CN114607502A - 一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，应用能量梯级利用的原则，对太阳能与生物质能互补的分布式能源系统进行集成。本发明主要建立了两个子系统，其一为太阳能与生物质能互补子系统，其利用槽式太阳能集热器集取热量驱动生物质水蒸汽气化，其中所需要的水蒸汽由生物质气的余热量进行加热制取。另一个是冷热电联供子系统，采用了内燃机、余热型吸收式冷热水机组模型和换热器的部件。通过对太阳能与生物质能互补的分布式能源系统的集成与设计，实现了对能量的梯级利用，提高了能源的利用率，为实现能源结构的转换提供了一种新的思路。

Description

一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统
技术领域
本发明属于新能源利用技术领域，特别涉及一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统。
背景技术
在很长一段时间里，三大化石能源一直在能源的舞台充当着重要的角色。然而，煤、石油、天然气等化石能源的消耗使其变得紧缺，从而环境与经济相互制衡的矛盾更加突出。在风能、太阳能、生物质能和地热能等众多可在生能源开发利用中，都存在能源自身性质而导致的不可控性和能源利用的不完整性等问题，为此多能互补的提出以弥补这些缺陷，达到更高的经济效益。
可再生能源相结合的用能方案可以大大缓解化石能源的危机，考虑到能源利用的节约性和科学性，以分布式供能系统作为能源的供应方式，利用其处在用户端的优势：第一，将能源进行梯级利用满足用户的多元化需求。第二，对废气余热进行资源化利用，使能源的利用率提高，减少对环境的污染。第三，由于临近用户使能源输送方面减少了有效能的损失，能源利用的安全性提高。因此以分布式能源供能系统为依托的多能互补的能源结构为能源结构的变革提供了强有力的保障。
在众多可再生能源中，我国所拥有的太阳能资源非常丰富，而且太阳能普遍存在，对其的开发利用不会产生污染，可以被称作为最清洁的燃料之一，因其优点显著已引起人们对太阳能的普遍关注。随着太阳能的不断开发利用，其用能的限制性也越来越多，太阳能总量很大但较为分散，使其利用效率和成本升高。生物质能和太阳能一样资源非常丰富，是一种低碳清洁的可再生能源，将生物质成型化可以替代能源紧缺的化石燃料，但其也具有能量密度低、空间和时间上的不连续性等不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，此系统由两大部分组成，分别是太阳能与生物质互补子系统和冷热电联供子系统。整个系统分为两个工况，分别为夏季工况和冬季工况。夏季时，利用气化气通入内燃机发电，内燃机发电后产生高温烟气和缸套水用于吸收式冷热水机组进行制冷，其中吸收式冷热水机组排放的废气仍具有较高的温度，用于产生生活热水。冬季时，由气化气作为燃料气使内燃机发电后，产生的高温烟气和缸套水用于吸收式冷热水机组进行制热，生活热水的制取与夏季工况相同，也是利用吸收式冷热水机组排放的烟气。通过对太阳能与生物质能互补的分布式能源系统的集成与设计，实现了对能量的梯级利用，提高了能源的利用率。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，包括太阳能与生物质互补子系统和冷热电联供子系统，具体包括：槽式集热器、太阳能气化器、气固混合器、第一换热器、气体净化装置、罗茨风机、储气罐、第一调节阀、内燃机、第一冷却塔、第二冷却塔、余热型冷水吸收式机组、发电机和第二换热器；
所述的太阳能与生物质互补子系统用于吸收太阳能的余热，并提供生物质气体；
所述的冷热电联供子系统，用于供热、供冷以及供电等三联供系统；
所述的槽式集热器用于加热太阳能气化器；
所述的气固混合器依次与太阳能气化器和第一换热器相连接，加热后的生物质气被送入气体净化装置，用于净化生物质气；
所述的罗茨风机与储气罐相连接，用于将生物质气增压，并储存在储气罐中；
所述的第一调节阀与内燃机相连接，生物质气通过第一调节阀控制，产生的生物质气与空气一同被送入内燃机中燃烧，内燃机与发电机同轴连接，用于发电；
所述的第一冷却塔与第二冷却塔采用并联的方式；
所述的余热型冷水吸收式机组与第二换热器相连接，剩余的余热用于加热自来水。
本发明进一步的改进在于，该系统分为两个工况，分别为夏季工况和冬季工况；
夏季时，利用气化气通入内燃机发电，内燃机发电后产生高温烟气和缸套水用于吸收式冷热水机组进行制冷，其中吸收式冷热水机组排放的废气仍具有较高的温度，用于产生生活热水；
