CN101055121A - 微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统 - Google Patents

Abstract

一种能源技术领域的微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统。本发明包括：太阳能集热系统、有机物朗肯循环的热力发电系统、吸附式制冷系统、供暖和热水系统、热水分配系统以及控制系统、补燃装置。太阳能集热系统通过补燃装置与热水分配及控制系统管道连接，有机物朗肯循环的热力发电系统、吸附式制冷系统以及供暖和热水系统通过管道并联在热水分配及控制系统下游。本发明通过真空管太阳能热水器提供热水，以ORC发电系统提供电力，吸附式制冷系统提供空调用冷水，生活热水；热水分配装置进行面向用户的调节和控制，按用户的需求确定系统进行发电、制冷、采暖，并且系统预设补燃装置，以备光照不足或用户需求过大时的要求。

Description

微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统

技术领域

本发明涉及的是一种能源技术领域的系统，具体是一种微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统。

背景技术

可再生能源的开发和利用对于解决人类日益严峻的能源问题具有决定性的意义。太阳能是地球上大多数能源的最初来源，同时也被认为是最有潜力的可再生能源之一。太阳能热力发电系统有塔式、槽式以及碟式三种类型。由于太阳能能量密度低，热源温度不高，开发利用难度较大。太阳能热电系统主要是基于各种集热技术的热力循环(特别是有机物朗肯循环)系统。有机物朗肯循环(ORC)，是以低沸点有机物为工质的闭式朗肯循环。当热源温度低于370℃时，以水作为朗肯循环工质是不经济的；而以有机物为循环工质能克服水的缺点，实现较高的发电效率。并且不同的有机物工质，可以用于回收不同温度范围的低品位热能，具有很好的适应性。

吸附式制冷是利用气体-固体之间的吸附与解吸作用，起到类似于压缩式制冷中压缩机的作用。气体工质在解吸过程中具有较高压力，进入冷凝器冷凝；而在吸附过程中压力较低，从而工质在蒸发器中蒸发吸热，实现类似热力循环的过程。上述过程是间歇式的，如果使用两个以上的吸附床，则可以实现连续工作；并且若采用连续回热型多床吸附式制冷系统，COP可以达到1.2甚至更高。吸附式冷水机组主要适用于有低温热源(55℃-99℃热水)并需要提供空调冷水的场合，十分适合太阳能热水器所生产的热水。由于吸附式制冷所采用的工质为绿色环保的自然工质，可以有效克服CFC类蒸汽压缩式制冷工质对环境的破坏，使得吸附式制冷取得了比较多的应用。吸附式制冷的最大优点是可以采用各种低品位热能，当热源温度低于100℃时其COP仍是十分可观的。吸附式制冷在国内外已有大量研究，并且有商业化产品。

冷热电联供分布式供能系统是指分布在用户端的能源梯级利用和可再生能源及资源综合利用设施。分布式能源直接安装在用户端，通过在现场对能源实现温度对口梯级利用，尽量减少中间输送环节的损耗，实现资源利用的最大化。分布式能源系统的最主要的优点是用在冷热电联产中，温度对口、梯级利用。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利名称为：太阳能平板式冷热联供装置及其液体循环方法，申请号为：00129169.6，该专利公开了一种基于吸附原理的太阳能冷热联供系统。系统采用制冷和供热双循环方式，其中制冷过程回收冷凝热、吸附床显热和吸附剂吸附热。该专利仅考虑冷热联供，没有涉及供电的应用，并且该专利没有涉及冷热电联供时的控制策略问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统，使其能够利用太阳能热水器热水进行冷热电联供，成本低，所利用的能源为绿色可再生的太阳能，发电、供冷和供热过程均不消耗化石能源，并且功能齐全。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：太阳能集热系统、有机物朗肯循环的热力发电系统、吸附式制冷系统、供暖和热水系统、热水分配及控制系统、补燃装置。连接方式为：太阳能集热系统通过补燃装置与热水分配及控制系统管道连接，有机物朗肯循环的热力发电系统、吸附式制冷系统以及供暖和热水系统通过管道并联在热水分配及控制系统下游。

所述太阳能集热系统包括太阳能真空管热水器阵列、集热水箱，两者通过管道互相连接，形成循环。太阳光照射真空管，使得水温升高，密度减小，热水向上运动，而比重大的冷水下降。热水始终位于上部，即集热水箱中。太阳能热水器中热水的升温情况与外界温度关系不大，主要取决于光照。太阳能真空管热水器直接采用市场上销售的商业化产品。

