CN103193283B - 一种高效储能的冷热电水多联产系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种综合利用风能和海水热能的冷热电水多联产系统，包括风力机装置、压缩空气储能装置、海水淡化装置、地源热泵装置，直接利用岛屿上及偏远沿海地区丰富风能和海水热能实现冷、热、电、水的四联产，在陆地隔离的情况下，完全实现了自满足，同时系统不需要燃烧化石燃料，不产生温室气体及硫化物氮化物等污染气体。本发明的冷热电水多联产系统，将风力机从风中获得的机械能通过压缩机转换为空气内能，能量转换过程为机械能-内能，相对于以风力发电为基础的电力驱动压缩空气储能，同时由于省去发电部分设备，具有能量转换效率高、结构简单、投资省、维护简单等特点。

Description

一种高效储能的冷热电水多联产系统

技术领域

本发明属于可再生能源的综合利用领域，具体是涉及一种针对岛屿及沿海偏远地区综合利用风能和海水热能，实现冷热电水四联产的独立系统，以克服岛屿难以集中供能的问题，满足岛屿上及偏远沿海地区的基本生活需求。

背景技术

随着人类以及社会的发展，人类脚步已经踏遍地球上每一个角落，进入21世纪以来，经济持续的发展和生活水平不断的提高，人类对水，电，冷，热的需求量越来越大，尤其对于一些偏远地区以及岛屿，无法在本地区获取资源，又由于与大陆的距离，很难依靠大陆得到生活中所需的水，电，热，冷等生活不可缺少的资源。同时，岛屿的供能问题也一直影响着国防边疆岛屿上驻守的战士们的生活质量。因此，只有利用各地区的新能源才能从根本上解决以上问题，而对于岛屿来说，一般拥有丰富的风能资源和海水热能资源。

受全球能源危机和环境恶化的影响,以风能为代表的新能源开发利用受到大多数国家的重视,并纷纷制订了相关的激励政策和措施。受此影响,全球风能开发利用得到迅猛发展。目前，全球的风力发电增长速度惊人，据BTM统计数据显示2010年全球风电累计装机容量达到199.5GW。我国继续保持风电设备生产和风电场开发快速发展的强劲势头。据中国可再生能源学会风能专业委员会（CWEA）的统计，2010年我国除台湾省外其他地区共新增风电装机12904台，装机容量达18.93GW，自2009年后继续保持全球新增装机容量第一的排名。

然而风能资源存在不稳定性的特点：风速时常变化，能量供应不稳定,具有间歇性,波动性，同时风能发电也存在并网问题，在一定程度上限制了风力发电的发展，因此，需要将不稳定的风能与储能系统联合起来才能有效的利用风资源。

从长远角度来看，发展海水淡化，不论从经济上，还是从环境上都更加可行。海水淡化水源稳定、清洁，产水成本逐渐降低，已经受到越来越多国家，尤其是干旱缺水国家的重视。事实上，世界范围的普遍缺水已经使海水淡化技术从中东的沙漠地区扩展到全球的主要沿海城市,并形成了海水淡化水的生产销售和海水淡化设备制造两大产业。因此，海水淡化作为开发新水源的一种技术已经确定无疑地成了全世界的必然趋势。然而，海水淡化耗能多，大力发展便宜的可再生能源并用于海水淡化将是解决海水淡化高成本的重要途径。

海水淡化方法按照分离过程分类,可分为热过程和膜过程两类。热过程是利用热能使海水蒸发，再通过水蒸汽的冷凝得到淡水。热过程有多级闪蒸((Multi Stage Flash，MSF)、多效蒸馏((Multi Effect Distillation，ME)、蒸汽压缩(vapor Compression，VC)等；膜过程则是利用分离膜对水和盐的选择透过性，将盐分截留或移走，得到淡水的方法。膜过程有反渗透法((ReverseOsmosis,RO)、和电渗析((Electro DialysisED)等。目前比较常用的海水淡化方法主要有多级闪蒸（Multi-Stage Flash，MSF）、低温多效蒸馏（Multiple EffectDistillation,MED）和反渗透法（Reverse Osmosis，RO）等3种，其中多效蒸馏法操作负荷可从40一110%变化，弹性比较大，可以与风能很好的结合起来。

