能源消纳系统及其运行方法与流程

本发明涉及能源再利用技术领域，特别涉及一种能源消纳系统及其运行方法。

背景技术：

随着生产技术的发展和人们生活水平的提高，人们对能源的需求不断提升，但传统能源带来的环境问题也日趋严重。为减轻传统能源造成的环境压力，近年来我国的用电结构不断优化，可再生能源占比显著提升。

随着风电、光伏等对电力系统的渗透率不断提高，出现了因风电和光伏电力发电量过剩造成的消纳困难的问题，主要原因一方面在于能源消纳系统的调峰能力不足。风电和太阳能发电对气候依赖性较强，气候适宜时产电量远大于气候不适宜时的产电量，不稳定性强，若以产电量较低时作为产电量标准，则存在过多过剩电量，因此气候的时变性(随时间变化的特性)至少部分地导致了风电、光伏发电量的消纳困难。

现阶段风力发电、光伏发电还受到储电装备技术的制约，通常只能满足负荷实时平衡、即发即用，因此风电、光伏的利用率整体较低。

另一方面，在现有的储热供暖技术中，燃煤供暖是最常见的供暖形式，却是造成空气质量严重污染的主要原因之一。此外，其储热装置多采用集热水箱，其储热温度较低、热容受限于水的比热容，输出热能形式单一，且装置体积占地面积较大。

因此，亟需提供一种能源消纳系统，能够适配于过剩能源的时变性，提高对于过剩能源发电量的利用率，并且产生相对稳定的热能输出。

技术实现要素：

为克服现有技术中所存在的上述不足，本发明提供了一种能源消纳系统，能够兼顾供热的稳定性和过剩能源的时变性，提高对于过剩能源发电量的利用率。

本发明提供的能源消纳系统，包括：热化学储热装置，内部设有电加热器，能够存储电加热器产生的热能；电加热控制器，与电加热器电连接，电加热控制器能够在第一规定时间段内，利用由过剩能源转化的电能，为电加热器供能。

通过采用上述技术方案，由于电加热控制器与设置于热化学储热装置内部的电加热器电连接，且电加热控制器能够在第一规定时间段内，利用由过剩能源转化的电能，为电加热器供能，即该能源消纳系统可以将过剩能源在例如白天或者高峰时段产生的废弃电力转化为热化学储热装置的化学能予以储存，由热化学储热装置存储的能量可以根据需要合理取用，避免实时平衡、即发即用带来的能源浪费。另外，热化学储热装置利用化学反应存储热量，热化学反应的反应温度通常稳定在一定范围内，其供热输出也相对稳定，从而可以兼顾供热的稳定性。综上所述，该能源消纳系统能够兼顾供热的稳定性和过剩能源的时变性，提高对于过剩能源发电量的利用率。

本发明的一个技术方案，进一步设置为，电加热控制器能够在第二规定时间段内，利用市电为电加热器供能。

通过采用上述技术方案，由于电加热控制器能够在第二规定时间段内，利用市电为电加热器供能，例如可以在电网整体负载减少时利用谷电为电加热器供能，提高资源配置的合理性，提高发电量，特别是谷电的利用率。另外，利用市电为电加热器供能还可以与弃风、弃光的利用时间协调，弥补风电、光伏发电量不足时，供热的稳定性问题，增强了电力的消纳能力。

本发明的一个技术方案，进一步设置为，热化学储热装置还包括：至少一个第一罐体，至少一个电加热器设置在第一罐体内壁；第一进气口，设置于第一罐体顶部；第一出气口，设置于第一罐体底部；多个第一储热单元，分布在第一罐体内部，第一储热单元由热化学储热介质构成。

通过采用上述技术方案，由于热气体密度小于常温气体，电加热器设置于第一罐体内壁，因而电加热器向第一罐体内部放热，受浮力影响被加热的气体易向上流动，热气体由上自下逐渐均匀充满第一罐体后，由于第一进气口设置在罐体顶部，第一出气口设置于第一罐体底部，被加热的气体从第一出气口排出，因此被加热的气体充分与第一储热单元接触。由于第一储热单元由热化学储热介质构成，因此第一储热单元吸收热气体携带的热量并能够将电能转化为化学能储存于自身。而且，一个以上的第一罐体并联的结构，相较于仅有一个第一罐体，能够提升热化学储热装置的容量。

