CN114382560A - 一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统 - Google Patents

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孔舒婷
李颜颐
赵晨
龙鹤
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Abstract

本发明公开了一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统，包括设置于建筑顶部的PV光伏阵列，建筑的一侧设有储能系统和电热联产系统，储能系统包括空气压缩模块和第一辅助模块，电热联产系统包括发电供暖模块和第二辅助模块；该系统集成了电加热储热器，利用光伏产生的富余电能驱动电加热储热器运行并储存热量，将蓄热介质从中品位提升至高品位，可显著提高透平入口空气温度，解决了AA‑CAES系统空气温度受限导致效率低的问题。该系统充分考虑了余热的回收和利用，将多余的热量用于向用户供热，不仅降低了系统内蓄热介质的温度，防止热量堆积，保证系统高效运行，还提高了系统的综合能源利用率。

Description

一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统
技术领域
本发明涉及光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产技术领域，具体为一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统。
背景技术
近年来，全球气候变暖问题逐渐引起国际社会的重视。
大力发展可再生能源，是实现“双碳”目标的重要途径。然而，可再生能源受昼夜转换、天气变化等影响具有明显的不连续、波动性大等特征，无法得到稳定的能量输出，高比例的可再生能源并网发电将严重影响电网的安全稳定运行，此外，用户侧对能源的需求也随时间段呈现一定的变化规律，需求侧与供给侧不同的波动状态将导致能源供需的不匹配，以光伏发电为例，如果需求侧无法及时消纳产生的能量，且又无法将多余的能量传输到需要的地方，将导致“弃光”现象,
储能技术可有效解决上述问题，平抑可再生能源间歇性输出引起的功率波动，解决能源供应与需求在时间、空间上的不匹配性，目前常用的储能技术有抽水储能、电池储能和压缩空气储能等。与抽水储能、电池储能相比，压缩空气储能具有不受地理条件限制、寿命长、可靠性高、维护成本低、负荷调节范围大、可同时输出冷热电能等优点，具有巨大的应用潜力,为此，提出一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统，包括设置于建筑顶部的PV光伏阵列，所述建筑的一侧设有储能系统和电热联产系统，所述PV光伏阵列用于向用户和储能系统供电，所述储能系统与电热联产系统相连接，所述储能系统包括空气压缩模块和第一辅助模块，所述电热联产系统包括发电供暖模块和第二辅助模块，所述空气压缩模块与第一辅助模块相连接，所述发电供暖模块与第二辅助模块相连接，所述第一辅助模块与第二辅助模块相连接。
作为本技术方案的进一步优选的：所述空气压缩模块包括电机、第一空压机、第二空压机和第三空压机，所述电机的输出轴通过皮带和皮带轮分别第一空压机、第二空压机和第三空压机的转轴一端相连接，所述第一辅助模块包括第一中间冷却器、第二中间冷却器和第三中间冷却器，所述第一中间冷却器、第二中间冷却器和第三中间冷却器的换热介质入口通过管道连通有冷罐，所述第一中间冷却器、第二中间冷却器和第三中间冷却器的换热介质出口连通有电加热储热器，所述电加热储热器的输出端通过管道连通有高温储热罐，所述第一空压机的输出口通过管道与第一中间冷却器的空气输入口相连通，所述第一中间冷却器的空气输出口通过管道与第二空压机的输入口相连通，所述第二空压机的输出口通过管道与第二中间冷却器的空气输入口相连通，所述第二中间冷却器的空气输出口通过管道与第三空压机的输入口相连通，所述第三空压机的输出口通过管道与第三中间冷却器的空气输入口相连通，所述第三中间冷却器的空气输出口通过管道和节流阀连通有储气罐。
