CN113340008B - 一种基于太阳能和生物质能的多联供*** - Google Patents

一种基于太阳能和生物质能的多联供*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于太阳能和生物质能的多联供***，包括依次连接的太阳能集热装置、气化装置、汽轮机子***；所述太阳能集热装置用于将空气加热；所述气化装置用于将生物质气化形成合成气；所述汽轮机子***用于将合成气进行燃烧后发电。所述***还包括电解制氢子***、氨反应子***、朗肯循环子***、有机朗肯循环子***、冷却装置、干燥装置、供热装置，由此提供了一种发电、产氢、产氨、冷热源、干燥及热水等多种用能方式的多联供***，提高了***能源利用效率，减少二氧化碳排放。

Description

一种基于太阳能和生物质能的多联供***
技术领域
本发明属于可再生能源利用技术领域，具体涉及一种基于太阳能和生物质能的多联供***，尤其涉及一种基于太阳能和生物质能的包含制氢和制氨在内的多联供***。
背景技术
新能源具有随机性、波动性。因此，要构建以新能源为主体的新型电力***，储能被认为是解决新能源发电不稳定的最主要工具。由于氢、氨等气体具有便携性、可大规模长期贮存的优势，是目前最有前景的储能媒介之一。
随着科技的发展，为满足日益增长的能源需求而设计的能源生产***的研究也越来越多。在进行研究时，这些***的设计特别要考虑发电***的效率和环境影响。可再生能源的利用有助于发电***的效率提升和环境影响降到最低。日益加剧的全球变暖要求各国在环境政策中更加明确地规定能源生产***的环保设计。这也是设计人员在设计能源发电***时考虑的一个性能标准，用较少的投入和更多有用的产品使能源***更有效地发挥作用。以光伏制氢和生物质制氨等可再生能源利用技术在降低环境影响方面具有很大的优势。然而，目前在光伏制氢技术方面的能量梯级利用效能还有提升的空间，生物质制氨技术还刚刚开始。在基于可再生能源的燃料中，氨的成本最低。氨的存储和分配比氢更便宜，同时没有二氧化碳排放。然而，基于太阳能和生物质能的制氢和制氨多联供***中的高效的能量梯级利用技术还没有报道。
为了提高可再生能源的利用效率，科研工作者提出了一些相应的方法和***，但还是存在一定缺陷的。
申请号为201910909419.1的专利文献提出了一种基于光伏制氢储能的光伏和燃料电池一体化发电***，包括光伏阵列、光伏-燃料电池一体化逆变器、质子交换膜水电解槽、储氢设备、氢燃料电池、负载、电网、电流传感器、EMS管理***，其特征在于：所述光伏-燃料电池一体化逆变器与光伏阵列、质子交换膜水电解槽、氢燃料电池均相连，质子交换膜水电解槽与氢燃料电池之间连接有储氢设备，光伏-燃料电池一体化逆变器包括MPPT控制电路、逆变电路、直流变换电路，MPPT控制电路输入端连接光伏阵列。本发明以光伏制氢储能方式作为储能环节，控制方法是当光伏发电满足负载用电并产生富余时，通过电解水制氢将多余的能量储存起来；在光伏发电不能满足负载用电时，将储存的氢通过燃料电池转换为电能，甚至和电网一起联合向负载供电，从而保证了***供电的连续性，进一步提高太阳能的利用率。这个专利是一般的光伏制氢，然后燃料电池发电的思路，只考虑了光-电-氢-电之间的能量转化，没有把这转化过程产生的热量充分利用起来。
申请号为201310208147.5的专利文献提出了一种家用光伏制氢及燃料电池热电联供一体机，结构为智能控制器分别与太阳能组件阵列、***安全反馈传感器、可视化操作面板、电解槽、燃料电池相连，电解槽分别与氢气储存装置、氧气/空气储存装置相连，氢气储存装置、氧气/空气储存装置分别与燃料电池相连，燃料电池分别与换热器、电能输出控制装置、纯净水储存装置相连，换热器向外供热水，电能输出控制装置向用电终端供电。本发明由太阳能电池组件阵列将太阳能转化为电能，并通过智能控制器转化为恒压直流输出，为电解槽提供直流电源，通过对纯净水电解产生氢气和氧气，并分别用储存装置储存起来，最终输送给燃料电池堆，通过化学反应将能量转换为热能与电能供用户端使用。这个专利考虑了燃料电池发电过程电能和热能的利用，但氢气储存装置中氢气的释放需要耗电的，但其又是由燃料电池来供电的，因此可能会产生鸡生蛋还是蛋生鸡的矛盾。
申请号为201810243941.6的专利文献提供了一种持续制造氨气的生物质能发酵装置，包括进料装置和发酵装置，进料装置下端设置有进料管，进料管一端设置第一转动电机，第一转动电机连接第一转动杆，且上有螺旋齿，所述发酵装置内侧方设置有搅拌装置，搅拌装置一侧，发酵装置内壁上设置有环形加热棒，且搅拌装置上方设置有密度报警装置，其上方设置有出料口，且发酵装置下端设置有出料口堵料口上设置有堵块，堵块转动连接发酵装置上端的第四转动电机。本发明通过密度报警装置来对发酵装置内的气压进行检测，当进行搅拌后气压仍然过高，则先生物质能的排放，在进行材料的添加，从而实现自动化加料，实现持续制造氨气。该专利同样没有把这转化过程产生的热量充分利用起来。
