一种小型车载分布式能源站的制作方法

本发明属于清洁能源高效利用应用技术领域，设计一种小型车载分布式能源站极其集成技术，尤其是涉及一种利用天然气燃料汽车发动机及其车载储气罐，综合改造成小型或微型天然气冷热电联产分布式能源站，该能源站还可外接扩展成多种再生能源接入如太阳能、风能的管理中心，为远离天然气管道的偏远地区如山区、海岛或远郊的农居民宿、村镇行政活动中心、农家乐等场所提供现代化的清洁能源解决方案。

背景技术：

天然气作为一种优质、高效、清洁的能源，在各国能源消费结构中都具有越来越重要的地位。依据IEA最近统计数据显示，2014年全球天然气消费量为3.5万亿立方米，在一次能源(包括煤炭、原油和天然气)中所占比例为23.8％，天然气已成为继煤炭、原油后世界第三大能源。我国天然气消费虽然每年以两位数的增速高速增长，2014年达到1800亿立方米，是2001年需求量的近7倍，2015年需求量达到约1950亿立方米，但在我国一次能源消费结构中依然仅占6.8％，结构失衡严重，与24％的世界平均水平相比有很大差距，超过65％以上的能源来自煤炭，这是造成我国空气污染、雾霾严重的重要原因。所以如何尽快提升天然气利用水平、增加天然气消费量也是目前国家污染治理、节能减排的一项重要工作。

目前国内天然气的主要用途是调峰发电，或者工业生产，这两部分合计占到全部天然气耗量的一半以上，另外40％以上的天然气是提供给城市居民生活用气。而广大农村边远地区居民由于天然气管网尚未或者无法铺设等原因，依然使用落后的煤炭、柴禾秸秆等，燃烧效率低且环境污染大，是造成当地局部区域PM10、PM2.5超标空气污染问题的主要原因之一，所以如何帮助解决这部分居民的生活清洁高效用能问题也是国家能源结构调整、节能减排的主要工作内容。

近年来，随着我国政府《关于发展天然气分布式能源的指导意见》、《天然气“十 二五”规划》、《天然气利用政策》、《可再生能源发展“十二五”规划》、《可再生能源电价附加补助资金管理暂行办法》以及《能源“十二五”规划》的相继出台，分布式能源已成为上至政府、下至企事业单位高度关注的焦点之一。2012年10月国务院发表的《中国的能源政策(2012)》白皮书指出：“因地制宜在农村、林区、海岛推进分布式可再生能源建设。制定分布式能源标准，完善分布式能源上网电价形成机制和政策，努力实现分布式发电直供及无歧视、无障碍接入电网。‘十二五’期间建设1000个左右天然气分布式能源项目，以及10个左右各类典型特征的分布式能源示范区域。”至此，分布式能源项目的建设成为我国现阶段能源建设的重头戏之一，相关的标准、设计规范相继出台，已经掀起了新一轮国内分布式能源和冷热电三联供系统的研究高潮。为避免歧义，国家发改委在《关于发展天然气分布式能源的指导意见》更明确天然气分布式能源综合能源利用效率必须要在70％以上，并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式。

所以，使用天然气做为燃料的小型分布式能源站及其相关集成应用技术是近年来兴起的、向居民用户提供二次能源供应较好的、一种比较先进的能源利用方式，其综合能源利用效率一般高达70％以上，不仅可以发电还可以提供冷、热水供应，可以使居民家庭环境的用能水平、用能条件、生活舒适度都可以得到显著改善。而且与传统的集中式能源供应系统相比，这种天然气小型分布式能源更接近负荷，不需要建设大电网进行远距离高压或超高压输电，可大大减少线损，节省输配电建设投资和运行费用；同时由于兼具发电、供热供冷等多种能源服务功能，可以有效地实现能源梯级利用，达到更高能源综合利用效率；而且启停方便，负荷调节灵活，各子系统可以相互独立，可靠性和安全性都较高，也是非常适合农村地区居民使用的一种能源形式。

