专利名称：一种微型生物质与太阳能热电联产系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种可调运行模式的高效微型生物质与太阳能热电联产方法，属于可再生能源技术、微型分布式能源技术领域。
背景技术：
微型分布式能源系统是以小规模、小容量、模块化、分散的方式布置在用户端的供能系统，供能功率小于100千瓦。该系统具有减少一次能源消耗，极大降低输配电损耗和输配电成本，系统成本低廉等优点，受到世界各国的重视，特别适合于人口密度低的边远山区、农场、林场、独栋建筑等人居环境。当前，分布式供能技术及装备主要被欧美及日本等发达国家所垄断。美国是最早发展分布式供能系统的国家之一。欧洲的分布式供能发展水平据世界领先，其中丹麦的分布式供能发电量占到国内总发电量的52%，远远高于世界平均水平。日本的分布式热电(冷)联供系统是仅次于燃气、电力的第三大供能方式。在我国，《国家中长期科学和技术发展规划》将分布式供能技术作为与氢能、核能等并列的4项能源领域前沿技术。与发达国家相比，然而我国分布式供能技术处于起步阶段，还存在诸多需要完善之处，如系统适应性差、循环效率不高、核心设备技术不完善等问题，亟需加快相关工艺、技术和装备的研发。目前诸多的微型分布式供能工艺中，生物质与太阳能热电联产由于充分结合了可再生能源的优点，成为世界各国发展的重点。然而目前已有的工艺系统仍普遍存在问题，如(1)设备的环境适应性较差，由于生物质分布不均，以及太阳光强度随季节、时间、地域的变化，现有的系统都很难做到生物质能与太阳能的灵活匹配；(2)系统效率较低，设计良好的微型分布式能源系统，其理论发电效率可达20% 25%，热电总效率可达70% 80%，目前我国目前的发电效率仅约为10%,尚有巨大的技术提升空间和市场发展潜力。为此，本专利提出的高效微型生物质与太阳能热电联产方法，具备灵活可调的运行方式(太阳能热电联合循环、生物质热电联循环、及生物质与太阳能热电联合循环)提高了可再生能源系统的环境适应力，使其可以应用于不同气候的广大地区，且不受季节、昼夜等时间因素的制约。此外，本专利采用有机工质朗肯循环取代常规的蒸汽/制冷剂朗肯循环，不但明显提高系统效率，确保设备运行的稳定性，也实现了该系统对环境的零破坏。
发明内容
技术问题本发明提出一种微型生物质与太阳能热电联产系统及方法，解决太阳能与生物质能在单独应用时的低效率和低稳定性等问题，同时提高可再生能源系统的效率，降低设备成本并实现可再生能源系统分布化和小型化。技术方案为解决上述技术问题，本发明提供一种微型生物质与太阳能热电联产系统，该系统包括传热流体循环回路、与传热流体循环回路相通的有机工质循环回路、分别与有机工质循环回路相连通的发电系统和供热系统；其中，
热流体循环回路和有机工质循环回路共用过热器和蒸发器；供热系统和有机工质循环回路共用冷凝器。优选的，传热流体循环回路中，包括由传热流体管路依次连接的生物质锅炉装置、太阳能热吸收转化装置、传热工质流量计、过热器、蒸发器和传热工质循环泵，其中，生物质锅炉装置的出口与太阳能热吸收转换装置的进口相连，太阳能吸收热转化装置的出口与传热工质流量计的进口相连，传热工质流量计的出口过热器的进口相连，过热器的传热工质输出口与蒸发器的传热工质输入口相连，蒸发器的出口与传热工质循环泵的进口相连，传热工质循环泵的出口与生物质锅炉装置的进口相连；在生物质锅炉装置的进口和出口分别设有第四阀门和第三阀门，在太阳能热吸收转化装置的进口和出口分别设有第二阀门和第一阀门；有机工质循环中，包括由有机工质管路依次连接的过热器、监视窗口、微型膨胀机、回热加热器、冷凝器、有机工质储液罐、有机工质循环泵、有机工质流量计、有机工质流
