质的传输；因此低温容器中还可设置搅拌导热介质的扰动装置，有助于提高导热介质的均匀，减少结块或结晶。
储存容器可为熔盐罐，熔盐罐可埋设于地下或半埋设于地下。对应的，导热介质可为熔盐、导热油或水等具有传递热能的流体，本实施例中导热介质为熔盐。熔盐储能在可再生能源消纳、清洁能源取暖等方面，具有更多优势。
发电子系统1可采用光伏发电技术、光热发电技术、水电发电技术、风力发电技术或生物质发电技术等发电技术实现将特定能源转换为电能等。
具体的，光伏发电技术是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术；风力发电技术是将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的技术；光热发电技术是将太阳能转化为热能，再将热能转化为电能的技术。
其中，光伏发电技术和风力发电技术受到位置环境等因素影响，发电较为不稳定，并入电网供电效率较差。光热发电技术发电过程中需要采用储热系统对由太阳能转化的热能进行储存，可解决太阳光资源间歇性特点造成的机组出力不稳定问题，具备更好的电网友好性。光热发电设备组13因其配置储热设备22或储热系统可以作为光伏发电设备组12中的主力机组承担基本负荷，也可以作为采用本系统的电力系统中用于调节电路峰谷的调峰机组承担调峰负荷。同时，与常规电池相比，光热发电设备组13的储热系统成本只有十分之一左右，且其运行效率更高，损耗更低。从调峰技术层面上看，大容量、低成本的储热系统能够更快速、更深度地调节出力调节。比如，在15分钟以内就可以实现20%-100%的电力调节，其速度比火电发电效率更快、深度更深。本申请实施例一种综合能源利用系统的实施原理是：
在用电低谷期，由风力发电设备组11与光伏发电设备组12产生的富余的电能，以及市政电网4富余的电能均可直接储存于储能子系统2中的储电设备21，也可通过电加热设备30储存于储热设备22中。
由光热发电设备组13产生的富余的热能可直接储存于储热设备22，或者直接通过热功转换设备储存至储电设备21或其他非直接用电负荷侧。
在用电尖峰期，储电设备21储存的电能直接传输至市政电网4，储热设备22可通过热功转换子系统5进行热-电转换后再将电能输送至市政电网4。
实施例2
本申请实施例公开一种综合能源利用系统。
基于实施例1，本申请实施例与实施例1的区别在于：
参考图6，储能子系统2包括电动机23、空气压缩机24、冷却器25、压力储能容器26、回热器27、涡轮机28和空压发电机29。
电动机23用于将电能转换为驱动空气压缩机24运行的动能；空气压缩机24利用电动机23产生的动能，对空气进行压缩；冷却器25用于对进入压力储能容器26前的空气进行冷却，降低空气在压力储能容器26中的损耗；回热器27用于对空气进行加热，驱动涡轮机28运行；涡轮机28用于对从压力储能容器26输出的空气进行降压，将空气内能转换为动能；空压发电机29用于将涡轮机28产生的动能转化为电能。
储能即将电能转换为空气内能时，启动电动机23，驱动空气压缩机24进行抽取空气、压缩空气，并将空气压缩至压力储能容器26；空气压缩过程中将产生大量的热量，可通过冷却器25进行冷却，提高空气内能压缩效率。
释放能量，即通过空气内能发电时，采用回热器27对由压力储能容器26输出的空气进行加热，使其释放能量驱动涡轮机28带动空压发电机29产生电能。
本实施例中，储能子系统2采用压缩空气的方式，在用电低谷期将电能转换为空气内能，并存储至压力储能容器26中，待用电尖峰期再将空气内能转换为电能使用。
区别于实施例1中采用储电方式进行储能、实施例2中采用压缩空气方式进行储能，还可以使用超级电容器等进行电磁储能、使用抽水蓄能或飞轮储能方式实现其他物理储能。
实施例3
本申请实施例公开一种综合能源利用系统。
基于实施例1或实施例2，综合能源利用系统还包括用电负荷监测子系统和中控子系统；通过对用电负荷侧的短期用电预测，可以提高对用电负荷侧用电的预估，便于实现对发电子系统1与储能子系统2的操控，提高发电子系统1、储能子系统2、市政电网4等电网络的稳定。
用电负荷监测子系统用于预测用电负荷侧的用电需求。具体预测方法包括：
S100：将用电侧划分为若干用电单元区。
具体的，划分规则可以按行政规划，也可以按照商用电或居民用电进行规划。
S200：获取每一用电单元区内的历史用电数据；历史用电数据包括每日不同时间段内的用电负荷信息。
具体的，采用实时监测方式连续一段时间内（连续监测时间段可以是一个月、半年或一年，具体根据用电单元区内用电稳定性确定）对每一用电单元区中每日不同时间段的时间点用电负荷量，并关联时间轴形成用电负荷信息。
S300：分析每一用电单元区内的不同日中用电量变化较大的时间段，并对该时间段重点标识。
具体的，比如A用电单元区X月5日内12点-13点用电量为2万千瓦，A用电单元区X月8日内12点-13点用电量为50万千瓦，则说明A用电单元区12点-13点用电量存在较大变化，则将12-13点这个时间段重点标识。同时分析该时间段中不同日中的差异性。
