CN119617701A - 一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及于复合储能技术领域，具体涉及一种中深层地热‑光伏光热耦合跨季节复合储能系统及方法；包括相连的储能系统以及循环系统；所述储能系统包括光伏光热板以及中深层地源，其中光伏光热板与中深层地源之间通过光伏换热管道相连。本发明中的光伏光热板能将未被利用的热能通过光伏换热管道输送至中深层地源中，利用岩土层可承载间歇热量输入的特性来缓解光伏光热板的发热问题，并且导入中深层地源的热能可以缓解岩土体长期取热导致的热衰减、提高中深层地热能利用效率。

Description

一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统及方法

技术领域

本发明涉及于复合储能技术领域，具体涉及一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统及方法。

背景技术

燃气冷热电三联供系统作为当前综合能源系统中广泛应用的一种，凭借利用天然气等碳基一次能源通过燃气轮机将天然气转化为电能，利用发电过程中产生的余热资源，进一步提供热及制冷，实现了能源的多级利用和高效转换，但是由于我国天然气消费市场的季节性峰谷差异显著，由于冬季供暖需求激增导致天然气需求量大幅上升，而夏季则相对减少，这种季节性波动给天然气供应带来了巨大压力，此外，我国天然气供应依赖进口对外依存度接近40%，说明国内天然气市场的稳定供应受到国外气源国供气量波动影响较大，增加了能源安全的不确定性，因此急需新的供能技术。

作为上述供能技术的替代，太阳能是一种可再生能源，其分布广泛且对环境友好，但其固有的间歇性、波动性和不可预测性特点，会导致能源系统的难以实现稳定运行，另外实际使用时，光伏光热板能量利用率较低，未被利用的能量转化为热能，对光伏板结构造成破坏，影响光电转换效率；而另一种供能技术是地热能，地热能具有供能稳定、储量大且分布广泛等特点，但使用时间较长后会存在热衰减的问题。

另外现有的储能结构或系统储存的能量，在利用时需经过各类转换装置处理，以形成可直接应用的对应能量，然而，这一转换过程不可避免地会产生能量损耗，并伴随效率降低等缺点，影响整体能源利用效率。

发明内容

针对现有技术中提到的问题，本发明提出一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统及方法，解决了背景技术中光伏光热板受热能影响发电效率降低、缓解岩土体长期取热导致的热衰减以及对应能量使用时会产生能量损耗等问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统，包括相连的储能系统以及循环系统；所述储能系统包括光伏光热板以及中深层地源，其中光伏光热板与中深层地源之间通过光伏换热管道相连；所述循环系统包括输送管道、冷热双制热泵机组、储能罐以及工质箱，所述输送管道设于中深层地源中，输送管道一端与冷热双制热泵机组相连，冷热双制热泵机组另一端分别与储能罐和工质箱相连。

作为本发明进一步改进，所述光伏光热板与光伏换热管道的输入端口相连，光伏换热管道的输出端口深入地底至中深层地源用于换热。

作为本发明进一步改进，所述输送管道的输入端口和输出端口均与冷热双制热泵机组的第一输入端口相连，其中冷热双制热泵机组的第二输入端口与工质箱相连，冷热双制热泵机组的输出端口与储能罐通过连通管道相连。

作为本发明进一步改进，所述储能罐包括储热罐和储冷罐，其中储热罐和储冷罐内的相变材料不同。

作为本发明进一步改进，所述相变材料设于蓄能棒材中，储能罐中设于多个蓄能棒材。

作为本发明进一步改进，所述连通管道上依次设有阀门与循环泵。

作为本发明进一步改进，所述输送管道为套管或是U型管。

一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统的方法，包括以下步骤：

光伏换热管道将光伏光热板上的多余热能导入中深层地源，换热工质流经设于中深层地源的输送管道输送至冷热双制热泵机组，经过冷热双制热泵机组处理后被输送至储能罐中。

作为本发明进一步改进，光伏换热管道将光伏光热板上未被利用的太阳能转化的热能导入中深层地源。

作为本发明进一步改进，冷热双制热泵机组通过输送管道将工质输送至中深层地源后返回，经过换热的工质经过冷热双制热泵机组处理，根据需要输送至储热罐或储冷罐。

本发明相对于现有技术，取得了以下的技术效果：

本发明中的光伏光热板能将未被利用的热能通过光伏换热管道输送至中深层地源中，解决了未被利用的热能可能导致光热板板面温度升高，使得板面表面造成损伤，影响光伏光热板发电效率的问题；光伏换热管将未被利用的热能导入中深层地源，利用岩土层可承载间歇热量输入的特性来缓解光伏光热板的发热问题，并且导入中深层地源的热能可以缓解岩土体长期取热导致的热衰减、提高中深层地热能利用效率。