量计、回热加热器和蒸发器；其中，过热器的出口与监视窗口的进口相连，监视窗口的出口与微型膨胀机的入汽口相连，微型膨胀机的出汽口分别与交流发电机和回热加热器的第一进口相连，回热加热器的第一出口与蒸发器的第一进口相连；回热加热器的第二出口与冷凝器的第一进口相连，冷凝器的第一出口与有机工质储液罐的进口相连，有机工质储液罐的出口与有机工质循环泵的进口相连，有机工质循环泵的出口与有机工质流量计的进口相连，有机工质流量计的出口与回热加热器的第二进口相连；发电系统包括交流发电机、与交流发电机连接的变压器；供热系统包括冷凝器、回水泵和热用户；其中，回水泵的出口与冷凝器第二进口相连，冷凝器的第二出口与用户相连，回水泵的进口与用户相连。优选的，在传热流体循环回路中循环的传热流体为导热油或水。优选的，在有机工质循环回路中采用的循环工质为无毒无污染的有机工质溶液。本发明还提供了一种微型生物质与太阳能热电联产方法，该方法采用三种循环模式，即太阳能热电联合循环过程、生物质热电联合循环过程和生物质与太阳能热电联合循环过程；其中，太阳能热电联合循环过程在太阳能资源充足，满足用户热能和电能需要的条件下，调节第四阀门、第三阀门、第二阀门和第一阀门的流向，使阀门第四阀门、第三阀门之间的管路为直通状态，第二阀门和第一阀门之间的管路为断开状态，从而令生物质锅炉系统不接入传热流体循环回路，传热流体仅通过太阳能热吸收转化系统，由太阳能单独加热传热流体，并传热给有机工质循环回路，实现热电联产；生物质热电联合循环过程在没有太阳能资源或太阳能辐射强度小于该热电联产系统运行成本的情况下，通过调节第四阀门、第三阀门、第二阀门和第一阀门的流向，使第四阀门、第三阀门的管路为断开状态，第二阀门和第一阀门之间的管路为直通状态，使传热流体仅通过生物质锅炉系统，由燃烧生物质放热单独加热传热流体，并传热给有机工质循环回路，实现热电联产；生物质与太阳能热电联合循环过程除以上两种情况的普通运行工况下，通过调节第四阀门、第三阀门、第二阀门和第一阀门的流向，使阀门第四阀门、第三阀门之间的管路为直通状态，第二阀门和第一阀门之间的管路为直通状态，此时，传热流体同时接受生物质锅炉系统和太阳能热吸收转化系统的共同加热，并传热给有机工质循环回路，实现热电联产。有益效果本发明提出的一种可调运行模式的微型生物质与太阳能热电联产系统具有如下的特色及优点I、可对太阳能和生物质能两种可再生能源进行合理匹配，即充分利用太阳能资源，又克服了常规太阳能发电系统的不稳定性，使其具有了很强的环境适应性，受地域和时间的限制小。2、本发明仅将太阳能热吸收转化设备嵌入系统中，省去常规太阳能热发电系统的必须的蓄热子系统和补燃子系统等，降低了设备的复杂性，同时节省投资成本。3、常规太阳能集热系统加热流体的温度普遍较低，通过集成到生物质发电系统·中，可以进一步提闻传热流体温度，提闻系统的发电效率。4、采用有机工质朗肯循环取代常规蒸汽朗肯循环，提高系统的发电效率，同时能保证膨胀机出口干度，保护设备并提高系统运行稳定性。太阳能热吸收转化设备可分布于建筑物顶层，生物质锅炉系统可直接取代家用供热锅炉，主设备不额外占用建筑空间，不影响建筑设计和外观，同时实现了对资源的最大化利用。
图I是本发明的微型太阳能和生物质热电联产系统示意图。该系统由传热流体循环I和有机工质循环II两个回路组成。图中包括生物质锅炉系统I、太阳能热吸收转化系统2、传热工质流量计3、过热器4、蒸发器5、传热工质循环泵6、监视窗口 7、微型膨胀机8、交流发电机9、变压器10、回热加热器11、冷凝器12、有机工质储液罐13、有机工质循环泵14、有机工质流量计15、回水泵16、热用户17，第一三相阀门VI、第二三相阀门V2、第三三相阀门V3和第四三相阀门V4。生物质颗粒入口 A、锅炉烟气出口 B、冷却水入口 C，热水输出口 D、电能输出端口 E。