基于海洋能及太阳能余热驱动的冷电联供系统及工作方法与流程

1.本发明属于新型余热发电技术领域，特别涉及一种基于海洋能及太阳能余热驱动的冷电联供系统及工作方法。


背景技术：

2.如今，随着能源需求的日益增加，在实现绿色低碳经济转型的需求推动下，开发利用可再生能源逐渐成为我国乃至全球的焦点。海洋是地球上巨大的可再生能源储存体，覆盖地球约70％的海洋所吸收的太阳能相当于2500亿桶石油，海洋蕴藏着丰富的热能、动能、化学能及生物质能；其中，海洋温差能具有绿色无污染、能量储存量大、性能稳定的特点，相比潮汐能以及波浪能，它的开发潜力更大，如果可以开发出低温度梯度、高性能的换热材料，海洋温差能的自身潜力将得到最大化利用。
3.海洋温差能利用的一种重要方式就是温差能发电(ocean thermal energy conversion，简称otec)，它主要利用热力循环系统完成，低沸点工质吸收温海水的热量汽化，汽化后的工质进入汽轮机中膨胀做功，汽轮机出口的乏汽在冷凝器中与冷海水换热并冷凝为液态工质，经工质泵送回蒸发器中完成一次循环。每年海洋温差能的发电潜力大约是87600twh，而每年全球的电力需求大约为16000twh。otec发电系统由最初的朗肯循环到如今应用较广的kalina循环。
4.虽然海上温差能发电理论上具有可行性，但实际上仍存在一些技术难题，包括：
5.(1)循环热效率较低：由于海洋表层海水与深层海水之间的温差较小，只有15℃～25℃，因此理论上朗肯循环的热效率还不到7％；
6.(2)系统的管路排管较困难；
7.(3)由于所需抽吸的海水量较大，海水泵耗功也较大；
8.(4)换热器的换热系数目前仍较低。
9.通常，冷、热海水之间的温差每增加1℃，可利用的能量就会相对增加15％，为了进一步提高热源利用率，越来越多的相关研究关注了联合循环，即kalina循环与其他循环的联合。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于提供一种基于海洋能及太阳能余热驱动的冷电联供系统及工作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明构建的冷电联供循环将kalina循环系统与喷射制冷循环有机结合，以太阳能为辅热热源，利用海洋温差能发电技术，实现发电的同时可以提供冷量的目的。
11.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
12.本发明提供的一种基于海洋能及太阳能余热驱动的冷电联供系统，其特征在于，包括：太阳能集热板、第一发生器、分离器、汽轮机、第一回热器、第二回热器、混合器、第一冷凝器、喷射器、第二冷凝器和蒸发器；
13.所述太阳能集热板的工质出口经所述第一发生器的热源通道与所述太阳能集热板的工质进口相连通；
14.所述分离器的液体出口经所述第一回热器的热源通道与所述混合器的第一进口相连通；所述分离器的气体出口依次经所述汽轮机、所述第二回热器的热源通道与所述混合器的第二进口相连通；所述混合器的出口依次经所述第一冷凝器的热源通道、所述第一回热器的冷源通道、所述第一发生器的冷源通道与所述分离器的进口相连通；
15.所述喷射器的出口依次经所述第二冷凝器的热源通道、所述蒸发器的冷源通道与所述喷射器的第一进口相连通；所述喷射器的出口还依次经所述第二冷凝器的热源通道、所述第二回热器的冷源通道与所述喷射器的第二进口相连通；
16.其中，所述太阳能集热板输入的工质为海水，所述第一发生器的冷源通道输入的工质为基本氨水溶液，所述第二回热器的冷源通道输入的工质为制冷剂。
17.本发明系统的进一步改进在于，还包括：储水罐；
18.所述储水罐设置于所述太阳能集热板的工质出口与所述第一发生器的热源通道之间。
19.本发明系统的进一步改进在于，还包括：旁通管道；
20.所述旁通管道的一端与所述分离器的气体出口相连通，另一端与所述第二回热器的热源通道的进口相连通；
21.所述旁通管道设置有第一节流阀。
22.本发明系统的进一步改进在于，还包括：第二节流阀；
23.所述第二节流阀设置于所述第一回热器的热源通道的出口与所述混合器的第一进口之间的连通管道上。
24.本发明系统的进一步改进在于，还包括：第三节流阀；
25.所述第三节流阀设置于所述蒸发器的冷源通道的进口与所述第二冷凝器的热流通道的出口之间的连通管道上。
26.本发明系统的进一步改进在于，所述第一冷凝器的冷源通道的进口用于输入海水，出口与所述太阳能集热板的工质进口相连通。
27.本发明系统的进一步改进在于，所述第二冷凝器的冷源通道的进口用于输入海水，出口与所述太阳能集热板的工质进口相连通。
28.本发明系统的进一步改进在于，所述制冷剂为r600a。
29.本发明系统的进一步改进在于，还包括：储冷罐；
30.所述储冷罐的工质出口经所述蒸发器的热源通道与所述储冷罐的工质进口相连通。
31.本发明提供的一种基于海洋能及太阳能余热驱动的冷电联供系统的工作方法，包括以下步骤：
32.太阳能集热板的工质进口输入海水并通过太阳能加热，工质出口输出加热后的海水；
