CN114216152A - 一种偏远地区能源供给系统 - Google Patents

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李春龙
苟晓侃
张启珍
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Guoluo Power Supply Co Of Qinghai Electric Power Co
State Grid Corp of China SGCC
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Abstract

本申请涉及能源供给技术领域，尤其是涉及一种偏远地区能源供给系统，其包括供热系统和供电系统，供热系统包括太阳能集热器、第一集热水箱、螺杆热泵和相变储热池，太阳能集热器、第一集热水箱、螺杆热泵和相变储热池依次由第一供热管道和第一冷水管道连通；供电系统包括PVT光伏组件、双向储能逆变器和蓄电池，双向储能逆变器一端与PVT光伏组件电连接，另一端蓄电池电连接；PVT光伏组件、第二集热水箱和双源热泵依次由第二供热管道和第二冷水管道连通；螺杆热泵和双源热泵均与双向储能逆变器输出端电连接。本申请具有解决在无大电网覆盖的高原偏远城镇和农村地区居民的用电用热需求的效果。

Description

一种偏远地区能源供给系统
技术领域
本申请涉及能源供给技术领域，尤其是涉及一种偏远地区能源供给系统。
背景技术
我国地域辽阔，地域上以秦岭—淮河一线分为南方和北方，由于北方地区冬季寒冷，供暖是人们生活中必不可少的一部分，随着我国经济的高速发展，我国城市建设速度也十分迅速，对于城市供热的需求也在不断增加，根据供暖面积的不同，我国的供暖方式分为集中供暖和分户供暖，其中北方多省市城市以集中供暖的方式为主，农村分散式供暖为辅的供暖格局。
集中供暖是通过大型锅炉集中加热，再通过管道送到用户家中，是清洁、低碳、高效的一种供暖方式，主要特点是价格便宜，安全性能较高，是目前主要供暖方式，集中供暖代表有电力供暖和燃气供暖；分户供暖是住户家中自行安装供暖设备进行供暖的一种方式，主要特点是安装方便、供暖面积小，分户供暖代表有燃气壁挂炉、空调等供暖形式，随着国家对电力集中供暖用电的政策支持，以青海地区为例，电力集中供暖电价仅为0.28元/度，电价较日常用电降低了近一半，经统计目前青海传统煤锅炉取暖的费用是35元/m2，电力供暖的费用是16元/m2，大大降低了电力供暖的使用成本，另外传统煤锅炉取暖不仅需要长距离运输，而且还需要工人进行加装、填充、巡视的操作，电力供暖较传统煤锅炉就很方便，不仅不用长距离运输，而且运维也方便，由于智能化程度较高，在手机上就能监控锅炉运行情况，省去了很多运输和人工成本，不仅提高了用户供暖体验，也降低了用户取暖成本，在煤炭能源匮乏或者偏远地区地区，具备大面积发展的条件。
然而，随着电力供暖需求的增加，电网与电力供暖发展出现了一定的不平衡情况，在无大电网覆盖的高原偏远城镇和农村地区，电网建设成本大，居民“用电难”、“用热难”等问题突出，对电网带来了一系列制约发展的因素，严重影响着人民美好用电、供暖的需求。
发明内容
为了解决在无大电网覆盖的高原偏远城镇和农村地区居民的用电用热需求，本申请提供一种偏远地区能源供给系统。
本申请提供的一种偏远地区能源供给系统采用如下的技术方案：
一种偏远地区能源供给系统，包括供热系统和供电系统，所述供热系统包括太阳能集热器、第一集热水箱、螺杆热泵和相变储热池，所述太阳能集热器输出端设置有通往用热终端的第一供热管道，所述太阳能输入端设置有第一冷水管道，所述第一集热水箱、螺杆热泵和相变储热池依次由第一供热管道和第一冷水管道连通；所述供电系统包括PVT光伏组件、双向储能逆变器和蓄电池，所述双向储能逆变器一端与PVT光伏组件电连接，另一端蓄电池电连接；所述PVT光伏组件一侧设置有第二集热水箱，所述第二集热水箱一侧设置有双源热泵，所述PVT光伏组件输出端设置有通往用热终端的第二供热管道，所述PVT光伏组件输入端设置有第二冷水管道，所述第二集热水箱和双源热泵依次由第二供热管道和第二冷水管道连通；所述螺杆热泵和双源热泵均与双向储能逆变器输出端电连接。
