CN103471286A - 多种可再生能源互补的分布式能源系统 - Google Patents

Abstract

多种可再生能源互补的分布式能源系统，包括系统控制单元、太阳能集热单元、沼气发酵单元、生物质燃气处理单元、微型燃气轮机发电单元、吸收式制冷单元等组成。系统通过太阳能集热器将太阳辐射能转化为热水热能，继而加热沼气发酵罐使其保持恒温。产生的沼气与热空气混合后在微型燃气轮机内部做功带动发电机发电，微型燃气轮机余热驱动吸收式制冷系统产生冷量，这其中，沼气发酵环节产生的沼液与微型燃气轮机尾气可分别作为培养基与碳源，培养微藻，实现资源的再利用。系统所需能源全部由太阳能与生物质能提供，高效利用了低品位的太阳能，有效回收和利用了生物质能，最终达到发电，制热，制冷的主要目的。

Description

多种可再生能源互补的分布式能源系统

技术领域

本发明涉及太阳能利用技术、生物质沼气利用技术、微藻培养技术、吸收式制冷技术领域。

背景技术

分布式能源系统的核心是热电转换装置和热冷转换装置。目前市场上应用的分布式能源系统主要有燃气轮机与溴化锂吸收式制冷机相结合的联供系统、内燃机与溴化锂吸收式制冷机相结合的联供系统、燃料电池与溴化锂吸收式制冷机相结合的联供系统等。这些系统虽然总能利用率较高，但由于初投资大，经济性较差，投资回收期基本都在5年以上。另外，这些系统一般采用溴化锂吸收式制冷机作为余热利用机组，由于溴化锂吸收式制冷机的制冷温度必须在零度以上，再加之溴化锂吸收式制冷机本身的容量限制（目前容量最小的溴化锂吸收式制冷机的制冷量也在70kW以上），因此基于溴化锂吸收式制冷机的冷热电三联供系统难以小型化（容量低至10kW以下），无法直接应用于广大家庭的制冷、采热和供电市场。

经文献检索发现，中国发明专利名称为：燃气轮机发电机与溴化锂直燃机空调对接的冷热电联产装置，申请号为：200420122215.2，该专利涉及一种燃气轮机发电机与溴化锂直燃机空调对接的冷热电联产装置，燃气轮机发电机排烟口通过烟气三通阀的旁通阀和管道与高温发生器内的增换热管相连接，燃气轮机发电机排烟口通过烟气三通阀的直排阀与排烟管道相连接。此专利中的溴化锂直燃机可以用燃气轮发电机的废烟气 为高温发生器提供热源。该燃气轮机发电机与溴化锂直燃机对接的冷热电联产装置虽然可以充分利用燃气轮发电机的余热，达到节约能源的目的，但是由于燃气轮机装机容量的限制，在有小容量需求的情况下适用性不大，而且机组无法提供零度以下的冷量输出。

经文献检索发现，中国发明专利名称为：一种生物质冷热电联供系统，申请号为：201120530854.2，该专利属于生物质能源化利用技术领域，具体涉及一种生物质冷热电联供系统，该系统包括生物质气化炉，生物质气化炉的燃气出口与第一除尘装置连接，第一除尘装置的燃气出口与除焦器连接，除焦器的燃气出口与燃气发电机连接。本实用新型工作时，生物质热解气化产生了生物质燃气，主要用于发电，另一部分用于燃烧获得高温烟气供热给除焦器，燃气发电后产生的烟气和供热、除尘后的烟气用于单、双效溴化锂冷温水机，最终获得了电力、冷量或热量，实现了能源的梯级利用，同时满足了多种类用能要求，充分利用了生物质能源。该专利提到了利用生物质能作为系统的输入能源，但是，生物质气化过程复杂，设备成本高，产物成分难以控制，此系统推广前景有待商榷。

