一种压缩空气储能耦合太阳能和地热能制氢的系统及方法

本发明属于压缩空气储能，具体涉及一种压缩空气储能耦合太阳能和地热能制氢的系统及方法。

背景技术：

1、地热能，是一种分布广阔、储备量大、清洁环保、持续性强的优质可再生资源源。地热能分布以及储量而言，以中低温地热资源为主。太阳能，每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。氢能，是一种清洁、高效的可再生能源，是实现低碳目标的关键路径之一。获取氢能的主要方式为电解水制氢，传统意义上电制氢技术多来自于火电，对大气造成污染伴随着大量的碳排放，降低了制氢的经济性和环保性；生成氢气前，水预热过程电量的消耗，同时电制氢过程中，氢气和氧气部分会聚集在电极的周围，增加电极上的阻抗，减少电极与电解质的有效接触面积，影响了电解水的效率；电解水过程中热量不断积聚，导致温度过高，造成电极和隔膜的破坏，影响了电制氢的安全，进而影响了其的进一步发展。压缩空气储能技术通过将多余的电能转为空气压能储存，在用电高峰期释出高压空气膨胀做功发电，对可再生能源并网发电起到了关键性的支撑作用。压缩空气储能技术也有一定缺点，先进压缩空气储能系统不需要外界热源，使系统效率大大提高。但是由于换热端差的存在，会使系统的压缩热并不能得到完全的利用，压缩空气储能系统在释能过程中高压空气所吸收热量小于压缩过程所放出的热量，从而当储能、释能过程完成之后，会有一部分压缩热剩余，从而产生余热污染，可以充分利用这一部分低温余热；同时，压缩空气储能系统中膨胀做功后的空气，如果按照理论设计情况下，应释放出储存的所有能量，变为初始压力和温度下的空气。膨胀机实际运行不可能完全达到理想状态，膨胀机的排气的温度会高于大气环境，直接将废气排入大气，会造成一部分的热损失。对于补燃型压缩空气储能系统在工作过程中还会排放出大量的温室气体。随着社会的进步发展，用户对于物质生活的要求提高，对于冷热电的需求也增加，冷热电联供系统可以很好地满足用户的多元化负荷需求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供为了解决现有地热能中低温地热资源利用问题、传统利用火电制氢伴随着大量的碳排放产生的经济性和环保性问题、预热消耗电量消耗问题、压缩空气储能系统中膨胀机排气热损失的问题、压缩空气储能系统释能后存在未被利用的压缩热的问题以及用户对于能源的需求多元化问题，将压缩空气储能与太阳能、地热能、有机朗肯循环和电制氢耦合，构建了一种集成压缩空气储能、地热能、电制氢、太阳能的综合能源系统。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种压缩空气储能耦合太阳能和地热能制氢的系统，多级压缩机组、储气罐、多级膨胀机组、高温储热罐、低温储热罐、地热系统、第一蒸发器、蒸汽透平、电解水系统、凝汽器以及太阳能系统；多级膨胀机组连接发电机，多级压缩机组包括多级压缩机，每级压缩机出口设置换热器，多级膨胀机组包括多级膨胀机，每级膨胀机入口设置工质加热器；最高一级压缩机出口的换热器依次连接储气罐和最高一级膨胀机入口前的工质加热器；低温储热罐依次连接换热器、高温储热罐和工质加热器，工质加热器的热侧出口连接低温储热罐；最低一级膨胀机出口设置第一回热器；

3、太阳能系统、第一蒸发器、蒸汽透平、凝汽器依次连接，凝汽器经循环水泵连接太阳能系统；第一蒸发器连接低温储热罐；太阳能单元电能输出端连接电解水系统，电解水系统连接地热系统，电解水系统的气体出口设置第二回热器，凝汽器的出口依次连接第一回热器、第二回热器以及供热制冷单元。

4、太阳能系统包括第一油泵、第四闸阀、第一太阳能集热器、第二油泵、第二太阳能集热器、蓄热器、第五闸阀和第二蒸发器，第一油泵的出口依次连接第一太阳能集热器和第二蒸发器，第一油泵的出口依次连接第四闸阀、第二油泵、蓄热器、第五闸阀和第二蒸发器；第二太阳能集热器连接第二油泵，蓄热器出口还连接第二太阳能集热器；第二蒸发器连接第一油泵的入口。

