具有电力和热量能力储存的热电联供系统的制作方法

本申请要求2015年9月23日提交的美国非临时申请序列号14/862,843的优先权，上述申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及热电联供(CHP)系统，并且更具体地涉及配置为提供和存储热量和电力的CHP系统。

背景技术：

也可称为热电联产系统的CHP系统被配置为同时从一个能量源产生热量和电力。与独立的能源生产系统相比，这样的系统具有巨大的效率，成本和环境效益。

发明概述

本公开的示例性实施方案涉及热电联供(CHP)系统，包括：被配置为发电的发电机；电力存储器，被配置为存储和释放由所述发电机产生的电力；排气管道，被配置为接收来自所述发电机的排气；余热回收装置(WHRU)，设置成与所述排气管道热连通并且被配置为通过将来自所述排气的热量传递到流体来加热所述流体；被配置为储存由WHRU加热的流体的罐；传递管道，被配置为在WHRU和所述罐之间循环流体；和蒸发器，被配置为利用从所述排气回收的热量蒸发液态二氧化碳

本公开的示例性实施方案涉及一种操作热电联供(CHP)系统的方法，所述系统包括：电气发电机，配置为发电和排气；余热回收装置(WHRU)，将热量从排气传递到流体；罐，配置为储存流体；和电力存储器，该方法包括：以第一模式运行CHP系统，此时施加到CHP系统的电负载基本等于发电机的全部电功率输出并且外部处理要求基本上所有WHRU传递的热量，所述第一模式包括：以全功率操作发电机；将所述发电机的全部电功率输出应用于外部负载；将来自所述排气的热量传递给流体；和将基本上所有加热流体供应到外部处理。

该方法还包括：以第二模式运行CHP系统，此时施加到CHP系统的电负载小于发电机的全部电功率输出并且外部处理要求基本上所有WHRU传递的热量，所述第二模式包括：以全功率操作发电机；将所述发电机的一部分电功率输出应用于负载；在电力存储器中存储多余量的发电机的电功率输出；将来自所述排气的热量传递给流体；和将基本上所有加热流体供应到外部处理。

该方法还包括：以第三模式运行CHP系统，此时施加到CHP系统的电负载基本等于或超过发电机的最大电功率输出并且外部处理要求小于所有传递至流体的热量，所述第三模式包括：以全功率操作发电机；将所述发电机的全部电功率输出应用于负载；将储存在所述电力存储器中的功率应用于负载；将来自所述排气的热量传递给流体；和将至少一部分加热流体储存在罐中。

附图简述

图1是根据本公开的各种实施例的CHP系统二氧化碳蒸发器的示意图。

图2是根据本公开的各种实施例的包括在图1的CHP系统中的发电机的示意图。

图3是根据本公开的各种实施例的包括二氧化碳蒸发器的CHP系统的示意图。

图4是根据本公开的各种实施例的包括电加热器的CHP系统的示意图。

图5A和图5B是根据本公开的各种实施例的热交换器的示意图。

发明详述

在下文中参照附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被解释为限于在此阐述的示例性实施例。相反，提供这些示例性实施例是为了使本公开透彻，并且将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。在附图中，为了清楚起见，层和区域的尺寸和相对尺寸可能被夸大。附图中相同的附图标记表示相同的元件。

将理解的是，当元件或层被称为被布置在另一元件或层“上”或“连接到”另一元件或层时，它可以直接位于或直接连接到另一元件或层，或者可能存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接地”或“直接连接到”另一元件或层时，不存在中间元件或层。应该理解，为了本公开的目的，“X、Y和Z中的至少一个”可以被解释为仅X、仅Y、仅Z或者两个或更多个项目X、Y和Z(例如，XYZ、XYY、YZ、ZZ)。这里，当第一元件与第二元件“热连通”时，可以在第一和第二元件之间传递热量。

图1是根据本公开的各种实施例的热电联供(CHP)系统的示意图。参照图1，CHP系统包括发电机10、一次余热回收装置(WHRU)20、电力存储器30、罐40、蒸发器50和控制单元60。

通常，为了在CHP系统中实现高效率，电力和热负荷应与发电完美匹配。当电力需求减少时，发电机输出通常会降低(负载跟随)，这也会降低热输出。当热需求降低时，废热通常会转向以保持电力输出。因此，这两种情况都可能降低效率。因此，各种实施例提供了一种CHP系统，该CHP系统被配置为在电气和/或热需求的变化期间保持高效率。