经文献检索发现，中国发明专利名称为：一种电力调峰冷热电联供运行方法及其装置，申请号为：00134616.4，该专利公开了一种电力调峰冷热电联供运行方法及其装置。包括热电联产机组及锅炉，热电联产机组发的电入电网。这主要针对于大型的冷热电联供系统而言的，没有提及对可再生能源的利用，另外也不是基于氨水吸收式制冷技术实现余热利用。

经文献检索发现，中国发明专利名称为：沼气发电系统，申请号为201120196257.0，该专利涉及一种沼气发电系统，其属于沼气发电技术领域，它解决了现有技术中沼气发电技术存在的发电效率较低、容易造成沼气浪费、沼气发电产生的热量利用率较低等现象的缺陷。但是对沼气发电后的余热利用未提出明确的实施方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种多种可再生能源互补的分布式能源系统。

本发明是多种可再生能源互补的分布式能源系统，由系统控制单元、太阳能集热单元、沼气发酵单元、生物质燃气处理单元、微型燃气轮机发电单元、吸收式制冷单元组成；其中系统控制单元与其余单元分别连接，太阳能集热单元分别与沼气发酵单元及微型燃气轮机发电单元相连，沼气发酵单元分别与太阳能集热单元及生物质燃气处理单元相连，生物质燃气处理单元分别与沼气发酵单元及微型燃气轮机发电单元相连，微型燃气轮机发电单元分别与生物质燃气处理单元及吸收式制冷单元相连，吸收式制冷单元与微型燃气轮机发电单元相连；其中贮水罐2通过第一阀V1与太阳能集热器1相连，第一换热器E1分别与风机P3、贮水箱2、第一泵P2、第二阀V7相连，沼气发酵罐3通过第三阀V2与贮水罐2相连，压缩罐4通过第四阀V3与沼气发生罐3相连，提纯及储气设备5通过第五阀V4与压缩罐4相连，微型燃气轮机6通过第六阀V5与提纯及储气设备5相连，微型燃气轮机6分别与第一换热器E1、第二换热器E2、发电机相连，第二换热器E2分别与第二泵P4及冷凝器7相连，节流阀8与冷凝器7相连，蒸发器9与节流阀8相连，吸收器10分别与蒸发器9、第二换热器E2及第二泵P4相连。

本发明的有益效果为：本发明由系统控制单元、太阳能集热单元、沼气发酵单元、生物质燃气处理单元、微型燃气轮机发电单元、吸收式制冷单元等组成。太阳能集热器阵列产生的热水，一部分通入沼气发酵罐使其处于恒定温度，另一部分通过换热器预热微型燃气轮机进口空气。恒温沼气发酵罐产生沼气，经过加压提纯之后，一部分用于生物质燃气与预热空气混合后进入微型燃气轮机做功发电，剩余部分可用于普通生物质燃气输出至用户。微型燃气轮机出口废气具有一定温度，可驱动吸收式制冷系统，继续产生冷量。本发明所进行过程无污染废弃物排放，所需能源全部由太阳能与生物质能提供，多次多级的高效利用了低品位的太阳能，有效回收和利用了生物质能，其中发电过程由微型燃气轮机发电系统完成，冷量产生过程由吸收式制冷系统完成，还可同时输出纯净沼气用于其他。本发明所涉及系统具有结构设计合理，适用地域范围广，能量来源多样化，充分利用了清洁能源，对环境零污染，低碳，环保，节能等特点。

据计算，对于一台额定功率为30kW的微型燃气轮机与氨水吸收式制冷机相结合的分布式能源系统，在制冷模式中，可向用户同时提供电负荷30kW，冷负荷5.85kW及生活热水负荷9.15kW；在采暖模式中，系统可向用户同时提供电负荷30kW，热负荷及生活热水负荷35.42kW；该微型联供系统夏季的冷电综合效率达到32％，冬季及春秋季的热电综合效率达到58％，整个系统全年的能量综合利用率达63％。

