CN114110717A - 太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统及其工作方法 - Google Patents

太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统及其工作方法，属于清洁供暖技术领域。本系统集成了电厂冷凝器、太阳能发电系统、热泵、浅层地热地埋管、太阳能水箱和太阳能制热系统，通过系统中的各阀门，能够使系统在夏季联合蓄热模式和冬季联合供暖模式间切换。利用太阳能发电及加热冷水，减小了冬季供暖的碳排放。太阳能发电系统为热泵直接提供电力，冬季太阳能制热系统制取的热水作为辅助热源为用户侧供暖。使用浅层地埋管及周围岩土作为反季节储能载体，利用浅层岩土在夏季储存电厂废热，冬季取出浅层地热能，相对于无夏季储能的浅层地源热泵供暖系统，解决了冬季浅层地源热泵供暖系统供暖效果差，供暖时间短的问题。

Description

太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统及其工作方法
技术领域
本发明属于清洁供暖技术领域，具体涉及一种太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统及其工作方法。
背景技术
地热能是一种清洁度极高的可再生热能，具备清洁、环保、可循环使用等特点。世界各地的地层中储存了大量的热量，中深层地热能作为一种可再生能源，适合应用于集中供热。
但浅层地热能不能作为独立的能源使用，必须借助热泵才能利用，运行时需要消耗一部分高品位能源，主要是电能。目前，浅层地源热泵是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源实现由低品位热能向高品位热能转移的装置。
另外，浅层地热能应用过程中还存在冷热不平衡问题，在北方严寒地区，地源热泵主要应用于冬季供暖，热泵持续的取热会导致地下热量削弱过多，因此在冬季，地源热泵取热一段时间后，由于浅层地热的削弱，热泵取热难，能源消耗大，有效供暖时间变短，导致造成了能源的很大浪费和供暖效果变差的现象。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统及其工作方法，综合利用了电厂冷凝水余热、太阳能和浅层地热能，提高浅层地热能在冬季的供热能力和持续时间。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统，包括电厂冷凝器、太阳能发电系统、热泵、浅层地热地埋管、太阳能水箱和太阳能制热系统；
电厂冷凝器的热侧进口连接至汽轮机末端乏汽源，太阳能发电系统与热泵连接，太阳能制热系统与太阳能水箱连接；浅层地热地埋管的一端设有第一管口，另一端设有第二管口；电厂冷凝器的冷侧出口、热泵的蒸发器换热侧进口和第五三通点分别与第一三通点连接；热泵的冷凝器换热侧出口、用户侧的第一进口和第五三通点分别与第二三通点连接；电厂冷凝器的冷侧进口、热泵的蒸发器换热侧出口和第六三通点分别与第三三通点连接；热泵的冷凝器换热侧进口、用户侧的第一出口和第六三通点分别与第四三通点连接；第五三通点、第七三通点和第一管口分别与第八三通点连接；太阳能水箱的出口和用户侧的第二进口分别与第七三通点连接；第六三通点、第九三通点和第二管口分别与第十三通点连接；太阳能水箱的进口和用户侧的第二出口分别与第九三通点连接；
第一三通点与第五三通点之间设有第一阀门，第二三通点与第五三通点之间设有第二阀门，第三三通点与第六三通点之间设有第三阀门，第四三通点与第六三通点之间设有第四阀门，第七三通点与第八三通点之间设有第五阀门，第九三通点与第十三通点之间设有第六阀门，第七三通点与用户侧的第二进口之间设有第七阀门，第九三通点与用户侧的第二出口之间设有第八阀门，第四三通点与用户侧的第一出口之间设有第九阀门，第二三通点与用户侧的第一进口之间设有第十阀门。
优选地，热泵的蒸发器换热侧出口与第三三通点之间设有第一循环泵，热泵的冷凝器换热侧出口与第二三通点之间设有第二循环泵，太阳能制热系统与太阳能水箱之间设有第三循环泵，太阳能水箱的出口与第七三通点之间设有第四循环泵，用户侧的第二出口与第九三通点之间设有第五循环泵。
