基于风力发电和火力发电的能源耦合设备及方法与流程

1.本技术涉及能源供给技术领域，特别是涉及一种基于风力发电和火力发电的能源耦合设备及方法。


背景技术：

2.以燃煤电厂为代表的火电厂在电力系统中扮演着支撑性电源的重要角色，而源网荷储一体化和多能互补发展是提升可再生能源开发消纳水平、非化石能源消费比重及能源供给保障的有效方法。清洁化、低碳化是新时期能源结构调整的主要方向，未来光伏发电、风力发电等非化石能源尤其是海上风电属于持续提高清洁能源供应能力的主力军。传统的燃煤电厂、海上风电厂通常以独立厂区形式建设，并通过建设独立通道接入系统将电送出。然而，由于海上风电存在间歇性、波动性、不可控性等的特点使得燃煤电厂发电和海上风电厂发电并网的稳定性较差。


技术实现要素：

3.基于此，有必要提供一种基于风力发电和火力发电的能源耦合设备及方法，该能源耦合系统中，风力发电和火力发电并网的稳定性较好。
4.第一方面，本技术提供一种基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，包括风力发电设备、调控设备、电制氢设备、碳捕设备、火力发电设备以及变压设备；
5.所述调控设备连接于所述风力发电设备，用于判断所述风力发电设备的输出电量是否大于预设值，并对所述风力发电设备的输出电量进行调控；所述碳捕设备、所述电制氢设备以及所述变压设备均连接于所述调控设备；所述调控设备用于当所述风力发电设备的输出电量大于所述预设值时，控制所述风力发电设备将超过所述预设值的电量向所述碳捕设备和所述电制氢设备进行输出，所述调控设备还用于当所述风力发电设备的输出电量小于或等于所述预设值时，控制所述风力发电设备向所述变压设备输出电量；
6.所述碳捕设备连接于所述火力发电设备，用于回收所述火力发电设备产生的烟气中的二氧化碳；
7.所述变压设备连接于所述火力发电设备，所述变压设备用于将所述火力发电设备及所述风力发电设备的输出电量变压后并网。
8.在一些实施例中，所述风力发电设备为海上风力发电设备。
9.在一些实施例中，所述碳捕设备包括依次顺序连接的烟气预处理装置、吸收再生装置、压缩干燥装置和制冷液化装置；
10.所述烟气预处理装置连接于所述火力发电设备，以用于对所述火力发电设备产生的烟气进行脱硝、除尘以及脱硫；
11.所述吸收再生装置用于对所述烟气预处理装置处理后的烟气中的二氧化碳进行吸收再分离，以得到纯化的二氧化碳；
12.所述压缩干燥装置用于对所述纯化的二氧化碳进行压缩和干燥；
13.所述制冷液化装置用于对所述压缩干燥装置压缩和干燥后的所述纯化的二氧化碳进行净化及液化。
14.在一些实施例中，所述火力发电设备包括燃煤发电机组、燃气发电机组、生物质发电机组中的至少一种。
15.在一些实施例中，所述电制氢设备包括电解制氢装置、水煤气制氢装置和发酵产氢装置中的至少一种。
16.在一些实施例中，还包括养殖设备，所述养殖设备连接于所述碳捕设备以用于接收所述碳捕设备提供的二氧化碳。
17.在一些实施例中，还包括用氢设备，所述用氢设备连接于所述电制氢设备以用于接收所述电制氢设备提供的氢气。
18.在一些实施例中，所述变压设备包括厂区变压设备和变电站，所述火力发电设备和所述调控设备分别连接于所述厂区变压设备，所述变电站连接于所述厂区变压设备，所述厂区变压设备对所述火力发电设备的输出电量以及所述风力发电设备的输出电量进行变压后输送至所述变电站，所述变电站用于将所述厂区变压设备的输出电量变压后并网。
19.第二方面，本技术提供一种基于风力发电和火力发电的能源耦合方法，其特征在于，采用上述任一所述的基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，包括：
20.通过风力发电设备和火力发电设备分别进行发电；