申请号为201811213956.4的专利文献提供了一种新型太阳能辅助生物质能的发电***，包括依次串联的生物质锅炉、汽轮机、凝汽器、低压加热器组、除氧器、高压加热器组、空气预热器，干燥机与生物质锅炉的排烟尾部相连通，塔式太阳能集热场与空气预热器并联，汽轮机与发电机相连并为发电机提供驱动。本发明通过利用太阳能和生物质两种可再生能源进行发电，利用生物质锅炉尾部烟气对生物质燃料进行加热，采用塔式太阳能集热场与空气预热器并联，从烟冷气流出的烟气则用来对生物质燃料进行干燥，根据太阳能的光照强度调整性地对空气预热器进行加热，避免了焚烧秸秆带来的环境污染，充分利用了生物质能，提高了能源利用的效率。虽然该专利考虑了能源的梯级利用，但该专利没有利用朗肯循环等能源利用方式，没有实现能源梯级利用的最大化，也没有考虑制氢、制氨等清洁气体能源的生产。
申请号为201010199847.9的专利文献提供了一种太阳能生物质能发电制冷供热装置，包括：太阳能吸收装置、发电装置和生物质高温加热炉(7)，所述太阳能吸收装置的高能蓄热器(2)的排气管和生物质高温加热炉(7)内设的第一盘形或螺旋形加热管(7.1)的进口相连通，第一盘形或螺旋形加热管(7.1)的出口和发电装置的中温膨胀-压气发动机(4)的膨胀机的进气管相连通。其优点是：该***使热能得到高效地利用，减少二氧化碳的排放；同时省出了制冷设备的投资和电能消耗；在阳光不充足时并联生物质高温加热炉，能有效补充热量，使得机组能连续工作；本太阳能生物质能发电制冷供热装置的能量转换效率高，适合普及推广使用。但该专利也没有利用朗肯循环等能源利用方式，没有实现能源梯级利用的最大化，也没有考虑制氢、制氨等清洁气体能源的生产。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于太阳能和生物质能的多联供***。
一般文献表明，整合可再生能源(如生物质能和太阳能)可以提高发电***的性能，同时也可以减少有害气体的排放，如NOx、SO2、CO和CO2。因此，本专利是以生物质能与太阳能为基础的多联供***，提供发电、产氢、产氨、冷热源、干燥及热水等多种用能方式，并对多联供***进行了能量和火用评价。本专利的主要目的是提高基于太阳能和生物质能的多联供***的火用性能和电能、热能、冷能、氨气和氢气产量，以减少二氧化碳的排放。将二氧化碳排放水平作为发电***评价的生态指标。
本发明的创新点一是提出了一种新的基于太阳能和生物质能的多联供***方案，利用太阳能和生物质能多联供***生产清洁的氢气和氨气；二是利用朗肯循环子***和ORC子***回收汽轮机子***出口处的废气能源，通过改进部件、改进***工作和创新***安排，提高该多联供***能源利用效率和降低二氧化碳排放量。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案，包括：
本发明提供了一种基于太阳能和生物质能的多联供***，包括依次连接的太阳能集热装置、气化装置、汽轮机子***；
所述太阳能集热装置用于将空气加热；
所述气化装置用于将生物质气化形成合成气；
所述汽轮机子***用于将合成气进行燃烧后发电。
优选地，所述汽轮机子***包括空气压缩机、燃烧室和第一汽轮机；所述燃烧室分别与气化装置、空气压缩机和第一汽轮机连接；
所述太阳能集热装置还连接有风机，所述风机用于收集空气并输送至太阳能集热装置中；所述太阳能集热装置为抛物线碟形的集热器；
所述气化装置与汽轮机子***之间还设置有合成气储罐；所述气化装置为气化炉。
所述生物质以干基计，包括以下重量百分比含量的各成分：C：46.30％，H：5.39％、O：34.45％、N：0.57％、S：0.12％、焦油13.12％；所述生物质以湿基计，含水率为15％；生物质的高热值为18.68MJ/kg。
优选地，所述多联供***还包括第一热交换器和电解制氢子***；所述电解制氢子***包括质子交换膜电解槽和氢气压缩子***；所述第一热交换器设置在气化装置与汽轮机子***之间，用于将合成气与水进行传热，使水加热到适合电解的温度；所述质子交换膜电解槽用于将加热后的水进行电解；所述氢气压缩子***用于将电解后的氢气进行压缩和收集。
更优选地，所述气化装置、第一热交换器、合成气储罐和燃烧室依次连接。
优选地，所述氢气压缩子***包括依次连接的第一氢气压缩机、中间冷却器、压缩空气储罐，第一氢气压缩机与质子交换膜电解槽连接；所述第一氢气压缩机和中间冷却器为多个时，第一氢气压缩机与中间冷却器间隔连接。