优选地，热泵连接有外接电源。
优选地，热泵连接有储能电池组，储能电池组与太阳能发电系统连接。
优选地，浅层地热地埋管包括多组串联的U形管。
优选地，浅层地热地埋管的埋藏深度为100～1000m。
优选地，太阳能发电系统和太阳能制热系统中的光伏组件上设有方位角调节机构和俯仰角调节机构。
优选地，太阳能水箱外壁包覆有隔热层。
优选地，用户侧的第一进口与第二进口处设有测温装置。
本发明公开了上述太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统的工作方法，包括以下工作模式：
夏季联合蓄热模式：开启第二阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，关闭第一阀门、第三阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门和第十阀门；汽轮机末端乏汽由热侧进口进入电厂冷凝器与冷却水换热，升温后的冷却水进入热泵释放热量后循环回到电厂冷凝器；热泵制取的热水由第一管口进入浅层地热地埋管，同时太阳能制热系统制取的热水进入太阳能水箱，由第一管口进入浅层地热地埋管，将热量储存于地下；热水释放热量后由第二管口排出，分别回到热泵和太阳能制热系统再次被加热，形成循环；
冬季联合供暖模式：开启第一阀门、第三阀门、第七阀门、第八阀门、第九阀门和第十阀门，关闭第二阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门；汽轮机末端乏汽由热侧进口进入电厂冷凝器与冷却水换热，升温后的冷却水进入热泵释放热量后一部分循环回到电厂冷凝器吸热，另一部分由第二管口进入浅层地热地埋管吸热后送入热泵释放热量；热泵制取的热水由用户侧的第一进口送入用户侧供暖，然后由用户侧的第一出口回到热泵吸热；太阳能制热系统制取的热水进入太阳能水箱，由用户侧的第二进口送入用户侧供暖，然后由用户侧的第二出口回到太阳能制热系统吸热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统，本系统集成了电厂冷凝器、太阳能发电系统、热泵、浅层地热地埋管、太阳能水箱和太阳能制热系统，通过系统中的各阀门，能够使系统在夏季联合蓄热模式和冬季联合供暖模式间切换。一方面利用清洁能源太阳能发电系统驱动热泵回收电厂冷凝器冷却水废热；另一方面利用太阳能加热冷水，将其共同注入地下储存，避免了将电厂废热直接排入大气造成的热浪费，减小了冬季供暖的碳排放。太阳能发电系统为热泵直接提供电力，冬季，太阳能制热系统可以继续投入运行，制取的热水作为辅助热源为用户侧供暖。使用浅层地埋管及周围岩土作为反季节储能载体，利用浅层岩土在夏季储存电厂废热，冬季取出浅层地热能，相对于无夏季储能的浅层地源热泵供暖系统，本系统增加了冬季浅层地热资源，解决了冬季浅层地源热泵供暖系统供暖效果差，供暖时间短的问题。
进一步地，通过在各主要管路上设置循环泵，保证系统内的工质流向，自动化程度高。
进一步地，热泵连接有外接电源，能够在太阳能发电系统供电量不足时，为热泵提供电力。
进一步地，热泵连接有储能电池组，储能电池组与太阳能发电系统连接，能够在太阳能富裕时进行储能，在太阳能匮乏时为热泵提供电力。
进一步地，太阳能发电系统和太阳能制热系统中的光伏组件上设有方位角调节机构和俯仰角调节机构，能够最大程度的利用光照资源。
进一步地，太阳能水箱外壁包覆有隔热层，能够减少热量损失。
进一步地，用户侧的第一进口与第二进口处设有测温装置，能够反馈进入用户侧的实时温度，使系统进行自动调节，避免温差过大。
