一种具有地热恢复功能的耦合电力系统及其运行方法
阅读说明：本技术 一种具有地热恢复功能的耦合电力系统及其运行方法 (Coupling power system with geothermal recovery function and operation method thereof ) 是由 王焕然 贺新 李丞宸 葛刚强 令兰宁 张宇飞 王壮杰 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种具有地热恢复功能的耦合电力系统及其运行方法,系统包括压缩空气储能单元、太阳能光伏光热单元、地热井以及供热单元；将压缩空气的热能存储至地热井,太阳能光伏光热单元分别将太阳能转化为电能和热能,分别为系统提供电能和热能,收集的太阳能热能用于供热和对压缩空气储能单元中的换热介质加热；供热模块充分利用太阳能,向外部供热,将压缩空气储能与光伏、光热系统进行耦合,避免压缩空气储能系统中蓄热设备的使用,同时将压缩热进行了有效利用,在恢复地热井中热量的同时满足了当前的供热需求,实现储能、供热和恢复地热的效果,有助于地热利用和压缩空气储能技术的推广和应用。(The invention provides a coupling power system with a geothermal recovery function and an operation method thereof, wherein the system comprises a compressed air energy storage unit, a solar photovoltaic photo-thermal unit, a geothermal well and a heat supply unit; the heat energy of the compressed air is stored in a geothermal well, the solar photovoltaic photo-thermal unit converts solar energy into electric energy and heat energy respectively to provide the electric energy and the heat energy for the system respectively, and the collected solar heat energy is used for supplying heat and heating a heat exchange medium in the compressed air energy storage unit; the heat supply module makes full use of solar energy, supplies heat to the outside, and the coupling is carried out compressed air energy storage and photovoltaic, light and heat system, avoids the use of thermal storage equipment among the compressed air energy storage system, has carried out effective utilization with the heat of compression simultaneously, has satisfied current heat supply demand when recovering heat in the geothermal well, realizes energy storage, heat supply and the effect of recovering geothermol power, helps the popularization and the application of geothermol power utilization and compressed air energy storage technique.)
技术领域
本发明属于物理储能技术领域，具体涉及一种具有地热恢复功能的耦合电力系统及其运行方法。
背景技术
