CN215719226U - 一种多维度风光储互补耦合系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种多维度风光储互补耦合系统，包括风力机，经过变速箱后与压缩机相连接，所述压缩机采用多级耦合式结构的往复式压缩机，各级压缩机通过机械轴连接，在第二级压缩机与第三级压缩机之间加装第二离合器。所述压缩机的各级压缩机气路出口与次一级压缩机气路入口通过换热器连接，所述换热器采用气‑液管壳式换热器。利用风力机输出机械能直接驱动压缩机产生工业用高压空气，并回收压缩过程产生的热量，用于供给工业及生活热负荷，去除了传统风力发电机由机械能转换为电能、再经过AC/DC/AC的电能转换过程，以及电力驱动压缩机变频器和电动机环节，从而提高了能源利用效率。

Description

一种多维度风光储互补耦合系统

技术领域

本实用新型属于清洁能源综合供能领域，尤其涉及一种多维度风光储互补耦合系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

能源紧缺与环境污染已成为制约我国经济、社会发展的重大隐患，切实引导能源行业转型升级，践行“绿水青山就是金山银山”的科学发展理念已刻不容缓。工业用能以高耗能、高污染二者著称，我国工业能耗占全国总能耗比例近70％，许多经济大省工业能耗占比甚至显著高于70％，且增速也明显领先其他行业。针对高耗能工业的节能减排与绿色能源供给技术已成为实现“碳达峰、碳中和”的必由之路。然而，工业用能方式多样且及其复杂，涉及高压空气、多品位热能、电力、制冷等，传统基于电力压缩机、燃气锅炉等设备的供能方式，使能量转换环节多且效率低，极具节能减排的潜力。

风力和太阳能资源是实现清洁供能与可持续发展的重要可再生能源，现有利用方式以风力发电和光伏发电为主。然而，风电和光伏发电转换环节多、效率低，且极易受到其固有的间歇性、随机性、波动性的影响，实际应用效果难以达到预期。同时，依靠电池储能的风、光功率波动平抑方式，致使电池充放电频繁，严重影响其使用寿命。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种多维度风光储互补耦合系统，其能够有效提高能源利用效率。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种多维度风光储互补耦合系统，包括：

风力机，经过变速箱与机械耦合装置后与多级压缩机相连接，所述多级压缩机采用多级耦合式结构的往复式压缩机，所述多级压缩机至少包括三级压缩机，靠近机械耦合装置的为第一级压缩机，相邻两级压缩机之间通过机械轴连接，在第二级压缩机与第三级压缩机之间加装第二离合器。

所述多级压缩机的每级压缩机气路出口与次一级压缩机气路入口通过换热器连接，所述换热器采用气-液管壳式换热器，所述换热器至少包括三级换热器。

所述第二级压缩机和第三级压缩机之间为第二换热器，所述第二换热器的气路出口通过旋塞阀分别与工业高压空气负荷和第三级压缩机连接。

还包括高压储气罐，分别与第五级压缩机和节流阀连接，用于存储高压空气。

所述节流阀通过旋塞阀分别连接工业高压空气负荷与第六换热器。

所述第六换热器气路出口与透平机连接，所述第六换热器高温介质入口为高温蒸汽。

所述透平机与同步发电机同轴连接，产生电能经AC/DC/AC变换器并入交流母线。

所述交流母线连接电池储能和工业电负荷，并通过双向并网开关并网，所述电池储能通过双向DC/AC接入交流母线。

所述交流母线通过ACAC连接第一电动机，所述第一电动机经第一离合器与机械耦合装置连接。

所述多级压缩机之间的换热器输入冷介质，回收压缩热之后输出热介质，所述热介质经过第一旋塞阀分别接入第一储热罐和工业高温热负荷。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型利用风力机输出机械能直接驱动压缩机产生工业用高压空气，并回收压缩过程产生的热量，用于供给工业及生活热负荷，去除了传统风力发电机由机械能转换为电能、再经过AC/DC/AC的电能转换过程，以及电力驱动压缩机变频器和电动机环节，从而提高了能源利用效率；同时，风力能以高压空气和热能形式输出，极大程度上降低了风电随机、波动特性的影响。

(2)过剩能量经过进一步压缩后存储于高压储气罐，提高了能量存储密度；所存储高压空气可以通过第三旋塞阀和节流阀的开度控制，调整输出气压以及工作方式，从而根据实际负荷需求供给高压空气负荷或用于发电，能源的供给方式更为灵活。

(3)本实用新型通过多级的压缩与换热器，满足了不同等级热能和压缩空气能的利用，实现了能量的梯级利用，提高了能量综合效率。

(4)本实用新型主体为机械耦合式结构，能量大、寿命长，且以清洁能源为主要输入形式，有助于低碳减排、绿色环保。

(5)本实用新型采用模块式结构，结构紧凑、安装灵活，方便根据不同工业用户特点调整结构参数。

附图说明

构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是本实用新型实施例提供的一种多维度风光储互补耦合系统结构示意图；

