一种风热机组能源系统及制热方法

技术领域

本发明属于能源系统领域，具体涉及一种风热机组能源系统及制热方法。

背景技术

能源是人类生存、发展的基础，但随着经济的快速发展，化石能源消耗量持续增加，人类正面临着日益严重的能源短缺和环境问题，全球气候变暖已成为国际关注的热点。发展清洁能源对于保障能源安全、促进环境保护、减少温室气体排放、实现国民经济可持续发展具有重要意义。

近年来，以太阳能、风能、地热能和海洋能为主的新能源开发利用技术得到了快速的发展。受风能波动性和电网扩容影响，目前我国弃风限电现象比较严重。而在非电热领域，尤其是在建筑供热和工业用热的方面，将风能直接转化为热能不仅可以实现清洁能源供暖，而且可以解决风能消纳的问题。

但是，风热机组是根据安装地的风资源评估所设计的，部分地区存在建筑物限高的问题，只能将风机叶轮缩小，限制了风力机对风能的捕获，单个风热机组很难满足用户的供暖需求。地源热泵是以岩土体、地层土壤、地下水或地表水为低温热源，由水地源热泵机组、地热能交换系统、建筑物内系统组成的供热中央空调系统。但是在北方冬夏季时，地源热泵的吸放热不平衡会导致土壤温度降低。

因此，需提供一种风热机组能源系统来解决上述问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种风热机组能源系统，所述系统包括：风热系统，用于将风能转化为热能；地源热泵系统，用于转化地源热能；换热系统，与所述风热系统、所述地源热泵系统和用户连接，用于调节风热系统和地源换热系统所转化的热能并将其传输给用户，以及控制系统，与所述风热系统、地源热泵系统和换热系统连接，用于控制风热系统、地源热泵系统和换热系统工作。

本发明所提供的风热机组能源系统，还具有这样的特征，所述风热系统包括叶片、轮毂、机舱和塔筒，所述机舱设置在所述塔筒上方。

本发明所提供的风热机组能源系统，还具有这样的特征，所述机舱包括齿轮箱、变桨系统、压缩机和偏航系统；变桨系统、压缩机和偏航系统同时与齿轮箱连接；压缩机包括开启式压缩机。

本发明所提供的风热机组能源系统，还具有这样的特征，所述开启式压缩机通过保温管路与所述换热系统连接。

本发明所提供的风热机组能源系统，还具有这样的特征，所述换热系统包括

换热器，与所述风热系统和所述地源热泵系统连接；

地埋管换热器，与所述换热器连接；

蓄热/蓄冷器，与所述换热器以及用户连接。

本发明所提供的风热机组能源系统，还具有这样的特征，所述地埋管换热器还可以与所述地源热泵连接。

本发明所提供的风热机组能源系统，还具有这样的特征，所述地埋管换热器包括单U管换热器或者双U管换热器。

本发明所提供的风热机组能源系统，还具有这样的特征，所述控制系统包括风热机组的启停控制模块以及对换热系统的热量管理模块。

本发明所提供的风热机组能源系统，还具有这样的特征，所述启停控制模块在风力增大至压缩机滑阀处于最大进气量、转速超过额定转速后，风力继续增大时，令压缩机脱网，断开力矩负载，高速轴刹车。

本发明的另一目的在于，提供一种风热机组能源系统的制热方法，所述方法包括：

S1：开启风热机组，判断风热机组所产生的热量是否满足用户需求；

S2：热量满足需求时，则利用蓄热器蓄热，并将热量传输给用户；

S3：热量不满足需求时，在谷电时开启地源热泵，重新判断是否满足用户需求；

S4：满足用户需求则执行S2，否则将地源热泵常开，将热量传输给用户。

有益效果：

本发明所提供的风热机组能源系统，克服了现有风热机组单台装置的不足，通过合理的构思，将风热机组和地源热泵合理的联系在一起，克服了对风机高度的限制；还能在夏季对于温度较低的土壤源进行热量的补偿，以满足冬季的供暖需求；在风速未达到风力机切入风速时满足用户对供冷供暖的需求，该系统具有更好的鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本发明所提供的风热机组能源系统在制热时的系统连接图；

图2为本发明所提供的风热机组能源系统在制冷时的系统连接图；

图3为本发明所提供的风热机组结构简图；

图4为本发明所提供的控制器热管理流程；

图5为本发明所提供的控制器冷管理流程。

其中：1：风热机组；2：地源热泵；3：用户；4：蓄热器；5：换热器；6：地埋管换热器；7：控制器；8：蓄冷器；9：叶片；10：轮毂；11：齿轮箱；12：变桨系统；13：压缩机；14：偏航系统；15：塔筒；16：机舱。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明所提供的风热机组能源系统作具体阐述。

在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

如图1-2所示，提供了一种风热机组能源系统，所述系统包括：风热系统，用于将风能转化为热能；地源热泵系统，用于转化地源热能；换热系统，与所述风热系统、所述地源热泵系统和用户连接，用于调节风热系统和地源换热系统所转化的热能并将其传输给用户，以及控制系统，与所述风热系统、地源热泵系统和换热系统连接，用于控制风热系统、地源热泵系统和换热系统工作。