附图说明

  图1为本发明的结构示意图，图2为吸收式制冷单元示意图，图3为功冷并供单元示意图。

具体实施方式

如图1、图2、图3所示，本发明是多种可再生能源互补的分布式能源系统，由系统控制单元、太阳能集热单元、沼气发酵单元、生物质燃气处理单元、微型燃气轮机发电单元、吸收式制冷单元组成；其特征在于系统控制单元与其余单元分别连接，太阳能集热单元分别与沼气发酵单元及微型燃气轮机发电单元相连，沼气发酵单元分别与太阳能集热单元及生物质燃气处理单元相连，生物质燃气处理单元分别与沼气发酵单元及微型燃气轮机发电单元相连，微型燃气轮机发电单元分别与生物质燃气处理单元及吸收式制冷单元相连，吸收式制冷单元与微型燃气轮机发电单元相连；其中贮水罐2通过第一阀V1与太阳能集热器1相连，第一换热器E1分别与风机P3、贮水箱2、第一泵P2、第二阀V7相连，沼气发酵罐3通过第三阀V2与贮水罐2相连，压缩罐4通过第四阀V3与沼气发生罐3相连，提纯及储气设备5通过第五阀V4与压缩罐4相连，微型燃气轮机6通过第六阀V5与提纯及储气设备5相连，微型燃气轮机6分别与第一换热器E1、第二换热器E2、发电机相连，第二换热器E2分别与第二泵P4及冷凝器7相连，节流阀8与冷凝器7相连，蒸发器9与节流阀8相连，吸收器10分别与蒸发器9、第二换热器E2及第二泵P4相连。

如图1所示，太阳能集热单元包括：太阳能集热器1，输水管路，贮水罐2，回水管路，通过管路串联在系统中，通过管道上的阀门进行切换控制；贮水罐2通过第一阀V1与太阳能集热器1相连，第一换热器E1分别与风机P3、贮水箱2、第一泵P2、第二阀V7相连。

太阳能集热器是太阳灶，或者是全玻璃真空管集热器，或者是碟式太阳能集热器，或者是槽式太阳能集热器，或者是塔式太阳能集热器。

如图1所示，沼气发酵单元包括沼气发酵罐3，压缩罐4，由管路串联在系统中，沼气发酵罐利用太阳能集热器产生的热水加热，所述的带保温的沼气发酵罐3采用钢铁或塑料或薄膜材料制成，其保温材料采用玻璃棉或聚氨酯或聚苯乙烯。

如图1所示，微型燃气轮机发电单元包括：微型燃气轮机6，三相交流异步发电机组，微型燃气轮机和三相异步发电机组转动轴通过联轴器连在一起；微型燃气轮机所采用燃烧工质为沼气发酵单元产生的，并经过生物质燃气处理单元净化提纯的高浓度沼气。

如图1、图2、图3所示，吸收式制冷单元包括余热交换器，即第二换热器E2、冷凝器7、节流阀8、蒸发器9、吸收器10，通过管路串联在系统中；第二换热器E2分别与第二泵P4及冷凝器7相连，节流阀8与冷凝器7相连，蒸发器9与节流阀8相连，吸收器10分别与蒸发器9、第二换热器E2及第二泵P4相连；吸收式制冷单元所需驱动热源为微型燃气轮机发电后产生的废气，流动工质为氨-水混合物，或溴化锂-水溶液，或其他非共沸二元制冷剂工质对。

如图1、图2、图3所示，微型燃气轮机发电单元产生的废气可驱动以氨-水为工质的，基于Kalina循环的功冷并供系统；余热功冷并供单元中的第二换热器E2分别与第二泵P4及蒸气过热器13相连，功冷并供发电透平14与蒸气过热器13相连，节流阀8与功冷并供发电透平14相连，蒸发器9上的风机盘管与节流阀8相连，吸收器10分别与风机盘管、第二换热器E2及第二泵P4相连。

