风-光-地热一体化发电和温室大棚热能供应系统及方法与流程

1.本发明涉及振动抑制及发电领域，尤其涉及风-光-地热一体化发电和温室大棚热能供应系统及方法。


背景技术：

2.随着新能源的高比例接入，传统以大火电、大水电支撑的电气系统将难以维持既有的稳定性。因此应对大比例清洁能源消纳，保证能源革命过程中的供给安全是现阶段能源领域关注的重点问题。大规模储能技术能够有效提升风光电站供给的稳定性、促进清洁能源消纳已成为行业共识。但目前尚未有一种储能形式能够完美兼具储能规模、充放电速度和经济性等需求。如何在电源侧实现电网友好，短期来看需利用综合能源思想做到灵活运用复合储能技术，并利用电源本身的互补性做到因地制宜。
3.由于地热能本身就是清洁的、可再生的、电网友好的能源形式，且地热能本身也兼具兼容性强的特质，对地热能的开发利用绝不仅仅是建设单一的地热发电项目。在我国部分地区存在优质的地热能资源，随着国家对可再生电力需求的稳定提高，可以预见地热发电也将在我国蓬勃发展。目前对地热开发利用最为成熟和经济的是中温水热型地热系统，该类地热资源的开发主要通过闪蒸循环和有机朗肯循环进行直接或间接发电。闪蒸循环发电主要利用水作为循环工质，但水蒸气循环在中低温段效能不高；有机朗肯循环发电，主要利用水作为中间载热介质，将热量传递给有机工质进行膨胀做功，该技术路线存在多级换热形成的
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损失，换热器垢阻严重等问题。此外，干热岩在地下一般储藏较深，开发难度和经济性相对低且发展相对滞后。在干热岩型地热开发中，常通过对热储层的压裂改造，采用水进行取热，存在水耗大，高温水反应等一系列问题。cn 106091452 a公开了一种地热光伏互补型电站，但该技术路线属于常规的稳定电源与新能源电站的互补形式，并未利用热动力系统的兼容性与可压缩动力系统的储能特性，因而未能充分发挥出地热电站的潜力。
4.二氧化碳直膨式地热发电系统是现阶段地热发电利用的前沿技术手段，该技术路线采用二氧化碳作为提热、载热和循环介质减少了中间环节，且超临界状态二氧化碳流动性强，减少了循环损失。此外，二氧化碳可以与储层边界进行反应、进行自密封，实现了二氧化碳储存与利用的自适应。但目前的相关利用方式较少，专利cn 204532450 u的二氧化碳利用方式仍是将其作为中间换热介质。专利cn 109185083 a和专利109083706 a，分别介绍了两个基于干热岩的超临界二氧化碳发电系统，但上述系统仍是以简单利用为主，未能将地热能资源的综合发电效益实现最大化。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术中的不足，本发明目的是提供风-光-地热一体化发电和温室大棚热能供应系统及方法，本电站利用天然地热储层空间和加装的二氧化碳储罐，将传统二氧化碳热动力循环进行解耦，可以使压缩过程和膨胀过程相互独立，实现了地热电站调节灵活性的极大提升。此外，该电站将风电、光伏等新能源与地热发电、光热发电进行优化配
置，并利用综合能源思想将整个系统进行有机整合，充分发挥地热资源的兼容性，极大的提高了清洁能源的电网友好性。
6.为了解决上述技术问题，本发明提出以下技术方案：风-光-地热一体化发电和温室大棚热能供应系统，它包括开式二氧化碳布雷顿循环发电系统，所述开式二氧化碳布雷顿循环发电系统与地热储系统和二氧化碳储罐相连；所述开式二氧化碳布雷顿循环发电系统与双罐储热系统相连；所述双罐储热系统与太阳能光热系统和温室大棚热能供应系统相连；还包括光伏系统和风电系统。
7.所述开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属压缩系统所连电动机接收来自光伏系统和风电系统的弃电，并将二氧化碳储罐中储藏的二氧化碳压缩至地热储系统；来自地热储系统的中高压超临界二氧化碳，通过双罐储热系统进行温度的再提升，并通过开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属膨胀系统及配套电机，将所储存的压力能转换为电能。
8.所述双罐储热系统中储存的热量通过温室大棚热能供应系统对温室大棚供暖。
9.所述地热储系统中二氧化碳储藏深度在1000-10000m，二氧化碳储藏压力在10-30mpa，加热温度在150-600℃。
10.地热储系统的热储层类型分为水热型热储层和干热岩型热储层；所述水热型热储层利用地下储层空间和相关裂隙组成的水利系统作为相应的储气空间；所述干热岩型热储层利用干热岩压裂间隙或羽流型地热系统作为相应储气空间。
11.所述二氧化碳储罐的存储压力为二氧化碳布雷顿循环发电系统的最低运行压力，保证二氧化碳储罐的运行压力大于10mpa。
