CN108547673B - 一种利用环境热发电的柯来浦系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用环境热发电的柯来浦系统，包括环境热提取设备、建筑物、柯来浦单元和空气管路，柯来浦单元设有有机工质压缩机、有机工质膨胀机、发电机、蓄电池和加热机。有机工质膨胀机出口通过介质管路连接到环境热提取设备，环境热提取设备通过介质管路连接到有机工质压缩机的入口。空气管路的一路通过加热机连接到建筑物的供暖空调，空气管路的一路通过环境热提取设备连接到建筑物的供冷空调。本发明通过环境热提取设备与柯来浦单元相结合，将低温环境热能转化为电力，并通过换热设备将部分余热用于为建筑物中制冷空调和制热空调提供相应的热能或冷源，充分利用了环境热，提高了低温热能的利用率。

Description

一种利用环境热发电的柯来浦系统

技术领域

本发明属于新能源设备技术领域，涉及一种利用环境热发电的柯来浦系统。

背景技术

能源短缺、环境污染、全球气候变化，令开发清洁、高效、安全和可持续的能源迫在眉睫，其中氢能正在受到越来越多国家的重视。进入二十一世纪，发动机工业得到了迅速地发展，然而目前汽油机和柴油机依然是车用发动机的主要机种。汽油和柴油都是不可再生资源，为了减缓石油资源的匮乏所带来的一系列负面影响以及减少大气污染和发动机尾气排放，需要寻找发动机的代用燃料，而氢能源是目前最理想的清洁燃料。随着世界各国环境保护的措施越来越严格，氢能源车辆由于其节能、低排放等特点成为发动机研究与开发的一个重点，并已经开始商业化。

环境热提取设备是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源实现由低品位热能向高品位热能转移的装置。尚未发现利用环境热提取设备与余热利用系统相结合进行发电和其它利用的专利文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用环境热发电的柯来浦系统，充分利用环境热源，将低温热能转化为电力或通过其它方式进行利用，提高低温热源的利用率。

本发明的技术方案是：利用环境热发电的柯来浦系统，包括柯来浦单元、空气净化器和空气管路，柯来浦单元设有有机工质压缩机、有机工质膨胀机、发电机、蓄电池和加热机。有机工质压缩机、有机工质膨胀机与发电机同轴连接，发电机输出电路一路连接到蓄电池，一路连接到外部电力系统。系统设有环境热提取设备和建筑物，建筑物中设有供暖空调或供冷空调。有机工质膨胀机出口通过介质管路连接到环境热提取设备，环境热提取设备通过介质管路连接到有机工质压缩机的入口。空气管路的一路通过空气净化器和加热机连接到建筑物的供暖空调，空气管路的一路通过空气净化器和环境热提取设备连接到建筑物的供冷空调。

系统设有氢气分离器，氢气分离器设有氢气出口和空气出口，环境热提取为至少两台交替工作的混气罐，混气罐设有氢气分离膜。有机工质膨胀机出口通过介质管路连接到混气罐，混气罐通过介质管路连接到有机工质压缩机的入口。空气管路的一路通过空气净化器和混气罐连接到氢气分离器，氢气出口连接到有机工质压缩机的入口，空气出口分为两路，一路连接到建筑物的供冷空调，另一路连接到放空口。

环境热或用太阳能热源或用室内外空气能或其他热源或电厂余热或水蒸汽冷凝器冷凝热代替，建筑物或用交通工具或汽车或穿戴设备或衣服代替。有热源和温差能使柯来浦系统循环发电，供热供冷，所采用的压力、温度等中间参数和具体设备配置根据在不同环境、不同热源条件下，不同装置具体情况合理调配。蓄电池可以为建筑物、用交通工具、汽车、穿戴设备和衣服提供电力。

柯来浦单元包括升压床结构、低压氢气缓冲罐、高压氢气缓冲罐、低压氢气循环泵、氢气泵、有机工质压缩机、有机工质膨胀机、发电机和蓄电池。有机工质膨胀机设有中段抽出口和中段入口。升压床结构包括1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床，1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床设有换热介质入口、换热介质出口、低压氢气入口和高压氢气出口，低压氢气入口、高压氢气出口、换热介质入口和换热介质出口分别设有阀门。有机工质压缩机的出口通过高压氢气缓冲罐分别连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口。1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口通过氢气泵连接到有机工质膨胀机的入口。有机工质膨胀机的中段出口通过低压氢气缓冲罐、低压氢气循环泵和四通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气入口，1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的高压氢气出口连接到有机工质膨胀机的中段入口。