本发明的工作过程是：太阳能集热器1通过真空管表层吸热材料吸收太阳辐射能，并将其转化为热水的热能，储存在贮水罐2中。贮水罐2中的热水一部分通过泵P2到达第一换热器E1，与经过空气净化设备11净化的空气发生热交换，使空气温度升高，然后再回到贮水罐2中。贮水罐2中的另一部分热水通过第三阀V与沼气发酵罐3相连，将热量传递给发酵罐及其内部物料，使得沼气发酵罐3处于恒温状态，并进行恒温厌氧发酵，产生沼气。沼气发酵罐3中的发酵原料可以是牛粪、农作物秸秆或其他有机物的混合物。产生的沼气经过第四阀V通入压缩罐4进行增压处理，随后在提纯及储气设备5里首先进行净化提纯，可采用化学吸收、物理提纯和生物脱除的方法来达到目的。经过提纯后的沼气，其甲烷含量可超过90%，能够满足微型燃气轮机6的做功要求，并且，可以为用户提供纯净沼气输出。

微型燃气轮机6通过第六阀V5、第二阀V7分别与提纯及储气设备5、第一换热器E1相连。进气口为经过第一换热器E1加热后的热空气与提纯后的沼气混合气，然后通过绝热压缩、等压加热、绝热膨胀和等压放热四个过程，完成做功并带动发电机发电。微型燃气轮机6出来的废气具有一定的温度，经过第二换热器E2，将热量传递给吸收式制冷单元中的工作流体，工作流体可使用氨水混合物，受热蒸发后高浓度氨气通入冷凝器7被冷凝，再通过节流阀8节流降压，通过蒸发器9向外界输送冷量。气态工作流体在蒸发器9中吸热后，通入与其相连的吸收器10，并被第二换热器E2里的稀溶液吸收，通过第二泵P4输送至第二换热器E2完成整个循环。

微型燃气轮机6出口废气经过换热器E2降温后，再通过第三换热器E3加热沼气发酵罐3出来的热水，废气排至大气。第三换热器E3可向用户提供热水。沼气发酵罐3出来的热水经过第三泵P1输送至太阳能集热器1完成整个系统过程。

 其中，吸收式制冷单元可以用余热功冷并供单元代替，包括余热交换器、蒸汽发生器、透平、发电机、节流阀、风机盘管、冷凝吸收器、控制部件等。余热交换器通过换热过程，将燃气轮机废热传输至蒸汽发生器，加热氨-水混合溶液产生蒸汽，推动透平做功带动发电机发电，透平乏汽经过节流阀降压降温后，通过风机盘管向外界输送冷量，乏汽最终进入冷凝吸收器，与发生器内的稀溶液混合，被泵加压输送至蒸汽发生器，完成一个循环。

余热功冷并供单元具体实施方式为：第二换热器E2分别与泵P4及蒸气过热器13相连，功冷并供发电透平14与蒸气过热器13相连，节流阀8与功冷并供发电透平14相连，风机盘管9与节流阀8相连，吸收器10分别与风机盘管9、第二换热器E2及第二泵P4相连。

余热功冷并供单元工作原理为：微型燃气轮机6出来的废气具有一定的温度，经过换热器E2，将热量传递给余热功冷并供单元中的工作流体，工作流体可使用氨水混合物，受热蒸发后高浓度氨气先经过蒸气过热器13过热，再通入功冷并供发电透平14做功发电，功冷并供发电透平14与换热器E2相连，透平出口乏汽压力比较低，再通过节流阀8节流降压，通过蒸发器9上的风机盘管向外界输送冷量。气态工作流体在风机盘管中吸热后，通入与其相连的吸收器10，并被第二换热器E2里的稀溶液吸收，通过第二泵P4输送至第二换热器E2完成整个循环。

Claims (7)