优选地，所述多联供***还包括氨反应子***，所述氨反应子***包括氨反应器、氨气储罐、第二氢气压缩机和氮气压缩机；所述第二氢气压缩机一端与质子交换膜电解槽连接，另一端与氨反应器连接；所述氮气压缩机与氨反应器连接，氨反应器还与氨气储罐连接。
本发明还提供了一种基于太阳能和生物质能的多联供***，包括10个子***，分别为：太阳能集热装置、气化装置、汽轮机子***、电解制氢子***、氨反应子***、朗肯循环子***、有机朗肯循环(ORC)子***、冷却装置、干燥装置、供热装置；
所述太阳能集热装置、气化装置、汽轮机子***依次连接；所述太阳能集热装置用于将空气加热；所述气化装置用于将生物质气化并与加热后的空气混合形成合成气；所述汽轮机子***用于将合成气进行燃烧后发电；
所述气化装置与汽轮机子***之间设置有第一热交换器，第一热交换器用于将合成气与水进行传热，使水加热到适合电解的温度；
所述电解制氢子***包括质子交换膜电解槽和氢气压缩子***；质子交换膜电解槽用于将加热后的水进行电解，氢气压缩子***用于将电解后的氢气进行压缩和收集；
所述氨反应子***包括氨反应器、氨气储罐、第二氢气压缩机和氮气压缩机；所述第二氢气压缩机一端与质子交换膜电解槽连接，另一端与氨反应器连接；所述氮气压缩机与氨反应器连接，氨反应器还与氨气储罐连接；
所述朗肯循环子***通过第二热交换器与汽轮机子***连接；第二热交换器用于将第一汽轮机出来的低压流体与朗肯循环子***的工作流体进行传热，来加热朗肯循环子***的工作流体；
所述第二热交换器还与第五热交换器连接；所述有机朗肯循环子***包括与第五热交换器闭环连接有机朗肯循环汽轮机、第四热交换器、第二泵；
所述冷却装置与第四热交换器连接，所述干燥装置与第五热交换器连接，供热装置与干燥装置连接。
优选地，所述汽轮机子***包括空气压缩机、燃烧室和第一汽轮机；所述燃烧室分别与气化装置、空气压缩机和第一汽轮机连接；
所述太阳能集热装置还连接有风机，所述风机用于收集空气并输送至太阳能集热装置中；所述太阳能集热装置为抛物线碟形的集热器；
所述气化装置与汽轮机子***之间还设置有合成气储罐；所述气化装置为气化炉；
所述气化装置、第一热交换器、合成气储罐和燃烧室依次连接。
优选地，所述氢气压缩子***包括依次连接的第一氢气压缩机、中间冷却器、压缩空气储罐，第一氢气压缩机与质子交换膜电解槽连接；所述第一氢气压缩机和中间冷却器为多个时，第一氢气压缩机与中间冷却器间隔连接；
所述质子交换膜电解槽通过三通阀与第一氢气压缩机和第二氢气压缩机连接。
优选地，所述朗肯循环子***包括与第二热交换器闭环连接的第二汽轮机、冷凝器、第一泵。
优选地，所述冷却装置包括与第四热交换器闭环连接的喷射器、第三热交换器、第三泵，第三热交换器通过三通阀与第三泵和蒸发器连接，所述第三泵与蒸发器之间还设置有阀门，蒸发器的另一端与喷射器连接。
优选地，所述干燥装置为干燥器，所述供热装置为热水储罐。
本发明的多联供***的运行如下：
1)第1个子***：太阳能集热装置。首先是空气进入风机(路径1)，然后进入太阳能集热装置(路径2)以获得一定数量的热能。
2)第2个子***：气化装置。被加热的空气进入气化装置(路径3)。而生物质也将被转移进气化装置(路径4)通过加热的空气进行气化后生成合成气，合成气进入第一热交换器(路径6)。剩余的灰烬从气化装置排出(路径5)。在第一热交换器中，热传递发生在从气化装置出来的合成气和进入***用于电解的水之间。然后经过第一热交换器进行换热后的合成气被送到合成气储罐中(路径7)。至此，完成了合成气储存，进入电解制氢子***的水温也被提升到电解所需要的温度。合成气储罐是压力罐，该储罐配有安全阀、液位调节、压力和温度调节以及所有其他设计符合相关规范。
3)第3个子***：电解制氢子***。第4个子***：氨反应子***。多联供***中优先考虑的子***是产生氢气和氨气的子***。为了产生氢和氨，水首先被电解。电解制氢子***所需要的水首先被输送至第一热交换器(路径17)。在第一热交换器中，水温被加热到适合电解的温度。这里所需的能量由气化装置产生的合成气中的热能来提供。适合电解的水被输送到质子交换膜(PEM)电解槽(路径18)。PEM电解槽中电解过程所需的电力由汽轮机子***发电获得的电力提供。PEM电解槽中产生的氧气排出后(路径19)将在后续流程中进行利用。由电解过程产生的氢气以一定的流速进入三通阀。产生的一部分氢气被转移到氢气压缩子***中储存起来(路径21)。进入氢气压缩子***的氢气首先输送至第二氢气压缩机(路径21)，然后到中间冷却器(路径22)。这部分气体再次在经过第二氢气压缩机、中间冷却器、第二氢气压缩机、中间冷却器进行多重压缩和冷却之后，形成的压缩氢气被输送到压缩氢气储罐(路径27)。而来自外部压缩机的用于冷却氢气的流体进入中冷器(路径28，路径30，路径32)，然后排出中冷器(路径29，路径31，路径33)。
