CN107559161A - 一种结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统，充分利用资源，为靠近湖泊海洋的用户或岛屿提供便利，利用太阳热能使盐水合物发生脱附—吸附反应，并将过程中伴随的能量变化用以产电或供热；本发明结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统充分发挥水合盐储能与释能功效，通过对太阳能和海水等资源的利用，整套系统可以连续运行，可以根据不同情况下的不同需求进行供热和产电，灵活性较高；此外，本发明结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统能量损失小，热效率高，利用临海或靠近湖泊的优势，在一定程度上可以解决用户或岛屿的供电供热问题，且整个过程安全环保，具有很好的发展前景。

Description

一种结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统

技术领域

本发明涉及化学储能与海水发电技术领域，特别是一种结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统。

背景技术

能源是人类活动的物质基础，能源的不断开发与利用促进了人类文明的发展。随着能源危机问题的日愈严重，人类逐渐重视节能减排工作。为了更合理高效地利用能量，需对能量进行存储。相比于显热蓄热和潜热蓄热，化学蓄热储能密度更大，热损失微乎其微，可实现跨季节性的使用。较其他类型的化学蓄热方式，水合盐的分解反应，操作要求及成本相对更低，原理简单，运用到实际工程中安全性和可行性高，循环效果也较好。虽然总体来说，国内外关于热化学储能的研究尚且不多，技术也不够成熟，尤其水合盐的脱水及吸附储能方面，国内几乎没有相关研究，但从长远来看，利用水合盐的化学反应进行能量的存储与供给的方法将凭借其储能密度大、操作要求较低、绿色无污染等优势逐步投入使用。另一方面，海水占据着世界总水量的绝大部分，而其被人类利用程度却少之又少。因此，对于临近海水的用电需求量不高的用户或岛屿，充分利用海水进行能量的转化是必要且可行的。传统的利用水底电缆运输电力或者通过石油天然气管道运输能源的方法，均面临着成本高昂的缺陷。

目前，尚没有借助太阳能或工业余热进行热化学储能并与海水发电技术相结合的理论研究或实际工程，即使是对独立的化学蓄热或海水发电的研究也是相对较少的。经对现有技术的文献检索发现,发明专利申请公开号为CN103499230A，名称为：一种太阳能热化学储能吸热器及其吸热方法。该发明提出一种太阳能热化学储能吸热器的工作方法，将吸热层和反应层作为蓄热设备安装于腔体内，外部进行保温处理。通过化学反应将太阳能转化为化学能，反应生成物可长时间存储，以此实现太阳能的稳定存储。该发明装置结构紧凑，反应物与生成物便于运输，可有效利用太阳能。但该发明的设备制作工艺要求高，储能系统结构复杂，管路结构繁多，维护成本较大。发明专利申请公开号为CN104110758A，名称为：太阳能驱动高效吸湿一热化学反应单级空调系统。该发明提供了一种太阳能驱动高效吸湿一热化学反应单级空调系统，实现连续供冷、内置式储能、需要时供冷，无需外置辅助储能装置实现内置式储能与供冷储能过程，工质盐和制冷剂相隔离，热损失小；输冷过程中将工质盐和制冷剂相连通,制冷剂被冷却的工质盐吸湿，产生制冷效果。但其缺点是以LiCl为吸附剂虽有较好的吸附效果，但金属锂及其化合物属于稀缺战略性资源,作为吸附介质的成本太高,限制了其大规模应用。且该发明只能用于夏季制冷，功能单一，无法实现供热或产电目的。发明专利申请公开号为CN103134213A，名称为：以低水合氯化镁为储能工质对太阳能转化和储存的方法。该发明利用MgCl2·6H2O为储能材料进行化学能的存储与释放。在光照充足情况下，通过热交换器将吸收的太阳热能传给水合盐床，再将产出的蒸汽送入汽轮机进行做工发电；光照不足或夜间的时候，将经过太阳照射的水箱阀门打开，把产生的蒸汽送入脱水后的反应床，水合反应产生的热量再通过换热器加热水箱中的水，最后将水箱中产生的蒸汽送入汽轮机做功。该发明理论上可行，但却存在诸多问题。例如在储能过程中，将产生的水蒸气直接送入汽轮机。由于六水氯化镁脱水过程较难进行，脱水过程很不彻底，一般只能生成四水氯化镁，因此产生的蒸汽较少，且在基于太阳能的中低温蓄热情况下，水蒸气温度相对较低（100~150 ℃左右），这难以推动汽轮机做功，而且当六水氯化镁受热温度在120℃以上时会分解产生HCl有毒气体；在释能阶段，反应物水蒸气完全来自于光照，使水箱中的水蒸发，这在实际中也是难以做到的；且在水合反应后又将反应热导入另一水箱，使其中的水蒸发并送入汽轮机组做功发电，而原本品味就不太高的热量经过多次换热很难再将水加热成蒸汽并使其推动汽轮机组做功的,并且基于朗肯循环的发电装置效率是很低的；另外在连续的阴雨天情况下，热量与水蒸气均无法产生，则装置的储能与释能阶段均不能很好地进行。发明专利申请公开号为CN203297048U，名称为：基于太阳能的水-汽循环发电装置。该专利方法是利用海水高位能进行发电，但抽水蓄能电站的不足之处是将消耗一定的电网电量，造成能源浪费，经济性不高。发明专利申请公开号为CN103256729A，名称为：大容量组合式太阳能热化学梯级高效储热装置及应用。该发明利用热化学吸附储热并采用多种不同温区的反应盐，将脱附温度范围不同的多种反应盐分别置于串联的床层。该方法可有效地克服现有的太阳能热化学储热装置由于某些时刻采集的太阳热能温度较低导致反应物无法发生储热分解反应的不足，反应器分为不同温区而压力差别不大，可在一定程度上避免承压不均。其缺点是虽然形成了不同温区，但各种反应盐在不同温度下反应速率差别也较大，难以维持压力一致，因此依旧不能完全避免反应器受力不均的问题；另外整套装置也只能用以供热而无法产电。发明专利申请公开号为CN106487269A，名称为：一种发电装置及包括该发电装置的海水发电装置。该发明利用发电装置包括外壳、位于该外壳内表面上的摩擦发电机以及位于该外壳内部空间中的撞击体，在摩擦和外力冲撞作用下进行海水发电。装置生产工艺简单，效果较好。但对部件损坏较为严重，设备加工制造要求高，装置使用寿命不长。

