CN108488048B - 一种利用地源热发电的*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用地源热发电的***，包括柯来浦单元、地源热提取设备、建筑物、加热机和冷气机。有机工质压缩机、有机工质膨胀机与发电机同轴连接。地源热提取设备通过介质管路连接到有机工质压缩机的入口，有机工质膨胀机出口通过介质管路分为两路，一路连接到地源热提取设备，一路通过冷气机连接到地源热提取设备。冷空气管路通过加热机连接到建筑物的供暖空调，热空气管路通过冷气机连接到建筑物的供冷空调。本发明通过地源热提取设备与柯来浦单元相结合，将低温地源热转化为电力，并将部分余热为建筑物中用户提供热水、热风和冷风，充分利用了地源热，提高了低温热源的利用率。

Description

一种利用地源热发电的***

技术领域

本发明属于新能源设备技术领域，涉及一种利用地源热发电的***。

背景技术

能源短缺、环境污染、全球气候变化，令开发清洁、高效、安全和可持续的能源迫在眉睫，其中氢能正在受到越来越多国家的重视。进入二十一世纪，发动机工业得到了迅速地发展，然而目前汽油机和柴油机依然是车用发动机的主要机种。汽油和柴油都是不可再生资源，为了减缓石油资源的匮乏所带来的一系列负面影响以及减少大气污染和发动机尾气排放，需要寻找发动机的代用燃料，而氢能源是目前最理想的清洁燃料。随着世界各国环境保护的措施越来越严格，氢能源车辆由于其节能、低排放等特点成为发动机研究与开发的一个重点，并已经开始商业化。

地源热提取设备是陆地浅层能源通过输入少量的高品位能源实现由低品位热能向高品位热能转移的装置。尚未发现利用地热源泵与余热利用***相结合进行发电和其它利用的专利文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用地源热发电的***，充分利用地源热源，将低温热能转化为电力或通过其它方式进行利用，提高低温热源的利用率。

本发明的技术方案是：利用地源热发电的***，包括柯来浦单元、热空气管路和冷空气管路，所述柯来浦单元设有有机工质压缩机、有机工质膨胀机、发电机、蓄电池和加热机。有机工质压缩机、有机工质膨胀机与发电机同轴连接，发电机输出电路一路连接到蓄电池，一路连接到外部电力***。***设有地源热提取设备、建筑物和冷气机，建筑物中设有供暖空调或供冷空调。地源热提取设备通过介质管路连接到有机工质压缩机的入口，有机工质膨胀机出口通过介质管路分为两路，一路连接到地源热提取设备，一路通过冷气机连接到地源热提取设备。冷空气管路通过加热机连接到建筑物的供暖空调，所述热空气管路通过冷气机连接到建筑物的供冷空调。地源热提取设备为地源热泵。

地源热或用太阳能热源或其他热源或环境热源或电厂余热或冷凝器冷凝热代替，建筑物或用交通工具或汽车或穿戴设备或衣服代替。有热源和温差能使柯来浦***循环发电，供热供冷，所采用的压力、温度等中间参数和具体设备配置根据在不同环境、不同热源条件下，不同装置具体情况合理调配。

***设有换热器和软水***，建筑物的高温用户替换为热水用户，冷空气管路替换为软水管路。地源热提取设备与换热器循环连接，软水***通过软水管路、加热机与热水用户循环连接。有机工质膨胀机出口通过介质管路分为两路，一路连接到冷气机，一路连接到换热器的壳程，换热器的壳程出口连接到有机工质压缩机的入口，冷气机出口连接到有机工质膨胀机出口。

柯来浦单元为Ⅰ型改进式柯来浦单元，Ⅰ型改进式柯来浦单元包括升压床结构、低压氢气缓冲罐、高压氢气缓冲罐、低压氢气循环泵、氢气泵、有机工质压缩机、有机工质膨胀机、发电机、蓄电池和加热机，有机工质膨胀机设有中段抽出口和中段入口。升压床结构包括1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床，1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床设有换热介质入口、换热介质出口、低压氢气入口和低压氢气出口，低压氢气入口、低压氢气出口、换热介质入口和换热介质出口分别设有阀门。有机工质压缩机的出口通过高压氢气缓冲罐分别连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口，加热机并联安装在有机工质压缩机至高压氢气缓冲罐的管路上。1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口通过三通阀和氢气泵连接到有机工质膨胀机的入口。有机工质膨胀机的中段出口通过低压氢气缓冲罐、低压氢气循环泵和四通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气入口，1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气出口连接到有机工质膨胀机的中段入口。

