CN114370719A - 一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统及其工作方法。该多联供系统通过聚光光伏系统、半效吸收式制冷系统、跨临界CO2循环系统和与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统的耦合运行，实现冷、电以及热水联供；所述半效吸收式制冷系统用于将聚光光伏系统产生的光伏废热转化为冷能，所述跨临界CO2循环系统用于利用半效吸收式制冷系统产生的冷能，使CO2蒸汽温度降低，提高透平涡轮机发电效率；冷水经过半效吸收式制冷系统中的高低压吸收器和kalina循环系统中冷凝器散出的热量，作为热水供应；所述与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统用于利用跨临界CO2循环系统中的透平排气的热量使氨溶液汽化产生浓氨蒸汽，浓氨蒸汽进入透平膨胀机产生电力。

Description

一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统及其工作方法
技术领域
本发明属于能源梯级利用领域，具体涉及一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统及其工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
低品位热源来源非常广泛，包括太阳能，工业废热、地热能等。一旦找到对低品位热源回收利用的方法，其含有的巨大潜力，将为世界经济脱碳作出重要贡献，缓解对不可再生能源的迫切需要。在多种利用方式中，冷、电联合系统具有较高的能量传输效率，有望同时为用户提供动力和制冷输出。
截至2015年，全球最终能源消费约19.3％由可再生能源提供，其中太阳能占主导地位。太阳能利用主要分为太阳能热利用和太阳能光伏利用两大类。目前在实际工程中应用更广泛的是太阳能光伏，大面积的光伏电池板被投入使用，在此发电过程中会有光伏废热产生，这部分热量需要被及时排除，以获得合适的光伏运行温度，否则会降低发电效率。但这部分废热的温度并不高，一般为60660℃，因此大部分情况下会直接排掉，得不到利用。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统及其工作方法，本发明既可实现变废热为冷能，又能提高系统联合效率。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
第一个方面，本发明提供了一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统。
一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统，包括：聚光光伏系统、半效吸收式制冷系统、跨临界CO2循环系统和与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统，通过聚光光伏系统、半效吸收式制冷系统、跨临界CO2循环系统和与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统的耦合运行，实现冷、电以及热水联供；
所述半效吸收式制冷系统用于将聚光光伏系统产生的光伏废热转化为冷能，所述跨临界CO2循环系统用于利用半效吸收式制冷系统产生的冷能，使CO2蒸汽温度降低，提高透平涡轮机发电效率；
冷水经过半效吸收式制冷系统中的高低压吸收器和kalina循环系统中冷凝器散出的热量，作为热水供应；
所述与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统用于利用跨临界CO2循环系统中的透平排气的热量使氨溶液汽化产生浓氨蒸汽，浓氨蒸汽进入透平膨胀机产生电力。
第二个方面，本发明提供了一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统的工作方法。
一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统的工作方法，包括：
所述半效吸收式制冷系统用于将聚光光伏系统产生的光伏废热转化为冷能，所述跨临界CO2循环系统用于利用半效吸收式制冷系统产生的冷能，使CO2蒸汽温度降低，提高透平涡轮机发电效率；
