CN115085389A - 一种基于风/光-碳耦合的储能系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于风/光‑碳耦合的储能系统。该系统包括：风电场与风电转换器相连接，光伏电站与光伏转换器相连接；风电转换器以及光伏转换器均与碳化学反应装置相连接；风电场以及光伏电站产生的不稳定电能分别经过风电转换器以及光伏转换器，输送至碳化学反应装置中，将不稳定电能与碳化学反应装置中的碳物质进行耦合，发生强吸热化学反应；碳化学反应装置用于将不稳定电能作为强吸热化学反应所需热量以及物料升温所需物理焓的驱动，将不稳定电能封装至CO气体的化学能中，存储CO气体；当用电高峰时，将CO气体作为燃料，提供电能。本发明能够将风、光电以高效率转化为其他能量形式并储存在载体中以供需要时高效重新释放。
Description
技术领域
本发明涉及碳化学储能领域，特别是涉及一种基于风/光-碳耦合的储能系统。
背景技术
中国近年来提出“双碳”目标，对未来能源结构的调整与民、商用电力的稳定供应带来了巨大的挑战。在这种背景下，将各种非石化基能量来源耦合以提高能量的转化、存储、输送效率十分重要。在各种新能源中，风能与太阳能被公认为最清洁卫生的电力来源。中国的风能、太阳能装机容量均为世界第一，且其他可再生能源技术也处于世界领先地位。风能、太阳能的相关设备成本较高，但随着产业规模的扩大装机成本在持续下降，最终使发电成本可与传统石化能源抗衡。然而，风能与太阳能的间歇性一直是导致电网波动的问题来源，瞬间的大容量波动会给电网带来巨大的冲击，有悖于电网对稳定性、可靠性的高要求。因此，解决风能、太阳能与生俱来的间歇性是进一步稳定利用风、光电的关键。
目前已有技术及其主要缺点：
风-光耦合互补发电：如风光复合发电装置(CN201650585U)、Hybrid solar-windpowered power station(WO2012127134A3)、Combined solar and wind powergeneration(US20160065115A1)等，只涉及将风电与光电结合、互相补充，以克服各自发电不稳定的问题，未涉及将不稳定风光电转化为其他形式能量并储存起来，以供电网需要时输出稳定电能的概念。
风/光电独立或耦合用于电解水、生物质热解、气体压缩蓄能、电池蓄能等：如一种直接利用太阳能光催化分解水制氢系统(CN100515924C)、风光制氢及提炼重水的方法与设备(CN101024883A)、一种风光热协同供能的生物质热解集中供气装置(CN205398546U)、可再生能源储能储氢综合发电系统(CN101841277A)、Production system for electricenergy and hydrogen (US20100259102A1)、气体蓄能与太阳能结合的热发电系统(CN206668482U) 等，该类技术方案实现了将不稳定风/光电转化为其他形式能量并用于电解水、生物质热解、气体压缩储能。另外，一种风光电水二氧化碳制甲烷装置(CN104844406A)、一种耦合CO2资源化利用的制氢储能装置 (CN106086923A)、风光能源互补发电、储电及供电的能源装置 (CN202628394U)、Dispatchable renewable energygeneration,control and storage facility(WO2013013174A3)等技术方案提出了将风、光电用于水、CO2反应制备甲烷、CO等可燃混合气及将不稳定风光电储存起来在电网需求时稳定输出电能的概念。上述技术方案或多或少涉及到不稳定风、光能转化为稳定形式能量储存并重新释放的思路，但没有关于以CO2+C＝CO这一过程的应用。