本发明针对此问题，综合利用岛屿上丰富的风能和海水热能，实现冷热电水的四联产。

发明内容

为克服现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种综合利用风能和海水热能的冷热电水多联产系统，直接利用岛屿上及偏远沿海地区丰富风能和海水热能实现冷、热、电、水的四联产，在于陆地隔离的情况下，完全实现了自满足，同时系统不需要燃烧化石燃料，不产生温室气体及硫化物氮化物等污染气体。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案是：

一种高效储能的冷热电水多联产系统，综合利用岛屿上的风能和海水热能，包括风力机装置、压缩空气储能装置、海水淡化装置、地源热泵装置，其特征在于：

所述压缩空气储能装置包括依次连接的多级压缩机组、储气室、多级膨胀机组、发电机；所述海水淡化装置包括海水取水装置M、前处理装置N、多级加热器、多级蒸发器、多级冷凝器，所述多级蒸发器包括多级中间蒸发器和后蒸发器，所述多级蒸发器将海水汽化同时冷却压缩空气，所述多级冷凝器包括多级中间冷凝器和后冷凝器，所述多级冷凝器将蒸汽冷却同时加热海水，所述多级加热器为海水预热；其中：

所述风力机装置驱动所述多级压缩机组；

所述地源热泵装置设置在所述海水取水装置M和前处理装置N之间；

所述多级压缩机组包括若干级压缩机，每级压缩机后连接一中间蒸发器，中间蒸发器的级数与压缩机的级数相匹配，第一级压缩机后连接最后一级中间蒸发器，最后一级压缩机后连接第一级中间蒸发器；每级中间蒸发器的热侧通入对应级压缩机产生的压缩气体，冷侧导入上一级中间蒸发器排出的海水，第一级中间蒸发器的冷侧导入经各级中间加热器加热过的海水，蒸发器中的海水蒸发产生蒸汽进入下一个蒸发器；最后一级加热器的冷侧通海水，热侧通入第一级中间蒸发器排出的压缩气体，压缩气体经最后一级加热器后导入储气室；各级中间蒸发器产生的蒸汽汇流进入后蒸发器的热侧，最后一级中间蒸发器排出的海水进入后蒸发器的冷侧；本发明的系统中，利用所述多级压缩机压缩空气过程中产生的热量来加热蒸发器中的海水，同时压缩气体冷却，使得多级压缩机为理想的等温压缩；

所述多级膨胀机组包括若干级膨胀机，每级膨胀机前连接一中间冷凝器，中间冷凝器的级数与膨胀机的级数相匹配，第一级膨胀机前连接第一级中间冷凝器，最后一级膨胀机前连接最后一级中间冷凝器；各级中间冷凝器的冷侧通压缩气体，热侧通冷凝淡水和水蒸汽组成的汽水混合气；所述储气室中的压缩气体经第一级中间冷凝器的冷侧后进入第一级膨胀机，最后一级中间冷凝器的热侧通入由后蒸发器导出的汽水混合气；所述汽水混合气依次由最后一级冷凝器进入第一级中间冷凝器，之后导入后冷凝器。

进一步地，后蒸发器热侧的蒸汽一部分与后蒸发器冷侧的海水换热，一部分导入除最后一级加热器外的其余各级加热器的热侧，以与对应加热器冷侧的海水换热。

进一步地，后冷凝器的冷侧通入前处理装置N排出的经过前处理的海水，热侧通入第一级中间冷凝器排出的冷凝淡水和水蒸汽组成的汽水混合气，升温的海水一部分返回前处理装置N，一部分进入各级加热器。

