CN101994569A - 生物质能与太阳能分布式能源综合利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物质能与太阳能分布式能源综合利用系统。包括生物质气化装置、沼气发生装置、太阳能集热器、太阳能光伏发电装置和燃气-蒸汽联合循环发电装置，生物质燃气供燃气轮机组发电，燃气轮机排气供余热锅炉，余热锅炉主蒸汽供蒸汽轮机组发电，余热锅炉排气作为沼气发生装置主热源；太阳能集热器供热水并作为采暖热源和沼气发生装置备用热源，太阳能集热器热水经辅助加热器转换为高温热媒水驱动制冷机制冷，辅助加热器热源来自于燃气轮机部分高温废气，其排气作为沼气发生装置附加热源；沼气供炊事；太阳能光伏发电装置为公共设施提供电能。本发明实现了以直接满足用户多种需求的能源梯级利用，减轻了生态村能源消耗带来的环境污染。

Description

生物质能与太阳能分布式能源综合利用系统
技术领域
本发明涉及能源综合利用领域，特别是生态村建设中的一种生物质能与太阳能分布式能源综合利用系统。
背景技术
目前，农村中生物质能、太阳能的应用范围越来越广，但利用途径还比较单一。例如：生物质利用途径是通过发酵产生沼气，由于采用的小规模分散式模式，造成沼气产生量低，可调控性较差，不能合理分配和充分利用，只能用于居民日常生活，造成能源的浪费；又由于沼气的发酵过程受温度影响较大，特别是冬季温度低，造成沼气产量下降，难以满足正常的生活需要。太阳能集热器受天气影响很大，阴雨天太阳能集热器效率下降，难以满足居民用户正常的生活需要。
目前，人口、资源和环境问题依然是我国面临的最大挑战，我国实现可持续发展的唯一选择就是全力提高资源的利用效率，最大限度地减轻环境污染，分布式能源系统是保证我国能源可持续发展战略实施的有效途径之一，它通过对能源实现梯级利用，减少中间输送环节损耗，实现了资源利用的最大化。分布式能源系统的一次能源以气体燃料为主，可再生能源为辅，其二次能源以分布在用户端的热、电、冷联产为主，以直接满足用户多种需求，其它能源供应系统为辅，将电力、热力、制冷与蓄能技术结合，实现能源梯级利用，并通过公用能源供应系统提供支持和补充。各系统在低压电网和冷、热水管道上进行就近支援，互保能源供应的可靠性，从而节约能源，保护环境。
中国发明专利(申请号：200810150030.5)公开了一种太阳热能与生物质能互补的冷热电联产系统，其能量转化利用率和品位有所提高，产生的电能、热能，使沼气得到综合利用，实现了冷热电三联产，但是该专利中太阳能仅用于沼气池的加热，太阳能利用率低，同时该系统的研发只从工艺系统本身考虑，未从用户的角度出发，能源综合利用率低。目前，研发新能源的高效利用方式，实现多能源互补综合利用系统，可有效缓解含碳能源利用带来的环境和安全性问题。
发明内容
本发明是为了解决广大农村居民生活中沼气和太阳能利用率低的问题，而提供的一种生物质能与太阳能分布式能源综合利用系统。此系统以生态村为实施主体，通过生物质气化、发酵与太阳能光电转换、太阳能集热器技术，实现生态村两种能源的互补及能量的梯级综合利用。
本发明解决所述问题采用以下技术方案：
一种生物质能与太阳能分布式能源综合利用系统，包括生物质气化装置、沼气发生装置、太阳能集热器、太阳能光伏发电装置，所述生物质气化装置配备有由燃气轮机、蒸汽轮机、余热锅炉、发电机构成的一拖一双轴燃气-蒸汽联合循环发电装置，该生物质气化装置产生的燃气供燃气轮机，燃气轮机产生的高温废气作为余热锅炉的热源，余热锅炉产生的主蒸汽供蒸汽轮机，燃气轮机和蒸汽轮机通过减速机共同驱动发电机为居民用户供电，该生物质气化装置产生的燃气供燃气轮机带动发电机为用户供电，燃气轮机产生的高温废气作为余热锅炉的热源，余热锅炉产生的主蒸汽供蒸汽轮机带动发电机为用户供电，余热锅炉排气送往沼气发生装置的圆筒壁夹层作为加热主热源；所述太阳能集热器为用户提供热水并作为采暖热源和沼气发生装置备用热源，太阳能集热器产生的热水通过辅助加热器转换为高温热媒水作为动力驱动制冷机对室内制冷，该辅助加热器其热源来自于燃气轮机的部分高温废气，其排气送往沼气发生装置的圆筒壁夹层作为附加热源；所述沼气发生装置产生的沼气经沼气净化与储存装置后供用户炊事之用；所述太阳能光伏发电装置直接为公共设施提供电能。