冬季时，由气化气作为燃料气使内燃机发电后，产生的高温烟气和缸套水用于吸收式冷热水机组进行制热，生活热水的制取与夏季工况相同，是利用吸收式冷热水机组排放的烟，通过对太阳能与生物质能互补的分布式能源系统的集成与设计，实现了对能量的梯级利用。
本发明进一步的改进在于，生物质气化的化学是复杂的物质变换反应，有碳和氧气生成一氧化碳或二氧化碳的反应，有碳和水蒸汽发生的水蒸汽分解和甲烷的生成反应，两个主要化学反应分别为：
(1)水煤气变换反应：CO+H2O→CO2+H2
(2)甲烷的生成反应：C+H2→CH4
其中在气化区两个反应完全进行，气化反应涉及的气体为理想气体。
本发明进一步的改进在于，对于太阳能水蒸汽气化能量平衡，生物质水蒸汽气化过程所涉及的能量变化是复杂的，主要反应是吸热过程，使用槽式太阳能集热器作为气化反应的外热源提供吸热反应所需要的热量，系统中的参考状态为298K和一个大气压。
本发明进一步的改进在于，生物质水蒸汽化的产物中，氢气和甲烷所占的比重大，产生的气体为中热值气体，热值能达到10～20MJ/m3。
本发明进一步的改进在于，在太阳能与生物质能互补气化的系统中，将生物质水蒸汽气化模型和太阳能集热器热力学模型两个模型相互集成为太阳能气化器。
本发明进一步的改进在于，第一换热器的水蒸汽气化所需要的水蒸汽无需由蒸汽发生器制得，利用气化系统所产生的高温气化气在第一换热器中加热自来水，制取气化所需的水蒸汽。
本发明进一步的改进在于，采用内燃机作为分布式能源系统的动力系统，其机械效率在额定工况下为35％～40％。
本发明进一步的改进在于，冷热电联供子系统将余热型吸收式冷热水机组与内燃机相互耦合，吸收式机组回收利用内燃机的烟气和缸套水余热量作为驱动力，满足夏季和冬季工况的需求，高温烟气为高压发生器提供驱动力，缸套水为低压发生器提供动力。
本发明进一步的改进在于，对于夏天来说，驱动热源分别是缸套水为低压发生器提供的低温热源，烟气为高压发生器提供高温热源，由蒸发器制取空调冷冻水，吸收式冷热水机组的排放的烟气与换热器换热制取生活热水；对于冬季来说，余热型吸收式制冷机组中的冷凝器和蒸发器不发挥作用，以分隔式的模式进行制热，热源依旧利用高温烟气和缸套水，其中在高压发生器中高温烟气将溴化锂溶液加热，加热后溴化锂溶液产生的高温水蒸汽将换热铜管中的水加热，加热后的热水用于冬季的空调热水，而高温水蒸汽凝结回到溴化锂溶液中，之后再被高温烟气加热如此进行冬季的制热循环，缸套水的热量直接通过换热器进行换热为空调热水利用。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，应用能量梯级利用的原则，对太阳能与生物质能互补的分布式能源系统进行集成。主要建立了两个子系统，其一为太阳能与生物质能互补子系统，其利用槽式太阳能集热器集取热量驱动生物质水蒸汽气化，其中所需要的水蒸汽由生物质气的余热量进行加热制取。另一个是冷热电联供子系统，采用了内燃机、余热型吸收式冷热水机组模型和换热器的部件。通过对太阳能与生物质能互补的分布式能源系统的集成与设计，实现了对能量的梯级利用，提高了能源的利用率，为实现能源结构的转换提供了一种新的思路。
附图说明
图1是本发明实施例的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统示意图；
图中：A、太阳能与生物质能互补子系统；B、冷热电联共子系统；
1、槽式集热器；2、太阳能气化器；3、气固混合器；4、第一换热器；5、气体净化装置；
6、罗茨风机；7、储气罐；8、第一调节阀；9、内燃机；10、第一冷却塔；11、第二冷却塔；12、余热型冷水吸收式机组；13、发电机；14、第二换热器。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
请参阅图1，本发明实施例的一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，此系统由两大部分组成，分别是太阳能与生物质互补子系统和冷热电联供子系统。互补的分布式能源系统包括：槽式集热器1、太阳能气化器2、气固混合器3、第一换热器4、气体净化装置5、罗茨风机6、储气罐7、第一调节阀8、内燃机9、第一冷却塔10、第二冷却塔11、余热型冷水吸收式机组12、发电机13和第二换热器14等部件。
