一种高能效风光冷热储电集成系统及其运行方法

本发明涉及可再生能源综合利用，尤其涉及利用风光互补系统供电储电，基于太阳能有机工质循环的冷热储电综合供能系统及其运行方法。

背景技术：

1、随着人类社会的快速发展，人类对能源的消耗越来越大，传统化石能源不仅会污染环境，而且储量有限。同时，随着全球气候变暖加剧，很多城市夏季出现了罕见的高温天气，造成了空调的高负荷和电网限电、停电的现象。因此人类应加快利用可再生能源进行发电的研究。

2、太阳能是一种分布范围十分广泛的可再生能源，目前太阳能的利用形势主要分为光热和光伏。风能的分布范围也很广泛，其主要通过风力发电机组发电。有机工质循环作为一种用来回收低品位能的循环，常常运用于回收太阳能等可再生能源中，传统的太阳能有机工质循环效率通常为10%左右。然而，太阳能和风能的利用以及传统太阳能有机工质循环也存在很多弊病，如太阳能无法在阴雨天气和黑夜使用，风能也不稳定，传统太阳能有机工质循环效率低，产能单一，黑暗阴雨条件下无法工作。因此很有必要提出一种在黑夜或者阴雨天气下也能正常工作的，效率有所提高的多产能太阳能有机工质循环系统。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种高能效风光冷热储电集成系统及其运行方法，此系统通过储热/冷装置实现了对太阳能的高效利用，保证在黑暗阴雨条件下系统也能正常运行；通过对传统有机工质循环系统的改进实现了发电量和发电效率的提高以及能够实现发电、储电、储热/冷、释热/冷和供热水多种功能。

2、为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种高能效风光冷热储电集成系统，它包括风光互补系统供电回路、太阳能供热回路、有机工质循环发电回路、储热/冷回路、释热/冷回路、供生活热水回路、新型闪蒸器、新型气液喷射器、高温储热装置、低温储热装置、储冷装置、太阳能集热器储热及驱动模式的运行方法、太阳能集热器驱动模式的运行方法和储热装置驱动模式的运行方法；所述风光冷热储电集成系统由太阳能集热器提供热源驱动有机工质循环发电子回路和吸收式制冷子系统，同时进行储热和储冷，并在黑夜或阴雨天气下由储热装置释热驱动有机工质循环发电回路产电，同时储冷装置释冷供用户使用；且风光互补系统供电回路为系统连续运行提供稳定的驱动电源；所述风光冷热储电集成系统能够实现发电、储电、储热/冷、释热/冷和供热水多种功能。

3、所述风光互补系统供电回路包括风力发电机组、光伏发电机组、蓄电池以及相应电路；所述风力发电机组和光伏发电机组同时与蓄电池相连并将发出的电储存在蓄电池中，同时供给系统中的第一循环泵、第二循环泵、第三循环泵和第四循环泵以及吸收式制冷子系统中的再生循环泵使用；所述风力发电机组和光伏发电机组同时与电网相连，并在发电量充足时直接将所发出的电送入电网。

4、所述太阳能供热回路包括太阳能集热器、高温蒸发器、低温蒸发器、吸收式制冷子系统、第四循环泵、第二阀门、第四阀门、第九阀门、第十阀门以及相应管路电路；所述太阳能集热器的热水出口通过第二阀门与高温蒸发器相连，并在高温蒸发器换热一次过后的热水流出之后与低温蒸发器相连，并在低温蒸发器换热一次过后的热水流出之后与吸收式制冷子系统相连，吸收式制冷子系统通过第九阀门和第十阀门与用户用冷侧的储冷装置相连并直接供给用户使用；吸收式制冷子系统的热水出口通过第四阀门和第四循环泵与太阳能集热器相连并重新加热。

5、所述有机工质循环发电回路包括冷凝器、第二循环泵、回热器、低温蒸发器、高温蒸发器、第一循环泵、高压膨胀机、发电机、新型闪蒸器、低压膨胀机、发电机、新型气液喷射器、第一阀门、第三阀门以及相应的管路电路；所述冷凝器的液体有机工质出口通过第二循环泵与回热器相连，并在回热器吸热之后从上端左管路流出，回热器通过第三阀门与低温蒸发器相连，液体有机工质在低温蒸发器中充分吸热之后进入到高温蒸发器，液体有机工质在高温蒸发器中充分吸热之后通过第一阀门和第一循环泵进入到高压膨胀机，高压膨胀机与发电机相连并驱动发电；高压膨胀机的乏汽出口与新型闪蒸器相连并进行喷淋-再热-闪蒸，新型闪蒸器的闪蒸气体出口与低压膨胀机相连，低压膨胀机与发电机相连并驱动发电，低压膨胀机的蒸汽出口与新型气液喷射器相连；新型闪蒸器的闪蒸液体出口与新型气液喷射器相连，进入新型气液喷射器中的液体被从低压膨胀机中出来的蒸汽引射，新型气液喷射器的气液混合物出口与回热器相连，并在回热器中与液体有机工质换热之后进入到冷凝器。

