专利名称：低温太阳能-生物质能热电联供系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用太阳能及生物质能的热电联供系统及工艺，是一种太阳能低 温热能及生物质能高效利用新方法与技术，属于能源与环境技术领域。
背景技术：
电力生产在工农业生产中扮演着越来越重要的角色，可以说电力供应是整个社会 发展的瓶颈。一个世纪以来，电力工业都是严重地依赖于煤等化石燃料，虽然近年来随着超 临界朗肯循环等技术的应用，煤电效率逐步提高(现在世界上最新技术已经能达到近50% 的热效率)，但电力工业依然是二氧化碳及二氧化硫严重环境污染物主要的排放源，同时随 着石化燃料的枯竭，开采的成本和难度会越来越大，因此加大对新能源开发的力度，从而逐 渐减轻国民生产及生活过程对石化燃料的依赖程度，是人类必然面临的唯一选择。太阳的辐射功率达3. 8xl023kW，其中，约1. 08xl014kW辐射到地球表面，即便光-电 转换效率仅为万分之一，亦能达到全世界总发电容量的近4倍之多。据估算，太阳在一月 之内辐射到地球上的能量，可抵地球上包括石化燃料、原子能等在内的所有不可再生能源 总储量的10倍之多，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。我国属太阳能资源相当 丰富的国家，国土面积的2/3地区年日照时数大于2200h，单位面积太阳能辐射总量高于 5016MJ/m2。因此，研究太阳能发电技术对我国乃至全人类的持续发展有重要意义。太阳能 发电可在不对环境带来任何污染和公害情况下，将太阳能转化为电能，太阳能发电被誉为 未来最理想的发电方式。按转换方式的不同，可分为光伏发电及光-热-电两种方式，其中， 光伏发电技术已较成熟，但其效率低、初投资高。光-热-电技术主要指聚光式高温太阳能 热力发电，按太阳光跟踪系统的不同，可分为单轴跟踪及双轴跟踪系统两大类；按集热器类 型的不同，可分为槽式系统、塔式系统和碟式系统三大类。聚光式高温太阳能热力发电效率 高、单机容量大，如美国在加州沙漠上建造的九套SEGS太阳能热力发电装置，最大的每套 发电功率为80兆瓦，总发电容量达354兆瓦，可满足50万居民的能源需求，每年节约230 万桶原油，减少15. 5万吨CO2和114吨NOx的排放。但高温太阳能热力发电系统的初投资 极高，常常数倍于同样装机容量的火力发电系统，对设备、材料也有很高的要求，且安装周 期较长，这些不利因素都严重制约了高温太阳能热力发电系统的建设和投资。生物质资源主要指农业及林产业废弃物、畜牧养殖业粪便及城市含有可燃成分的 固体废物。我国有丰富的生物质资源，据统计我国农村仅稻草丢弃量便高达7亿吨(热值 约10. 2X 1015kJ)，林产业废弃物近2亿吨(热值约3. IX 1015kJ)，尚有大量的稻壳、秸秆等 农业废弃物。若这些废弃物不合理加以回收利用，便会成为环害物质。当前生物质能利用 技术主要有直接燃烧，燃烧产生的热和蒸汽可用于发电，或向用户供热；沼气技术，生物 质产生的沼气可用作生活燃气及发电；生物质气化技术，气化生产的可燃气可用于炊事、采 暖和农作物烘干，还可用作内燃机、燃气轮机等动力装置的燃料，输出电力或动力；生物质 热解技术，分为干馏制水煤气、制炭和快速热解制生物油技术；生物质液化技术。总的来看， 农业及林产业生物质在生长过程中需吸收CO2进行光合作用，这类生物质的能源利用与转化系统不会造成地球大气中CO2总量的增加，因此，生物质能利用技术的研究已成为国际社 会新能源技术研究的热点。