冷水经过半效吸收式制冷系统中的高低压吸收器和kalina循环系统中冷凝器散出的热量，作为热水供应；
所述与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统用于利用跨临界CO2循环系统中的透平排气的热量使氨溶液汽化产生浓氨蒸汽，浓氨蒸汽进入透平膨胀机产生电力。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明利用光电废热产生冷却能量，进而提高跨临界CO2循环效率，并将跨临界CO2循环中的透平排气的热量引入与喷射式制冷耦合的kalina循环，以实现能量的梯级利用，并可同时满足用户冷、电、热水多种能源需求，可产生较大的经济效益、环境效益。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明示出的充分利用光伏热和地热能的多联供系统的结构图；
图中，1.聚光光伏；2.高压发生器；3.高压溶液热交换器；4.高压泵；5.高压吸收塔；6.低压发生器；6.低压溶液热交换器；8.低压泵；9.低压吸收塔；10.ABS冷凝器；11.ABS蒸发器；12.ABS节流阀；13.TCPC发生器；14.TCPC透平膨胀机；15.TCPC冷凝器；16.TCPC泵；16.锅炉；18.KCS预热器；19.第一分离器；20.KCS透平膨胀机；21.第一KCS回热器；22.第二KCS回热器；23.第一混合器；24.第二混合器；25.第一KCS节流阀；26.第二KCS节流阀；26.KCS冷凝器；28.KCS工质泵；29.第二分离器；30.喷射器；31.E冷凝器；32.E节流阀；33.E蒸发器；34.截止阀；35.高压溶液节流阀；36.低压溶液节流阀。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本实施例提供了一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统。
一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统，包括：聚光光伏系统、半效吸收式制冷系统、跨临界CO2循环系统和与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统，通过聚光光伏系统、半效吸收式制冷系统、跨临界CO2循环系统和与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统的耦合运行，实现冷、电以及热水联供；
所述半效吸收式制冷系统用于将聚光光伏系统产生的光伏废热转化为冷能，所述跨临界CO2循环系统用于利用半效吸收式制冷系统产生的冷能，使CO2蒸汽温度降低，提高透平涡轮机发电效率；
冷水经过半效吸收式制冷系统中的高低压吸收器和kalina循环系统中冷凝器散出的热量，作为热水供应；
所述与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统用于利用跨临界CO2循环系统中的透平排气的热量使氨溶液汽化产生浓氨蒸汽，浓氨蒸汽进入透平膨胀机产生电力。
本实施的技术方案包括聚光光伏系统、半效吸收式制冷系统、跨临界CO2循环系统和与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统四部分，具体系统结构如图1所示。
1.聚光光伏
在光伏集中子系统中，入射的太阳能首先由抛物线槽集热器集中到光伏集中的表面。以这种方式，光谱响应中的光谱能量直接转化为电能。剩余的光谱能量随后转化为光伏的废热。这种热应及时进行散掉，以获得合适的光伏运行温度。在这种情况下，在聚光光伏1的背面，安装了一个流体通道。流入流体通道的冷却流体(水)吸收光伏废热。吸收光伏废热后的冷却流体从流体通道中流出，作为驱动热源流入半效氨水吸收式制冷机的高压发生器2中。
2.半效应吸收式制冷循环
半效吸收式制冷系统包括：高压发生器2、ABS冷凝器10、ABS节流阀12、ABS蒸发器11、低压吸收塔9、低压溶液节流阀36、低压泵8、低压溶液热交换器6、低压发生器6、高压吸收塔5、高压泵4、高压溶液节流阀35和高压溶液热交换器3；
其中，半效吸收式制冷系统的氨水溶液在高压阶段和低压阶段循环，所述高压阶段在高压发生器2和高压吸收塔5之间，低压阶段在低压发生器6和低压吸收塔9之间。
