阅读说明：本技术 一种带机械储能的风能驱动热电联产系统及方法 (Wind-driven cogeneration system and method with mechanical energy storage function ) 是由 王康 陈可仁 范子超 程婉静 孙财新 张霄 闫立春 于 2020-06-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种带机械储能的风能驱动热电联产系统及方法,本系统包括风机,风机通过传动带连接机械储能装置,机械储能装置带有传动轴,传动轴上同轴设置有联轴器一、发电机、联轴器二及双级压缩机；机械储能装置通过联轴器一驱动发电机工作,机械储能装置通过联轴器二驱动双级压缩机工作,双级压缩机连接供热系统部分。本方法为：通过调速联轴器将发电机和双级压缩机连接在同一个传动轴上,实现热电联产功能,满足多种用能场景；并且,本发明在供热部分通过两级压缩、中间冷却来降低压缩机的能耗,提高系统效率,使得系统在制取高温热量时也有较高的经济性。(The invention discloses a wind energy driven cogeneration system with mechanical energy storage and a method thereof, wherein the system comprises a fan, the fan is connected with a mechanical energy storage device through a transmission belt, the mechanical energy storage device is provided with a transmission shaft, and a first coupling, a generator, a second coupling and a two-stage compressor are coaxially arranged on the transmission shaft; the mechanical energy storage device drives the generator to work through the first coupler, the mechanical energy storage device drives the two-stage compressor to work through the second coupler, and the two-stage compressor is connected with the heat supply system. The method comprises the following steps: the generator and the two-stage compressor are connected to the same transmission shaft through the speed regulation coupler, so that the cogeneration function is realized, and various energy utilization scenes are met; in addition, the invention reduces the energy consumption of the compressor by two-stage compression and intermediate cooling in the heat supply part, improves the system efficiency and ensures that the system has higher economy when high-temperature heat is prepared.)

一种带机械储能的风能驱动热电联产系统及方法

技术领域

本发明涉及一种热电联产系统及方法，尤其涉及一种带机械储能的风能驱动热电联产系统及该系统的工作方法。

背景技术

风电在我国能源供应中发挥着重要作用，由于风电以自然风为原动力，风力发电系统因此呈现间歇性、波动性及非周期性的特点。自然风的不稳定会影响到电网的稳定性与电能质量，造成系统供能不平衡、电压出现波动及闪变、系统频率出现偏移等一系列技术难题。

同时，我国冬季采暖地区主要包括黑龙江、吉林、辽宁、新疆、青海、甘肃、宁夏、内蒙古、河北、山西、北京、天津和陕西北部、山东北部、河南北部等，这些地区城市建筑面积总量近90多亿平方米。随着城市化进程和城市人口增长速度的加快，城市供暖需求在快速增长，我国集中供热存在着较大缺口。在现有的供热系统中，只有冷量/热量输出功能，缺少电力输出功能，不能适应热电联产的应用场景，另外，在制取高温热量时，系统效率较低，经济性较差。

上述冬季采暖地区大多属于风能资源丰富或较丰富地区，因此，亟需提供一种采用带储能的风能供热系统，既能避免风电并网的不稳定性问题，还实现热电联产，有效地减少中间转换过程的能量转换损失，提高风能利用效率。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种带机械储能的风能驱动热电联产系统及方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种带机械储能的风能驱动热电联产系统，包括风机，它还包括传动带、机械储能装置、蒸发器，风机通过传动带连接机械储能装置，机械储能装置带有传动轴，传动轴上同轴设置有联轴器一、发电机、联轴器二及双级压缩机；

机械储能装置通过联轴器一驱动发电机工作，机械储能装置通过联轴器二驱动双级压缩机工作；

双级压缩机由一级压缩机、二级压缩机组成，一级压缩机通过一号管路连通有蒸发器，一级压缩机还通过二号管路连通有换热器，换热器通过三号管路连通二级压缩机；二级压缩机通过四号管路连通冷凝器，冷凝器连通冷凝管路，冷凝管路形成两条分支，分别为五号管路、六号管路，五号管路与换热器相连通，六号管路也与换热器相连通，且六号管路上设置有旁路调节阀，换热器通过八号管路回流到蒸发器。

进一步地，六号管路上还设置有调节阀T，调节阀T位于冷凝管路与旁路调节阀之间。

进一步地，八号管路上设置有换热节流阀。

进一步地，联轴器一、联轴器二均采用调速联轴器。

进一步地，该系统包括三种工作模式，分别为：储能模式、发电模式、制热模式，其中，发电模式、制热模式同时或分别工作。

进一步地，储能模式的具体工作过程为：风机将风能转换成机械能，并通过传动带将机械能传输送给机械储能装置，由机械储能装置储存。

进一步地，发电模式的具体工作过程为：启动机械储能装置，根据发电需求调节联轴器一，机械储能装置通过传动轴带动发电机转动，由发电机实现发电。

进一步地，制热模式的具体工作过程为：启动机械储能装置，根据制热需求调节联轴器二和调节阀T，启动双级压缩机，低温低压的气态制热工质S1进入一级压缩机内被压缩成高温中压的气态制热工质S2，气态制热工质S2先进入换热器进行冷却，成为中温中压的气态制热工质S3；然后，进入二级压缩机内被进一步压缩成高温高压的气态制热工质S4，气态制热工质S4进入冷凝器冷却成饱和液态并释放热量，释放的热量用于供暖；