进一步地，所述海水淡化装置产生的浓盐水由后蒸发器排出。

进一步地，所述海水淡化装置产生的淡水和不凝汽由后冷凝器排出。

进一步地，储气室储存的压缩气体达到预设压强后，将高压空气送入第一级中间冷凝器的冷侧。

进一步地，所述风力机装置通过一传动装置驱动所述多级压缩机组，所述传动装置优选为变速箱。

进一步地，所述风力机装置包括至少一个风力机，所述风力机为水平轴或垂直轴风力机。

进一步地，所述系统还包括蓄电池，所述发电机分别向蓄电池以及用户供电。所述蓄电池的原则为在满足系统运行需求的前提下，减少充放电次数，作用为调节压缩空气储能发电与用户需求之间矛盾。

进一步地，所述海水淡化装置还包括若干设置在海水管道上的水泵，用以为管道流体提供动力。

进一步地，所述地源热泵装置包括室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统，其中：所述室外地能换热系统与所述海水取水装置的海水取水管道耦合布置，采用地面布置和海底布置两种方式；所述室内采暖空调末端系统需满足室内供暖，食物，衣物等储物的烘干作用。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明采用风能的直接利用，将风力机从风中获得的机械能通过压缩机转换为空气内能，能量转换过程为机械能-内能，相对于以风力发电为基础的电力驱动压缩空气储能，同时由于省去发电部分设备，具有能量转换效率高、结构简单、投资省、维护简单等特点。整个系统在运转工程中不产生任何污染环境的物质，是名副其实的环保、节能系统。

2、本发明采用蓄电池与压缩空气储能发电耦合供电，成功解决风能的不稳定与用户用电的矛盾。压缩空气储能本身具有一定的削峰平谷的作用，蓄电池进一步与压缩空气储能发电配合，进一步加强削峰平谷的作用。

3、本发明采用地源热泵的思想与海水淡化取水装置相结合，充分利用海水热能资源，同时简化了装置，节约造价。

4、压缩空气储能与多效蒸发海水淡化耦合布置，实现了等温压缩和等温膨胀过程，优化了压缩空气储能系统，同时将压缩和膨胀过程中的吸热和放热与多效蒸发海水淡化系统蒸发和冷凝巧妙的结合起来，利用了低品位的热能制得淡水。

5、本发明真正实现了孤岛上的冷，热，电，水，多联产，在于陆地隔离的情况下，完全实现了自满足，同时系统不需要燃烧化石燃料，不产生温室气体及硫化物氮化物等污染气体。

6、本发明与风力机结合适用范围广，既可与风电场相结合，也可独立建设生产；可以单机组风力机设计也可以多机组合设计；适用风力资源较为丰富的海岛和其他沿海地区。

附图说明

图1为本发明的高效储能的冷热电水多联产系统示意图。

图中：A风力机装置，B传动装置，C1～C3压缩机，D储气室，E1～E3膨胀机，F发电机，G蓄电池，H1～H5蒸发器，I1～I3加热器，J1～J4冷凝器，K1～K7水泵，L地源热泵机组，M海水取水装置，N前处理装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

为了下文描述的方便，提前说明在蒸发器，加热器，冷凝器中均有换热过程，换热可采用顺流布置，逆流布置，交叉流布置，在满足正常工作的情况下，三种方式均可采用，本实施例中将不对换热方式进行详细陈述，均简化为“换热”。

