CN205260236U - 一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统。包括太阳能发电产热系统、风能产热系统、生物质发电产热系统、有机工质循环发电产热系统、储热罐及温度控制器；所述生物质发电产热系统的生物质厌氧消化装置利用热泵发出的部分热量促进生物质发酵；所述有机工质循环发电产热系统的有机工质管道有三个并联支路，分别通过工质调节阀与热光伏电池、生物质厌氧消化装置和烟气换热装置相连，利用余热气化有机工质；该实用新型实现了太阳能、风能和生物质能的有效结合，既满足用户的电热需求，又大幅提高了系统的稳定性、灵活性和能源利用效率，降低了系统的运行成本。

Description

一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统

技术领域

本实用新型涉及一种应用可再生能源的热电联产系统，尤其涉及一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统。

背景技术

能源紧缺是制约经济和社会发展的重要因素之一，为缓解能源危机，大力发展新能源产业是有效途径之一，尤其是可再生能源的发展与利用。目前得到大力发展的可再生能源主要有太阳能、风能和生物质能。

太阳能和风能作为自然资源，受自然因素影响大，具有不稳定、不可控和不连续性等显著缺点，但利用二者的互补性可提高太阳能和风能互补的联产系统的稳定性。

生物质能源包括秸秆、谷壳等农业废弃物、农作物、工业有机废弃物和城市固体有机垃圾等，据统计，2012年全球生物质能源规模为51EJ，占世界能源总量的10%左右，具有巨大的开发利用价值。传统的直燃发电方式对生物质的利用效率只有15%左右，且系统不稳定，发电效率低，为提高生物质能的利用效率，近年来生物质流化床燃烧技术、混燃技术、热电联产及气化技术得以快速发展，其中，生物质热电联产的总效能可达70%-90%。

基于上述可再生能源的特点，利用可再生能源间的互补性，充分提高能源利用率是目前学者和企业研究的方向和目标。

例如，申请号为201310049680.1、公开号为CN103147945A的名称为“太阳能和生物质能互补有机朗肯循环热电联产系统”的发明，利用低温换热流体吸收太阳能集热器和生物质气化炉的热量，被加热的换热流体进入有机工质蒸发器，在其中对有机工质进行放热，被加热的有机工质注入汽轮机做功，从而驱动发电机发电，汽轮机的排气经余热换热器放热后经冷凝器冷凝供热。该发明充分利用了生物质气化炉和太阳能集热器的热量发电，提高了能源利用率和系统发电能力，但由换热流体吸热再与有机工质换热的过程复杂，增加了系统的热量损失。

另外，申请号为201320568468.1、公开号为CN203454466U的名称为“一种可再生能源互补的冷热电联产系统”的实用新型，利用太阳能集热器为生物质恒温发酵装置提供热量，恒温发酵装置产生的沼气经净化后用于燃气轮机驱动发电机发电，太阳能集热器的剩余热量用于供热和制冷。该实用新型充分利用太阳能集热器的余热促进生物质发电，提高了系统的余热利用率，但仅由生物质发酵驱动发电，需要大量稳定的生物质来源，系统运行成本高。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统，实现了太阳能、风能和生物质能的有效结合，既满足用户的电热需求，又大幅提高了系统的稳定性、灵活性和能源利用效率，降低了系统的运行成本。

一种微型可再生能源高效能利用的热电联产系统，包括太阳能发电产热系统、风能产热系统、生物质发电产热系统、有机工质循环发电产热系统、储热罐及温度控制器；

所述太阳能发电产热系统、风能产热系统、生物质发电产热系统、有机工质循环发电产热系统均分别与温度控制器连接，所述太阳能发电产热系统、风能产热系统均分别与储热罐连接，其中，所述温度控制器控制向用户供热的蒸汽温度。

其中，所述太阳能发电产热系统，包括热光伏电池、太阳能集热器、控制器和蓄电池；其中，所述热光伏电池与控制器相连，所述控制器与蓄电池的电极相连，所述太阳能集热器通过调节阀与温度控制器相连，所述太阳能集热器通过调节阀与储热罐的入口相连。

其中，所述风能产热系统，包括风力发电机组和热泵；其中，所述风力发电机组与热泵的压缩机相连，所述热泵的蒸汽出口通过调节阀与温度控制器相连，所述热泵的蒸汽出口还通过调节阀与储热罐相连。