本发明上述生物质能梯级利用系统采用集中控制系统，燃气-蒸汽联合循环装置发电给居民用户与太阳能光伏装置发电给公共设施供电，集中生产沼气供给居民用户用于炊事，采用太阳能集热器分散安装的形式，每户独立形成小循环系统，给居民用户全年供热水，并给辅助加热器提供预热水源。在春、秋季光照不足，太阳能集热器不能正常工作时，可紧急启动辅助加热器确保居民用户热水温度。在冬季采暖期间正常启动辅助加热器，确保居民用户集中采暖质量和热水温度。在夏季制冷期间，正常启动辅助加热器生产高温热媒水作为动力驱动制冷机集中对室内制冷。
与现有技术相比，本发明所述分布式能源综合利用系统，包括生物质气化并网发电供居民用户与太阳能光伏发电直供公共设施照明的供电系统，太阳能集热器和生物质能间接再加热的全年热水供应、供暖和制冷的综合利用系统，生物质发酵单独供清洁燃气的供气系统。该分布式能源综合利用系统旨在满足生态村用户对能源的多种需求，减轻生态村能源消耗带来的环境污染，达到节能减排的目的。
附图说明
图1为本发明系统方框图。
图2为本发明系统结构示意图。
图3为本发明沼气发生装置主视图。
图4为本发明沼气发生装置侧视图。
图5为本发明沼气发生装置俯视图。
图6为本发明太阳能综合利用系统图。
附图中标号表示如下：1.生物质气化装置；2.燃气透平；3.燃烧室；4.压气机；5.减速机；6.发电机；7.蒸汽轮机；8.凝汽器；9.给水泵；10.凝结水泵；11.轴封冷却器；12.除氧器；13.余热锅炉；14.沼气发生装置；15.小型压气机；16.太阳能集热器；17.净化装置；18.储气室；19.用户；20.烟囱；21.辅助加热器；22.进料口；23.加热源进口管路；24.加热源出口管路；25.沼气出口管路；26.圆筒壁夹层；27.沼渣出口管路；28.喷嘴；29.沼气自用管路；30.沼气自用分支管路；31.阀门；32.制冷机；33.光伏发电装置。其中，燃气透平2、燃烧室3和压气机4组成燃气轮机。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
本实施例以拥有1000户居民的生态村模型为例进行说明。生态村模型主要由耕地、菜园、池塘、养殖场、山林和居民建筑等组成。
参看图1，利用太阳辐射加热太阳能集热器16中的水，实现辐射能向热能的转换，在光照不足的条件下，利用燃气透平2的排气给辅助加热器21提供热源，以满足全年供热水、冬季采暖与夏季制冷的要求；同时利用较为成熟的太阳光伏发电装置33实现光电转换为公共设施供电。利用生物质气化装置1集中规模连续生产燃气，通过燃气-蒸汽联合循环装置实现生物质能向电能的转换，为居民用户供电。生物质发酵是采用沼气发生装置14集中生产的方式以满足用户19使用清洁燃气的需要。
参看图2，秸秆等送入生物质气化装置1，产生的燃气进入燃烧室3中，与来自压气机4的高压空气混合燃烧，燃烧后的高温气体进入燃气透平2中做功，做功后的高温排气进入余热锅炉13进行余热回收，产生的过热蒸汽送往汽轮机7中，排汽经凝汽器8被冷却后，经凝结水泵10，轴封冷却器11送往余热锅炉13，加热后进入除氧器12除氧，再经给水泵9送回余热锅炉13，产生的蒸汽送到汽轮机7做功，燃气透平2与汽轮机7通过减速机5共同驱动一台发电机6发电，发出的电并网或经变电设备后直接送往用户19。沼气发生装置14产生的沼气送往净化装置17，经净化后的沼气进入储气室18中，从储气室出来的沼气分成两路，一路进入小型压气机15回流至沼气发生装置14中用于搅拌，提高装置效率；另一路进入用户19为居民用户提供炊事用燃料，沼气发生装置14的加热源有三路，一路是燃气蒸汽联合循环中余热锅炉13的排气为主热源，一路是21辅助加热器的排气为附加热源，一路是太阳能集热器16的热水作为备用热源。