本发明中储能罐分为储热罐和储冷罐，两种储能罐可根据需求在不同季节使用，提高了能源的灵活性和利用效率，储热罐内的相变材料在吸收热量后会发生相变，从而储存大量的热能，在冬季或需要额外热量的场合下可以直接使用，无需转换装置，可以有效地提高能源利用效率，减少对传统供暖方式的依赖；相反储冷罐则采用了能够在释放冷量时发生相变的材料，在夏季或需要降温的场合下，储冷罐可以释放出储存的冷量，无需转换装置，同样实现了能源的高效利用。

附图说明

图1为本发明中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统在第一种运行方式下运行的示意图；

图2为本发明中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统在第二种运行方式下运行的示意图；

图3为本发明中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统在第三种运行方式下运行的示意图；

图4为本发明中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统中相变材料封装、固定形式的示意图。

附图标记：1、光伏光热板；2、光伏换热管道；3、输送管道；4、冷热双制热泵机组；5、储能罐；6、工质箱；7、阀门；8、循环泵。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

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”、“顺时针”、“逆时针”、“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。

此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；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或两个元件的相互作用关系。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例1

本发明一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统，包括相连的储能系统以及循环系统；所述储能系统包括光伏光热板1以及中深层地源，其中光伏光热板1与中深层地源之间通过光伏换热管道2相连；所述循环系统包括输送管道3、冷热双制热泵机组4、储能罐5以及工质箱6，所述输送管道3设于中深层地源中，输送管道3一端与冷热双制热泵机组4相连，冷热双制热泵机组4另一端分别与储能罐5和工质箱6相连。

所述光伏光热板1与光伏换热管道2的输入端口相连，光伏换热管道2的输出端口深入地底至中深层地源用于换热。如图1所示，实施例中光伏光热板1是能够将太阳能转化为热能和电能的装置，该装置为现有常见技术，因此在此不多做阐述；由于传统光伏光热板1在运行过程中，未被利用的太阳能产生的热能会导致板面温度升高，影响光热发电效率，长久以往会对板面造成永久性结构损伤，因此本发明将光伏光热板1与光伏换热管道2相连，光伏换热管道2另一端与中深层地源相连，这样就能将未被利用的热能通过换热介质转换至中深层地源中，一方面使光伏光热板1的板面温度始终处于合适温度，防止过高的温度影响光热发电效率，另一方面可以将光伏光热板1多余的热能输送至中深层地源中，缓解热衰竭现象。

实施例中光伏换热管道2能将光伏光热板1产生的热能传输到地底的中深层地源进行换热，为了保证热传导效率和耐腐蚀性，光伏换热管道2优选由铜或铝等导热性良好的材料制成，图1中光伏换热管道2为竖直设置，确保热能的有效传输，同时，光伏换热管道2采用全封闭循环模式，换热工质从光伏光热板1吸收热量后传输到中深层地源后再循环回光伏光热板1。

本实施例的中深层地源指的是位于地下的地热水或是地层，当热能与地热水或地层进行热交换时，产生的热量会被储存起来。

如图2所示为储能系统示意图，输送管道3的输入端口和输出端口均与冷热双制热泵机组4的第一输入端口相连，其中冷热双制热泵机组4的第二输入端口与工质箱6相连，冷热双制热泵机组4的输出端口与储能罐5通过连通管道相连。实施例中输送管道3设于中深层地源中，输送管道3为循环回路设计，输送管道3内流动有循环工质，其中输入端口能将热能输送至热泵机组中处理，输出端口用于将冷热双制热泵机组4处理后的介质回注至中深层地源中，实现能量的循环利用；输送管道3优选为套管或是U型管，能更好对循环工质进行循环。

实施例中冷热双制热泵机组4能将用于将热能转换为可用的热能或冷能，冷热双制热泵机组4为现有常见技术，因此在此不多做阐述；冷热双制热泵机组4的第一输入端口用于接受来自输送管道3的热能，第二输入端口与工质箱6相连，工质箱6用于储存储能系统的循环工质，在必要时可以引入额外的循环工质补充或调节循环工质温度，本实施例的循环工质优选为水，但不仅限于此，可以根据实际需求或使用场景选择其它循环工质；输出端口能将经冷热双制热泵机组4转化过得热能或冷能输送至储能罐5储存。