21.通过调控设备判断所述风力发电设备的输出电量是否大于预设值，当所述风力发电设备的输出电量大于所述预设值时，所述调控设备控制所述风力发电设备将超过所述预设值的电量向碳捕设备和电制氢设备进行输出，当所述风力发电设备的输出电量小于或等于所述预设值时，所述调控设备控制所述风力发电设备向变压设备输出电量；
22.通过所述碳捕设备回收所述火力发电设备产生的烟气中的二氧化碳；
23.通过所述变压设备将所述火力发电设备及所述风力发电设备的输出电量变压后并网。
24.在一些实施例中，还包括：
25.通过所述碳捕设备向养殖设备提供二氧化碳；
26.通过所述电制氢设备向用氢设备提供氢气。
27.上述基于风力发电和火力发电的能源耦合设备通过风力发电设备和火力发电设备进行发电，风力发电后，通过调控设备判断风力发电设备的输出电量是否大于预设值，达到所述预设值时，调控设备控制风力发电设备向碳捕设备和电制氢设备输出电量，可以对风力发电的富余电量进行消纳，避免风力发电在高峰期进行全额电量送出，导致风力发电和火力发电并网的不稳定；当风力发电设备的输出电量未大于预设值时，调控设备控制风力发电设备向变压设备输出电量。该基于风力发电和火力发电的能源耦合设备可以使风力发电和火力发电并网的稳定性较好。
附图说明
28.图1为本技术一实施例提供的基于风力发电和火力发电的能源耦合设备的结构示意图；
29.图2为本技术提供的传统的风力火力发电设备的结构示意图；
30.图3为本技术又一实施例提供的基于风力发电和火力发电的能源耦合设备的结构示意图。
具体实施方式
31.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本技术的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术。但是本技术能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似改进，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
32.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
33.参照图2，传统的风力火力发电设备中，风力发电和火力发电各自设立独立的变压设备及输出通道，风力发电和火力发电并网的稳定性较差，且各能源系统相对独立建设，能源系统的耦合利用率较低。
34.参照图1，本技术一实施方式提供了一种基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，包括风力发电设备、调控设备、电制氢设备、碳捕设备、火力发电设备以及变压设备；
35.调控设备连接于风力发电设备，用于判断风力发电设备的输出电量是否大于预设值，并对风力发电设备的输出电量进行调控；碳捕设备、电制氢设备以及变压设备均连接于调控设备；调控设备用于当风力发电设备的输出电量大于预设值时，控制风力发电设备将超过预设值的电量向碳捕设备和电制氢设备进行输出，调控设备还用于当风力发电设备的输出电量小于或等于预设值时，控制风力发电设备向变压设备输出电量；
36.碳捕设备连接于火力发电设备，用于回收火力发电设备产生的烟气中的二氧化碳；
37.变压设备连接于火力发电设备，变压设备用于将火力发电设备及风力发电设备的输出电量变压后并网。
38.上述实施方式中的基于风力发电和火力发电的能源耦合设备通过风力发电设备和火力发电设备进行发电，风力发电后，通过调控设备判断风力发电设备的输出电量是否大于预设值，大于预设值时，调控设备控制风力发电设备向碳捕设备和电制氢设备输出电量，可以对风力发电的富余电量进行消纳，可以降低风力发电在高峰期进行全额电量送出，导致风力发电和火力发电并网的不稳定的风险；当风力发电设备的输出电量小于或等于预设值时，调控设备控制风力发电设备向变压设备输出电量。该基于风力发电和火力发电的能源耦合设备可以使风力发电和火力发电并网的稳定性较好。同时，通过风力发电对碳捕设备和电制氢设备供电，碳捕设备可以用于火力发电设备的烟气中的二氧化碳的捕捉收集，电制氢设备可以产出氢气，能够实现多能源的耦合，提高能源的利用率，并减少碳排放。
