CN103953966B - 一种提升风能消纳的大容量储热***及方法 - Google Patents

一种提升风能消纳的大容量储热***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提升风能消纳的大容量储热***及方法，该***包括：蒸汽发生装置，用于将弃风产生的电能转化为高温热能，并存储于高温热量蓄热设备；高温热量蓄热设备，用于储存蒸汽发生装置产生的高温热能，并产生蒸汽至吸收式热泵；压缩式热泵，以弃风产生的电能驱动压缩机，将环境热量转换成低温热能，并存储于低温热量蓄热设备；低温热量蓄热设备，用于储存压缩式热泵产生的低温热能，并输出热量至吸收式热泵；吸收式热泵，以来自高温热量蓄热设备输入的蒸汽为驱动热源，以低温热量蓄热设备输入的热量为低温热源，将制取的热量送入供热管网。本发明充分利用弃风资源和环境热量，实现传统能源与环境资源的综合利用。

Description

一种提升风能消纳的大容量储热***及方法
技术领域
本发明涉及能源技术领域，是一种集成了压缩式热泵、吸收式水源(空气源)热泵和蓄能等关键单元技术的风电与地热相结合的弃风消纳生活热水***及方法。
背景技术
作为无污染的可再生能源，现代风力发电产业在近三十年间得到了高速的发展，风电的装机功率增大了百倍，其成本也随之大幅下降。风电特性对电力***的影响突出体现在发电效率、备用储能、***可靠性、电压稳定性、***调峰等诸多方面。在我国的三北地区(东北、华北和西北)，风电的反调峰特性对电力***冲击最大，会导致区域中大量风电不能上网、产生严重的弃风问题。所谓弃风是指风机处于正常情况下，由于当地电网接纳能力不足、风电场建设工期不匹配和风电不稳定等问题导致的部分风电场风机暂停使用的现象。
随着风电并网规模的逐年增大，风电弃风问题越来越严重，2011年我国“三北”地区(东北、华北和西北)的弃风电量达123亿kW·h，弃风率16.23％，直接弃风经济损失高达66亿元。我国风电并网比例还将继续增大，若不积极采取措施，弃风问题将更加严重，带来的经济应损失不计其数。
从利用电锅炉消纳弃风的运行机理来看，该方案具有双重调峰作用：一方面，电锅炉消耗了一部分过剩风电进行直接供暖，这相当于增加了用电负荷；另一方面，由于电锅炉生产了部分热能，故热电厂可以减发相应的热能，根据热电约束则又可以降低其部分电出力。
蒸汽蓄热器可以解决风电使用区域的负荷不稳定和负荷峰谷差大等问题。当弃风量大时，将风电转换成热量通过高温高压蒸汽的形态存储起来，用以负荷较小的时候，提高风电利用率。
压缩式热泵因其高供热性能系数而大受推广，可以通过消耗部分电量将环境的低温热量转变成可以利用的高温热量，在三北地区供暖方面有着良好的应用前景。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种提升风能消纳的大容量储热***及方法，通过采用集成了压缩式热泵、吸收式热泵、相变蓄能和蒸汽蓄能等关键单元技术，并利用弃风与环境热量生产生活热水，以达到合理地、高效地消纳弃风并生产生活，提高区域电网工作性能的目的。
(二)技术方案
为达到上述目的的一个方面，本发明提供了一种提升风能消纳的大容量储热***，该***包括蒸汽发生装置、高温热量蓄热设备、压缩式热泵、低温热量蓄热设备和吸收式热泵，其中：蒸汽发生装置，用于将弃风产生的电能转化为高温热能，并存储于高温热量蓄热设备；高温热量蓄热设备，用于储存蒸汽发生装置产生的高温热能，并通过调节出口阀门开度的大小来产生设定的压力、温度的蒸汽至吸收式热泵；压缩式热泵，以弃风产生的电能驱动压缩机，将环境热量转换成低温热能，并存储于低温热量蓄热设备；低温热量蓄热设备，用于储存压缩式热泵产生的低温热能，并输出热量至吸收式热泵；吸收式热泵，以来自高温热量蓄热设备输入的蒸汽为驱动热源，以低温热量蓄热设备输入的热量为低温热源，将给水加热进入供热管网供居民使用。
优选地，所述弃风产生的电能是风力发电机组产生的电能。