本发明的一个技术方案，进一步设置为，经由第一进气口流入第一罐体的介质为空气，热化学储热介质为金属氧化物。

采用金属氧化物作为热化学储热介质，空气既作为储/放热过程的反应物，又是传热介质，与其他储热系统相比，更为安全可控，减少了与储热系统换热产生的热量损失，具有更高的储热效率，并且金属氧化物氧化还原反应有着较好的循环稳定性，多次循环后仍能保持较好的反应动力学特性和结构稳定性，在初始投入使用后能够保持长时间稳定运行。

本发明的一个技术方案，进一步设置为，能源消纳系统还包括：温度稳定装置，连接于热化学储热装置的出口，温度稳定装置内设置有辅助电加热器，辅助电加热器与电加热控制器电连接。

通过采用上述技术方案，由于温度稳定装置连接于热化学储热装置的出口，且设置于温度稳定装置内的辅助电加热器与电加热控制器电连接，因此辅助电加热器与热化学储热装置共用电加热控制器，电加热控制器能够统一调配热化学储热装置和温度稳定装置的输出，使得出口的空气温度更加稳定。

本发明的一个技术方案，进一步设置为，温度稳定装置还包括：第二罐体，辅助电加热器设置于第二罐体的内壁；第二进气口，设置于第二罐体顶部；第二出气口，设置于第二罐状底部；多个第二储热单元，分布在第二罐体内部，第二储热单元由显热储热介质、潜热储热介质、热化学储热介质中的一种或多种构成。

通过采用上述技术方案，由于第二进气口设置在稳定温度装置的第二罐体顶部，第二出气口设置于第二罐体底部，又因为温度稳定装置连接于热化学储热装置的出口，因此经由第一罐体的第一出气口流入第二进气口的热空气由上自下逐渐均匀充满第二罐体后，热空气充分与第二储热单元接触。显热储热介质作为第二储热单元的本体材料，控温性能好，显热储能是靠储热介质的温度升高储存热量，温度降低释放能量，从而方便通过调节显热储热介质的温度控制流出稳定温度装置的热空气的温度。潜热储热介质作为第二储热单元的本体材料，潜热储能利用潜热储热介质在相变时吸热或释热来储能或释能。热化学储热介质作为第二储热单元的本体材料，第二储热单元吸收热气体携带的热量并能够将电能转化为化学能储存于自身。

本发明的一个技术方案，进一步设置为，还包括：第一引风机，用于接收来自温度稳定装置的第一温度的空气，并向其中掺入比第一温度低的空气，形成第二温度的空气；负载，由第二温度的空气供能。

通过采用上述技术方案，由于第一引风机接收来自温度稳定装置的第一温度的空气并向处于温度稳定装置下游的能源消纳系统掺入比第一温度低的空气，形成第二温度的空气，又因为负载由第二温度的空气供能，因此通过控制第一引风机的进风量，调节进入管路的第二温度的空气与管路中的第一温度的空气的混合比例，进而调节供能温度，混合空气在管路内经过充分换热后达到设定温度用以对负载供能。通过以上方式，高温空气可根据需求不同梯级使用。

本发明提供的能源消纳的运行方法，包括以下步骤：在第一规定时间段内，利用由过剩能源转化的电能，为电加热器供能；利用热化学储热装置，存储电加热器产生的热能。

本发明的一个技术方案，进一步设置为，还包括以下步骤：在第二规定时间段内，利用市电为电加热器供能。

附图说明

图1是本发明的能源消纳系统的结构示意图；

图2是本发明的能源消纳系统的热化学储热装置的结构示意图；

图3是本发明的能源消纳系统的第一储热单元的结构示意图；

图4是本发明的能源消纳系统的第一储热单元的剖面图。

附图标记说明

1-第二引风机；2-第一调节阀；3-热化学储热装置；31-第一罐体；32-第一进气口；33-第一出气口；4-电加热控制器；5-电加热器；6-第一储热单元；61-热化学储热介质；7-第二调节阀；8-第三调节阀；9-第四调节阀；10-气-水换热器；11-发电机；12-用电设备；13-第一引风机；14-空气加热装置；15-软化水装置；16-水箱；17-补水泵；18-循环水泵；19-用户供暖设施；20-辅助电加热器；21-温度稳定装置；211-第二罐体；212-第二进气口；213-第二出气口；22-第二储热单元；221-显热储热介质。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明专利申请作进一步的说明，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明专利申请，但并不作为对本发明专利申请限制的依据。

如图1所示，本发明提供了一种能源消纳系统，包括内部设有电加热器5并且能够存储电加热器5产生的热能的热化学储热装置3；与电加热器5电连接的电加热控制器4，能够在第一规定时间段内，利用由过剩能源转化的电能，为电加热器5供能。