参看图3、图4、图5，林业废物、禽畜粪便等生物质从进料口22进入沼气发生装置14中，进行发酵产生的沼气经沼气出口管路25送往沼气净化装置17中，净化后的沼气进入储气室18中，再经沼气自用分支管路30，回流至沼气发生装置14中，用于产生气泡以达到搅拌发酵原料提高装置效率的目的。三种热源都通过加热源进口管路23进入沼气发生装置14圆筒壁夹层26中，对发酵过程进行热控制，确保加热均匀，并维持温度稳定，释放热量后的排气经由加热源出口管路24送往温室大棚或放散到大气环境中，发酵室产生的沼渣经沼渣出口管路27排出送往池塘或还田。
参看图6，光伏发电装置33发出的电主要供公共设施照明。冷水经太阳能集热器16加热后，分三路，一路是全年热水送往用户19，一路是夏季通过制冷机32制冷送往用户19，一路是冬季送往用户19采暖。当光照不足时，热水通过辅助换热器21吸收来自燃气透平2的部分高温排汽热量后供给用户，排气进入沼气发生装置14中。
本实施例中，每户一天平均消耗的沼气量为1.5m3，沼气平均热值约为23600kJ/m3，沼气发生装置产生的沼气直接供给用户用于炊事等。每户每月平均用电量为50kWh，通过调查发现玉米、小麦亩产秸秆约为600kg，通常秸秆中的纤维素、木质素含量越多，热值越高，则气化秸秆热值约16700kJ/kg，设计模型中取耕地面积为200公顷，可产秸秆约3.6×106kg，秸秆总热值为6×1010kJ。秸秆气化效率取50％，则可供给联合循环装置总热量为3.0×1010kJ，而实际燃气-蒸汽联合循环效率为55％，即有效利用热量为1.65×1010kJ。燃气-蒸汽联合系统选用装机容量为600kW燃气轮机和400kW汽轮机，经计算模型中生物质产生的能量可以保证燃气轮机和汽轮机年运行6000小时，平均负荷率为77％。整个系统利用燃气轮机和汽轮机发电供给用户使用，太阳能光伏发电作为独立系统主要供给公共设施照明。
在阳光充足的情况下，正午前后共8小时的太阳能辐射能量约为1000W/m2。考虑到大气污染以及实际光照条件等因素，实际可吸收的太阳能能量为900W/m2，每户太阳能集热器换热面积为5×4m2，集热器热效率为50％，供给用户时管道热损10％，每天实际可利用能量为8100kJ。循环水经太阳能集热器吸热后给用户供暖、制冷和提供日常热水。考虑到恶劣天气的影响，太阳能集热器效率低甚至无法工作，这时可利用燃气轮机的排汽通过辅助换热器给循环水加热，以保证居民冬季正常采暖和夏季制冷。
整体分布式能源系统利用太阳能和农村最普遍的生物质资源通过能量的综合梯级利用系统实现了生物质能与太阳能的供电、供暖、制冷、供燃气和供热水五联产。该分布式能源综合利用系统在不需要生态村外一次能源输入的情况下，做到了自给自足，系统适合小范围区域使用，除了满足生态村居民基本生活要求以外，春秋季节多发的电还可输入电网。

Claims (1)

1.一种生物质能与太阳能分布式能源综合利用系统，包括生物质气化装置、沼气发生装置、太阳能集热器、太阳能光伏发电装置，其特征在于，所述生物质气化装置配备有由燃气轮机、蒸汽轮机、余热锅炉、发电机构成的一拖一双轴燃气-蒸汽联合循环发电装置，该生物质气化装置产生的燃气供燃气轮机，燃气轮机产生的高温废气作为余热锅炉的热源，余热锅炉产生的主蒸汽供蒸汽轮机，燃气轮机和蒸汽轮机通过减速机共同驱动发电机为居民用户供电，该生物质气化装置产生的燃气供燃气轮机带动发电机为用户供电，燃气轮机产生的高温废气作为余热锅炉的热源，余热锅炉产生的主蒸汽供蒸汽轮机带动发电机为用户供电，余热锅炉排气送往沼气发生装置的圆筒壁夹层作为加热主热源；所述太阳能集热器为用户提供热水并作为采暖热源和沼气发生装置备用热源，太阳能集热器产生的热水通过辅助加热器转换为高温热媒水作为动力驱动制冷机对室内制冷，该辅助加热器其热源来自于燃气轮机的部分高温废气，其排气送往沼气发生装置的圆筒壁夹层作为附加热源；所述沼气发生装置产生的沼气经沼气净化与储存装置后供用户炊事之用；所述太阳能光伏发电装置直接为公共设施提供电能。
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