因此，现有技术无法实现将风、光电以高效率转化为其他能量形式并储存在载体中以供需要时高效重新释放。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于风/光-碳耦合的储能系统，以解决无法实现将风、光电以高效率转化为其他能量形式并储存在载体中以供需要时高效重新释放的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于风/光-碳耦合的储能系统，包括：风电场、风电转换器、光伏电站、光伏转换器以及碳化学反应装置；
所述风电场与所述风电转换器相连接，所述光伏电站与所述光伏转换器相连接；所述风电转换器以及所述光伏转换器均与所述碳化学反应装置相连接；
所述风电场以及所述光伏电站产生的不稳定电能分别经过所述风电转换器以及所述光伏转换器，输送至所述碳化学反应装置中，将所述不稳定电能与所述碳化学反应装置中的碳物质进行耦合，发生强吸热化学反应；所述碳化学反应装置用于将所述不稳定电能作为所述强吸热化学反应所需热量以及物料升温所需物理焓的驱动，将所述不稳定电能封装至CO气体的化学能中，存储所述CO气体；当用电高峰时，将所述CO气体作为燃料，提供电能；所述强吸热化学反应为CO2+C＝CO。
可选的，所述碳化学反应装置，具体包括：气化设备、CO储气设备、循环发电设备以及CO2封存系统；
所述气化设备包括电热元件、原料炭入口、CO2气体入口以及CO气体出口；所述电热元件与所述风电转换器以及所述光伏转换器相连接；所述原料炭入口用于添加所述碳物质；所述CO气体出口与所述CO储气设备的入口相连接，所述CO储气设备的出口与所述循环发电设备的入口相连接；CO2气体入口与所述循环发电设备的出口相连接，所述循环发电设备的出口还与所述CO2封存系统相连接。
可选的，所述碳化学反应装置，还包括：空气分离设备；
所述空气分离设备与所述循环发电设备的氧气入口相连接。
可选的，还包括精细纯化设备；
所述精细纯化设备为以活性炭为基础单元的除湿设备；所述精细纯化设备，与所述CO储气设备相连接，用于去除所述CO气体中掺杂的水蒸气。
可选的，还包括：能量管理系统；
所述能量管理系统，与所述碳化学反应装置相连接，用于控制强吸热化学反应的能量转换与存储所述CO气体。
可选的，所述碳物质为煤炭、焦炭或生物质炭。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于风/光-碳耦合的储能系统，利用碳化学反应装置将所述不稳定电能作为强吸热化学反应所需热量以及物料升温所需物理焓的驱动，将所述不稳定电能封装至CO气体的化学能中，存储所述CO气体；将不稳定的风、光电转化为化学能储存起来，并可在电网有需求时转化为稳定电能输出。
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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的基于风/光-碳耦合的储能系统结构图；
图2为本发明所提供的碳化学反应装置结构图。
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。
本发明的目的是提供一种基于风/光-碳耦合的储能系统，能够将风、光电以高效率转化为其他能量形式并储存在载体中以供需要时高效重新释放。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的基于风/光-碳耦合的储能系统结构图，如图1所示，一种基于风/光-碳耦合的储能系统，包括：风电场1、光伏电站2、风电转换器 3、光伏转换器4以及碳化学反应装置5；
所述风电场1与所述风电转换器3相连接，所述光伏电站2与所述光伏转换器4相连接；所述风电转换器3以及所述光伏转换器4均与所述碳化学反应装置5相连接；
所述风电场1以及所述光伏电站2产生的不稳定电能分别经过所述风电转换器3以及所述光伏转换器4，输送至所述碳化学反应装置5中，将所述不稳定电能与所述碳化学反应装置5中的碳物质进行耦合，发生强吸热化学反应；所述碳化学反应装置5用于将所述不稳定电能作为所述强吸热化学反应所需热量以及物料升温所需物理焓的驱动，将所述不稳定电能封装至CO气体的化学能中，存储所述CO气体；当用电高峰时，将所述CO气体作为燃料，提供电能；所述强吸热化学反应为CO2+C＝CO。