PEM电解槽中产生的其余氢气被输送至氨反应子***中用于生产氨。氢气通过三通阀被输送至第二氢气压缩机(路径34)，第二氢气压缩机中压缩的氢气被送至氨反应器(路径35)。生产氨所需的氮气也被输送到氮气压缩机(路径36)。氮气压缩机中压力升高的氮气随后被输送至氨反应器(路径37)。在氨反应器中通过氢气与氮气反应获得的氨随后被转移到氨气储罐(路径38)。
4)第5个子***：汽轮机子***。多联供***中的发电部分是在汽轮机子***中进行的。在这个循环中，空气从静止状态中被抽取输送至空气压缩机(路径9)，空气被压缩，压力升高。形成的高压空气被输送至燃烧室(路径10)。在前面描述的子***中生成和储存的合成气将同时被输送至燃烧室(路径8)。通过燃烧反应获得一定能量的流体被输送到第一汽轮机(路径11)，膨胀做功(路径12)。从第一汽轮机出来的低压流体仍然有一定的热能，被输送至第二热交换器(路径12)，用来加热朗肯循环用到的工作流体。从第二热交换器出来的低压流体还有一定热能，被输送至第五热交换器(路径13)，用来加热ORC子***的工作流体。从第五热交换器出来的流体被输送至干燥装置(路径14)和供热机组(路径15)，为它们提供能量。最后，它作为废气被排出***(路径16)。
5)第6个子***：朗肯循环子***。多联供***中的一个发电子***是朗肯循环子***。朗肯循环子***所需的动力由来自即汽轮机子***循环后的低压流体提供。在第二热交换器中，朗肯替代物中的工作流体和来自燃气轮机的低压流体之间发生传热。朗肯循环子***中的工作流体在第二热交换器中获得一定的能量后被输送到第二汽轮机(路径39)。在第二汽轮机内由工作流体膨胀产生动力(路径39，路径40)。来自第二汽轮机的具有一定热值的工作流体工质下降，但被输送到冷凝器(路径40)进行冷却后从出口排出，然后被输送到第一泵(路径41)以升高其压力。冷凝器中的冷却介质由路径43进入冷凝器，由路径44排出。压力升高的工作流体被输送到第二热交换器(路径42)以提高温度，以此循环。
6)第7个子***：有机朗肯循环(ORC)子***。在多联供***中还有一个发电子***是ORC子***。ORC子***所需的动力由来自第二热交换器的低压流体提供。通过第二热交换器传热后的低压流体被输送到第五热交换器中(路径13)，在第五热交换器中，ORC子***中的工作流体和来自第二热交换器的低压流体之间发生传热。ORC子***中的工作流体在第五热交换器中达到一定的能量水平后，被传送到ORC涡轮机(即有机朗肯循环汽轮机，路径45)。动力是通过ORC子***中的工作流体(路径45，路径46)膨胀产生的。带有一定热值的工作流体从ORC涡轮机输送到第四热交换器(路径46)，为冷却装置提供能量。然后，从第四热交换器排出的工作流体被输送到第二泵(路径47)以提升压力。第二泵中压力升高的工作流体进入第五热交换器(路径48)以提升温度，以此循环。
7)第8个子***：冷却装置。冷却装置是是多联供***中产生冷却输出的地方。在喷射器冷却过程中产生冷却输出所需的能量由ORC子***中工作流体的热值来提供。此外，来自喷射器的工作流体被输送到第三热交换器(路径49)。通过第三热交换器的热功率转换，获得加热输出功率。然后，来自第三热交换器的工作流体以一定的流速被输送到三通阀。一些工作流体进入阀门(路径51)。通过使用该阀门，工作流体的压力降低。压力降低的工作流体被输送到蒸发器(路径52)。利用蒸发器，从参考环境中吸热并蒸发循环流体，以这种方式获得冷却输出。在蒸发器中蒸发的工作流体然后被转移到喷射器(路径53)。进入三通阀的工作流体的剩余部分被输送到第三泵(路径54)以升高其压力。随后，压力升高的工作流体被送至第四热交换器(路径55)。在第四热交换器中，冷却装置中的循环流体(即压力升高的工作流体)和ORC子***中的工作流体之间发生热交换。来自第四热交换器的冷却装置的循环流体也被转移到喷射器(路径56)。冷却装置中的循环就是以这种方式进行。
8)第9个子***：干燥装置。多联供***中的干燥装置在干燥过程所需的热能由来自第五热交换器的流体中的能量来满足。经过第五热交换器发生传热后的低压流体输送到干燥装置中(路径14)，为干燥装置提供能量，使湿产品通过干燥装置进行干燥后，得到最终的干产品(路径61，路径62)。