在高压阶段，高压发生器2在聚光光伏系统产生的光伏废热的驱动下，弱氨溶液经高压溶液热交换热器3降温，再经高压溶液节流阀35进入高压吸收塔5，在高压吸收塔5中弱氨溶液吸收来自低压发生器6的浓氨蒸汽后，再经高压泵4泵回高压发生器2，在泵回高压发生器2的途中经高压溶液热交换热器3升温；
在低压阶段，是由低品位热能来源，低压发生器6中生成的弱氨溶液经低压溶液热交换热器6降温，再经低压溶液节流阀36进入低压吸收塔9，在低压吸收塔9中弱氨溶液吸收来自ABS蒸发器11的浓氨蒸汽后，经低压泵8泵回低压发生器6，经低压发生器6加热后浓氨蒸汽进入高压吸收塔5，再经高压泵4泵回高压发生器2，在泵回高压发生器2的途中经高压溶液热交换热器3升温。高压阶段的溶液循环与低压阶段的溶液循环相似。高压发生器2中产生的浓氨蒸汽送入ABS冷凝器10，被冷凝成浓氨液，经ABS节流阀12节流后进入ABS蒸发器11，ABS蒸发器11制出的冷量供给跨临界CO2循环系统中的TCPC冷凝器15，低温冷量降低跨临界CO2循环的涡轮出口温度，涡轮膨胀比的提高可以提高整个循环输出的机械功率。
高、低压吸收塔中的吸收过程会放热，将冷水通入其中带走热量，并且还能为用户提供生活热水。
3.跨临界CO2循环
跨临界CO2循环系统包括：TCPC发生器13、TCPC透平膨胀机14、锅炉16、TCPC冷凝器15和TCPC泵16；
其中，跨临界CO2循环系统的驱动热源来自地热水，为TCPC发生器13提供热量，高温高压的CO2蒸汽进入TCPC透平涡轮机13发电，再将透平排气的热量供给卡琳娜循环系统的锅炉16，不仅降低了透平排气温度，还为卡琳娜循环提供了驱动热源；随后将温度降低的CO2蒸汽送入TCPC冷凝器15，冷凝成液态CO2后经TCPC泵16加压再送入TCPC发生器13。
4.与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统
与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统包括卡琳娜循环系统和喷射式制冷系统；
所述卡琳娜循环系统包括第一分离器19、KCS透平膨胀机14、第一混合器23、第一KCS节流阀25、第一KCS回热器21、第二分离器29和第二KCS回热器22；
与喷射式制冷耦合的kalina循环工质是氨水，卡琳娜循环系统的驱动热源来自跨临界CO2循环系统的透平排气，基本氨溶液在锅炉15升温汽化后进入第一分离器19，浓氨蒸汽进入KCS透平膨胀机14发电；弱氨溶液经第一KCS回热器21降温，经第一KCS节流阀25降压后与透平排气在第一混合器23中混合；然后经过第二KCS回热器22降温，同时还能加热生活热水。当KCS透平膨胀机19膨胀到中间压力时，抽出一定部分的富氨蒸汽送入第二分离器29，然后浓氨蒸汽被送入喷射器30。
喷射式制冷系统包括：喷射器30、E冷凝器31、E节流阀32、E蒸发器33、第二KCS节流阀26、第二混合器24、第二KCS回热器22、KCS冷凝器26、KCS工质泵28和KCS预热器18；
其中，在喷射器30中，喷嘴出口处的一次流以非常高的速度产生非常高的真空，可以将二次流从蒸发器吸入室。一次流和二次流在混合腔内混合，混合流在扩压器内经历进一步的压力恢复。接下来，混合流会进入E冷凝器31，在E冷凝器31中蒸汽通过排出周围的热量而凝结成液体，高纯氨液通过E节流阀32膨胀到蒸发压力进入E蒸发器33，实现制冷；
一部分蒸发蒸汽被喷射器30带走，另一部分与经过第二KCS回热器22降温的气液混合物在第二混合器24内混合，随后送入KCS冷凝器26冷凝成液体，经KCS工质泵28加压，经第一KCS回热器21升温再经KCS预热器18升温，最后送回锅炉16，这样循环就完成了。
本发明的有以下创新点：
(1)系统创新，该系统集成了太阳能光伏/半效吸收式制冷循环/跨临界CO2循环/喷射式制冷耦合的kalina循环，该系统提供电能、冷能以及家用热水。提出了一种既可实现变废热为冷能，又能提高系统联合效率的多联供系统。
(2)光伏发电的废热产生冷却能量，进而降低跨临界CO2循环的涡轮出口温度，涡轮膨胀比的提高可以提高循环输出的机械功率，与此同时太阳能效率比独立聚光光伏提高了。
(3)将冷水通入半效吸收式制冷系统的低压吸收塔，带走吸收过程放出的热量，再通入高压吸收塔，最后通入kalina循环的回热器。经过此操作废热被带走，且能为用户提供热水。