其中，第一规定时间段为过剩能源在例如白天或者高峰时段产生废弃电力的时间段。

其中，过剩能源为能源供给大于用户对能源需求，产生的未被利用的能源。能源消纳系统可以将过剩能源在例如白天或者高峰时段产生的废弃电力转化为热化学储热装置3的化学能予以储存，由热化学储热装置3存储的能量可以根据需要合理取用，避免实时平衡、即发即用带来的能源浪费。另外，热化学储热装置3利用化学反应存储热量，热化学反应的反应温度通常稳定在一定范围内，其供热输出也相对稳定，从而可以兼顾供热的稳定性。

综上所述，该能源消纳系统能够兼顾供热的稳定性和过剩能源时变性，提高对于过剩能源发电量的利用率。

本发明中，以过剩能源为弃风、弃光为例进行说明。

进一步地，电加热控制器4能够在第二规定时间段内，利用市电为电加热器5供能。

其中，第二规定时间段为电网整体负载减少的时间段。电加热控制器4能够在第二规定时间段内，利用市电为电加热器5供能，例如可以在电网整体负载减少时利用谷电为电加热器5供能，提高资源配置的合理性，提高发电量，特别是谷电的利用率。另外，利用市电为电加热器5供能还可以与弃风、弃光的利用时间协调，弥补风电、光伏发电量不足时，供热的稳定性问题，增强了电力的消纳能力。

进一步地，热化学储热装置3还包括：内壁设置有电加热器5的第一罐体31，设置于第一罐体31顶部的第一进气口32，设置于第一罐体31底部的第一出气口33，分布在第一罐体31内部且由热化学储热介质61构成的多个第一储热单元6。

其中，优选地，经由第一进气口32流入第一罐体31的介质为空气，热化学储热介质61为金属氧化物。

由于热空气密度小于常温空气，电加热器5设置于第一罐体31内壁，因而电加热器5向第一罐体31内部放热，受浮力影响被加热的空气易向上流动，热空气由上自下逐渐均匀充满第一罐体31后，由于第一进气口32设置在罐体顶部，第一出气口33设置于第一罐体31底部，被加热的空气从第一出气口33排出，因此被加热的空气充分与第一储热单元6接触。

当第一罐体31为多个并联时，相较于仅有一个第一罐体31的情况，提升了热化学储热装置3的容量。

由于第一储热单元6由热化学储热介质61构成，因此第一储热单元6吸收热空气携带的热量并能够将热能转化为化学能储存于自身。

采用金属氧化物作为热化学储热介质61，空气既作为储/放热过程的反应物，又是传热介质，与其他储热系统相比，更为安全可控，减少了与储热系统换热产生的热量损失，具有更高的储热效率，并且金属氧化物氧化还原反应有着较好的循环稳定性，多次循环后仍能保持较好的反应动力学特性和结构稳定性，在初始投入使用后能够保持长时间稳定运行。

其中，热化学储热介质61为铜氧化物、钴氧化物、锰氧化物、钡氧化物、铁氧化物、钙钛矿结构金属氧化物中任意一种或者多种的组合。

进一步地，能源消纳系统还包括：连接于热化学储热装置3的出口的温度稳定装置21，其内设置有与电加热控制器4电连接的辅助电加热器20。

辅助电加热器20与热化学储热装置3共用电加热控制器4，电加热控制器4能够统一调配热化学储热装置3和温度稳定装置21的输出，使得温度稳定装置21的出口的空气温度更加稳定。

其中，温度稳定装置21还包括：内壁设置有辅助电加热器20的第二罐体211，设置于第二罐体211顶部的第二进气口212，设置于第二罐体211底部的第二出气口213，分布在第二罐体211内部且由显热储热介质221构成的多个第二储热单元22。

经由第一罐体31底部的第一出气口33流入第二罐体211顶部的第二进气口212的热空气由上自下逐渐均匀充满第二罐体211后，热空气充分与第二储热单元22接触。

第二储热单元22由显热储热介质221、潜热储热介质、热化学储热介质61中的一种或多种构成。其中，显热储热介质221为由堇青石或莫来石制成的多孔陶瓷。当被加热的空气通过热化学储热装置3进入稳定温度装置21后，空气温度超过阈值时，稳定温度装置21吸热，空气温度低于时阈值时，稳定温度装置21放热，使经过吸热稳定温度装置21的第二出气口213的空气温度保持在一定阈值范围内。使得温度稳定装置21的第二出气口213的空气温度更加稳定，使该能源消纳系统的热利用更加稳定。