本发明公开的上述太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统的工作方法，综合利用了电厂冷凝水余热、太阳能和浅层地热能，提高浅层地热能在冬季的供热能力和持续时间，节能减排。夏季蓄热热水从第一管口进入，冷却水从第二管口流出，进入热泵和太阳能制热系统循环加热；冬季取热时循环水流动方向相反，从第二管口流入，第一管口流出，以降低冬季取热时水温与岩土的温差，减小不可逆损失。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图中：1为电厂冷凝器，1-1为热侧进口，1-2为热侧出口，2为太阳能发电系统，3为热泵，4为用户侧，5为浅层地热地埋管，5-1为第一管口，5-2为第二管口，6为太阳能水箱，7为太阳能制热系统，V1～V10分别为第一阀门～第十阀门，P1～P5分别为第一循环泵～第五循环泵，A～J分别为第一三通点～第十三通点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
图1为本发明的太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统，包括电厂冷凝器1、太阳能发电系统2、热泵3、浅层地热地埋管5、太阳能水箱6和太阳能制热系统7；
电厂冷凝器1的热侧进口1-1连接至汽轮机末端乏汽源，太阳能发电系统2与热泵3连接，太阳能制热系统7与太阳能水箱6连接；浅层地热地埋管5的一端设有第一管口5-1，另一端设有第二管口5-2；电厂冷凝器1的冷侧出口、热泵3的蒸发器换热侧进口和第五三通点E分别与第一三通点A连接；热泵3的冷凝器换热侧出口、用户侧4的第一进口和第五三通点E分别与第二三通点B连接；电厂冷凝器1的冷侧进口、热泵3的蒸发器换热侧出口和第六三通点F分别与第三三通点C连接；热泵3的冷凝器换热侧进口、用户侧4的第一出口和第六三通点F分别与第四三通点D连接；第五三通点E、第七三通点G和第一管口5-1分别与第八三通点H连接；太阳能水箱6的出口和用户侧4的第二进口分别与第七三通点G连接；第六三通点F、第九三通点I和第二管口5-2分别与第十三通点J连接；太阳能水箱6的进口和用户侧4的第二出口分别与第九三通点I连接；
第一三通点A与第五三通点E之间设有第一阀门V1，第二三通点B与第五三通点E之间设有第二阀门V2，第三三通点C与第六三通点F之间设有第三阀门V3，第四三通点D与第六三通点F之间设有第四阀门V4，第七三通点G与第八三通点H之间设有第五阀门V5，第九三通点I与第十三通点J之间设有第六阀门V6，第七三通点G与用户侧4的第二进口之间设有第七阀门V7，第九三通点I与用户侧4的第二出口之间设有第八阀门V8，第四三通点D与用户侧4的第一出口之间设有第九阀门V9，第二三通点B与用户侧4的第一进口之间设有第十阀门V10。
在本发明的一个较优的实施例中，热泵3的蒸发器换热侧出口与第三三通点C之间设有第一循环泵P1，热泵3的冷凝器换热侧出口与第二三通点B之间设有第二循环泵P2，太阳能制热系统7与太阳能水箱6之间设有第三循环泵P3，太阳能水箱6的出口与第七三通点G之间设有第四循环泵P4，用户侧4的第二出口与第九三通点I之间设有第五循环泵P5。
在本发明的一个较优的实施例中，热泵3连接有外接电源。
在本发明的一个较优的实施例中，热泵3连接有储能电池组，储能电池组与太阳能发电系统2连接。
在本发明的一个较优的实施例中，浅层地热地埋管5包括多组串联的U形管。
在本发明的一个较优的实施例中，浅层地热地埋管5的埋藏深度为100～1000m。
在本发明的一个较优的实施例中，太阳能发电系统2和太阳能制热系统7中的光伏组件上设有方位角调节机构和俯仰角调节机构。
在本发明的一个较优的实施例中，太阳能水箱6外壁包覆有隔热层。
在本发明的一个较优的实施例中，用户侧4的第一进口与第二进口处设有测温装置。
上述太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统的工作方法，包括以下工作模式：