目前，生物质的洁净燃烧技术，如农村沼气技术、秸秆气化技术 等已趋成熟，而且相关产品正逐步实现定型市场化。有效地耦合低温太阳能与生物质能构建热电联供系统，能实现太阳能与生物质能 间优势互补，确保能源转化系统的稳定性和高效性，有望成为构建分布式能源供应系统的 重要技术措施。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温太阳能_生物质能热电联供系统及发电工艺，该系 统的一次加热采用平板真空玻璃太阳能集热器或真空管集热器，用生物质能的热量进行二 次加热。该系统可最大限度将太阳能及生物质能转换为高品位的电能，且提供用于生活热 水等所需热能。解决本发明的技术问题所采用的方案是该系统包括传热流体循环回路，有机 朗肯循环的工质循环回路，加热炉排烟管路，供热热水回路，有机朗肯循环的冷却水回路， 为传热流体补热或作备用热源的加热炉，底部带回热措施的太阳能集热-余热回收一体化 真空平板式集热器，所述传热流体循环回路如下从有机朗肯循环工质蒸气发生器⑷出来的低温传 热流体，经传热流体循环泵(3)加压进入太阳能集热_余热回收一体化真空平板式集热器 (2)中预热，再进入加热炉(1)加热成温度较高的传热流体进入工质蒸气发生器(4)，将热 量传递给有机朗肯循环内的工质，使工质完成蒸发气化；有机朗肯循环的工质循环回路如下从储液器出来的液体工质经工质加压泵 (13)加压至蒸发压力，进入排气回热加热器(8)中预热，之后进入工质蒸气发生器(4)吸热 蒸发，蒸气进透平膨胀机(5)做功输出轴功，驱动励磁发电机(6)发电，乏汽经分流三通调 节阀分两路一路进排气回热加热器(8)预热从工质加压泵来的液态工质，另外一路直接 与从排气回热加热器(8)出来的工质蒸气混合进入供热水加热器(9)加热循环热水，之后 进入凝结器(11)冷凝，流入工质储液罐，完成一个循环；加热炉排烟管路如下烟气进入太阳能集热-余热回收一体化真空平板式集热器 (2)下部余热回收空间，之后进入热水预热器(14)对回水预热，最后经排烟风机(16)加压 排至烟囱；供热热水回路为从热用户来的回水经回水泵(15)输送至热水预热器(14)预热， 之后进入热水加热器(9)完成热水的加热过程；有机朗肯循环的冷却水回路为从冷却塔(10)来的冷却水经冷却水循环泵(12) 输送至有机朗肯循环的凝结器(11)，完成对循环工质乏汽的凝结，之后返回冷却塔(10)布 水管，经冷却后集于塔底集水盘，完成一个循环。该系统采用的加热炉使用生物质燃料或由生物质制成的燃料，如生物柴油、生物 质气化可燃气、燃料柴油、重油、甲醇、乙醇、甲烷、天然气、煤气或二甲醚。该系统有机朗肯循环使用丙烷即R290、五氟丙烷即R245fa、戊烷即R601、异戊烷 即R601a、正戊烷即C5H12、正己烷即C6H14、丁烷即R600、异丁烷即R600a或四氟乙烷即R134a 及由这9种纯工质中两种或两种以上组成的混合工质作循环工质。
该系统传热流体使用导热油、离子液体或水。该系统在透平排气上设置分流三通调节阀，可根据热用户对加热负荷的需求调节 排气回热量。