6、所述储热/冷回路包括太阳能集热器、高温储热装置、低温储热装置、吸收式制冷子系统、储冷装置、第四循环泵、第五阀门、第八阀门、第九阀门、第十阀门、第十一阀门、第十二阀门以及相应的管路电路；所述太阳能集热器的热水出口通过第五阀门与高温储热装置相连，高温储热装置出口与低温储热装置相连，低温储热装置的出口通过第八阀门和第四循环泵与太阳能集热器相连；在太阳能充足时，吸收式制冷子系统产生的冷量通过第九阀门、第十阀门、第十一阀门和第十二阀门以及相应管道将冷量储存在储冷装置中。

7、所述释热/冷回路包括低温储热装置、高温储热装置、储冷装置、第六阀门、第七阀门、第十一阀门、第十二阀门以及相应的管路电路；从有机工质循环发电回路出来的有机工质经过第七阀门后从低温储热装置的右侧上管路进入到低温储热装置中加热，低温储热装置的有机工质出口与高温储热装置的有机工质入口相连，高温储热装置的有机工质出口通过第六阀门和第一循环泵与有机工质循环发电回路相连；储冷装置将其储存的冷量通过第十一阀门、第十二阀门和相应管道释放，并供给用户使用。

8、所述供生活热水回路包括外接自来水、冷凝器、第三循环泵以及相应的管路电路；所述自来水从冷凝器的冷水入口进入，并在冷凝器中充分吸热，冷凝器的热水出口通过第三循环泵与热水管网相连，并供应生活热水。

9、所述新型闪蒸器包括第一压力传感器、喷淋器、可控温电热丝和液位传感器；高压膨胀机的乏汽出口与喷淋器相连，喷淋器的正下方设置有可控温电热丝，所述第一压力传感器设置在罐体顶部，并用于监测低压膨胀机的入口压力，所述液位传感器设置在罐体内部；从高压膨胀机中出来的气液混合物在压差的作用下通过喷淋器形成分散的小液滴进入新型闪蒸器中闪蒸，闪蒸干度的大小通过液位传感器监测，液位过高代表闪蒸干度过小，液位过低代表闪蒸干度过大；可控温电热丝能够在闪蒸干度过小时提高闪蒸温度，使得更多工质形成过热蒸汽进入低压膨胀机中做功，从而提高系统的发电量；并在闪蒸干度过大时降低闪蒸温度，使得适量的液体工质进入新型气液喷射器中引射。

10、所述新型气液喷射器在气体入口处设置第二压力传感器，并在液体入口处增设一个转速可控的小型工质泵；所述第二压力传感器用来监测低压膨胀机的出口压力，在低压膨胀机出口压力过大时，提高小型工质泵转速，使液态工质进入内层缩放喷管入口，流速升高，此时入口马赫数仍小于1，并通过缩放喷管后，持续提速降压，从而降低液态工质所流过的内层缩放喷管出口的压力，对应于与低压膨胀机出口相连的外层缩放喷管入口段空间，进一步的低压膨胀机出口气流进入降压后的外层缩放喷管入口，在外层缩放喷管中深度提速降压流动，从而实现降低低压膨胀机出口压力的目的，进而增大低压膨胀机的进、出口压差，进而提高低压膨胀机的发电效率；所述新型气液喷射器能够与可控制闪蒸干度的新型闪蒸器联合控制使用，使得系统维持在稳定的运行状态。

11、所述高温储热装置内部核心填充材料为微米级内置导热网络改性微胶囊相变材料，且该微胶囊被交联植入碳纳米管/超微细碳纤维或氧化石墨烯一些经过表面基团预处理后的结构传热强化材料，且该内置导热网络改性微胶囊的芯材取相变温度为90℃-95℃的有机或无机材料，同时壳材采用ag2o、cuo、al2o3、sno2或caco3中一种或几种无机物杂化制得。

12、改性微胶囊采用基团改性后的乳液原位聚合法将该微胶囊内外穿插碳纳米管/超微细碳纤维，同时其表面通过交联反应形成氧化石墨烯导热强化网络，最后能够合成获得直径0.5~1um的特种超高导热性微胶囊相变材料；