通过采用上述技术方案，供热系统和供电系统联合作用提供热和电，太阳能集热器通过太阳光将来自第一冷水管道的水加热，通过第一集热水箱送至螺杆热泵，螺杆热泵将热量聚集后送至相变储热池，相变储热池将一部分热量送至用热终端，再将另一部分热量储存，以备在光伏出力不足或夜间无光照资源的情况下为用热终端提供用热需求。同时，PVT光伏组件通过太阳光产生电和热，将来自第二冷水管道的水加热后，通过第二集热水箱送至双源热泵，双源热泵再将热量送至用热终端；而将产生的交流电送至双向储能逆变器，双向储能逆变器可将交流电转换成直流电向蓄电池充电储存；另外，双向储能逆变器内转换成的直流电也可直接供给螺杆热泵和双源热泵，为螺杆热泵和双源热泵的启动运行提供电能。突破现有光伏和光热综合利用的技术壁垒，解决了新能源接入下的高品质电热联供问题；兼顾显热储热成本低和相变储热密度高等多个优点，避免传统单一储热方式的局限性，实现温度适用性、系统复杂性、储热效率、系统成本的均衡；满足了资源和技术的集约配置，降低了系统的运维和管控成本；解决了电热联供系统在多时间尺度下不确定性问题对系统控制策略的影响，提升了综合能源供给系统电热互补优化效果，保障了扰动后综合能源系统的供能品质；提高了光资源利用率，提高了系统光电转换效率和系统产热能效比，大大降低了后期电、热供应中的运维成本；解决了青海偏远地区村级用户的用热用电生活需求，电网建设成本小，在无大电网覆盖的高原偏远城镇和农村地区具有极强的推广示范作用。
可选的，所述PVT光伏组件一侧还并列设置有风力发电机组，所述风力发电机组与双向储能逆变器电连接。
通过采用上述技术方案，风力发电机组在风力作用下发电，可在太阳能集热器和PVT光伏组件发电发热时，向蓄电池储存电或向螺杆热泵和双源热泵供电，也可在连续阴天，太阳光线不足的情况下，提供辅助作用，使第一供热管道和第二供热管道内的水温达到用户需求。
可选的，所述第一冷水管道和第二冷水管道交汇于总冷水管道，所述总冷水管道上设置有软化水装置。
通过采用上述技术方案，由于高原地区水质较硬，在总冷水管道上设置软化水装置，自来水中的钙镁等杂质经软化水装置除去后，进入到第一冷水管道和第二冷水管道中，从而防止自来水中的杂质堵塞管道，保证了整个供给系统中水质的清洁，保障了整个系统的安全稳定运行，延长了各个装置的使用寿命。
可选的，所述螺杆热泵是由半封闭双螺杆压缩机、管壳式蒸发器和冷凝器组成的一个循环系统。
通过采用上述技术方案，双螺杆压缩机利用热能转换原理，把压缩机散发的热量回收转换到水里，水吸收了热量后，水温就会升高，压缩机的运行温度就会降低，长期连续的运行过程中，把电能转换为机械能，机械能转换为风能，在机械能转换为风能过程中，空气得到强烈的高压压缩，使之温度骤升，从而提升第二供热管道内的水温。
可选的，所述双源热泵为双源超低温热泵。
通过采用上述技术方案，由于高原气候寒冷，冬季昼夜温差较大，利用双源超低温热泵可在-30℃下制热，适合高原气候特色。双源超低温热泵分为空气源运行模式和水源运行模式，白天空气源热泵可以高效运行，室内供暖完全依靠空气源热泵即可。夜间室外环境温度降低时，空气源热泵运行效率相对较低时，自动转换水源热泵运行模式，水源热泵运行热源来自白天第二集热水箱储存的热水。
可选的，所述第一供热管道和第二供热管道上均设置有温度监测装置和压力监测装置。
通过采用上述技术方案，温度监测装置和压力监测装置可实时监控第一供热管道和第二供热管道上水温及压力值，根据实际情况进行调整，以使供暖温度正好达到用热终端的需求，实现供暖智能化、可视化，保证了供暖系统的安全稳定运行。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过供热系统和供电系统联合作用提供热和电，太阳能集热器通过太阳光将来自第一冷水管道的水加热，从第一供热管道输出，相变储热池将一部分热量送至用热终端，再将另一部分热量储存，以备在光伏出力不足或夜间无光照资源的情况下为用热终端提供用热需求。同时，PVT光伏组件通过太阳光产生电和热，将来自第二冷水管道的水加热后，输送至第二供热管道；而将产生的交流电送至双向储能逆变器，双向储能逆变器将交流电转换成直流电向蓄电池充电储存；另外，双向储能逆变器内转换成的直流电也可直接供给螺杆热泵和双源热泵，为螺杆热泵和双源热泵的启动运行提供电能。突破现有光伏和光热综合利用的技术壁垒，解决了新能源接入下的高品质电热联供问题，提高了光资源利用率，提高了系统光电转换效率和系统产热能效比，解决了青海偏远地区村级用户的用热用电生活需求，电网建设成本小，在无大电网覆盖的高原偏远城镇和农村地区具有极强的推广示范作用；