饱和液态制热工质分为两股，一股为气态制热工质S5，另一股为气态制热工质S6；气态制热工质S6流入六号管路，由旁路节流阀减压降温为中压低温的液态制热工质S7，然后进入换热器与气态制热工质S2混合换热变成气态制热工质S3，气态制热工质S3继续进入二级压缩机进行后续操作；气态制热工质S5流入五号管路后，直接进入换热器，进入换热器的气态制热工质S5依次通过换热器、换热节流阀后变成低温低压的液态制热工质S8，液态制热工质S8进入蒸发器吸收空气或地下水的热量变成低压低温饱和的气态制热工质S1，然后循环复始。

本发明公开了一种带机械储能的风能驱动热电联产系统及方法，通过调速联轴器将发电机和双级压缩机连接在同一个传动轴上，实现热电联产功能，满足多种用能场景；并且，本发明在供热部分通过两级压缩、中间冷却来降低压缩机的能耗，提高系统效率，使得系统在制取高温热量时也有较高的经济性。

附图说明

图1为本发明的系统组成示意图。

图中：1、风机；2、传动带；3、机械储能装置；4、联轴器一；5、发电机；6、传动轴；7、联轴器二；8、一级压缩机；9、二级压缩机；10、空气或地下水；11、蒸发器；12、冷凝器；13、调节阀T；14、旁路节流阀；15、换热器；16、换热节流阀；17、一号管路；18、二号管路；19、三号管路；20、四号管路；21、冷凝管路；22、五号管路；23、六号管路；24、八号管路。

具体实施方式

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。

一种带机械储能的风能驱动热电联产系统，其利用机械储能装置储存风能转化的机械能，并通过机械储能装置驱动发电机、双级压缩机工作，分别实现发电和制热功能，达到热电联产的目的。

对于本发明的带机械储能的风能驱动热电联产系统，其系统组成如图1所示，包括风机1，还包括传动带2、机械储能装置3、蒸发器11；其中，风机1通过传动带2连接机械储能装置3，机械储能装置3上带有传动轴6，传动轴6上同轴设置有联轴器一4、发电机5、联轴器二7及双级压缩机，由机械储能装置3通过联轴器一4连接发电机5，实现发电，由双级压缩机与本系统的供热系统部分连接，实现制热；

本系统的具体的设置为：自然风吹动风机1，风机1将大量的风能转换成机械能，由于风机1通过传动带2连接机械储能装置3，从而，机械能通过传动带2传送到机械储能装置3内并被储存，采用机械储能装置3进行能量储存，一方面，克服了自然风不稳定所造成的不利影响，另一方面，避免了能源的浪费；

机械储能装置3采用飞轮储能机、压缩空气储能机等机械储能设备，其带有传动轴6，能够带动传动轴上设置的发电机5、双级压缩机工作；

其中，机械储能装置3通过联轴器一4驱动发电机5工作，联轴器一4采用调速联轴器，能够根据发电量需求，实现调节发动机转速和输出功率的目的；当需要供电时，开启机械储能装置3，并保持联轴器一4也处于打开状态，根据发电量需求调节联轴器一4，机械储能装置3通过传动轴6带动发电机5转动，实现发电；若不需要供电时，则关闭联轴器一4，便能使发电机5不工作；

机械储能装置3则通过联轴器二7驱动双级压缩机工作；双级压缩机由一级压缩机8、二级压缩机9组成，联轴器二7也采用调速联轴器；同样，当需要供热时，开启机械储能装置3，并保持联轴器二7也处于打开状态，机械储能装置3驱动双级压缩机工作，由双级压缩机配合供热系统部分，实现供热；若不需要供热，则关闭联轴器二7，使双级压缩机不工作；

对于一级压缩机8、二级压缩机9，其与供热系统部分的具体连接关系为：一级压缩机8通过一号管路17连通有蒸发器11，由蒸发器11为一级压缩机8提供低温低压的气态制热工质S1；制热工质S1在一级压缩机8内被压缩成高温中压的制热工质S2后，由一级压缩机8通过二号管路18连通有换热器15，制热工质S2经换热后成为中温中压的制热工质S3，再通过换热器15通过三号管路19连通二级压缩机9，使制热工质S3在二级压缩机9内被压缩成高温高压的制热工质S4；