如图1所示，本发明的高效储能的冷热电水多联产系统，由A风力机装置、B传动装置、C1～C3压缩机、D储气室、E1～E3膨胀机、F发电机、G蓄电池、H1～H5蒸发器、I1～I3加热器、J1～J4冷凝器、K1～K7水泵、L地源热泵机组、M海水取水装置、N前处理装置等构成，压缩机C1通过传动装置B连至水平轴风力机A，空气经过压缩机C1升温升压，进入蒸发器H3与海水进行换热，空气降温后返回压缩机C2，经过压缩机C2升温升压后进入蒸发器H2，空气再次降温后返回压缩机C3，经过压缩机C3继续升温升压，进入蒸发器H1与海水进行交换，继而通过加热器I1与海水换热送入至储气室D进行储存，当储气室D达到一定压强后，将高压空气送入冷凝器J1与水蒸汽进行换热，加热后进入膨胀机E1膨胀做功，降温降压进入冷凝器J2与水蒸汽进行换热，加热后再进去膨胀机E2膨胀做功，再次降温降压后进去冷凝器J3与水蒸汽进行换热，加热后再进入膨胀机E3膨胀做功，排入大气。膨胀机E1～E3做功带动发电机F发电，发电机F发出的电供用户需求，同时发电机F发出的剩余发电量由蓄电池G储存，当发电机F发电量不足时，蓄电池G可以补充向用户供电。地源热泵装置L包括室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统，室外地能换热系统与海水淡化装置的海水取水装置M耦合布置，可以采用两种布置方式，一种采用地面布置，将海水取水首先经过室外地能换热系统进行换热达到地源热泵效果，另一种采用海底布置方式，将室外地能换热系统与海水取水管道结合布置到海底，室内采暖空调末端系可以满足多种用户对冷量和热量的需求。比如室内供暖供冷，食物，衣物等储物的烘干作用。地源热泵与海水取水耦合布置简化了结构，节约了造价。海水经过地源热泵进入前处理N，经过前处理的海水通过水泵K7加压后进入冷凝器J4与水蒸汽经行换热，升温的海水一部分返回前处理N，一部分经过水泵K6进入加热器I1与水蒸汽进行换热，升温的海水再次进入加热器I2与水蒸汽进行换热，升温的海水继续进入加热器I3与高压空气进行换热，海水温度再次升高后进入蒸发器H1与高压空气换热，海水一部分汽化为蒸汽，一部分经水泵K1进入蒸发器H2继续与高压空气换热，海水一部分汽化为蒸汽，一部分经水泵K2进入蒸发器H3再次与高压空气换热，海水一部分汽化为蒸汽，一部分经水泵K3进入蒸发器H4与从蒸发器H1～H3而来是蒸汽进行换热，海水一部分汽化为蒸汽，一部分经水泵K4进入蒸发器H5与从蒸发器H4而来的蒸汽进行换热，海水一部分汽化为蒸汽，一部分浓缩为浓盐水排除系统，一部分经水泵K5再次进入蒸发器H5循环与从蒸发器H4而来的蒸汽经行换热。从蒸发器H1～H3而来的蒸汽进入蒸发器H4与海水换热进行冷凝，同时进入加热器I2与海水换热冷凝，得到的冷凝水和不凝汽的汽水混合气进入蒸发器H5，与从蒸发器H4而来的蒸汽一起在蒸发器H5中与海水换热进行冷凝，同时进入加热器I3与海水换热冷凝，得到的冷凝水和不凝汽的汽水混合气进入冷凝器J3，与从蒸发器H5而来的蒸汽一起在冷凝器J3中与高压空气换热进行冷凝，得到的冷凝水和不凝汽的汽水混合气再进入冷凝器J2与高压空气换热进行冷凝，得到的冷凝水和不凝汽的汽水混合气再进入冷凝器J1与高压空气换热进行冷凝，得到的冷凝水和不凝汽的汽水混合气最后进入冷凝器J4与从前处理而来的海水进行换热，最终得到淡水和不凝汽。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (12)

1.一种高效储能的冷热电水多联产系统，包括风力机装置、压缩空气储能装置、海水淡化装置、地源热泵装置，其特征在于：

所述压缩空气储能装置包括依次连接的多级压缩机组、储气室、多级膨胀机组、发电机；所述海水淡化装置包括海水取水装置、前处理装置、多级加热器、多级蒸发器、多级冷凝器，所述多级蒸发器包括多级中间蒸发器和后蒸发器，所述多级冷凝器包括多级中间冷凝器和后冷凝器；其中：