39.可以理解的是，风力发电设备是指采用风力进行发电的设备。在风力发电的过程中没使用风力发电机进行发电，空气切入到风力发电机的风轮叶片时，会对风轮叶片产生作用力，风力发电机的叶片会进行旋转，从而带动发电机产生电能。
40.可以理解的是，火力发电设备是利用可燃物作为燃料生产电能的设备。火力发电
设备发电的基本过程为：燃料在燃烧时加热水生成蒸汽，将燃料的化学能转变成热能，蒸汽压力推动汽轮机旋转，热能转换成机械能，然后汽轮机带动发电机旋转，将机械能转变成电能。
41.在一些实施例中，风力发电设备为海上风力发电设备。可以理解的是，海上风力发电设备使用海上风力发电机组进行发电。风能是可再生能源，同时也属于清洁能源。通过风力发电不仅可以减少能源的消耗，同时也会减少发电过程对环境的污染。海上风电发电是指在近海区域通过海风进行发电。与陆地风电相比，海上风电风能资源的能量效益比陆地风电场高20％～40％，还具有不占地、风速高、沙尘少、电量大、运行稳定以及粉尘零排放等优势，同时能够减少机组的磨损，延长风力发电机组的使用寿命，适合大规模开发。
42.在一些实施例中，碳捕设备包括依次顺序连接的烟气预处理装置、吸收再生装置、压缩干燥装置和制冷液化装置；
43.烟气预处理装置连接于火力发电设备，以用于对火力发电设备产生的烟气进行脱硝、除尘以及脱硫；
44.吸收再生装置用于对烟气预处理装置处理后的烟气中的二氧化碳进行吸收再分离，以得到纯化的二氧化碳；
45.压缩干燥装置用于对纯化的二氧化碳预产物进行压缩和干燥；
46.制冷液化装置用于对压缩干燥装置压缩和干燥后的纯化的二氧化碳进行净化及液化。碳捕设备能够对火力发电设备的烟气中的二氧化碳进行捕捉收集、封存以及再利用，可以避免火力发电设备产生的二氧化碳直接排放于空气中，能够有效减少火力发电设备的二氧化碳排放量。同时，收集到的液化二氧化碳能够进行再利用，能源利用率高。
47.在一些实施例中，火力发电设备包括燃煤发电机组、燃气发电机组、生物质发电机组中的至少一种。
48.在其中一个实施例中，燃煤发电机组是将煤等化石燃料的化学能转化为电能的机械设备，燃煤发电机组主要由燃烧系统(以锅炉为核心)、汽水系统(主要由各类泵、给水加热器、凝汽器、管道、水冷壁等组成)、电气系统(以汽轮发电机、主变压器等为主)、控制系统等组成。前二者产生高温高压蒸汽；电气系统实现由热能、机械能到电能的转变；控制系统保证各系统安全、合理、经济运行。
49.在其中一个实施例中，燃气发电机组为联合循环燃气轮机或燃气内燃机。燃气轮机功率比较大，主要用在大、中型电站，燃气内燃机功率比较小，主要用在小型的分布式电站。燃气发电机组具有以下优点：输出功率范围广、启动和运行可靠高、发电质量好、重量轻、体积小、维护简单、低频噪声小，且采用的可燃性气体是清洁、廉价的能源。
50.在其中一个实施例中，生物质发电机组是将生物质在锅炉中直接燃烧，生产蒸汽带动蒸汽轮机及发电机发电。生物质直接燃烧发电的关键技术包括生物质原料预处理、锅炉防腐、锅炉的原料适用性及燃料效率、蒸汽轮机效率等技术。
51.在一些实施例中，电制氢设备包括电解制氢装置、水煤气制氢装置和发酵产氢装置中的至少一种。
52.在一些实施例中，电解水制氢装置通过电解纯水、氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液或氯化钠溶液进行制氢。
53.在其中一个实施例中，电解水制氢采用铁为阴极镍为阳极的串联电解槽来电解纯
水、氢氧化钾溶液或氢氧化钠溶液。电解水制氢设备的阳极出氧气，阴极出氢气。该方法成本较高，但产品纯度大，可直接生产99.7％以上纯度的氢气。
