CN205638724U

CN205638724U - 基于斯特林发动机和vm循环热泵的沼气驱动小型分布式能源***

Info

Publication number: CN205638724U
Application number: CN201620066065.0U
Authority: CN
Inventors: 谢英柏; 陈健阳
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2016-10-12
Anticipated expiration: 2026-01-25

Abstract

基于斯特林发动机和VM循环热泵的沼气驱动小型分布式能源***，它包括沼气利用***、斯特林发动机、发电***、VM循环热泵、供冷回路、供热回路、供热水***。在沼气利用***中，发酵产生的沼气经过净化、存储之后燃烧，产生的烟气驱动特林发动机进行发电，经过变压处理供给住户；排出的烟气二次利用驱动VM循环热泵工作，给住户供冷和供热；最后烟气用来给生活用水加热，热水直接供给用户。本实用新型基于斯特林发动机和VM循环热泵，利用沼气作为驱动能源，组合成一个分布式能源***。该***可以满足用户的夏天供冷、冬天供热需求，用电需求及供热水需求；并且沼气是一种可再生能源，清洁、安全且环保，不会造成环境的污染。本实用新型可广泛应用于农村住户，将农村的沼气进行充分的利用，具有广阔的应用前景。

Description

基于斯特林发动机和VM循环热泵的沼气驱动小型分布式能源***

技术领域

本实用新型涉及一种分布式能源***，尤其是一种利用沼气作为驱动能源的小型分布式能源***，属于分布式能源***技术领域。

背景技术

能源消耗的持续增加导致石化能源的枯竭，带来了严重的环境问题。中国每年产生7.28×10⁸t秸秆、39.26×10⁸t畜禽粪便以及482.4×10⁸t有机废水，由于无法得到有效利用而对环境产生巨大污染。将秸秆、畜禽粪便、有机废水等有机物经微生物分解发酵产生沼气并利用，是一种节能环保的技术。沼气作为一种方便、清洁、高品位的能源，其原料丰富、技术简单、造价低廉、环境友好，受到国家的高度重视。沼气的推广应用不仅可以缓解能源压力，而且对改善人居环境、保护林草植被、维持生态平衡具有重要意义。

对于沼气资源十分丰富的农村地区，沼气如何充分的利用显得十分关键。近些年来，分布式能源***迅速发展，得到了国内外的广泛重视，也有很多沼气应用于分布式能源的成功典范。分布式能源是指分布在用户端的高效冷、热电联供的能源综合利用***，具有能效利用合理、损耗小、污染少、运行灵活，***经济性好等特点，是未来世界能源技术的重要发展方向。小型分布式能源***主要针对农村家庭住户，可以满足住户日常的用电、供冷供热、供热水需求，对提高农村住户生活水平具有积极的作用。

在小型分布式能源***中，能源的梯级利用十分重要。将斯特林发动机用于小型分布式能源***，具有很大的优势：1、斯特林发动机是一种外燃机，可以将高品位能源直接利用，用热能驱动发动机工作，局限性小。2、斯特林发动机的热效率很高，实际有效效率可以达到32％～40％，最高甚至可达47％。提高了高品位能源利用效率，对***效率的提升具有重要的作用。3、斯特林发动机的功率不大，一般在几十至上百千瓦左右，刚好用在小型分布式能源***中。4、作为清洁高效的动力机，斯特林发动机具污染小、噪音低和维修方便等优点，对节能减排、保护环境有重要意义。

在分布式能源***中，制冷方式以吸收式制冷为主。但吸收式制冷机组庞大，容量高，一般与燃气轮机搭配，用于大型公共建筑。对于采用斯特林发动机的小型分布式能源***，搭配VM循环热泵是一个合理的选择。维勒米尔(vuilleumier，以下简称VM)循环热泵，是Vuilleumier在1918年提出的。它的本质可以看成具有公共室温腔的一台斯特林发动机和斯特林制冷机的有机组合，是热能驱动的斯特林循环。VM循环热泵可以利用余热、太阳能、地热等热能作为驱动能源，可以制冷或制热，具有结构紧凑、磨损和寿命小、寿命长等优点。同时，由于它采用氦气、氮气等气体作为工质，对减少温室效应和臭氧层破坏具有积极的作用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种新型的小型分布式能源***。该***主要针对农村用户，以常见的沼气作为驱动能源，驱动斯特林发动机发电，并利用斯特林发动机的余热来驱动VM循环热泵和供热水***工作，满足用户的夏天供冷，冬天供热的需求，实现冷热电三联产。