所述的太阳能与生物质互补子系统用于吸收太阳能的余热，并提供生物质气体；所述的冷热电联供子系统，用于供热、供冷以及供电等三联供系统；所述的槽式集热器1用于加热太阳能气化器2；所述的气固混合器3依次与太阳能气化器2和第一换热器4相连接，加热后的生物质气被送入气体净化装置5，用于净化生物质气；所述的罗茨风机6与储气罐7相连接，用于将生物质气增压，并储存在储气罐7中；所述的第一调节阀8与内燃机9相连接，生物质气通过第一调节阀8控制，产生的生物质气与空气一同被送入内燃机9中燃烧，内燃机9与发电机13同轴连接，用于发电；所述的第一冷却塔10与第二冷却塔11采用并联的方式；所述的余热型冷水吸收式机组12与第二换热器14相连接，剩余的余热用于加热自来水。
整个系统分为两个工况，分别为夏季工况和冬季工况。在太阳能与生物质能互补子系统中，应用水蒸汽作为生物质气化的气化剂，太阳能槽式集热器进行集热驱动生物质水蒸汽气化产生气化气作为内燃机的燃料气，区别于自热式气化反应，不需要燃烧大量的生物质原料来提供这部分热量。其中水蒸汽的制取过程省去了蒸汽发生器，通过自来水与高温气化气的换热制得气化过程的气化剂。如此由太阳能与生物质能子系统产生的气化气经过净化系统后为发电、制冷和制热过程提供燃料。
夏季时，利用气化气通入内燃机发电，内燃机发电后产生高温烟气和缸套水用于吸收式冷热水机组进行制冷，其中吸收式冷热水机组排放的废气仍具有较高的温度，用于产生生活热水。冬季时，由气化气作为燃料气使内燃机发电后，产生的高温烟气和缸套水用于吸收式冷热水机组进行制热，生活热水的制取与夏季工况相同，也是利用吸收式冷热水机组排放的烟气。
整个系统由太阳能与生物质能互补子系统和冷热电联供子系统两个子系统组成，其中前者的中心思想是生物质水蒸汽气化反应中的还原阶段所需要的吸热量由太阳能集热来提供，采用槽式集热器可以为生物质水蒸汽气化提供高温热能，在气化器中经过一系列反应产生出生物质气，气化所需要的水蒸汽由高温生物质气换热制得。生物质、水蒸汽和太阳能作为输入，气化气作为输出。在冷热电联供子系统中，以气化气作为输入，由内燃机进行发电。内燃机的高温烟气和缸套水作为余热型吸收式冷热水机组的驱动热能进行制冷或制热。从吸收式冷热水机组排出的烟气可以进一步利用，产生生活热水。整个系统的集成思路灵活的利用了太阳能，高温烟气余热和缸套水余热，将生物质和太阳能两种可再生能源相结合，满足当今倡导的使能源结构绿色化的原则。
本发明提供了生物质气化的化学是复杂的物质变换反应，有碳和氧气生成一氧化碳或二氧化碳的反应，有碳和水蒸汽发生的水蒸汽分解和甲烷的生成等反应。对这些复杂的气化反应进行比较之后，选择出建立模型和求解需求的两个主要化学反应分别为：
(1)水煤气变换反应：CO+H2O→CO2+H2
(2)甲烷的生成反应：C+H2→CH4
其中在气化区两个反应完全进行，气化反应涉及的气体为理想气体。
本发明采用太阳能槽式集热器集热补充这部分热量，区别于常规系统中生物质燃烧热提供热量，避免了燃料的浪费，更加合理的利用能源。生物质水蒸汽化的产物中，氢气和甲烷所占的比重较大，产生的气体为中热值气体，热值能达到10～20MJ/m3。
水蒸汽气化所需要的水蒸汽无需由蒸汽发生器制得，本系统中利用气化系统所产生的高温气化气在第一换热器中加热自来水，制取气化所需的水蒸汽。
本发明采用内燃机作为分布式能源系统的动力系统，其机械效率在额定工况下为35％～40％左右，具有较好的经济效益，而且适用于生物质气进行发电。内燃机发电后尚有两部分余热(烟气余热和缸套水余热)可以加以利用，近年来这两部分将近占到内燃机燃料发热量一半的余热越来越受到重视，但对于将生物质气应用于内燃机，至今还没有专门的以生物质气化气作为燃料的内燃机。
本发明将余热型吸收式冷热水机组与内燃机相互耦合，吸收式机组回收利用内燃机的烟气和缸套水余热量作为驱动力，满足夏季和冬季工况的需求，高温烟气为高压发生器提供驱动力，缸套水为低压发生器提供动力，区别于一般的单效和双效吸收式制冷机组，属于单效和双效混合型，本机组中包含三个发生器，分别为高压发生器和两个低压发生器，除此之外为吸收式冷热水机组主要的常规组成部分：蒸发器、吸收器、冷凝器和高低温热交换器。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，其特征在于，包括太阳能与生物质互补子系统和冷热电联供子系统，具体包括：槽式集热器(1)、太阳能气化器(2)、气固混合器(3)、第一换热器(4)、气体净化装置(5)、罗茨风机(6)、储气罐(7)、第一调节阀(8)、内燃机(9)、第一冷却塔(10)、第二冷却塔(11)、余热型冷水吸收式机组(12)、发电机(13)和第二换热器(14)；
所述的太阳能与生物质互补子系统用于吸收太阳能的余热，并提供生物质气体；
所述的冷热电联供子系统，用于供热、供冷以及供电等三联供系统；
所述的槽式集热器(1)用于加热太阳能气化器(2)；
所述的气固混合器(3)依次与太阳能气化器(2)和第一换热器(4)相连接，加热后的生物质气被送入气体净化装置(5)，用于净化生物质气；