高温高压的制热工质S4为冷凝器12进行供热所需要的热源，由二级压缩机9通过四号管路20连通冷凝器12，为冷凝器12提供传统的高温高压的制热工质S4；对于传统的供热系统，其通过一级压缩机直接将制热工质压缩成供热所需的高温高压的制热工质，然而，气态的制热工质由低温低压变为高温高压的过程中，随着温度的不断提高，气体膨胀，阻碍压缩过程，导致采用一级压缩的方式能耗极大，且难以确保最终获得高温高压的制热工质的供热效果；由此，本发明采用两级压缩、中间冷却的方式有效解决了压缩机能耗高的问题，通过换热器15实现中间冷却，使得制取高温热量时有较高的经济性；

高温高压的制热工质S4经冷凝器12换热后，冷却成了饱和液态制热工质并释放热量，释放的热量用于供热，饱和的液态制热工质流经冷凝器12连通的冷凝管路21后，分成两股；一股S5流入冷凝管路21的支路，即五号管路22内，另一股S6流入冷凝管路21的支路管路，即六号管路23内；

五号管路22直接与换热器15相连通，使得液态制热工质S5直接流入到换热器15内换热，由于换热器15通过八号管路24回流到蒸发器11内，八号管路24上设置有换热节流阀16，液态制热工质S5依次经过换热器15、换热节流阀16后变成低温低压的液态制热工质S8，S8回流到蒸发器11内，吸收进入蒸发器11内空气或地下水10的热量，又变成低温低压的气态制热工质S1，然后循环复始；

流入六号管路23内的液态制热工质S6，在六号管路23上设置的旁路调节阀14的作用下减压降温为中压低温的制热工质S7，制热工质S7然后进入换热器15与制热工质S2混合换热变成制热工质S3，然后循环复始；

在六号管路23上设置有调节阀T13，调节阀T13位于冷凝管路23与旁路调节阀14之间，由调节阀T13调节两股制热工质S5、S6的流量比，从而，根据两级压缩机工作时的需求，使S5与S6的流量比最佳来使得压缩机的能耗进一步降低，实现系统达到最佳性能。

对于本发明所公开的带机械储能的风能驱动热电联产系统，其工作模式可分为三种，分别为：储能模式、发电模式、制热模式，其中，发电模式、制热模式可以同时或分别工作，以满足多种用能需求和应用场景。

储能模式的具体工作过程为：风机1将风能转换成机械能，并通过传动带2将机械能传输送给机械储能装置3，由机械储能装置3储存；采用机械储能装置3储能，克服了风力不稳定的缺陷，保障了电路和热量输出的稳定性。

发电模式的具体工作过程为：启动机械储能装置3，根据发电需求调节联轴器一4，机械储能装置3通过传动轴6带动发电机5转动，由发电机5实现发电。

制热模式的具体工作过程为：启动机械储能装置3，根据制热需求调节联轴器二7和调节阀T13，实现双级压缩机的供热热量和温度的调节；启动双级压缩机，低温低压的气态制热工质S1进入一级压缩机8内被压缩成高温中压的气态制热工质S2，气态制热工质S2先进入换热器15进行冷却，成为中温中压的气态制热工质S3；然后，进入二级压缩机9内被进一步压缩成高温高压的气态制热工质S4，气态制热工质S4进入冷凝器12冷却成饱和液态并释放热量，释放的热量用于供暖；

饱和液态制热工质分为两股，一股为气态制热工质S5，另一股为气态制热工质S6；气态制热工质S6流入六号管路23，由旁路节流阀14减压降温为中压低温的液态制热工质S7，然后进入换热器15与气态制热工质S2混合换热变成气态制热工质S3，气态制热工质S3继续进入二级压缩机9进行后续操作；气态制热工质S5流入五号管路22后，直接进入换热器15，进入换热器15的气态制热工质S5依次通过换热器15、换热节流阀16后变成低温低压的液态制热工质S8，液态制热工质S8进入蒸发器11吸收空气或地下水10的热量变成低压低温饱和的气态制热工质S1，然后循环复始。

对于本发明所公开的带机械储能的风能驱动热电联产系统及方法，与现有技术相比，有益效果具体如下：

1)利用机械储能装置纯，克服了风力不稳定的缺陷，避免风电并网的不稳定性，保障电路和热量输出的稳定。

2)发电机组和双级压缩机通过调速联轴器连接在同一根传动轴上，可以实现电力和热量联合输出的调节，满足多组用能需求和应用场景。

3)利用风能直接驱动热泵制热，可以有效减少中间转换过程的能量转换损失，提高了风能的利用效率。

4)在压缩式供热系统部分，设置两级压缩、中间冷却过程，能够降低制热工质在压缩过程中的温度，在压缩比不变的前提下，降低压缩机的能耗，从而提供系统的制热效率，使得系统在制取高温热量时有较高的经济性。

5)通过设置旁路节流阀，能够在冷凝器输出热量不变的前提下，通过调节两股制热工质的流量比来使压缩机能耗最低，系统达到最佳性能系数。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。