本实用新型所述问题是以下技术方案实现的：

一种基于斯特林发动机和VM循环热泵的沼气驱动小型分布式能源***，其特征在于，它包括沼气利用***、斯特林发动机、发电***、VM循环热泵、供冷回路、供热回路、供热水***；沼气利用***产生沼气并燃烧，产生的烟气依次经过斯特林发动机、VM循环热泵、供热水***，最后通过排烟装置排出；斯特林发动机带动供电***给用户供电，VM循环热泵通过供冷回路与供热回路给用户供冷和供热，供热水***给用户供热水，实现了冷热电三联产；

所述沼气利用***由进料器，预处理器，沼气发酵罐，沼气净化处理器，沼气存储装置，沼渣沼液储罐，排料器，燃烧器组成；

所述斯特林发动机由热腔、冷腔、热腔活塞、冷腔活塞、回热器、曲柄连杆机构组成；

所述供电***由发电装置、储电装置、变压装置组成；

所述VM循环热泵由高温回热器、低温回热器、热腔、冷腔、室温腔、高温活塞、低温活塞组成；

供冷***由供冷水泵、冷水入口三通阀、冷水出口三通阀组成；

供热***由供热水泵、热水入口三通阀、热水出口三通阀组成；

供热水***由水箱、热水水泵组成。

上述基于斯特林发动机和VM循环热泵的沼气驱动小型分布式能源***，所述沼气进料和出料得到充分的利用，排出的烟气与预处理器换热，使烟气的余热为预处理器里面的进料预热；冬季的时候，冷腔与出料口连接，使冷腔充分吸收沼渣沼液的余热。

上述基于斯特林发动机和VM循环热泵的沼气驱动小型分布式能源***，所述VM循环热泵的入口连有补燃装置(35)，并通过温度监测开关(36)控制，若烟气温度达不到VM循环热泵入口温度要求，则温度检测开关自动开启，补燃装置进行补燃；所述供热水***增加电加热装置(39)，通过温控开关控制，当热水用量进入高峰期时，烟气余热不足以加热热水，热水水温达不到设定值时，则温控开关自动开启，电加热装置对水箱加热，保证热水的供应需求。

上述基于斯特林发动机和VM循环热泵的沼气驱动小型分布式能源***，所述VM循环热泵的室温腔和斯特林发动机的冷腔与供热回路连接，所述VM循环热泵的冷腔与供冷回路连接，夏季的时候，通过调节热水入口三通阀和热水出口三通阀，供冷回路向室内供冷，供热回路向外界散热；冬季的时候，通过调节冷水入口三通阀和冷水出口三通阀，供热回路向室内供热，供冷回路从外界吸热。

本实用新型提供了一种基于斯特林发动机和VM循环热泵的沼气驱动小型分布式能源***，结合了斯特林发动机发电技术，VM循环热泵供冷供热技术，完成对用户的供冷、供热、供电、供热水需求。

另外，本实用新型还具有如下优点：

1、直接利用沼气作为驱动能源，沼气是一种可再生二次能源，资源丰富，不仅可以缓解能源压力，而且对改善人居环境、保护林草植被、维持生态平衡具有重要意义。

2、本实用新型中使用了斯特林发动机和VM循环热泵。斯特林发动机和VM循环热泵均为封闭循环，采用氮气、氦气等气体作为循环工质，不会对环境产出污染与破坏，对环境友好。

3、本实用新型中，能量的利用率高，沼气燃烧产生的烟气首先用于斯特林发动机发电，之后经由VM循环热泵用于住户的供冷和供热，之后用于住户的供热水加热，实现了能量的梯级利用，温度对口，提高了能源的利用率。

