CN104153946B - 一种综合利用风能和海水热能的冷热电水多联产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开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(1)、压缩空气储能装置、海水淡化装置和地源热泵装置(9)，所述压缩空气储能装置包括依次连接的等温压缩式压缩机、储气室(5)、膨胀机(6)和发电机(7)，风力机装置(1)的输出轴通过传动装置(2)与所述等温压缩式压缩机连接，发电机(7)能够向用户、所述海水淡化装置和地源热泵装置(9)供电。该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，同时该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。

Description

一种综合利用风能和海水热能的冷热电水多联产系统
技术领域
本发明涉及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。
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，义由于与大陆的距离，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，尤其是干于缺水国家的重视。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((Reverse Osmosis，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 Effect Distillation，MED)和反渗透法(Reverse Osmosis，RO)等3种，其中反渗透法海水淡化技术因其能耗低、系统安装维护相对简单等优点，以及反渗透膜元件在材料、结构等方面不断取得突破，反渗透海水淡化技术近几十年来取得了飞跃发展，使得反渗透技术已经成为海水淡化、苦咸水淡化、纯水和超纯水制备最经济的手段，目前已得到了广泛的应用。
地源热泵利用土壤或水体温度冬季为12-22℃，温度比环境空气温度高，热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高；土壤或水体温度夏季为18-32℃，温度比环境空气温度低，制冷系统冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率大大提高，可以节约30--40％的供热制冷空调的运行费用，1KW的电能可以得到4KW以上的热量或5KW以上冷量。因此将地源热泵用于岛屿具有很好的发展前景。
发明内容
为了解决现有技术中偏远地区以及岛屿上缺少水、电、热、冷等生活资源的问题，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，该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，同时该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采用的技术方案是：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、海水淡化装置和地源热泵装置，所述压缩空气储能装置包括依次连接的等温压缩式压缩机、储气室、膨胀机和发电机，风力机装置的输出轴通过传动装置与所述等温压缩式压缩机连接，发电机能够向用户、所述海水淡化装置和地源热泵装置供电。
所述等温压缩式压缩机包括压缩机和热交换器，压缩机和热交换器耦合设置，风力机装置的输出轴通过传动装置与压缩机连接，热交换器的冷侧入口与用于输送海水的海水取水管道联通，热交换器的热侧与储气室连通。
发电机还连接有蓄电池，蓄电池能够向用户、所述海水淡化装置和地源热泵装置供电。
所述海水淡化装置包括依次连接的前处理装置、高压泵、保安过滤器和反渗透装置，前处理装置与热交换器的冷侧出口连通，发电机和蓄电池均能够向高压泵供电。
地源热泵装置包括依次连接的室外地能换热机组、地源热泵机组和室内冷暖空调，所述室外地能换热机组与海水取水管道耦合设置，发电机和蓄电池均能够向所述地源热泵机组供电。
所述室外地能换热机组设置在地面，或所述室外地能换热机组设置在海底。
海水取水管道与海水取水装置连通。
风力机装置为水平轴风力机、或风力机装置为垂直轴风力机。
传动装置为变速箱。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用直接利用风能，将风力机装置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，相当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，成功解决了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、本发明真正实现了孤岛上的冷、热、电、水、多联产，在与陆地隔离的情况下，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。
5、本发明与风力机装置结合适用范围广，既可与风电场相结合，也可独立建设生产；既可以单机组风力机设计，也可以多机组合设计；适用于风力资源较为丰富的海岛和其他沿海地区。
附图说明
下面结合附图对本发明所述的综合利用风能和海水热能的冷热电水多联产系统作进一步详细的描述。
图1是本发明所述的综合利用风能和海水热能的冷热电水多联产系统的原理示意图。
其中1.风力机装置，2.传动装置，3.压缩机，4.热交换器，41.冷侧入口，42.冷侧出口，5.储气室，6.膨胀机，7.发电机，8.蓄电池，9.地源热泵装置，10.海水取水装置，11.前处理装置，12.高压泵，13.保安过滤器，14.反渗透装置，15.海水取水管道，16.用户。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所述的综合利用风能和海水热能的冷热电水多联产系统进行详细说明。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1、压缩空气储能装置、海水淡化装置和地源热泵装置9，所述压缩空气储能装置包括依次连接的等温压缩式压缩机、储气室5、膨胀机6和发电机7，风力机装置1的输出轴通过传动装置2与所述等温压缩式压缩机连接，发电机7能够向用户、所述海水淡化装置和地源热泵装置9供电，如图1所示。
在图1中，装置之间有三种连线，虚线表示空气的传输，如储气室5和膨胀机6之间用虚线连接，表示储气室5向膨胀机6内输送空气；实线表示海水或淡水的传输，如前处理装置11与热交换器4的冷侧出口42之间用实线连接，表示被热交换器4加热的海水进入前处理装置11，同时，也可以表示含有海水或淡水的管线，如海水取水管道15；点划线表示电的传输，如发电机7和高压泵12之间用点划线连接，表示发电机7向高压泵12供电。
风力机装置1的输出轴通过传动装置2与所述等温压缩式压缩机连接，该近似等温压缩式压缩机包括压缩机3和热交换器4，风力机装置1的输出轴通过传动装置2与压缩机3连接，风力机装置1能够为压缩机3提供动力，压缩机3能够将空气压缩到一定的压强并送至储气室5进行储存，此时风的机械能将转换为空气的内能，当储气室5内空气满足膨胀机6要求时，高压空气将被送入膨胀机6内膨胀做功，膨胀机6做功带动发电机7发电，此时空气的内能将转换为电能，发电机7发出的电能够供用户、所述海水淡化装置和地源热泵装置9使用。
由于风能具有一定的波动性和不稳定性，一方面风能的波动性使得风力机装置1在直接连接发电机的可实现性难度增加，另一方面风能的不稳定性与用户的用电需求构成了一定的矛盾。所以本发明中将风力机装置从风中获得的机械能通过压缩机转换为空气内能再通过发电机转换为电能，能量转换过程为机械能-内能-电能。利用压缩空气储能本身具有一定的削峰平谷的作用，使压缩空气的内能可以平稳的换成电能以便于使用。另外，发电机7还连接有蓄电池8，蓄电池8可以进一步与压缩空气储能发电配合，弥补发电量不足时和发电量过剩时的缺陷，进一步加强削峰平谷的作用。所以该系统结构简单、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。
所述等温压缩式压缩机包括压缩机3和热交换器4，压缩机3和热交换器4耦合设置，风力机装置1的输出轴通过传动装置2与压缩机3连接，热交换器4的冷侧入口41与用于输送海水的海水取水管道15联通，热交换器4的热侧与储气室5连通，热交换器4向储气室5内输入高压空气。热交换器4与压缩机3耦合设置，利用所述近似等温压缩式压缩机压缩空气过程中产生的热量来加热海水取水管路15中的海水，这样既可以使得压缩机3的压缩行程近似为等温压缩过程，降低压缩机3的耗功，被加热的海水取水管路15中的海水还可以做其他之用，如海水淡化，以提高能源的利用率。
发电机7还连接有蓄电池8，蓄电池8能够向用户、所述海水淡化装置和地源热泵装置9供电。发电机7发出的多余发电量由蓄电池8储存，蓄电池8可以供用户的生活用电，同时当发电机7发电量不足时，蓄电池8可以补充向海水淡化装置供电，也可以向地源热泵装置9供电。
所述海水淡化装置包括依次连接的前处理装置11、高压泵12、保安过滤器13和反渗透装置14，前处理装置11与热交换器4的冷侧出口42连通，发电机7和蓄电池8均能够向海水淡化装置中的高压泵12供电。这样可以利用压缩机3压缩空气过程中产生的热量来加热海水管路15中的海水，有利于海水淡化工程的高效进行。
地源热泵装置9包括依次连接的室外地能换热机组、地源热泵机组和室内冷暖空调，所述室外地能换热机组与海水取水管道15耦合设置，室外地能换热机组与海水进行换热，发电机7和蓄电池8均能够向所述地源热泵机组中的压缩机供电。所述室外地能换热机组设置在地面，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；或所述室外地能换热机组设置在海底，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16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。为了提高海水的利用率，海水取水管道15与海水取水装置10连通，如图1所示，即室外地能换热机组换热后的海水进入热交换器4的冷侧入口41。
另外，风力机装置1为水平轴风力机、或风力机装置1为垂直轴风力机。传动装置2为变速箱。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。

