电热储热热能发电的分布式供能系统的制作方法

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种电热储热热能发电的分布式供能系统。

背景技术：

电网接收消纳可再生能源的能力很大程度上取决于电力系统整体结构，特别是调峰调频能力。目前，我国电源结构以大型火电机组为主，特别是“三北“地区电网中，agc调频电源几乎全部为火电机组，优质调频电源稀缺。加上“三北”是我国风电集中开发的地区，风电大规模并网显著增加电网的agc调频需求。特别是，在冬季风电大发的时期，由于接近50%的火电机组进入供热期运行，受热负荷稳定的约束，调频能力不足，使得电网的调频能力进一步下降，电力系统运行安全存在潜在隐患。

在此情况下，热电厂通过配置电锅炉来解耦其“以热定电”约束，进而降低强迫出力消纳弃风电力的方案被提出，如中国专利:cn205678754u中公开了一种使用低谷电或弃风电制热且具有储热功能的供热系统。

集中于大型火力发电厂的电蓄热锅炉，便于调度。但远离负荷中心，能量传输损耗大。而“分布式能源”解决这一问题的可选方案。

所谓“分布式能源”是指分布在用户端的能源综合利用系统，以热电冷联产技术为基础，与大电网和天然气管网组网运行，向一定区域内的用户同时提供电力、蒸汽、热水和空调冷水(或风)等能源服务系统。分布式能源系统能源综合利用效率在75%~90%之间，并且由于其贴近用户进行能量转换，避免了远距离送电带来的输变电损失以及输热损失。

无论是布置在电厂的集中电锅炉供热还是园区分布式电锅炉供热，存在的共同问题是，将高品位的电能转化为了低品位的热能，运行中，经济效益与社会效益都不高。

“分布式能源”贴近用户，能源综合利用效率高。但其消耗的是国内紧缺的天然气资源，也不能利用风电等被大量弃用的可再生能源。

技术实现要素：

本发明用以克服现有技术的不足，提供一种分布式供能系统，其将负荷低谷或弃电时段的电能储存为高品位热能，在需要时，再通过常规的热力发电技术将储存的热能转换为电能，余热供热的系统，满足一定区域内的用户用能需求。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，提供一种电热储热热能发电的分布式供能系统，该分布式功能系统通过一电热储热换热三合一装置替代燃煤发电机组的锅炉，串联在给水泵与蒸汽轮机之间；所述电热储热换热三合一装置包括外壳，及设置于外壳内的电热单元、储热单元和换热单元；外壳为金属材质，且外部设置保温层，储热单元为金属材料，换热单元为穿过储热单元的金属材料的多根管路，换热单元的管路连接至蒸汽轮机，电热环节为电磁激励绕组，接受电网能量激励产生磁场，且磁场穿过储热单元的金属材料及其金属壳体并产生感生电流，感生电流的焦耳热效应将储热单元整体加热，储热单元的热能通过换热单元进入蒸汽轮机转换为电能。

其中，换热单元连接一控制单元，用以控制换热单元流向蒸汽轮机的热量的流量和流速。

其中，储热单元采用高导热、导电的金属镁材料，外壳的材质为耐热钢。

区别于现有技术，本发明具有如下效果：

1、本发明结构独特，由电磁激励绕组，金属储能材料及其金属壳体，穿过金属储能材料的换热器管路组成的电热储热换热三合一装置替代燃煤发电机组的锅炉，组合形成一个完整的系统。由于使用了储能体提供能量，发电供热过程中无燃烧，无污染物排放。同时也省去了锅炉、给煤、风烟等系统，极大节省了场地占用。因此，该系统可靠近居住及办公等负荷中心，较园区分布能源有更短的能量输送距离，损耗更小。

2、本发明采用的能量转化、转移形式简单，技术成熟。电热环节为输入电流通过电磁激励绕组在金属储能材料及其金属壳体中感生出电流，将储能组件整体加热。因此，能量以电磁形式分散于几乎整个储能材料中，热量转移过程中分布均匀，系统中不存在过热点，且不受储能体结构热阻的影响，可实现极大功率的电热转换。由于使用金属材料作为储能体，安全系数高，报废处理成本低，再生利用率极高。

3、本发明较电锅炉蓄热系统，能量利用价值高。系统在谷时将电能转换为高品位热能储存。在峰时，可将50%左右储存的能量转换为电能供应给负荷，余热则用来供热。由于储能起到了电力负荷调峰的作用，输电线路的利用率大幅提高，损耗减小。

附图说明

图1是本发明提供的一种电热储热热能发电的分布式供能系统的结构示意图；

图2是本发明提供的一种电热储热热能发电的分布式供能系统的电热储热换热三合一装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1是本发明提供的一种电热储热热能发电的分布式供能系统的结构示意图。该分布式功能系统100通过一电热储热换热三合一装置110置替代燃煤发电机组的锅炉，串联在给水泵101与蒸汽轮机102之间；电热储热换热三合一装置110包括外壳111，及设置于外壳111内的电热单元112、储热单元113和换热单元114；外壳111为金属材质，且外部设置保温层115，储热单元113为金属材料，换热单元114为穿过储热单元113的金属材料的多根管路，换热单元114的管路连接至蒸汽轮机102，电热环节为电磁激励绕组，接受电网能量激励产生磁场，且磁场穿过储热单元的金属材料及其金属壳体并产生感生电流，感生电流的焦耳热效应将储热单元整体加热，储热单元的热能通过换热单元进入蒸汽轮机102。