9)第10个子***：供热机组。该多联供***中产生的另一个有用的输出是热水。供热装置获得热水所需的热值由来自干燥装置的流体中的热值来提供。经过干燥装置后流出低压流体被输送到供热装置(路径15)，使冷水通过供热装置进行加热后，得到热水(路径63，路径64)。而最终的流体作为废气排出(路径16)。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提出了一种新的基于太阳能和生物质能的多联供***方案，在提供发电、产氢、产氨、冷热源、干燥及热水等多种用能方式的同时，提高***能源利用效率，减少二氧化碳排放。
附图说明
本发明的非限制性示例性实施方案的详细描述，以及对照附图，可以更好地理解本发明，其中：
图1为本发明实施例提供的一种基于太阳能和生物质能的多联供***；
其中：100-风机；101-集热器；102-气化炉；103-空气压缩机；104-燃烧室；105-第一汽轮机；106-第一热交换器；107-合成气储罐；108-质子交换膜电解槽；109-第一氢气压缩机；110-中间冷却器；111-压缩氢气储罐；112-第二氢气压缩机；113-氨反应器，114-氮气压缩机；115-氨气储罐；116-第二热交换器；117-第二汽轮机；118-冷凝器；119-第一泵；120-第五热交换器；121-有机朗肯循环汽轮机；122-第四热交换器；123-第二泵；124-喷射器；125-第三热交换器；126-蒸发器；127-阀门；128-三通阀；129-第三泵；130-干燥器；131-热水储罐。
具体实施方式
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。
以下将描述本申请的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本申请的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本申请的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本申请的保护范围之内。
实施例
下面将对本申请的实施例作详细说明，本实施例在以本申请技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本申请的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例提供了一种基于太阳能和生物质能的多联供***，如图1所示，有10个子***。分别为：太阳能集热装置、气化装置、汽轮机子***、电解制氢子***、氨反应子***、朗肯循环子***、有机朗肯循环子***、冷却装置、干燥装置、供热装置。
所述太阳能集热装置、气化装置、汽轮机子***依次连接；所述太阳能集热装置用于将空气加热；所述气化装置用于将生物质气化形成合成气；所述汽轮机子***用于将合成气进行燃烧后发电；
所述气化装置与汽轮机子***之间设置有第一热交换器106，第一热交换器106用于将合成气与水进行传热，使水加热到适合电解的温度；
所述电解制氢子***包括质子交换膜电解槽108和氢气压缩子***；质子交换膜电解槽108用于将加热后的水进行电解，氢气压缩子***用于将电解后的氢气进行压缩和收集；
所述氨反应子***包括氨反应器113、氨气储罐115、第二氢气压缩机112和氮气压缩机114；所述第二氢气压缩机112一端与质子交换膜电解槽108连接，另一端与氨反应器113连接；所述氮气压缩机114与氨反应器113连接，氨反应器113还与氨气储罐115连接；
所述朗肯循环子***通过第二热交换器116与汽轮机子***连接；第二热交换器116用于将第一汽轮机105出来的低压流体与朗肯循环子***的工作流体进行传热，来加热朗肯循环子***的工作流体；
所述第二热交换器116还与第五热交换器120连接；所述有机朗肯循环子***包括与第五热交换器120闭环连接有机朗肯循环汽轮机121、第四热交换器122、第二泵123；
所述冷却装置与第四热交换器122连接，所述干燥装置与第五热交换器120连接，供热装置与干燥装置连接。
所述汽轮机子***包括空气压缩机103、燃烧室104和第一汽轮机105；所述燃烧室分别与气化装置、空气压缩机和第一汽轮机连接；
所述太阳能集热装置还连接有风机100，所述风机100用于收集空气并输送至太阳能集热装置中；所述太阳能集热装置为抛物线碟形的集热器101；
所述气化装置与汽轮机子***之间还设置有合成气储罐107；所述气化装置为气化炉102；
所述气化装置、第一热交换器106、合成气储罐107和燃烧室104依次连接。
所述氢气压缩子***包括依次连接的第一氢气压缩机109、中间冷却器110、压缩空气储罐111，第一氢气压缩机109与质子交换膜电解槽108连接；所述第一氢气压缩机109和中间冷却器110为多个时，第一氢气压缩机109与中间冷却器110间隔连接；