作为本技术方案的进一步优选的：所述发电供暖模块包括第一透平膨胀机、第二透平膨胀机、发电机、第一水水热交换器、空气源热泵和第二水水换热器，所述第一透平膨胀机和第二透平膨胀机的输出轴通过皮带和皮带轮与发电机的转轴相连接，所述第二辅助模块包括第一回热器和第二回热器，所述高温储热罐输出口通过管道和控制阀与第一回热器和第二回热器的换热介质入口相连通，所述第一回热器和第二回热器的空气出口分别与第一透平膨胀机和第二透平膨胀机空气入口相连通，所述第一回热器和第二回热器的换热介质出口通过管道连通有中温储热罐，所述中温储热罐的输出口通过管道和控制阀与第一水水热交换器的换热介质入口相连通，所述第一水水热交换器的换热介质出口通过管道与第二水水换热器的换热介质入口相连通，所述第一水水热交换器的连通有供热出水管和回水管，所述第二水水换热器的出水口通过管道连通有热泵。
作为本技术方案的进一步优选的：所述第二水水换热器的换热介质出口与冷罐的入口相连通。
作为本技术方案的进一步优选的：所述电加热储热器内设有加热管，所述PV光伏阵列的输出端与电机和加热管的电源输入端电性连接。
作为本技术方案的进一步优选的：所述第二透平膨胀机的空气出口与空气源热泵的热源采集口相连通。
作为本技术方案的进一步优选的：。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.该系统集成太阳能光伏和压缩空气储能，充分利用光伏产生的富余电能，保证系统稳定、高效运行的同时，实现了能量生产和转换的零碳排放，助力我国“双碳”目标的实现。
2.该系统集成了电加热储热器，利用光伏产生的富余电能驱动电加热储热器运行并储存热量，将蓄热介质从中品位提升至高品位，可显著提高透平入口空气温度，解决了AA-CAES系统空气温度受限导致效率低的问题。
3.该系统充分考虑了余热的回收和利用，将多余的热量用于向用户供热，不仅降低了系统内蓄热介质的温度，防止热量堆积，保证系统高效运行，还提高了系统的综合能源利用率。
4.该系统将透平排气作为空气源热泵的低温热源，不仅充分回收利用了排气余热，提高了系统综合效率，还改善了空气源热泵低温工况下的性能。
5.该系统通过光伏和压缩空气储能向用户供电，利用余热和空气源热泵向用户供热，一套系统即可实现热电联供，为无电网覆盖的偏远地区实现独立供能提供了参考。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的储能系统结构示意图；
图3为本发明的电热联产系统结构示意图。
图中：1、建筑；2、PV光伏阵列；3、第一空压机；301、第二空压机； 302、第三空压机；4、储气罐；5、电加热储热器；6、加热管；7、第一透平膨胀机；701、第二透平膨胀机；8、发电机；9、高温储热罐；10、中温储热罐；11、第一水水热交换器；12、热泵；13、冷罐；14、第一中间冷却器；1401、第二中间冷却器；1402、第三中间冷却器；15、空气源热泵；16、第一回热器；1601、第二回热器；17、电机；18、第二水水换热器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
实施例
请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统，包括设置于建筑1顶部的PV光伏阵列2，建筑1的一侧设有储能系统和电热联产系统，PV光伏阵列2用于向用户和储能系统供电，储能系统与电热联产系统相连接，储能系统包括空气压缩模块和第一辅助模块，电热联产系统包括发电供暖模块和第二辅助模块，空气压缩模块与第一辅助模块相连接，发电供暖模块与第二辅助模块相连接，第一辅助模块与第二辅助模块相连接。
空气压缩模块包括电机17、第一空压机3、第二空压机301和第三空压机302，电机17的输出轴通过皮带和皮带轮分别第一空压机3、第二空压机 301和第三空压机302的转轴一端相连接，第一辅助模块包括第一中间冷却器 14、第二中间冷却器1401和第三中间冷却器1402，第一中间冷却器14、第二中间冷却器1401和第三中间冷却器1402的换热介质入口通过管道连通有冷罐13，第一中间冷却器14、第二中间冷却器1401和第三中间冷却器1402的换热介质出口连通有电加热储热器5，电加热储热器5的输出端通过管道连通有高温储热罐9，第一空压机3的输出口通过管道与第一中间冷却器14的空气输入口相连通，第一中间冷却器14的空气输出口通过管道与第二空压机 301的出入口相连通，第二空压机301的输出口通过管道与第二中间冷却器 1401的空气输入口相连通，第二中间冷却器1401的空气输出口通过管道与第三空压机302的输入口相连通，第三空压机302的输出口通过管道与第三中间冷却器1402的空气输入口相连通，第三中间冷却器1402的空气输出口通过管道和节流阀连通有储气罐4，在太阳辐射充足时，PV光伏阵列2产生的电能首先用于满足用户电负荷，当有富余电能时，富余电能向电机17供电，同时驱动电加热储热器5运行并储存热能，电机17驱动第一空压机3、第二空压机301和第三空压机302运行，空气经第一空压机3、第二空压机301和第三空压机302与第一中间冷却器14、第二中间冷却器1401和第三中间冷却器1402压缩并冷却后，经节流阀调节到稳定压力后储存于储气罐4中。