其中：1.风力机；2.变速箱；3.机械耦合装置；4.第一级压缩机；5.第二级压缩机；6.第二离合器；7.第三级压缩机；8.第四级压缩机；9.第五级压缩机；10.第一换热器；11.第二换热器；12.第二旋塞阀；13.第三换热器；14.第四换热器；15.第五换热器；16.高压储气罐；17.节流阀；18.第三旋塞阀；19.生活热负荷；20.冷介质罐；21.第六换热器；22.透平机；23.工业高压空气负荷；24.同步发电机；25.第一旋塞阀；26.第一储热罐；27.工业蒸汽热负荷；28.工业高温热负荷；29.AC/DC/AC变换器；30.第四旋塞阀；31.蒸汽储热罐；32.太阳能蒸汽系统；33.工业电负荷；34.第一离合器；35.电动机；36.变频器；37双向DC/AC变流器；38.蓄电池；39.第一阀门；40.第二阀门。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本实用新型提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本实用新型所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型中任一部件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。

本实用新型中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实用新型中的具体含义，不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，一种多维度风光储互补耦合系统，包括风力机1、太阳能蒸汽系统32、同轴往复式压缩机4、储热罐26、高压储气罐16、透平机22、换热器10、同步发电机24、电动机35、离合器34、蓄电池38。所述风力机1经过变速箱2、机械连接装置3与第一级压缩机4相连接，所述压缩机采用多级耦合式结构的往复式压缩机，各级压缩机通过机械轴连接，所述第二级压缩机5与第三级压缩机7之间加装第二离合器6，用于灵活调节工作模式；所述各级压缩机气路出口与次一级压缩机气路入口通过换热器连接，所述换热器采用气-液管壳式换热器，用于回收压缩热以供给工业热负荷28；所述第二换热器11气路出口通过旋塞阀分别与工业高压空气负荷23和第三级压缩机7连接，用于配合第二离合器6灵活切换工作模式；所述高压储气罐16分别与第五级压缩机9和节流阀17连接，用于存储高压空气，所述节流阀17通过第三旋塞阀18分别连接工业高压空气负荷23与第六换热器21，用于供气、供电模式的灵活切换；所述第六换热器21气路出口与透平机22连接；所述第六换热器21高温介质入口为高温蒸汽；所述透平机22连接轴与同步发电机连接，产生电能经AC/DC/AC变换器29并入交流母线。所述交流母线连接电池储能38、工业电负荷33，并通过双向并网开关并网；所述电池储能38通过双向DC/AC变流器37接入交流母线。

所述交流母线通过ACAC变频器36连接第一电动机35，所述第一电动机35经第一离合器34与机械耦合装置3连接；当第一离合器34闭合时，通过控制ACAC变频器36实现对电动机35转速的控制，从而实现风力机1输出机械功率的最大跟踪控制。

所述各压缩机级间换热器输入冷介质，回收压缩热之后输出热介质；所述热介质经过第一旋塞阀25分别接入第一储热罐26和工业高温热负荷28；所述第一阀门39和第二阀门40同开同闭，实现对热循环通路的改变；所述冷介质源自冷介质储罐及热负荷末端出口。

所述太阳能蒸汽系统32产生高温蒸汽供给工业高温蒸汽负荷27，并进一步回收预热用于供给工业热负荷28，实现热能的梯级利用；所述高温蒸汽可通过旋塞阀改变通路。

实施例一：

一种用于提高工业负荷灵活性的多维度风光储系统，包括风力机、变速箱、蓄电池、太阳能蒸汽系统、电动机第一离合器、机械耦合装置、第一级压缩机、第二级压缩机、第一换热器、第二换热器。

系统工作过程是：风力机1经变速箱2、机械耦合装置3与第一级压缩机4、第二级压缩机5同轴连接，蓄电池储能37经双向DCAC和ACAC变频器36驱动电动机35接入机械耦合装置3，第一离合器34闭合，第二离合器6断开，第二旋塞阀12旋至①处，第一阀门39和第二阀门40断开。风力机输出机械能直接驱动往复式压缩机工作，产生高压空气(0.8MPa)供给工业压缩空气负荷；冷介质经换热器回收压缩热供给工业高温热负荷。电池储能经双向DCAC和ACAC变换器，控制电机转速，实现风力机输出功率的最大功率点跟踪控制。