所述有机物朗肯循环的热力发电系统是本发明的核心系统之一，包括蒸发器、冷凝器、冷却器、膨胀机、循环泵、发电机、储液罐。连接管道按照蒸发器、膨胀机、冷凝器、冷却器、储液罐、循环泵的次序形成闭式朗肯循环，具体连接关系为：蒸发器二次侧进口连接循环泵出口，蒸发器二次侧出口连接膨胀机入口，膨胀机出口连接冷凝器二次侧入口，冷凝器二次侧出口连接冷却器二次侧入口，冷却器二次侧出口连接储液罐入口，储液罐出口连接循环泵入口，循环泵出口连接蒸发器二次侧入口，最终形成循环。蒸发器一次侧入口连接热水分配与控制系统，蒸发器一次侧出口连接至太阳能集热系统。冷凝器和冷却器一次侧入口与外界自来水管道连接，冷凝器和冷却器出口直接排放。膨胀机与发电机通过联轴器进行连接。

本发明所述的有机物朗肯循环热力发电系统的主要工作过程如下：(1)工质在蒸发器中吸收低品位热能，由液态变为气态；(2)工质蒸汽在透平中绝热膨胀做功；(3)工质在冷凝器和冷却器中等压放热；(4)泵将工质加压进入蒸发器吸热，从而实现热力循环。朗肯循环工质的选择是这个系统的核心问题之一，选择工质主要考虑两个方面的因素：热力特性和环保。热力特性主要是为了使工质在循环过程中系统效率足够高，压力较适宜，且设备能工作在较安全的区域内。一般认为，蒸发压力在0.9到1.5MPa下的ORC系统能实现较高的效率，并且设备的成本也比较适宜。环保性是指工质的对臭氧层和温室效应的作用，需要采用对臭氧层没有破坏，且温室效应低的工质。本发明朗肯循环采用工质是R123或R245fa等环保的制冷工质。R245fa经过计算表明适合用于回收温度在200C以下的热能，并且这种工质的ODP(臭氧层衰减指数)值为0，GWP(温室效应指数)值为820，符合环保的要求。

所述吸附式制冷系统可以采用吸附式制冷机组，如江苏双良空调设备有限公司生产的吸附式制冷机组，COP可以达到0.6。吸附式制冷机组吸附床入口端连接热水分配系统，其出口连接至太阳能集热系统；吸附式制冷机组蒸发器入口、出口端与用户空调末端连接。吸附式制冷机组冷凝器与外界冷源相连接。空调系统生产的冷水通过泵进入用户端的风机盘管，实现制冷。吸附式制冷工作过程中，两个吸附床交替工作，一个吸附床在吸附时可以将一部分显热和吸附热通过传给另一台正在解吸的吸附床，从而节省能量，实现较高的COP。

所述供暖和热水系统较简单，可直接将太阳能集热器生产的热水通入用户，提供用户热水和采暖的需要，采暖设备根据用户的需求可采用不同的方式，可以是地板采暖或者风机盘管等空调末端采暖。

所述热水分配和控制系统由工控机、三个并联的热水分配电磁阀、用户端温度传感器、集热水箱水位传感器、集热水箱温度传感器、水位执行阀组成。热水分配电磁阀入口与补燃装置通过管道连接，阀门出口分别与有机物朗肯循环热力发电系统、吸附式制冷系统和供暖和热水系统连接，用于控制上述三个系统热水供应。阀门的开启和关闭通过工控机进行控制。工控机与用户端温度传感器、集热水箱水位传感器、集热水箱温度传感器通过信号线连接，接收上述传感器信号；工控机与热水分配电磁阀、水位执行阀、补燃装置通过信号线连接，控制其工作。