本发明还包括：能量管理系统6；所述能量管理系统，与所述碳化学反应装置5相连接，用于控制强吸热化学反应的能量转换与存储所述CO气体。
风电场1、光伏电站2产生的不稳定电能分别风电转换器3及光伏转换器4输送至碳化学反应装置5，供给碳化学反应装置5中的低能载体(如CO2与碳)转化为高能载体(如CO)的反应过程，从而转化为化学能储存起来。在电网用电高峰时，碳化学反应装置5中高能载体储存的化学能可通过燃烧等方式转化为稳定的高品质电能输出到电网中；在风电场1、光伏电站2、风电转换器3、光伏转换器4以及碳化学反应装置5中进行的能量转化、储存过程由能量管理系统(Energy Management System,EMS)全程控制。能量管理系统包括数据采集与监控系统、发电控制系统、经济调度控制系统、安全系统等。
风电场1和光伏电站2在处于用电低谷时产生的不稳定风、光电分别通过风电转换器3和光伏转换器4向碳化学反应装置5进行低能载体CO2与外部碳源反应向高能载体CO的转化，从而储存能量；生成的CO储存在储气罐中；该过程使用的CO2来源于后续CO燃烧释能步骤生成的CO2；各步骤由能量管理系统全程控制。
在实际应用中，所述碳化学反应装置5，具体包括：气化设备、CO储气设备、循环发电设备以及CO2封存系统；所述气化设备包括电热元件、原料炭入口、CO2气体入口以及CO气体出口；所述电热元件与所述风电转换器3 以及所述光伏转换器4相连接；所述原料炭入口用于添加所述碳物质；所述 CO气体出口与所述CO储气设备的入口相连接，所述CO储气设备的出口与所述循环发电设备的入口相连接；CO2气体入口与所述循环发电设备的出口相连接，所述循环发电设备的出口还与所述CO2封存系统相连接。所述碳物质为煤炭、焦炭或生物质炭。
在实际应用中，所述碳化学反应装置5，还包括：空气分离设备；所述空气分离设备与所述循环发电设备的氧气入口相连接。
在实际应用中，本发明还包括精细纯化设备；所述精细纯化设备为以活性炭为基础单元的除湿设备；所述精细纯化设备，与所述CO储气设备相连接，用于去除所述CO气体中掺杂的水蒸气。
图2为本发明所提供的碳化学反应装置结构图，如图2所示。
气化设备中进行的核心反应为CO2+C＝CO这一强吸热化学反应，其所需热量以及物料温升需要的物理焓全部由不稳定风、光电驱动；该过程通过CO2气体还原为CO气体吸收了大量的过程热，从而将不稳定风、光电封装到CO 的化学能中；该气化设备的产CO气体规模可以根据具体需求设定，范围为 50m3/h至5000万m3/h；气化设备为气化炉。
CO储气设备为CO储气罐，根据储能需求，可以在50m3至100万m3之间，储气压力可以在常压至50MPa之间。
循环发电设备为内燃机或燃气轮机-蒸汽轮机联合循环发电设备，在电网需要电能时，可以将储气罐中的CO气体作为燃料在内燃机或燃气轮机-蒸汽轮机联合循环发电设备中燃烧发电，也可作为燃料电池的原料提供电能。发电规模可为100KW至100GW。
空气分离设备为常规的空分设备，根据实际需要选型匹配，分离能力为 25m3/h至2500万m3/h。
CO2封存系统：在CO2+C＝CO这一气化过程中，1mol的碳与1mol的CO2发生反应，生成2mol的CO气体；而在燃烧过程中，2mol的CO气体与1mol 的O2气体生成了2mol的CO2气体，意味着在每次充电、放电过程中，引入到系统中的碳源中的碳元素将会富余出来，本发明将针对这些富余的CO2气体进行地质封存。通过选择合适的地质条件，将CO2通过车船运输到适当地点后，注入到特定地质条件及特定深度的底层中，所提出适合作CO2地质封存的地质条件，包含旧油气田、难开采煤层、深层地下水层等地质环境。