本发明的热电联供系统包括五个回路首先是传热流体(如导热油、离子液体、水 等)循环回路，从有机朗肯循环工质蒸气发生器出来的低温传热流体，经传热流体循环泵 加压进入太阳能集热-余热回收一体化真空平板式集热器中预热，再进入加热炉加热成温 度较高的传热流体进入工质蒸气发生器，将热量传递给有机朗肯循环内的工质，使工质完 成蒸发气化；第二是有机朗肯循环的工质循环回路，从储液器出来的液体工质经工质加压 泵加压至蒸发压力，进入排气回热加热器预热，之后进入工质蒸气发生器吸热蒸发，蒸气进 透平做功输出轴功，驱动励磁发电机发电，乏汽经分流三通调节阀分两路一路进排气回热 加热器预热从工质加压泵来的液态工质，另外一路直接与从排气回热加热器出来的工质蒸 气混合进入供热水加热器加热循环热水，之后进入凝结器冷凝，流入工质储液罐，完成一个 循环；第三个回路是加热炉排烟管路，烟气进入太阳能集热-余热回收一体化真空平板式 集热器下部余热回收空间，之后进入热水预热器对回水预热，最后经排烟风机加压排至烟 囱；第四个回路是供热热水回路，从热用户来的回水经回水泵输送至热水预热器预热，之后 进入热水加热器完成热水的加热过程；第五个回路是有机朗肯循环冷却水回路，从冷却塔 来的冷却水经冷却水循环泵输送至有机朗肯循环的凝结器，完成对循环工质乏汽的凝结， 之后返回冷却塔布水管，经冷却后集于塔底集水盘，完成一个循环。该发电系统使用常压或低压((0. 6MPa)太阳能系统(或水、导热油或离子液体 作传热流体)，太阳能集热器为底部带烟气回热措施的太阳能集热_余热回收一体化真空 平板式集热器)；该发电系统使用加热炉对传热流体进行补热(二次加热)，加热炉使用生物质燃 料(或由生物质制成的燃料，如生物柴油、生物质气化可燃气)、燃料柴油、重油、甲醇、乙 醇、甲烷、天然气、煤气、二甲醚；该发电系统的有机朗肯循环使用丙烷(R290)、五氟丙烷(R245fa)、戊烷(R601)、 异戊烷(R601a)、正戊烷(C5H12)、正己烷(C6H14)、丁烷(R600)、异丁烷(R600a)、四氟乙烷 (R134a)及由这9种纯工质组成的混合工质作循环工质；该发电系统在透平乏汽管路上设置了分流三通调节阀，可根据用户对供热负荷的 需求调节有机朗肯循环的排气回热量。本发明的发电工艺为(1)根据有机朗肯循环系统所选定的工质和传热流体的种类，按需要的发电容量 及供热负荷配备并安装好太阳能集热_余热回收一体化真空平板式集热器、加热炉、工质 蒸气发生器、传热流体循环泵、工质加压泵、排气回热加热器、透平、励磁发电机、供热水加 热器、凝结器、热水预热器、排烟风机、冷却塔等设备及其管路与配件；(2)根据传热流体及有机朗肯循环的管路容积计算传热流体及循环工质的充注 量，将传热流体及循环工质计量充入各自循环管路中。工作原理为在有机朗肯循环工质蒸气发生器放热后出来的低温传热流体，经传热流体循环泵 加压进入太阳能集热-余热回收一体化真空平板式集热器中，被上部的太阳能及底部的烟
5气余热共同预热，进入加热炉再次加热成温度较高的传热流体，进入工质蒸气发生器，在工 质蒸气发生器内传热流体将热量传递给有机朗肯循环内的工质，使工质吸热气化成进透平 做功的蒸气；有机工质蒸气在透平内膨胀输出轴功，驱动励磁发电机发电，膨胀后的工质乏 汽经分流三通调节阀分两路一路进排气回热加热器预热从工质加压泵来的液态工质，另 外一路直接与从排气回热加热器出来的工质蒸气混合进入供热水加热器加热循环热水，根 据用户对供热负荷的需求调节有机朗肯循环乏汽进入排气回热加热器的流量，之后进入凝 结器被从冷却塔来的冷却水冷凝，流入工质储液罐，再被工质循环泵加压输送至排气回热 加热器，预热后进入工质蒸气发生器再次吸热蒸发成做功的蒸气；供热用热媒水回水被回 水泵输送至热水预热器，预热后进入热水加热器中吸收透平乏汽过热段热量加热成热媒供 7K，向用户供热；为了充分回收加热炉排烟热量，排烟首先到特制的太阳能集热-余热回收 一体化真空平板式集热器下部余热回收空间，将热量传给传热流体，之后进入热水预热器 将热量传给供热热水，完成热水的余热。本发明的有益效果是(1)能将资源十分丰富的低密度太阳能及多种低品位燃料高效地转化为电能，同 时实现对用户供热；(2)极大地降低了热电联供过程环害物质C0X、SOx的产生与排放；(3)便于实现个性化的分布式热电联供系统，适合对一些不宜集中供电或电力供 应不足地区提供电力，如山区、牧区、零星岛屿、散居农家、偏远地质公园、对供电安全要求