Claims (6)

1.一种综合利用风能和海水热能的冷热电水多联产系统，其特征在于：所述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(1)、压缩空气储能装置、海水淡化装置和地源热泵装置(9)，所述压缩空气储能装置包括依次连接的等温压缩式压缩机、储气室(5)、膨胀机(6)和发电机(7)，风力机装置(1)的输出轴通过传动装置(2)与所述等温压缩式压缩机连接，发电机(7)能够向用户、所述海水淡化装置和地源热泵装置(9)供电；传动装置(2)为变速箱；
所述等温压缩式压缩机包括压缩机(3)和热交换器(4)，压缩机(3)和热交换器(4)耦合设置，风力机装置(1)的输出轴通过传动装置(2)与压缩机(3)连接，热交换器(4)的冷侧入口(41)与用于输送海水的海水取水管道(15)联通，热交换器(4)的热侧与储气室(5)连通；发电机(7)还连接有蓄电池(8)，蓄电池(8)能够向用户、所述海水淡化装置和地源热泵装置(9)供电。
2.根据权利要求1所述的综合利用风能和海水热能的冷热电水多联产系统，其特征在于：所述海水淡化装置包括依次连接的前处理装置(11)、高压泵(12)、保安过滤器(13)和反渗透装置(14)，前处理装置(11)与热交换器(4)的冷侧出口(42)连通，发电机(7)和蓄电池(8)均能够向高压泵(12)供电。
3.根据权利要求1所述的综合利用风能和海水热能的冷热电水多联产系统，其特征在于：地源热泵装置(9)包括依次连接的室外地能换热机组、地源热泵机组和室内冷暖空调，所述室外地能换热机组与海水取水管道(15)耦合设置，发电机(7)和蓄电池(8)均能够向所述地源热泵机组供电。
4.根据权利要求3所述的综合利用风能和海水热能的冷热电水多联产系统，其特征在于：所述室外地能换热机组设置在地面，或所述室外地能换热机组设置在海底。
5.根据权利要求3所述的综合利用风能和海水热能的冷热电水多联产系统，其特征在于：海水取水管道(15)与海水取水装置(10)连通。
6.根据权利要求1所述的综合利用风能和海水热能的冷热电水多联产系统，其特征在于：风力机装置(1)为水平轴风力机、或风力机装置(1)为垂直轴风力机。
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