其中，所述生物质发电产热系统，包括生物质厌氧消化装置、甲烷净化装置、储气罐、微型燃气轮机、发电机和烟气换热装置；其中，所述生物质厌氧消化装置的出口与甲烷净化装置的入口相连，所述甲烷净化装置的出口与储气罐的入口相连，所述储气罐的出口通过调节阀与微型燃气轮机的进气口相连，所述微型燃气轮机与发电机相连，所述微型燃气轮机的排气口与烟气换热装置相连。

其中，所述有机工质循环发电产热系统，包括有机工质管道、汽轮机、发电机、换热装置、工质泵；其中，流体状有机工质注入所述有机工质管道，经加热至蒸汽状态的有机工质注入汽轮机，所述汽轮机与发电机相连，所述汽轮机的排气口与换热装置相连，所述换热装置与工质泵相连，所述工质泵与有机工质管道相连，排气经换热装置放热后经工质泵注入有机工质管道；所述换热装置还与温度控制器相连。

其中，所述控制器为三端口控制器，包括热光伏电池接入端、直流电输出端、交流电输出端、隔离开关Ⅰ、断路器、隔离开关Ⅱ、开关和逆变器；其中，所述热光伏电池接入端与热光伏电池相连，所述直流电输出端与蓄电池的电极相连，所述交流电输出端与电用户配电网相连；所述热光伏电池接入端与隔离开关Ⅰ、断路器、隔离开关Ⅱ、交流电输出端顺序相连；所述热光伏电池接入端（23）还与开关、逆变器、直流电输出端顺序相连。

其中，所述热泵的蒸汽出口通过调节阀与生物质厌氧消化装置的热流体管道入口相连，利用所述热泵提供的高温蒸汽促进生物质厌氧消化，所述生物质厌氧消化装置的加热管道出口与温度控制器相连。

其中，还包括工质调节阀Ⅰ、工质调节阀Ⅱ、工质调节阀Ⅲ，所述有机工质管道设三个并联分支，通过所述工质调节阀Ⅰ与热光伏电池的换热装置入口相连，所述热光伏电池的换热装置出口与汽轮机相连；通过所述工质调节阀Ⅱ与生物质厌氧消化装置的换热装置入口相连，所述生物质厌氧消化装置的换热装置出口与汽轮机相连；通过所述工质调节阀Ⅲ与烟气换热装置的入口相连，所述烟气换热装置的出口与汽轮机相连，通过调节工质调节阀Ⅰ、工质调节阀Ⅱ、工质调节阀Ⅲ控制流入各支路的有机工质量。

其中，所述太阳能集热器和热泵采用的工质、以及所述换热装置采用的冷却工质均为水工质。

其中，所述有机工质循环发电产热系统采用的有机工质为低沸点的无毒无污染有机工质。

综上所述，与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：

1、本实用新型利用风能产热系统，提高风能的利用效率和系统发电能力：风能经风力发电机组发出电量用于热泵产热，热量部分用于供热和储热，部分用于生物质厌氧消化产生甲烷；将品质差不能并网而被浪费的风电转换为热能，既满足热用户的需求，又能利用余热和生物质能生产甲烷蓄积，蓄积的甲烷经微型燃气轮机发电的电能品质良好，可并网满足用户电需求。

2、本实用新型通过有机工质循环充分利用系统余热发电，提高了各类可再生能源的利用效率和系统发电能力：有机工质管道采用并联形式，充分利用热光伏电池、生物质厌氧消化装置和烟气换热装置的余热直接将低沸点有机工质加热至蒸汽状态，代替了蒸发器，简化了系统结构，同时减少热量的散失；蒸汽状态的有机工质在汽轮机中膨胀做功带动发电机发电，利用余热提高了系统的发电能力；做功后的有机工质通过换热装置向用户供热，有机工质通过工质泵又注入有机工质管道循环，充分利用做功后的有机工质的余热。

3、本实用新型利用生物质发电产热系统、有机工质循环发电产热系统提高了系统的稳定性和运行调节的灵活性：除了控制蓄电池的充发电调节热电联产系统的发电出力外，还可通过控制储气罐与微型燃气轮机间相连的调节阀，控制进入微型燃气轮机的甲烷量，从而调节生物质发电产热系统的发电产热出力；通过控制有机工质的注入量和工质调节阀Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的开合状态，控制进入汽轮机的蒸汽状态有机工质的量及热量，从而调节有机工质循环发电产热系统的发电出力。