1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床内装有金属氢化物，氢反应床内的金属氢化物的种类、重量、体积相同或不相同。氢反应床可以采用内热式或外热式或抽吸式的加热方式，可以根据具体情况增加氢反应床数量；所述柯来浦单元可以设有多级升压床结构；氢反应床采用内热式或外热式的间接加热形式时，有机工质作为间壁加热的热源气体，有机工质是性质稳定的单一气体或几种气体的混合物。

混气罐内氢气和空气的比例为0:100至100:0。氢气分离器可以由膜分离或分子筛分离装置代替。氢气过滤膜由氢气分离器或膜分离或分子筛分离装置代替。绝大部分氢气经氢气过滤膜进入有机工质压缩机，含微量氢气的空气经氢气分离器后氢气和空气进一步分离，分离出来的氢气汇入有机工质压缩机，脱出氢气的空气分为两路，一路连接到建筑物的供冷空调，另一路连接到放空口。

本发明利用环境热发电的柯来浦系统通过环境热提取设备与柯来浦单元相结合，有效地将低温环境热能转化为电力，并通过换热设备将部分余热用于为建筑物中制冷空调和制热空调提供相应的热能或冷源，充分利用了环境热，提高了低温热能的利用率。

附图说明

图1为本发明用环境热发电的系统的流程示意图；

图2为本发明另一种实施方案的流程示意图；

其中：1—建筑物、2—混气罐、3—环境热提取设备、4—加热机、5—蓄电池、7—介质管路、8—氢气分离器、9—空气管路、10—柯来浦单元、11—空气净化器、15—发电机、56—低压氢气缓冲罐、57—高压氢气缓冲罐、66—低压氢气循环泵、67—阀门、A—1号氢反应床、B—2号氢反应床、C—3号氢反应床、80—充氮密封保护罩、84—有机工质压缩机、85—有机工质膨胀机、87—换热介质入口、90—四通阀、95—氢气泵、101—氢气检测器、108—低压氢气入口、109—低压氢气出口。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明利用环境热发电的柯来浦系统如图1所示，包括柯来浦单元10、空气净化器11、空气管路9、环境热提取设备3和建筑物1。柯来浦单元10包括升压床结构、低压氢气缓冲罐56、高压氢气缓冲罐57、低压氢气循环泵66、氢气泵95、有机工质压缩机84、有机工质膨胀机85、发电机15、蓄电池5和加热机4。柯来浦单元设有氢气检测器101，柯来浦单元的外部包有充氮密封保护罩80。升压床结构包括1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C，1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床设有换热介质入口87、换热介质出口42、低压氢气入口108和低压氢气出口109，并且均设有阀门67。有机工质压缩机84、有机工质膨胀机85与发电机15同轴连接，发电机输出电路一路连接到蓄电池5，一路连接到外部电力系统。有机工质压缩机84设有电力驱动设备，用于开机时暖机运行，电力驱动设备与蓄电池5电路连接。有机工质压缩机84的出口通过高压氢气缓冲罐57分别连接到1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C的换热介质入口87，加热机4并联安装在有机工质压缩机84至高压氢气缓冲罐57的管路上。1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气出口109通过阀门67和氢气泵95连接到有机工质膨胀机85的入口。有机工质膨胀机85的中段出口通过低压氢气缓冲罐56、低压氢气循环泵66和四通阀90连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气入口108，1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口42连接到有机工质膨胀机85的中段入口。有机工质膨胀机85出口通过介质管路7连接到环境热提取设备3，环境热提取设备3通过介质管路7连接到有机工质压缩机84的入口。空气管路9的一路通过空气净化器11和加热机4连接到建筑物的供暖空调，空气管路9的另一路通过空气净化器11和环境热提取设备3连接到建筑物1的供冷空调。

流动工质在环境热提取设备3中与环境空气经过换热后，同时在环境热提取设备3中被冷却的环境空气供给建筑物1空调制冷用。环境空气经空气管路9进入加热机4中被加热后供给建筑物1取暖使用。介质管路7中介质为氢气，柯来浦单元有机工质压缩机84、有机工质膨胀机85与升压床结构包括1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C的循环介质为氢气。1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C内金属同为稀土类金属。