柯来浦单元为Ⅱ型改进式柯来浦单元，Ⅱ型改进式柯来浦单元包括两级升压床结构、低压氢气缓冲罐、高压氢气缓冲罐、级间换热器、低压氢气循环泵、氢气泵、有机工质压缩机、有机工质膨胀机、发电机、蓄电池和加热机，有机工质膨胀机设有中段抽出口和中段入口。两级升压床结构分分别包括1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床，1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床设有换热介质入口、换热介质出口、低压氢气入口和高压，低压氢气入口、高压、换热介质入口和换热介质出口分别设有阀门。有机工质压缩机的出口通过高压氢气缓冲罐和三通阀分别连接到一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口，加热机并联安装在有机工质压缩机至高压氢气缓冲罐的管路上。一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口通过级间换热器的管程和三通阀连接到一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口。二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口与级间换热器的壳程出口连接，二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口通过三通阀、氢气泵连接到级间换热器的壳程入口，三通阀的另一口分为两路，一路连接到有机工质膨胀机的中段入口，另一路通过低压氢气循环泵和四通阀连接到一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气入口。一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的高压连接到二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口。有机工质膨胀机的中段出口通过低压氢气缓冲罐和四通阀连接到二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气入口。二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的高压通过高压氢气缓冲罐连接到有机工质膨胀机的入口。

柯来浦单元为Ⅲ型改进式柯来浦单元，Ⅲ型改进式柯来浦单元包括两级升压床结构、低压氢气缓冲罐、一级膨胀机、二级膨胀机、1号有机工质换热器、2号有机工质换热器、3号有机工质换热器、级间换热器、低压氢气循环泵、氢气泵、有机工质压缩机、有机工质膨胀机、发电机、蓄电池和水换热。两级升压床结构分别包括1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床，1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床设有换热介质入口、换热介质出口、低压氢气入口和高压。一级膨胀机、二级膨胀机、有机工质压缩机、有机工质膨胀机和发电机同轴连接，有机工质膨胀机设有中段抽出口和中段入口。有机工质压缩机的出口依次通过3号有机工质换热器和1号有机工质换热器的壳程连接到有机工质膨胀机的入口，循环介质为二氧化碳，加热机并联安装在有机工质压缩机至3号有机工质换热器的管路上。有机工质膨胀机的中段抽出口通过2号有机工质换热器的壳程连接到有机工质膨胀机的中段间抽入口。一级膨胀机的出口连接到低压氢气缓冲罐，低压氢气缓冲罐通过一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床连接到一级膨胀机的入口。二级膨胀机的出口连接到低压氢气缓冲罐，低压氢气缓冲罐通过二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床连接到二级膨胀机的入口。一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口通过三通阀一路经3号有机工质换热器的管程、氢气泵和三通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口，另一路经级间换热器、低压氢气循环泵和三通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口。二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口连接到四通阀，四通阀的一路经氢气泵、1号有机工质换热器的管程和四通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口。一路经低压氢气循环泵和2号有机工质换热器的管程和四通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口。一路经氢气泵和级间换热器的管程和四通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口。

柯来浦单元设有氢气检测器，柯来浦单元的外部包有充氮密封保护罩。介质管路中的介质为氢气、二氧化碳或氮气。1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床内装有金属氢化物，氢反应床内的金属氢化物的种类、重量、体积相同或不相同；所述氢反应床或采用外热式加热方式，采用外热式时可以增加氢反应床数量；有机工质是性质稳定的单一气体或几种气体的混合物。

本发明利用地源热发电的***通过地源热提取设备与柯来浦单元相结合，有效地将低温地源热能转化为电力，并通过换热设备将部分余热用于为建筑物中用户提供热水和冷风，充分利用了地源热，提高了低温热能的利用率。

附图说明

图1为本发明用地源热发电的***的流程示意图；

图2为本发明另一种实施方案的流程示意图；

图3为本发明第三种实施方案的流程示意图；

其中1—建筑物、2—冷气机、3—地热源提取设备、4—加热机、5—蓄电池、6—软水管路、7—介质管路、8—热空气管路、9—冷空气管路、10—柯来浦单元、15—发电机、56—低压氢气缓冲罐、57—高压氢气缓冲罐、66—低压氢气循环泵、67—阀门、A—1号氢反应床、B—2号氢反应床、C—3号氢反应床、68—高温气体进口、69—低温气体出口、80—充氮密封保护罩、84—有机工质压缩机、85—有机工质膨胀机、87—换热介质入口、90—四通阀、95—氢气泵、96—一级膨胀机、97—二级膨胀机、98—3号介质换热器、100—换热器、101—氢气检测器、108—低压氢气入口、109—低压氢气出口、110—高压氢气出口、140—级间换热器、142—1号介质换热器、143—2号介质换热器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明利用地源热发电的***如图1所示，包括柯来浦单元10、冷空气管路9、热空气管路8、地源热提取设备3、建筑物1和冷气机2。柯来浦单元10为Ⅰ型改进式柯来浦单元，包括升压床结构、低压氢气缓冲罐56、高压氢气缓冲罐57、低压氢气循环泵66、氢气泵95、有机工质压缩机84、有机工质膨胀机85、发电机15、蓄电池5和加热机4。Ⅰ型改进式柯来浦单元设有氢气检测器101，Ⅰ型改进式柯来浦单元的外部包有充氮密封保护罩80。升压床结构包括1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C，1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床设有换热介质入口87、换热介质出口42、低压氢气入口108和低压氢气出口109，并且均设有阀门67。有机工质压缩机84、有机工质膨胀机85与发电机15同轴连接，发电机输出电路一路连接到蓄电池5，一路连接到外部电力***。有机工质压缩机84设有电力驱动设备，用于开机时暖机运行，电力驱动设备与蓄电池5电路连接。有机工质压缩机84的出口通过高压氢气缓冲罐57分别连接到1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C的换热介质入口87，加热机4并联安装在有机工质压缩机84至高压氢气缓冲罐57的管路上。1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气出口109通过阀门67和氢气泵95连接到有机工质膨胀机85的入口。有机工质膨胀机85的中段出口通过低压氢气缓冲罐56、低压氢气循环泵66和四通阀90连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气入口108，1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口42连接到有机工质膨胀机85的中段入口。有机工质膨胀机85出口通过介质管路7分为两路，一路直接连接到地源热提取设备3，一路通过冷气机2连接到地源热提取设备3的入口，在地源热提取设备3中经过换热后，再由地源热提取设备3的出口通过介质管路7连接到有机工质压缩机84的入口。冷空气经冷空气管路9进入加热机4中被加热后供给建筑物1取暖使用，热空气经热空气管路8进入冷气机2中被冷却后供给建筑物1制冷使用。介质管路7中介质为氢气，柯来浦单元有机工质压缩机84、有机工质膨胀机85与升压床结构包括1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C的循环介质为氢气。1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C内金属同为稀土类金属。

