一种风/光与生物质互补的发电和化学品储能系统及控制方法与流程

本发明涉及一种多能源互补的发电和储能系统，具体为一种风/光和生物质互补的发电与化学品储能系统，属能源、电力和化工
技术领域：
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背景技术：
：随着我国社会经济的发展，能源供应日趋紧张。传统化石能源开发利用所带来的环境污染、气候变化等问题也日益严重。大力发展高效、清洁的可再生能源发电系统是保证我国能源安全，降低环境污染的重要举措。但可再生能源尤其是风能、太阳能不稳定，发电品质较差，直接并网对电网冲击较大，而且西部优质风电、光电资源难以就地消化，导致弃风、弃光问题严重，亟需研究解决。大容量的储能技术是解决风、光发电不稳定的重要途径之一。相比传统的储能技术，powertogas(p2g)技术利用电解水技术将电网无法消纳的再生能源电力转化为氢气，或进一步通过甲烷化技术生产合成天然气或者液体燃料等，实现从电力到化学品的转换，即化学品储能。p2g技术储能容量大、周期长，可消纳大规模、长时间风、光发电的波动，是一种极具潜力的储能新途径。基于p2g技术，学者提出了多种能源转化与储能系统。如专利(cn201610597945.5)公开了一种风光-氢储能及煤化工混合动力发电系统，实现储能与煤化工的耦合。专利(cn201510481776)公开了一种风-氢-水-电混合能源系统拓扑结构及其控制方法，实现风电、储能及燃料电池发电的高效结合。目前已公开的基于p2g技术的能源系统一部分以氢气为化工产品，但氢气较难储运，不适合大规模推广应用。另一部分以甲烷或液体燃料为化工产品，但化学品合成过程所需的含碳气体来源及电解水副产品氧气的利用仍是与传统化石能源相结合，无法满足可再生能源体系要求。因此，迫切需要开发一种更加清洁、高效的p2g能源综合利用系统，以解决上述问题。技术实现要素：本发明的一个目的是通过引入生物质，构建一种风、光和生物质能互补的发电与化学品储能系统，以降低风、光发电的波动性，实现电解水副产品氧气的清洁转化利用，并为储能化学品的合成提供绿色含碳气体，解决目前p2g能源系统面临的问题。本发明采用的技术方案概述如下：风发电或光发电经电力调节控制，稳定电力并入电网。电网无法消纳的电力用于电解水制氢气和氧气。氧气可以用于生物质富氧气化或富氧燃烧，生物质利用后的含碳气体进入化学品合成单元，与电解水产生的氢气合成天然气或甲醇等燃料。当风/光发电无法满足电网需求时，采用储存的氢气或者化学品进行调峰发电。综上，整个系统就实现了风/光/生物质互补发电，同时可把多余电力转化成化学品(化学品储能)，最终实现可再生能源的高效转化与储存利用。具体技术方案如下：一种风/光与生物质互补的发电和化学品储能系统，所述系统包括：风/光发电单元1，用于由风/光发电产生电力；电力调控单元2，所述电力调控单元2分别与所述风光发电单元1和与外部电网电连接，用于控制电力输出；电解水单元3，其与所述电力调控单元2电连接，接收来自所述电力调控单元2的电力，用于电解水产生氢气和氧气；氢/氧储存单元4，其与所述电解水单元3管线连接，用于储存在所述电解水单元3中电解水产生的氢气和氧气；生物质利用单元5，其与所述氢/氧储存单元4管线连接，用于接收来自所述氢/氧储存单元4的氧气，用于生物质的物理化学反应；化学品合成单元6，其与所述氢/氧储存单元4、所述生物质利用单元5以及外部管网管线连接，用于接收分别来自所述氢/氧储存单元4的氢气和来自所述生物质利用单元5的含碳气体，合成化学品并将合成的化学品向外部管网输出；调峰发电单元7，其与所述氢/氧储存单元4、化学品合成单元6管线连接并且与所述电力调控单元2电连接，用于根据系统电力状态调峰发电并将产生的调峰电力输入所述电力调控单元2。优选地，根据本发明的所述风/光与生物质互补的发电和化学品储能系统中所述生物质利用单元5可以与所述电力调控单元2电连接，用于将由所述生物质利用单元5产生的电力输入所述电力调控单元2。优选地，所述氢/氧储存单元4包括氢气储存罐和氧气储存罐。