环境热平均温度为10℃，本系统通过环境热提取设备3来利用环境热将有机工质膨胀机85出口出来的低温介质氢气加热至10℃；10℃的氢气经有机工质压缩机84压缩至约20MPa，同时温度进一步升高到约390℃；高温高压的介质氢气大部分直接进入柯来浦单元的一个氢反应床，少部分经加热机4加热环境空气后进入到该氢反应床，热空气供建筑物1取暖用；390℃，20MPa的介质氢气在氢反应床中直接加热金属氢化物使其放氢，氢反应床放出的高压氢气与换热后的高压介质氢气一同被送到有机工质膨胀机85做功，同轴带动发电机15发电，产生的电力大部分外供，少部分储存到蓄电池5。有机工质膨胀机85为多级膨胀机，中段设有氢气抽出口；膨胀至低温低压的氢气从膨胀机中段出口抽出，被送到柯来浦单元的另一个氢反应床，在该氢反应床中部分氢气被储氢金属材料吸收形成金属氢化物，同时储氢金属材料吸氢时放出的热量被用于再热未吸收的低压介质氢气；再热后的低压介质氢气则经氢反应床的换热介质出口42和有机工质膨胀机85的中段入口返回膨胀机继续做功；有机工质膨胀机85做功后的介质氢气压力约为1.1MPa，温度约为-65℃，送到环境热提取设备3提取环境热，在环境热提取设备3中被冷却的环境空气供建筑物1空调制冷用。

柯来浦单元升压床结构的氢反应床产生的20MPa、200℃的高温高压氢气，进入有机工质膨胀机85膨胀做功，高温高压氢气在有机工质膨胀机85膨胀做功过程中，中间抽出3MPa、—10℃的低温低压氢气，通过低压氢气缓冲罐56返回氢反应床用于吸氢，氢反应床吸氢后再加热放出20MPa、200℃的高温高压氢气，这部分氢气在有机工质膨胀机和氢反应床之间循环使用。20MPa、200℃的高温高压氢气在有机工质膨胀机85膨胀做功后，膨胀机出口1.1MPa、—65℃的低温低压氢气，进入环境热换热升温到1.1MPa、10℃，进入有机工质压缩机84，经有机工质压缩机压缩升温升压到20MPa、390℃的高温高压氢气，通过高压氢气缓冲罐57后，进入氢反应床加热金属氢化物放出20MPa、200℃的高温高压氢气，加热介质20MPa、400℃的氢气温度也下降为200℃，二股氢气合并后一块进进入有机工质膨胀机85膨胀做功。

整个系统是利用环境热，通过有机工质压缩机、氢反应床和有机工质膨胀机的联合循环对外做功发电。高/低温介质氢气在氢反应床放/吸氢时，采用直接接触的换热方式进入到氢反应床中进行换热，换热速度快响应时间短；同时还有效地利用了吸氢反应放出的热量来再热介质氢气；并简化了工艺流程、降低了设备投资、大幅度的提高了换热效率、减少了装置体积和占地面积。

实施例2

本发明另一种实施方式如图2所示，包括柯来浦单元10、氢气分离器8、空气管路9、环境热提取设备和建筑物1。柯来浦单元10的结构与实施例1相同，环境热提取设备由3台混气罐2组成，混气罐2设有氢气分离膜。有机工质膨胀机85出口通过介质管路7与3台混气罐2连接，3台混气罐2通过介质管路7连接到有机工质压缩机84的入口。空气管路9的另一路通过空气净化器11和柯来浦单元中的加热机4连接到建筑物的供暖空调。空气管路9的另一路通过空气净化器11和混气罐2连接到氢气分离器8，氢气分离器的氢气出口连接到有机工质压缩机84的入口，氢气分离器的空气出口分为两路，一路连接到建筑物1的供冷空调，另一路连接到放空口。

从有机工质膨胀机出口来的低温氢气与环境空气按体积比5:95一起进入混气罐2中直接混合进行换热。混气罐一端设有氢气过滤膜，只允许氢气通过，另一端为空气排放口，连接氢气分离器8。换热升温后的氢气从混气罐2装有氢气过滤膜的一端出，送往有机工质压缩机。被冷却的环境空气从混气罐2空气排放口的一端出，被冷却的空气中含有微量的氢气，经氢气分离器8分离后氢气返回有机工质压缩机84的入口，空气送往建筑物1用于空调制冷，不用作供冷空调制冷时，到放空口放空。

Claims (8)

1.一种利用环境热发电的柯来浦系统，包括柯来浦单元（10）、空气净化器（11）和空气管路（9），所述柯来浦单元设有有机工质压缩机（84）、有机工质膨胀机（85）、发电机（15）、蓄电池（5）和加热机（4），所述有机工质压缩机（84）、有机工质膨胀机（85）与发电机（15）同轴连接，发电机输出电路一路连接到蓄电池（5），一路连接到外部电力系统；其特征是：所述系统设有环境热提取设备（3）和建筑物（1），所述建筑物中设有供暖空调和供冷空调；有机工质膨胀机（85）出口通过介质管路（7）连接到环境热提取设备（3），所述环境热提取设备（3）通过介质管路（7）连接到有机工质压缩机（84）的入口；所述空气管路（9）的一路通过空气净化器（11）和加热机（4）连接到建筑物的供暖空调，所述空气管路（9）的另一路通过空气净化器（11）和环境热提取设备（3）连接到建筑物（1）的供冷空调；