地源热温度为20℃，本***通过地源热提取设备3来利用地源热将有机工质膨胀机85出口出来的低温介质氢气加热至20℃；20℃的氢气经有机工质压缩机84压缩至约20MPa，同时温度进一步升高到约400℃；高温高压的介质氢气大部分直接进入Ⅰ型改进式柯来浦单元的一个氢反应床，少部分经加热机4加热冷空气后进入到该氢反应床，热空气供建筑物1取暖用；400℃，20MPa的介质氢气在氢反应床中直接加热金属氢化物使其放氢，氢反应床放出的高压氢气与换热后的高压介质氢气一同被送到有机工质膨胀机85做功，同轴带动发电机15发电，产生的电力大部分外供，少部分储存到蓄电池5。有机工质膨胀机85为多级膨胀机，中段设有氢气抽出口；膨胀至低温低压的氢气从膨胀机中段出口抽出，被送到Ⅰ型改进式柯来浦单元的另一个氢反应床，在该氢反应床中部分氢气被储氢金属材料吸收形成金属氢化物，同时储氢金属材料吸氢时放出的热量被用于再热未吸收的低压介质氢气；再热后的低压介质氢气则经氢反应床的换热介质出口42和有机工质膨胀机85的中段入口返回膨胀机继续做功；有机工质膨胀机85做功后的介质氢气压力约为1.1MPa，温度约为-65℃，其中大部分直接到地源热提取设备3提取地源热，少部分经过冷气机2将空气冷却后再进入地源热提取设备3，冷空气供建筑物1空调制冷用。

Ⅰ型改进式柯来浦单元升压床结构的氢反应床产生的20MPa、200℃的高温高压氢气，进入有机工质膨胀机85膨胀做功，高温高压氢气在有机工质膨胀机85膨胀做功过程中，中间抽出3MPa、—10℃的低温低压氢气，通过低压氢气缓冲罐56返回氢反应床用于吸氢，氢反应床吸氢后再加热放出20MPa、200℃的高温高压氢气，这部分氢气在有机工质膨胀机和氢反应床之间循环使用。20MPa、200℃的高温高压氢气在有机工质膨胀机85膨胀做功后，膨胀机出口1.1MPa、—65℃的低温低压氢气，进入地热源换热升温到1.1MPa、20℃，进入有机工质压缩机84，经有机工质压缩机压缩升温升压到20MPa、400℃的高温高压氢气，通过高压氢气缓冲罐57后，进入氢反应床加热金属氢化物放出20MPa、200℃的高温高压氢气，加热介质20MPa、400℃的氢气温度也下降为200℃，二股氢气合并后一块进进入有机工质膨胀机85膨胀做功。

整个***是利用地源热，通过有机工质压缩机、氢反应床和有机工质膨胀机的联合循环对外做功发电。高/低温介质氢气在氢反应床放/吸氢时，采用直接接触的换热方式进入到氢反应床中进行换热，换热速度快响应时间短；同时还有效地利用了吸氢反应放出的热量来再热介质氢气；并简化了工艺流程、降低了设备投资、大幅度的提高了换热效率、减少了装置体积和占地面积。