所述的罗茨风机(6)与储气罐(7)相连接，用于将生物质气增压，并储存在储气罐(7)中；
所述的第一调节阀(8)与内燃机(9)相连接，生物质气通过第一调节阀(8)控制，产生的生物质气与空气一同被送入内燃机(9)中燃烧，内燃机(9)与发电机(13)同轴连接，用于发电；
所述的第一冷却塔(10)与第二冷却塔(11)采用并联的方式；
所述的余热型冷水吸收式机组(12)与第二换热器(14)相连接，剩余的余热用于加热自来水。
2.根据权利要求1所述的一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，其特征在于，该系统分为两个工况，分别为夏季工况和冬季工况；
夏季时，利用气化气通入内燃机发电，内燃机发电后产生高温烟气和缸套水用于吸收式冷热水机组进行制冷，其中吸收式冷热水机组排放的废气仍具有较高的温度，用于产生生活热水；
冬季时，由气化气作为燃料气使内燃机发电后，产生的高温烟气和缸套水用于吸收式冷热水机组进行制热，生活热水的制取与夏季工况相同，是利用吸收式冷热水机组排放的烟，通过对太阳能与生物质能互补的分布式能源系统的集成与设计，实现了对能量的梯级利用。
3.根据权利要求1所述的一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，其特征在于，生物质气化的化学是复杂的物质变换反应，有碳和氧气生成一氧化碳或二氧化碳的反应，有碳和水蒸汽发生的水蒸汽分解和甲烷的生成反应，两个主要化学反应分别为：
(1)水煤气变换反应：CO+H2O→CO2+H2
(2)甲烷的生成反应：C+H2→CH4
其中在气化区两个反应完全进行，气化反应涉及的气体为理想气体。
4.根据权利要求1所述的一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，其特征在于，对于太阳能水蒸汽气化能量平衡，生物质水蒸汽气化过程所涉及的能量变化是复杂的，主要反应是吸热过程，使用槽式太阳能集热器作为气化反应的外热源提供吸热反应所需要的热量，系统中的参考状态为298K和一个大气压。
5.根据权利要求4所述的一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，其特征在于，生物质水蒸汽化的产物中，氢气和甲烷所占的比重大，产生的气体为中热值气体，热值能达到10～20MJ/m3。
6.根据权利要求1所述的一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，其特征在于，在太阳能与生物质能互补气化的系统中，将生物质水蒸汽气化模型和太阳能集热器热力学模型两个模型相互集成为太阳能气化器。
7.根据权利要求1所述的一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，其特征在于，第一换热器的水蒸汽气化所需要的水蒸汽无需由蒸汽发生器制得，利用气化系统所产生的高温气化气在第一换热器中加热自来水，制取气化所需的水蒸汽。
8.根据权利要求1所述的一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，其特征在于，采用内燃机作为分布式能源系统的动力系统，其机械效率在额定工况下为35％～40％。
9.根据权利要求1所述的一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，其特征在于，冷热电联供子系统将余热型吸收式冷热水机组与内燃机相互耦合，吸收式机组回收利用内燃机的烟气和缸套水余热量作为驱动力，满足夏季和冬季工况的需求，高温烟气为高压发生器提供驱动力，缸套水为低压发生器提供动力。
10.根据权利要求1所述的一种新型的太阳能与生物质能互补的分布式能源系统，其特征在于，对于夏天来说，驱动热源分别是缸套水为低压发生器提供的低温热源，烟气为高压发生器提供高温热源，由蒸发器制取空调冷冻水，吸收式冷热水机组的排放的烟气与换热器换热制取生活热水；对于冬季来说，余热型吸收式制冷机组中的冷凝器和蒸发器不发挥作用，以分隔式的模式进行制热，热源依旧利用高温烟气和缸套水，其中在高压发生器中高温烟气将溴化锂溶液加热，加热后溴化锂溶液产生的高温水蒸汽将换热铜管中的水加热，加热后的热水用于冬季的空调热水，而高温水蒸汽凝结回到溴化锂溶液中，之后再被高温烟气加热如此进行冬季的制热循环，缸套水的热量直接通过换热器进行换热为空调热水利用。
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