碳化学反应装置5的各设备连接方式为：气化设备中的电热元件与电网直接相连；气化炉有原料炭入口及CO2入口；气化炉有一个CO气体出口，与下游的CO储气罐相连；CO储气罐与下游的内燃机或燃气轮机等发电设备相连；发电设备出口与CO2储气罐相连；CO2储气罐中的一半气体用来封存或其它利用；另外一半气体返回到气化炉中。
本发明还包括其它附属设备，其他附属设备中包括必要的管道、阀门、仪控等，其中最重要的附属设备为CO气体的精细纯化设备如以活性炭为基础单元的除湿设备，用于除掉CO2气体中少量的水蒸气掺杂；此外对于装置长期工作由碳原料引入、积累的水蒸气、含氮化合物等杂质，可在以数年为周期的检修中进行集中分离。
碳化学反应装置5生成并储存起来的CO在电网处于用电高峰时，可在碳化学反应装置5进行高能载体CO向低能载体CO2的转化，通过内燃机、燃气轮机、燃气轮机-蒸汽轮机联合循环、燃料电池等转换设备释放能量向电网供电。
本发明为占地面积小、能量储存效率高的技术，将不稳定的风、光电转化为化学能储存起来，并可在电网有需求时转化为稳定电能输出，满足电网需要。解决了目前风、光电利用方法中没有有效储存与稳化风、光电的问题；本发明给出的碳化学反应装置中，使用少量的外部碳源即可与CO2、CO配合形成储能化学反应循环，“撬动”整体的储电、放电过程。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种基于风/光-碳耦合的储能系统，其特征在于，包括：风电场、风电转换器、光伏电站、光伏转换器以及碳化学反应装置；
所述风电场与所述风电转换器相连接，所述光伏电站与所述光伏转换器相连接；所述风电转换器以及所述光伏转换器均与所述碳化学反应装置相连接；
所述风电场以及所述光伏电站产生的不稳定电能分别经过所述风电转换器以及所述光伏转换器，输送至所述碳化学反应装置中，将所述不稳定电能与所述碳化学反应装置中的碳物质进行耦合，发生强吸热化学反应；所述碳化学反应装置用于将所述不稳定电能作为所述强吸热化学反应所需热量以及物料升温所需物理焓的驱动，将所述不稳定电能封装至CO气体的化学能中，存储所述CO气体；当用电高峰时，将所述CO气体作为燃料，提供电能；所述强吸热化学反应为CO2+C＝CO。
2.根据权利要求1所述的基于风/光-碳耦合的储能系统，其特征在于，所述碳化学反应装置，具体包括：气化设备、CO储气设备、循环发电设备以及CO2封存系统；
所述气化设备包括电热元件、原料炭入口、CO2气体入口以及CO气体出口；所述电热元件与所述风电转换器以及所述光伏转换器相连接；所述原料炭入口用于添加所述碳物质；所述CO气体出口与所述CO储气设备的入口相连接，所述CO储气设备的出口与所述循环发电设备的入口相连接；CO2气体入口与所述循环发电设备的出口相连接，所述循环发电设备的出口还与所述CO2封存系统相连接。
3.根据权利要求2所述的基于风/光-碳耦合的储能系统，其特征在于，所述碳化学反应装置，还包括：空气分离设备；
所述空气分离设备与所述循环发电设备的氧气入口相连接。
4.根据权利要求3所述的基于风/光-碳耦合的储能系统，其特征在于，还包括精细纯化设备；
所述精细纯化设备为以活性炭为基础单元的除湿设备；所述精细纯化设备，与所述CO储气设备相连接，用于去除所述CO气体中掺杂的水蒸气。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于风/光-碳耦合的储能系统，其特征在于，还包括：能量管理系统；
所述能量管理系统，与所述碳化学反应装置相连接，用于控制强吸热化学反应的能量转换与存储所述CO气体。
6.根据权利要求2所述的基于风/光-碳耦合的储能系统，其特征在于，所述碳物质为煤炭、焦炭或生物质炭。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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