一种以碳为介质的供电储能系统

技术领域

本发明涉及电力系统发电技术领域，具体而言，涉及一种以碳为介质的供电储能系统。

背景技术

构造清洁低碳高效的能源体系，构建新能源为主的新型电力系统成为必然，也进一步明确了可再生能源在未来电力系统中的主体地位。当前，太阳能发电和风电在我国电源结构中的比例越来越高。

由于孤岛或微网中的太阳能发电和风电具有较强的时序性和随机性，容易产生功率缺额或功率过剩，导致供电可靠性较差；并且，对于二氧化碳的收集利用不足，导致成本提高；同时，在二氧化碳循环中，对于过程中的热能和冷能未进行收集利用，造成能源浪费，能量转化效率不高。

发明内容

本发明提供一种以碳为介质的供电储能系统，以解决上述的问题。

一种以碳为介质的供电储能系统，供电储能系统包括：能量提供单元、热量转换单元、供电单元、二氧化碳收集单元；

所述能量提供单元包括可再生能源、柴油发电机、蓄电池和氢储；

所述热量转换单元包括首尾依次相连的第一压缩机组、释能组件、第一膨胀机组、吸能组件，释能组件与热罐交换热量，吸能组件与冷罐交换热量；第一压缩机组由能量提供单元供能；

所述供电单元包括首尾依次相连的升压单元、第一二氧化碳储存罐、第一热量交换器、第一膨胀机组、第二热量交换器、第二二氧化碳储存罐，能量提供单元为升压单元提供能量，第一热量交换器利用热罐的热量，第二热量交换器利用冷罐的热量，第一膨胀机组通过发电机对外做功；

所述二氧化碳收集单元包括依次连接的冷却单元、吸收罐、中转罐、第三热量交换器、再生池、第二压缩机组及其相连的封存器；中转罐包括一级中转罐和二级中转罐；冷却单元由能量提供单元供能，二氧化碳收集单元用于收集柴油发电机燃烧排气中的二氧化碳，并将收集的二氧化碳用于所述热量转换单元的能量传递。

可再生能源包括太阳能和风能，所述柴油发电机、蓄电池和氢储用于弥补太阳能和风能的供电缺口。

以能量提供单元的年均综合成本C最小为目标，太阳能、风能以及柴油发电机、蓄电池和氢储的容量配置模型的目标函数为：

其中，N表示能量提供单元的规划使用年限，C

；

；

其中，

；

；

其中，

太阳能发电、风能发电以及柴油发电机、蓄电池和氢储发出的功率之和等于所有负荷的功率总和，即：

P

其中，P

太阳能发电满足最大功率约束，即0≤P

风能发电满足最大功率约束，即0≤P

柴油发电机、蓄电池和氢储满足最大功率约束，即0≤P

太阳能、风能以及柴油发电机、蓄电池和氢储的容量优化配置模型通过量子粒子群算法求解。

柴油发电机、蓄电池和氢储的投产率

其中，P

表示柴油发电机、蓄电池和氢储的最大投产率。

求解过程中，采用离散傅里叶变换将柴油发电机、蓄电池和氢储的输出功率P

在一个具体的实施例中，还包括：加压装置，加压装置连接热量转换单元，且加压装置收集热量转换单元中产生的一氧化碳并进行加压；气体储存装置，气体储存装置连接加压装置和能量提供单元，且加压装置加压的一氧化碳输送至气体储存装置；其中，当供电系统处于用电高峰状态时，气体储存装置中的一氧化碳输送至能量提供单元进行产能。

本发明提供的技术方案可包括以下有益效果：

1.本发明的能量提供单元包括可再生能源、柴油发电机、蓄电池和氢储，根据负荷的功率平衡，以能量提供单元的年均综合成本最小为目标，对柴油发电机、蓄电池和氢储的容量进行配置，有效平抑了负荷与可再生能源发电功率缺额，并兼顾了供电储能系统的可靠性与经济性；

2.本发明结合柴油发电机、蓄电池和氢储的特点，将其分别用于弥补可再生能源功率缺额的高频部分、中频部分和低频部分，并采用离散傅里叶变换和逆离散傅里叶变换得到柴油发电机、蓄电池和氢储在各个时刻分配的功率缺额，提高了柴油发电机、蓄电池和氢储的工作效率，且损失较小的使用寿命；

3.在本发明的热量转换单元中，采用释能组件与热罐交换热量，吸能组件与冷罐交换热量，并将热罐的热量用于第一热量交换器，冷罐的热量用于第二热量交换器，提高了能量的利用效率；