4、本实用新型可广泛的应用于农村住户，对改善农村住户的生活水平具有积极的作用。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步说明

图1是沼气驱动的小型分布式能源***的结构图

图2是沼气驱动的小型分布式能源***的具体实施图

图3(a)是沼气驱动的小型分布式能源***的夏季***布置图；(b)是沼气驱动的小型分布式能源***的冬季***布置图

图中各标号含义如下：1、进料器；2、预处理器；3、沼气发酵罐；4、沼气净化处理器；5、沼气存储装置；6、沼渣沼液储罐；7、排料器；8、燃烧器；9、斯特林发动机；10、热腔；11、热腔活塞；12、冷腔；13、冷腔活塞；14、回热器；15、曲柄连杆机构；16、发电装置；17、储电装置；18、变压装置；19、VM循环热泵；20、高温回热器；21、低温回热器；22、热腔；23、冷腔；24、高温活塞；25、低温活塞；26、室温腔；27、热水入口三通阀；28、热水出口三通；29、冷水入口三通阀；30、冷水出口三通阀；31、供热水泵；32、供冷水泵；33、地下散热器；34、风冷散热器；35、补燃装置；36、温度监测开关；37、水箱；38、热水水泵；39、电加热装置；40、排烟装置。

具体实施方式

本实用新型利用沼气作为能源，通过对烟气的合理利用，结合了斯特林发动机发电技术、VM循环热泵供冷供热技术，满足了用户的供电、供热水及夏天供冷，冬天供热的需求。

本实用新型所述的基于斯特林发动机和VM循环热泵的沼气驱动小型分布式能源 ***，由沼气利用***、斯特林发动机、发电***、VM循环热泵、供冷回路、供热回路、供热水***组成。

沼气利用***由进料器1，预处理器2，沼气发酵罐3，沼气净化处理器4，沼气存储装置5，沼渣沼液储罐6，排料器7，燃烧器8组成。原料由进料器进入，先进入到预处理器。在这里进料被搅拌并预热，达到发酵温度后进入沼气发酵罐进行发酵。发酵剩余的的废料存储在沼渣沼液存储罐中，由排料器排出并统一处理；发酵产生的沼气则经过沼气净化处理器中进行净化，并存储在沼气存储装置中。沼气进入燃烧器中燃烧，产生的烟气供***利用。

斯特林发动机9主要由热腔10、冷腔12、热腔活塞11、冷腔活塞13、回热器14、曲柄连杆机构15组成。斯特林发动机的热端与烟气管道换热，吸收热量并完成工作过程；斯特林发动机的冷端则与供热回路连接。

发电***由发电装置16、储电装置17、变压装置18组成。斯特林发动机输出轴功，带动发电机发电，储存在储电装置中。存储的电能通过变压装置供给用户使用。

VM循环热泵的工作原理参考中国专利CN101865566A。VM循环热泵19主要由高温回热器20、低温回热器21、热腔22、冷腔23、高温活塞24、低温活塞25、室温腔26组成，在热腔和冷腔中吸热，在室温腔放热。冷腔连接供冷回路，热腔连接供热回路。

供冷回路由供冷水泵32、冷水入口三通阀29、冷水出口三通阀30组成。

供热回路由供热水泵31、热水入口三通阀27、热水出口三通阀28组成。

下面结合VM循环热泵、供冷回路和供热回路，来介绍本***夏天供冷、冬天供热的运行、调节工况的具体情况，如图3(a)和(b)所示。

夏季时，连接三通阀g与i、j与l、a与b、d与e，则VM循环热泵冷腔与室内换热装置连接，水泵带动回路中的冷水流动，使冷腔与室内的换热，完成了室内的供冷过程；VM循环热泵室温腔及斯特林发动机冷腔则与地下散热器(33)、风冷散热器(34)连接，夏季时地下土壤温度远低于环境温度，可以用于VM循环热泵的室温腔和斯特林发动机的冷腔的散热；夏季极高温时(温度超过38度)，可以开启风冷散热器，作为夏季削峰的手段，保证VM循环热泵和斯特林发动机的正常工作。

