CN116557944A - 一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于综合能源利用技术领域，公开了一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，包括光伏光热系统、中深层地埋管、中浅层地埋管和浅层地埋管；光伏光热系统包括光伏系统和光热系统；其中，光伏系统用于吸收太阳能并转化输出电能；光热系统用于通过循环水吸收光伏系统产生的热量并输出热能；中深层地埋管、中浅层地埋管和浅层地埋管的结构形式相同，均包括相连通的内管和环腔；其中，浅层地埋管、中深层地埋管用于在冬季取热，浅层地埋管还用于夏季制冷，中浅层地埋管用于地下岩土体储热。本发明通过光伏光热技术耦合地热供能技术，可以解决夏季光伏光热系统产生的热量存在浪费以及地热资源季节不平衡的技术缺陷。

Description

一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统
技术领域
本发明属于综合能源利用技术领域，特别涉及一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统。
背景技术
加快发展可再生能源，成为当前能源事业发展的重要任务。
现有技术中，太阳能和地热能都是储量丰富但相对分散的低品位能量，它们在实际应用中尚存在以下技术问题，包括：
(1)地热供能技术大多是连续运行的，单台热泵的功率比较大，但却不能很好的响应电网调峰需求；另外，寒冷地区建筑热负荷较大，容易造成地下岩土体温度的失衡，这种岩土体温度的失衡对于整个地源热泵系统的效率影响很大，也会破坏地下能量平衡；
(2)光伏光热技术所产生的热量存在冬季少而夏季多的特点，各类热用户的用热需求却是冬季多而夏季少，上述情况导致了光伏光热系统产生的热能容易在冬季不够用而夏季用不完。
综上，鉴于夏季光伏光热系统产生的热量存在浪费以及地热资源季节不平衡的技术问题，亟需一种新的储能系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明提供的技术方案中，通过光伏光热技术耦合地热供能技术，可以解决夏季光伏光热系统产生的热量存在浪费以及地热资源季节不平衡的技术缺陷。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，包括：光伏光热系统、中深层地埋管、中浅层地埋管和浅层地埋管；
所述光伏光热系统包括光伏系统和光热系统；其中，所述光伏系统用于吸收太阳能并转化输出电能，输出的电能用于供给用户或电网；所述光热系统用于通过循环水吸收所述光伏系统产生的热量并输出热能，输出的热能用于供给用户或存储于地下岩土体；
所述中深层地埋管、所述中浅层地埋管和所述浅层地埋管的结构形式相同，均包括相连通的内管和环腔；其中，所述浅层地埋管、所述中深层地埋管用于在冬季取热，所述浅层地埋管还用于夏季制冷，所述中浅层地埋管用于地下岩土体储热。
本发明的进一步改进在于，所述中浅层地埋管用于地下岩土体储热的具体连通结构为，
所述中浅层地埋管的内管用于通入所述光热系统输出的吸热后循环水；
所述中浅层地埋管的环腔用于输入所述吸热后循环水，与地下岩土体换热后输出换热后循环水。
本发明的进一步改进在于，所述浅层地埋管用于在冬季取热的具体连通结构为，
所述浅层地埋管的环腔用于通入用户输出的待吸热循环水，与地下岩土体换热后，获得用于供给用户的换热后循环水；
所述浅层地埋管的内管用于输出所述用于供给用户的换热后循环水。
本发明的进一步改进在于，所述浅层地埋管还用于夏季制冷的具体连通结构为，
所述浅层地埋管的内管用于通入用户输出的待放热循环水；
所述浅层地埋管的环腔用于输入所述待放热循环水，与地下岩土体换热后输出用于供给用户的换热后循环水。
本发明的进一步改进在于，还包括：
热泵机组，用于为用户供热；
其中，所述中深层地埋管用于在冬季取热的具体连通结构为，