显热储热介质221作为第二储热单元22的本体材料，控温性能好，显热储能是靠储热介质的温度升高储存热量，温度降低释放能量，从而方便通过调节显热储热介质221的温度控制流出稳定温度装置的热空气的温度。

潜热储热介质作为第二储热单元22的本体材料，控温性能好。潜热储能利用材料在相变时吸热或释热来储能或释能，相较于显热储能，潜热储能材料有两方面优点:一方面，其能量密度较高、所用装置简单、体积小、设计灵活、使用方便且易于管理；另一方面，潜热储能材料在相变储能过程中，材料近似恒温，便于以此来保持系统温度的稳定性。

优选地，能源消纳系统还包括：第一引风机13和负载。

其中，第一引风机13用于接收来自温度稳定装置21的第一温度的空气，并向其中掺入比第一温度低的空气，形成第二温度的空气。

负载由第二温度的空气供能。

通过控制第一引风机13的进风量，调节进入管路的第二温度的空气与管路中的第一温度的空气的混合比例，进而调节供能温度，混合空气在管路内经过充分换热后达到设定温度用以对负载供能。

通过以上方式，高温空气可根据需求不同梯级使用。

本发明中，以负载为空气加热装置14和气-水换热器10为例对本发明进行说明。

与上述能源消纳系统对应的，本发明提供一种能源消纳的运行方法，包括以下步骤：

在第一规定时间段内，利用由过剩能源转化的电能，为电加热器5供能；

利用热化学储热装置3，存储电加热器5产生的热能。

进一步地，还包括以下步骤：

在第二规定时间段内，利用市电为电加热器5供能。

沿热化学储热装置3高度方向设有多个储热层，每个储热层均布多个第一储热单元6，第一储热单元6的构成材料为外表面设有热化学涂层的热化学储热介质61。

热化学储热装置3的第一罐体31采用三层保温设计，最外层和最内层为金属层，中间层填充耐高温保温材料，第一罐体31的结构能够保持其内部的热量集中、减少热量散失。

第一储热单元6逐层均布，第一储热单元6的本体为利用热化学储热介质61压制成型的无序孔多孔结构，多孔结构增大了第一储热单元6与空气的反应面积。

第一储热单元6沿垂向均布多个通孔，保证了气流通畅，可使化学反应充分，提高了热化学储热介质61的利用率和储能效率，减少了热能损失。

第一储热单元6制作时，能够采用特质的模具将热化学储热介质61制成需要的形状，如蜂窝多孔结构等。

此外，第一储热单元6还可以采用海绵状结构。即通过加入发泡剂，再将热化学储热介质61与发泡剂混合均匀，定型后再加以烧制而成。而在众多的多孔结构中,无序孔多孔结构的制备工艺相较其他多孔结构更为简单，成本更低。

热化学储热介质61为吸脱附氧气反应的介质。

例如，当热化学储热介质61为铜氧化物、锰氧化物、钴氧化物、钡氧化物、铁氧化物、钙钛矿结构金属氧化物中任意一种或者多种的组合时，热化学储热介质61的储热、放热化学反应方程式为：

热化学储能过程可以分为3个步骤：储热过程、储存过程和热释放过程。热化学储能具有较大的储能密度和更广的储能温度范围，且能量损失小，可实现能量的季节性存储而不需要特殊的绝热措施。因此，热化学储能是当前最具潜力的热能储存方式。

在本实施方式中，通过选择上述一种或者多种金属氧化物作为热化学储热介质61，并通过不同反应温度的金属氧化物的配合工作。由于上述一种或者多种热化学反应的反应温度稳定在一定范围内，其供热输出也相对稳定，可以在充分利用化学能储热的同时，实现对化学储热装置3所供应的空气的温度的精确控制。

实施方式一

一种能源消纳系统，包括：第二引风机1、热化学储热装置3和气-水换热器10。

气-水换热器10具有气循环管路和水循环管路。

气循环管路与热化学储热装置3构成回路。水循环管路由循环水泵18驱动，与用户供暖设施19构成回路，为水循环管路供水的支路由依次串联的软化水装置15、水箱16、补水泵17组成。自来水经过软化水装置15进入水箱16，在补水泵17的作用下进入气-水换热器10与热空气换热，被加热至供暖温度后，进入用户供暖设施19供居民采暖，冷回水经过循环水泵18与补水泵17补入的水共同进入气-水换热器10循环使用。