优选地，所述蒸汽发生装置为电锅炉，风力发电机组产生的电能加热电锅炉中的水，产生的高温高压蒸汽进入高温热量蓄热设备。
优选地，所述高温热量蓄热设备为高温蒸汽蓄热器，其进口连接于蒸汽发生装置的蒸汽出口，其出口连接于吸收式热泵的发生器。
优选地，所述蒸汽发生装置连接有水箱和水泵，水箱和水泵用于为蒸汽发生装置供水。所述高温蒸汽蓄热器中存储的高温高压蒸汽与所述吸收式热泵的发生器中的吸收工质换热后变成水进入水箱循环。
优选地，所述低温热量蓄热设备为相变蓄热器，其进口连接于压缩式热泵的冷凝器，出口连接于吸收式热泵的蒸发器。
为达到上述目的的另一个方面，本发明提供了一种提升风能消纳的大容量储热方法，该方法包括：
风力发电机组发电产生的电能分为两部分，一部分为第一电能P1进入蒸汽发生装置，另一部分为第二电能P2用以驱动压缩式热泵；
蒸汽发生装置在第一电能P1的作用下产生高温高压的第一蒸汽S1进入高温热量蓄热设备，高温热量蓄热设备产生的第二蒸汽S2进入吸收式热泵的发生器；
压缩式热泵吸收来自环境热源的热量P3，并在第二电能P2的作用下产生热量被第五介质S5吸收进入低温热量蓄热设备；
低温热量蓄热设备输出第六介质S6进入吸收式热泵的蒸发器，第六介质S6与第二蒸汽S2共同驱动吸收式热泵工作，循环给水S9流经吸收式热泵的冷凝器和吸收器受热生成热水S10进入供热网管。
优选地，该方法进一步通过调节高温热量蓄热设备和低温热量蓄热设备这两级蓄热装置来实现风电负荷移峰填谷，提高风电利用率。
优选地，当生活热水供大于求时，通过调小高温热量蓄热设备和低温热量蓄热设备的出口阀门来将多余热量储存于高温热量蓄热设备和低温热量蓄热设备中；当生活热水供小于求时，通过调大高温热量蓄热设备和低温热量蓄热设备的出口阀门释放更多热量，用来满足不同时间对生活热水需求量的变化，以使***尽量在稳定工况下运行。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明遵循“温度对口，梯级利用”的用能原则，通过高温热量驱动发生器，低温热量进入蒸发器，实现热量的高效利用的目的。
2、本发明通过电锅炉产生高温高压蒸汽，不仅提高了风电的利用率，还增大热量转换效率。
3、本发明通过压缩式热泵，吸收环境热量，产生大量低温热量，提高了电能的利用率，成倍地降低了热量的生产成本。
4、本发明压缩式热泵以地下水或者空气为低温热源，合理利用了可再生能源。
5、本发明采用两级蓄热器(高温蓄热器和低温蓄热器)调节生活热水供需要求，以满足不同时段对生活热水的需求，同时也使***尽可能在稳定工况下运行。
6、本发明将弃风风电最终转变成热水并输入供热网管。消纳方式新颖、高效、经济。
附图说明
图1是本发明提供的提升风能消纳的大容量储热***的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的提升风能消纳的大容量储热***及方法，将弃风产生的电能分两部分，一部分在电锅炉里高效率转换成高温高压蒸汽，然后进入高温蒸汽蓄热器；另一部分驱动压缩式热泵吸收环境热量并产生低温热量，然后进入相变蓄热器。调节高温蒸汽蓄热器出口阀门，将出口蒸汽当作吸收式热泵发生器的驱动热源；调节相变蓄热器的出口阀门，释放出低温热量当作吸收式热泵蒸发器的低温热源。循环给水通过冷凝器和吸收器被加热至90℃，进入供热网管。
如图1所示，图1是本发明提供的提升风能消纳的大容量储热***的示意图，该***包括蒸汽发生装置3、高温热量蓄热设备6、压缩式热泵5、低温热量蓄热设备7和吸收式热泵8，其中：蒸汽发生装置3用于将弃风产生的电能转化为高温热能，并存储于高温热量蓄热设备6；高温热量蓄热设备6以高温高压蒸汽的形式储存蒸汽发生装置3产生的高温热能，并通过调节出口阀门开度的大小来产生不同压力、温度的蒸汽至吸收式热泵8；压缩式热泵5以弃风产生的电能驱动压缩机，将环境热量转换成低温热能，并存储于低温热量蓄热设备7；低温热量蓄热设备7用于储存压缩式热泵5产生的低温热能，并输出热量至吸收式热泵8；吸收式热泵8以来自高温热量蓄热设备6输入的蒸汽为驱动热源，以低温热量蓄热设备7输入的热量为低温热源，将给水加热进入供热管网9供居民使用。