所述中深层地埋管的环腔用于输入在热泵机组中放热后循环水，与地下岩土体换热后，获得用于输入热泵机组的换热后循环水；
所述中深层地埋管的内管用于输出用于输入热泵机组(6)的换热后循环水。
本发明的进一步改进在于，还包括：
蓄热罐，用于在冬季的谷时段存储热量，峰时段放出热量。
本发明的进一步改进在于，
所述环腔的材质为钢管；
所述内管的材质为PE管。
本发明的进一步改进在于，
所述浅层地埋管为设置于0～200m的地埋管；
所述中浅层地埋管为设置于200～1500m的地埋管；
所述中深层地埋管为设置于1500～3000m的地埋管。
本发明的进一步改进在于，所述中深层地埋管和所述中浅层地埋管用于间隔预设距离设置于不同的地热井。
本发明的进一步改进在于，所述中深层地埋管和所述中浅层地埋管用于设置于同一口地热井，且所述中浅层地埋管环形包围在所述中深层地埋管的外部。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的地热耦合光伏光热跨季节储能系统中，针对光伏光热技术存在夏季热量难消纳以及地热供能技术冬季供热衰减的问题，采用耦合光伏光热技术和地热供能技术的手段，实现了夏季太阳能产热量存储于地下岩土体，并应用于冬季供热，这种手段具有综合能量效率高、设备利用率高等优点，可实现太阳能的高效利用和全面消纳，缓解地热供热长期运行导致的热衰减现象，实现多时间尺度能量存储，调节电网峰谷差。进一步解释性的，通过耦合光伏光热技术，可以将不可调节资源变为可调节资源，实现夏季光热能量的跨季节存储并用于冬季供暖；在供暖季运行时，岩土体温度的波动相对会变小，有助于地下岩土体的热恢复，提升地源热泵供热的稳定性和能量效率。
本发明中，采用中浅层地埋管和中深层地埋管布置在同一口地热井中的形式，节省了装置占地面积，提高了系统经济性。
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，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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是本发明实施例提供的一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统的示意图；
图2是本发明实施例中，地热耦合光伏光热跨季节储能系统的俯视示意图；
图3是本发明实施例中，地热耦合光伏光热跨季节储能系统的内部结构剖面示意图；
图中：1、光伏光热系统；2、电网；3、中浅层地埋管；4、中深层地埋管；5、蓄热罐；6、热泵机组；7、浅层地埋管；8、热用户；9、循环水泵。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1，本发明实施例提供的一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，包括：光伏光热系统1、中深层地埋管4、中浅层地埋管3、浅层地埋管7、蓄热罐5、热泵机组6和循环水泵9；其中，
所述光伏光热系统1包括光伏系统和光热系统两部分，在太阳能转化为电能的同时，由光热集热器中的冷却水带走光伏电池产生的热量，同时产生电、热两种能量收益，实现了太阳能热电联产；
所述浅层地埋管7(解释性的，一般是指0～200m)、所述中浅层地埋管3(解释性的，一般是指200～1500m)和所述中深层地埋管4(解释性的，一般是指1500～3000m)中，地埋管内部均包含有内管和环腔；其中，所述浅层地埋管7、所述中深层地埋管4用于冬季取热工况；所述浅层地埋管7、所述中浅层地埋管3分别用于夏季节制冷工况以及储热工况；进一步示例性的，所述环腔材质为钢管，所述内管材质具有隔热功能，如PE管等；
所述蓄热罐5，用于存储热量，可以是水储罐、水合盐储罐等，用于日内的需求侧响应；所述蓄热罐5在冬季可以谷时段存储热量，峰时段再通过所述蓄热罐5放出热量；
所述热泵机组6，用于提升用户侧回水温度；