其中，热化学储热装置3的第一进气口32与气-水换热器10的出气口之间通过第一调节阀2作为三向阀与第二引风机1相连。

市电与弃风、弃光对电加热控制器4供能的利用时间协调良好时，电加热控制器4对热化学储热装置3供能充足，热化学储热装置3保持被加热状态，热化学储热装置3内部的多个第一储热单元6始终发生储热反应，热化学储热装置3的储能充足。

此时，第二引风机1引入的空气进入热化学储热装置3，热化学储热装置3内部的多个第一储热单元6与空气中的氧气发生放热反应，释放热量，所释放的热量对热化学储热装置3内空气加热，被加热的空气携带热量从热化学储热装置3的第一出气口33流出，并将热量传递并供给至气-水换热器10。

电加热控制器4对热化学储热装置3供能不足时，热化学储热装置3的储能不足。

此时，第一储热单元6利用电加热控制器4对热化学储热装置3供能相对充足时，热化学储热装置3发生储热反应生成储存化学能的生成物。第一储热单元6将储热反应的生成物作为热化学储热装置3被供能不足时自身发生放热反应的反应物，将其与第二引风机1引入的空气中的氧气发生放热反应，释放热量，被加热的空气将热量传递并供给至气-水换热器10。

本实施方式中，采用固定装置来实现第一储热单元6的层状分布，结合图1和图2，固定装置为网状托盘，其孔隙能保证气体顺畅通过，确保气体能与下一层的第一储热单元6发生反应。

本实施方式中，热化学储热介质61为锰氧化物，锰氧化物储热时稳定性好，反应活化能较低，储热效率高。

实施方式二

与实施方式一的不同之处在于：第一储热单元6由热化学储热介质61直接烧制或压制而成。

结合图2、图3和图4，在本实施方式中，第一储热单元6包括利用基体制成的多孔结构，以及在基体表面形成涂层的热化学储热介质61。

其中，基体选用多孔陶瓷材料，该材料热稳定性高，可以提高第一储热单元6的使用率。在基体表面涂覆涂层时，在热化学储热介质61所制成的涂料中注入细密的空气气泡，从而使其定型后附着于基体表面的涂层形成疏松多孔结构，进而增大反应接触面积，提高热化学反应的效率。相比于直接用热化学储热介质61压制成型而言，可以通过清洗涂层并重涂的方式循环使用第一储热单元6，进而降低第一储热单元6的制作成本。

实施方式三

与实施方式一、二的不同之处在于：热化学储热装置3的第一出气口33与气-水换热器10的进气口之间通过第二调节阀7作为三向阀与发电机11相连，发电机11外接用电设备12。

第二调节阀7将热化学储热装置3的第一出气口33与气-水换热器10的进气口之间的放热通道分成了主路和第一出风分路，第一出风分路输出的空气可用于驱动发电机11进行稳定发电，越靠近热化学储热装置3的第一出气口33的出风分路获得的空气温度越高，热损耗越小。本实施方式增加了空气的热利用形式。

实施方式四

本实施方式中，第二调节阀7与气-水换热器10之间设有通过第三调节阀8接入的第一引风机13和通过第四调节阀9接入的空气加热装置14。

其中，第二调节阀7设置于第三调节阀8的上游，第三调节阀8设置于第四调节阀9的上游。

第四调节阀9在放热通道中分出第二出风分路，第二出风分路输出的空气用以加热与其连接的空气加热装置14。

空气加热装置14根据使用温度不同，主要为中温(200℃)：烤箱，低温(100℃以下)：烘衣机、浴室热风机、空调、空气换热片。

空气加热装置14采用便于改造的生活电器，通过在该电器上直接安装热风循环管道、过滤装置等，直接或通过热传导的方式实现加热功能，增加热风的利用率。

本实施方式中，气-水换热器10为管壳式换热器。

气-水换热器10采用相较于集热水箱更为先进的换热器，换热效率高，温升快且温度稳定，用于建筑供暖和工业供热。

空气加热装置14适用范围更为广泛，一方面为工厂、洗衣房提供热风烘干，为食品厂提供热风烘烤，另一方面为家用电器提供热源。

此外，空气加热装置14不局限于供暖，在各个季节、每天的不同时段为不同用户提供所需热能，使得该系统在非采暖季也能有较高的使用率。

通过控制第一引风机13的进风量，进而控制通入第三调节阀8的冷空气量，对第三调节阀8下游的放热通道的主路的空气温度进行调节，调节进入放热通道的第二温度的空气与管路中的第一温度的空气的混合比例，进而调节对负载的供能温度，高温空气可根据需求不同梯级使用，不同负载获得所需不同温度梯度的空气。

本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。