所述质子交换膜电解槽108通过三通阀128与第一氢气压缩机109和第二氢气压缩机112连接。
所述朗肯循环子***包括与第二热交换器116闭环连接的第二汽轮机117、冷凝器118、第一泵119。
所述冷却装置包括与第四热交换器122闭环连接的喷射器124、第三热交换器125、第三泵129，第三热交换器125通过三通阀128与第三泵129和蒸发器126连接，所述第三泵129与蒸发器126之间还设置有阀门127，蒸发器126的另一端与喷射器124连接。
所述干燥装置为干燥器130，所述供热装置为热水储罐131。
本发明的多联供***的运行如下(图1中各实线箭头所标记的数字1-64代表下述的路径1-路径64)：
(1)第1个子***：太阳能集热装置。本实施例中所述太阳能集热装置为抛物线碟形的集热器101，但不限于此。在多联供***中，首先是空气通过风扇进入***的风机100(路径1)，然后进入集热器101(路径2)以获得一定数量的热能。集热器101的选择可以根据***预期的能量大小、初始投资成本等特性而改变，由希望安装该***的设计者或投资者决定。
(2)第2个子***：气化装置。本实施例采用的气化装置为气化炉102。利用抛物面碟形的集热器102，被加热的空气进入气化炉102(路径3)。而生物质也将被转移进气化炉102(路径4)以用于合成气的生产。本***用到的生物质组成和特性见表1。生物质气化后获得的流体(即合成气)进入第一热交换器106(路径6)。在第一热交换器106中，热传递发生在从气化炉102出来的流体和进入***用于电解的水之间。然后经过第一热交换器106进行换热后的合成气被送到合成气储存罐107中(路径7)。至此，完成了合成气储存，进入电解子***的水温也被提升到电解所需要的温度。合成气储罐107是压力罐，该储罐配有安全阀、液位调节、压力和温度调节以及所有其他设计符合规范。设计压力和温度选择分别为524℃和130kPa。
表1生物质成分(％干燃料)
成分 重量百分比(％)
含水率(％湿基生物质) 15
高热值(MJ/kg) 18.68
C 46.30
H 5.39
O 34.45
N 0.57
S 0.12
焦油 13.12
(3)第3个子***：电解制氢子***。第4个子***：氨反应子***。多联供***中优先考虑的子***是产生氢气和氨气的子***。为了产生氢和氨，水首先被电解。电解制氢子***所需要的水首先被输送至第一热交换器106(路径17)。在第一热交换器106中，水温被加热到适合电解的温度。这里所需的能量由气化炉102产生的合成气中的热能来提供。适合电解的水被输送到质子交换膜(PEM)电解槽108(路径18)。PEM电解槽中电解过程所需的电力由汽轮机子***发电获得的电力提供。PEM电解槽中产生的氧气排出后(路径19)将在后续流程中进行利用。由电解过程产生的氢气以20m3/h的流速进入的三通阀128。产生的一部分氢气被转移到氢气压缩子***中储存起来(路径21)。进入氢气压缩子***的氢气首先输送至第一氢气压缩机109(路径21)，然后到中间冷却器110(路径22)。这部分气体再次在经过下一个第一氢气压缩机109、中间冷却器110、第二氢气压缩机109、中间冷却器110进行多重压缩和冷却之后，形成的压缩氢气被输送到压缩氢气储罐111(路径27)。而来自外部压缩机的用于冷却氢气的流体进入中冷器110(路径28，路径30，路径32)，然后排出中冷器110(路径29，路径31，路径33)。
PEM电解槽中产生的其余氢气被输送至氨反应子***中用于生产氨。氢气通过三通阀128被输送至第二氢气压缩机112(路径34)，第二氢气压缩机112中压缩的氢气被送至氨反应器113(路径35)。生产氨所需的氮气也被输送到氮气压缩机114(路径36)。氮气压缩机114中压力升高的氮气随后被输送至氨反应器113(路径37)。在氨反应器113中通过氢气与氮气反应获得的氨随后被转移到氨气储罐115(路径38)。
(4)第5个子***：汽轮机子***。多联供***中的发电部分是在气体涡轮循环***(即汽轮机子***)通过燃气轮机(即第一汽轮机105)完成的。在这个循环中，空气从静止状态中被抽取输送至空气压缩机103(路径9)，空气被压缩，压力升高。高压空气被输送至燃烧室104(路径10)。在前面描述的子***中生成和储存的合成气将同时被输送至燃烧室104(路径8)。通过燃烧反应获得一定能量的流体被输送到燃气轮机(路径11)，膨胀做功(路径12)。从燃气轮机出来的低压流体仍然有一定的热能，被输送至第二热交换器116(路径12)，用来加热朗肯循环用到的工作流体。从第二热交换器116出来的低压流体还有一定热能，被输送至第五热交换120(路径13)，用来加热ORC子***的工作流体。从第五热交换120出来的流体被输送至干燥器130(路径14)和热水储罐131(路径15)，为它们提供能量。最后，它作为废气被排出***(路径16)。