所述储能罐5包括储热罐和储冷罐，其中储热罐和储冷罐内的相变材料不同。所述相变材料设于蓄能棒材中，储能罐5中设于多个蓄能棒材。如图2和图4所示，实施例中的储能罐5由两个，分别是储热罐和储冷罐，储热罐用于储存冷热双制热泵机组4输出的热能，储冷罐用于储存冷热双制热泵机组4输出的冷能。

图4中上图为储能罐剖面图，下图为储能罐俯视图，本实施例以储热罐为例，储热罐中设有多个蓄能棒材，相变材料作为蓄能棒材的填充材料，实施例中蓄能棒材内部与相变材料接触部分材质采用了不与相变材料反应的材质，以确保系统的稳定性和安全性，而外部则采用了不锈钢材料，该材料具有良好的耐腐蚀性和导热性，能够满足长期使用的需求；另外蓄能棒材能够与储能罐5的顶部和底部相接，从而形成一个完整的导热路径，有助于将相变材料中的热量高效地传递，实现能量的储存和释放。

所述连通管道上依次设有阀门7与循环泵8。如图2或图3所示，连通管道为循环回路设计，连通管道中其中一条回路靠近冷热双制热泵机组4一端设有阀门7，另一端设有循环泵8。

设置的阀门7用于可以控制循环工质的流动，实现对储能系统的启动、停止或切换操作，实施例中阀门7优选为电磁阀或是气动阀；循环泵8用于提供动力，使循环工质能够克服管道阻力，持续地在连通管道中流动。

本发明方法共有三种不同的运行方式，本实施例的运行方式具体是光伏换热管道2将光伏光热板1上的多余热能导入中深层地源，循环工质流经设于中深层地源的输送管道3输送至冷热双制热泵机组4，经过冷热双制热泵机组4处理后被输送至储能罐5中。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，本实施例提供另一种运行方式，本实施例的运行方式具体是，光伏换热管道2将光伏光热板1上未被利用的太阳能转化的热能导入中深层地源。其中岩土层可承载间歇热量输入的特性来缓解光伏光热板1的发热问题，并且导入中深层地源的热能可以缓解岩土体长期取热导致的热衰减、提高中深层地热能利用效率。

实施例3

本实施例与实施例1、实施例2基本相同，不同之处在于，本实施例提供另一种运行方式，本实施例的运行方式具体是，冷热双制热泵机组4通过输送管道3将循环工质输送至中深层地源后返回，经过换热的循环工质经过冷热双制热泵机组4处理，根据需要输送至储热罐或储冷罐。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，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，能够以其他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。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统，其特征在于，包括相连的储能系统以及循环系统；

所述储能系统包括光伏光热板以及中深层地源，其中光伏光热板与中深层地源之间通过光伏换热管道相连；

所述循环系统包括输送管道、冷热双制热泵机组、储能罐以及工质箱，所述输送管道设于中深层地源中，输送管道一端与冷热双制热泵机组相连，冷热双制热泵机组另一端分别与储能罐和工质箱相连。

2.根据权利要求1所述一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统，其特征在于，所述光伏光热板与光伏换热管道的输入端口相连，光伏换热管道的输出端口深入地底至中深层地源用于换热。

3.根据权利要求1所述一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统，其特征在于，所述输送管道的输入端口和输出端口均与冷热双制热泵机组的第一输入端口相连，其中冷热双制热泵机组的第二输入端口与工质箱相连，冷热双制热泵机组的输出端口与储能罐通过连通管道相连。

4.根据权利要求3所述一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统，其特征在于，所述储能罐包括储热罐和储冷罐，其中储热罐和储冷罐内的相变材料不同。

5.根据权利要求4所述一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统，其特征在于，所述相变材料设于蓄能棒材中，储能罐中设于多个蓄能棒材。

6.根据权利要求3所述一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统，其特征在于，所述连通管道上依次设有阀门与循环泵。

7.根据权利要求3所述一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统，其特征在于，所述输送管道为套管或是U型管。

8.根据权利要求1～7任一项所述一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：

光伏换热管道将光伏光热板上的多余热能导入中深层地源，换热工质流经设于中深层地源的输送管道输送至冷热双制热泵机组，经过冷热双制热泵机组处理后被输送至储能罐中。

9.根据权利要求8所述所述一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统的方法，其特征在于，光伏换热管道将光伏光热板上未被利用的太阳能转化的热能导入中深层地源。

10.根据权利要求8所述所述一种中深层地热-光伏光热耦合跨季节复合储能系统的方法，其特征在于，冷热双制热泵机组通过输送管道将工质输送至中深层地源后返回，经过换热的工质经过冷热双制热泵机组处理，根据需要输送至储热罐或储冷罐。