地热能是来自地球深处的可再生性清洁热能，地下水的深处循环，把热量从地下深处带至近表层，合理开发利用有利于资源节约和环境保护，符合绿色发展理念。随着城镇化建设推进和城市的不断发展，能源需求不断增加，在当前环保压力下，保持地热能供暖的稳定性、增加地热能的利用效率十分迫切。新的产业发展的目标是新增地热供暖制冷面积11亿平方米，其中浅层地热供暖制冷7亿平方米，中深层地热供暖4亿平方米，至2020年达到16亿平方米，重点在北方地区开展供暖。随着地热能的广泛应用，地热利用暴露出来的问题也越来越多，其中，地热井中热量恢复与供热之间的不平衡、不匹配是主要问题之一。地热井在使用过程中，可以提供的供暖热量呈现逐年递减的趋势，到一定程度，会出现地热井无法满足正常供热需求的现象。与此同时，在压缩空气储能系统中，低品质压缩热利用程度较低，其合理高效利用也是物理储能技术难点之一。
发明内容
为了解决现有技术中地热井中热量难以恢复、地热供给与供热需求不匹配的问题，本发明的目的在于提供一种具有地热恢复功能的耦合电力系统及其运行方法，通过将压缩空气储能与光伏、光热系统进行耦合，避免压缩空气储能系统中蓄热设备的使用，同时将压缩热进行了有效利用，在恢复地热井中热量的同时满足了当前的供热需求，实现储能、供热和恢复地热的效果，有助于地热利用和压缩空气储能技术的推广和应用。
本发明是通过以下技术方案来实现：一种具有地热恢复功能的耦合电力系统，包括压缩空气储能单元、太阳能光伏光热单元、地热井以及供热单元；压缩空气储能单元包括依次连通的压气机组、第一换热器、等温压缩模块以及第二换热器，第二换热器热流体侧还连通第一换热器的冷流体侧，第二换热器的冷流体出口连通地热井的进气口；太阳能光伏光热单元包括聚光器、分频器、光伏模块、第一集热装置和第二集热装置，聚光器之后设置分频器，分频器分别连接光伏模块、第一集热装置和第二集热装置，第一集热装置设置在第二换热器和第一换热器的连通的管路上；供热单元包括第一储水罐、第二储水罐和供热模块，供热模块分别连接第一储水罐、第二储水罐、第一集热装置的换热工质出口以及分频器，第一储水罐的入口连接地热井的出口，第一储水罐和第二储水罐之间设置第一水泵；光伏模块分别为第一水泵和压气机组供电。
等温压缩模块包括第一水气罐和第二水气罐、水箱和第二水泵，第一水气罐和第二水气罐进气口并联连接于压气机排气管路，第一水气罐和第二水气罐排气口并联连接于地热井进气口，第二水泵通过管路将第一水气罐和第二水气罐连通，实现两罐交替充放水；第一水气罐和第二水气罐罐体浸没在盛有水的水箱中，光伏模块为第二水泵供电。
第一水气罐和第二水气罐内外均有防锈涂层，罐体内外装有交替排列的环形肋片，内外肋片处于不同的水平位置；第一水气罐和第二水气罐设置有连通水箱内部空间的进水口，所述进水口处设置阀门，水箱内的水补充第一水气罐和第二水气罐内的水。
地热井是带有中心管套底部连通的U型井；地热井包括外管套和内管套，空气从地热井外管套进入，水从中心管套中排出；空气储存进地热井中至少静置6小时。
供热模块中包括一级供热单元、二级供热单元、三级供热单元、四级供热单元、集热管、固定槽式聚光器以及换热管；集热管与第一供热单元中的换热管连通；第二供热单元中的换热管与第一集热装置出口处连通；第三供热单元中的换热管与第二储水罐连通；第四供热单元中的换热管与第一储水罐连通；相邻供热单元之间均设置有绝热层；供热模块整体做绝热处理，一级供热单元、二级供热单元、三级供热单元、四级供热单元、集热管中填充储热介质。
光伏模块采用平单轴追踪系统，采用N型IBC双面半片电池组件；第一集热装置和第二集热装置采用线性菲涅尔式集热装置。
压气机组采用双螺杆压缩机；第一换热器和第二换热器采用管壳式换热器逆流布置方式，第一储水罐和第二储水罐均做绝热处理，第二储水罐内预置有设定体积的不溶于水的气体。
基于本发明所述的具有地热恢复功能的耦合电力系统的运行方法，具体如下：
空气经过压气机组压缩后进入第一换热器；空气在第一换热器中放热后进入等温压缩模块，在等温压缩模块中完成增压后进入第二换热器吸热，吸热后的空气进入地热井中完成储能；与此同时，换热工质在第一换热器中吸收压缩热，随后在第一集热装置中吸热，在第二换热器中加热压缩空气，放热后的换热工质再进入第一换热器吸收压缩热；地热井中的水通过中心管套排出，进入第一储水罐，第一储水罐内的水经过第一水泵增压后在第二集热装置中吸热，储存至第二储水罐；
太阳光经过聚光器聚集后被分频器按波长分为适合进行光伏发电的部分和适合进行光热集热的部分；光伏发电模块为压气机组和第一水泵提供电能；第一集热装置、第二集热装置和供热模块吸收适合进行光热集热的光。
供热模块根据温度分为不同的供热等级，温度从高到低依次是，一级供热、二级供热、三级供热和四级供热，一级供热通过太阳光直接集热，供热温度为250℃-300℃；二级供热通过换热工质在第一集热装置吸热后供应，供热温度为150℃-250℃；三级供热通过第二储水罐供热，供热温度为80℃-150℃；四级供热通过第一储水罐供热，供热温度为30℃-80℃。
