一种耦合太阳能集热和制氢的压缩空气储能系统

1.本发明属于新型能源领域，具体涉及一种耦合太阳能集热和制氢的压缩空气储能系统。


背景技术：

2.当今，各种污染排放、航海运输业、旅游业都在污染着水质，使得海洋和大型湖泊的水质每况愈下，而且水中微生物在分解污水中的有机物时大量消耗氧气，这一系列问题直接影响了渔业养殖，水的污染导致鱼类污染，随着食物链而进去人体内，将会给人体带来伤害。
3.而陆基推水集装箱养殖作为未来渔业养殖现代化发展的主要形式，其有节约用水、节力节料、生态环保等优势，因其地点选择相对灵活，可以选择山中的水库或者池塘旁边，这些地方污染小，水质好，且空置用地面积大。目前，针对陆基推水集装箱养殖场景的研究主要集中在病害防治、全自动饲料投喂、水下鱼类监测等方面。而对如何使用可再生能源提高鱼的产量的研究相对较少，而国内大部分开展推水集装箱养殖的区域为内陆缺水地区，因水资源的紧缺，因此选择此方法进行渔业养殖。
4.但因地处偏僻，远离负荷中心，电网不稳定，而渔业养殖对水温和含氧量要求高，因此一旦停电，对养殖户可谓是灾难性的打击，结合此类地区国家对环保用能的大力号召和政策扶持。
5.随着社会经济对能源的需求多元化发展，以压缩空气储能系统作为渔业养殖多能供应的清洁能源路由器来构建综合能源网成为能源综合利用领域研究的热点。而因这些地区光照强，日照时间长，虽然有缺水的弊端，但是对于大规模开展使用可再生能源进行陆基推水集装箱养殖创造了得天独厚的条件；同时，使用可再生能源可以降低成本，还可以防止偏远地区的供电不稳问题。以上问题均是制约陆基推水集装箱养殖绿色发展的关键因素。
6.随着我国对太阳能资源利用技术的不断提升，一些学者将目光投向太阳能对陆基推水集装箱养殖的综合开发利用。部分地区太阳能资源丰富，日照时间长，且海拔高，可是该地区远离负荷中心，建设输电线路成本高，且采取医用纯氧供氧成本连年增加，加之严格的区域生态环保要求以及发展绿色高原渔业的战略规划，非常适合构建清洁能量路由器以满足陆基推水集装箱养殖多种类、多品位的能源需求，光伏制氢系统的副产品氧气为鱼类供氧，而产生的氢气则可以和空气燃烧，用于加热压缩空气储能系统发电阶段进入高温透平的高压空气，高压空气的温度直接影响压缩空气储能系统的发电效率。
7.然而，针对陆基推水集装箱养殖供能的研究相对较少。没有同时太阳能制氢和压缩空气储能系统合为一体作为清洁能量路由器的系统研究。因此，本发明以陆基推水集装箱养殖综合能源网为研究背景，结合部分地区丰富的太阳能资源的地域性特点，提出了一种耦合太阳能集热和制氢的压缩空气储能系统。