冬季时，连接三通阀a与c、d与f、g与h、j与k，则VM循环热泵室温腔及斯特林发动机冷腔与室内换热装置连接，水泵带动回路中的热水流动，使热腔与室内换热，完成了室内的供热过程；VM循环热泵的冷腔则与沼渣沼液储罐连接，吸收沼渣沼液储罐的余热，完成了冷腔的吸热过程。

VM循环热泵连接有补燃装置(35)，遇到住户用冷用热需求的增加或烟气入口温度不够时，可以开启补燃装置进行燃气补燃，满足VM循环热泵的正常工作。烟气管道设有温控开关(36)，可以检测烟气温度，实现补燃装置的自动控制。

供热水***吸收VM循环热泵出口烟气的热量，给热水加热。供热水***设有电加热装置(39)，当热水用量进入高峰期时，烟气余热不足以加热热水，热水水温达不到设定值时，则温控开关自动开启，电加热装置对水箱加热，保证热水的供应需求。

Claims

1.基于斯特林发动机和VM循环热泵的沼气驱动小型分布式能源***，其特征在于，它包括沼气利用***、斯特林发动机、发电***、VM循环热泵、供冷回路、供热回路、供热水***；沼气利用***产生沼气并燃烧，产生的烟气依次经过斯特林发动机、VM循环热泵、供热水***，最后通过排烟装置(40)排出；斯特林发动机带动供电***给用户供电，VM循环热泵通过供冷回路与供热回路给用户供冷和供热，供热水***给用户供热水，实现了冷热电三联产；

所述沼气利用***由进料器(1)，预处理器(2)，沼气发酵罐(3)，沼气净化处理器(4)，沼气存储装置(5)，沼渣沼液储罐(6)，排料器(7)，燃烧器(8)组成；

所述斯特林发动机(9)由热腔(10)、冷腔(12)、热腔活塞(11)、冷腔活塞(13)、回热器(14)、曲柄连杆机构(15)组成；

所述供电***由发电装置(16)、储电装置(17)、变压装置(18)组成；

所述VM循环热泵(19)由高温回热器(20)、低温回热器(21)、热腔(22)、冷腔(23)、室温腔(26)、高温活塞(24)、低温活塞(25)组成；

供冷***由供冷水泵(32)、冷水入口三通阀(29)、冷水出口三通阀(30)组成；

供热***由供热水泵(31)、热水入口三通阀(27)、热水出口三通阀(28)组成；

供热水***由水箱(37)、热水水泵(38)组成。

2.根据权利要求1所述的基于斯特林发动机和VM循环热泵的沼气驱动小型分布式能源***，其特征在于，所述沼气进料和出料得到充分的利用，排出的烟气与预处理器换热，使烟气的余热为预处理器里面的进料预热；冬季的时候，冷腔与出料口连接，使冷腔充分吸收沼渣沼液的余热。

3.根据权利要求1所述的基于斯特林发动机和VM循环热泵的沼气驱动小型分布式能源***，其特征在于，所述VM循环热泵的入口连有补燃装置(35)，并通过温度监测开关(36)控制，若烟气温度达不到VM循环热泵入口温度要求，则温度检测开关自动开启，补燃装置进行补燃；所述供热水***增加电加热装置(39)，通过温控开关控制，当热水用量进入高峰期时，烟气余热不足以加热热水，热水水温达不到设定值时，则温控开关自动开启，电加热装置对水箱加热，保证热水的供应需求。

4.根据权利要求1所述的基于斯特林发动机和VM循环热泵的沼气驱动小型分布式能源***，其特征在于，所述VM循环热泵的室温腔和斯特林发动机的冷腔与供热回路连接，所述VM循环热泵的冷腔与供冷回路连接；夏季的时候，通过调节热水入口三通阀和热水出口三通阀，供冷回路向室内供冷，供热回路向外界散热；冬季的时候，通过调节冷水入口三通阀和冷水出口三通阀，供热回路向室内供热，供冷回路从外界吸热。