排气管道12从发电机10延伸并通过WHRU 20和蒸发器50。电力线14从发电机10延伸到外部负载和电力存储器30。循环管道22从罐40延伸穿过WHRU 20并返回到罐40。蒸发管道52从CO₂源70延伸穿过蒸发器50并延伸到外部CO₂容器或管道(未示出)。

发电机10可以是被配置为使用燃料如天然气、沼气等发电的任何合适的装置。将在下面关于图2更详细地讨论发电机10。排气管道12将由发电机10输出的热排气提供给WHRU 20和蒸发器50。

发电机10可以通过电力线14(例如电气总线或电线)连接到外部电力负载(未示出)和电力存储器30。电力存储器30可以包括任何合适的电存储装置。例如，电力存储器30可以包括一个或多个电化学存储装置，诸如电池，例如锂离子电池、镍镉电池、镍氢电池、铅酸电池或液流电池。根据一些实施方案，电力存储器30可以包括一个或多个超级电容器或动力电池。

电力存储器30可以被配置为存储由发电机10产生的过量电力。换句话说，电力存储器30可以存储超过外部负载所需的功率。此外，当外部负载超过发电机10的发电容量时，电力存储器30可用于补充发电机10产生的电力。

WHRU 20可被配置为具有壳体和管气体至液体(例如，空气-水)配置的热交换器。这样，WHRU 20可以被构造成通过从流过排气管道12的排气中提取热量来加热在循环管道22中循环的流体，诸如水。被加热的流体可以被储存在罐40中，用于以后使用，或者可以使用输出管道24将其提供给外部处理。例如，加热流体可以用于减少对锅炉加热的需求。罐40可以是绝热的热水储罐、锅炉、污染的水储罐或任何合适的热液储罐。

此外，可以经由连接到循环管道22的输入管道26将额外的流体添加到系统。特别地，输入管道26可以连接到泵或阀28，该泵或阀28被构造成从罐40和/或输入管道26通过循环管道。该流体可以是例如非饮用水、饮用水、乙二醇或水/乙二醇溶液，和或任何其他合适的保温流体。在一些实施方案中，泵或阀28可以是构造成控制流体流过其中的阀。在其他实施例中，泵或阀28可以是泵或泵/阀组合。

WHRU 20也可以被配置成对流体进行巴氏灭菌。特别地，WHRU 20可以包括排气流过的第一室和流体流过的第二室。这些腔室构造成允许排气和流体之间进行热交换。排气可具有大于水巴氏杀菌温度(例如，大于500℃的温度，例如约250至约1000℃的温度)的温度。当流体流过第二室时，由于热交换，流体可以被加热到巴氏杀菌温度。可以控制通过腔室的流体的流速以加热流体一段时间并且温度足以使流体充分消毒/消毒。因此，如果使用非饮用水作为流体(例如，通过输入管道26供应的流体)，则非饮用水可以变得安全以用于灰水应用。例如，巴氏杀菌消毒水可以从输出管道24供应并用于例如灌溉等。

控制单元60可以包括中央处理单元和存储器。例如，控制单元60可以是加载有适当的控制软件的服务器、专用控制电路(例如，ASIC芯片)或通用计算机。控制单元60可以与CHP系统集成，或者可以从远程位置电连接到CHP系统。

控制单元60可以被配置为控制CHP系统的操作。具体地，控制单元60可以检测施加到发电机10的负载，并且可以控制电力存储器30是相应地充电还是放电。例如，控制单元60可以在发电机10的功率输出超过所施加的负载功率需求时对电力存储器30充电，并且可以在负载功率需求超过发电机的功率输出时使电力存储器放电10。

CHP系统可以包括罐40和/或输出管道24中的温度和/或液位传感器。此外，控制单元60可以检测对罐40中的流体的需求。控制单元60还可以检测罐40中的液位何时低于阈值水平和/或当罐内的流体的温度40在罐内使用液位和/或温度传感器低于阈值温度。当对加热流体的需求较低或不存在时(例如，从输出管道26输出流体的需求)，控制单元60可以被配置为通过操作泵或阀28来将加热流体提供给罐40在罐40和WHRU之间的循环管道22中的流体，或者使用罐加热器加热罐40中的流体。当罐40充满被加热到期望温度(例如罐40的最高操作温度)的流体时，控制单元60可以打开阀16以将排气转向到分流管道18中。控制单元60可以被配置为将控制信号发送到泵或阀28、阀16、发电机10和/或电力存储器30。

蒸发器50相对于排气从发电机10流过排气管道的方向布置在排气管道12上的WHRU 20下游。由于WHRU 20从排气中提取热量，通过蒸发器50可以具有比当WHRU 20接收到排气时更低的温度。