极高的军事基地等。
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，但它们并不构成对本发明的限制。图1为本发明技术方案的工艺流程图。图中各编号的名称为加热炉1、太阳能集热-余热回收一体化真空平板式集热器 2、传热流体循环泵3、工质蒸气发生器4、透平(或膨胀机)5、励磁发电机6、分流三通调节 阀7、排气回热加热器8、热水加热器9、冷却塔10、凝结器11、冷却水循环泵12、工质加压泵 13、热水预热器14、回水泵15、排烟风机16。
具体实施例方式实施例在昆明地区建一低温太阳能_生物质能热电联供户式系统，电机输出功 率为10Kw，供应45 50°C卫生热水6001/d。导热油一次加热设备采用100台太阳能集热-余热回收一体化真空平板式集 热器，集热面积为260m2，集热板按4排平行布置于屋面，正南向与水平面成27. 9°的倾 角。加热炉燃料采用秸秆气化炉所产可燃气，传热流体采用稳定性极好的首诺合成导热油 Therminol VP-1，经加热后的热油温度为130°C，用板式换热器作有机朗肯循环的工质蒸 气发生器，导热油循环泵用LQRY65-40-160高温油泵，按导热油循环泵3出口 一太阳能集 热_余热回收一体化真空平板式集热器2—加热炉1-工质蒸气发生器4一导热油循环泵 3进口的顺序用黄铜管将油路系统安装好。有机朗肯循环工质用五氟丙烷(R245fa)，膨胀机采用ITlO螺杆式膨胀机，净输出功率为10Kw，膨胀机进口工质压力为l.OMPa，温度110°C，排气回热加热器、热水加热 器、凝结器、工质蒸气发生器均采用板式换热器，工质加压泵采用高压屏蔽泵。按储液罐出 口 一有机工质加压泵13-排气回热加热器8—工质蒸气发生器4-膨胀机5—排气回热 加热器8—热水加热器9一凝结器11-储液罐进口的顺序用紫铜管将有机朗肯循环的工 质回路及所需配件安装好。供热水回路采用PI3R热水管，按回水泵15出口 -热水预热器14-热水加热器9-回 水泵15进口的顺序将供热水回路及所需配件安装好。选用冷却水循环流量为20m3/h的低温型冷却塔LBCM-20，冷却水循环泵型号为 KQL50/100-1. 1/2，冷却水管路采用无缝钢管，按冷却塔10出口 -冷却水循环泵12-凝结器 11-冷却塔10进口的顺序将冷却水回路及所需配件安装好。加热炉排烟管道用2mm热轧钢板焊接而成，用直径为300mm的钢制烟囱。按加热 炉1烟气出口 一太阳能集热_余热回收一体化真空平板式集热器2-热水预热器14-排烟 风机16-烟囱的顺序将烟气管路安装好。以上所有设备设备配件按图1连接，安装完成后，进行管道的氮气吹扫，对有机朗 肯循环系统抽真空。并分别按要求向相应管路内充入R245fa、导热油及自来水。
权利要求