但一直以来，由于许多欠发达的农村地区，特别是边远山区、农牧区、海岛渔村等还没有天然气管网的地方，受人口分布密度小、天然地理条件限制等因素造成初期管网建设投资很大，如果贸然大规模实施天然气管网或者进行其他能源建设，会使得能源最终送达农户的用能成本显著增加而显得不经济，所以如何采用一种经济的方式，将天然气送达边远地区，并于小型分布式能源站结合，为这些地方的居民特别是农民、牧民、渔民提高用能水平、完善用能条件、提升生活舒适度是个难度非常大的挑战，也是建设现代化新型农村道路上的拦路虎。

一般而言，解决这一问题最合理途径就是利用液化天然气(LNG)易于运输 的物化性质进行陆路运输，突破没有管网的客观限制。但是由于液化天然气(LNG)也需要在农村等地区建立储罐及相应的气化设备、连接各家各户的管网等，总体投资依然比较昂贵，可能会造成每户居民承担的成本较高，超出一般农户经济能力承受范围，因此预计也将无法大面积铺开。针对这种情况，如何基于现有农村基础设施条件，将液化天然气(LNG)大规模引入农村、并为农牧民设计一种比较合理、经济的小型天然气分布式能源站，使之达到一般城市甚至超过的能效利用水平成为当前急需解决的问题。

我国目前的分布式能源系统多为工业园区生产或建筑群楼的能源需求应用，体量相对较大，基于天然气为燃料的微小型分布式能源站应用于户用单元尚没有很好的开发；并且天然气主要来源于管道输送，无法满足偏远地区无法提供管道气的用能要求。

有较多的专利涉及LNG的输送与气化使用，一般是加热气化，使得LNG成为NG气态，供发动机使用；也有考虑充分利用LNG气化冷能，用于LNG车上冷却发动机；LNG车常用于运输与生产，没有考虑LNG机动车的能源综合利用，多用途利用。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种主要使用天然气、兼顾其它可再生能源接入，满足运输、农业生产，兼具发电、供热、供冷与供燃气等，以达到减低能耗、保护环境等目的的小型车载分布式能源站。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种小型车载分布式能源站，包括冷能热能利用单元及设置在机动车上的供气单元、电能利用单元及车载控制中心；

所述的供气单元包括用于为车载发动机提供燃料的LNG储罐和LNG气化器，所述的LNG气化器与车载发动机之间设有用于热交换的循环工质回路；

所述的冷能热能利用单元包括供热换热器、供冷换热装置、第一循环工质回路、第二循环工质回路及第三循环工质回路，LNG气化器通过第一循环工质回路与车载发动机连接，供热换热器通过第二循环工质回路与车载发动机连接，供冷换热装置通过第三循环回路与LNG气化器连接；

所述的电能利用单元包括加装发电机，所述的加装发电机通过机动车的离合装 置与车载发动机连接；

所述的车载控制中心分别与供气单元、冷能热能利用单元及电能利用单元通讯连接，并控制机动车在机动车功能状态和车载能源站功能状态间切换；

当机动车处于机动车功能状态时，车载发动机与传动装置接合，LNG气化器与车载发动机进行热交换，当机动车处于车载能源站功能状态时，车载发动机通过离合装置与传动装置分离，带动加装发电机进行发电，用冷设备通过供冷换热装置与LNG气化器进行热交换，用热设备通过供热换热器与车载发动机进行热交换。

所述的车载发动机的冷却通道两端连接有循环工质主管路，循环工质主管路上并联设有第一支管、第二支管和第三支管，所述的LNG气化器设置在第一支管上，与车载发动机连接形成第一循环工质回路，供热换热器设置在第二支管上，与车载发动机连接形成第二循环工质回路，供冷换热装置设置在第三支管上，与LNG气化器连接形成第三循环工质回路，所述的循环工质主管路、第一支管、第二支管和第三支管上均设有截止阀，各截止阀均与车载控制中心通信连接。

所述的供冷换热装置包括储冷罐和供冷换热器，所述的储冷罐设置在第三支管上，储冷罐的热介质通道与供冷换热器的冷介质通道连通，形成冷冻水循环回路，所述的供冷换热器的热介质通道与用冷设备连通，形成冷风循环回路。