本发明所述的热水分配和控制系统主要目的是对集热器热水进行合理的分配，在分配策略上，根据用户的需求，可以采用以冷定电、以电定冷、以电定热及以热定电等方式。以冷定电是指当用户的主要需求为制冷需求时，则热水分配主要通入吸附式制冷系统用于制冷，优先满足用户制冷负荷，此时发电和采暖系统仅使用制冷剩下的热水进行工作，甚至可以不工作；以电定冷是指当用户端主要需要为电力需求时，集热器热水优先通入朗肯循环系统，以满足用户电力需求，而制冷、采暖系统为次要考虑的对象；以电定热和以热定电的工作方式与上述工作形式相类似。热水分配和控制系统的核心是工控机，工控机通过编程预先设置上述四种工作方式，控制方式主要是通过热水分配电磁阀来实现，用户可以根据季节来设置控制策略，或者手动临时设置某种方式，以满足用户需求。

所述补燃装置根据用户的实际情况，采用不同燃料进行补燃。当气象条件不理想，集热水箱温度无法满足用户端发电、制冷或者采暖的负荷要求时，控制系统控制补燃装置工作，加热热水使其达到工作温度(甚至可以高于气象条件较好时热水温度)，从而实现用户对冷热电的需求。

本发明综合了有机物朗肯循环发电系统、吸附式制冷系统和采暖及热水系统，可以为用户提供冷、热、电，实现了绿色环保的分布式供能，在太阳能充足的地方具有很好的应用前景。

本发明采用的有机物朗肯循环发电系统，采用低沸点有机物为循环工质，能高效地回收低品位热能用于发电，并且具有膨胀机设计制造简单，系统设备少的特点，是太阳能热力发电的一种有效方式。

本发明采用的吸附式制冷系统，是一种新型的太阳能制冷方式，能有效克服太阳能能量密度低的缺点，具有容量小、驱动热源温度低等特点，并且这种制冷方式已有产品生产，可行性好。

本发明的主要思想是：每天真空管太阳能热水器搜集太阳能，所生产的热水储存在热水箱内作为能量储存，一般太阳能热水器的热水在气象条件适合的情况下可以达到95℃甚至更高，这些热水通过一个热水分配的装置进行调节分配；根据用户的需求，可以采用以冷定电、以电定冷、以电定热及以热定电等方式。

在本发明中，可以合理的设计系统的规模，使得系统既能适应用户的需求，又能尽可能地降低成本：1.从ORC发电系统角度计算，保持1kW电力输出2小时，假设热水温度为95℃，进入蒸发器温度为95℃，离开蒸发器时温度降为60℃，热力发电的循环效率为5-7％，需要的热水量为816.2-1142.8Kg；2.吸附式制冷COP值可取为0.6-0.7。则保持两小时2kW制冷量所需的热水量为489.4-571Kg；通过计算，可以看到，每天太阳能热水器只要生产2吨热水，就可以保持1kW电力输出4小时，或者2kW制冷量输出4小时，该系统应能基本满足用户的需求。而且，对于实际电力并网的用户，大多数情况下，其主要的需求为对冷暖的需求，即主要满足用户冷暖的需求，而将电力输出作为副产品，当用户对冷暖要求低时，则输出电力。

本发明的相比较于传统太阳能利用系统，实现太阳能冷热电联供的分布是供能，而非单独的供冷供热，使得系统功能更为齐全；采用以环保的R245fa为工质的有机物朗肯循环系统，实现高效发电；采用热水箱储能的方式，实现一定程度的显热储能。本发明具有功能齐全，太阳能利用率高等特点，符合太阳能利用系统发展的趋势。

附图说明

图1为本发明的结构图，

图中：太阳能集热器阵列1、集热水箱2、补燃装置3、热水分配与控制系统4、蒸发器5、膨胀机6、发电机7、冷凝器8、冷却器9、储液罐10、循环泵11、热力发电系统12、吸附式制冷系统13、蒸发器14、冷凝器15、吸附床16、集热水箱水位传感器17、集热水箱温度传感器18、热水分配电磁阀19、工控机20、水位执行阀21。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括太阳能集热系统、有机物朗肯循环的热力发电系统12、吸附式制冷系统13、供暖和热水系统、热水分配与控制系统4、补燃装置3。连接方式为：太阳能集热系统通过补燃装置3与热水分配与控制系统4管道连接，有机物朗肯循环的热力发电系统12、吸附式制冷系统13以及供暖和热水系统通过管道并联在热水分配及控制系统4下游。

