CN107026471A - 一种基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，构成中包括太阳能光伏发电系统、风能发电系统、燃料电池发电系统和海洋温差发电系统；所述太阳能光伏发电系统和风能发电系统的输出端相接构成动力电网源；所述燃料电池发电系统和海洋温差发电系统运行所需的电能由动力电网源提供，燃料电池发电系统和海洋温差发电系统的输出端接外电网。本发明将多种新能源有机组合在一起，构成分布式发电系统，该系统不仅实现了多能源互补综合利用，提高了可再生能源利用率，解决了环境污染和能源紧缺问题，而且具有较高的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种可再生能源、燃料电池发电系统和海洋温差发电系统耦合的分布式能源综合利用系统，属于发电技术领域。
背景技术
近年来，传统能源如煤、石油及天然气的持续消耗，造成一次能源紧缺及地球环境污染和温室效应的不断加剧。面临如此严峻的问题，有关减少传统能源的使用和依赖的解决方案，已经成为业者及学术界共同探讨与研究的问题。然而最有效的解决方法是新能源的开发与利用，新能源包括太阳能、风能、燃料电池和海洋温差等。
如今，太阳能和风能发电得到了较大发展。但是风能和太阳能都有随机性和间歇性的特点，如果单独使用风能或者太阳能发电，并网时会给电网造成很大的冲击，为此，可以根据太阳能和风能在时间上的互补性，构建风光互补分布式能量发电系统，利用风光互补系统电解制氢，利用太阳能海水淡化系统制氢，把太阳能和风能转换为氢能，也为太阳能和风能利用中各种困难的解决提供了理想的途径。
面对大量氢能的储存，将其转化为高品位的电能，燃料电池是最佳途径。燃料电池因具有能量转换效率高、运作安静、反应快、污染排放低等优点，已经得到了迅速发展，为氢能到电能的转化提供了合理有效的途径，实现了与太阳能、风能的耦合，同时，解决了单独使用风能或者太阳能发电，并网时给电网造成冲击的问题。
面临着环境污染、能源枯竭等的威胁，海洋能被誉为“蓝色的能源”，其储量巨大，并且海洋温差能所占比重最大，所以海洋温差能的开发利用越来越多地受到世界各国的广泛关注。海洋温差发电系统其原理是利用温海水加热某种低沸点介质(如CO2)，使之变为低沸点介质蒸汽，然后通入汽轮机做功发电，汽轮机排出的乏汽经凝汽器冷凝成液体后，用工质泵再打回蒸发器重新加热，循环使用。风光互补发电系统为海洋温差发电系统的电力设备提供电力，同时，太阳能集热与温海水互补加热低沸点介质(如CO2)，实现了海洋温差与风能、太阳能的耦合。纵观现有的能源和技术，目前还没有一种理想的分布式能源综合利用系统，因此研发新能源的高效利用方式，实现多能源互补综合利用，对于有效缓解一次能源紧缺及其利用带来的环境和安全性问题具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，以实现多能源互补综合利用，提高可再生能源利用率，解决环境污染和能源枯竭问题。
本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
一种基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，构成中包括太阳能光伏发电系统、风能发电系统、燃料电池发电系统和海洋温差发电系统；所述太阳能光伏发电系统和风能发电系统的输出端相接构成动力电网源；所述燃料电池发电系统和海洋温差发电系统运行所需的电能由动力电网源提供，燃料电池发电系统和海洋温差发电系统的输出端接外电网。
上述基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，所述燃料电池发电系统包括淡水电解装置、氢气阀门、氧气阀门、氢气储存罐、氧气储存罐、氢气机、氧气机、燃料电池反应堆、电解整流器、并网逆变器和第一升压变压器，所述淡水电解装置的供电端通过电解整流器与动力电网源连接，淡水电解装置的氢气出口依次经氢气阀门、氢气储存罐、氢气机与燃料电池反应堆的氢气入口连接，氧气出口依次经氧气阀门、氧气储存罐、氧气机与燃料电池反应堆的氧气入口连接；所述燃料电池反应堆的电能输出端依次经并网逆变器和第一升压变压器与外电网相连。
上述基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，所述海洋温差发电系统包括CO2蒸发器、涡轮机、CO2冷凝器、液态CO2泵和发电机，所述液态CO2泵、CO2蒸发器、涡轮机和CO2冷凝器接成CO2朗肯循环系统，所述CO2蒸发器内的工质加热管经温海水泵与温海水相连，所述CO2冷凝器内的工质冷却管经冷海水泵与冷海水相连；所述涡轮机驱动发电机运转；所述发电机的输出端经第二升压变压器与外电网相连。