分析该时间段中用电量变化较大的原因，以利于更精确预测用电单元区内用电需求。
S400：结合用电负荷信息及用电量变化较大的时间段，分析用电单元区内的用电规律。
S500：根据用电规律预测用电单元区内具体时间段的需求用电量。
根据用电负荷侧的历史用电数据，并根据历史用电数据预测用电负荷侧的短期预用电数据。历史用电数据可以是同一区域居民生活工作中产生的用电量的数据，也可以是同一类型较大电能消费用户（如制造厂等）用电量，或者电能消费用户的增减等。
中控子系统根据短期预用电量控制发电子系统1并入市政电网4的电能，还可用于启动储能子系统2。
利用大数据分析，形成对发电子系统1供电范围内的电能消费用户短期内的用电情况进行预估，可以配合利用风力发电及利用太阳能发电存在的间隙发电特性，通过用电侧倒推供电侧需提供的电能，进而使整个供电侧相对稳定，利于能量梯度利用，提高能源利用效率。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，本说明书（包括摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (10)

1.一种综合能源利用系统，其特征在于，包括发电子系统(1)、储能子系统(2)和热功转换子系统(5)；
所述发电子系统(1)用于利用能源产生电能，并将电能并入市政电网(4)；所述发电子系统(1)包括风力发电设备组(11)、光伏发电设备组(12)和光热发电设备组(13)；
所述储能子系统(2)分别连接于发电子系统(1)及市政电网(4)；所述储能子系统(2)用于在用电低谷期储存发电子系统(1)富余的电能，并在用电尖峰期向市政电网(4)补充电能；
所述热功转换子系统(5)分别连接于发电子系统(1)、储能子系统(2)和市政电网(4)；所述热功转换子系统(5)的输出端连接于热水负荷(8)、制冷负荷(6)或采暖负荷(7)。
2.根据权利要求1所述的综合能源利用系统，其特征在于：所述储能子系统(2)包括储电设备(21)、储热设备(22)和电加热设备(30)；
所述储电设备(21)分别连接于风力发电设备组(11)、光伏发电设备组(12)和光热发电设备组(13)、市政电网(4)及热功转换子系统(5)；
所述储热设备(22)分别连接于光热发电设备组(13)和热功转换子系统(5)；所述储热设备(22)通过电加热设备(30)连接于风力发电设备组(11)及光伏发电设备组(12)。
3.根据权利要求2所述的综合能源利用系统，其特征在于：所述储热设备(22)包括至少两用于储存导热介质的储存容器；至少一所述储存容器用于储存加热后的导热介质；至少一所述储存容器，用于储存加热前的导热介质；每一所述储存容器顶部均设有两通口，所述通口设有用于输送导热介质的工作泵。
4.根据权利要求3所述的综合能源利用系统，其特征在于：所述工作泵为用于将导热介质从储存容器抽出的抽取泵或用于往储存容器输入导热介质的输入泵；所述输入泵远离储存容器的另一端通过管道连接于电加热设备(30)；用于储存加热后导热介质的储存容器包括抽取泵和输入泵。
5.根据权利要求4所述的综合能源利用系统，其特征在于：用于储存加热前导热介质的储存容器包括抽取泵和输入泵。
6.根据权利要求3所述的综合能源利用系统，其特征在于：所述储存容器为熔盐罐；所述导热介质为熔融盐。
7.根据权利要求3所述的综合能源利用系统，其特征在于：用于储存加热后导热介质的储存容器内设有浸入式加热器。
8.根据权利要求1所述的综合能源利用系统，其特征在于：所述储能子系统(2)包括电动机(23)、空气压缩机(24)、冷却器(25)、压力储能容器(26)、回热器(27)、涡轮机(28)、空压发电机(29)；
电动机(23)用于将电能转换为驱动空气压缩机(24)运行的动能；
空气压缩机(24)利用电动机(23)产生的动能，对空气进行压缩；
冷却器(25)用于对进入压力储能容器(26)前的空气进行冷却，降低空气在压力储能容器(26)中的损耗；
回热器(27)用于对空气进行加热，驱动涡轮机(28)运行；
涡轮机(28)用于对从压力储能容器(26)输出的空气进行降压，将空气内能转换为动能；
空压发电机(29)用于将涡轮机(28)产生的动能转化为电能。
9.根据权利要求1所述的综合能源利用系统，其特征在于：还包括用电负荷监测子系统和中控子系统；所述用电负荷监测子系统用于根据用电负荷侧的历史用电数据，并根据历史用电数据预测用电负荷侧的短期预用电数据；
所述中控子系统根据短期预用电量控制发电子系统(1)并入市政电网(4)的电能，还用于启动储能子系统(2)。
10.根据权利要求1所述的综合能源利用系统，其特征在于：所述发电子系统(1)还包括火力发电站、生物质电站、潮汐能发电站或水力发电站。
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