太阳能集热系统包括太阳能真空管热水器阵列1、集热水箱2。两者通过管道互相连接，形成循环。

有机物朗肯循环(ORC)的热力发电系统12包括蒸发器5、膨胀机6、发电机7、冷凝器8、冷却器9、储液罐10、循环泵11。连接管道按照蒸发器5、膨胀机6、冷凝器8、冷却器9、储液罐10、循环泵11的次序形成朗肯循环，其中：蒸发器5二次侧进口连接循环泵11出口，蒸发器5二次侧出口连接膨胀机6入口，膨胀机6出口连接冷凝器8二次侧入口，冷凝器8二次侧出口连接冷却器9二次侧入口，冷却器9二次侧出口连接储液罐10入口，储液罐10出口连接循环泵11入口，循环泵11出口连接蒸发器5二次侧入口，最终形成循环。蒸发器5一次侧入口连接热水分配与控制系统4，蒸发器5一次侧出口连接至太阳能集热系统。冷凝器8和冷却器9一次侧入口与外界自来水管道连接，冷凝器8和冷却器9出口直接排放。膨胀机6与发电机7通过联轴器进行连接。

吸附式制冷系统13采用吸附式制冷机组，包括吸附式制冷机组蒸发器14、吸附式制冷机组冷凝器15、吸附式制冷机组吸附床16等辅助设备。吸附式制冷机组吸附床16入口连接热水分配电磁阀19，其出口连接至太阳能真空管热水器阵列1；吸附式制冷机组蒸发器14进出口均与用户空调末端连接；吸附式制冷机组冷凝器15进出口与外接冷源相连接。吸附式制冷系统采用商业化吸附式制冷机组，其内部连接方式不再赘述。

供暖和热水系统通过热水分配电磁阀19与用户端连接。

所述热水分配和控制系统由工控机20、三个并联的热水分配电磁阀19、用户端温度传感器(附图中未标出)、集热水箱水位传感器17、集热水箱温度传感器18、水位执行阀21组成。三个并联的热水分配电磁阀19入口与补燃装置3通过管道连接，热水分配电磁阀19出口分别与有机物朗肯循环热力发电系统、吸附式制冷系统和供暖和热水系统连接，用于控制上述三个系统热水供应。三个并联的热水分配电磁阀19的开启和关闭通过工控机20进行控制。工控机20与用户端温度传感器、集热水箱水位传感器17、集热水箱温度传感器18通过信号线连接，接收上述传感器信号；工控机20与热水分配电磁阀19、水位执行阀21、补燃装置3通过信号线连接，控制其工作。

补燃装置3连接于集热水箱2和热水分配与控制系统4之间，用于满足气象条件不佳时用户的冷热电负荷需求。

太阳能真空管热水器阵列1收集的热水储存于集热水箱2内，集热水箱2采取足够的保温措施，作为本系统的能量储存设备，当集热水箱2水量不够时，由外接水管供水。集热水箱2一般置于屋顶，进水利用自来水的压力直接输送，而热水向下供应时，则利用其高位的压力实现供水，以节约电力消耗。设计太阳能真空管热水器阵列1热水温度85℃-98℃之间，储存于集热水箱2中，作为显热能量储存。当太阳辐射能量不足或用户对能源需求较大时，补燃装置3工作，为用户提供足够的能源。

当用户端有电力需求时，则热水分配与控制系统4工作，将集热水箱2内热水引导至有机物朗肯循环(ORC)的热力发电系统12的蒸发器5中，作为该系统的热源，而热力发电系统的冷源则是直接采用外接自来水，经过冷凝器9和冷却器8的水具有一定的能量，并入太阳能真空管热水器阵列1，以实现能量的回收利用。ORC系统具体工作过程和参数设计如下：

1温度约为95℃-98℃的热水进入ORC系统蒸发器5，与工质R245fa进行换热，设计蒸发压力为9bar，此时蒸发温度为85.3℃。工质在蒸发器5中蒸发并且过热，出口温度可达到90℃左右；

2压力9bar、温度90℃的R245fa蒸汽进入膨胀机6膨胀做功，出口蒸汽压力设计2bar，膨胀机6出口温度约为59.0℃；

B2-B3：膨胀机6出口蒸汽经冷凝器9和冷却器8冷却，从气态变为液态；冷源取室温下的水，约为20℃，出口温度设计约为40.4℃；

B3-B4：液态工质由循环泵11加压，从压力2bar升至9bar，重新进入蒸发器5，完成循环。

上述过程理论上可实现的效率9.33％，考虑到各种损失，保守估计效率可达5-7％，考虑到系统不使用化石能源，故在这种效率下系统具有一定的价值。

当用户端有制冷的需求时，热水分配与控制系统4将热水输送至吸附式制冷系统13，机组利用热水的能量制冷。通过吸附床16后的热水仍旧进入太阳能真空管热水器阵列1。吸附式机组可采用商业化的余热利用吸附式机组。简单的吸附式制冷工作过程如下：