其中，弃风产生的电能即是风力发电机组1产生的电能。蒸汽发生装置3为电锅炉，风力发电机组1产生的电能加热电锅炉3中的水，产生的高温高压蒸汽进入高温热量蓄热设备6。高温热量蓄热设备6为高温蒸汽蓄热器，其进口连接于蒸汽发生装置3的蒸汽出口，其出口连接于吸收式热泵8的发生器。蒸汽发生装置3连接有水箱和水泵4，水箱和水泵4用于为蒸汽发生装置3供水。高温蒸汽蓄热器6中存储的高温高压蒸汽与吸收式热泵8的发生器中的吸收工质换热后变成水进入水箱和水泵4中的水箱循环。低温热量蓄热设备7为相变蓄热器，其进口连接于压缩式热泵5的冷凝器，出口连接于吸收式热泵8的蒸发器。
参照图1，本发明提供的提升风能消纳的大容量储热***包括风力发电机组1、环境热源2、电锅炉3、水箱与水泵4、压缩式热泵5、高温蒸汽蓄热器6、相变蓄热器7和、吸收式热泵8及供热网管9。其中，风电发电机组1分别连接于电锅炉3和压缩式热泵5，电锅炉3的蒸汽出口与高温蒸汽蓄热器6的进口相连，高温蒸汽蓄热器6以电锅炉3提供的蒸汽为驱动热源；高温蒸汽蓄热器6的出口与吸收式热泵发生器8相连接；压缩式热泵5的冷凝器与相变蓄热器7的进口相连；相变蓄热器7的出口与吸收式热泵8的蒸发器相连，作为吸收式热泵8的低温热源；吸收式热泵8通过水箱与水泵4连接于电锅炉3；循环给水通过吸收式热泵8的冷凝器与吸收器在受热后进入供热网管9。
基于图1所示的提升风能消纳的大容量储热***，本发明还提供了一种提升风能消纳的大容量储热方法，该方法包括：
风力发电机组发电产生的电能分为两部分，一部分为第一电能P1进入蒸汽发生装置，另一部分为第二电能P2用以驱动压缩式热泵；
蒸汽发生装置在第一电能P1的作用下产生高温高压的第一蒸汽S1进入高温热量蓄热设备，高温热量蓄热设备产生的第二蒸汽S2进入吸收式热泵的发生器；
压缩式热泵吸收来自环境热源的热量P3，并在第二电能P2的作用下产生热量被第五介质S5吸收进入低温热量蓄热设备；
低温热量蓄热设备输出第六介质S6进入吸收式热泵的蒸发器，第六介质S6与第二蒸汽S2共同驱动吸收式热泵工作，循环给水S9流经吸收式热泵的冷凝器和吸收器受热生成热水S10进入供热网管。
其中，该方法进一步通过调节高温热量蓄热设备和低温热量蓄热设备这两级蓄热装置来实现风电负荷移峰填谷，提高风电利用率。当生活热水供大于求时，通过调小高温热量蓄热设备和低温热量蓄热设备的出口阀门来将多余热量储存于高温热量蓄热设备和低温热量蓄热设备中；当生活热水供小于求时，通过调大高温热量蓄热设备和低温热量蓄热设备的出口阀门释放更多热量，用来满足不同时间对生活热水需求量的变化，以使***尽量在稳定工况下运行。
请再次参照图1，本发明提供的提升风能消纳的大容量储热***的具体工作流程为：风力发电机组1发电产生的电能分为两部分，一部分电能P1进入电锅炉3，另一部分电能P2驱动压缩式热泵5。电锅炉3在电能P1的作用下产生高温高压的蒸汽S1进入高温蒸汽蓄热器6，高温蒸汽蓄热器6产生的蒸汽S2进入吸收式热泵8的发生器部分。压缩式热泵5吸收来自环境热源2的热量P3，并在电能P2的作用下产生热量被介质S5吸收进入相变蓄热器7。相变蓄热器7调节输出相应温度的介质S6进入吸收式热泵8的蒸发部分，介质S6与蒸汽S2共同驱动吸收式热泵8工作，给水S9流经吸收式热泵8的冷凝器部分和吸收器部分受热生产热水S10进入供热网管9。
下面以一个具体例子来说明。内蒙古某地区具有丰富的风力资源，冬季供暖期弃风风电平均功率为5000kW，该地区地下水资源丰富。
若对此地区采用本发明提供的提升风能消纳的大容量储热***，来利用弃风风电产生生活热水，则可以充分利用地下热水的热能资源，减少***对化石能源的消耗。根据此地区弃风情况，可采用方案的主要设备及参数如表1所示。
表1主要设备及参数