设置于两个换热器之间的第一集热装置出口处的换热工质选择性地为供热模块供热；适合光热集热的太阳光选择性地分配给第一集热装置、供热模块以及第二集热装置三者当中的一个或多个。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明将压缩空气储能、地热井以及光热系统进行耦合，充分利用了低品味压缩热，而且避免了在压缩空气储能系统中设置蓄热设备，在实现了地热能恢复效果的同时兼具了储能功能，将热能引入地热管中，而且基于光电及光热原理充分利用太阳能，采用分频技术，有效降低了光伏电池运行温度，提高了光热利用温度；结合太阳能光伏光热技术，增强了地热能恢复效果，利用光伏发电节省了储气过程的成本，提高了系统的灵活性；有效节约投资提高可再生能源的利用率，同时提高地热系统的可靠性和可持续性。
进一步地，通过压缩热和光热以及地热等多种热源供热，可以实现分温度区间的热量供应，实现能量高效利用，保证了在地热井恢复期间用户的用热需求。
进一步地，本发明中采用双螺杆压气机配合等温压缩模块的设置，在实现有效增压的前提下，减少了压缩热的浪费。
进一步地，等温压缩模块通过对罐体配置肋片以及将罐体浸没在水箱中的手段，有效控制了压缩过程的温升，提高了压缩效率。
进一步地，利用水泵增压液态水后再进行集热，提高了水的沸点，有效提高了水的储热能力。
附图说明
图1为本发明一种具有地热恢复功能的耦合电力系统。
图1中：1、聚光器；2、分频器；3、光伏模块；4、电动机；5、压气机组；6、第一换热器；7、水箱；71、第一水气罐；72、第二水气罐；8、第二水泵；9、第二换热器；10、地热井或地埋管；11、第一集热装置；12、第二集热装置；13、第二储水罐；14、第一储水罐；15、第一水泵；16、供热模块；161、一级供热单元；162、二级供热单元；163、三级供热单元；164、四级供热单元；165、集热管；166、固定槽式聚光器；167、换热管；168、绝热层。
图2为本发明中地热井的俯视示意图。
图3为本发明中地热井内空气流动方向的示意图。
图4为本发明中水气罐的内外肋片示意图。
图5为供热模块立体示意图。
图6为供热模块左视示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明进行详细阐述。
本发明将新型压缩空气储能与光伏、光热系统进行耦合，避免压缩空气储能系统中蓄热设备的使用，同时将压缩热进行了有效利用，在恢复地热井中热量的同时满足了当前的供热需求，实现储能、供热和恢复地热的综合效果，由于系统中热源的多样性实现了分温度区间供热。
如图1所示，一种具有地热恢复功能的耦合电力系统包括压缩空气储能单元、太阳能光伏光热单元、地热井10以及供热单元；
具体包括聚光器1、分频器2、光伏模块3、电动机4、压气机组5、第一换热器6、水箱7、第一水气罐71、第二水气罐72、第二水泵8、第二换热器9、地热井或地埋管10、第一集热装置11、第二集热装置12、第二储水罐13、第一储水罐14、第一水泵15、供热模块16；压缩空气储能单元包括依次连通的压气机组5、第一换热器6、等温压缩模块以及第二换热器9，第二换热器9热流体侧还连通第一换热器6的冷流体侧，第二换热器9的冷流体出口连通地热井10的进气口；太阳能光伏光热单元包括聚光器1、分频器2、光伏模块3、第一集热装置11和第二集热装置12，聚光器1之后设置分频器2，分频器2分别连接光伏模块3、第一集热装置11和第二集热装置12，第一集热装置11设置在第二换热器9和第一换热器6的连通的管路上；供热单元包括第一储水罐14、第二储水罐13和供热模块16，供热模块16分别连接第一储水罐14、第二储水罐13、第一集热装置11的换热工质出口以及分频器2，第一储水罐14的入口连接地热井10的出口，第一储水罐14和第二储水罐13之间设置第一水泵15；光伏模块3分别为第一水泵15和压气机组5供电。
地热井10是带有中心管套底部连通的U型井。
等温压缩模块包括第一水气罐71和第二水气罐72、水箱7和第二水泵8；第一水气罐71和第二水气罐72进气口并联连接于压气机5排气管路；第一水气罐71和第二水气罐72排气口并联连接于地热井10进气口；第二水泵8管路将第一水气罐71和第二水气罐72连通，实现两罐交替充放水；第一水气罐71和第二水气罐72罐体浸没在盛有水的水箱7中。
压气机组5的电动机4以及第二水泵8和第一水泵15的电动机连接光伏模块3，通过光伏电驱动。
压气机组5采用双螺杆压缩机。