12.所述太阳能光热系统根据需求采用塔式光热集热或槽式光热集热；相应的双罐储热系统根据系统运行温度段选用液态金属、熔融盐或导热油，双罐储热系统中两个储热罐分别存储高温和低温介质且互为备用；双罐储热系统配置电加热实现对光伏系统和风电系统电源出力的一次调频；光伏系统和风电系统根据负荷特征及地热电站的最大出力水平进行配备，形成白天光伏风电出力为主，夜间风电与地热为主的发电形式。
13.风-光-地热一体化发电和温室大棚热能供应系统的运行方法：系统通过二氧化碳循环实现系统储能和发电的调节：开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳压缩系统出口与地热储系统入口相连接，地热储系统出口与开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳膨胀系统入口相连接，开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳膨胀系统出口与二氧化碳储罐入口相连接，二氧化碳储罐出口与开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳压缩系统入口相连接完成二氧化碳循环；系统接入电源包括光伏系统、风电系统及开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳膨胀系统；系统接入负载有二氧化碳布雷顿循环发电系统所属压缩系统及带电加热的双罐储热系统，以实现富余电能的存储和消纳；系统配置有一套辅助热源系统，所述辅助热源系统核心为双罐储热系统，双罐储热系统内部所储存热能来源于太阳能光热系统、开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳压缩系统压缩热回收以及电站无法送出的电能；在冬季，双罐储热系统中储存的热量除了对二氧化碳进行加热外，还作为热源通过温室大棚热能供应系统对大棚进行供暖。
14.根据实际的电力需求，系统能够调整运营模式实现不同功能：运营模式一，日间调峰：
日间电网要求电站出力最大化或者区域内负荷达到尖峰时，二氧化碳循环灵活调度运行，此时，开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳膨胀系统开启，地热储系统中的二氧化碳吸收双罐储热系统中的热量进行温度提升以推动膨胀系统发电；此时，光伏系统和风电系统亦同时出力；在此阶段通过调节开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳压缩系统的开启和变频，以及开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳膨胀系统的变工况输出，实现电力系统调峰需求；必要时开启双罐储热系统中的电加热实现频率型不稳定电力的消纳；运营模式二，夜间调峰：夜间光伏出力停止，电网需求和区域内负荷处在较低状态，二氧化碳循环配合风电系统灵活调度运行，此时，开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳膨胀系统开启，地热储系统中的二氧化碳吸收双罐储热系统中的热量进行温度提升以推动膨胀系统发电；在此阶段通过调节开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳压缩系统的开启和变频，以及开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳膨胀系统系统的变工况输出，实现电力系统调峰需求；必要时开启双罐储热系统中的电加热实现频率型不稳定电力的消纳；运营模式三，可再生能源消纳：日间光伏系统和风电系统出力与电网需求或者区域负荷有较高稳定余量时，二氧化碳循环以储能为主要目标，此时，开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳膨胀系统关闭，此时光伏系统和风电系统出力为主，多余的部分通过开式二氧化碳布雷顿循环发电系统所属二氧化碳压缩系统的开启和变频来实现电力系统调峰需求；必要时开启双罐储热系统中的电加热实现频率型不稳定电力的消纳。
15.系统发电过程中会排出大量余热，当系统部署位置附近有热负载时，系统余热通过输配参与采暖，辐射半径小于60公里；当系统部署位置附近无热负载时，通过建设无人值守、无土种植的工厂用于热量的消纳。
16.本发明有如下有益效果：1、由于中高温地热资源十分宝贵，若采用单一地热发电的形式可产生较高的经济效益，但随着碳中和、碳达峰目标的提出，地热的简单发电利用难以在装机容量上实现质的突破。本发明通过充分利用地热资源的热惰性和储能潜力，通过与风电光伏资源的配合压缩了一定的地热发电时长但极大实现了地热储能的风光地热储一体化电站装机容量的最大化，综合经济、社会效益的最大化。