夏季联合蓄热模式：开启第二阀门V2、第四阀门V4、第五阀门V5和第六阀门V6，关闭第一阀门V1、第三阀门V3、第七阀门V7、第八阀门V8、第九阀门V9和第十阀门V10；汽轮机末端乏汽由热侧进口1-1进入电厂冷凝器1与冷却水换热后由热侧出口排出，升温后的冷却水由电厂冷凝器1的冷侧出口经第一三通点A进入热泵3，与蒸发器换热释放热量后经第一循环泵P1、第三三通点C后由电厂冷凝器1的冷侧进口循环回到电厂冷凝器1；与热泵3中冷凝器换热制取的热水经第二循环泵P2、第二三通点B、第二阀门V2、第五三通点E、第八三通点H后，由第一管口5-1进入浅层地热地埋管5；同时太阳能制热系统7制取的热水经第三循环泵P3进入太阳能水箱6，经第四循环泵P4、第七三通点G、第五阀门V5、第八三通点H后，由第一管口5-1进入浅层地热地埋管5，将热量储存于地下；热水释放热量后由第二管口5-2排出，一部分经第十三通点J、第六阀门V6、第九三通点I后回到太阳能制热系统7，另一部分经第十三通点J、第六三通点F、第四阀门V4、第四三通点D后回到热泵3，两部分循环水分别在热泵3和太阳能制热系统7再次被加热，形成循环；
冬季联合供暖模式：开启第一阀门V1、第三阀门V3、第七阀门V7、第八阀门V8、第九阀门V9和第十阀门V10，关闭第二阀门V2、第四阀门V4、第五阀门V5和第六阀门V6；汽轮机末端乏汽由热侧进口1-1进入电厂冷凝器1与冷却水换热后由热侧出口排出，升温后的冷却水由电厂冷凝器1的冷侧出口经第一三通点A进入热泵3，与蒸发器换热释放热量后一部分经第一循环泵P1、第三三通点C后由电厂冷凝器1的冷侧进口循环回到电厂冷凝器1；另一部分经第三三通点C、第三阀门V3、第六三通点F、第十三通点J后由第二管口5-2进入浅层地热地埋管5吸热后，由第一管口5-1经第八三通点H、第五三通点E、第一阀门V1、第一三通点A进入热泵3，与蒸发器换热释放热量；与热泵3中冷凝器换热制取的热水经第二循环泵P2、第二三通点B、第十阀门V10由用户侧4的第一进口送入用户侧4供暖，然后由第一出口经第九阀门V9、第四三通点D回到热泵3吸热；太阳能制热系统7制取的热水经第三循环泵P3进入太阳能水箱6，经第四循环泵P4、第七三通点G、第七阀门V7，由用户侧4的第二进口送入用户侧4供暖，然后由用户侧4的第二出口经第五循环泵P5、第八阀门V8、第九三通点I回到太阳能制热系统7吸热。
以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。

Claims (10)

1.一种太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统，其特征在于，包括电厂冷凝器(1)、太阳能发电系统(2)、热泵(3)、浅层地热地埋管(5)、太阳能水箱(6)和太阳能制热系统(7)；
电厂冷凝器(1)的热侧进口(1-1)连接至汽轮机末端乏汽源，太阳能发电系统(2)与热泵(3)连接，太阳能制热系统(7)与太阳能水箱(6)连接；浅层地热地埋管(5)的一端设有第一管口(5-1)，另一端设有第二管口(5-2)；电厂冷凝器(1)的冷侧出口、热泵(3)的蒸发器换热侧进口和第五三通点(E)分别与第一三通点(A)连接；热泵(3)的冷凝器换热侧出口、用户侧(4)的第一进口和第五三通点(E)分别与第二三通点(B)连接；电厂冷凝器(1)的冷侧进口、热泵(3)的蒸发器换热侧出口和第六三通点(F)分别与第三三通点(C)连接；热泵(3)的冷凝器换热侧进口、用户侧(4)的第一出口和第六三通点(F)分别与第四三通点(D)连接；第五三通点(E)、第七三通点(G)和第一管口(5-1)分别与第八三通点(H)连接；太阳能水箱(6)的出口和用户侧(4)的第二进口分别与第七三通点(G)连接；第六三通点(F)、第九三通点(I)和第二管口(5-2)分别与第十三通点(J)连接；太阳能水箱(6)的进口和用户侧(4)的第二出口分别与第九三通点(I)连接；
第一三通点(A)与第五三通点(E)之间设有第一阀门(V1)，第二三通点(B)与第五三通点(E)之间设有第二阀门(V2)，第三三通点(C)与第六三通点(F)之间设有第三阀门(V3)，第四三通点(D)与第六三通点(F)之间设有第四阀门(V4)，第七三通点(G)与第八三通点(H)之间设有第五阀门(V5)，第九三通点(I)与第十三通点(J)之间设有第六阀门(V6)，第七三通点(G)与用户侧(4)的第二进口之间设有第七阀门(V7)，第九三通点(I)与用户侧(4)的第二出口之间设有第八阀门(V8)，第四三通点(D)与用户侧(4)的第一出口之间设有第九阀门(V9)，第二三通点(B)与用户侧(4)的第一进口之间设有第十阀门(V10)。