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步说明。本发明将太阳能集热技术与生物质燃烧技术联合运用，从而为系统提供不受地域和时间等外部环境因素影响的稳定热源；针对由于热源温度较低导致的系统热效率较低的问题，采用低沸点有机工质来取代常规的水蒸气朗肯循环。其基本思路入下采用聚光装置和集热装置，将太阳能辐射热转化成热能，配合微型生物质锅炉燃烧生物质颗粒产生的热量加热给传热流体。传热流体依次通过过热器和蒸发器与有机工质溶液进行热交换，使其转变为过热干蒸汽，带动微型汽轮机组发电，并在冷凝器中换热给冷却水，实现电能和热能输出。参见图1，本发明提供的微型生物质与太阳能热电联产系统，该系统包括传热流体循环回路I、与传热流体循环回路I相通的有机工质循环回路II、分别与有机工质循环回路
II相连通的发电系统和供热系统；其中，
热流体循环回路I和有机工质循环回路II共用过热器4和蒸发器5 ;供热系统和有机工质循环回路II共用冷凝器12。传热流体循环回路I中，包括由传热流体管路依次连接的生物质锅炉装置I、太阳能热吸收转化装置2、传热工质流量计3、过热器4、蒸发器5和传热工质循环泵6，其中，生物质锅炉装置I的出口与太阳能热吸收转换装置2的进口相连，太阳能吸收热转化装置2的出口与传热工质流量计3的进口相连，传热工质流量计3的出口过热器4的进口相连，过热器4的传热工质输出口与蒸发器5的传热工质输入口相连,蒸发器5的出口与传热工质循环泵6的进口相连，传热工质循环泵6的出口与生物质锅炉装置I的进口相连；在生物质锅炉装置I的进口和出口分别设有第四阀门V4和第三阀门V3，在太阳能热吸收转化装置2的进口和出口分别设有第二阀门V2和第一阀门VI。有机工质循环II中，包括由有机工质管路依次连接的过热器4、监视窗口 7、微型膨胀机8、回热加热器11、冷凝器12、有机工质储液罐13、有机工质循环泵14、有机工质流量计14、有机工质流量计15、回热加热器11和蒸发器5 ;其中，过热器4的出口与监视窗口7的进口相连，监视窗口 7的出口与微型膨胀机8的入汽口相连，微型膨胀机8的出汽口分别与交流发电机9和回热加热器11的第一进口相连，回热加热器11的第一出口与蒸发器5·的第一进口相连；回热加热器11的第二出口与冷凝器12的第一进口相连，冷凝器12的第一出口与有机工质储液罐13的进口相连，有机工质储液罐13的出口与有机工质循环泵14的进口相连，有机工质循环泵14的出口与有机工质流量计15的进口相连，有机工质流量计15的出口与回热加热器11的第二进口相连。发电系统包括交流发电机9、与交流发电机9连接的变压器10;供热系统包括冷凝器12、回水泵16和热用户17 ;其中，回水泵16的出口与冷凝器12第二进口相连，冷凝器的第二出口与用户相连，回水泵16的进口与用户相连。在传热流体循环回路I中循环的传热流体为导热油或水。在有机工质循环回路II中采用的循环工质为无毒无污染的有机工质溶液。本发明还提供了一种微型生物质与太阳能热电联产方法，该方法采用三种循环模式，即太阳能热电联合循环过程、生物质热电联合循环过程和生物质与太阳能热电联合循环过程；其中，太阳能热电联合循环过程在太阳能资源充足，满足用户热能和电能需要的条件下，调节第四阀门V4、第三阀门V3、第二阀门V2和第一阀门Vl的流向，使阀门第四阀门V4、第三阀门V3之间的管路为直通状态，第二阀门V2和第一阀门Vl之间的管路为断开状态，从而令生物质锅炉系统I不接入传热流体循环回路I，传热流体仅通过太阳能热吸收转化系统2，由太阳能单独加热传热流体，并传热给有机工质循环回路II,实现热电联产；生物质热电联合循环过程在没有太阳能资源或太阳能辐射强度小于该热电联产系统运行成本的情况下，通过调节第四阀门V4、第三阀门V3、第二阀门V2和第一阀门Vl的流向，使第四阀门V4、第三阀门V3的管路为断开状态，第二阀门V2和第一阀门Vl之间的管路为直通状态，使传热流体仅通过生物质锅炉系统1，由燃烧生物质放热单独加热传热流体，并传热给有机工质循环回路II，实现热电联产。