(4)由于太阳能光伏的引入，白天可以节省地热水的热量，全力供给kalina系统的预热器，以提高kalina系统的效率。晚上将从跨临界CO2循环的发生器中出来的热源分出一部分，引入半效吸收式制冷系统的发生器提供驱动热源，从而解决了太阳能的局限性。保证系统全天运行。
(5)在跨临界CO2循环中将透平出口工质的热量供给kalina循环的锅炉，实现了热量的梯级利用，为kalina循环提供驱动热源，并且完全替代了原循环中的回热器。
(6)在kalina循环的透平涡轮机中压部分引出一股中压蒸汽，再次送入分离器，分离出的氨蒸汽经过喷射器进入制冷循环。两次分离确保进入制冷循环的氨蒸汽浓度很高，以此来保证制冷效果。
(6)将地热水先送入跨临界CO2循环的发生器提供热源，再送入kalina循环的预热器，实现了热源的梯级利用。
需要说明的是，本实施例中提出的系统是以中低温热源(聚光光伏发电废热和中低温地热水)为驱动热源的。聚光光伏发电废热的温度范围为60660℃，此部分热量需要被及时带走，以保证电池发电效率。半效吸收式制冷系统，要求驱动热源温度60690℃，因此光伏废热与半效吸收式制冷系统的耦合是满足温度匹配的。并将此处光伏发电废热产生的冷却能量，提供给跨临界CO2循环的冷凝器，降低冷凝温度，进而提高跨临界CO2循环效率。跨临界CO2循环的驱动热源来自地热水，热源温度区间为2606300℃，地热水驱动发生器后温度约为906120℃，并且在夜间，从经过跨临界CO2循环中地热水中分出一支，打开支路上的截止阀34，被引入半效吸收式制冷系统的发生器提供驱动热源，不仅解决了太阳能的局限性，保证系统全天运行，而且实现了温度的梯级利用。
kalina循环的主要驱动热源也来自驱动跨临界CO2循环后的地热水，并且kalina循环在利用能量品味较低的中低温余热资源发电方面可以实现较高的热效率，适用于温度在150-250℃的热源。
实施例二
本实施例提供了一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统的工作方法。
一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统的工作方法，包括：
所述半效吸收式制冷系统用于将聚光光伏系统产生的光伏废热转化为冷能，所述跨临界CO2循环系统用于利用半效吸收式制冷系统产生的冷能，使CO2蒸汽温度降低，提高透平涡轮机发电效率；
冷水经过半效吸收式制冷系统中的高低压吸收器和kalina循环系统中冷凝器散出的热量，作为热水供应；
所述与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统用于利用跨临界CO2循环系统中的透平排气的热量使氨溶液汽化产生浓氨蒸汽，浓氨蒸汽进入透平膨胀机产生电力。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统，其特征在于，包括：聚光光伏系统、半效吸收式制冷系统、跨临界CO2循环系统和与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统，通过聚光光伏系统、半效吸收式制冷系统、跨临界CO2循环系统和与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统的耦合运行，实现冷、电以及热水联供；
所述半效吸收式制冷系统用于将聚光光伏系统产生的光伏废热转化为冷能，所述跨临界CO2循环系统用于利用半效吸收式制冷系统产生的冷能，使CO2蒸汽温度降低，提高透平涡轮机发电效率；
冷水经过半效吸收式制冷系统中的高低压吸收器和卡琳娜循环系统中冷凝器散出的热量，作为热水供应；
所述与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统用于利用跨临界CO2循环系统中的透平排气的热量使氨溶液汽化产生浓氨蒸汽，浓氨蒸汽进入透平膨胀机产生电力。
2.根据权利要求1所述的充分利用光伏热和地热能的多联供系统，其特征在于，所述聚光光伏包括流体通道，流入流体通道的冷却流体吸收光伏废热，吸收光伏废热后的冷却流体从流体通道中流出，作为驱动热源流入半效吸收式制冷系统的高压发生器中。