所述有机工质压缩机（84）用于将低温的氢气转换为高温高压的氢气；

所述加热机（4）用于利用所述有机工质压缩机（84）输出的高温高压的氢气对冷空气进行加热，从而得到热空气，热空气用于建筑物（1）取暖；

所述有机工质膨胀机（85）用于利用高温高压的氢气进行膨胀做功。

2.根据权利要求1所述的利用环境热发电的柯来浦系统，其特征是：所述系统设有氢气分离器（8），所述氢气分离器设有氢气出口和空气出口，所述环境热提取设备（3）为至少两台交替工作的混气罐（2），所述混气罐（2）设有氢气分离膜；所述有机工质膨胀机（85）出口通过介质管路（7）连接到混气罐（2），所述混气罐（2）通过介质管路（7）连接到有机工质压缩机（84）的入口；所述空气管路（9）的一路通过空气净化器（11）和混气罐（2）连接到氢气分离器（8），所述氢气出口连接到有机工质压缩机（84）的入口，所述空气出口分为两路，一路连接到建筑物（1）的供冷空调，另一路连接到放空口。

3.根据权利要求1所述的利用环境热发电的柯来浦系统，其特征是：所述环境热用太阳能热源或电厂余热或水蒸汽冷凝器冷凝热代替，建筑物用交通工具或穿戴设备代替；有热源和温差能使柯来浦系统循环发电，供热供冷，所采用的压力、温度和具体设备配置根据在不同环境、不同热源条件下，不同装置具体情况合理调配；所述蓄电池（5）为建筑物（1）、交通工具和穿戴设备提供电力。

4.根据权利要求1所述的利用环境热发电的柯来浦系统，其特征是：所述柯来浦单元（10）包括升压床结构、低压氢气缓冲罐（56）、高压氢气缓冲罐（57）、低压氢气循环泵（66）、氢气泵（95）、有机工质压缩机（84）、有机工质膨胀机（85）、发电机（15）、蓄电池（5）和加热机（4），有机工质膨胀机（85）设有中段抽出口和中段入口；所述升压床结构包括1号氢反应床（A）、2号氢反应床（B）和3号氢反应床（C），1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床设有换热介质入口（87）、换热介质出口（42）、低压氢气入口（108）和低压氢气出口（109），低压氢气入口（108）、低压氢气出口（109）、换热介质入口（87）和换热介质出口（42）分别设有阀门（67）；所述有机工质压缩机（84）的出口通过高压氢气缓冲罐（57）分别连接到1号氢反应床（A）、2号氢反应床（B）和3号氢反应床（C）的换热介质入口（87），所述加热机（4）并联安装在有机工质压缩机（84）至高压氢气缓冲罐（57）的管路上；所述1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口（42）通过阀门（67）和氢气泵（95）连接到有机工质膨胀机（85）的入口；有机工质膨胀机（85）的中段抽出口通过低压氢气缓冲罐（56）、低压氢气循环泵（66）和四通阀（90）连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气入口（108），1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气出口（109）连接到有机工质膨胀机（85）的中段入口。

5.根据权利要求1所述的利用环境热发电的柯来浦系统，其特征是：所述柯来浦单元（10）设有氢气检测器（101），柯来浦单元的外部包有惰性气体的密封保护罩（80）。

6.根据权利要求4所述的利用环境热发电的柯来浦系统，其特征是：所述1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床内装有金属氢化物，各个氢反应床内的金属氢化物的种类、重量、体积相同或不相同；各个氢反应床采用内热式或外热式或抽吸式的加热方式，根据具体情况增加氢反应床数量；所述柯来浦单元设有多级升压床结构；各个氢反应床采用内热式或外热式的间接加热形式时，有机工质作为间接加热的热源气体，有机工质是性质稳定的单一气体或几种气体的混合物。

7.根据权利要求2所述的利用环境热发电的柯来浦系统，其特征：所述混气罐（2）内氢气和空气的比例为0:100至100:0。

8.根据权利要求2所述的利用环境热发电的柯来浦系统，其特征：所述氢气分离器（8）由膜分离或分子筛分离装置代替。

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