生物质与太阳能热电联合循环过程除以上两种情况的普通运行工况下，通过调节第四阀门V4、第三阀门V3、第二阀门V2和第一阀门Vl的流向，使阀门第四阀门V4、第三阀门V3之间的管路为直通状态，第二阀门V2)和第一阀门Vl之间的管路为直通状态，此时，传热流体同时接受生物质锅炉系统I和太阳能热吸收转化系统2的共同加热，并传热给有机工质循环回路II，实现热电联产。在传热流体循环回路I中循环的传热流体为导热油或水。在有机工质循环回路II中循环的是朗肯循环工质，为无毒无污染的有机工质溶液。如循环发电效率可达20% 25%。有机工质溶液为氢氟醚(Hydrof luo-roether)系列溶液。详述如下。本发明的系统的构建方式和实现方法如图I所示，该热电联产系统由传热流体循
环I和有机工质循环II两个回路组成。图I中左侧虚线框内为传热流体循环I，在有太阳辐射情况下，太阳能热吸收转化系统2将太阳辐射热吸收用于加热传热流体(如导热油，水等)到设定温度，在太阳辐射较弱或没有太阳辐射的情况下，则由生物质锅炉系统I通过燃烧生物质颗粒，补充加热到设定温度时所需要的热量。被加热到设定温度的传热流体依次经过过热器4和蒸发器5将热量传递给有机工质溶液，经过热量传递后的传热流体温度下降，再经传热工质循环泵6加压后重新进入太阳能热吸收转化系统2以及生物质锅炉系统I加热，完成一次循环。图I中右侧虚线框内为有机工质循环II，有机工质溶液先经过回热加热器10预热，之后进入蒸发器5加热成为饱和蒸汽，并在过热器4中被进一步加热为高压的过热干蒸汽，过热干蒸汽经过监视窗口 7，进入微型膨胀机8，带动交流发电机9产生电能。做功后的过热干蒸汽变为湿蒸汽，经过回热加热器11部分放热，再进入冷凝器12被冷却水冷却后，湿蒸汽重新冷凝为液态的有机工质溶液，流入有机工质储液罐13，完成了一次循环。其中，生物质锅炉系统I通过三向阀门V3、V4连接入传热流体循环I,而太阳能热吸收转化系统2则通过三向阀门VI、V2连接入传热流体循环I。因此，通过操作四个三相阀门的不同设置，本系统可根据用户当地时间和季节等因素的影响，改变操作条件，实现以下三种运行I.太阳能热电联合循环在太阳能资源充足，可满足用户热能和电能需要的条件下，调节四个三向阀门的流向，使阀门V3和V4之间的管路为直通状态，阀门Vl和V2之间的管路为断开状态，从而令生物质锅炉系统I不接入传热流体循环I，传热流体仅通过太阳能热吸收转化系统2，由太阳能单独加热传热流体，实现系统的热电联产。2.生物质热电联合循环在没有太阳能资源(如夜晚)或太阳能辐射强度小于该热电联产系统运行成本的情况下，通过调节四个三向阀门的流向，使阀门V3和V4之间的管路为断开状态，阀门Vl和V2之间的管路为直通状态,使传热流体仅通过生物质锅炉系统I,由燃烧生物质放热单独加热传热流体，实现系统的热电联产。生物质与太阳能热电联合循环除以上两种情况的普通运行工况下，通过调节四个三向阀门的流向，使阀门V3和V4之间的管路为直通状态，阀门Vl和V2之间的管路为直通状态，此时，传热流体同时接受生物质锅炉系统I和太阳能热吸收转化系统2的共同加热，实现系统的热电联产。根据太阳辐射情况以及用户需求状况，本系统有三种主要运行方式。以下参照图I来进行说明，运行方式采用生物质与太阳能热电联合循环运行，传热工质以水，有机工质以氢氟醚(Hydrofluo-roether)溶液HFE7000为例，详细说明本发明的基于有机朗肯循环的微型生物质与太阳能热电联产系统的实际运行方法。