附图说明

图1为本实用新型具体实施例提供的一种微型可再生能源高效能利用的热电联产系统的结构示意图；

图2为本实用新型中控制器的结构示意图。

图中：

1—热光伏电池，2—太阳能集热器，3—控制器，4—蓄电池，5—风力发电机组，6—热泵，7—储热罐，8—生物质厌氧消化装置，9—甲烷净化装置，10—储气罐，11—微型燃气轮机，12—发电机，13—烟气换热装置，14—有机工质管道，15—汽轮机，16—发电机，17—换热装置，18—工质泵，19—工质调节阀Ⅰ，20—工质调节阀Ⅱ，21—工质调节阀Ⅲ，22—温度控制器，23—热光伏电池接入端，24—直流电输出端，25—交流电输出端，26—隔离开关Ⅰ，27—断路器，28—隔离开关Ⅱ，29—开关，30—逆变器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细的说明，本说明书中公开的所有特征、方法及步骤，除相互排斥的步骤和特质以外，均可以以任何方式组合，此处具体描述的实施例仅是本实用新型众多应用中的一个。

图1为本实用新型具体实施例提供的一种微型可再生能源高效能利用的热电联产系统的结构示意图。如图1所示，本实用新型所述的一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统，包括太阳能发电产热系统、风能产热系统、生物质发电产热系统、有机工质循环发电产热系统以及储热罐7和温度控制器22。各系统的组成及功能介绍如下：

如图1所示，所述太阳能发电产热系统，包括热光伏电池1、太阳能集热器2、控制器3和蓄电池4；其中，所述热光伏电池1与控制器3相连，所述控制器3与蓄电池4的电极相连，通过控制器3控制是否向蓄电池4充电；所述太阳能集热器2通过调节阀与温度控制器22相连，将部分热量用于供热；所述太阳能集热器2通过调节阀与储热罐7的入口相连，将部分热量储存在储热罐7内。所述太阳能发电产热系统主要通过热光伏电池1发电，通过太阳能集热器2产热，所发电量用于供电和蓄电，所产热量用于供热和蓄热。

如图1所示，所述风能产热系统，包括风力发电机组5和热泵6；其中，所述风力发电机组5与热泵6的压缩机相连，将热泵6中的低温工质加热至蒸汽状态，所述热泵6的蒸汽出口通过调节阀与温度控制器22相连，所述热泵22的蒸汽出口还通过调节阀与储热罐7相连，由调节阀控制供热和蓄热量。在本实施例中，所述热泵6的蒸汽出口通过调节阀还与生物质厌氧消化装置8的热流体管道入口相连，利用所述热泵6提供的高温蒸汽促进生物质厌氧消化，所述生物质厌氧消化装置8的加热管道出口与温度控制器22相连。所述风能产热系统主要通过风力发电机组5发电，所发电量全部用于热泵6产热，产生的热量用于供热、蓄热和生物质厌氧消化。

如图1所示，所述生物质发电产热系统，包括生物质厌氧消化装置8、甲烷净化装置9、储气罐10、微型燃气轮机11、发电机12和烟气换热装置13；其中，所述生物质厌氧消化装置8的出口与甲烷净化装置9的入口相连，所述甲烷净化装置9的出口与储气罐10的入口相连，所述储气罐10的出口通过调节阀与微型燃气轮机11的进气口相连，所述微型燃气轮机11与发电机12相连，所述微型燃气轮机11的排气口与烟气换热装置13相连。生物质发电产热系统主要通过生物质厌氧消化装置8产生易于燃烧的甲烷气体，甲烷经微型燃气轮机11与空气混合燃烧，带动发电机12发电，排出的高温烟气利用烟气换热装置13释放热量，促进余热利用。

如图1所示，所述有机工质循环发电产热系统，包括有机工质管道14、汽轮机15、发电机16、换热装置17、工质泵18；其中，流体状有机工质注入所述有机工质管道14，经加热至蒸汽状态的有机工质注入汽轮机15，所述汽轮机15与发电机16相连，所述汽轮机15的排气口与换热装置17相连，所述换热装置17与工质泵18相连，所述工质泵18与有机工质管道14相连，排气经换热装置17放热后经工质泵18注入有机工质管道14；所述换热装置17还有温度控制器22相连。在本实施例中，还包括工质调节阀Ⅰ19、工质调节阀Ⅱ20、工质调节阀Ⅲ21，所述有机工质管道14设三个并联分支，通过所述工质调节阀Ⅰ19与热光伏电池1的换热装置入口相连，所述热光伏电池1的换热装置出口与汽轮机15相连；通过所述工质调节阀Ⅱ20与生物质厌氧消化装置8的换热装置入口相连，所述生物质厌氧消化装置8的换热装置出口与汽轮机15相连；通过所述工质调节阀Ⅲ21与烟气换热装置13的入口相连，所述烟气换热装置13的出口与汽轮机15相连。通过调节工质调节阀Ⅰ19、工质调节阀Ⅱ20、工质调节阀Ⅲ21控制流入各支路的有机工质量。为提高余热利用效率，所述有机工质循环发电产热系统采用的有机工质为无毒无污染的低沸点有机工质。