17.2、不同于传统地热发电系统，本发电系统利用天然地热储层空间和加装的二氧化碳储罐，将传统二氧化碳热动力循环进行解耦，可以使压缩过程和膨胀过程相互独立，实现了地热电站调节灵活性的极大提升。
18.3、本发电系统利用地热系统作为基础热源，将光热、电加热和回收的压缩热作为补充热源，从而进一步提升发电参数，实现系统循环效率的极大提升。该系统不仅提供了碳减排的供能方式，还提供了碳利用、碳封存的有效途径。
19.4、本系统首先将传统电站的热储层功能由单一的热源功能扩展为压缩气体储能和加热两个功能，极大的利用地热资源的热惰性和储能潜力，与风电光伏联合开发，在实现电网友好的同时最大程度上扩展了清洁可再生能源的系统装机。
20.5、本系统利用天然地热储系统的压缩储气能力并加装二氧化碳储罐，将传统的地热连续循环发电系统进行了解耦，实现了压缩过程和膨胀过程独立运行，使地热电站在传统连续发电功能的基础上增加了储能供能。
21.6、本系统通过在传统的地热电站以地热储层为单一热源基础上，通过光热、电加热和回收压缩热对工质参数进行进一步提升，极大的提高了地热电站的循环发电效率。
22.7、本系统针对基于压缩二氧化碳储能的风-光-地热一体化电站，提出了三种运营模式，日间电网要求电站最大出力或者区域负荷侧需求尖峰时，二氧化碳循环配合风电光伏灵活调度运行。日间光伏系统和风电系统出力与电网需求或者区域负荷有较高稳定余量时，二氧化碳循环以储能为主要目标。夜间光伏出力停止，电网需求和区域负荷侧需求处在最低状态，二氧化碳循环配合风电系统灵活调度运行。
附图说明
23.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
24.图1为本发明系统结构图。
25.图2为本发明系统运行逻辑示意图。
26.图中：1、开式二氧化碳布雷顿循环发电系统，2、地热储系统，3、二氧化碳储罐，4、太阳能光热系统，5、双罐储热系统，6、光伏系统，7、风电系统，8、温室大棚热能供应系统。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
28.实施例1：参见图1，风-光-地热一体化发电和温室大棚热能供应系统，它包括开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1，所述开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1与地热储系统2和二氧化碳储罐3相连；所述开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1与双罐储热系统5相连；所述双罐储热系统5与太阳能光热系统4和温室大棚热能供应系统8相连；还包括光伏系统6和风电系统7。通过采用上述的系统，其能够利用天然地热储层空间和加装的二氧化碳储罐，将传统二氧化碳热动力循环进行解耦，可以使压缩过程和膨胀过程相互独立，实现了地热电站调节灵活性的极大提升；此外通过将风电、光伏等新能源与地热发电、光热发电进行优化配置，并利用综合能源思想将整个系统进行有机整合，充分发挥地热资源的兼容性，极大的提高了清洁能源的电网友好性。
29.进一步的，所述开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属压缩系统所连电动机接收来自光伏系统6和风电系统7的弃电，并将二氧化碳储罐3中储藏的二氧化碳压缩至地热储系统2；来自地热储系统2的中高压超临界二氧化碳，通过双罐储热系统5进行温度的再提升，并通过开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属膨胀系统及配套电机，将所储存的压力能转换为电能。通过开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1上述两个功能的配合使用，可对光伏系统6和风电系统7的电源出力实现二次调频。
30.进一步的，所述双罐储热系统5中储存的热量通过温室大棚热能供应系统8对温室大棚供暖。起到了热能再利用的效果。
31.进一步的，所述地热储系统2中二氧化碳储藏深度在1000-10000m，二氧化碳储藏
压力在10-30mpa，加热温度在150-600℃。
32.进一步的，地热储系统2的热储层类型分为水热型热储层和干热岩型热储层；所述水热型热储层利用地下储层空间和相关裂隙组成的水利系统作为相应的储气空间；所述干热岩型热储层利用干热岩压裂间隙或羽流型地热系统作为相应储气空间。
33.进一步的，所述二氧化碳储罐3的存储压力为二氧化碳布雷顿循环发电系统1的最低运行压力，考虑到二氧化碳流经地热储系统2时可能会有水蒸汽的掺入，保证二氧化碳储罐3的运行压力大于10mpa。当可确保系统可不考虑含水的情形时可适当降低其运行压力。