5、地热单元包括依次连接的第二循环水泵和地埋管系统、储水箱和温度控制阀，温度控制阀的出口连接电解水系统；地埋管系统中，由外到内依次为土壤、回填材料、深埋套管外管以及深埋套管内管，深埋套管外管上装有环形肋片；深埋套管内管外壁和深埋套管外管内壁分别有螺旋外螺纹、螺旋内螺纹；深埋套管内管由三层组成，其中中间层材料采用多空真空硅，其余两层材料为传统内管采用的pe。

6、电制氢单元包括电解水系统、第二回热器、氢储罐和氧储罐，电解水系统的氢气出口和氧气出口均与第二回热器连接，第二回热器的热侧出口分别连接氢储罐和氧储罐，第二回热器的冷侧连接第一回热器和凝汽器。

7、电解水系统中设置阴极室和阳极室，阴极室和阳极室之间设置隔膜，阴极室中设置第一搅拌器、阴极和温度传感器，阴极室上开设第一进水口、第一出水口以及氢气出口，第一出水口处设置第一温度控制阀；阳极室中设置阳极和第二搅拌器，阳极室开设第二进水口、第二出水口和氧气出口，第二出水口处设置第二温度控制阀，第一出水口和第二出水口为漏斗形，阴极和阳极连接第二发电机的电能输出端，电解水系统的入口处设置第三温度控制阀，温度传感器、第一温度控制阀、第二温度控制阀以及第三温度控制阀连接控制中心。

8、供热制冷单元包括溴化锂吸收式制冷机和板式换热器，溴化锂吸收式制冷机、板式换热器均与第二回热器连接；溴化锂吸收式制冷机包括依次连接的发生器、冷凝器、第三节流阀、第三蒸发器、吸收室和液体泵，液体泵连接发生器，吸收室经第四节流阀连接发生器，发生器连接第二回热器，第三蒸发器向外部提供冷量。

9、多级压缩机组包括低压级压缩机和高压级压缩机，低压级压缩机和高压级压缩机的出口分别对应设置第一换热器和第二换热器，多级膨胀机组包括高压级膨胀机和低压级膨胀机，高压级膨胀机和低压级膨胀机的入口分别对应设置第三换热器和第四换热器，第三换热器和第四换热器作为工质加热器。

10、本发明所述压缩空气储能耦合太阳能和地热能制氢的系统运行方法，

11、储能时多级压缩机组将空气压缩后存储至储气罐中，压缩过程产生的热量通过换热器存储至高温储热罐中，有机工质通过太阳能系统加热成为达到定温度和压力的蒸汽，然后经过蒸汽透平膨胀做功带动第二发电机产生电能，电解水系统利用第二发电机的电能，经过地热系统预热过的水进入电解水系统中，在电解水系统中水电解生成携带有热量的氢气和氧气，氢气和氧气经过第二回热器回收热量后分别储存；凝汽器冷端出口的水经过第二回热器的气体加热，然后通过溴化锂吸收式制冷机和板式换热器为用户提供冷负荷和热负荷；

12、释能时，高温储热罐中的压缩热通过工质加热器加热从储气罐进入多级膨胀机组的高压气体，使得空气由高压变为高温高压状态，多级膨胀机组带动第一发电机发电，工质加热器的热端出口水回到低温储热罐中，第一回热器利用经低压级膨胀机排出的空气加热从凝汽器冷端出口的水，提高水温，使得溴化锂吸收式制冷机和板式换热器为用户提供的冷和热负荷增加；

13、释能结束时，低温储热罐中释能后未被利用的压缩热通过第一蒸发器为有机朗肯循环进一步提供热量，蒸汽透平驱动第二发电机发电，第二发电机回收热量增加，溴化锂吸收式制冷机和板式换热器的制冷量和供热量增加。