在生物质锅炉系统I中加入燃料颗粒后启动锅炉，设定过热器4入口处传热流体温度为140°C，压力为400 500kPa，同时打开太阳能热吸收转化系统2吸收太阳能热辐射，调整三相阀门的流通方向，使Vl与V2之间管路为断开状态，V3和V4之间的管路为断开状态。打开传热工质循环泵6，传热流体循环I启动，水经过生物质锅炉系统I和太阳能热吸收转化系统2的共同加热，升温至设定温度和压力，依次通过过热器4和蒸发器5将热量传递至有机工质溶液。经过放热后的传热工质被传热工质循环泵6加压后回到生物质锅炉系统I和太阳能热吸收转化系统(2)中再次加热，以此不断循环。打开有机工质循环泵13，有机工质循环II启动，有机工质HFE7000在蒸发器5中受热气化，被加热至90 100°C，400 500kPa的饱和蒸汽，经过热器4进一步加热为110 120°C,500 600kPa的过热干蒸汽后,通过监视窗口 7,进入微型膨胀机8中膨胀做功，微型膨胀机8带动交流发电机9发电，发出的低压电经变压器10升压后供用户使用。做功后的过热干蒸汽变为温度为80 100°C，150 200kPa的湿蒸汽，经过回热加热器11部·分放热，温度降至70 80°C °C，再进入冷凝器12进一步被冷却，湿蒸汽被冷凝为的液态有机工质，流入有机工质储液罐13，经过有机工质循环泵14加压后再次进入蒸发器5和过热器4中被加热，以此不断循环。从热用户17来的冷却水经回水泵16，输送至冷凝器12加热至50 60°C，完成加热过程后的热水送回热用户17处，供建筑采暖和生活用热水。其他两种运行方式与生物质与太阳能热电联合循环运行的区别仅在于，在太阳能热电联合循环中，传热流体仅通过太阳能热吸收转化系统2 ;在生物质热电联合循环中，传热流体仅通过生物质锅炉系统I。以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
权利要求
1.一种微型生物质与太阳能热电联产系统，其特征在于，该系统包括传热流体循环回路(I)、与传热流体循环回路(I)相通的有机工质循环回路(II)、分别与有机工质循环回路(II)相连通的发电系统和供热系统；其中， 热流体循环回路(I)和有机工质循环回路(II)共用过热器(4)和蒸发器(5);供热系统和有机工质循环回路(II)共用冷凝器(12)。
2.根据权利要求I所述的微型生物质与太阳能热电联产系统，其特征在于，传热流体循环回路(I)中，包括由传热流体管路依次连接的生物质锅炉装置(I)、太阳能热吸收转化装置(2)、传热工质流量计(3)、过热器(4)、蒸发器(5)和传热工质循环泵(6)，其中， 生物质锅炉装置(I)的出口与太阳能热吸收转换装置(2)的进口相连，太阳能吸收热转化装置(2 )的出口与传热工质流量计(3 )的进口相连，传热工质流量计(3 )的出口过热器(4)的进口相连,过热器(4)的传热工质输出口与蒸发器(5)的传热工质输入口相连,蒸发器(5 )的出口与传热工质循环泵(6 )的进口相连，传热工质循环泵(6 )的出口与生物质锅炉装置(I)的进口相连；在生物质锅炉装置(I)的进口和出口分别设有第四阀门(V4)和第三阀门(V3)，在太阳能热吸收转化装置(2)的进口和出口分别设有第二阀门(V2)和第一阀门(Vl)； 有机工质循环(II)中，包括由有机工质管路依次连接的过热器(4)、监视窗口(7)、微型膨胀机(8)、回热加热器(11)、冷凝器(12)、有机工质储液罐(13)、有机工质循环泵(14)、有机工质流量计(14 )、有机工质流量计(15 )、回热加热器(11)和蒸发器(5 );其中， 