54.在其中一个实施例中，电解氯化钠溶液进行制氢的反应方程式为2nacl+2h2o＝2naoh+cl2+h2，可经提纯得到纯度较高的氢气。
55.在一些实施例中，水煤气制氢装置用无烟煤或焦炭与水蒸气反应制备水煤气并去除水煤气中的一氧化碳和二氧化碳进行制氢。
56.在其中一个实施例中，水煤气制氢装置用无烟煤或焦炭为原料与水蒸气在高温时反应而得水煤气(一氧化碳和氢气的混合气体)；净化后再使水煤气与水蒸气一起通过触媒令一氧化碳转化成二氧化碳可得含氢量在80％以上的混合气体，再压入水中以溶去二氧化碳，再通过含氨蚁酸亚铜或含氨乙酸亚铜溶液中除去残存的co以得到纯度较高的氢气，水煤气制氢的成本较低产量较大。
57.在一些实施例中，发酵产氢装置利用细菌将有机物转化为生物氢并提纯进行制氢。
58.在其中一个实施例中，发酵产氢装置通过用玉米发酵丙酮、丁醇制备氢气，经多次提纯后得到普氢，普氢纯度大于97％，把普氢通过液氮冷却到零下100℃以下进一步除去杂质(如少量n2)可制取纯氢(99.99％以上)。
59.在一些实施例中，还包括养殖设备，养殖设备连接于碳捕设备以用于接收碳捕设备提供的二氧化碳。
60.在其中一个实施例中，养殖设备包括养藻设备、林业养殖设备、果园养殖设备、盆栽养殖设备和蔬菜养殖设备中的至少一种。碳捕设备向养殖设备提供二氧化碳能够实现二氧化碳的捕捉收集和再利用，在减少火电发电设备的碳排放的同时，还能够提高能源产品的利用率，实现低碳发展的可持续性。
61.在一些实施例中，还包括用氢设备，用氢设备连接于电制氢设备以用于接收电制氢设备提供的氢气。
62.在一些实施例中，用氢设备包括第一用氢设备和第二用氢设备，第一用氢设备为厂区内用氢设备，厂区内用氢设备包括氢能运输车和/或氢能通勤车，第二用氢设备为厂区外用氢设备，厂区外用氢设备包括氢能公交和/或个人用户用氢装置。
63.在一些实施例中，变压设备包括厂区变压设备和变电站，火力发电设备和调控设备分别连接于厂区变压设备，变电站连接于厂区变压设备，厂区变压设备对火力发电设备的输出电量以及风力发电设备的输出电量进行变压后输送至变电站，变电站用于将厂区变压设备的输出电量变压后并网。
64.第二方面，本技术提供一种基于风力发电和火力发电的能源耦合方法，采用上述任一的基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，包括：
65.通过风力发电设备和火力发电设备分别进行发电；
66.通过调控设备判断风力发电设备的输出电量是否大于预设值，当风力发电设备的输出电量大于预设值时，调控设备控制风力发电设备将超过预设值的电量向碳捕设备和电制氢设备进行输出，当风力发电设备的输出电量小于或等于预设值时，调控设备控制风力发电设备向变压设备输出电量；
67.通过碳捕设备回收火力发电设备产生的烟气中的二氧化碳；
68.通过变压设备将火力发电设备及风力发电设备的输出电量变压后并网。该基于风力发电和火力发电的能源耦合方法中，火力发电及风力发电后，通过调控设备判断风力发电设备的输出电量是否大于预设值，大于预设值时，调控设备控制风力发电设备向碳捕设备和电制氢设备输出电量，可以对风力发电的富余电量进行消纳，可以降低风力发电在高峰期进行全额电量送出，导致风力发电和火力发电并网的不稳定的风险；当风力发电设备的输出电量小于或等于预设值时，调控设备控制风力发电设备向变压设备输出电量。该基于风力发电和火力发电的能源耦合方法可以使风力发电和火力发电并网的稳定性较好。
69.在一些实施例中，还包括：
70.通过碳捕设备向养殖设备提供二氧化碳；
71.通过电制氢设备向用氢设备提供氢气。
72.以下为具体实施例
73.实施例1