技术实现要素：

8.为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种耦合太阳能集热和制氢的压缩空气储能系统。
9.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.一种耦合太阳能集热和制氢的压缩空气储能系统，用于为含耦合清洁能量路由器的陆基推水集装箱养殖综合能源网提供能源，包括：
11.光伏制氢模块，用于制备氧气和氢气，为所述陆基推水集装箱养殖综合能源网提供氧气；
12.压缩空气储能系统，利用所述光伏制氢模块产生的氢气，用于对分布式风光电能的消纳、存储和释能，为所述陆基推水集装箱养殖综合能源网提供电能和热能；
13.余热回收系统，用于回收所述压缩空气储能系统产生的余热，为所述陆基推水集装箱养殖综合能源网补充热能；
14.吸收式制冷系统，用于为所述陆基推水集装箱养殖综合能源网提供冷能。
15.优选地，所述光伏制氢模块由光伏电能电解水，在电极的阳极产生氧气，电极的阴极产生氢气，制备的氢气和氧气分别存储在储氢罐和储氧罐中。
16.优选地，所述压缩空气储能系统的具体工作流程分为储能、静置和释能三种工作方式。
17.优选地，所述压缩空气储能系统包括空气压缩、储气罐和储热罐；
18.储能时光伏电和低谷电用于驱动所述空气压缩机，将电能转化为空气的压力势能和空气的分子动能，并将压力势能和分子动能分别存储于所述储气罐和储热罐中；
19.静置时，高压空气存储在储气罐中，并保持24小时内空气泄漏量低于设计值；压缩热能存储在高温储热罐中，并保持24小时内温度降低小于等于1℃；
20.释能时，压力势能在燃烧室内与氢气混合燃烧后，高温高压的空气进入透平发电机发出电能，排放的尾气进入余热回收系统。
21.优选地，所述吸收式制冷系统采用溴化锂或氨水作为制冷剂，利用热能驱动制冷循环，单次制冷循环使常温水的温度降低1℃。
22.优选地，所述储能系统的工作过程如下：
23.当电价处于低谷电价时，压缩空气储能系统工作，存储电能，作为应急电源；
24.白天光照强达到光伏制氢标准时，光伏制氢模块工作，制出氢气和氧气，并分别存储起来，氧气供给养殖集装箱，来提高水中的含氧量，氢气供给压缩空气储能系统；
25.压缩空气储能系统发电时，氢气燃烧，加热高压空气，使其达到膨胀发电的温度，同时余热回收系统回收所述压缩空气储能系统产生的废气，使用废气加热养殖用水，使其保持在10-15℃的鱼类最佳生长温度；
26.若是夏天，则通过吸收式制冷系统来降低养殖用水温度，使养殖用水在春夏秋冬都达到鱼类最佳生长温度。
27.本发明提供的耦合太阳能集热和制氢的压缩空气储能系统具有以下有益效果：
28.1、压缩空气储能系统可用于保证不间断供电，且在紧急时刻可以作为备用电源，提高了供电可靠性，因此保证了养殖户的经济效益。
29.2、各系统通过温度的梯级利用，使得精装箱的冷热可以精确控温，以保证集装箱
内水体保持恒温，使冷水鱼存活于最优生长环境下。
30.3、通过光伏制氢模块能够提供纯度极高的氧气，解决高原地区空气稀薄，含氧量低，进而影响水体氧气含量低，而含氧量的高低直接影响冷水鱼的生长速度和产量的问题。同时光伏制氢模块所产生的氢气，燃烧时具有很高的热能品位，可极大的提高高压空气的做功能力，从而提高了整个系统的电电效率。采用一级膨胀，其尾气余热可达150度左右，可以提高储热系统的储热容量。且氢气燃烧不产生任何碳排放。只会产生纯净水，可以用于继续用于渔业养殖，因此清洁性高。
31.4、该系统既可以在停电时作为应急电源，保证供氧供热，又可以提高水中的含氧量和温度，其综合用能需求以其自身的特点成为综合能源网的主要应用场景之一。一旦解决了冷水鱼养殖中的供电供热以及供氧问题，冷水鱼的产量就会显著提升，而冷水鱼的利润较传统畜牧业有很大优势，而且用地面积小，更加可控，因此可以吸引部分牧民放弃传统畜牧业，而转行进入渔业养殖，也可以缓解当前牧区过度放牧的问题，有助于响应国家的退耕还林号召。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例及其设计方案，下面将对本实施例所需的附图作简单地介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。
33.图1为本发明实施例1的耦合太阳能集热和制氢的压缩空气储能系统的结构框图。
具体实施方式
34.为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”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的技术方案和简化描述，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的限制。
36.此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，在此不再详述。
37.实施例1
38.本发明提出了一种耦合太阳能集热和制氢的压缩空气储能系统，用于为含耦合清洁能量路由器的陆基推水集装箱养殖综合能源网提供能源，特别是适合如青海省等太阳能资源丰富，日照时间长，且海拔高的省份，如图1所示，包括光伏制氢模块、压缩空气储能系
统、余热回收系统和吸收式制冷系统。