一种低温太阳能 生物质能热电联供系统，其特征是该系统包括传热流体循环回路，有机朗肯循环的工质循环回路，加热炉排烟管路，供热热水回路，有机朗肯循环的冷却水回路，为传热流体补热或作备用热源的加热炉，底部带回热措施的太阳能集热 余热回收一体化真空平板式集热器，所述传热流体循环回路如下从有机朗肯循环工质蒸气发生器(4)出来的低温传热流体，经传热流体循环泵(3)加压进入太阳能集热 余热回收一体化真空平板式集热器(2)中预热，再进入加热炉(1)加热成温度较高的传热流体进入工质蒸气发生器(4)，将热量传递给有机朗肯循环内的工质，使工质完成蒸发气化；有机朗肯循环的工质循环回路如下从储液器出来的液体工质经工质加压泵(13)加压至蒸发压力，进入排气回热加热器(8)中预热，之后进入工质蒸气发生器(4)吸热蒸发，蒸气进透平膨胀机(5)做功输出轴功，驱动励磁发电机(6)发电，乏汽经分流三通调节阀分两路一路进排气回热加热器(8)预热从工质加压泵来的液态工质，另外一路直接与从排气回热加热器(8)出来的工质蒸气混合进入供热水加热器(9)加热循环热水，之后进入凝结器(11)冷凝，流入工质储液罐，完成一个循环；加热炉排烟管路如下烟气进入太阳能集热 余热回收一体化真空平板式集热器(2)下部余热回收空间，之后进入热水预热器(14)对回水预热，最后经排烟风机(16)加压排至烟囱；供热热水回路为从热用户来的回水经回水泵(15)输送至热水预热器(14)预热，之后进入热水加热器(9)完成热水的加热过程；有机朗肯循环的冷却水回路为从冷却塔(10)来的冷却水经冷却水循环泵(12)输送至有机朗肯循环的凝结器(11)，完成对循环工质乏汽的凝结，之后返回冷却塔(10)布水管，经冷却后集于塔底集水盘，完成一个循环。
2.如权利要求1所述的低温太阳能_生物质能热电联供系统，其特征是该系统采用 的加热炉使用生物质燃料或由生物质制成的燃料，如生物柴油、生物质气化可燃气、燃料柴 油、重油、甲醇、乙醇、甲烷、天然气、煤气或二甲醚。
3.如权利要求1所述的低温太阳能_生物质能热电联供系统，其特征是该系统有机 朗肯循环使用丙烷即R290、五氟丙烷即R245fa、戊烷即R601、异戊烷即R601a、正戊烷即 C5H12、正己烷即C6H14、丁烷即R600、异丁烷即R600a或四氟乙烷即R134a及由这9种纯工质 中两种或两种以上组成的混合工质作循环工质。
4.如权利要求1所述的低温太阳能_生物质能热电联供系统，其特征是该系统传热 流体使用导热油、离子液体或水。
5.如权利要求1所述的低温太阳能_生物质能热电联供系统，其特征是该系统在透 平排气上设置分流三通调节阀，可根据热用户对加热负荷的需求调节排气回热量。
全文摘要
本发明涉及低温太阳能-生物质能热电联供系统及发电工艺，系统包括传热流体(导热油、离子液体、水)循环回路，有机朗肯循环的工质循环回路，加热炉排烟管路，供热热水回路，冷却水回路。采用加热炉为传热流体补热或作备用热源，加热炉使用二甲醚、重油、生物质或由生物质制成的低品位廉价燃料；使用丙烷(R290)、五氟丙烷(R245fa)等作循环工质；能根据热用户对供热负荷的需求调节有机朗肯循环的排气回热量；该系统太阳能集热器为底部带回热措施的太阳能集热-余热回收一体化真空平板式集热器，在充分利用太阳能的同时，也能回收加热炉的排烟余热。本发明可以直接将数量庞大的低品位生物质燃料及低密度的太阳能高效地转换为电能，同时向用户供热。
文档编号F01D15/10GK101949369SQ201010237550
公开日2011年1月19日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者冷婷婷, 唐千喻, 李俊贤, 王仕博, 王 华, 王辉涛 申请人:昆明理工大学