在部分实施例中，所述风热系统包括叶片、轮毂、机舱和塔筒，所述机舱设置在所述塔筒上方。所述机舱包括齿轮箱、变桨系统、压缩机和偏航系统；变桨系统、压缩机和偏航系统同时与齿轮箱连接；压缩机包括开启式压缩机。所述开启式压缩机通过保温管路与所述换热系统连接。风热系统还包括低速轴、高速轴及其机械匣、液压系统、冷却元件、风速计及风向标、尾舵等，该风热系统将笨重的发电系统拆除，从齿轮箱直接与压缩机相连。所述换热系统包括换热器，与所述风热系统和所述地源热泵系统连接；地埋管换热器，与所述换热器连接；蓄热/蓄冷器，与所述换热器以及用户连接。

上述实施例中，风热机组改变了现有技术中的从风能转变成电能，再从电能转换为热能的制热模式，节省了笨重的发电机取而代之的是双螺杆压缩机与齿轮箱的出力轴相连，这样的结构更加高效的将风能转换为热能，减少了电子元器件对能源的损耗。

如图2所示，为本发明所提供的风热机组在冬季制热时的结构示意图，地埋管换热器与所述地源热泵连接，地埋管换热系统分别为风热机组和地源热泵机组提供能量，用户对热的需求可以自行调节，在初冬时，土壤热源能保持较高的温度(在18℃左右)风热机组具有较高的效率，此时不需要地源热泵的开启就能满足用户的需求，到深冬的时候，随着土壤源的温度降低，用户热需求量增大，就要开启地埋管热泵系统，通过谷电的电能和风能共同满足用户的热需求。

上述实施例中，在制热方面采用了从地埋管换热系统中直接抽取能量，通过控制器对热量进行调配，一部分输入到风热机组，进行直接高效制热，另一部分进入地源热泵通过谷电制热，从而消纳能源的不平衡问题。之后将两者产出的热量提供给峰谷电蓄热器，实现了对能源的高效存储，以备热用户使用。

如图3所示，为本发明所提供的风热机组在夏季制冷时的结构示意图，在夏季时，地埋管换热器只为风热系统提供冷管，通过压缩机制冷之后通入换热器，控制器将换热器中的冷量输送给蓄冷箱以备夏季制冷使用，并且将用户端的热通过换热器传输到地埋管换热器，以弥补冷热不平衡土壤的温度降低的现象。

在上述实施例中，制冷满足了用户在夏天的需求。仍然是将地埋管换热器作为冷源提供给风热机组，将产生的冷存储在谷电蓄冷器中提供给冷用户，并且，可以将建筑物中的热抽取出来，返还到地埋管换热器中，以平衡地埋管在冬季取热过多的问题。保持土壤的热平衡，具有很高的效益。

在部分实施例中，所述地埋管换热器包括单U管换热器或者双U管换热器。地埋管换热器后期进行回填，用户可以用于设备间、停车场和绿化使用。

在部分实施例中，所述控制系统包括风热机组的启停控制模块以及对换热系统的热量管理模块。该实施例所提供的控制系统可以实现对风力机的控制和热量的管理，风力机的控制包括了风机的启停策略，启动步骤高速轴处于松开状态，开启自动偏航，此时不携带压缩机负载，变桨系统处于运行模式，如在一定时间内的平均风速大于启动风速设定值，且液压站系统自检良好，开始启机。加速提升阶段：机组以控制系统设定的加速度进行转速的提升，即寻求最大的功率系数Cp，此时仍未带压缩机负载，压缩机带载阶段需要保证高速轴达到压缩机的最低转矩，且转速小于压缩机额定转速的70％，确保滑阀可以对压缩机的负载实现无极调速，即可调范围在30％-110％额定功率，此时电磁离合器开启，使得压缩机的出力轴和风力机的高速轴通过电磁离合器相连，之后随着风速的增大，更多的功输入到压缩机，压缩机首先要进行滑阀调节，提升压缩机的输入扭矩，确保压缩机在下一刻无风的状态不会导致脱网。满发和脱网：如果风力继续增大会导致压缩机的滑阀处于最大进气量，即扭矩最大。转速也超过额定转速，即将逼近限值。如果风力继续增大，控制系统会令压缩机脱网，断开力矩负载，高速轴刹车，偏航系统偏离此时盛行风行90度，通过最快的降载方案，实现了对叶片和整体风力机的保护。

如图4所示，部分实施例提供了一种风热机组能源系统的制热方法，所述方法包括：

S1：开启风热机组，判断风热机组所产生的热量是否满足用户需求；

S2：热量满足需求时，则利用蓄热器蓄热，并将热量传输给用户；

S3：热量不满足需求时，在谷电时开启地源热泵，重新判断是否满足用户需求；

S4：满足用户需求则执行S2，否则将地源热泵常开，将热量传输给用户。

为本发明实施例的热管理策略：控制器通过换热器的管路实现对热的高效管理，由于本发明的目的是实现清洁供暖，所以风力机全年处于开启状态，冬夏季实现供暖和供冷，如图5所示，在无需冷暖的时候只需要提供生活热水，本发明采用两个箱蓄冷和蓄热。因为夏天不仅要满足用户的供冷需求，也要满足用户的热水需求。首先要在夏季的时候优先用户供冷，将产生的热用于生活热水，如果冷量足够可以存储在蓄冷水箱中，多余的热量直接通过换热器传送给地埋管。制热的情况下，首先要满足用户的制热需求，如果不能满足就要开启地源热泵机组在谷电时供热。如果仍不能满足就要全天开启地源热泵来满足供暖。如果产生了多余的热量再输送给蓄热箱以备用户使用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。