优选地，所述生物质利用单元5包括但不仅限于富氧燃烧和富氧气化装置。优选地，所述生物质利用单元5还包括发电装置，所述发电装置用于将所述富氧燃烧过程的能量转化为电力502输送至所述电力调控单元2。优选地，所述化学品合成单元6合成的产品包括但不仅限于甲烷、甲醇、乙醇、二甲醚、汽油、柴油和航空煤油。优选地，所述调峰发电单元7仅在所述电力调控单元2运行在调峰发电模式时启动运行，采用所述氢氧储存单元4的氢气或所述化学品合成单元6的化学品为燃料发电，并将调峰电力701输入所述电力调控单元2。一种根据本发明的所述风/光与生物质互补的发电和化学品储能系统的控制方法，所述控制方法包括并网发电运行模式，盈余电力运行模式，弃电运行模式和调峰发电运行模式四种，其中所述电力调控单元2根据来自所述风/光发电单元1输出的电力程序地或人工地控制采取上述四种运行模式之一。优选地，当来自所述风/光发电单元1的电力103稳定且满足电网需求时，根据本发明的所述储能系统采取并网发电运行模式，其中，所述电力调控单元2接收来自所述风/光发电单元1的电力103并且输出所述第一电力201至外部电网而不再输出所述第二电力202。优选地，当来自所述风/光发电单元1的电力103稳定但不足以满足电网需求时，根据本发明的所述储能系统采取调峰发电运行模式，其中，所述电力调控单元2接收来自所述风/光发电单元1的电力103、来自所述生物质利用单元5的电力502和/或来自所述调峰发电单元7的电力701并且输出所述第一电力201至外部电网而不再输出所述第二电力202。优选地，当来自所述风/光发电单元1的电力103稳定但超出电网需求时，根据本发明的所述储能系统采取盈余电力运行模式，其中，所述电力调控单元2接收来自所述风/光发电单元1的电力103并同时向外部电网输出所述第一电力201和向所述电解水单元3输出所述第二电力202。优选地，当来自所述风/光发电单元1的电力103不稳定，无法并入外部电网时，根据本发明的所述储能系统采取弃电运行模式，其中，所述电力调控单元2接收来自所述风/光发电单元1的电力103并仅向所述电解水单元3输出所述第二电力202而不向外部电网输出所述第一电力201。本发明的优点为：在传统风/光互补发电及合成燃料储能的基础上，本发明将生物质引入系统之中，既可利用生物质发电的稳定性调节风/光发电的波动性，又可高效的就地利用弃电制氢的副产品氧气实现生物质的转化，并为后续化学品合成单元提供含碳气体，实现了能量与物料的综合高效利用，提高了可再生能源系统的抗波动能力和输出效益，为我国大力推广可再生能源利用提供了解决方案。附图说明图1为根据本发明的风/光与生物质互补的发电和化学品储能系统框架示意图。图2为实施例1中系统流程示意图。图3为实施例2中系统流程示意图。附图标记：1–风光发电单元；2–电力调控单元；3–电解水单元；4–氢氧储存单元；5–生物质利用单元；6–化学品合成单元；7–调峰发电单元；101–风能；102–光能；103–风光电力；201–第一电力；202–第二电力；301–氢气和氧气；401–氧气；402–氢气；501–生物质；502–生物质电力；503–生物质利用后尾气；601–化学品；701–调峰电力；504–富氧气化装置；505–合成气净化装置；506–合成气；602–水煤气变换装置；603–甲烷化合成装置；604–甲烷净化装置；605–甲烷；507–富氧燃烧装置；508–蒸汽发电装置；509–富氧燃烧烟气；606–逆水煤气变换装置；607–甲醇合成装置；608–甲醇净化装置；609–甲醇。具体实施方式以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。根据本发明的所述风/光与生物质互补的发电和化学品储能系统包括：风/光发电单元1，用于由风/光发电产生电力，所述风发电单元可以包括水平轴风力发电机、垂直轴风力发电机和双馈型发电机等，所述光发电单元可以包括一切利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的装置。电力调控单元2，所述电力调控单元2分别与所述风光发电单元1和与外部电网电连接，用于控制电力输出。