所述风力机装置驱动所述多级压缩机组；

所述地源热泵装置设置在所述海水取水装置和前处理装置之间；

所述多级压缩机组包括若干级压缩机，每级压缩机后连接一中间蒸发器，中间蒸发器的级数与压缩机的级数相匹配，第一级压缩机后连接最后一级中间蒸发器，最后一级压缩机后连接第一级中间蒸发器；每级中间蒸发器的热侧通入对应级压缩机产生的压缩气体，冷侧导入上一级中间蒸发器排出的海水，第一级中间蒸发器的冷侧导入经各级加热器加热过的海水；最后一级加热器的冷侧通海水，热侧通入第一级中间蒸发器排出的压缩气体，压缩气体经最后一级加热器后导入储气室；各级中间蒸发器产生的蒸汽汇流进入后蒸发器的热侧，最后一级中间蒸发器排出的海水进入后蒸发器的冷侧； 

所述多级膨胀机组包括若干级膨胀机，每级膨胀机前连接一中间冷凝器，中间冷凝器的级数与膨胀机的级数相匹配，第一级膨胀机前连接第一级中间冷凝器，最后一级膨胀机前连接最后一级中间冷凝器；各级中间冷凝器的冷侧通压缩气体，热侧通冷凝淡水和水蒸汽组成的汽水混合气；所述储气室中的压缩气体经第一级中间冷凝器的冷侧后进入第一级膨胀机，最后一级中间冷凝器的热侧通入由后蒸发器导出的汽水混合气；所述汽水混合气依次由最后一级中间冷凝器进入第一级中间冷凝器，之后导入后冷凝器。

2.根据权利要求1所述的多联产系统，其特征在于：后蒸发器热侧的蒸汽一部分与后蒸发器冷侧的海水换热，一部分导入除最后一级加热器外的其余各级加热器的热侧，以与对应加热器冷侧的海水换热。

3.根据权利要求2所述的多联产系统，其特征在于：所述后蒸发器包括多个，每个后蒸发器后均配合一加热器进行热交换。

4.根据权利要求3所述的多联产系统，其特征在于：后冷凝器的冷侧通入前处理装置排出的经过前处理的海水，热侧通入第一级中间冷凝器排出的冷凝淡水和水蒸汽组成的汽水混合气，升温的海水一部分返回前处理装置，一部分进入各级加热器。

5.根据权利要求1至4任一项所述的多联产系统，其特征在于：所述海水淡化装置产生的浓盐水由后蒸发器排出。

6.根据权利要求1所述的多联产系统，其特征在于：所述海水淡化装置产生的淡水和不凝汽由后冷凝器排出。

7.根据权利要求1所述的多联产系统，其特征在于：储气室储存的压缩气体达到预设压强后，将高压空气送入第一级中间冷凝器的冷侧。

8.根据权利要求1所述的多联产系统，其特征在于：所述风力机装置通过一传动装置驱动所述多级压缩机组。

9.根据权利要求1所述的多联产系统，其特征在于：所述风力机装置包括至少一个风力机，所述风力机为水平轴或垂直轴风力机。

10.根据权利要求1所述的多联产系统，其特征在于：所述系统还包括蓄电池，所述发电机分别向蓄电池以及用户供电。

11.根据权利要求1所述的多联产系统，其特征在于：所述海水淡化装置还包括若干设置在海水管道上的水泵。

12.根据权利要求1所述的多联产系统，其特征在于：所述地源热泵装置包括室外地能换热系统、地源热泵机组和室内采暖空调末端系统，其中：所述室外地能换热系统与所述海水取水装置的海水取水管道耦合布置，采用地面布置或海底布置。

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