实施例2

本发明另一种实施方式如图2所示，包括柯来浦单元10、软水***、软水管路6、热空气管路8、地源热提取设备3和换热器100、建筑物1和冷气机2。柯来浦单元10为Ⅱ型改进式柯来浦单元，包括两级升压床结构、低压氢气缓冲罐56、高压氢气缓冲罐57、级间换热器140、低压氢气循环泵66、氢气泵95、有机工质压缩机84、有机工质膨胀机85、发电机15、蓄电池5和加热机4。有机工质压缩机84、有机工质膨胀机85与发电机15同轴连接，发电机输出电路一路连接到蓄电池5，一路连接到外部电力***。有机工质压缩机84设有电力驱动设备，用于开机时暖机运行，电力驱动设备与蓄电池5电路连接。Ⅱ型改进式柯来浦单元设有氢气检测器101，Ⅱ型改进式柯来浦单元的外部包有充氮密封保护罩80。两级升压床结构分别包括1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C，1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床设有换热介质入口87、换热介质出口42、低压氢气入口108和高压氢气出口110，分别设有阀门67。有机工质压缩机84的出口通过高压氢气缓冲罐57和三通阀61分别连接到一级升压床结构的1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C的换热介质入口87，加热机4并联安装在有机工质压缩机84至高压氢气缓冲罐57的管路上。一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口42通过级间换热器140的管程和三通阀61连接到一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口87。二级升压床结构的1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C的换热介质入口87与级间换热器140的壳程出口连接，二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口42通过三通阀61、氢气泵95连接到级间换热器140的壳程入口，三通阀61为分流阀，其另一流道出口后分为两路，一路连接到有机工质膨胀机85的中段入口，另一路通过低压氢气循环泵66和四通阀90连接到一级升压床结构的1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C的低压氢气入口108。一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的高压氢气出口110连接到二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口87。有机工质膨胀机85的中段出口通过低压氢气缓冲罐56和四通阀90连接到二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气入口108。二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的高压氢气出口110通过高压氢气缓冲罐57连接到有机工质膨胀机85的入口。有机工质膨胀机85出口通过介质管路7分为两路，一路直接连接到换热器100，一路通过冷气机2连接到换热器100，在换热器100中经过换热后，再通过介质管路7连接到有机工质压缩机84的入口，换热器的加热热源来自于地源热提取设备3产生的热水。软水经软水管路6进入加热机4中被加热后供给建筑物1取暖使用，热空气经热空气管路8进入冷气机2中被冷却后供给建筑物1制冷使用。介质管路7中介质为氢气，柯来浦单元有机工质压缩机84、有机工质膨胀机85与两级升压床结构包括1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C的循环介质为氢气。

地源热温度为20℃，本***通过地源热提取设备3来利用地源热将有机工质膨胀机85出口出来的低温介质氢气加热至20℃；20℃的介质氢气经有机工质压缩机84压缩至约20MPa，同时温度进一步升高到约400℃；高温高压的介质氢气大部分直接进入Ⅱ型改进式柯来浦单元，少部分经加热机4加热自来水后进入到Ⅱ型改进式柯来浦单元，热水供建筑物1取暖用；高温高压的介质氢气先进入第一级反应床结构的一个氢反应床直接加热其中的金属氢化物使其放氢，然后与第一级反应床结构放出的氢气一起进入第二级反应床结构的一个氢反应床直接加热其中的金属氢化物使其放氢，氢反应床放出的高压氢气与换热后的高压介质氢气一同被送到有机工质膨胀机85做功，同轴带动发电机15发电，产生的电力大部分外供，少部分储存到蓄电池5。有机工质膨胀机85为多级膨胀机，中段设有气体抽出口；膨胀至低温低压的氢气从膨胀机中段出口抽出，被送到Ⅱ型改进式柯来浦单元第二级升压床结构的另一个氢反应床，在该氢反应床中部分氢气被储氢金属材料吸收形成金属氢化物，同时储氢金属材料吸氢时放出的热量被用于再热未吸收的低压氢气；未吸收的氢气和一段再热后的二氧化碳再进入第一级升压床结构的另一个氢反应床，部分氢气被储氢金属材料吸收形成金属氢化物，同时第一级升压床结构吸氢时放出的热量部分用于进一步再热未吸收的介质氢气，部分通过级间换热器传递给第二级升压床结构供其放氢时使用；两段再热后的介质氢气则经有机工质膨胀机85的中段入口返回膨胀机继续做功；有机工质膨胀机85做功后的介质氢气压力约为1.1MPa，温度约为-65℃，其中大部分直接进入换热器100被加热，少部分经过冷气机2将空气冷却后再进入换热器100中被加热，冷空气供建筑物1空调制冷用。

二级升压床结构的氢反应床产生20MPa、200℃的高温高压氢气，经低压氢气出口109、高压氢气缓冲罐57,进入有机工质膨胀机85膨胀做功，高温高压氢气在有机工质膨胀机85膨胀做功过程中，中间抽出3MPa、—10℃的低温低压氢气，通过低压氢气缓冲罐56返回二级升压床结构的氢反应床用于吸氢，二级升压床结构的氢反应床吸氢后，一部分进入一级升压床结构氢反应床吸氢，一部分携带吸氢放热回到膨胀机下部入口。一级升压床结构的氢反应床吸氢放出的200℃的高温热量，通过低压氢气循环泵66、级间换热器104，间接换热给二级升压床结构的氢反应床，充分利用一级升压床结构氢反应床吸氢时放出的余热给二级升压床结构氢反应床加热放氢。20MPa、200℃的高温高压氢气在有机工质膨胀机85膨胀做功后，膨胀机出口1.1MPa、—65℃的低温低压氢气，进入换热器100升温到1.1MPa、20℃，进入有机工质压缩机84，经有机工质压缩机压缩升温升压到20MPa、400℃的高温高压氢气，通过高压氢气缓冲罐57后，进入一级升压床结构氢反应床加热放氢，放出20MPa、300℃的高温高压氢气进入二级升压床结构氢反应床加热放氢,放出20MPa、200℃的高温高压氢气,加热介质氢气温度也下降为200℃，二股氢气合并后一块进入有机工质膨胀机85膨胀做功。