所述电力调控单元2可以包括电力转换装置，如变压器等，电力传输装置，如电缆等，还包括控制装置，所述控制装置可以根据系统中电力分布情况自动或人工地调整系统运行状态。电解水单元3，其与所述电力调控单元2电连接，接收来自所述电力调控单元2的电力，用于电解水产生氢气和氧气。所述电解水单元3通过获取来自所述电力调控单元2的电力202通过常规的电解水装置，将水电解为氢气和氧气，实现能量的转化，获得的氢气可以作为其它发电单元中发电装置(如燃料电池)等的能源来源；获得的氧气可以作为其它单元(例如化学品合成单元)的原料，或用于其它工业领域。氢/氧储存单元4，其与所述电解水单元3管线连接，用于储存在所述电解水单元3中电解水产生的氢气和氧气。生物质利用单元5，其与所述氢/氧储存单元4管线连接，用于接收来自所述氢/氧储存单元4的氧气，用于生物质的物理化学反应。所述生物质利用单元5包括但不限于富氧燃烧和富氧气化装置。所述富氧燃烧是以高于空气氧气含量(20.947％)的含氧气体进行燃烧的高效节能燃烧技术。富氧气化过程是以氧气(富氧或工业纯氧)作为气化剂，在高温下通过化学反应将生物质中的可燃部分转化为可燃性气体的工艺过程。气化时所得的可燃气体用做化工原料时一般称为合成气，进行气化的设备称为气化炉。优选地，所述生物质利用单元5还包括发电装置，所述发电装置用于将所述富氧燃烧过程的能量转化为电力502输送至所述电力调控单元2。优选地，可以用于所述生物质利用单元5的生物质501包括但不限于秸秆、木屑、花生壳和树枝等农林废弃物及其加工衍生产品。化学品合成单元6，其与所述氢/氧储存单元4、所述生物质利用单元5以及外部管网管线连接，用于接收分别来自所述氢/氧储存单元4的氢气和来自所述生物质利用单元5的含碳气体，合成化学品并将合成的化学品向外部管网输出。所述化学品合成单元6合成的产品包括但不仅限于甲烷、甲醇、乙醇、二甲醚、汽油、柴油和航空煤油。根据合成的产品，例如以甲烷为例，所述化学品合成单元6包括水煤气变换装置、甲烷化合成装置、甲烷净化装置等。通过在水煤气变换装置中输入来自所述氢/氧储存单元4的氢气和来自所述生物质利用单元5的含碳气体，从而合成水煤气，合成得到的水煤气再经过甲烷化合成装置合成甲烷混合气，得到的甲烷混合气再经过甲烷净化装置得到高纯度的甲烷并通过管线输送至外部管网。调峰发电单元7，其与所述氢/氧储存单元4、化学品合成单元6管线连接并且与所述电力调控单元2电连接，用于根据系统电力状态调峰发电并将产生的调峰电力输入所述电力调控单元2。所述调峰发电单元7可以包括多种发电装置，例如燃料电池或热能发电机等，产生电力701并输送至电力调控单元2。优选地，所述调峰发电单元7仅在所述电力调控单元2运行在调峰发电模式时启动运行，采用所述氢氧储存单元4的氢气或所述化学品合成单元6的化学品为燃料发电，并将调峰电力701输入所述电力调控单元2。根据本发明的所述风/光与生物质互补的发电和化学品储能系统的控制方法包括并网发电运行模式，盈余电力运行模式，弃电运行模式和调峰发电运行模式四种，其中所述电力调控单元2根据来自所述风/光发电单元1输出的电力程序地或人工地控制采取上述四种运行模式之一。根据天气变化，风/光发电具有不确定性，有时候产生的电力很稳定，有时候产生的电力却波动较大。如果产生的电力很稳定，可以直接输出到外部电网即并网发电模式。当外部电网电力缺口较大时，就需要调峰，可以运行调峰发电模式，补充其他发电。如果产生的电力很稳定，但量太多，外部电网接纳不了，就运行盈余电力模式，分流一部分电用于电解水。如果风/光发电不稳定，波动太大，电网完全无法容纳时，就是弃电运行模式，电全部用来电解水。优选地，当来自所述风/光发电单元1的电力103稳定且满足电网需求时，根据本发明的所述储能系统采取并网发电运行模式，其中，所述电力调控单元2接收来自所述风/光发电单元1的电力103并且输出所述第一电力201至外部电网而不再输出所述第二电力202。