所述循环水泵，用于用户侧水循环和地源侧水循环；其中，热用户8包括生活用水热用户、工业热水用户和冬季供暖末端等。
本发明实施例中，通过所述浅层地埋管7既能实现夏季制冷又能实现冬季取热。进一步解释性的，在冬季取热工况下，地源侧循环水从所述中深层地埋管4外部环腔进入，流至管底后进入内管，向上流出，所述中深层地埋管4出口热水经过所述热泵机组6后降温；在夏季储热工况下，从太阳能光热集热器流出的热水沿所述中浅层地埋管3所述内管流入，流至管底后进入外部所述环腔，并从外部所述环腔向上流出，工质在到达管底处仍具有较高的温度，进入外部环腔后向上流动加热周围岩土，从而将热量储存在岩土体。
本发明实施例优选的技术方案中，所述中深层地埋管4和所述中浅层地埋管3可以间隔一定的距离分别打井布置，也可以所述中浅层地埋管3环形包围在所述中深层地埋管4外部的形式布置在同一口地热井中。
本发明实施例的技术方案耦合光伏光热系统1和地热供能系统，同时产生电、热两种能量收益，提高了太阳能的综合利用效率，并能够将太阳能的热量存储于地下岩土体，实现了跨季节储热，同时采用中浅层地埋管3和中深层地埋管4布置在同一口地热井中的形式，节省了装置占地面积，提高了设备利用率和经济性，通过耦合多时间尺度蓄能技术和智能调控方法可以实现综合能源高效利用和清洁电力完全消纳。
综上所述，本发明公开了一种地热耦合光伏光热跨季节储能的方法及装置，包括：光伏光热系统1、中深层地埋管4、中浅层地埋管3、浅层地埋管7、蓄热罐5、热泵机组6、循环水泵9、热用户8等。其中，在冬季，浅层地源热泵、中深层地源热泵取热期间，热泵系统可以耦合蓄热罐5来控制运行停止的时间比，从而参与电网2需求响应；在夏季，浅层地源热泵系统可以承担冷负荷，中深层地埋管4停运，中浅层地埋管3采用光伏光热系统1产生的热水向岩土体蓄热，从而实现跨季节储热，提高设备利用率和系统能效。
请参阅图2和图3，本发明实施例中，采取中浅层地埋管3环形包围中深层地埋管4外部的形式布置在同一口地热井中，平行填入，中浅层地埋管3用于储热工况，中深层地埋管4用于取热工况。
本发明实施例提供的一种地热耦合光伏光热跨季节储能的方法，基于本发明实施例上述的装置，有两种工作模式，具体包括以下步骤：
在夏季，光伏光热系统1收到的太阳能充足时，光伏光热系统1产生的电能经逆变器通过电网2可以直供给热用户8，电量充裕时还可以向电网2售电，产生发电收益，降低运行成本；光伏光热系统1产生的热能可以经传热管路直供给热用户8提供热水，热量还可以存储在地下，从光热集热器流出的热水沿中浅层地埋管3内管流入，流至管底后进入外部环腔，并从外部环腔向上流出，工质在到达管底处仍具有较高的温度，进入外部环腔后向上流动加热周围岩土，从而将热量储存在岩土体。夏季，浅层地源热泵可以通过浅层地埋管7供冷。
在冬季，光伏光热系统1供电充足时，一方面，光伏光热系统1产生的电能可以直供给热用户，电量充裕时还可以向电网售电，产生发电收益，降低运行成本；另一方面，光伏光热系统1产生的热能同样可以经传热管路供给热用户提供热水和室内供暖，同时，在冬季取热工况下，浅层地源热泵系统和光伏光热系统1共同承担基础采暖热负荷，剩余采暖热负荷由中深层地源热泵承担。地源侧循环水从中深层地埋管4外部环腔进入，流至管底后进入内管，向上流出，从而使得循环水吸收岩土体热量，此热量中的一部分为夏季光伏光热系统1储存于地下岩土体的热量。中深层地源热泵取热期间，热泵系统可以耦合蓄热罐5来控制运行停止的时间比，从而参与电网需求响应。
本发明实施例提供的技术方案中，地热供能系统增加储热单元，通过谷时段储热、峰时段放热的机制，可以挖掘地热供能技术的需求响应潜力，也给岩土体提供了恢复时间；进一步的，在热泵机组旁边设置水合盐储罐或水储罐进行储热，可以更好的达到削峰填谷的目的。通过耦合地热供能技术，地热能可以弥补夜间和阴雨天气太阳能不足的弊端，实现电力、冷量、热能的时空转换，解决光伏光热供能不稳定、能源消纳困难的问题。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，其特征在于，包括：光伏光热系统(1)、中深层地埋管(4)、中浅层地埋管(3)和浅层地埋管(7)；