1.多种可再生能源互补的分布式能源系统，由系统控制单元、太阳能集热单元、沼气发酵单元、生物质燃气处理单元、微型燃气轮机发电单元、吸收式制冷单元组成；其特征在于系统控制单元与其余单元分别连接，太阳能集热单元分别与沼气发酵单元及微型燃气轮机发电单元相连，沼气发酵单元分别与太阳能集热单元及生物质燃气处理单元相连，生物质燃气处理单元分别与沼气发酵单元及微型燃气轮机发电单元相连，微型燃气轮机发电单元分别与生物质燃气处理单元及吸收式制冷单元相连，吸收式制冷单元与微型燃气轮机发电单元相连；其中贮水罐（2）通过第一阀（V1）与太阳能集热器（1）相连，第一换热器（E1）分别与风机（P3）、贮水箱（2）、第一泵（P2）、第二阀（V7）相连，沼气发酵罐（3）通过第三阀（V2）与贮水罐（2）相连，压缩罐（4）通过第四阀（V3）与沼气发生罐（3）相连，提纯及储气设备（5）通过第五阀（V4）与压缩罐（4）相连，微型燃气轮机（6）通过第六阀（V5）与提纯及储气设备（5）相连，微型燃气轮机（6）分别与第一换热器（E1）、第二换热器（E2）、发电机相连，第二换热器（E2）分别与第二泵（P4）及冷凝器（7）相连，节流阀（8）与冷凝器（7）相连，蒸发器（9）与节流阀（8）相连，吸收器（10）分别与蒸发器（9）、第二换热器（E2）及第二泵（P4）相连。

2.根据权利要求1所述的多种可再生能源互补的分布式能源系统，其特征是，太阳能集热单元包括：太阳能集热器（1），输水管路，贮水罐（2），回水管路，通过管路串联在系统中，通过管道上的阀门进行切换控制；贮水罐（2）通过第一阀（V1）与太阳能集热器（1）相连，第一换热器（E1）分别与风机（P3）、贮水箱（2）、第一泵（P2）、第二阀（V7）相连。

3.根据权利要求1所述的多种可再生能源互补的分布式能源系统，其特征是太阳能集热器是太阳灶，或者是全玻璃真空管集热器，或者是碟式太阳能集热器，或者是槽式太阳能集热器，或者是塔式太阳能集热器。

4.根据权利要求1所述的多种可再生能源互补的分布式能源系统，其特征是，沼气发酵单元包括沼气发酵罐（3），压缩罐（4），由管路串联在系统中，沼气发酵罐利用太阳能集热器产生的热水加热。

5.根据权利要求1所述的多种可再生能源互补的分布式能源系统，其特征是，微型燃气轮机发电单元包括：微型燃气轮机（6），三相交流异步发电机组，微型燃气轮机和三相异步发电机组转动轴通过联轴器连在一起；微型燃气轮机所采用燃烧工质为沼气发酵单元产生的，并经过生物质燃气处理单元净化提纯的高浓度沼气。

6.根据权利要求1所述的多种可再生能源互补的分布式能源系统，其特征是，吸收式制冷单元包括余热交换器，即第二换热器（E2）、冷凝器（7）、节流阀（8）、蒸发器（9）、吸收器（10），通过管路串联在系统中；第二换热器（E2）分别与第二泵（P4）及冷凝器（7）相连，节流阀（8）与冷凝器（7）相连，蒸发器（9）与节流阀（8）相连，吸收器（10）分别与蒸发器（9）、第二换热器（E2）及第二泵（P4）相连；吸收式制冷单元所需驱动热源为微型燃气轮机发电后产生的废气，流动工质为氨-水混合物，或溴化锂-水溶液，或其他非共沸二元制冷剂工质对。

7.根据权利要求1所述的多种可再生能源互补的分布式能源系统，其特征在于微型燃气轮机发电单元产生的废气可驱动以氨-水为工质的，基于Kalina循环的功冷并供系统；余热功冷并供单元中的第二换热器（E2）分别与第二泵（P4）及蒸气过热器（13）相连，功冷并供发电透平（14）与蒸气过热器（13）相连，节流阀（8）与功冷并供发电透平（14）相连，蒸发器（9）上的风机盘管与节流阀（8）相连，吸收器（10）分别与风机盘管、第二换热器（E2）及第二泵（P4）相连。

Images