发明内容

本发明的目的为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统，充分利用资源，为靠近湖泊海洋的用户或岛屿提供便利，利用太阳热能使盐水合物发生脱附—吸附反应，并将过程中伴随的能量变化用以产电或供热。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统，其特征在于，包括太阳能集热器、装有水合盐床层的反应器、第一阀门、真空泵、蒸发室、第一换热器、第二换热器、水泵、第二阀门、第三阀门、进气阀、气缸、进水阀、排气阀、冷凝盘管、工质泵、工质储存罐、排水阀、蓄水箱和水轮发电机组；所述太阳能集热器的输出端通过管道与反应器的一端相连接，反应器的另一端通过管道与第一换热器的热介质进口相连接，第一换热器的热介质出口通过管道与第二换热器的热介质进口相连接，第二换热器的热介质出口通过管道与水泵的输入端相连接，水泵的输出端通过管道与太阳能集热器的输入端相连接；所述反应器的顶部通过管道与第一阀门的一端相连接，第一阀门的另一端通过管道与蒸发室的一端相连接，蒸发室的另一端与真空泵相连接；所述第一换热器的冷介质进口通过管道与第二阀门的一端相连接，第二阀门的另一端通过管道与第一换热器的冷介质出口相连接；所述第二换热器的冷介质出口通过管道与进气阀的入口相连接，进气阀的出口与气缸的进气端口相连接，气缸的出气端口与排气阀的出口相连接，排气阀的入口通过管道与冷凝盘管的一端相连接，冷凝盘管的另一端通过管道与工质泵的输入端相连接，工质泵的输出端通过管道与工质储存罐的一端相连接，工质储存罐的另一端通过管道与第三阀门的一端相连接，第三阀门的另一端与第二换热器的冷介质进口相连接；所述气缸的进水端口通过管道与进水阀的出口相连接，进水阀的入口通过管道与海水相连接，气缸的排水端口通过管道与排水阀的入口相连接，排水阀的出口通过管道与蓄水箱的进水端相连接，蓄水箱的出水端通过管道与水轮发电机组的水轮机相连接，水轮发电机组的发电机通过电缆与电网相连接。

优选地，所述太阳能集热器的输出端设置有流量计，流量计位于太阳能集热器与反应器之间的管道上。

优选地，所述蒸发室上设置有真空压力表。

优选地，所述气缸的外层涂有保温层。

优选地，所述气缸和冷凝盘管置于海水中。

优选地，所述进气阀、排气阀、进水阀、排水阀均采用单向阀。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