(5)第6个子***：朗肯循环子***。多联供***中一个发电子***是朗肯循环子***。朗肯循环所需的动力由来自汽轮机子***循环后的低压流体提供。在第二热交换器116中，朗肯循环子***中的工作流体和来自燃气轮机的低压流体之间发生传热。本实施例中采用的朗肯循环子***的工作流体为水，但工作流体不仅限于此。朗肯循环子***中的工作流体在第二热交换器116中获得一定的能量后被输送到第二汽轮机117(路径39)。在第二汽轮机117内动力是由工作流体膨胀产生的(路径39，路径40)。来自第二汽轮机117的具有一定热值的工作流体工质下降，但被输送到冷凝器118(路径40)进行冷却后从出口排。然后，使冷凝器118产生热量输出的工作流体被输送到第一泵119(路径41)以升高其压力。冷凝器118中的冷却介质由路径43进入冷凝器118，由路径44排出。压力升高的工作流体被输送到第二热交换器116(路径42)以提高温度，以此循环。
(6)第7个子***：有机朗肯循环(ORC)子***。在多联供***中还有一个发电子***是ORC子***。ORC子***所需的动力由来自第二热交换器116的低压流体提供。本实施例中1,1,1,3,3-五氟丙烷(R245FA)有机工作流体被作为ORC的工作流体，但工作流体不仅限于R245FA。在第五热交换器120中，ORC子***中的工作流体和来自第二热交换器116的流体之间发生传热。R245FA在第五热交换器120中达到一定的能量水平，被传送到ORC涡轮机(即有机朗肯循环汽轮机121，路径45)。动力是通过ORC子***中的R245FA(路径45，路径46)膨胀产生的。带有一定热值的R245FA从ORC涡轮输送到第四热交换器122(路径46)，为冷却装置中的喷射器124提供能量。然后，从第四热交换器122排出的R245FA被输送到第二泵123(路径47)以提升压力。第二泵123中压力升高的R245FA进入第五热交换器120(路径48)以提升温度，以此循环。
(7)第8个子***：冷却装置。冷却装置是是多联供***中产生冷却输出的地方。在喷射器124冷却过程中产生冷却输出所需的能量由ORC子***中工作流体R245FA的热功率来满足。在冷却装置中，本实施例采用异丁烷用作冷却装置的工作流体，但不仅限于异丁烷。此外，来自喷射器124的异丁烷被输送到第三热交换器125(路径49)。通过第三热交换器125的热功率转换，获得加热输出功率。然后，来自第三热交换器125的异丁烷以50m3/h的流速被输送到三通阀128。一些工作流体进入阀门127(路径51)。通过使用该阀门127，异丁烷的压力降低。压力降低的异丁烷被输送到蒸发器126(路径52)。利用蒸发器126，从参考环境中吸热并蒸发循环流体，以这种方式获得冷却输出。在蒸发器126中蒸发的异丁烷然后被转移到喷射器124(路径53)。进入三通阀128的异丁烷的剩余部分被输送到第三泵129(路径54)以升高其压力。随后，压力升高的异丁烷被送至第四热交换器122(路径55)。在第四热交换器122中，冷却装置中的异丁烷和ORC子***中的工作流体R245FA之间发生传热。来自第四热交换器122的冷却装置的循环流体异丁烷也被转移到喷射器124(路径56)。冷却装置中的循环就是以这种方式进行。
(8)第9个子***：干燥装置。本实施例采用的干燥装置为干燥器130，干燥过程所需的热能由来自第五热交换器120的流体中的能量来满足。经过第五热交换器120发生传热后的低压流体输送到干燥器130中(路径14)，为干燥器130提供能量，使湿产品通过干燥器130进行干燥后，得到最终的干产品(路径61，路径62)。
(9)第10个子***：供热机组。该多联供***中产生的另一个有用的输出是热水。供热装置获得热水所需的热值由来自干燥器130的流体中的热值来提供。本实施例采用的供热机组为热水储罐131，经过干燥器130后流出低压流体被输送到热水储罐131(路径15)，使冷水通过热水储罐131进行加热后，得到热水(路径63，路径64)。而最终的流体作为废气排出(路径16)。
所述质子交换膜电解槽108、第一氢气压缩机109、第二氢气压缩机112、氮气压缩机114、空气压缩机103所需的电力均由第一汽轮机105发电提供。如图1中的各虚线箭头所示。
本实施例将基于前述太阳能和生物质能的多联供***在以下4种模式下运行，分别是：