发电供暖模块包括第一透平膨胀机7、第二透平膨胀机701、发电机8、第一水水热交换器11、空气源热泵15和第二水水换热器18，第一透平膨胀机7和第二透平膨胀机701的输出轴通过皮带和皮带轮与发电机8的转轴相连接，第二辅助模块包括第一回热器16和第二回热器1601，第二透平膨胀机 701的空气出口与空气源热泵15的热源采集口相连通，高温储热罐9输出口通过管道和控制阀与第一回热器16和第二回热器1601的换热介质入口相连通，第一回热器16和第二回热器1601的空气出口分别与第一透平膨胀机7 和第二透平膨胀机701空气入口相连通，第一回热器16和第二回热器1601 的换热介质出口通过管道连通有中温储热罐10，中温储热罐10用于第一中间冷却器14、第二中间冷却器1401和第三中间冷却器1402从第一空压机3、第二空压机301和第三空压机302的空气中回收热量，中温储热罐10的输出口通过管道和控制阀与第一水水热交换器11的换热介质入口相连通，第一水水热交换器11与建筑1的供热回水换热，第一水水热交换器11的换热介质出口通过管道与第二水水换热器18的换热介质入口相连通，第一水水热交换器11的连通有供热出水管和回水管，第二水水换热器18的出水口通过管道连通有热泵12，第二水水换热器18的换热介质出口与冷罐13的入口相连通，换热介质在第二水水换热器18中放热后回到冷罐13中储存。
电加热储热器5内设有加热管6，PV光伏阵列2的输出端与电机17和加热管6的电源输入端电性连接，加热管6通电后将电加热储热器5内的中品位热能换热介质进一步加热，形成高品位热能换热介质，发电机8在第一透平膨胀机7和第二透平膨胀机701的驱动下输出电能，一部分直接向用户供电，一部分向空气源热泵15供电。
工作原理或者结构原理，使用时，在太阳辐射充足时，PV光伏阵列2产生的电能首先用于满足用户电负荷，当有富余电能时，富余电能向电机17供电，同时驱动电加热储热器5运行并储存热能，电机17驱动第一空压机3、第二空压机301和第三空压机302运行，空气经第一空压机3、第二空压机 301和第三空压机302与第一中间冷却器14、第二中间冷却器1401和第三中间冷却器1402压缩并冷却后，经节流阀调节到稳定压力后储存于储气罐4中，同时，储存于冷罐13中的换热介质分别进入第一中间冷却器14、第二中间冷却器1401和第三中间冷却器1402中与空气换热，将压缩过程产生的余热作为中品位热能收集，经电加热储热器5加热提升为高品位热能后储存于高温储热罐9中，至此，储能阶段结束。
当太阳辐射不足时，PV光伏阵列2产生的电能无法满足用户需求，压缩空气储能系统释放电能，储存于储气罐4中的高压空气经节流阀和第一回热器16调压并升温后，进入第一透平膨胀机7中膨胀做功，做功后的空气经第二回热器1601再次加热升温，进入第二透平膨胀机701中膨胀做功，同时，高温储热罐9中的蓄热介质分别进入第一回热器16和第二回热器1601中，与空气换热后，温度降低变为中品位热能，储存于中温储热罐10中，第一透平膨胀机7和第二透平膨胀机701驱动发电机8，发电机8在第一透平膨胀机 7和第二透平膨胀机701的驱动下输出电能，一部分直接向用户供电，一部分驱动空气源热泵15运行，向用户供热，第二透平膨胀机701的排气端与空气源热泵15连接，为空气源热泵15提供低温热源，可有效改善空气源热泵低温15工况下的性能。
为充分利用系统余热，防止系统内热量堆积，并提高系统综合效率，保证系统高效稳定运行，将中温储热罐10的热能用于向用户供暖，中温储热罐 10的输出端与第一水水热交换器11的一侧连接，换热介质在第一水水热交换器11中与供热回水换热，换热后的供热回水温度升高，直接向用户供热，第一水水热交换器11的输出端与第二水水换热器18的一侧连接，换热介质在第二水水换热器18中放热后回到冷罐13中储存，完成一个循环，第二水水换热器18的另一侧，由于换热后的水温较低，达不到供热温度，因此通过热泵12提升温度后再向用户供热。