所述有机工质循环发电产热系统主要通过热光伏电池1、生物质厌氧消化装置8和烟气换热装置13的余热将有机工质加热至蒸汽状态，蒸汽工质进入汽轮机15膨胀做功带动发电机16发电，省去了蒸发器的作用，减少热能损失，做功后的工质经换热装置17放热后又注入有机工质管道14循环使用。

所述控制器3的结构如图2所示，所述控制器3为三端口控制器，包括热光伏电池接入端23、直流电输出端24、交流电输出端25、隔离开关Ⅰ26、断路器27、隔离开关Ⅱ28、开关29和逆变器30。其中，所述热光伏电池接入端23与热光伏电池1相连，所述直流电输出端24与蓄电池4的电极相连，所述交流电输出端25与电用户配电网相连；所述热光伏电池接入端23与隔离开关Ⅰ26、断路器27、隔离开关Ⅱ28、交流电输出端25顺序相连；所述热光伏电池接入端23还与开关29、逆变器30、直流电输出端24顺序相连。

其中，所述太阳能集热器2和热泵6采用的工质、以及所述换热装置17采用的冷却工质均为水工质。

白天时，以热光伏电池1为主要发电方式，太阳能集热器2为主要产热方式，运行具体实施方式如下：

隔离开关Ⅰ26、隔离开关Ⅱ28和断路器27依次合上，热光伏电池1向配电网送电；太阳能集热器2产生的高温蒸汽经调节阀送向温度控制器22供热、送向蓄热罐7蓄热，以满足热负荷需求为标准，剩余热量都由蓄热罐7储存；风能经风力发电机组5发电用于热泵6产热，热量部分由蓄热罐7储存，部分用于生物质厌氧消化。

晴天用电低谷时，控制器3的开关29合上，热光伏电池1通过开关29和逆变器30向蓄电池4充电；生物质厌氧消化装置8产生的甲烷经甲烷净化装置9注入储气罐10储存，储气罐10与微型燃气轮机11间的调节阀关闭，微型燃气轮机11停机；有机工质管道14的工质调节阀Ⅰ19、工质调节阀Ⅱ20、工质调节阀Ⅲ21关闭，汽轮机15停机。

晴天用电高峰时，控制器3的开关29断开，蓄电池4放电；储气罐10与微型燃气轮机11之间的调节阀打开，微型燃气轮机11开机带动发电机12发电；有机工质管道14的工质调节阀Ⅰ19、工质调节阀Ⅱ20、工质调节阀Ⅲ21打开，有机工质经热光伏电池1、生物质厌氧消化系统8和烟气换热装置13的余热加热至蒸汽进入汽轮机15，汽轮机15开机带动发电机16发电。通过上述措施提高系统的调峰能力。

阴天时，四个系统同时运行，以满足热电需求。

夜间时，以生物质发电产热系统为主要发电方式，热泵6和储热罐7为主要产热方式，具体实施方式如下：夜间风力发电机组5发电用于热泵6产热，所产热量与储热罐7储存热量配合向用户供热，剩余热量用于生物质发电产热系统；生物质厌氧消化装置8产生的甲烷经甲烷净化装置9注入储气罐10储存，储气罐10与微型燃气轮机11间的调节阀打开，微型燃气轮机11开机带动发电机12发电；有机工质管道14的工质调节阀Ⅰ19关闭、工质调节阀Ⅱ20、工质调节阀Ⅲ21打开，有机工质经生物质厌氧消化装置8和烟气换热装置13的余热加热至蒸汽进入汽轮机15，汽轮机15开机带动发电机16发电。

上述以一天为周期的一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统的具体实施例并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统，其特征在于：包括太阳能发电产热系统、风能产热系统、生物质发电产热系统、有机工质循环发电产热系统、储热罐（7）及温度控制器（22）；

所述太阳能发电产热系统、风能产热系统、生物质发电产热系统、有机工质循环发电产热系统均分别与温度控制器（22）连接，所述太阳能发电产热系统、风能产热系统均分别与储热罐（7）连接，其中，所述温度控制器（22）控制向用户供热的蒸汽温度。