1)第1种模式为只包括依次连接的太阳能集热装置、气化装置、汽轮机子***，目标只是发电。所述太阳能集热装置用于将空气加热；所述气化装置用于将生物质气化形成合成气；所述汽轮机子***用于将合成气进行燃烧后发电。
2)第2种模式为在第1种模式下增加电解制氢子***，电解制氢子***包括质子交换膜电解槽和氢气压缩子***，目标是发电和制氢。
3)第3种模式是在第2种模式下增加氨反应子***，目标是发电、制氢、制氨。
4)第4种模式是在第3种模式下增加朗肯循环子***，ORC子***、冷却装置、干燥装置、供热机组，即前述记载的包含10个子***的多联供***，目标是发电、制氢、制氨、制冷、制热、干燥、提供热水。
本实施例比较了这4种运行模式的能源利用效率(能量效率、火用效率)和二氧化碳排放量，能源利用效率根据
Figure GDA0003173402140000141
方法进行检测，二氧化碳排放量根据采用清洁发展机制下的整合基准线和检测方法进行检测，结果见表2。从表2可以看出，通过发电、制氢、制氨、制冷、制热、干燥、提供热水等能量梯级利用，基于10个子***的太阳能和生物质能的多联供***的能源利用效率大幅提高，二氧化碳排放量显著降低。
表2基于太阳能和生物质能的多联供***在不同运行模式下的能源利用效率和二氧化碳排放量
评价指标 第1种模式 第2种模式 第3种模式 第4种模式
能量效率/％ 39.72 41.08 43.17 58.76
火用效率/％ 36.18 37.94 39.12 55.64
CO<sub>2</sub>排放量/g·kWh<sup>-1</sup> 18.75 16.23 15.84 13.07
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于太阳能和生物质能的多联供***，其特征在于，包括10个子***，分别为：太阳能集热装置、气化装置、汽轮机子***、电解制氢子***、氨反应子***、朗肯循环子***、有机朗肯循环子***、冷却装置、干燥装置、供热装置；
所述太阳能集热装置、气化装置、汽轮机子***依次连接；所述太阳能集热装置用于将空气加热；所述气化装置用于将生物质气化并与加热后的空气混合形成合成气；所述汽轮机子***用于将合成气进行燃烧后发电；
所述气化装置与汽轮机子***之间设置有第一热交换器，第一热交换器用于将合成气与水进行传热，使水加热到适合电解的温度；
所述电解制氢子***包括质子交换膜电解槽和氢气压缩子***；质子交换膜电解槽用于将加热后的水进行电解，氢气压缩子***用于将电解后的氢气进行压缩和收集；
所述氨反应子***包括氨反应器、氨气储罐、第二氢气压缩机和氮气压缩机；所述第二氢气压缩机一端与质子交换膜电解槽连接，另一端与氨反应器连接；所述氮气压缩机与氨反应器连接，氨反应器还与氨气储罐连接；
所述朗肯循环子***通过第二热交换器与汽轮机子***连接；第二热交换器用于将第一汽轮机出来的低压流体与朗肯循环子***的工作流体进行传热，来加热朗肯循环子***的工作流体；
所述第二热交换器还与第五热交换器连接；所述有机朗肯循环子***包括与第五热交换器闭环连接有机朗肯循环汽轮机、第四热交换器、第二泵；
所述冷却装置与第四热交换器连接，所述干燥装置与第五热交换器连接，供热装置与干燥装置连接。
2.根据权利要求1所述的基于太阳能和生物质能的多联供***，其特征在于，所述汽轮机子***包括空气压缩机、燃烧室和第一汽轮机；所述燃烧室分别与气化装置、空气压缩机和第一汽轮机连接；
所述太阳能集热装置还连接有风机，所述风机用于收集空气并输送至太阳能集热装置中；所述太阳能集热装置为抛物线碟形的集热器；
所述气化装置与汽轮机子***之间还设置有合成气储罐；
所述气化装置、第一热交换器、合成气储罐和燃烧室依次连接。
3.根据权利要求1所述的基于太阳能和生物质能的多联供***，其特征在于，所述氢气压缩子***包括依次连接的第一氢气压缩机、中间冷却器、压缩空气储罐，第一氢气压缩机与质子交换膜电解槽连接；所述第一氢气压缩机和中间冷却器为多个时，第一氢气压缩机与中间冷却器间隔连接；
所述质子交换膜电解槽通过三通阀与第一氢气压缩机和第二氢气压缩机连接。
4.根据权利要求1所述的基于太阳能和生物质能的多联供***，其特征在于，所述朗肯循环子***包括与第二热交换器闭环连接的第二汽轮机、冷凝器、第一泵。
5.根据权利要求1所述的基于太阳能和生物质能的多联供***，其特征在于，所述冷却装置包括与第四热交换器闭环连接的喷射器、第三热交换器、第三泵，第三热交换器通过三通阀与第三泵和蒸发器连接，所述第三泵与蒸发器之间还设置有阀门，蒸发器的另一端与喷射器连接；
所述干燥装置为干燥器，所述供热装置为热水储罐。
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