3.根据权利要求1所述的充分利用光伏热和地热能的多联供系统，其特征在于，所述半效吸收式制冷系统包括：高压发生器、ABS冷凝器、ABS节流阀、ABS蒸发器、低压吸收塔、低压溶液节流阀、低压泵、低压溶液热交换器、低压发生器、高压吸收塔、高压泵、高压溶液节流阀和高压溶液热交换器；
其中，半效吸收式制冷系统的氨水溶液在高压阶段和低压阶段循环，所述高压阶段在高压发生器和高压吸收塔之间，低压阶段在低压发生器和低压吸收塔之间。
4.根据权利要求3所述的充分利用光伏热和地热能的多联供系统，其特征在于，在高压阶段，高压发生器在聚光光伏系统产生的光伏废热的驱动下，弱氨溶液经高压溶液热交换热器降温，再经高压溶液节流阀进入高压吸收塔，在高压吸收塔中弱氨溶液吸收来自低压发生器的浓氨蒸汽后，再经高压泵泵回高压发生器，在泵回高压发生器的途中经高压溶液热交换热器升温；
在低压阶段，低压发生器中生成的弱氨溶液经低压溶液热交换热器降温，再经低压溶液节流阀进入低压吸收塔，在低压吸收塔中弱氨溶液吸收来自ABS蒸发器的浓氨蒸汽后，经低压泵蹦会低压发生器，经低压发生器加热后浓氨蒸汽进入高压吸收塔，再经高压泵泵回高压发生器，在泵回高压发生器的途中经高压溶液热交换热器升温。
5.根据权利要求3所述的充分利用光伏热和地热能的多联供系统，其特征在于，高压发生器中产生的浓氨蒸汽送入ABS冷凝器，被冷凝成浓氨液，经ABS节流阀节流后进入ABS蒸发器，ABS蒸发器制出的冷量供给跨临界CO2循环系统中的TCPC冷凝器，低温冷量降低跨临界CO2循环的涡轮出口温度；高低压吸收塔中的吸收过程会放热，将冷水通入其中带走热量，产生热水。
6.根据权利要求1所述的充分利用光伏热和地热能的多联供系统，其特征在于，所述跨临界CO2循环系统包括TCPC发生器、TCPC透平膨胀机、锅炉、TCPC冷凝器和TCPC泵；
其中，跨临界CO2循环系统的驱动热源来自地热水，为TCPC发生器提供热量，高温高压的CO2蒸汽进入TCPC透平涡轮机发电，再将透平排气的热量供给卡琳娜循环系统的锅炉，不仅降低了透平排气温度，还为卡琳娜循环提供了驱动热源；随后将温度降低的CO2蒸汽送入TCPC冷凝器，冷凝成液态CO2后经TCPC泵加压再送入TCPC发生器。
7.根据权利要求1所述的充分利用光伏热和地热能的多联供系统，其特征在于，所述与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统包括卡琳娜循环系统和喷射式制冷系统；
所述卡琳娜循环系统包括第一分离器、KCS透平膨胀机、第一混合器、第一KCS节流阀、KCS回热器、第二分离器和第二KCS回热器。
8.根据权利要求7所述的充分利用光伏热和地热能的多联供系统，其特征在于，所述卡琳娜循环系统的驱动热源来自跨临界CO2循环系统的透平排气，基本氨溶液在锅炉升温汽化后进入第一分离器，浓氨蒸汽进入KCS透平膨胀机发电；弱氨溶液经第一KCS回热器降温，经第一KCS节流阀降压后与透平排气在第一混合器中混合；然后经过第二KCS回热器降温，提供热水；当KCS透平膨胀机膨胀到中间压力时，抽出一定部分的富氨蒸汽送入第二分离器，然后浓氨蒸汽被送入喷射器。
9.根据权利要求7所述的充分利用光伏热和地热能的多联供系统，其特征在于，所述喷射式制冷系统包括：喷射器、E冷凝器、E节流阀、E蒸发器、第二KCS节流阀、第二混合器、第二KCS回热器、KCS冷凝器、KCS工质泵和KCS预热器；
其中，在喷射器中产生混合流的进入E冷凝器，在E冷凝器中蒸汽通过排出周围的热量而凝结成液体，高纯氨液通过E节流阀膨胀到蒸发压力进入E蒸发器，实现制冷；
一部分蒸发蒸汽被喷射器带走，另一部分与经过第二KCS回热器降温的气液混合物在第二混合器内混合，随后送入KCS冷凝器冷凝成液体，经KCS工质泵加压，经第一KCS回热器升温再经KCS预热器升温，最后送回锅炉。
10.一种充分利用光伏热和地热能的多联供系统的工作方法，其特征在于，包括：
所述半效吸收式制冷系统用于将聚光光伏系统产生的光伏废热转化为冷能，所述跨临界CO2循环系统用于利用半效吸收式制冷系统产生的冷能，使CO2蒸汽温度降低，提高透平涡轮机发电效率；
冷水经过半效吸收式制冷系统中的高低压吸收器和卡琳娜循环系统中冷凝器散出的热量，作为热水供应；
所述与喷射式制冷耦合的卡琳娜循环系统用于利用跨临界CO2循环系统中的透平排气的热量使氨溶液汽化产生浓氨蒸汽，浓氨蒸汽进入透平膨胀机产生电力。
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