74.参照图3，本技术提供一种基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，包括风力发电设备、调控设备、电制氢设备、碳捕设备、火力发电设备、变压设备、养殖设备和用氢设备。调控设备连接于风力发电设备，用于判断风力发电设备的输出电量是否大于预设值，并对风力发电设备的输出电量进行调控；碳捕设备、电制氢设备和变压设备均连接于调控设备；调控设备用于当风力发电设备的输出电量大于预设值时，控制风力发电设备将超过预设值的电量向碳捕设备和电制氢设备进行输出，调控设备还用于当风力发电设备的输出电量小于或等于预设值时，控制风力发电设备向变压设备输出电量；碳捕设备连接于火力发电设备，用于回收火力发电设备产生的烟气中的二氧化碳；变压设备连接于火力发电设备，变压设备用于将火力发电设备及风力发电设备的输出电量变压后并网。
75.本实施例中，风力发电设备为海上风力发电设备，海上风力发电设备使用海上风力发电机进行发电。碳捕设备包括依次顺序连接的烟气预处理装置、吸收再生装置、压缩干燥装置和制冷液化装置；烟气预处理装置连接于火力发电设备，以用于对火力发电设备产生的烟气进行脱硝、除尘以及脱硫；吸收再生装置用于对烟气预处理装置处理后的烟气中的二氧化碳进行吸收再分离，以得到纯化的二氧化碳；压缩干燥装置用于对纯化的二氧化碳进行压缩和干燥；制冷液化装置用于对压缩干燥装置压缩和干燥后的纯化的二氧化碳进行净化及液化。火力发电设备包括燃煤发电机组、燃气发电机组、生物质发电机组中的至少一种。电制氢设备包括电解制氢装置、水煤气制氢装置和发酵产氢装置中的至少一种。用氢设备连接于电制氢设备以用于接收电制氢设备提供的氢气。养殖设备连接于碳捕设备以用于接收碳捕设备提供的二氧化碳。变压设备包括厂区变压设备和变电站，厂区变压设备连接于火力发电设备以及调控设备，变电站连接于厂区变压设备，厂区变压设备对火力发电设备的输出电量以及风力发电设备的输出电量进行变压后输送至变电站，变电站将厂区变压设备的输出电量变压后并网。该基于风力发电和火力发电的能源耦合设备可以使风力发电和火力发电并网的稳定性较好。同时，通过风力发电对碳捕设备和电制氢设备供电，碳捕设备可以用于火力发电设备的烟气中的二氧化碳的捕捉收集，电制氢设备可以产出氢气，能够实现多能源的耦合，提高能源的利用率，并减少碳排放。
76.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
77.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准，说明书及附图可以用于解释权利要求的内容。

技术特征：
1.一种基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，其特征在于，包括风力发电设备、调控设备、电制氢设备、碳捕设备、火力发电设备以及变压设备；所述调控设备连接于所述风力发电设备，用于判断所述风力发电设备的输出电量是否大于预设值，并对所述风力发电设备的输出电量进行调控；所述碳捕设备、所述电制氢设备以及所述变压设备均连接于所述调控设备；所述调控设备用于当所述风力发电设备的输出电量大于所述预设值时，控制所述风力发电设备将超过所述预设值的电量向所述碳捕设备和所述电制氢设备进行输出，所述调控设备还用于当所述风力发电设备的输出电量小于或等于所述预设值时，控制所述风力发电设备向所述变压设备输出电量；所述碳捕设备连接于所述火力发电设备，用于回收所述火力发电设备产生的烟气中的二氧化碳；所述变压设备连接于所述火力发电设备，所述变压设备用于将所述火力发电设备及所述风力发电设备的输出电量变压后并网。2.根据权利要求1所述的基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，其特征在于，所述风力发电设备为海上风力发电设备。3.