第四旋塞阀旋至①处，太阳能蒸汽系统输出高温蒸汽用于工业蒸汽负荷。第三旋塞阀旋至②处，控制节流阀开度使出口气压为0.8MPa，供给工业压缩空气负荷。

实施例二：适用于负荷较低工况。

风力机1经变速箱2、机械耦合装置3与第一级压缩机4、第二级压缩机5同轴连接，电网电能通过ACAC变频器36驱动电动机35接入机械耦合装置3，第一离合器34闭合，第二离合器6闭合，第二旋塞阀12旋至②处，第一阀门39和第二阀门40打开。风力机输出机械能直接驱动往复式压缩机工作，产生高压空气储存于储气罐内；冷介质经换热器回收压缩热存储于第一储热罐。

实施例三：

风力机1经变速箱2、机械耦合装置3与第一级压缩机4、第二级压缩机5同轴连接，蓄电池储能37经双向DCAC和ACAC变频器36驱动电动机35接入机械耦合装置3，第一离合器34闭合，第二离合器6断开，第二旋塞阀12旋至①处，第一阀门39和第二阀门40断开。风力机输出机械能直接驱动往复式压缩机工作，产生高压空气(0.8MPa)供给工业压缩空气负荷；冷介质经换热器回收压缩热供给工业高温热负荷。电池储能经双向DCAC和ACAC变换器，控制电机转速，实现风力机输出功率的最大功率点跟踪控制。

第四旋塞阀旋至②处，太阳能蒸汽系统输出高温蒸汽用于加热高压空气。第三旋塞阀旋至①处，控制节流阀开度使出口气压为3MPa，经第六换热器加热后推动透平发电。

本实用新型的工作原理：

当工业负荷包括热、蒸汽、高压空气时，利用风力机直接驱动与之同轴连接的压缩机，输出工业用压缩空气和热能，太阳能蒸汽系统输出过热蒸汽；通过控制双向DCAC和第一电机控制器，可调整风力机转速，从而提高风力输入功率；通过多级同轴压缩机可以产出工业用高压空气及热能，同时，通过控制第二离合器、第二旋塞阀、第一和第二阀门的开闭，可实现工作模式的改变，使多余能源将空气进一步压缩后存储与高压气罐。所述高压气罐经过节流阀减压后，供给工业高压空气负荷；所述太阳能蒸汽系统可直接供给高温蒸汽负荷；当电力负荷需求陡增时，可通过调节第三旋塞阀和第四旋塞阀，使高压空气进入换热器-透平机支路，经高温蒸汽加热后，推动透平旋转产生机械能，带动同轴同步发电机发电。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多维度风光储互补耦合系统，其特征在于，包括：

风力机，经过变速箱与机械耦合装置后与多级压缩机相连接，所述多级压缩机采用多级耦合式结构的往复式压缩机，所述多级压缩机至少包括三级压缩机，靠近机械耦合装置的为第一级压缩机，相邻两级压缩机之间通过机械轴连接，在第二级压缩机与第三级压缩机之间加装第二离合器。

2.如权利要求1所述的一种多维度风光储互补耦合系统，其特征在于，所述多级压缩机的每级压缩机气路出口与次一级压缩机气路入口通过换热器连接，所述换热器采用气-液管壳式换热器，所述换热器至少包括三级换热器。

3.如权利要求2所述的一种多维度风光储互补耦合系统，其特征在于，所述第二级压缩机和第三级压缩机之间为第二换热器，所述第二换热器的气路出口通过旋塞阀分别与工业高压空气负荷和第三级压缩机连接。

4.如权利要求3所述的一种多维度风光储互补耦合系统，其特征在于，还包括高压储气罐，分别与第五级压缩机和节流阀连接，用于存储高压空气。

5.如权利要求4所述的一种多维度风光储互补耦合系统，其特征在于，所述节流阀通过旋塞阀分别连接工业高压空气负荷与第六换热器。

6.如权利要求5所述的一种多维度风光储互补耦合系统，其特征在于，所述第六换热器气路出口与透平机连接，所述第六换热器高温介质入口为高温蒸汽。

7.如权利要求6所述的一种多维度风光储互补耦合系统，其特征在于，所述透平机与同步发电机同轴连接，产生电能经AC/DC/AC变换器并入交流母线。

8.如权利要求7所述的一种多维度风光储互补耦合系统，其特征在于，所述交流母线连接电池储能和工业电负荷，并通过双向并网开关并网，所述电池储能通过双向DC/AC接入交流母线。

9.如权利要求8所述的一种多维度风光储互补耦合系统，其特征在于，所述交流母线通过ACAC连接第一电动机，所述第一电动机经第一离合器与机械耦合装置连接。

10.如权利要求9所述的一种多维度风光储互补耦合系统，其特征在于，所述多级压缩机之间的换热器输入冷介质，回收压缩热之后输出热介质，所述热介质经过第一旋塞阀分别接入第一储热罐和工业高温热负荷。

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