4.本发明通过二氧化碳收集单元，收集柴油发电机柴油燃烧排气中的二氧化碳，并将二氧化碳用作热量转换单元的能量传递介质，实现孤单范围内二氧化碳介质的循环利用；另外，在能量提供单元的备用容量不足时，浓度较高的吸收溶液从一级中转罐进入二级中转罐，等能量提供单元的备用容量充足时，二级中转罐的浓度较高的吸收溶液重新进入第三热量交换器、再生池和第二压缩机组及其相连的封存器，进行提纯、压缩和储存，最大程度的保障了负荷和热量转换机构的供电，提高了供电的稳定性。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中待要使用的附图作简单介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明的供电储能系统示意图之一；

图2为本发明的供电储能系统示意图之二。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例的各个特征可以相互组合。

本发明提供了以碳为介质的供电储能系统，结合附图1，供电储能系统包括：能量提供单元，包括可再生能源1、柴油发电机2、蓄电池3和氢储4；

热量转换单元，包括第一压缩机组5、释能组件6、第一膨胀机组7、吸能组件8、热罐9、冷罐10；第一压缩机组5由能量提供单元供能，完成对二氧化碳的加压升温，第一压缩机组5与释能组件6相连，加压升温的二氧化碳进入释能组件6进行冷凝，释放的热量储存在热罐9中，释能组件6与第一膨胀机组7相连，冷凝后的二氧化碳温度降低，进入第一膨胀机组7对外膨胀做功，第一膨胀机组7与吸能组件8相连，第一膨胀机组7出口的二氧化碳进入吸能组件8升高温度，升温过程产生的冷能储存在冷罐10中，吸能组件8与第一压缩机组5相连，升温后的二氧化碳进入第一压缩机组5，继续热量转换的循环，释能组件6与热罐9交换热量，吸能组件8与冷罐10交换热量；

供电单元，包括升压单元11、第一二氧化碳储存罐12、第一热量交换器13、第二膨胀机组14、第二热量交换器15、第二二氧化碳储存罐16、发电机17；能量提供单元为升压单元11提供能量，升压单元11实现二氧化碳从低压进行加压，由气态转化为液态，升压单元11可以采用泵；升压单元11与第一二氧化碳储存罐12相连，液态二氧化碳储存在第一二氧化碳储存罐12中，第一二氧化碳储存罐12与第一热量交换器13相连，液态二氧化碳在第一热量交换器13中进行加热，第一热量交换器13充分利用热罐9的热量，第一热量交换器13与第二膨胀机组14相连，升温后的二氧化碳进入第二膨胀机组14，第二膨胀机组14根据发电机17对外做功，第二膨胀机组14与第二热量交换器15相连，第二膨胀机组14出口的高温的二氧化碳进入第二热量交换器15，高温的二氧化碳在第二热量交换器15中进行降温，第二热量交换器15充分利用冷罐10的热量，第二热量交换器15与第二二氧化碳储存罐16相连，降温后的二氧化碳进入第二二氧化碳储存罐16进行二氧化碳介质的回收。

二氧化碳收集单元，包括依次连接的冷却单元18、吸收罐19、中转罐、第三热量交换器22、再生池23、第二压缩机组及其相连的封存器24；中转罐包括一级中转罐20和二级中转罐21；冷却单元18由能量提供单元供能，二氧化碳收集单元用于收集柴油发电机柴油燃烧排气中的二氧化碳，并将二氧化碳用作热量转换单元的能量传递介质。

柴油发电机的排气经过冷却单元18冷却后进入吸收罐19，在吸收罐19中溶于单乙醇胺溶剂，充分溶解后形成吸收溶液，吸收溶液根据浓度的不同进行分离，浓度较高的吸收溶液进入一级中转罐20，浓度较低的吸收溶液返回到吸收罐19中循环利用，继续溶解柴油发电机排气中的二氧化碳；

当能量提供单元的备用容量充足时，二氧化碳收集单元正常工作，浓度较高的吸收溶液从一级中转罐20排出，经第三热量交换器22、再生池23和第二压缩机组及其相连的封存器24，对浓度较高的吸收溶液进行提纯、压缩和储存；浓度较低的吸收溶液返回到吸收罐19。

当能量提供单元的备用容量不足时，优先保障负荷和热量转换机构供电，浓度较高的吸收溶液从一级中转罐20排出后进入二级中转罐21，等到能量提供单元的备用容量充足时，二级中转罐21的浓度较高的吸收溶液重新进入第三热量交换器22、再生池23和第二压缩机组及其相连的封存器24，进行提纯、压缩和储存；浓度较低的吸收溶液返回到吸收罐19。