Ⅱ型改进式柯来浦单元能实现稳定放氢，工作过程设置分为放氢、冷却及吸氢、升温放氢准备三个阶段。三个氢反应床交替放氢、冷却及吸氢和升温放氢的工作过程，保证连续不断的供应高压氢气。整个***是利用地源热，通过有机工质压缩机、两组升压床结构和有机工质膨胀机的联合循环对外做功发电。同时通过两级升压床结构实现了热量的梯级利用和第一级升压床结构吸氢时放出热量的重复利用，提高了整个柯来浦单元的氢气热压缩效率。高/低温介质氢气在氢反应床放/吸氢时，采用直接接触的换热方式进入到氢反应床中进行换热，换热速度快响应时间短；同时还有效地利用了吸氢反应放出的热量来再热介质氢气；并简化了工艺流程、降低了设备投资、大幅度的提高了换热效率、减少了装置体积和占地面积。

实施例3

本发明另一种实施方式如图3所示，包括柯来浦单元10、冷空气管路9、热空气管路8、地源热提取设备3、建筑物1和冷气机2。柯来浦单元10为Ⅲ型改进式柯来浦单元，包括两级升压床结构、低压氢气缓冲罐56、一级膨胀机96、二级膨胀机97、1号有机工质换热器142、2号有机工质换热器143、3号有机工质换热器98、级间换热器140、低压氢气循环泵66、氢气泵95、有机工质压缩机84、有机工质膨胀机85、发电机15、蓄电池5和加热机4。两级升压床结构分别包括1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C，1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床设有换热介质入口87、换热介质出口42、低压氢气入口108和低压氢气出口109。一级膨胀机96、二级膨胀机97、有机工质压缩机84、有机工质膨胀机85和发电机15同轴连接，有机工质膨胀机85设有中段抽出口和中段入口。发电机输出电路一路连接到蓄电池5，一路连接到外部电力***。有机工质压缩机84设有电力驱动设备，用于开机时暖机运行，电力驱动设备与蓄电池5电路连接。Ⅲ型改进式柯来浦单元设有氢气检测器101，Ⅲ型改进式柯来浦单元的外部包有充氮密封保护罩80。有机工质压缩机84的出口依次通过3号有机工质换热器98和1号有机工质换热器142的壳程连接到有机工质膨胀机85的入口，循环介质为二氧化碳，加热机4并联安装在有机工质压缩机84至3号有机工质换热器98的管路上。有机工质膨胀机85的中段抽出口通过2号有机工质换热器143的壳程连接到有机工质膨胀机85的中段间抽入口。一级膨胀机96的出口连接到低压氢气缓冲罐56，低压氢气缓冲罐通过一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床连接到一级膨胀机96的入口；二级膨胀机97的出口连接到低压氢气缓冲罐56，低压氢气缓冲罐通过二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床连接到二级膨胀机97的入口。一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口42通过三通阀61一路经3号有机工质换热器98的管程、氢气泵95和三通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口87，另一路经级间换热器140、低压氢气循环泵66和三通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床B和3号氢反应床C的换热介质入口87。二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口42连接到四通阀90。四通阀的一路经氢气泵95、1号有机工质换热器142的管程和四通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口87；一路经低压氢气循环泵66和2号有机工质换热器143的管程和四通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口87；一路经氢气泵95和级间换热器140的管程和四通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口87。有机工质膨胀机85出口通过介质管路7分为两路，一路直接连接到地源热提取设备3的入口，一路通过冷气机2连接到地源热提取设备3的入口，在地源热提取设备3中经过换热后，再由地源热提取设备3的出口通过介质管路7连接到有机工质压缩机84的入口。冷空气经冷空气管路9进入加热机4中被加热后供给建筑物1取暖使用，热空气经空气管路8进入冷气机2中被冷却后供给建筑物1制冷使用。介质管路7、柯来浦单元有机工质压缩机84、有机工质膨胀机85的介质为二氧化碳，两级升压床结构包括1号氢反应床A、2号氢反应床B和3号氢反应床C的循环介质为氢气。