根据权利要求1所述的基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，其特征在于，所述碳捕设备包括依次顺序连接的烟气预处理装置、吸收再生装置、压缩干燥装置和制冷液化装置；所述烟气预处理装置连接于所述火力发电设备，以用于对所述火力发电设备产生的烟气进行脱硝、除尘以及脱硫；所述吸收再生装置用于对所述烟气预处理装置处理后的烟气中的二氧化碳进行吸收再分离，以得到纯化的二氧化碳；所述压缩干燥装置用于对所述纯化的二氧化碳进行压缩和干燥；所述制冷液化装置用于对所述压缩干燥装置压缩和干燥后的所述纯化的二氧化碳进行净化及液化。4.根据权利要求1所述的基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，其特征在于，所述火力发电设备包括燃煤发电机组、燃气发电机组、生物质发电机组中的至少一种。5.根据权利要求1所述的基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，其特征在于，所述电制氢设备包括电解制氢装置、水煤气制氢装置和发酵产氢装置中的至少一种。6.根据权利要求1～5任一所述的基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，其特征在于，还包括养殖设备，所述养殖设备连接于所述碳捕设备以用于接收所述碳捕设备提供的二氧化碳。7.根据权利要求1～5任一所述的基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，其特征在于，还包括用氢设备，所述用氢设备连接于所述电制氢设备以用于接收所述电制氢设备提供的氢气。8.根据权利要求1～5任一所述的基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，其特征在于，所述变压设备包括厂区变压设备和变电站，所述火力发电设备和所述调控设备分别连接于所述厂区变压设备，所述变电站连接于所述厂区变压设备，所述厂区变压设备对所述火力发电设备的输出电量以及所述风力发电设备的输出电量进行变压后输送至所述变电站，所述变电站用于将所述厂区变压设备的输出电量变压后并网。
9.一种基于风力发电和火力发电的能源耦合方法，其特征在于，采用权利要求1～8任一所述的基于风力发电和火力发电的能源耦合设备，包括：通过风力发电设备和火力发电设备分别进行发电；通过调控设备判断所述风力发电设备的输出电量是否大于预设值，当所述风力发电设备的输出电量大于所述预设值时，所述调控设备控制所述风力发电设备将超过所述预设值的电量向碳捕设备和电制氢设备进行输出，当所述风力发电设备的输出电量小于或等于所述预设值时，所述调控设备控制所述风力发电设备向变压设备输出电量；通过所述碳捕设备回收所述火力发电设备产生的烟气中的二氧化碳；通过所述变压设备将所述火力发电设备及所述风力发电设备的输出电量变压后并网。10.根据权利要求9所述的基于风力发电和火力发电的能源耦合方法，其特征在于，还包括：通过所述碳捕设备向养殖设备提供二氧化碳；通过所述电制氢设备向用氢设备提供氢气。

技术总结
本申请涉及一种基于风力发电和火力发电的能源耦合设备及方法。该设备包括风力发电设备、调控设备、电制氢设备、碳捕设备、火力发电设备以及变压设备；调控设备连接于风力发电设备，用于判断风力发电设备的输出电量是否大于预设值，并对风力发电设备的输出电量进行调控；碳捕设备、电制氢设备以及变压设备均连接于调控设备；碳捕设备连接于火力发电设备，用于回收火力发电设备产生的烟气中的二氧化碳；变压设备连接于火力发电设备，变压设备用于将火力发电设备及风力发电设备的输出电量变压后并网。该设备可以使风力发电和火力发电并网的稳定性较好。的稳定性较好。的稳定性较好。


技术研发人员：钟依庐 郑赟 刘为雄 王路 印佳敏 李震 郑可昕 肖楷
受保护的技术使用者：中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司
技术研发日：2023.06.06
技术公布日：2023/10/19