通常，这种相对较低温度的排气不被认为是有用的，并且被简单地排空。然而，本发明人发现，这种低温排气可用于需要相对低的热能量的某些过程。特别是，这种低温排气可以用于蒸发压缩液态二氧化碳，这被许多啤酒厂和食品加工商使用。

相应地，在通过WHRU 20之后，排气管道12中的低温排气被提供给蒸发器50。液态CO₂可以通过蒸发管道52从CO₂源70(例如，压缩的CO₂储存容器)提供到蒸发器50。蒸发器50可以被配置为壳体和管气-液热交换器。这样，蒸发器50可以被配置为将液态CO₂转化为气体(例如，CO₂气体)，然后该气体可以被提供用于外部使用(例如，用于酿造或食品加工)。根据一些实施方案，蒸发器50可以省略。

图2是根据本公开的各种实施例的发电机10的部件的示意图。参照图2，发电机10可以包括点火室100、涡轮机110和电气发电机120。发电机10还可以包括鼓风机或压缩机130、压缩机140和燃烧器150。

燃料管道162可以将压缩机140和燃烧器150连接到燃料供应装置160。燃料供应装置160可以是诸如天然气管道的管道，或者可以是包含碳氢燃料的燃料存储罐。烃燃料可以是例如天然气、甲烷、丙烷或丁烷。但是，也可以使用其他燃料。压缩机140操作以压缩燃料，然后将压缩燃料供应到点火室100。特别地，处于相对较低压力(例如80-120psig)的燃料可以从燃料源160流到压缩机140。压缩机140然后可以进一步将燃料加压到相对高的压力(例如，300-340psig)，并且将高度加压的燃料供应到点火室100。同时，鼓风机或压缩机130可操作以将室温空气馈送到点火室100中。

点火室100可以包括诸如电火花发电机、火焰发电机或其他类似设备的点火器(未示出)。在点火室100中，加压燃料与空气混合并被点燃，从而产生具有高温和高压的气态排气。

废气通过涡轮机入口管道102以高速从点火室100供给到涡轮机110。高速废气流使涡轮机110的叶片旋转，在将涡轮110连接到电气发电机120的输出轴112中产生旋转。电气发电机120将该旋转转换成电力。根据一些实施方案，可以使用往复式发动机来代替涡轮机110。

来自涡轮机110的排气被输送到排气管道12。燃烧器150可布置成与排气管道12在涡轮机110下游和WHRU 20上游相对于排气的流动方向流体连通。燃烧器150可接收来自燃料源160的燃料并可包括类似于点火室100的点火器。可选的第二鼓风机或压缩机131可向燃烧器150提供空气，这允许燃烧器150作为独立热源并将热废气提供到排气管道12中，在那里它可以与来自涡轮机110的废气混合。燃烧器150可以点燃燃料以向废气流供应额外的热量。在一些实施方案中，燃烧器150可接收来自压缩机140的压缩燃料。然而，在其他实施例中，燃烧器150可被省略。

图3图示了根据本公开的各种实施例的CHP系统。图3的CHP系统与图1的CHP系统相似，因此仅详细描述它们之间的差异。

参照图3，CHP系统包括设置在循环管道22上或与循环管道22流体连通并通过蒸发管道52连接到二氧化碳源70的蒸发器54。蒸发器54可设置在WHRU 20的下游，相对于循环管道22中的流体的流动方向。蒸发器54可以被配置为具有板和框架或钎焊板液-液热交换配置的热交换器。蒸发器54可以具有包括水或乙二醇作为热交换介质的直接热交换结构或间接热交换结构。

图4图示了根据本公开的各种实施例的CHP系统。图4的CHP系统与图1的CHP系统相似，因此仅详细描述它们之间的差异。

参照图4，CHP系统CHP系统包括设置成与循环管道22和/或罐40热连通的一个或多个电加热器80、81(例如电阻加热器)，并且经由电力线14电连接到发电机10和/或电力存储器30。加热器80、81可构造成当施加到发电机10的负载小于发电机10的电功率输出时加热循环管道22中的流体。加热器80、81可操作以将由发电机10提供的多余电力转换成热量，该热量可用于加热循环管道22中的流体和/或储存在罐40中。在其他实施例中，加热器81可与罐40集成以直接加热罐40中的流体。在各种实施例中，CHP系统可包括加热器80、81或加热器80、81中的一个可被省略。