地源热温度为20℃，本***通过地源热提取设备3来利用地源热将有机工质膨胀机85出口出来的低温介质二氧化碳加热至20℃；20℃的介质二氧化碳经有机工质压缩机84压缩至约20MPa，同时温度进一步升高到约400℃；少部分的高温高压介质二氧化碳先送到加热机4加热冷空气，热空气供建筑物1取暖用；然后与其他高温高压的介质二氧化碳一起，依次通过3号有机工质换热器98、1号有机工质换热器142分别与第一级升压床结构的一个氢反应床放氢时来的循环氢气和第二级升压床结构的一个氢反应床放氢时来的循环氢气进行换热后，送到有机工质膨胀机85做功，同轴带动发电机15发电，产生的电力大部分外供，少部分储存到蓄电池5。有机工质膨胀机85为多级膨胀机，中段设有气体抽出口；膨胀至低温低压的二氧化碳从膨胀机中段出口抽出，被送到2号有机工质换热器，与第二级升压床结构的一个氢反应床吸氢时来的循环氢气进行间壁换热，冷却循环氢气的同时再热自身，再热后的低压二氧化碳经有机工质膨胀机85的中段入口返回膨胀机继续做功；有机工质膨胀机85做功后的介质氢气压力约为1.1MPa，温度约为-65℃，其中大部分直接到地源热提取设备3提取地源热，少部分经过冷气机2将空气冷却后再进入地源热提取设备3，冷空气供建筑物1空调制冷用。

第一级升压床结构的一个氢反应床放氢时所需热量来自于3号有机工质换热器98；该反应床的换热介质出口42和换热介质入口87分别通过三通阀的切换，均与3号有机工质换热器98的管程连通，从而形成换热循环回路；循环氢气与从有机工质压缩机来的高温二氧化碳换热，将热量带给反应床放氢时使用，放出的高压氢气从低压氢气出口进入一级膨胀机96做功，一级膨胀机96与有机工质膨胀机85同轴连接，膨胀做功后的氢气进入低压氢气缓冲罐56。低压氢气缓冲罐56中的氢气通过氢反应床低压氢气进口87处的阀门开关控制，进入另一个处于吸氢阶段的氢反应床；该反应床吸氢时所需冷量来自于级间换热器140；通过三通阀的切换，该反应床的换热介质出口42和换热介质入口87均与级间换热器140连通，从而形成换热循环回路；该反应床吸氢时放出的热量由循环氢气通过级间换热器140带给第二级升压床结构的氢反应床放氢时使用，实现热量的重复利用，同时自身被冷却。

第二级升压床结构的一个氢反应床放氢时所需热量来自于1号有机工质换热器142和级间换热器140；通过三通阀的切换，该反应床的换热介质出口42和换热介质入口87分别与1号有机工质换热器142和级间换热器140的壳程连通，从而形成换热循环回路；循环氢气分别与从3号有机工质换热器98的高温二氧化碳和从第一级升压床结构处于吸氢阶段的氢反应床来的循环氢气间壁换热，将热量带给反应床放氢时使用，放出的高压氢气从低压氢气出口进入二级膨胀机97做功，二级膨胀机97与有机工质膨胀机85和一级膨胀机96同轴连接，膨胀做功后的氢气进入低压氢气缓冲罐56。低压氢气缓冲罐56中的氢气通过氢反应床低压氢气进口87处的阀门开关控制，进入第二级升压床结构中另一个处于吸氢阶段的氢反应床；该反应床吸氢时所需冷量来自于2号有机工质换热器143；通过三通阀的切换，该反应床的换热介质出口42和换热介质入口87均与2号有机工质换热器143连通，从而形成换热循环回路；循环氢气与从有机工质膨胀机中段出口来的低温二氧化碳间壁换热，再热低温二氧化碳的同时自身被冷却。

二氧化碳经地热源加热到20℃、0.1MPa，进入有机工质压缩机84压缩到420℃、3MPa，有机工质压缩机84出口的420℃、3MPa二氧化碳进入3号换热器98，出3号换热器98的320℃、3MPa二氧化碳进入1号换热器142，换热后200℃、3MPa的二氧化碳进入有机工质膨胀机85膨胀做功，膨胀做功后 —55℃、0.1MPa的二氧化碳经地热源加热到20℃、0.1MPa循环使用。有机工质膨胀机85中段抽出口 —30℃、0.35MPa的二氧化碳进入地源热，升温到20℃、0.35MPa后返回有机工质膨胀机85的中段入口。

一级氢反应床结构通过氢气泵95用氢气将3号换热器98的高温350℃以上热量带入氢反应床，直接加热金属氢化物产生35MPa、350℃的高温高压氢气，进入一级膨胀机96膨胀做功，一级膨胀机96 出口的2MPa、200℃氢气，经氢气缓冲罐56返回一级氢反应床结构吸氢，一级氢反应床结构吸氢过程中放出的热量，通过低压氢气泵66用氢气将热量传递给级间换热器140，一级氢反应床中氢气封闭循环使用。

二级氢反应床结构通过氢气泵95用氢气将1号换热器142的高温200℃以上热量带入氢反应床，同时通过氢气泵95用氢气将级间换热器140的高温200℃热量带入氢反应床，直接加热金属氢化物产生35MPa、200℃的高温高压氢气，进入二级膨胀机97膨胀做功，二级膨胀机97 出口的2MPa、60℃氢气，经氢气缓冲罐56返回二级氢反应床结构吸氢，二级氢反应床结构吸氢过程中放出的热量，通过低压氢气泵66用氢气将热量传递给2号换热器143，二级氢反应床结构中氢气封闭循环使用。