13、所述微胶囊的结构的条状碳纳米管/超微细碳纤维从壳外穿入微胶囊壳内，并在其中呈现不规则的排列形式，所述高温储热装置内部采用直线式强化导热网络拓扑结构或者枝茎式强化导热网络拓扑结构；

14、所述强化导热网络拓扑结构采用导热性优良的金属材料制成；

15、所述高温储热装置的特征还在于：装置在装备应用时，将所制成的特种超高导热性微胶囊相变材料与少量导热性好的石墨粉，碳粉或金属粉充分混合，然后置于内部设置有金属骨架结构的高温储热装置之中。

16、所述低温储热装置内部核心填充材料采用相变温度80℃-85℃的微胶囊相变材料，该微胶囊相变材料的合成方式、整体结构以及低温储热装置的内部结构与高温储热装置内部微胶囊相变材料相同。

17、所述储冷装置内部核心填充材料采用相变温度10℃-15℃的微胶囊相变材料，该微胶囊相变材料的合成方式、整体结构以及储冷装置的内部结构与高温储热装置内部微胶囊相变材料相同。

18、一种高能效风光冷热储电集成系统的运行方法，运行方法包括：

19、太阳能集热器储热及驱动模式的运行方法：

20、在太阳能辐照量十分充足的条件下，关闭第六阀门和第七阀门，开启剩余所有阀门以及系统各部件，通过太阳能集热器提供充足的热量同时进行储热和驱动有机工质循环发电回路以及吸收式制冷子系统，吸收式制冷子系统同时进行储冷和为用户提供冷量；

21、太阳能集热器驱动模式的运行方法：

22、在太阳能辐照量一般的条件下，关闭第五阀门、第六阀门、第七阀门和第八阀门以及第十一阀门和第十二阀门，开启剩余所有阀门以及系统各部件，通过太阳能集热器提供热量直接驱动有机工质循环发电回路以及吸收式制冷子系统，并通过吸收式制冷子系统直接为用户提供冷量；

23、储热装置驱动模式的运行方法：

24、在太阳能辐照量不足以至于无法驱动有机工质循环发电回路和吸收式制冷子系统时，关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门和第五阀门以及第八阀门、第九阀门、第十阀门、第四循环泵和吸收式制冷子系统，开启剩余所有阀门以及系统其它各部件；通过储热装置提供热量驱动有机工质循环发电回路，通过储冷装置为用户提供冷量，此时吸收式制冷子系统处于关闭状态。

25、本发明有如下有益效果：

26、1、本发明中风光互补系统供电回路的引入，使得整个系统在无风或黑暗阴雨天气下也能够得到稳定的、不间断的电力供应，且不需要外界提供额外的能量。

27、2、本发明通过在有机工质循环发电回路上增加储热装置，以及在吸收式制冷子系统上增加储冷装置，使得系统在黑夜或阴雨天气条件下，有机工质循环发电回路也能够正常运行，供冷子系统也可正常为用户提供冷量。

28、3、本发明通过在有机工质循环的基础上引入新型闪蒸器，该新型闪蒸器通过增设压力传感器、喷淋器、可控温电热丝、液位传感器，能够使气液混合物通过喷淋-再热-闪蒸的方式形成更多的过热蒸汽。并且可通过调控电热丝的温度来控制闪蒸干度的大小，在实现大部分工质形成过热蒸汽并进入低压膨胀机发电的同时，也能够保证足够的液态工质进入气液喷射器中引射。将该新型闪蒸器应用于有机工质循环发电中，可使传统有机工质循环发电效率相对值提高约7.8%。

29、4、本发明通过在有机工质循环的基础上引入新型气液喷射器，该新型气液喷射器在气体入口处设置压力传感器，并在液体入口处增设一个转速可控的小型工质泵。该工质泵可使液态工质进入内层缩放喷管入口流速升高，入口马赫数仍小于1，并通过缩放喷管后，持续提速降压，使得低压膨胀机的出口压力有效降低，增大低压膨胀机进出口压差，进而提高低压膨胀机的发电量。该新型气液喷射器可与可控干度的新型闪蒸器联合控制使用，使得系统维持在稳定的运行状态。该新型气液喷射器可使系统的发电效率相对值再提高约5.7%。

30、5. 所提出的储热/冷装置中的微胶囊相变材料内外穿插碳纳米管/超微细碳纤维，表面交联密布氧化石墨烯，很大程度上增强了微胶囊材料的导热性。并且在传统储热/冷装置的内部增加了直线式/枝茎式强化导热网络拓扑结构，可增强储热/冷装置的导热性，从而大幅提高了储热/冷装置的储热/冷效率，而且能有效地避免相变材料分层。