该系统通过PV光伏阵列2、储能系统和电热联产系统满足用户用电需求，利用系统余热和空气源热泵15满足用户用热需求，一套系统即可实现热电联供，为无电网覆盖的偏远地区实现独立供能提供了参考，同时，在能量生产和转化的过程中，无二氧化碳排放，不会造成环境污染，有助于我国“双碳”目标的实现。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统，包括设置于建筑(1)顶部的PV光伏阵列(2)，其特征在于：所述建筑(1)的一侧设有储能系统和电热联产系统，所述PV光伏阵列(2)用于向用户和储能系统供电，所述储能系统与电热联产系统相连接，所述储能系统包括空气压缩模块和第一辅助模块，所述电热联产系统包括发电供暖模块和第二辅助模块，所述空气压缩模块与第一辅助模块相连接，所述发电供暖模块与第二辅助模块相连接，所述第一辅助模块与第二辅助模块相连接。
2.根据权利要求1所述的一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统，其特征在于：所述空气压缩模块包括电机(17)、第一空压机(3)、第二空压机(301)和第三空压机(302)，所述电机(17)的输出轴通过皮带和皮带轮分别第一空压机(3)、第二空压机(301)和第三空压机(302)的转轴一端相连接，所述第一辅助模块包括第一中间冷却器(14)、第二中间冷却器(1401)和第三中间冷却器(1402)，所述第一中间冷却器(14)、第二中间冷却器(1401)和第三中间冷却器(1402)的换热介质入口通过管道连通有冷罐(13)，所述第一中间冷却器(14)、第二中间冷却器(1401)和第三中间冷却器(1402)的换热介质出口连通有电加热储热器(5)，所述电加热储热器(5)的输出端通过管道连通有高温储热罐(9)，所述第一空压机(3)的输出口通过管道与第一中间冷却器(14)的空气输入口相连通，所述第一中间冷却器(14)的空气输出口通过管道与第二空压机(301)的出入口相连通，所述第二空压机(301)的输出口通过管道与第二中间冷却器(1401)的空气输入口相连通，所述第二中间冷却器(1401)的空气输出口通过管道与第三空压机(302)的输入口相连通，所述第三空压机(302)的输出口通过管道与第三中间冷却器(1402)的空气输入口相连通，所述第三中间冷却器(1402)的空气输出口通过管道和节流阀连通有储气罐(4)。
3.根据权利要求2所述的一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统，其特征在于：所述发电供暖模块包括第一透平膨胀机(7)、第二透平膨胀机(701)、发电机(8)、第一水水热交换器(11)、空气源热泵(15)和第二水水换热器(18)，所述第一透平膨胀机(7)和第二透平膨胀机(701)的输出轴通过皮带和皮带轮与发电机(8)的转轴相连接，所述第二辅助模块包括第一回热器(16)和第二回热器(1601)，所述高温储热罐(9)输出口通过管道和控制阀与第一回热器(16)和第二回热器(1601)的换热介质入口相连通，所述第一回热器(16)和第二回热器(1601)的空气出口分别与第一透平膨胀机(7)和第二透平膨胀机(701)空气入口相连通，所述第一回热器(16)和第二回热器(1601)的换热介质出口通过管道连通有中温储热罐(10)，所述中温储热罐(10)的输出口通过管道和控制阀与第一水水热交换(11)的换热介质入口相连通，所述第一水水热交换器(11)的换热介质出口通过管道与第二水水换热器(18)的换热介质进口相连通，所述第一水水热交换器(11)的连通有供热出水管和回水管，所述第二水水换热器(18)的出水口通过管道连通有热泵(12)。
4.根据权利要求3所述的一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统，其特征在于：所述第二水水换热器(18)的换热介质出口与冷罐(13)的入口相连通。
5.根据权利要求2所述的一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统，其特征在于：所述电加热储热器(5)内设有加热管(6)，所述PV光伏阵列(2)的输出端与电机(17)和加热管(6)的电源输入端电性连接。
6.根据权利要求2所述的一种光伏发电与压缩空气储能耦合的热电联产系统，其特征在于：所述第二透平膨胀机(701)的空气出口与空气源热泵(15)的热源采集口相连通。
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