CN103061833A - 一种太阳能与生物质能复合的热电联产装置 - Google Patents

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陈义波
徐宝江
陈军伟
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Abstract

发明公开了一种太阳能与生物质能复合的热电联产装置。发明主要针对传统太阳能中低温有机朗肯循环装置中热源品质不稳定、冷凝热未得到有效利用等问题，通过增加生物质能的特殊复合结构，并有效利用冷凝热等制取生活热水，实现太阳能有机朗肯循环发电装置性能稳定性的加强以及能源多级利用下的热电联供。该装置包括太阳能集热端、生物质热能发生端的热源蒸发换热子装置，有机朗肯循环发电子装置，以及生活热水制备子装置三部分。通过热源蒸发换热子系统的简单控制，可实现装置多种运行模式的切换，满足处于不同气候条件下建筑物的不同需求，保证其适用性和稳定性。

Description

一种太阳能与生物质能复合的热电联产装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能与生物质能复合利用、利用朗肯循环实现的热电联产装置。通过复合蒸发换热器端的有效调节，可有效提高传统太阳能热电联供装置的稳定性。 
背景技术
在能源压力的冲击下，近年来国内新型能源太阳能相关产业迅猛发展。太阳能光伏发电技术已在国内外多处大中型项目中获得实际应用，但在应用过程中存在着一些问题：多晶硅生产过程中的污染，光伏发电利用多晶硅电池等载体把光能转化为电能的过程对传统电网的调控能力考验很大，成本较高且蓄电池的使用寿命有待考验。与此同时，由于太阳能光热发电的储存量大、稳定性好以及储能质量高等方面的优越性，利用太阳能光热的中低温有机朗肯循环系统开始投入应用。按照建设部的规划，预计2020年后，光热发电开始规模化建设。 
太阳能光热发电是利用聚光器捕获、聚集太阳辐射能，并通过载热流体将能量传送至蒸汽发生器产生中高位热流体，然后驱动传统热机(如汽轮机、燃气轮机、斯特林机等)来产生电能的一门综合性高新技术。目前，太阳能光热发电技术包括四类：槽式、线性菲涅尔式、碟式及塔式，其中槽式和塔式太阳能热发电站目前均已实现了商业化运行。利用太阳能的有机朗肯循环系统的主要优点在于，系统能够利用可再生太阳能热源获得中低温有机工质蒸汽达到较高的发电效率。太阳能资源由于其储量大、普遍性、清洁性、经济性特点，被认为是目前商业化程度最高的可再生能源。同时，由于其昼夜间断性、以及太阳能集热能力对气候的依赖性，太阳能的开发利用普遍存在着系统稳定性和持续性问题。另外，目前投入使用的太阳能朗肯循环装置大多采用纯工质的单机朗肯内循环系统。在传统装置中，汽轮机或者膨胀机排出的工质乏汽进入冷凝器冷凝后，大量冷凝热未获得有效利用而直接排入环境，降低了装置的热效率。由于此时有机工质携带的热量均来自太阳辐射，则这些未加利用的冷凝热无疑增加了太阳能集热装置的安装面积，降低了装置的经济性，尤其是在需要大量生活热水的场所。 
因此，为了保证传统太阳能驱动朗肯循环装置的稳定性、提高能源利用效率，通过一定方式复合稳定的生物质锅炉热源，并对冷凝热进行有效回收具有十分重要的实际意 义。 
发明内容
技术问题：本发明是针对传统的太阳能驱动朗肯循环发电系统稳定性差、光热利用效率低等主要缺点，提供一种太阳能与生物质能复合的热电联产装置，通过一定方式复合稳定的生物质锅炉热源，并增加回收冷凝热的生活热水系统，实现中低温朗肯循环装置的稳定供应电及热，能够有效地解决传统太阳能热电装置的主要问题。 
技术方案：这种太阳能生物质能复合的中低温热电联产装置，包括热源蒸发换热子装置、朗肯循环发电子装置，以及生活热水制备子装置，通过系统调节控制，实现不同环境要求下的功能。 
热源蒸发换热子装置包括太阳能端热源蒸发换热器和生物质能端热源蒸发换热器，以及第一阀门、第二阀门和第三阀门。其连接方式为：第一阀门与太阳能端热源蒸发换热器并联连接后，通过第二阀门与生物质能端热源蒸发换热器进口相连，第一阀门的出口与第三阀门连通，且第三阀门的另一端与生物质能端热源蒸发换热器相连。太阳能端热源蒸发换热器一侧流体为朗肯循环有机工质，另一侧流体为太阳能集热器侧导热流体，其中太阳能集热器侧可采用热管、复合抛物面集热器实现太阳能的集热。生物质能端热源蒸发换热器一侧流体为朗肯循环有机工质，另一侧流体为生物质锅炉侧导热流体。 
朗肯循环发电子装置包括蒸发器、蓄热器、汽轮机、发电机、冷凝换热器、循环泵。蓄热器包括储液罐、盘管和相变材料，其中内部填充有相变材料的盘管均布于储液罐内。其连接方式为：蓄热器的进口端与热源换热系统图连接，相应的另一端出口连接汽轮机，汽轮机的输出端连接着发电机，汽轮机的排气口连通着冷凝换热器的入口，冷凝换热器的出口连通着循环泵，循环泵的另一端与热源换热子装置的入口连通。其中，由于汽轮机进口前的蓄热器处配置了带相变蓄热功能的储液罐，能够在储液罐内部形成较为恒定的工质蒸汽压，即使工质经蒸发器后未达饱和蒸汽状态，仍可在储液罐中进一步吸热汽化，从而保证汽轮机在额定工况下稳定工作。 
生活热水制备子装置包括冷凝换热器、蓄热器、第四阀门及第五阀门。生活热水进口与冷凝换热器的出口连通，蓄热器与第五阀门接至冷凝换热器进口，第四阀门旁通蓄热器连接。 