2.根据权利要求1所述的太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统，其特征在于，热泵(3)的蒸发器换热侧出口与第三三通点(C)之间设有第一循环泵(P1)，热泵(3)的冷凝器换热侧出口与第二三通点(B)之间设有第二循环泵(P2)，太阳能制热系统(7)与太阳能水箱(6)之间设有第三循环泵(P3)，太阳能水箱(6)的出口与第七三通点(G)之间设有第四循环泵(P4)，用户侧(4)的第二出口与第九三通点(I)之间设有第五循环泵(P5)。
3.根据权利要求1所述的太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统，其特征在于，热泵(3)连接有外接电源。
4.根据权利要求1所述的太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统，其特征在于，热泵(3)连接有储能电池组，储能电池组与太阳能发电系统(2)连接。
5.根据权利要求1所述的太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统，其特征在于，浅层地热地埋管(5)包括多组串联的U形管。
6.根据权利要求1所述的太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统，其特征在于，浅层地热地埋管(5)的埋藏深度为100～1000m。
7.根据权利要求1所述的太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统，其特征在于，太阳能发电系统(2)和太阳能制热系统(7)中的光伏组件上设有方位角调节机构和俯仰角调节机构。
8.根据权利要求1所述的太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统，其特征在于，太阳能水箱(6)外壁包覆有隔热层。
9.根据权利要求1所述的太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统，其特征在于，用户侧(4)的第一进口与第二进口处设有测温装置。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的太阳能、电厂废热与浅层地热能耦合储能系统的工作方法，其特征在于，包括以下工作模式：
夏季联合蓄热模式：开启第二阀门(V2)、第四阀门(V4)、第五阀门(V5)和第六阀门(V6)，关闭第一阀门(V1)、第三阀门(V3)、第七阀门(V7)、第八阀门(V8)、第九阀门(V9)和第十阀门(V10)；汽轮机末端乏汽由热侧进口(1-1)进入电厂冷凝器(1)与冷却水换热，升温后的冷却水进入热泵(3)释放热量后循环回到电厂冷凝器(1)；热泵(3)制取的热水由第一管口(5-1)进入浅层地热地埋管(5)，同时太阳能制热系统(7)制取的热水进入太阳能水箱(6)，由第一管口(5-1)进入浅层地热地埋管(5)，将热量储存于地下；热水释放热量后由第二管口(5-2)排出，分别回到热泵(3)和太阳能制热系统(7)再次被加热，形成循环；
冬季联合供暖模式：开启第一阀门(V1)、第三阀门(V3)、第七阀门(V7)、第八阀门(V8)、第九阀门(V9)和第十阀门(V10)，关闭第二阀门(V2)、第四阀门(V4)、第五阀门(V5)和第六阀门(V6)；汽轮机末端乏汽由热侧进口(1-1)进入电厂冷凝器(1)与冷却水换热，升温后的冷却水进入热泵(3)释放热量后一部分循环回到电厂冷凝器(1)吸热，另一部分由第二管口(5-2)进入浅层地热地埋管(5)吸热后送入热泵(3)释放热量；热泵(3)制取的热水由用户侧(4)的第一进口送入用户侧(4)供暖，然后由用户侧(4)的第一出口回到热泵(3)吸热；太阳能制热系统(7)制取的热水进入太阳能水箱(6)，由用户侧(4)的第二进口送入用户侧(4)供暖，然后由用户侧(4)的第二出口回到太阳能制热系统(7)吸热。
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