1当吸附床16通过高温热水时，吸附床16发生解吸，床内压力升高至饱和压力时，水在冷凝器15中冷凝放热；

2反之，吸附床16发生吸附作用时，床内压力减小，此时蒸发器14内工质蒸发吸热，实现制冷效果；

3为了实现连续制冷，一般吸附式机组都有两个吸附床16，两个吸附床16交替工作，并且通过控制相关的阀门开闭，实现制冷效果。两个吸附床16相当于蒸汽压缩式制冷中的压缩机的作用。

当用户端有采暖或热水需求时，热水分配与控制系统4直接将热水输送至用户端。当因消耗导致集热水箱2水量减少时，集热水箱2的外接自来水阀门打开，将外接的水补充至集热水箱2内。当用户需求量较大或气象条件不适合时，可以采用补燃装置3对热水进行加热。系统工作过程中，热水输送的过程是一个循环的过程，只需要克服管道的阻力，因而可以最大限度的减少电力消耗。

Claims (7)

1、一种微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统，包括：太阳能集热系统、有机物朗肯循环的热力发电系统、吸附式制冷系统、供暖和热水系统、热水分配及控制系统、补燃装置，其特征在于，太阳能集热系统通过补燃装置与热水分配及控制系统管道连接，有机物朗肯循环的热力发电系统、吸附式制冷系统以及供暖和热水系统通过管道并联在热水分配及控制系统下游。

2、根据权利要求1所述的微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统，其特征是，所述太阳能集热系统包括太阳能真空管热水器阵列、集热水箱，两者通过管道互相连接，形成循环。

3、根据权利要求1所述的微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统，其特征是，所述有机物朗肯循环的热力发电系统包括：蒸发器、冷凝器、冷却器、膨胀机、循环泵、发电机、储液罐；蒸发器、膨胀机、冷凝器、冷却器、储液罐、循环泵的依次通过连接管道连接形成朗肯循环，其中：蒸发器二次侧进口连接循环泵出口，蒸发器二次侧出口连接膨胀机入口，膨胀机出口连接冷凝器二次侧入口，冷凝器二次侧出口连接冷却器二次侧入口，冷却器二次侧出口连接储液罐入口，储液罐出口连接循环泵入口，循环泵出口连接蒸发器二次侧，最终形成循环；蒸发器一次侧入口连接热水分配与控制系统，蒸发器一次侧出口连接至太阳能集热系统，冷凝器和冷却器一次侧入口与外界自来水管道连接，冷凝器和冷却器出口直接排放，膨胀机与发电机通过联轴器进行连接。

4、根据权利要求1所述的微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统，其特征是，所述吸附式制冷系统采用吸附式制冷机组，吸附式制冷机组吸附床入口端连接热水分配系统，其出口连接至太阳能集热系统；吸附式制冷机组蒸发器入口、出口端与用户空调末端连接，吸附式制冷机组冷凝器与外界冷源相连接。

5、根据权利要求1所述的微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统，其特征是，所述热水分配和控制系统由工控机、三个并联的热水分配电磁阀、用户端温度传感器、集热水箱水位传感器、集热水箱温度传感器、水位执行阀组成；热水分配电磁阀入口与补燃装置通过管道连接，三个并联的热水分配电磁阀出口分别与有机物朗肯循环热力发电系统、吸附式制冷系统和供暖和热水系统连接，用于控制上述三个系统热水供应，热水分配电磁阀的开启和关闭通过工控机进行控制，工控机与用户端温度传感器、集热水箱水位传感器、集热水箱温度传感器通过信号线连接，接收上述传感器信号；工控机与热水分配电磁阀、水位执行阀、补燃装置通过信号线连接，控制其工作。

6、根据权利要求1所述的微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统，其特征是，所述供暖和热水系统通过热水分配阀与用户端连接。

7、根据权利要求1所述的微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统，其特征是，所述补燃装置连接于集热水箱和热水分配与控制系统之间。

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