上述基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，所述燃料电池发电系统所需的淡水由太阳能海水淡化系统提供，所述太阳能海水淡化系统包括液态工质储存罐、太阳能集热器、气态工质储存罐、海水蒸发器、工质泵、海水泵、蒸汽冷却器、淡水储存罐和淡水泵，所述太阳能集热器接受太阳光的照射；所述气态工质储存罐和液态工质储存罐分别位于太阳能集热器的上部和下部并通过太阳能集热器内部的工质管相连，所述工质泵的工质出口接液态工质储存罐，工质入口通过海水蒸发器内的工质管与气态工质储存罐连接；所述海水蒸发器的进水口接海水泵，海水蒸发器排出的水蒸汽由蒸汽冷却器冷却后形成的淡水送入淡水储存罐；所述淡水泵的进水口接淡水储存罐，出水口接淡水电解装置的补水口；所述工质泵、海水泵和淡水泵由动力电网源供电。
上述基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，所述太阳能光伏发电系统包括太阳能电池组、光伏控制器、光伏逆变器和光伏储能蓄电池组，所述太阳能电池组输出的电能在光伏控制器的控制下通过光伏逆变器送到动力电网源并给光伏储能蓄电池组充电，所述光伏储能蓄电池组输出的电能在光伏控制器的控制下通过光伏逆变器送到动力电网源。
上述基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，所述风能发电系统包括风力发电机、风电整流器、风机控制器、风电逆变器和风电储能蓄电池组，所述风电整流器的交流输入端接风力发电机的输出端，风电整流器输出的直流电在风电整流器的控制下通过风电逆变器送到动力电网源并给风电储能蓄电池组充电，所述风电储能蓄电池组输出的电能在风电整流器的控制下通过风电逆变器送到动力电网源。
上述基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，所述CO2蒸发器的工质腔与太阳能集热器内的工质管通过连接设备相连。
本发明将多种新能源有机组合在一起，构成分布式发电系统，该系统不仅实现了多能源互补综合利用，提高了可再生能源利用率，解决了环境污染和能源紧缺问题，而且具有较高的稳定性和可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1为本发明系统原理示意图。
图中各标号清单为：1、太阳能电池组，2、光伏控制器，3、光伏逆变器，4、光伏储能蓄电池组，5、风力发电机，6、风电整流器，7、风机控制器，8、风电逆变器，9、风电储能蓄电池组，10、动力电网源，11、发电机，12、CO2冷凝器，13、液态CO2泵，14、冷海水泵，15、电解整流器，16、温海水，17、冷海水，18、第一升压变压器，19、第二升压变压器，20、太阳能集热器，21、气态工质储存罐，22、液态工质储存罐，23、工质泵，24、海水泵，25、海水蒸发器，26、蒸汽冷却器，27、淡水储存罐，28、淡水泵，29、淡水电解装置，30、氢气阀门，31、氢气储存罐，32、氧气阀门，33、氧气储存罐，34、氢气机，35、氧气机，36、燃料电池反应堆，37、并网逆变器，38、外电网，39、温海水泵，40、CO2蒸发器，41、涡轮机。
具体实施方式
如图1所示，基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统包括太阳能光伏发电系统，风能发电系统，太阳能海水淡化系统、燃料电池发电系统和海洋温差发电系统。其中，太阳能光伏发电系统和风能发电系统的输出端相接构成动力电网源10。
太阳能光伏发电系统包括太阳能电池组1、光伏控制器2、光伏逆变器3和光伏储能蓄电池组4，太阳能电池组1的输出端依次经光伏控制器2和光伏逆变器3与动力电网源10连接，光伏控制器2与光伏储能蓄电池组4相连。
风能发电系统包括风力发电机5、风电整流器6、风机控制器7、风电逆变器8和风电储能蓄电池组9，风力发电机5的输出端依次经风电整流器6、风机控制器7和风电逆变器8与动力电网源10连接，风机控制器7与风电储能蓄电池组9相连。
太阳能海水淡化系统包括由液态工质储存罐22、太阳能集热器20、气态工质储存罐21、海水蒸发器25和工质泵23构成的有机工质(或CO2)循环系统；海水蒸发器25连接海水泵24和蒸汽冷却器26；蒸汽冷却器26连接淡水储存罐27。
燃料电池发电系统主要包括淡水电解装置29、氢气储存罐31、氧气储存罐33、氢气机34、氧气机35和燃料电池反应堆36，淡水电解装置29经淡水泵28与淡水储存罐27相连；淡水电解装置29的氢气出口依次经氢气阀门30、氢气储存罐31、氢气机34与燃料电池反应堆36的氢气入口连接，氧气出口依次经氧气阀门32、氧气储存罐33、氧气机35与燃料电池反应堆36的氧气入口连接；燃料电池反应堆36的输出端依次经过并网逆变器37、第一升压变压器18与外电网38相连。