（1）本发明结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统以化学储能的方式进行能量的存储与释放，相比于显热或潜热蓄热，具有更高的储能密度，采用SrBr₂·6H₂O储能材料，储能材料SrBr₂·6H₂O相比于其他水合盐具有更突出的优势，化学反应是气—固反应体系，反应物及生成物易于运输和储存，具有储能密度大、安全性高、循环效果好、操作要求较低、绿色无污染等优点，更具备投入实际应用的潜力。

（2）本发明结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统不仅利用太阳热能提高化学势能进行能量的存储与释放，还通过对海水的积蓄进行发电工作，利用近海或临近湖泊的地理优势达到了能源清洁利用的效果，充分利用了资源。

（3）本发明结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统具有供热和供电两种功能，相比于技术背景中仅用于供热或产电的相关技术，该发明具有供热和发电的两种功效，更符合用户需求。

（4）本发明结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统不管是储能阶段和释能阶段可连续交替运行，无需中断，整个过程可持续产电或供暖，避免了长期存储过程中的能量损失。

（5）本发明结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统对外界环境依赖性小，自主循环性好，运行效率高；本系统通过水合放热反应对海水进行积蓄，能够在夜晚、阴雨天利用水箱中海水高位能发电，实现持续发电，降低了外界对系统的影响；另外，通过气体膨胀做功推动活塞蓄水，最终利用海水势能推动水轮机发电，效率更高，避免了朗肯循环发电的高热损失。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统，包括太阳能集热器1、流量计2、装有水合盐床层的反应器3、第一阀门4、真空压力表5、真空泵6、蒸发室7、第一换热器8、第二换热器9、水泵10、第二阀门12、第三阀门13、进气阀14、气缸15、进水阀17、排气阀18、冷凝盘管19、工质泵20、工质储存罐21、排水阀22、蓄水箱23和水轮发电机组24；所述太阳能集热器1的输出端通过流量计2与反应器3的一端相连接，反应器3的另一端通过管道与第一换热器8的热介质进口相连接，第一换热器8的热介质出口通过管道与第二换热器9的热介质进口相连接，第二换热器9的热介质出口通过管道与水泵10的输入端相连接，水泵10的输出端通过管道与太阳能集热器1的输入端相连接；所述反应器3的顶部通过管道与第一阀门4的一端相连接，第一阀门4的另一端通过管道与蒸发室7的一端相连接，蒸发室7的另一端与真空泵6相连接，蒸发室7上设置有真空压力表5；所述第一换热器8的冷介质进口通过管道与第二阀门12的一端相连接，第二阀门12的另一端通过管道与第一换热器8的冷介质出口相连接；所述第二换热器9的冷介质出口通过管道与进气阀14的入口相连接，进气阀14的出口与气缸15的进气端口相连接，气缸15的出气端口与排气阀18的出口相连接，排气阀18的入口通过管道与冷凝盘管19的一端相连接，冷凝盘管19的另一端通过管道与工质泵20的输入端相连接，工质泵20的输出端通过管道与工质储存罐21的一端相连接，工质储存罐21的另一端通过管道与第三阀门13的一端相连接，第三阀门13的另一端与第二换热器9的冷介质进口相连接；所述气缸15的进水端口通过管道与进水阀17的出口相连接，进水阀17的入口通过管道与海水相连接，气缸15的排水端口通过管道与排水阀22的入口相连接，排水阀22的出口通过管道与蓄水箱23的进水端相连接，蓄水箱23的出水端通过管道与水轮发电机组24的水轮机相连接，水轮发电机组24的发电机通过电缆25与电网相连接；其中，所述气缸15的外层涂有保温层，所述气缸15和冷凝盘管19置于海水中，所述进气阀14、排气阀18、进水阀17、排水阀22均采用单向阀。

本发明结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统的工作原理：

一、储能与发电阶段：

在阳光充足的晴天，太阳能集热器中的热水被加热到指定温度（80—90℃），在流进反应器的盘管中时将热量传递给水合盐，使其吸热脱附水分，传热后的热水仍具有较高温度（可通过控制水的流量来调节温度）。同时，开启第三阀门，在热水流经第二热交换器中时，与低沸点的有机工质换热，降温后的水被水泵送回太阳能集热器继续吸收热量。有机工质吸热升温成为饱和状态，进气阀在某一给定压力下开启，饱和工质流过进气阀后压力降低，转化为蒸汽，蒸汽体积膨胀产生压力在气缸15中推动活塞16向下运动，此时排水阀打开，海水被压入蓄水箱。当活塞16向下运动到气缸本体的底部时，受压力联控装置控制，关闭进气阀和排水阀，打开排气阀和进水阀，将乏汽排出并吸入海水，乏汽在冷凝盘管中被外界海水冷凝后经工质泵回到工质储存罐。进气阀重新开启进行下一个循环。经过往复循环，蓄水箱中储蓄了一定量的海水，此时利用海水高位能带动水轮发电机组的水轮机运转进行发电。