2.根据权利要求1所述的一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统，其特征还在于：所述太阳能发电产热系统，包括热光伏电池（1）、太阳能集热器（2）、控制器（3）和蓄电池（4）；其中，所述热光伏电池（1）与控制器（3）相连，所述控制器（3）与蓄电池（4）的电极相连，所述太阳能集热器（2）通过调节阀与温度控制器（22）相连，所述太阳能集热器（2）通过调节阀与储热罐（7）的入口相连。

3.根据权利要求2所述的一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统，其特征还在于：所述风能产热系统，包括风力发电机组（5）和热泵（6）；其中，所述风力发电机组（5）与热泵（6）的压缩机相连，所述热泵（6）的蒸汽出口通过调节阀与温度控制器（22）相连，所述热泵（6）的蒸汽出口还通过调节阀与储热罐（7）相连。

4.根据权利要求3所述的一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统，其特征还在于：所述生物质发电产热系统，包括生物质厌氧消化装置（8）、甲烷净化装置（9）、储气罐（10）、微型燃气轮机（11）、发电机（12）和烟气换热装置（13）；其中，所述生物质厌氧消化装置（8）的出口与甲烷净化装置（9）的入口相连，所述甲烷净化装置（9）的出口与储气罐（10）的入口相连，所述储气罐（10）的出口通过调节阀与微型燃气轮机（11）的进气口相连，所述微型燃气轮机（11）与发电机（12）相连，所述微型燃气轮机（11）的排气口与烟气换热装置（13）相连。

5.根据权利要求4所述的一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统，其特征还在于：所述有机工质循环发电产热系统，包括有机工质管道（14）、汽轮机（15）、发电机（16）、换热装置（17）、工质泵（18）；其中，流体状有机工质注入所述有机工质管道（14），经加热至蒸汽状态的有机工质注入汽轮机（15），所述汽轮机(15)与发电机（16）相连，所述汽轮机（15）的排气口与换热装置（17）相连，所述换热装置（17）与工质泵（18）相连，所述工质泵（18）与有机工质管道（14）相连，排气经换热装置（17）放热后经工质泵（18）注入有机工质管道（14）；所述换热装置（17）还与温度控制器（22）相连。

6.根据权利要求2所述的一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统，其特征还在于：所述控制器（3）为三端口控制器，包括热光伏电池接入端（23）、直流电输出端（24）、交流电输出端（25）、隔离开关Ⅰ（26）、断路器（27）、隔离开关Ⅱ（28）、开关（29）和逆变器（30）；其中，所述热光伏电池接入端（23）与热光伏电池（1）相连，所述直流电输出端（24）与蓄电池（4）的电极相连，所述交流电输出端（25）与电用户配电网相连；所述热光伏电池接入端（23）与隔离开关Ⅰ（26）、断路器（27）、隔离开关Ⅱ（28）、交流电输出端（25）顺序相连；所述热光伏电池接入端（23）还与开关（29）、逆变器（30）、直流电输出端（24）顺序相连。

7.根据权利要求4所述的一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统，其特征还在于：所述热泵（6）的蒸汽出口通过调节阀与生物质厌氧消化装置（8）的热流体管道入口相连，利用所述热泵（6）提供的高温蒸汽促进生物质厌氧消化，所述生物质厌氧消化装置（8）的加热管道出口与温度控制器（22）相连。

8.根据权利要求5所述的一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统，其特征还在于：还包括工质调节阀Ⅰ（19）、工质调节阀Ⅱ（20）、工质调节阀Ⅲ（21），所述有机工质管道（14）设三个并联分支，通过所述工质调节阀Ⅰ（19）与热光伏电池（1）的换热装置入口相连，所述热光伏电池（1）的换热装置出口与汽轮机（15）相连；通过所述工质调节阀Ⅱ（20）与生物质厌氧消化装置（8）的换热装置入口相连，所述生物质厌氧消化装置（8）的换热装置出口与汽轮机（15）相连；通过所述工质调节阀Ⅲ（21）与烟气换热装置（13）的入口相连，所述烟气换热装置（13）的出口与汽轮机（15）相连，通过调节工质调节阀Ⅰ（19）、工质调节阀Ⅱ（20）、工质调节阀Ⅲ（21）控制流入各支路的有机工质量。

9.根据权利要求5所述的一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统，其特征还在于：所述太阳能集热器（2）和热泵（6）采用的工质、以及所述换热装置（17）采用的冷却工质均为水工质。

10.根据权利要求5所述的一种微型可再生能源高效利用的热电联产系统，其特征还在于：所述有机工质循环发电产热系统采用的有机工质为低沸点的无毒无污染有机工质。