14、电解水系统中设置阴极室和阳极室，阴极室和阳极室之间设置隔膜，阴极室中设置第一搅拌器、阴极和温度传感器，阴极室上开设第一进水口、第一出水口以及氢气出口，第一出水口处设置第一温度控制阀；阳极室中设置阳极和第二搅拌器，阳极室开设第二进水口、第二出水口和氧气出口，第二出水口处设置第二温度控制阀，第一出水口和第二出水口为漏斗形，阴极和阳极连接第二发电机的电能输出端，电解水系统的入口处设置第三温度控制阀，温度传感器、第一温度控制阀、第二温度控制阀以及第三温度控制阀连接控制中心；电解水系统中预设电解水最佳工作温度区间，水电解过程中温度偏离最佳工作温度区间，电解过程中温度传感器把电解水温度传递给控制中心，控制中心通过调节第一温度控制阀、第二温度控制阀和第三温度控制阀，对电解水温度进行动态调节，当水从第一进水口、第二进水口进入电解水系统时，水流作用下带动第一搅拌器和第二搅拌器工作，对电解水装置中的水产生扰动，第一出水口和第二出水口设置成漏斗状，水流出时产生涡旋加强水扰动，减少阴极和阳极表面覆盖的气泡，增大电极与电解水的接触面积，从第一出水口和第二出水口出来的水通过换热器为生活热水提供热量。

15、太阳能系统包括第一油泵、第四闸阀、第一太阳能集热器、第二油泵、第二太阳能集热器、蓄热器、第五闸阀和第二蒸发器，第一油泵的出口依次连接第一太阳能集热器和第二蒸发器，第一油泵的出口依次连接第四闸阀、第二油泵、蓄热器、第五闸阀和第二蒸发器；第二太阳能集热器连接第二油泵，蓄热器出口还连接第二太阳能集热器；第二蒸发器连接第一油泵的入口；太阳能系统工作时，光照充足时，第四闸阀和第五闸阀关闭，第二太阳能集热器收集的热量储存于蓄热器，第一太阳能集热器收集的热量通过第二蒸发器进入有机朗肯循环；当光照较差时，第四闸阀和第五闸阀打开蓄热器中热量通过第二蒸发器进入有机朗肯循环。

16、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

17、本发明将压缩空气储能、地热能、太阳能、有机朗肯循环和电制氢相互耦合，在利用高温储热罐储存的热量提高从储气罐中出来的高压空气的温度，提高了膨胀机前的高压空气的温度。有机朗肯循环中利用了太阳能和压缩空气储能系统释能后未被利用的压缩热，将其转换成电能，继而通过电制氢技术把制取氢气和氧气，实现了无碳排放的绿氢技术，把低品位的热能转化为高品位的化学能；有机朗肯循环中凝汽器的冷端的水，参与有机朗肯循环后，进入电制氢单元中被第二回热器进一步加热，通过溴化锂吸收式制冷机和板式换热器为用户提供冷热负荷，凝汽器放出的热量、低压级膨胀机排气热量、电制氢单元产生气体携带的热量通过溴化锂吸收式制冷机和板式换热器为用户提供冷热负荷，实现能量的梯级利用，提高了的系统经济性，同时实现了冷热电联供，满足了用户负荷的多元化需求，水在进入电解水系统前，通过了地热单元对水进行了预热，减少电解水系统中电解水初始升温过程所消耗的电能，压缩空气储能系统释能后未被利用的压缩热通过第一蒸发器进入有机朗肯循环通过第二发电机发电，为电解水系统进一步提供电量。

18、进一步的，本系统中地埋管在垂直深埋式地埋管，深埋套管内管外壁和深埋套管外管内壁分别有螺旋外螺纹、螺旋内螺纹，能够有效增加湍流强度，进而增大换热系数；深埋套管外管外壁上装有环形肋片，能够有效增大换热面积；深埋套管内管由三层组成，其中中间层材料采用隔热材料，其余两层材料为pe；能够有效解决传统地埋套管中内管流体与外管流体之间的换热损失大的问题。

19、进一步的，电解水系统中通过温度控制阀调节最佳工作温度时，在入口水流作用下带动第一搅拌器、第二搅拌器工作，对电解水系统中的电解水产生扰动，排出的电解水进一步换热为生活热水提供所需的热量，换热后的电解水重新循环利用，实现能量的梯级利用，提高了能源利用率和系统经济性；第一出水口和第二出水口设置成漏斗状，水流出时产生涡旋，进一步加强了水扰动，阴极、阳极表面覆盖的气泡减少，避免电极上的阻抗增加，同时也增加了电极与电解水的有效接触面积，进一步提高电解水系统的效率。