优选地，当来自所述风/光发电单元1的电力103稳定但不足以满足电网需求时，根据本发明的所述储能系统采取调峰发电运行模式，其中，所述电力调控单元2接收来自所述风/光发电单元1的电力103、来自所述生物质利用单元5的电力502和/或来自所述调峰发电单元7的电力701并且输出所述第一电力201至外部电网而不再输出所述第二电力202。优选地，当来自所述风/光发电单元1的电力103稳定但超出电网需求时，根据本发明的所述储能系统采取盈余电力运行模式，其中，所述电力调控单元2接收来自所述风/光发电单元1的电力103并同时向外部电网输出所述第一电力201和向所述电解水单元3输出所述第二电力202。优选地，当来自所述风/光发电单元1的电力103不稳定，无法并入外部电网时，根据本发明的所述储能系统采取弃电运行模式，其中，所述电力调控单元2接收来自所述风/光发电单元1的电力103并仅向所述电解水单元3输出所述第二电力202而不向外部电网输出所述第一电力201。下面结合实施实例对本发明做出进一步的具体说明，但本发明并不限于这些实施例。实施例1：一种风/光与生物质互补的发电和化学品储能系统，其中生物质利用方式采用富氧气化，化学品合成单元产品为甲烷，电力调控单元工作模式为弃电运行模式，调峰发电单元7不工作(图中未示出)，具体系统流程如图2所示，叙述如下：(1)风能101和光能102通过风光发电单元1产生风/光电力103，然后输入电力调控单元2。弃电运行模式下，风/光电力103品质无法满足外部电网要求，风/光电力103全部以弃电形式以第二电力202进入电解水单元3。(2)在电解水单元3中，第二电力202用于电解水，产生氧气和氢气301，直接输入氢氧储存单元4储存。其中，储存的氧气401进入生物质利用单元5，氢气402进入化学品合成单元6。(3)在生物质利用单元中5，生物质501和氧气401输入富氧气化装置504，进行富氧气化反应，经合成气净化装置505后，纯净的合成气506(主要成分为co、h2、ch4、co2)进入化学品合成单元6。(4)化学品合成单元6中，合成气506与氢气402混合后经水煤气变换装置602调整氢碳比，然后经甲烷合成装置603和甲烷净化装置604，最终得到纯净的甲烷605，输入外部管网进行利用。经上述系统流程，实现了从风光弃电到甲烷的转化，即化学品储能。按照实施例1所提出的系统流程，优选弃电规模为10mw，电解水效率为70％，生物质为杨木屑，系统功耗为106.6kw/mwhlhvsng时，系统热力性能计算结果如表1所示。通过表1的计算结果可以看出，采用本实施例所提出的系统流程后，相比传统p2g储能系统，本系统的火用效率得到提升。而且本系统中采用的全部为可再生能源，不涉及化石能源，可以满足未来能源体系使用100％可再生能源的需求。表1：实施例1系统热力性能计算结果能量火用输入/mw27.4229.86输出/mw13.5216.40系统效率/％49.3054.91实施例2：一种本风光与生物质互补的发电和化学品储能系统，其中生物质利用方式采用富氧燃烧发电，化学品合成单元产品为甲醇，电力调控单元运行模式为盈余电力制氢模式，调峰发电单元7不工作(图中未示出)，其流程示意图如图3所示，具体如下：(1)风能101和光能102通过风光发电单元1产生风/光电力103，然后输入电力调控单元2。盈余电力运行模式下，风/光发电量较高，其中一部分通过第一电力201输出到外部电网，超过外部电网需求的盈余电力以弃电形式以第二电力202进入电解水单元3。(2)在电解水单元3中，第二电力202用于电解水，产生氧气和氢气301，直接输入氢氧储存单元4储存。其中，储存的氧气401进入生物质利用单元5，氢气402进入化学品合成单元6。(3)在生物质利用单元中5，生物质501和氧气401进入富氧燃烧装置507，进行富氧燃烧并通过蒸汽发电装置508发电，产生的生物质电力502输入所述电力调控单元2，富氧燃烧后的烟气509(主要成分为co2和h2o)输入所述化学品合成单元6。(4)在化学品合成单元6中，富氧燃烧烟气509与氢气402混合后经逆水煤气变换装置606调整氢碳比，然后经甲醇合成装置607和甲醇净化装置608工艺，最终得到纯净的甲醇609，输入外部管网进行利用。当前第1页12