整个***是利用地源热，通过压缩机、多级氢反应床结构和膨胀机的联合循环对外做功发电。利用多级氢反应床结构吸热放氢做功比利用了单级氢反应床结构吸热放氢做功利用率提高了。利用二氧化碳作为换热和做功介质安全稳定、价格便宜。

本发明所有升压床和柯来浦单元的氢反应床除采用氢气直接进入加热放氢外，还可以采用外部换热或抽出金属储氢材料换热模式。氢反应床金属氢化物吸氢放氢的供氢方式，适用于与管道氢气、氢气压缩罐或液化氢气罐等形式的罐装氢气供氢方式结合使用，以弥补传统供氢方式的不足：压力不高的管道氢气通过升压床提高压力，罐装氢气随着使用压力逐渐降低，则通过金属氢化物与水反应放出稳定压力的氢气弥补压力下降的不足。

Claims (7)

1.一种利用地源热发电的***，包括柯来浦单元（10）、热空气管路（8）和冷空气管路（9），所述柯来浦单元设有升压床结构、有机工质压缩机（84）、有机工质膨胀机（85）、发电机（15）、蓄电池（5）和加热机（4），所述有机工质压缩机（84）、有机工质膨胀机（85）与发电机（15）同轴连接，发电机输出电路一路连接到蓄电池（5），一路连接到外部电力***；其特征是：所述***设有地源热提取设备（3）、建筑物（1）、冷气机（2），所述建筑物中设有供暖空调和供冷空调；所述地源热提取设备（3）通过介质管路（7）连接到有机工质压缩机（84）的入口，所述有机工质膨胀机（85）出口通过介质管路（7）分为两路，一路连接到地源热提取设备（3），一路通过冷气机（2）连接到地源热提取设备（3）；所述冷空气管路（9）通过加热机（4）连接到建筑物的供暖空调，所述热空气管路（8）通过冷气机（2）连接到建筑物（1）的供冷空调；

所述有机工质压缩机（84）用于将低温的氢气转换为高温高压的氢气；

所述加热机（4）用于利用所述有机工质压缩机（84）输出的高温高压的氢气对冷空气进行加热，从而得到热空气，热空气用于建筑物（1）取暖；

所述有机工质膨胀机（85）用于利用高温高压的氢气进行膨胀做功；

所述地源热提取设备（3）用于提取地源热温度为20℃的地源热；

所述柯来浦单元（10）为Ⅰ型改进式柯来浦单元，所述Ⅰ型改进式柯来浦单元包括升压床结构、低压氢气缓冲罐（56）、高压氢气缓冲罐（57）、低压氢气循环泵（66）、氢气泵（95）、有机工质压缩机（84）、有机工质膨胀机（85）、发电机（15）、蓄电池（5）和加热机（4），有机工质膨胀机（85）设有中段抽出口和中段入口；所述升压床结构包括1号氢反应床（A）、2号氢反应床（B）和3号氢反应床（C），1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床设有换热介质入口（87）、换热介质出口（42）、低压氢气入口（108）和低压氢气出口（109），低压氢气入口（108）、低压氢气出口（109）、换热介质入口（87）和换热介质出口（42）分别设有阀门（67）；所述有机工质压缩机（84）的出口通过高压氢气缓冲罐（57）分别连接到1号氢反应床（A）、2号氢反应床（B）和3号氢反应床（C）的换热介质入口（87），所述加热机（4）并联安装在有机工质压缩机（84）至高压氢气缓冲罐（57）的管路上；所述1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口（42）通过阀门（67）和氢气泵（95）连接到有机工质膨胀机（85）的入口；有机工质膨胀机（85）的中段出口通过低压氢气缓冲罐（56）、低压氢气循环泵（66）和四通阀（90）连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气入口（108），1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气出口（109）连接到有机工质膨胀机（85）的中段入口；

所述1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床内装有金属氢化物，金属氢化物放出或吸收氢气。

2.根据权利要求1所述的利用地源热发电的***，其特征是：地源热用太阳能热源或电厂余热或冷凝器冷凝热代替，建筑物用交通工具代替。

3.根据权利要求1所述的利用地源热发电的***，其特征是：所述***设有换热器（100）和软水***，所述建筑物的供暖空调***替换为热水用户，所述冷空气管路替换为软水管路（6）；所述地源热提取设备（3）与换热器（100）、泵循环连接，所述软水***通过软水管路（6）、加热机（4）与热水用户循环连接；所述有机工质膨胀机（85）出口通过介质管路（7）分为两路，一路连接到冷气机（2），一路连接到换热器（100）的壳程，所述换热器的壳程出口连接到有机工质压缩机（84）的入口，所述冷气机（2）出口连接到有机工质膨胀机（85）的出口。