2.通过设置风力发电机组，风力发电机组在风力作用下发电，向蓄电池储存电或向螺杆热泵和双源热泵供电，在连续阴天，太阳光线不足的情况下，提供辅助作用，使第一供热管道和第二供热管道内的水温达到用户需求；
3.通过在总冷水管道上设置软化水装置，自来水中的钙镁等杂质经软化水装置除去后，进入到第一冷水管道和第二冷水管道中，从而防止自来水中的杂质堵塞管道，保证了整个供给系统中水质的清洁，保障了整个系统的安全稳定运行，延长了各个装置的使用寿命。
附图说明
图1是一种偏远地区能源供给系统结构示意图。
附图标记说明：1、供热系统；11、太阳能集热器；12、第一集热水箱；13、螺杆热泵；14、相变储热池；15、第一供热管道；16、第二供热管道；17、总冷水管道；171、第一冷水管道；172、第二冷水管道；2、供电系统；21、PVT光伏组件；22、双向储能逆变器；23、蓄电池；4、第二集热水箱；5、双源热泵；6、风力发电机组；7、软化水装置；8、温度监测装置；9、压力监测装置。
具体实施方式
以下结合附图对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开一种偏远地区能源供给系统。参照图1，一种偏远地区能源供给系统包括供热系统1和供电系统2，供电系统2和供热系统1同时作用，联合供电和供热。其中，供热系统1包括太阳能集热器11、第一集热水箱12、螺杆热泵13和相变储热池14，太阳能集热器11输出端安装有通往用热终端的第一供热管道15，太阳能输入端安装有第一冷水管道171，太阳能集热器11、第一集热水箱12、螺杆热泵13和相变储热池14依次设置，第一供热管道15和第一冷水管道171依次连通第一集热水箱12、螺杆热泵13和相变储热池14，第一供热管道15和第一冷水管道171形成一密闭的循环系统。太阳能集热器11将第一冷水管道171内的自来水加热后，通过第一供热管道15输向第一集热水箱12，第一集热水箱12储存热水，并向螺杆热泵13输送热水，本申请中，螺杆热泵13是由半封闭双螺杆压缩机、管壳式蒸发器、冷凝器组成的一个循环系统，热水在半封闭双螺杆压缩机经压缩后，在管壳式蒸发器内完成气态的升压升温过程，进入冷凝器后被冷却并转化为流液态，又留回半封闭双螺杆压缩机，热水在半封闭双螺杆压缩机的作用下在系统内不断地循环，实现了空气中的低温热量转变为高温热量并加热冷水过程。
相变储热池14采用宽温域纳米共晶相变储热材料，将电能转化为热能，并储蓄在纳米共晶相变材料中，通过高效热交换装置将热量释放，提供稳定、安全和便宜的热源供应，其具有超高储能密度、循环稳定和安全环保的特点。
供电系统2包括PVT光伏组件21、双向储能逆变器22和蓄电池23，双向储能逆变器22一端与PVT光伏组件21电连接，另一端蓄电池23电连接；双向储能逆变器22可以将PVT光伏组件21发出来的交流电转换成直流电向蓄电池23充电储存，当该区域停电时再将蓄电池23储存的直流电变换成交流电供居民使用。
此外，为提高资源利用率，PVT光伏组件21一侧还设置有第二集热水箱4，第二集热水箱4一侧设置有双源热泵5，PVT光伏组件21输出端安装有通往用热终端的第二供热管道16，PVT光伏组件21输入端安装有第二冷水管道172，第二供热管道16和第二冷水管道172依次连通第二集热水箱4和双源热泵5；PVT光伏组件21除发电外，还将来自第二冷水管道172的自来水加热后，通过第二供热管道16输向第二集热水箱4，第二集热水箱4储存热水后，再输送至双源热泵5，本申请中，双源热泵5为双源超低温热泵，可在-30℃温度下制热。双源热泵5具有两种运行模式：空气源运行模式和水源运行模式。在白天空气源运行效率相对较高时，空气源热泵可以高效运行，室内供暖完全依靠空气源热泵即可，同时PVT光伏组件21把热能储存在第二集热水箱4内；在夜晚双源热泵5自动切换到水源模式运行，提取第二集热水箱4内温度来为室内供暖。