加热器80可以布置在蒸发器54上游的循环管道22上，或者可以包含在蒸发器54中。因此，加热器80可以用于预热循环管道22中的流体，使得二氧化碳蒸发可以在发电机10达到工作温度之前开始。另外，加热器80可以被配置为使用来自电力存储器30的电力来直接或间接加热蒸发器54，使得当发电机不运行时可能发生二氧化碳蒸发。在其他实施例中，加热器80可以被配置为直接或间接地加热图1的蒸发器50，使得蒸发器50可以在发电机10不运行时使用电力存储器30来运行。

图5A和5B分别图示了根据本公开的各种实施例的热交换器200、220。热交换器200、220可以例示上述的任何WHRU和/或蒸发器。

参照图5A，热交换器200可以包括第一腔室202、第二腔室204，第一腔室202和第二腔室204由隔板206隔开。第一流体可以通过输入管道208流入第一腔室202，并通过输出管道210流出第一腔室202。第二流体可以通过输入管道212流入第二室204，并且通过输出管道214流出第二室204。在一些实施方案中，第一流体和第二流体可以是不同的排气、二氧化碳和工作流体如水。

这样，热交换器200可以是具有逆流流体流动的逆流热交换器。然而，在其他实施例中，腔室202、204中的一个的输入和输出管道可以颠倒，使得热交换器200可以是具有并流流动的并流热交换器。在一些实施方案中，热交换器可以是具有交叉流动流体流动的错流热交换器。第一流体和第二流体之间的热量可以通过隔板206进行交换。

参照图5B，热交换器220包括由隔板223隔开的外室222和内室224。外室222可以围绕内室224。例如，内室224可以是柱状的，并且外部通道222可以是环形的。

第一流体可以通过输入管道225流入外室222，并且可以通过输出管道226离开第一室。第二流体可以通过输入管道228流入内室224，并且可以通过输出管道230离开第一室。在一些实施方案中，第一和第二流体可以是不同的排气、二氧化碳和诸如水的工作流体。

根据一些实施方案，CHP系统可能包括图1-5B所示元素的任何组合。例如，本公开包括可包括图2的蒸发器、图3的蒸发器和/或图4的加热器80、81的CHP系统。CHP系统还可以包括图5A和5B中所示的任何热交换器200、220。

根据各种实施方案，本公开提供了根据不同输出要求操作CHP系统的方法。该方法可以包括：当需要基本上所有的CHP系统的电和热输出时，以第一模式操作CHP系统；当需要低于发电机的最大电力输出时，以第二模式运行CHP系统，而基本上需要CHP系统的所有热输出；以及当电力需求超过发电机的电力输出并且热需求相对较低时以第三模式运行CHP系统。

在第一模式中，控制单元可以以全功率输出操作发电机，并且可以通过使循环管道中的流体循环来从排气中捕获热量。加热的流体可以直接提供给外部处理器。或者，加热流体可以储存在罐中和/或从罐提供给外部处理。发电机的功率输出可以提供给外部负载。

在第二模式中，控制单元可以在全功率输出下操作发电机。产生的电力可以被提供给外部负载，并且任何多余的电力可以被存储在电力存储器中。流体也可以被加热并储存在罐中，提供给外部处理或其组合。一旦电力存储器完全充满/充满，发电机的输出可以减少以匹配外部热量需求。或者，可关闭发电机，燃烧器可用于加热流体并满足热量需求。

在第三模式中，控制单元可以在全功率输出下操作发电机，并且超过发电机的容量的电气要求可以通过从电力存储器放电来补偿。流体也可以被加热并储存在罐中，提供给外部处理或其组合。如果罐内流体达到/接近罐的最高操作温度，则来自发电机的排气可以通过排气管道排出。在替代方案中，可以停止通过循环管道的流体流动。

根据一些实施方案，该方法可以包括在第四模式下操作CHP系统，当需要CHP系统的全部或者少于全部电输出时，并且只有涡轮机排气才能传递热量，因此无法满足散热要求。第四模式可以包括在操作燃烧器的同时操作发电机全功率输出。

产生的电力可以被提供给外部负载，并且任何多余的电力可以被存储在电力存储器中。由于发电机排气包括来自涡轮机排气和可选地来自燃烧器的热量，与燃烧器未运行时相比，WHRU可以回收额外的热量。因此，流体可以被加热到更高的温度，或流体的循环速率可以增加。因此，CHP系统的热输出可能会增加。

如上所述，通过分别捕获电力存储器和罐中的过量电和热能，上述方法允许发电机以全功率运行，即使在电和/或热需求相对较低时也是如此。因此，热电联产系统的效率可能意外增加。

已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的前述描述。并非旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式，并且根据上述教导可以进行修改和变化，或者可以从本发明的实践中获得修改和变化。说明的选择是为了解释本发明的原理及其实际应用。意图是本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。