所述的储冷罐的热介质通道的两端还连接有冷冻水支路，所述的冷冻水支路与冷冻水循环回路的连接处设有三通阀，所述的三通阀与车载控制中心通信连接。

所述的LNG气化器还通过天然气管道与用热设备及用气设备连接，为用热设备提供加热用燃气及为用气设备提供燃气。

该分布式能源站还包括至少一种可再生能源接口，所述的可再生能源接口与车载控制中心通讯连接，并通过车载控制中心对可再生能源接入进行控制。

所述的供气装置还包括低压滤清器、稳压器、电控调压器及混合器，所述的LNG储罐、LNG气化器、低压滤清器、稳压器、电控调压器、混合器及车载发动机依次连接。

所述的供气装置还包括设置在LNG气化器与低压滤清器之间的缓冲器。

本发明将LNG这种具有低温位能量的气源、便于移动的LNG罐、天然气燃料车载发动机与分布式能源系统结合起来，通过技术集成弥补各个单项技术的缺陷，设计一种小型车载分布式能源站及其相关集成应用技术。

本发明所述的小型车载天然气分布式能源站是自主研究开发的微(小)型燃气 发动机冷热电联产设备系统，包括独立式家用能源管理智能控制系统，使农户可以在原有农用汽车、拖拉机等机动车的基础上，发展改进为多用途的能源中心，车载发动机具既可以继续作为发动机从事生产，又可以在农闲时作为农村家庭分布式能源站的核心基站，结合可扩充的家用太阳能、风能等可再生能源系统接入，提供冷热电三种能源形式给农户居家使用，为改造中国农村现有落后的能源利用现状、提高用能效率提供一整套合理的解决方案。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)利用车载燃料仓/罐，既可以作为液化天然气(LNG)储罐，提供远离天然气管网的偏远民居、中小型建筑所需气化后的天然气；又可以利用车载一体化分布式小型能源设备，通过车载发动机(内燃机)将天然气燃烧能量转变为冷热电三联供给民居或指定的建筑。

(2)利用车载发动机进行改造，以适应分布式能源冷热电三联供需要，使一体化分布式小型能源设备可以方便连接家庭电箱，并可与家庭建筑的冷热水管网配接低噪音、环保、易维护。

(3)低温配接管线、阀门设计安全、无害、受控。

(4)充分考虑液化天然气(LNG)低温冷源，提供农用小型冷库、地窖供冷方案备选；以及家用空调系统供能备选。

(5)车载燃料箱适合各类燃料，既可存储石油基各类燃料包括汽油、柴油等，也包括天然气各类品种LNG、CNG，，还有其他各类气态燃料比如LPG、甲醇、乙醇等新型燃料。

(6)本发明可以配置家庭耗能动态管理装置，智能监控、管理建筑用能，具备远程控制。

(7)本发明通过配设备可燃气体探测报警仪，能够提供安全保障。

综上所述，本发明解决了偏远地区，尤其是天然气管网基础设施未规划或者无法实施的农村区域清洁能源使用的受限问题。同时车载能源站实现了一车多用途，作为动力车与分布式能源站的并存，兼具发电、供热等多种能源服务功能，有效地实现能源的梯级利用，达到了很好的节能减排的效果。该系统分布式能源设备启停方便，负荷调节灵活，各系统相互独立，系统的可靠性和安全性较高。系统及其设备研制开发适合我国天然气应用能源发展战略的要求，具有很好的推广价值与推广意义。

附图说明

图1为本发明的连接示意图；

图2为本发明的供能原理示意图。

图中，1为LNG储罐，2为LNG气化器，3为稳压器、4为混合器，5为缓冲器，6为车载发动机，7为离合装置，8为原有发电机，9蓄电池组，10为传动装置，11为加装发电机，12为储冷罐，13为供冷换热器，14为用冷设备，15为供热换热器，16为用热设备，17为车载控制中心，18为第一循环工质回路，19为第二循环工质回路，20为第三循环工质回路，21为冷冻水循环回路，22为冷风循环回路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种小型车载分布式能源站，包括冷能热能利用单元及设置在机动车上的供气单元、电能利用单元及车载控制中心17，如图1～2所示。