本实施例弃风风电5000kW，风力发电机组有效运行时间每年4个月，每月30天，每天4小时共480小时/年。
对***进行热力学分析，考虑到两个蓄热器的蓄热效率为98％，按照上表各参数，计算得，热水吸收来自吸收式热泵的热量为6994kW，则，热电比为1.4。
对***进行技术经济性分析，电锅炉按照0.1万元/KW，高温蒸汽蓄热器按照0.1万/m3，压缩式热泵、吸收式热泵和相变蓄热其都是通过网上询价了解。使用年限20年。当前内蒙古供热价格为79元/GJ。每年供热经济收益：S2＝95.3万，而***设备的建造和维护(按照20年使用寿命)为657万元，弃风回收的最高电价为0.21元/度，经济效益十分显著。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提升风能消纳的大容量储热***，其特征在于，该***包括蒸汽发生装置、高温热量蓄热设备、压缩式热泵、低温热量蓄热设备和吸收式热泵，其中：
蒸汽发生装置，用于将弃风产生的电能转化为高温热能，并存储于高温热量蓄热设备；
高温热量蓄热设备，用于储存蒸汽发生装置产生的高温热能，并通过调节出口阀门开度的大小来产生设定的压力、温度的蒸汽至吸收式热泵；
压缩式热泵，以弃风产生的电能驱动压缩机，将环境热量转换成低温热能，并存储于低温热量蓄热设备；
低温热量蓄热设备，用于储存压缩式热泵产生的低温热能，并输出热量至吸收式热泵；
吸收式热泵，以来自高温热量蓄热设备输入的蒸汽为驱动热源，以低温热量蓄热设备输入的热量为低温热源，将给水加热生成供暖用热水进入供热管网供居民使用；
其中，所述高温热量蓄热设备为高温蒸汽蓄热器，其进口连接于蒸汽发生装置的蒸汽出口，其出口连接于吸收式热泵的发生器；所述低温热量蓄热设备为相变蓄热器，其进口连接于压缩式热泵的冷凝器，出口连接于吸收式热泵的蒸发器；所述蒸汽发生装置连接有水箱和水泵，水箱和水泵用于为蒸汽发生装置供水；所述高温蒸汽蓄热器中存储的高温高压蒸汽与所述吸收式热泵的发生器中的吸收工质换热后变成水进入水箱循环。
2.根据权利要求1所述的提升风能消纳的大容量储热***，其特征在于，所述弃风产生的电能是风力发电机组产生的电能。
3.根据权利要求1所述的提升风能消纳的大容量储热***，其特征在于，所述蒸汽发生装置为电锅炉，风力发电机组产生的电能加热电锅炉中的水，产生的高温高压蒸汽进入高温热量蓄热设备。
4.一种提升风能消纳的大容量储热方法，应用于权利要求1至3中任一项所述的***，其特征在于，该方法包括：
风力发电机组发电产生的电能分为两部分，一部分为第一电能(P1)进入蒸汽发生装置，另一部分为第二电能(P2)用以驱动压缩式热泵；
蒸汽发生装置在第一电能(P1)的作用下产生高温高压的第一蒸汽(S1)进入高温热量蓄热设备，高温热量蓄热设备产生的第二蒸汽(S2)进入吸收式热泵的发生器；
压缩式热泵吸收来自环境热源的热量(P3)，并在第二电能(P2)的作用下产生热量被第五介质(S5)吸收进入低温热量蓄热设备；
低温热量蓄热设备输出第六介质(S6)进入吸收式热泵的蒸发器，第六介质(S6)与第二蒸汽(S2)共同驱动吸收式热泵工作，循环给水(S9)流经吸收式热泵的冷凝器和吸收器受热生成供暖用热水(S10)进入供热网管。
5.根据权利要求4所述的提升风能消纳的大容量储热方法，其特征在于，该方法进一步通过调节高温热量蓄热设备和低温热量蓄热设备这两级蓄热装置来实现风电负荷移峰填谷，提高风电利用率。
6.根据权利要求4所述的提升风能消纳的大容量储热方法，其特征在于，
当生活热水供大于求时，通过调小高温热量蓄热设备和低温热量蓄热设备的出口阀门来将多余热量储存于高温热量蓄热设备和低温热量蓄热设备中；
当生活热水供小于求时，通过调大高温热量蓄热设备和低温热量蓄热设备的出口阀门释放更多热量，用来满足不同时间对生活热水需求量的变化，以使***尽量在稳定工况下运行。
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