海洋温差发电系统包括CO2蒸发器40、涡轮机41、CO2冷凝器12、液态CO2泵13，它们连接成CO2朗肯循环系统，CO2蒸发器40经温海水泵39和温海水16相连，CO2冷凝器12经冷海水泵14和冷海水11相连；涡轮机41与发电机11连接；发电机11经第二升压变压器19与外电网38相连。
海水泵24、工质泵23、淡水泵28、温海水泵39、冷水水泵14和液态CO2泵13通过电缆线与动力电网源10连接；淡水电解装置29经电解整流器15与动力电网源10相连。
在太阳能光伏发电系统中，太阳能电池组1吸收太阳光并将其转化为直流电，直流电经过光伏逆变器3转变为稳定的交流电后被输送到动力电网源10，用以提供整个系统中各设备的电力消耗。在阳光充足的条件下，可通过光伏控制器2将多余的电能储存在光伏储能蓄电池组4中，以弥补阳光缺乏时的供电不足。
在风力发电系统中，风电整流器6将从风力发电机5中得到的频率不稳定的交流电整流成为直流电，直流电经过风电逆变器8转变为稳定的交流电后被输送到动力电网源10，用以提供整个系统中各设备的电力消耗。在风力充足的条件下，可通过风机控制器7将多余的电能储存在风电储能蓄电池组9中，以弥补风力缺乏时的供电不足。
在太阳能海水淡化系统和燃料电池发电系统中，存于液态工质储存罐22中的有机工质(或CO2)经在太阳能集热器20中换热，变为气态进入海水蒸发器25，海水蒸发器25中的海水与有机工质(或CO2)换热后成为水蒸汽，水蒸汽进入蒸汽冷却器26冷却后便得到淡水，淡水存于淡水罐27中。换热后的有机工质(或CO2)变为液态，经工质泵23送到液态工质储存罐22继续上述循环。淡水经淡水泵28进入淡水电解装置29，从淡水电解装置29中出来的氢气和氧气经氢气阀门30、氧气阀门32分别存储于氢气存储罐31和氧气存储罐33中，然后氢气和氧气分别经氢气机34和氧气机35进入燃料电池反应堆36的正负极，所得直流电经并网逆变器37和第一升压变压器18送到外电网38。
在海洋温差发电系统中，温海水经温海水泵39进入CO2蒸发器40，与CO2换热并使其成为气态，气态CO2进入涡轮机41做功，涡轮机41带动发电机11发电，所得交流电经第二升压变压器19送入外电网38。膨胀做功后的CO2进入CO2冷凝器12，被经冷海水泵14进入CO2冷凝器12的冷海水冷却为液态，然后经液态CO2泵13进入CO2蒸发器40继续循环做功。在环境温度较低时，太能集热器20可通过连接设备与CO2蒸发器40相连，作为热源加热CO2蒸发器40中的CO2，提高循环效率。
本发明由五个系统组成：太阳能光伏发电系统，风能发电系统、太阳能海水淡化系统、燃料电池发电系统和海洋温差发电系统，其中，太阳能海水淡化系统的主要功能是给燃料电池发电系统提供淡水。通过动力电网源将太阳能光伏发电系统和风力发电系统连接起来；太阳能海水淡化系统、燃料电池发电系统和海洋温差发电系统通过其电力消耗设备与动力电网源相连，从而实现三者与太阳能光伏发电系统和风能发电系统的连接；通过太阳能集热器与CO2蒸发器，将太阳能海水淡化系统和海洋温差发电系统连接起来。上述连接实现了五个系统的有机结合。通过上述连接构成了一个基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统。
本发明燃料电池发电和海洋温差发电系统中的各种电力设备大量耗电，为了避免厂用电系统，使整个发电系统单纯发电，提高系统发电的效益，本发明完全利用太阳能和风能互补发电为系统中的用电设备提供电力，无需外界供电或利用厂用电。太阳能和风能互补发电优点突出:低压供电、运行安全、维护简单。
本发明在作为动力电网源的风光互补发电系统中，结合负荷的变化和风光资源的随机不确定性，太阳能和风能的互补发电模式也具有多种。在白天，太阳能和风能同时充足时，太阳能光伏发电和风能发电同时运行，满足负荷条件下，多余电能存储于各自的储能蓄电池组；夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，满足负荷条件下，多余电能存储于风能储能蓄电池组；在既无阳光又无风或风光不足时(在海边，此情况极少)，利用光能和风能的储能蓄电池组供给负荷。实际应用中应根据太阳能辐射条件、风力大小及风向的变化以及负荷需求，来实现不同模式优化运行。
在本发明的海洋温差发电系统中，有时海洋表面水温较低，不足以为CO2的蒸发提供热源，此时将海洋表面水热源与太阳能海水淡化系统中的太阳能集热器结合，弥补海洋表面水温低导致发电效率低的弊端。实际应用中结合负荷变化利用其各自特性构建出更加合理的运行方案。