供气单元包括依次连接的LNG储罐1、LNG气化器2、缓冲器5、低压滤清器、稳压器3、电控调压器和混合器4，混合器4与车载发动机6连接，LNG气化器2还通过天然气管道与用热设备16及用气设备连接，为用热设备16提供加热用燃气及为用气设备提供燃气，其中，用热设备16为热水箱；

冷能热能利用单元包括供热换热器15、供冷换热装置、第一循环工质回路18、第二循环工质回路19及第三循环工质回路20，LNG气化器2通过第一循环工质回路18与车载发动机6连接，供热换热器15通过第二循环工质回路19与车载发动机6连接，供冷换热装置通过第三循环回路20与LNG气化器2连接，其中，车载发动机6的冷却通道两端连接有循环工质主管路，循环工质主管路上并联设有第一支管、第二支管和第三支管，LNG气化器2设置在第一支管上，与车载发动机6连接形成第一循环工质回路18，供热换热器设置在第二支管上，与车载发动机6的冷却通道连接形成第二循环工质回路19，供冷换热装置设置在第三支管上，与LNG气化器2连接形成第三循环工质回路20，循环工质主管路、第一支管、第二支管和第三支管上均设有截止阀，各截止阀均与车载控制中心17通信连接，供 冷换热装置包括储冷罐12和供冷换热器13，储冷罐12设置在第三支管上，储冷罐12的热介质通道与供冷换热器13的冷介质通道连通，形成冷冻水循环回路21，供冷换热器13的热介质通道与用冷设备14连通，形成冷风循环回路22。储冷罐12的热介质通道的两端还连接有冷冻水支路，冷冻水支路与冷冻水循环回路21的连接处设有三通阀，三通阀与车载控制中心17通信连接。

用电单元包括加装发电机11，加装发电机11通过机动车的离合装置7与车载发动机6连接；

该分布式能源站还包括至少一种可再生能源接口，可再生能源接口与车载控制中心17通讯连接，并通过车载控制中心17对可再生能源接入进行控制。

车载控制中心17分别与机动车、供气单元、冷能热能利用单元及电能利用单元通讯连接，并控制机动车在机动车功能状态和车载能源站功能状态切换；当机动车处于机动车功能状态时，车载发动机6与传动装置10接合，LNG气化器2与车载发动机6进行热交换，当机动车处于车载能源站功能状态时，车载发动机6通过离合装置7与传动装置10分离，用冷设备14通过供冷换热装置与LNG气化器2进行热交换，用热设备16通过供热换热器15与车载发动机6进行热交换。

具体工作原理：

本发明将机动车(卡车、拖拉机、私家车等)改造为以天然气为动力燃料复合车载能源站的机动车，

改造后的机动车的车载发动机6以天然气为燃料，推荐使用液化天然气(LNG)，在依然保持原有机动车动力功能基础上，增加车载能源站功能。这种机动车可以自由工作在两个状态：机动车功能状态和车载能源站功能状态。供气单元中燃料经由车的载LNG储罐1、LNG气化器2、缓冲器5(可选配，本实施例选配)、低压滤清器、稳压器3及电控调压器进入混合器4与预处理过的空气按照合适比例混合、燃烧，推动车载发动机6工作。整个系统的车载控制中心17保持原有机动车动力功能之外，需要实现三项功能增加或者调整，同时需要完成三处功能单元的设备改造。

车载控制中心17功能一：电能利用单元控制。保持机动车的原有发电机供应车体电力需求，加装新的加装发电机11供家居电力需求。通过离合装置7，使得车载发动机6+原有发电机8/加装发电机11在机动车功能状态与车载能源站功能状态间可以实现切换工作。在机动车功能状态时，车载发动机6的动力与传动装置 10平稳地接合，部分动力通过原有发电机8转化为电力给蓄电池9；在车载能源站功能状态时，车载发动机6的动力与传动装置10分离，所有动力通过加装发电机11转化为电力，供用电设备需要。该功能实现需要电能利用单元设备改造。