4.根据权利要求1所述的利用地源热发电的***，其特征是：采用Ⅱ型改进式柯来浦单元代替所述Ⅰ型改进式柯来浦单元，所述Ⅱ型改进式柯来浦单元包括两级或两级以上升压床结构、低压氢气缓冲罐（56）、高压氢气缓冲罐（57）、级间换热器（140）、低压氢气循环泵（66）、氢气泵（95）、有机工质压缩机（84）、有机工质膨胀机（85）、发电机（15）、蓄电池（5）和加热机（4），有机工质膨胀机（85）设有中段抽出口和中段入口；所述两级或两级以上升压床结构分别包括1号氢反应床（A）、2号氢反应床（B）和3号氢反应床（C），1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床设有换热介质入口（87）、换热介质出口（42）、低压氢气入口（108）和高压氢气出口（110），低压氢气入口（108）、高压氢气出口（110）、换热介质入口（87）和换热介质出口（42）分别设有阀门（67）；所述有机工质压缩机（84）的出口通过高压氢气缓冲罐（57）和三通阀（61）分别连接到一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口（87），所述加热机（4）并联安装在有机工质压缩机（84）至高压氢气缓冲罐（57）的管路上；所述一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口（42）通过级间换热器（140）的管程和三通阀（61）连接到一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口（87）；二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口（87）与级间换热器（140）的壳程出口连接，二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口（42）通过三通阀（61）、氢气泵（95）连接到级间换热器（140）的壳程入口，三通阀（61）的另一出口分为两路，一路连接到有机工质膨胀机（85）的中段入口，另一路通过低压氢气循环泵（66）和四通阀（90）连接到一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气入口（108）；一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的高压氢气出口（110）连接到二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口（87）；有机工质膨胀机（85）的中段出口通过低压氢气缓冲罐（56）和四通阀（90）连接到二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的低压氢气入口（108）；二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的高压氢气出口（110）通过高压氢气缓冲罐（57）连接到有机工质膨胀机（85）的入口；

所述1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床内装有金属氢化物，金属氢化物放出或吸收氢气。

5.根据权利要求1所述的利用地源热发电的***，其特征是：采用Ⅲ型改进式柯来浦单元代替所述Ⅰ型改进式柯来浦单元，所述Ⅲ型改进式柯来浦单元包括两级或两级以上升压床结构、低压氢气缓冲罐（56）、一级膨胀机（96）、二级膨胀机（97）、1号有机工质换热器（142）、2号有机工质换热器（143）、3号有机工质换热器（98）、级间换热器（140）、低压氢气循环泵（66）、氢气泵（95）、有机工质压缩机（84）、有机工质膨胀机（85）、发电机（15）、蓄电池（5）和加热机（4）；所述两级或两级以上升压床结构分别包括1号氢反应床（A）、2号氢反应床（B）和3号氢反应床（C），1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床设有换热介质入口（87）、换热介质出口（42）、低压氢气入口（108）和高压氢气出口（110）；一级膨胀机（96）、二级膨胀机（97）、有机工质压缩机（84）、有机工质膨胀机（85）和发电机（15）同轴连接，有机工质膨胀机（85）设有中段抽出口和中段入口；所述有机工质压缩机（84）的出口依次通过3号有机工质换热器（98）和1号有机工质换热器（142）的壳程连接到有机工质膨胀机（85）的入口，所述加热机（4）并联安装在有机工质压缩机（84）至3号有机工质换热器（98）的管路上；有机工质膨胀机（85）的中段抽出口通过2号有机工质换热器（143）的壳程连接到有机工质膨胀机（85）的中段抽入口；一级膨胀机（96）的出口连接到低压氢气缓冲罐（56），低压氢气缓冲罐通过一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床连接到一级膨胀机（96）的入口；二级膨胀机（97）的出口连接到低压氢气缓冲罐（56），低压氢气缓冲罐通过二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床连接到二级膨胀机（97）的入口；一级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口（42）通过三通阀（61）一路经3号有机工质换热器（98）的管程、氢气泵（95）和三通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口（87），另一路经级间换热器（140）、低压氢气循环泵（66）和三通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口（87）；二级升压床结构的1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质出口（42）连接到四通阀（90），四通阀的一路经氢气泵（95）、1号有机工质换热器（142）的管程和四通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口（87）；一路经低压氢气循环泵（66）和2号有机工质换热器（143）的管程和四通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口（87）；一路经氢气泵（95）和级间换热器（140）的管程和四通阀连接到1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床的换热介质入口（87）；

所述1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床内装有金属氢化物，金属氢化物放出或吸收氢气。

6.根据权利要求1所述的利用地源热发电的***，其特征是：所述柯来浦单元（10）设有氢气检测器（101），柯来浦单元的外部包有充氮密封保护罩（80）。

7.根据权利要求1所述的利用地源热发电的***，其特征：所述1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床内的金属氢化物的种类、重量、体积相同或不相同；所述1号氢反应床、2号氢反应床和3号氢反应床采用直接加热或外热式加热方式；有机工质是性质稳定的单一气体或几种气体的混合物。

Images