以上实施例仅仅是对本发明优选实施方式进行的描述，并非对本发明的实施范围进行限定，在不脱离本发明核心技术前提下，对本发明做出的各种等同变化和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，其特征是，构成中包括太阳能光伏发电系统、风能发电系统、燃料电池发电系统和海洋温差发电系统；所述太阳能光伏发电系统和风能发电系统的输出端相接构成动力电网源(10)；所述燃料电池发电系统和海洋温差发电系统运行所需的电能由动力电网源(10)提供，燃料电池发电系统和海洋温差发电系统的输出端接外电网(38)。
2.根据权利要求1所述的基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，其特征是，所述燃料电池发电系统包括淡水电解装置(29)、氢气阀门(30)、氧气阀门(32)、氢气储存罐(31)、氧气储存罐(33)、氢气机(34)、氧气机(35)、燃料电池反应堆(36)、电解整流器(15)、并网逆变器(37)和第一升压变压器(18)；所述淡水电解装置(29)的供电端通过电解整流器(15)与动力电网源(10)连接；淡水电解装置(29)的氢气出口依次经氢气阀门(30)、氢气储存罐(31)、氢气机(34)与燃料电池反应堆(36)的氢气入口连接，氧气出口依次经氧气阀门(32)、氧气储存罐(33)、氧气机(35)与燃料电池反应堆(36)的氧气入口连接；所述燃料电池反应堆(36)的电能输出端依次经并网逆变器(37)和第一升压变压器(18)与外电网(38)相连。
3.根据权利要求1或2所述的基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，其特征是，所述海洋温差发电系统包括CO2蒸发器(40)、涡轮机(41)、CO2冷凝器(12)、液态CO2泵(13)和发电机(11)，所述液态CO2泵(13)、CO2蒸发器(40)、涡轮机(41)和CO2冷凝器(12)接成CO2朗肯循环系统，所述CO2蒸发器(40)内的工质加热管经温海水泵(39)与温海水(16)相连，所述CO2冷凝器(12)内的工质冷却管经冷海水泵(14)与冷海水(11)相连；所述涡轮机(41)驱动发电机(11)运转；所述发电机(11)的输出端经第二升压变压器(19)与外电网(38)相连。
4.根据权利要求3所述的基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，其特征是，所述燃料电池发电系统所需的淡水由太阳能海水淡化系统提供，所述太阳能海水淡化系统包括液态工质储存罐(22)、太阳能集热器(20)、气态工质储存罐(21)、海水蒸发器(25)、工质泵(23)、海水泵(24)、蒸汽冷却器(26)、淡水储存罐(27)和淡水泵(28)；所述太阳能集热器(20)接受太阳光的照射；所述气态工质储存罐(21)和液态工质储存罐(22)分别位于太阳能集热器(20)的上部和下部并通过太阳能集热器(20)内部的工质管相连，所述工质泵(23)的工质出口接液态工质储存罐(22)，工质入口通过海水蒸发器(25)内的工质管与气态工质储存罐(21)连接；所述海水蒸发器(25)的进水口接海水泵(24)，海水蒸发器(25)排出的水蒸汽由蒸汽冷却器(26)冷却后形成的淡水送入淡水储存罐(27)；所述淡水泵(28)的进水口接淡水储存罐(27)，出水口接淡水电解装置(29)的补水口；所述工质泵(23)、海水泵(24)和淡水泵(28)由动力电网源(10)供电。
5.根据权利要求4所述的基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，其特征是，所述太阳能光伏发电系统包括太阳能电池组(1)、光伏控制器(2)、光伏逆变器(3)和光伏储能蓄电池组(4)；所述太阳能电池组(1)输出的电能在光伏控制器(2)的控制下通过光伏逆变器(3)送到动力电网源(10)并给光伏储能蓄电池组(4)充电，所述光伏储能蓄电池组(4)输出的电能在光伏控制器(2)的控制下通过光伏逆变器(3)送到动力电网源(10)。
6.根据权利要求5所述的基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，其特征是，所述风能发电系统包括风力发电机(5)、风电整流器(6)、风机控制器(7)、风电逆变器(8)和风电储能蓄电池组(9)，所述风电整流器(6)的交流输入端接风力发电机(5)的输出端，风电整流器(6)输出的直流电在风电整流器(6)的控制下通过风电逆变器(8)送到动力电网源(10)并给风电储能蓄电池组(9)充电，所述风电储能蓄电池组(9)输出的电能在风电整流器(6)的控制下通过风电逆变器(8)送到动力电网源(10)。
7.根据权利要求6所述的基于多种可再生能源耦合的分布式发电系统，其特征是，所述CO2蒸发器(40)的工质腔与太阳能集热器(20)内的工质管通过连接设备相连。
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