车载控制中心17功能二：冷能热能利用单元控制。LNG经过LNG储罐1进入LNG气化器2随着机动车所处的两个状态不同，需要相应的做控制选择。在机动车功能状态时，车载发动机2的循环工质(乙二醇溶液)为LNG气化器2提供热源；在车载能源站功能状态时，车载发动机6的循环工质升温(控制乙二醇水溶液不流经LNG气化器2，而经供热换热器15与水换热，制取热水储存于用热设备16(热水箱))为居家生活提供采暖与热水热源，LNG气化器2切换为水浴式换热方式(乙二醇水溶液不流进车载发动机6，而与LNG气化器2换热，储存冷却的乙二醇水溶液于储冷器12中，通过冷冻水循环回路得到冷冻水，冷冻水再与换热器13换热制取冷风，经由风机盘管送入用冷设备14(空调房间、冷库或者地窖))收集冷能为居家生活提供冷冻水或者冷风。该功能实现需要进行冷能热能利用单元设备改造。

车载控制中心17功能三：可再生能源接入选择控制。车载控制中心17预留空间与接口，考虑风力与太阳能等的电力与热力接入消纳。

电能利用单元设备改造：加装发电机11与原有的发电机8系统完全分离，所需要的空间可以由LNG气化器2引起减小的散热器空间提供。在不同的功能状态下，启动不同的发电机。此外，在原有发电机8失效时，加装发电机11可以起到辅助作用；同时，加装发电机11可以为LNG提供更多的电力，在生产中也可以作为急需车载电力输出。

冷能热能利用单元设备改造包括LNG气化器冷能利用单元设备改造和发动机热能利用功能单元设备改造。

LNG气化器冷能利用单元设备改造：在车载能源站功能状态下，使乙二醇水溶液不再与车载发动机6换热。乙二醇水溶液与LNG气化器2换热获得冷量后，在储冷槽12中与冷冻水换热，冷量经过供冷换热器13与冷风换热后将冷风送入空调房间或者冷库地窖，经过两级冷能回收，实现冷能的有效利用，并且能够同时产生冷却水和冷风。

发动机热能利用功能单元设备改造：在车载能源站状态下，使乙二醇水溶液与车载发动机6换热，乙二醇水溶液获得热量，然后与供热换热器15二次换热成热 水，热水进入联供系统用热设备16(热水箱)，为居家提供采暖与生活热水需要。

为这种机动车配备相关的LNG储罐1，根据车辆发动机排量大小、家庭所需供能大小选择储罐大小，原则控制在LNG储罐1不大于180L体积。

车载发动机6作为小型分布式能源核心机选项之一，平时可以作为机动车动力来源进行跑运输、犁地、运载货物等农业生产，不生产时可以停在农户家庭院落中作为小型天然气分布式能源站，连通车载的小型燃气热电系统，并配以管路接口及相关智能管理系统，分别相应连接家庭电网、热水、冷水、空调或者地窖冷库等地方，实现整个家庭院落所有需能单位总体管理，如图2所示。

本发明是以天然气为燃料，保留动力功能，增加车载能源站功能的改造机动车。平时可以作为机动车动力来源进行运输、犁地等农业生产，工作在机动车功能状态。不生产时可以停在农户家庭院落中作为小型天然气分布式能源站，工作在车载能源站功能状态。

在车载能源站状态下，车载发动机6与加装发电机11成为小型的燃气热电联供系统。配以管路接口及相关智能管理系统，分别对应连接家庭电网、热水、冷空调或者地窖冷库等地方的能量需求。其中，发电机关联外部导入的可再生能源电力，为家庭供电，不足部分电网补充；发动机冷却水(乙二醇水溶液)升温后与热水储箱换热，满足家庭提供热水、采暖热需求；LNG气化换热介质(乙二醇水溶液)被冷却后与冷冻水换热，冷冻水再与冷风换热，满足家庭提供空调或冷库等冷需求；LNG气化后提供发动机动力燃料，和热水箱补燃燃料，同时提供家庭炊事等用能，从而实现整个家庭院落所有需能单位总体管理。

本发明涉及利用天然气汽车发动机及其车载储罐，对远离天然气管网的偏远农村地区的农户民居、村镇中小型建筑等进行小型天然气分布式能源站改造，配接原有建筑的电网以及冷热水管，在市电基础上进一步提供冷热电三联供能源解决方案，提高农村地区能源使用效率、改善大气环境治理，为进一步农村城镇化改造创造基础条件。