由于二氧化碳收集单元需要消耗大量的能量，因此，该流程能够起到缓冲的作用，能够保证吸收罐能充分吸收柴油发电机排气中的二氧化碳，浓度较低的吸收溶液进入吸收罐。

二氧化碳收集单元收集柴油发电机产生的二氧化碳，并进行储存。

可再生能源包括太阳能、风能。

柴油发电机、蓄电池和氢储主要用来弥补太阳能和风能的供电缺口，满足负荷的功率需求。

根据负荷的功率平衡，以能量提供单元的年均综合成本C最小为目标，太阳能、风能以及柴油发电机、蓄电池和氢储的容量优化配置的目标函数为：

其中，N表示能量提供单元的规划使用年限，C

；

；

其中，

；

；

其中，

P

太阳能、风能以及柴油发电机、蓄电池和氢储的容量优化配置模型满足的约束条件是：

根据系统的功率平衡：

太阳能发电、风能发电以及柴油发电机、蓄电池和氢储发出的功率之和等于所有负荷的功率总和，即：

P

其中，P

太阳能发电满足最大功率约束，即0≤P

风能发电满足最大功率约束，即0≤P

柴油发电机、蓄电池和氢储满足最大功率约束，即0≤P

能量提供单元的年均综合成本最小的配置模型通过量子粒子群算法求解。

由于柴油发电机、蓄电池和氢储承担着平抑负荷与可再生能源发电功率缺额的功能，如果柴油发电机、蓄电池和氢储的的功率配置过小，虽然能够降低能量提供单元的所有设备一次总费用，但是，在负荷需求大时，无法弥补可再生能源发电功率缺额，导致供电可靠性降低；

而如果柴油发电机、蓄电池和氢储的的功率配置过大，虽然能够提高供电储能系统的可靠性，但是会导致能量提供单元的投资成本升高，经济性降低。

因此，设置柴油发电机、蓄电池和氢储的投产率

；

其中，P

表示柴油发电机、蓄电池和氢储的最大投产率。

对于可再生能源的功率缺额，即柴油发电机、蓄电池和氢储的输出功率，采用离散傅里叶变换，将时域离散数据转换为频域中的频率和幅值，基于柴油发电机、蓄电池和氢储的能量功率特性，依据频谱分析结果，确定柴油发电机、蓄电池和氢储的频率补偿频段，然后经逆离散傅里叶变换将频域数据转换为时域数据，从而得到柴油发电机、蓄电池和氢储在各个时刻分配的功率缺额。

首先，对t时刻的柴油发电机、蓄电池和氢储的输出功率

1≤n≤N，n，N均为正整数，

S

S

柴油发电机具有输出功率大、响应速度快的特点，适合用于弥补可再生能源功率缺额的高频部分；蓄电池具有功率密度大、放电时间长的特点，适合用于弥补可再生能源的功率缺额的中频部分；氢储具有功率密度三者最大、供电时间最长，适合用于弥补可再生能源的功率缺额的低频部分。将可再生能源的功率缺额分频，并分别由柴油发电机、蓄电池和氢储承担，能够抵消该缺额。

为了实现柴油发电机、蓄电池和氢储均以较高的效率工作，且损失较小的使用寿命，需要划分柴油发电机、蓄电池和氢储的频段。

设定柴油发电机的工作频段为

将S

根据某岛屿的供电储能系统的仿真结果可知，柴油发电机的输出功率稳定在其额定功率的10%-90%之间，蓄电池的SOC（SOC表示荷电状态，表征电池的剩余容量，一般采用电池剩余容量与额定容量的比值进行计算）稳定在15%-85%之间，氢储的等效SOC稳定在5%-95%之间，避免了柴油发电机的过度消耗以及蓄电池和氢储的过度充放电，减少了其寿命损失，提高了使用寿命。

对比运行结果可知，氢储相较于蓄电池的SOC值变化更缓，这是因为氢储能平抑系统不平衡功率中频率变化最低的频段，对应SOC值变化也是最缓。

接入柴油发电机、蓄电池和氢储前，系统功率缺额或功率过剩情况严重，缺额功率最大达18MW，剩电功率最大达15MW，经过柴油发电机弥补可再生能源功率缺额的高频部分，蓄电池弥补可再生能源的功率缺额的中频部分，氢储弥补可再生能源的功率缺额的低频部分，平抑后的系统功率缺额或功率过剩情况较之前大大减小，缺电功率最大降至3.1MW，剩电功率最大降至4.3W，全年系统功率缺额或功率过剩均满足要求，系统可靠性极大地提高，本发明的可再生能源与储能柴油发电机、蓄电池和氢储综合配置的功率和容量能够兼顾最经济性的同时满足系统安全稳定运行。

具体的，参见图2，以二氧化碳为介质的新能源发电供电储能系统还包括：加压装置，加压装置连接热量转换单元，且加压装置收集热量转换单元中产生的一氧化碳并进行加压；气体储存装置，气体储存装置连接加压装置和能量提供单元，且加压装置加压的一氧化碳输送至气体储存装置；其中，当供电系统处于用电高峰状态时，气体储存装置中的一氧化碳输送至能量提供单元进行产能。

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

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。