其中，换热单元114连接一控制单元116，用以控制换热单元114流向蒸汽轮机102的热量的流量和流速。

其中，储热单元113采用高导热、导电的金属镁材料，外壳111的材质为耐热钢。

电热储热换热三合一装置110的结构如图2所示。图2为电热储热换热三合一装置110的截面示意图。图中，换热单元114的管路延伸至蒸汽轮机102，并通过一控制单元116控制热量的输出速度和流量，保温层115为保温材质，如泡沫塑料，包裹于外壳111外侧，电热单元112的线圈套置于保温层115外侧，实现了线圈与外壳111的绝缘，线圈通电后，产生了磁场，磁场作用于金属材质的储热单元113和外壳111，产生感应电流，根据热电效应，电流转换为热量存储于储热单元113的金属中。

本发明的电热单元112为电磁激励绕组，其设置方式是使绕组受激励产生的磁场穿过储热单元113的金属材料和外壳111。优选的，本发明的一种电磁激励绕组的设置方式是设置在保温层115之内，包围在储热单元113及外壳111的外圆周上，与外壳111间绝缘。如图2所示。

本发明电热储热热能发电的分布式供能系统的运行过程为：输入电流通过电磁激励绕组，产生感应磁场，磁场的磁感线穿过金属材质的储电单元113及其金属材质的外壳111，并在储电单元113及其金属材质的外壳111产生感生电流，感生电流的焦耳热效应将储热单元整体加热，从而将电能转化为高品位的热能储存在储热单元113中；通过调节控制换热单元114的控制单元116，控制换热单元114输出工质的流量和流速，可控制从储热单元113中换出的热量大小；换出的热量进入蒸汽轮机102。

本发明的系统构成为：电热储热换热三合一单元替代燃煤发电机组的锅炉，串联在给水泵与蒸汽轮机之间；电热储热换热三合一单元外部有保温层；电热储热换热三合一单元中储能材料采用高导热、导电的金属材料；换热器管路穿过储热材料；电热环节为电磁激励绕组，其接受电网能量产生电流，所激励的磁场穿过金属储能材料及其金属壳体并产生感生电流，感生电流的焦耳热效应将储能组建整体加热。

运行过程为：在电网负荷低谷或电网存在“弃风、弃水、弃光”的情况下，电热环节将电能转化为高品位的热能储存在储热环节中；通过调节换热器中流过工质的流量和流速，可控制从储热单元中换出的热量大小；换出的热量进入热力发电系统转化为电能，余热供热。

本发明储热单元113采用金属材质，全寿命成本大大优于电池储能系统。

磷酸铁锂电池的单位能量成本约为3000元/kwh，其寿命为5000次循环，转换1度电的电池成本约为0.6元。

使用镁金属作为储热单元，每公斤镁的相变热为400kj。储存1kwh能量需要材料9公斤。镁金属的市价约1.5~1.8万元。相同储能容量的镁金属材料成本是电池的1/20。而金属材料的热循环寿命几乎是无限的。因此，一次能量循环中，储能材料的成本可以忽略不计。

储热发电中其它能量转换环节的制造与运行成本也远远低于电池储能系统中电力变流器。

现有技术的热能转化为电能的过程中，虽然汽轮机的整体能量利用率大约为50%，但汽轮机的热效率随着主蒸汽温度、压力的升高而升高。而本发明电热储热换热三合一装置110加在了主蒸汽及过热汽管道上，可以将主蒸汽的参数提高一个等级。

以工质温度由600摄氏度升高到630摄氏度为例，根据测定功率p和工质耗率d可以推算出单位发电量的工质消耗率为2.58kg/kwh，既0.144kmol/kwh。工质在此条件下的比热熔约为117j/mol•k，则工质升温储能器输出的热量为0.144x117x30=505kj/kwh。630摄氏度工况下的热耗率为7163.09kj/kwh，效率为50.26%。储能器输出的热量中253.8kj/kwh被转换成了电能。相对于600摄氏度，30mpa工况下7349.6kj/kwh的热耗，630度工况减少热耗186.5kj/kwh。则储能器输出热量的利用率近似为(253.8+186.5)/505=87.2%。

整个能量转化过程中，能量利用率约为85%。

本发明采用电磁感应的电热转换过程，能量效率大于97%。

区别于现有技术，本发明具有如下效果：

1、本发明结构独特，由电磁激励绕组，金属储能材料及其金属壳体，穿过金属储能材料的换热器管路组成的电热储热换热三合一装置替代燃煤发电机组的锅炉，组合形成一个完整的系统。由于使用了储能体提供能量，发电供热过程中无燃烧，无污染物排放。同时也省去了锅炉、给煤、风烟等系统，极大节省了场地占用。因此，该系统可靠近居住及办公等负荷中心，较园区分布能源有更短的能量输送距离，损耗更小。

2、本发明采用的能量转化、转移形式简单，技术成熟。电热环节为输入电流通过电磁激励绕组在金属储能材料及其金属壳体中感生出电流，将储能组件整体加热。因此，能量以电磁形式分散于几乎整个储能材料中，热量转移过程中分布均匀，系统中不存在过热点，且不受储能体结构热阻的影响，可实现极大功率的电热转换。由于使用金属材料作为储能体，安全系数高，报废处理成本低，再生利用率极高。

3、本发明较电锅炉蓄热系统，能量利用价值高。系统在谷时将电能转换为高品位热能储存。在峰时，可将50%左右储存的能量转换为电能供应给负荷，余热则用来供热。由于储能起到了电力负荷调峰的作用，输电线路的利用率大幅提高，损耗减小。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。