所述光伏光热系统(1)包括光伏系统和光热系统；其中，所述光伏系统用于吸收太阳能并转化输出电能，输出的电能用于供给用户或电网；所述光热系统用于通过循环水吸收所述光伏系统产生的热量并输出热能，输出的热能用于供给用户或存储于地下岩土体；
所述中深层地埋管(4)、所述中浅层地埋管(3)和所述浅层地埋管(7)的结构形式相同，均包括相连通的内管和环腔；其中，所述浅层地埋管(7)、所述中深层地埋管(4)用于在冬季取热，所述浅层地埋管(7)还用于夏季制冷，所述中浅层地埋管(3)用于地下岩土体储热。
2.根据权利要求1所述的一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，其特征在于，所述中浅层地埋管(3)用于地下岩土体储热的具体连通结构为，
所述中浅层地埋管(3)的内管用于通入所述光热系统输出的吸热后循环水；
所述中浅层地埋管(3)的环腔用于输入所述吸热后循环水，与地下岩土体换热后输出换热后循环水。
3.根据权利要求1所述的一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，其特征在于，所述浅层地埋管(7)用于在冬季取热的具体连通结构为，
所述浅层地埋管(7)的环腔用于通入用户输出的待吸热循环水，与地下岩土体换热后，获得用于供给用户的换热后循环水；
所述浅层地埋管(7)的内管用于输出所述用于供给用户的换热后循环水。
4.根据权利要求1所述的一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，其特征在于，所述浅层地埋管(7)还用于夏季制冷的具体连通结构为，
所述浅层地埋管(7)的内管用于通入用户输出的待放热循环水；
所述浅层地埋管(7)的环腔用于输入所述待放热循环水，与地下岩土体换热后输出用于供给用户的换热后循环水。
5.根据权利要求1所述的一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，其特征在于，还包括：
热泵机组(6)，用于为用户供热；
其中，所述中深层地埋管(4)用于在冬季取热的具体连通结构为，
所述中深层地埋管(4)的环腔用于输入在热泵机组(6)中放热后循环水，与地下岩土体换热后，获得用于输入热泵机组(6)的换热后循环水；
所述中深层地埋管(4)的内管用于输出用于输入热泵机组(6)的换热后循环水。
6.根据权利要求1所述的一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，其特征在于，还包括：
蓄热罐(5)，用于在冬季的谷时段存储热量，峰时段放出热量。
7.根据权利要求1所述的一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，其特征在于，所述环腔的材质为钢管；所述内管的材质为PE管。
8.根据权利要求1所述的一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，其特征在于，
所述浅层地埋管(7)为设置于0～200m的地埋管；
所述中浅层地埋管(3)为设置于200～1500m的地埋管；
所述中深层地埋管(4)为设置于1500～3000m的地埋管。
9.根据权利要求1所述的一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，其特征在于，所述中深层地埋管(4)和所述中浅层地埋管(3)用于间隔预设距离设置于不同的地热井。
10.根据权利要求1所述的一种地热耦合光伏光热跨季节储能系统，其特征在于，所述中深层地埋管(4)和所述中浅层地埋管(3)用于设置于同一口地热井，且所述中浅层地埋管(3)环形包围在所述中深层地埋管(4)的外部。
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