34.进一步的，所述太阳能光热系统4根据需求采用塔式光热集热或槽式光热集热；相应的双罐储热系统5根据系统运行温度段选用液态金属、熔融盐或导热油，双罐储热系统5中两个储热罐分别存储高温和低温介质且互为备用；双罐储热系统5配置电加热实现对光伏系统6和风电系统7电源出力的一次调频；光伏系统6和风电系统7根据负荷特征及地热电站的最大出力水平进行配备，形成白天光伏风电出力为主，夜间风电与地热为主的发电形式。
35.实施例2：参见图2，风-光-地热一体化发电和温室大棚热能供应系统的运行方法：系统通过二氧化碳循环实现系统储能和发电的调节：开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳压缩系统出口与地热储系统2入口相连接，地热储系统2出口与开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳膨胀系统入口相连接，开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳膨胀系统出口与二氧化碳储罐3入口相连接，二氧化碳储罐3出口与开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳压缩系统入口相连接完成二氧化碳循环；系统接入电源包括光伏系统6、风电系统7及开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳膨胀系统；系统接入负载有二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属压缩系统及带电加热的双罐储热系统5，以实现富余电能的存储和消纳；系统配置有一套辅助热源系统，所述辅助热源系统核心为双罐储热系统5，双罐储热系统5内部所储存热能来源于太阳能光热系统4、开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳压缩系统压缩热回收以及电站无法送出的电能；在冬季，双罐储热系统5中储存的热量除了对二氧化碳进行加热外，还作为热源通过温室大棚热能供应系统8对大棚进行供暖。
36.实施例3：根据实际的电力需求，系统能够调整运营模式实现不同功能：运营模式一，日间调峰：日间电网要求电站出力最大化或者区域内负荷达到尖峰时，二氧化碳循环灵活调度运行，此时，开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳膨胀系统开启，地热储系统2中的二氧化碳吸收双罐储热系统5中的热量进行温度提升以推动膨胀系统发电；此时，光伏系统6和风电系统7亦同时出力；在此阶段通过调节开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳压缩系统的开启和变频，以及开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳膨胀系统的变工况输出，实现电力系统调峰需求；必要时开启双罐储热系统5中的电加热实现频率型不稳定电力的消纳；
运营模式二，夜间调峰：夜间光伏出力停止，电网需求和区域内负荷处在较低状态，二氧化碳循环配合风电系统7灵活调度运行，此时，开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳膨胀系统开启，地热储系统2中的二氧化碳吸收双罐储热系统5中的热量进行温度提升以推动膨胀系统发电；在此阶段通过调节开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳压缩系统的开启和变频，以及开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳膨胀系统系统的变工况输出，实现电力系统调峰需求；必要时开启双罐储热系统5中的电加热实现频率型不稳定电力的消纳；运营模式三，可再生能源消纳：日间光伏系统6和风电系统7出力与电网需求或者区域负荷有较高稳定余量时，二氧化碳循环以储能为主要目标，此时，开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳膨胀系统关闭，此时光伏系统6和风电系统7出力为主，多余的部分通过开式二氧化碳布雷顿循环发电系统1所属二氧化碳压缩系统的开启和变频来实现电力系统调峰需求；必要时开启双罐储热系统5中的电加热实现频率型不稳定电力的消纳。
37.系统发电过程中会排出大量余热，当系统部署位置附近有热负载时，系统余热通过输配参与采暖，辐射半径小于60公里；当系统部署位置附近无热负载时，通过建设无人值守、无土种植的工厂用于热量的消纳。