为最大程度实现资源利用化，节省不必要的电力成本，螺杆热泵13和双源热泵5均与双向储能逆变器22输出端电连接。双向储能逆变器22可将PVT光伏组件21发出的电流分别输送至螺杆热泵13和双源热泵5，同时，也可将蓄电池23储存的直流电直接转换成交流电，供螺杆热泵13和双源热泵5电力启动运行，实现不需要外部电力供应，从系统自身提供装置运行所需的电力，达到电力自产自用，解决偏远地区电网覆盖范围稀疏的问题。
为进一步解决偏远地区电力不足，太阳能发电单一，紧靠天气因素的问题，PVT光伏组件21一侧还并列设置有风力发电机组6，风力发电机组6与双向储能逆变器22电连接。风力发电机组6在风力作用下发电，双向储能逆变器22收集风力发电机组6发出的直流电后，部分输向螺杆热泵13和双源热泵5，部分转换成直流电向蓄电池23充电储存。
第一冷水管道171和第二冷水管道172交汇于总冷水管道17，为减少整个系统内因水质的问题造成管道堵塞，总冷水管道17上设置有软化水装置7，进入到系统内的自来水都经过软化水装置7软化后进入第一冷水管道171和第二冷水管道172，实现系统内水源的清洁，减少系统内部的污染。
为方便掌握供暖温度，根据实际天气情况对供暖温度实时调整，第一供热管道15和第二供热管道16每相邻两个装置间均设置有温度监测装置8和压力监测装置9，本申请中，温度监测装置8为温度变送器，压力监测装置9为压力变送器，温度变送器和压力监测装置9连通，且与中心站控制系统通信连接，操控人员可直接在中心站控制系统直接查看各个温度变送器和压力监测装置9连通显示的温度值和压力值。
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，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种偏远地区能源供给系统，其特征在于：包括供热系统(1)和供电系统(2)，所述供热系统(1)包括太阳能集热器(11)、第一集热水箱(12)、螺杆热泵(13)和相变储热池(14)，所述太阳能集热器(11)输出端设置有通往用热终端的第一供热管道(15)，所述太阳能输入端设置有第一冷水管道(171)，所述第一集热水箱(12)、螺杆热泵(13)和相变储热池(14)依次由第一供热管道(15)和第一冷水管道(171)连通；所述供电系统(2)包括PVT光伏组件(21)、双向储能逆变器(22)和蓄电池(23)，所述双向储能逆变器(22)一端与PVT光伏组件(21)电连接，另一端蓄电池(23)电连接；所述PVT光伏组件(21)一侧设置有第二集热水箱(4)，所述第二集热水箱(4)一侧设置有双源热泵(5)，所述PVT光伏组件(21)输出端设置有通往用热终端的第二供热管道(16)，所述PVT光伏组件(21)输入端设置有第二冷水管道(172)，所述第二集热水箱(4)和双源热泵(5)依次由第二供热管道(16)和第二冷水管道(172)连通；所述螺杆热泵(13)和双源热泵(5)均与双向储能逆变器(22)输出端电连接。
2.根据权利要求1所述的一种偏远地区能源供给系统，其特征在于：所述PVT光伏组件(21)一侧还并列设置有风力发电机组(6)，所述风力发电机组(6)与双向储能逆变器(22)电连接。
3.根据权利要求1所述的一种偏远地区能源供给系统，其特征在于：所述第一冷水管道(171)和第二冷水管道(172)交汇于总冷水管道(17)，所述总冷水管道(17)上设置有软化水装置(7)。
4.根据权利要求1所述的一种偏远地区能源供给系统，其特征在于：所述螺杆热泵(13)是由半封闭双螺杆压缩机、管壳式蒸发器和冷凝器组成的一个循环系统。
5.根据权利要求1所述的一种偏远地区能源供给系统，其特征在于：所述双源热泵(5)为双源超低温热泵。
6.根据权利要求1所述的一种偏远地区能源供给系统，其特征在于：所述第一供热管道(15)和第二供热管道(16)上均设置有温度监测装置(8)和压力监测装置(9)。
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