第一水气罐71和第二水气罐72内外均有防锈涂层，罐体内外装有环形肋片。
第一换热器6和第二换热器9采用管壳式换热器，冷热流体逆流换热。
本发明所述一种具有地热恢复功能的耦合电力系统的运行方法，具体如下：
空气经过压气机组5压缩后进入第一换热器6；空气在第一换热器6中放热后进入等温压缩模块，在等温压缩模块中完成增压后进入第二换热器9吸热，吸热后的空气从地热井10的外管套储存进地热井10中完成储能。与此同时，换热工质在第一换热器6中吸收压缩热，随后在第一集热装置11中吸收光热，在第二换热器9中加热压缩空气，放热后的换热工质再进入第一换热器6吸收压缩热。
地热井10中的水通过中心管套排出，进入第一储水罐14，第一储水罐14内的水经过第一水泵15增压后在第二集热装置12中被加热，储存进第二储水罐13。
太阳光经过聚光器1聚集后被分频器2按波长分为适合进行光伏发电的部分和适合进行光热集热的部分。光伏发电模块3发电驱动系统中压气机5、第二水泵8、第一水泵15工作；适合进行光热集热的光分别在第一集热装置11、第二集热装置12和供热模块16被吸收。
供热模块16根据温度分为不同的供热等级，温度从高到低依次是，一级供热、二级供热、三级供热和四级供热。一级供热通过太阳光直接集热，供热温度为250℃-300℃；二级供热通过换热工质在第一集热装置11吸热后供应，供热温度为150℃-250℃；三级供热通过第二储水罐13供热，供热温度为80℃-150℃；四级供热通过第一储水罐14供热，供热温度为30℃-80℃。
水箱7内的水可以补充第一水气罐71和第二水气罐72内的水。
空气储存进地热井10中至少静置6小时以上。
光伏模块3采用平单轴追踪系统，采用N型IBC双面半片电池组件；第一集热装置11、第二集热装置12采用线性菲涅尔式集热装置。
第一储水罐14和第二储水罐13均做绝热处理，第二储水罐13内预置有一定压力的不溶性气体。
优选地，适合光热集热的太阳光可选择性地分配给第一集热装置11、供热模块16以及第二集热装置12三者当中的一个或多个。
优选地，设置于两个换热器之间的第一集热装置11出口处的换热工质可选择性地为供热模块16供热。
优选地，具体供热方案可以通过不同供热等级之间的匹配实现。
如图2所示，为本发明中地热井10俯视图，地热井有中心管套，是底部连通的U型井。
如图3所示，为本发明中地热井10内空气流动方向的示意图，空气从地热井外管套进入，从中心管套中排出，将气体中热量有效用于恢复地热，同时减少了中心管套中排水的热损失。
如图4所示，为本发明中第一水气罐71和第二水气罐72的内外肋片示意图。第一水气罐71和第二水气罐72规制相同，内外表面均做防锈处理，设置有环形肋片。内外环形肋片交替排列，不在同一水平面，强化罐体内部与外界换热条件，保证等温压缩模块高效工作。
如图5所示，为供热模块立体示意图，供热模块中包括集热管165、固定槽式聚光器166、一级供热单元161、二级供热单元162、三级供热单元163和四级供热单元164，作为一个可选的实施例，供热模块16布置为上下结构，集热管165、固定槽式聚光器166、一级供热单元161、二级供热单元162、三级供热单元163和四级供热单元164从上到下依次布置。
如图6所示，为供热模块左视图。供热模块16中包括一级供热单元161、二级供热单元162、三级供热单元163、四级供热单元164、集热管165、固定槽式聚光器166、换热管167、绝热层168以及蓄热介质；集热管165与第一供热单元161中的换热管连通，将集热介质中的热量传递给第一供热单元161中的蓄热介质。第二供热单元162中的换热管与第一集热装置11出口处连通，可以将工质在第一集热装置11中吸收的热量传递给第二供热单元162中的蓄热介质。第三供热单元163中的换热管与第二储水罐12连通，可以将第二储水罐12中的热量传递给第三供热单元163中的蓄热介质。第四供热单元164中的换热管与第一储水罐14连通，可以将第一储水罐14中的热量传递给第四供热单元164中的蓄热介质。相邻供热单元之间均设置有绝热层，供热模块整体做绝热处理，不同供热单元内蓄热介质因工作温度不同而选用不同物质；具体的，作为优选的实施例，一级供热单元161、二级供热单元162、三级供热单元163、四级供热单元164中的蓄热介质具体为，四级供热单元蓄热介质用水，三级供热单元蓄热介质用LiNO3-NaNO3-KNO3的混合物，二级供热单元蓄热介质用50wt％KNO3-40％NaNO2-7％NaNO3的熔融盐，一级供热单元蓄热介质用NaNO3-KNO3的熔融盐。
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