通过热源蒸发换热器侧阀门的开闭可实现强太阳辐射、较弱太阳辐射、夜间及阴 雨天气等气候条件下建筑物的热电需求。 
附图说明
图1为本发明的太阳能生物质能复合的中低温热电联产装置的结构原理图。 
图中，太阳能端热源蒸发换热器1，生物质能端热源蒸发换热器2，蓄热器3，汽轮机4，发电机5，冷凝器6，循环泵7，第一阀门8、第二阀门9、第三阀门10、第四阀门11、第五阀门12。 
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施方式对本发明作进一步描述。 
一种太阳能生物质能复合的热电联产装置，包括热源蒸发换热子装置、朗肯循环发电子装置，以及生活热水制备子装置，通过系统不同的调节控制方式，实现不同环境要求下的系统功能。 
热源蒸发换热子装置包括太阳能端热源蒸发换热器1和生物质能端热源蒸发换热器2，以及第一阀门8、第二阀门9和第三阀门10。其连接方式为：第一阀门8与太阳能端热源蒸发换热器1并联连接后，通过第二阀门9与生物质能端热源蒸发换热器2进口相连，第一阀门8的出口与第三阀门10连通，且第三阀门10的另一端与生物质能端热源蒸发换热器2相连。太阳能端热源蒸发换热器1一侧流体为朗肯循环有机工质，另一侧流体为太阳能集热器侧导热流体，其中太阳能集热器侧可采用热管、复合抛物面集热器实现太阳能的集热。生物质能端热源蒸发换热器2一侧流体为朗肯循环有机工质，另一侧流体为生物质锅炉侧导热流体。 
朗肯循环发电子装置包括蒸发器、蓄热器3、汽轮机4、发电机5、冷凝换热器(6)、循环泵7。蓄热器包括储液罐、盘管和相变材料，其中内部填充有相变材料的盘管均布于储液罐内。其连接方式为：蓄热器3的进口端与热源换热系统图连接，相应的另一端出口连接汽轮机4，汽轮机4的输出端连接着发电机5，汽轮机4的排气口连通着冷凝换热器6的入口，冷凝换热器6的出口连通着循环泵7，循环泵7的另一端与热源换热子装置的入口联通。 
生活热水制备子装置包括冷凝换热器6、蓄热器3、第四阀门11及第五阀门12。生活热水进口与冷凝换热器6的出口连通，蓄热器3与第五阀门12接至冷凝换热器6进口，第四阀门11旁通蓄热器3连接。 
经热源蒸发换热器侧蒸发的有机工质蒸汽经过蓄热器3，蓄热器包括储液罐、盘管和相变材料，其中内部填充有相变材料的盘管均布于储液罐内。有机蒸汽可在蓄热器内发生相变蓄热，发电所需的有机蒸汽经过汽轮机4做功，驱动发电机5发电，汽轮机排出的工质乏汽进入冷凝器6，冷凝器出口的冷凝有机工质通过循环泵7送入热源蒸发换热子装置。其中，生活热水进入冷凝器获取冷凝热，并进入蓄热器3以备冷凝热不能满足生活热水制备需求的情况。 
该装置在不同环境条件下的工作状况如下所述。 
模式一：白天辐射光照强度足够提供建筑用电量(如炎热夏季的白天)。此时第一、二、五阀门关闭，第三、四阀门开启。此时有机工质仅通过太阳能端热源蒸发换热器1蒸发，有机工质蒸汽进入蓄热器3蓄热，有机蒸汽经蓄热器进入汽轮机4做功后带动发电机5发电，汽轮机内的工质乏汽进入冷凝器6冷凝放热，经循环泵7重新进入蒸发器循环工作直至工况改变。此时建筑所需生活热水仅通过回收冷凝热即可满足需求。 
模式二：太阳能辐射强度较弱不足以完全提供建筑电力需求(日常工况)。此时第一、三阀门关闭，第二阀门9开启。此时有机工质优先通过太阳能端热源蒸发换热器1初级蒸发，然后通过第二阀门9进入生物质能端热源蒸发换热器2进行二级蒸发，蒸发完成后的有机工质经过有机工质蒸汽进入蓄热器3蓄热，有机蒸汽经蓄热器进入汽轮机4做功后带动发电机5发电，汽轮机内的工质乏汽进入冷凝器6冷凝放热，经循环泵7重新进入蒸发器循环工作直至工况改变。此时建筑所需生活热水通过回收冷凝热，如果生活热水出口冷凝器出口温度已满足需求，则第四阀门11开启，第五阀门12关闭，此时生活热水旁通蓄热器；如果生活热水出口冷凝器出口温度不满足需求，则第四阀门11关闭，第五阀门12开启，生活热水经再热后满足需求。 
模式三：夜间或者阴雨雪等寒冷天气工况。此时第三阀门10关闭，第一、二阀门9开启。此时有机工质直接通过第二阀门9进入生物质能端热源蒸发换热器2蒸发，蒸发完成后的有机工质经过有机工质蒸汽进入蓄热器3蓄热，有机蒸汽经蓄热器进入汽轮机4做功后带动发电机5发电，汽轮机内的工质乏汽进入冷凝器6冷凝放热，经循环泵7重新进入蒸发器循环工作直至工况改变。此时第四阀门11关闭，第五阀门12开启，建筑所需生活热水首先通过回收冷凝热，再进入蓄热器经再热后满足需求。此时可直接通过生物质锅炉侧热量控制实现充分蓄热以满足建筑需求。 
本发明是一种太阳能与生物质能复合利用、利用朗肯循环实现的热电联产装置。发明主要针对传统太阳能中低温朗肯循环系统中太阳能热源品质不稳定、冷凝热未得到有 效利用等问题，通过增加生物质能的特殊复合结构，并有效利用冷凝热等制取生活热水，实现太阳能中低温朗肯循环发电装置性能稳定性的加强以及能源多级利用下的热电联供。该装置包括太阳能集热端、生物质能集热端的热源蒸发换热子装置，有机朗肯循环发电子装置，以及生活热水制备子装置三部分。该系统可在强辐射光照强度、弱辐射光照强度、夜晚以及阴雨雪等寒冷环境条件下，通过各子装置的调节控制，满足建筑的电、热需求，保证系统的适用性和稳定性。 