过热器(4)的出口与监视窗口(7)的进口相连，监视窗口(7)的出口与微型膨胀机(8)的入汽口相连，微型膨胀机(8)的出汽口分别与交流发电机(9)和回热加热器(11)的第一进口相连，回热加热器(11)的第一出口与蒸发器(5)的第一进口相连；回热加热器(11)的第二出口与冷凝器(12)的第一进口相连，冷凝器(12)的第一出口与有机工质储液罐(13)的进口相连，有机工质储液罐(13)的出口与有机工质循环泵(14)的进口相连，有机工质循环泵(14)的出口与有机工质流量计(15)的进口相连，有机工质流量计(15)的出口与回热加热器(11)的第二进口相连； 发电系统包括交流发电机(9 )、与交流发电机(9 )连接的变压器(10 ); 供热系统包括冷凝器(12 )、回水泵(16 )和热用户(17 );其中，回水泵(16 )的出口与冷凝器(12)第二进口相连，冷凝器的第二出口与用户相连，回水泵(16)的进口与用户相连。
3.根据权利要求I所述的微型生物质与太阳能热电联产系统，其特征在于，在传热流体循环回路(I)中循环的传热流体为导热油或水。
4.根据权利要求I所述的微型生物质与太阳能热电联产系统，其特征在于，在有机工质循环回路(II)中采用的循环工质为无毒无污染的有机工质溶液。
5.一种微型生物质与太阳能热电联产方法，其特征在于，该方法采用三种循环模式，即太阳能热电联合循环过程、生物质热电联合循环过程和生物质与太阳能热电联合循环过程；其中， 太阳能热电联合循环过程在太阳能资源充足，满足用户热能和电能需要的条件下，调节第四阀门(V4)、第三阀门(V3)、第二阀门(V2)和第一阀门(Vl)的流向，使阀门第四阀门(V4)、第三阀门(V3)之间的管路为直通状态，第二阀门(V2)和第一阀门(Vl)之间的管路为断开状态，从而令生物质锅炉系统(I)不接入传热流体循环回路(I )，传热流体仅通过太阳能热吸收转化系统(2)，由太阳能单独加热传热流体，并传热给有机工质循环回路(II)，实现热电联产； 生物质热电联合循环过程在没有太阳能资源或太阳能辐射强度小于该热电联产系统运行成本的情况下，通过调节第四阀门(V4)、第三阀门(V3)、第二阀门(V2)和第一阀门(Vl)的流向，使第四阀门(V4)、第三阀门(V3)的管路为断开状态，第二阀门(V2)和第一阀门(Vl)之间的管路为直通状态，使传热流体仅通过生物质锅炉系统(1)，由燃烧生物质放热单独加热传热流体，并传热给有机工质循环回路(II)，实现热电联产； 生物质与太阳能热电联合循环过程除以上两种情况的普通运行工况下，通过调节第四阀门(V4)、第三阀门(V3)、第二阀门(V2)和第一阀门(Vl)的流向，使阀门第四阀门(V4)、 第三阀门(V3)之间的管路为直通状态，第二阀门(V2)和第一阀门(Vl)之间的管路为直通状态，此时，传热流体同时接受生物质锅炉系统(I)和太阳能热吸收转化系统(2)的共同加热，并传热给有机工质循环回路(II)，实现热电联产。
全文摘要
本发明公开了一种微型生物质与太阳能热电联产系统，该系统包括传热流体循环回路(I)、与传热流体循环回路(I)相通的有机工质循环回路(II)、分别与有机工质循环回路(II)相连通的发电系统和供热系统；其中，热流体循环回路(I)和有机工质循环回路(II)共用过热器(4)和蒸发器(5)；供热系统和有机工质循环回路(II)共用冷凝器(12)。本发明还提供了一种微型生物质与太阳能热电联产方法，该方法采用太阳能热电联合循环过程、生物质热电联合循环过程和生物质与太阳能热电联合循环过程。本发明可同时向用户提供电能和热能，投资成本低、发电效率高、系统稳定性好，实现了不同可再生能源的合理匹配和高效综合利用。
文档编号F24D19/10GK102852741SQ20121025693
公开日2013年1月2日 申请日期2012年7月23日 优先权日2012年7月23日
发明者邵应娟, 金保昇, 钟文琪, 陈曦 申请人:东南大学