二、释能与供热阶段：

在光照不足的阴雨天或寒冷夜晚时，以脱附后的反应盐与水蒸气的反应热为热源进行能量释放过程。打开第一阀门，蒸发室7中的水在真空泵6的作用下蒸发成为蒸汽并被导入反应器3中与脱附后的反应盐发生水合反应，放出的热量传递给管路中的冷水，水吸热升温后同储能过程一样，将热量传递给有机工质最终完成产电目的。若在用电需求量较低的“谷段”或对供热需求量较大的寒冷阴雨天时，可打开第一阀门12，将反应器的盘管中吸热后的水的热量先通过第一换热器供给用户11使用，再将低位热量通过第二换热器加热有机工质最后利用海水产电。

综上所述，本发明结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统充分发挥水合盐储能与释能功效，通过对太阳能和海水等资源的利用，整套系统可以连续运行，可以根据不同情况下的不同需求进行供热和产电，灵活性较高。此外，本发明结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统能量损失小，热效率高，利用临海或靠近湖泊的优势，在一定程度上可以解决用户或岛屿的供电供热问题，且整个过程安全环保，具有很好的发展前景。

Claims (6)

1.一种结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统，其特征在于，包括太阳能集热器（1）、装有水合盐床层的反应器（3）、第一阀门（4）、真空泵（6）、蒸发室（7）、第一换热器（8）、第二换热器（9）、水泵（10）、第二阀门（12）、第三阀门（13）、进气阀（14）、气缸（15）、进水阀（17）、排气阀（18）、冷凝盘管（19）、工质泵（20）、工质储存罐（21）、排水阀（22）、蓄水箱（23）和水轮发电机组（24）；所述太阳能集热器（1）的输出端通过管道与反应器（3）的一端相连接，反应器（3）的另一端通过管道与第一换热器（8）的热介质进口相连接，第一换热器（8）的热介质出口通过管道与第二换热器（9）的热介质进口相连接，第二换热器（9）的热介质出口通过管道与水泵（10）的输入端相连接，水泵（10）的输出端通过管道与太阳能集热器（1）的输入端相连接；所述反应器（3）的顶部通过管道与第一阀门（4）的一端相连接，第一阀门（4）的另一端通过管道与蒸发室（7）的一端相连接，蒸发室（7）的另一端与真空泵（6）相连接；所述第一换热器（8）的冷介质进口通过管道与第二阀门（12）的一端相连接，第二阀门（12）的另一端通过管道与第一换热器（8）的冷介质出口相连接；所述第二换热器（9）的冷介质出口通过管道与进气阀（14）的入口相连接，进气阀（14）的出口与气缸（15）的进气端口相连接，气缸（15）的出气端口与排气阀（18）的出口相连接，排气阀（18）的入口通过管道与冷凝盘管（19）的一端相连接，冷凝盘管（19）的另一端通过管道与工质泵（20）的输入端相连接，工质泵（20）的输出端通过管道与工质储存罐（21）的一端相连接，工质储存罐（21）的另一端通过管道与第三阀门（13）的一端相连接，第三阀门（13）的另一端与第二换热器（9）的冷介质进口相连接；所述气缸（15）的进水端口通过管道与进水阀（17）的出口相连接，进水阀（17）的入口通过管道与海水相连接，气缸（15）的排水端口通过管道与排水阀（22）的入口相连接，排水阀（22）的出口通过管道与蓄水箱（23）的进水端相连接，蓄水箱（23）的出水端通过管道与水轮发电机组（24）的水轮机相连接，水轮发电机组（24）的发电机通过电缆（25）与电网相连接。

2.根据权利要求1所述的结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统，其特征在于，所述太阳能集热器（1）的输出端设置有流量计（2），流量计（2）位于太阳能集热器（1）与反应器（3）之间的管道上。

3.根据权利要求1所述的结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统，其特征在于，所述蒸发室（7）上设置有真空压力表（5）。

4.根据权利要求1所述的结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统，其特征在于，所述气缸（15）的外层涂有保温层。

5.根据权利要求1所述的结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统，其特征在于，所述气缸（15）和冷凝盘管（19）置于海水中。

6.根据权利要求1所述的结合化学蓄热与海水发电的热电两用系统，其特征在于，所述进气阀（14）、排气阀（18）、进水阀（17）、排水阀（22）均采用单向阀。