Claims (1)

1.一种太阳能生物质能复合的热电联产装置，包括热源蒸发换热子装置、朗肯循环发电子装置，以及生活热水制备子装置，通过调节控制，实现不同环境要求下的装置功能。其特征在于：
热源蒸发换热子装置包括太阳能端热源换热器(1)和生物质能端热源蒸发换热器(2)，以及第一阀门(8)、第二阀门(9)和第三阀门(10)；其连接方式为：第一阀门(8)与太阳能端热源换热器(1)并联连接后，通过第二阀门(9)与生物质能端热源换热器(2)进口相连，第一阀门(8)的出口与第三阀门(10)连通，且第三阀门(10)的另一端与生物质能端热源换热器(2)相连；
朗肯循环发电子装置包括蒸发器、蓄热器(3)、汽轮机(4)、发电机(5)、冷凝换热器(6)、循环泵(7)；蓄热器(3)包括储液罐、盘管和相变材料，其中内部填充有相变材料的盘管均布于储液罐内；其连接方式为：蓄热器(3)的进口端与热源换热装置连接，相应的另一端出口连接汽轮机(4)，汽轮机(4)的输出端连接着发电机(5)，汽轮机(4)的排气口连通着冷凝换热器(6)的入口，冷凝换热器(6)的出口连通着循环泵(7)，循环泵(7)的另一端与热源换热子装置的入口连通；
生活热水制备子装置包括冷凝换热器(6)、蓄热器(3)、第四阀门(11)及第五阀门(12)。生活热水进口与冷凝换热器(6)的出口连通，蓄热器(3)通过第五阀门(12)接至冷凝换热器(6)进口，第四阀门(11)旁通蓄热器(3)连接。
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