39.光伏制氢模块用于制备氧气和氢气，为陆基推水集装箱养殖综合能源网提供氧气。具体的，本实施例中，光伏制氢模块由光伏电能电解水，在电极的阳极产生氧气，电极的阴极产生氢气，制备的氢气和氧气分别存储在储氢罐和储氧罐中。光伏制氢模块包括供氧部分和供氢部分，高原地区空气稀薄，含氧量低，进而影响水体氧气含量低，而含氧量的高低直接影响冷水鱼的生长速度和产量。经调研发现，现阶段大部分养殖户使用医用氧气为鱼类供氧，成本高的同时造成了资源浪费，本发明提供的光伏制氢子系统，其副产品纯度极高的氧气，可很好的解决这一问题。光伏制氢子系统所产生的氢气，燃烧时具有很高的热能品位，可极大的提高高压空气的做功能力，从而提高了整个系统的电效率。采用一级膨胀，其尾气余热可达150度左右，可以提高储热系统的储热容量。且氢气燃烧不产生任何碳排放。只会产生纯净水，可以用于继续用于渔业养殖，因此清洁性高。
40.压缩空气储能系统利用光伏制氢模块产生的氢气，用于对分布式风光电能的消纳、存储和释能，为陆基推水集装箱养殖综合能源网提供电能和热能。本实施例提供的压缩空气储能系统的具体工作流程分为储能、静置和释能三种工作方式。
41.进一步地，压缩空气储能系统包括空气压缩、储气罐和储热罐；
42.储能时光伏电和低谷电用于驱动空气压缩机，将电能转化为空气的压力势能(高压空气)和空气的分子动能(压缩热能)，并将压力势能和分子动能分别存储于储气罐和储热罐中；
43.静置时，高压空气存储在储气罐中，并保持24小时内空气泄漏量低于设计值；压缩热能存储在高温储热罐中，并保持24小时内温度降低小于等于1℃；
44.释能时，压力势能在燃烧室内与氢气混合燃烧后，高温高压的空气进入透平发电机发出电能，排放的尾气进入余热回收系统。
45.冷水鱼养殖严格要求24小时供电，而地处青藏高原的湖泊附近的陆基养殖箱大多数位置偏远，远离大电网，其所在农牧区的配网供电可靠性差，容易受到天气等环境因素以及各种不确定因素的影响，而光伏制氢模块与压缩空气储能系统结合可用于保证不间断供电，且在紧急时刻可以作为备用电源，提高了供电可靠性，因此保证了养殖户的经济效益。高原冷水鱼对水温要求严苛，经调研，水温不得高于20度，不能低于10度；其中最佳生长温度为15℃。通过温度的梯级利用，所储冷和热可以精确控温，以保证集装箱内水体保持恒温，使冷水鱼存活于最优生长环境下。
46.余热回收系统用于回收压缩空气储能系统产生的余热(吸收压缩热和膨胀发电时燃烧氢气的余热)，为陆基推水集装箱养殖综合能源网补充热能；吸收式制冷系统用于为陆基推水集装箱养殖综合能源网提供冷能。进一步地，吸收式制冷系统采用溴化锂或氨水作为制冷剂，利用热能驱动制冷循环，单次制冷循环使常温水的温度降低1℃。吸收式制冷机可以利用热能驱动设备，提供冷能，一个制冷循环可使温度降低1℃。
47.因陆基推水集装箱养殖需要水库或者鱼塘，所以大多地处偏僻，电网供电不稳，而冷水鱼养殖对水温和含氧量要求极高，若因停电而无法及时供氧，严重时则会出现鱼类大面积死亡的情况。因此，本实施例提供的耦合太阳能集热和制氢的压缩空气储能系统的工作过程如下：
48.当电价处于低谷电价时，压缩空气储能系统工作，存储电能，作为应急电源，也可
用于高电价时降低成本，并同时回收压缩热。
49.白天光照强达到光伏制氢标准时，光伏制氢模块工作，制出氢气和氧气，并分别存储起来，氧气供给养殖集装箱，来提高水中的含氧量，氢气供给压缩空气储能系统。
50.压缩空气储能系统发电时，氢气燃烧，加热高压空气，使其达到膨胀发电的温度，同时余热回收系统回收压缩空气储能系统产生的废气，使用废气加热养殖用水，使其保持在10-15℃的鱼类最佳生长温度。
51.若是夏天，则通过氨吸收式制冷来降低养殖用水温度，使养殖用水在春夏秋冬都可以达到鱼类最佳生长温度。
52.本实施例充分发挥光伏制氢模块、压缩空气储能系统、余热回收系统和吸收式制冷系统的多能协同互补优势，实现多种能源综合高效利用，提高太阳能资源丰富的青藏高原偏远地区的综合渔业发展水平，造福青藏高原居民。
53.为达到上述目的，本发明的解决方案是：
54.耦合太阳能制氢的压缩空气储能系统的清洁能量路由器的陆基推水集装箱养殖综合能源网架构。
55.本实施例中，陆基推水集装箱养殖综合能源网中包括电网、冷热网、供氧网。电网中的电能由压缩空气储能系统提供，利用光伏电和低谷电进行充电，当电价高或者大电网停电需要应急电源时，再通过压缩空气储能系统发电。热能由压缩热和膨胀发电时燃烧氢气的余热。冷网通过吸收式制冷系统满足冷负荷。供氧网则由太阳能电解氢制氧，制出的氢气也会被存储起来，膨胀发电式燃烧氢气加热高压气体。提升了含耦合太阳能制氢的压缩空气储能系统的陆基推水集装箱养殖综合能源网的应用能力与可推广能力。
56.本实施例提供的耦合太阳能集热和制氢的压缩空气储能系统，既可以在停电时作为应急电源，保证供氧供热，又可以提高水中的含氧量和温度，其综合用能需求以其自身的特点成为综合能源网的主要应用场景之一。一旦解决了冷水鱼养殖中的供电供热以及供氧问题，冷水鱼的产量就会显著提升，而冷水鱼的利润较传统畜牧业有很大优势，而且用地面积小，更加可控，因此可以吸引部分牧民放弃传统畜牧业，而转行进入渔业养殖，也可以缓解当前牧区过度放牧的问题，有助于响应国家的退耕还林号召。
57.以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。