33.第一发生器的热源通道输入加热后的海水，输出换热后的海水；第一发生器的冷源通道输入第一回热器预热后的基本氨水溶液，输出升温后的两相区的基本氨水溶液；
34.分离器输入两相区的基本氨水溶液，分离输出饱和富氨蒸汽和贫氨溶液；
35.汽轮机输入饱和富氨蒸汽进行膨胀做功后输出乏汽；第二回热器的热源通道通入汽轮机输出的乏汽，输出换热后的乏汽；第二回热器的冷源通道通入制冷剂工质，输出换热后的饱和蒸汽；
36.第一回热器的热源通道输入贫氨溶液，输出换热后的贫氨溶液；混合器输入换热后的贫氨溶液和换热后的乏汽，等压混合成基本氨水溶液并输出；第一冷凝器的热源通道输入混合器输出的基本氨水溶液，输出换热后的基本氨水溶液；第一回热器的冷源通道输入换热后的基本氨水溶液，输出预热后的基本氨水溶液；
37.喷射器输入第二回热器输出的饱和蒸汽和蒸发器输出的低压蒸汽，输出升压后的蒸汽；第二冷凝器的热源通道输入升压后的蒸汽，输出换热后的制冷剂工质；蒸发器的冷源通道输入换热后的冷流工质，输出低压蒸汽，蒸发器的热源通道用于输出冷量。
38.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
39.本发明提供的新型海洋能及太阳能余热驱动的冷电联供系统，主要由两个子系统组成，其中一个是kalina循环发电系统，另一个是喷射制冷系统；通过将kalina循环系统与喷射制冷循环有机结合起来，以太阳能为辅热热源，利用海洋温差能发电技术，能够在实现发电的同时提供冷量。具体解释性的，喷射制冷循环由kalina循环发电系统中的汽轮机出口的乏汽来带动，这样不仅合理利用了汽轮机乏汽的余热，同时也可降低第一冷凝器的热负荷，减小损失；将kalina循环以及喷射制冷循环有机的结合在一起，为用户提供电能的同时也可以满足用户对于有限冷量的需求。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1是本发明实施例的一种基于海洋能及太阳能余热驱动的冷电联供系统的示意图；
42.图中，1、太阳能集热板；2、储水罐；3、第一增压泵；4、第一发生器；5、分离器；6、第一节流阀；7、汽轮机；8、第一回热器；9、第二节流阀；10、第二回热器；11、混合器；12、第一冷凝器；13、第二增压泵；14、第三增压泵；15、喷射器、16、第二冷凝器；17、第三节流阀；18、蒸发器；19、储冷罐。
具体实施方式
43.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
44.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用
的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
45.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
46.请参阅图1，本发明实施例提供的一种基于海洋能及太阳能余热驱动的冷电联供系统，包括：太阳能集热板1、第一发生器4、分离器5、汽轮机7、第一回热器8、第二回热器10、混合器11、第一冷凝器12、喷射器15、第二冷凝器16和蒸发器18；
47.所述太阳能集热板1的工质出口经所述第一发生器4的热源通道与所述太阳能集热板1的工质进口相连通；
48.所述分离器5的液体出口经所述第一回热器8的热源通道与所述混合器11的第一进口相连通；所述分离器5的气体出口依次经所述汽轮机7、所述第二回热器10的热源通道与所述混合器11的第二进口相连通；所述混合器11的出口依次经所述第一冷凝器12的热源通道、所述第一回热器8的冷源通道、所述第一发生器4的冷源通道与所述分离器5的进口相连通；
49.所述喷射器15的出口依次经所述第二冷凝器16的热源通道、所述蒸发器18的冷源通道与所述喷射器15的第一进口相连通；所述喷射器15的出口还依次经所述第二冷凝器16的热源通道、所述第二回热器10的冷源通道与所述喷射器15的第二进口相连通。
50.本发明实施例提供了一种新型的分布式能源发电系统，充分利用海洋能、太阳能等清洁能源，实现冷电联供；其具体包括：kalina循环发电系统和喷射制冷系统；其中，所述的kalina循环发电系统部件主要由太阳能集热板1、储水罐2、第一增压泵3、第一发生器4、分离器5、第一节流阀6、汽轮机7、第一回热器8、第二节流阀9、第二回热器10、混合器11、第一冷凝器12、第二增压泵13等部件组成；所述的喷射制冷系统部件主要有第三增压泵14、喷射器15、第二冷凝器16、第三节流阀17、蒸发器18、储冷罐19等组成。本发明实施例中，所述的kalina循环发电系统，以氨水混合物作为工作介质；由于冷海水、温海水之间的温差较小，为了得到较高的系统热效率，系统将以太阳能为辅热热源来提高温海水进入第一发生器4的温度。
51.本发明实施例具体提供了一种太阳能集热系统，系统中的流体采用的是海水；其中，太阳能集热板1的进口海水采用第一冷凝器12、第二冷凝器16升温后的海水，充分利用海水的余热，升温后的海水进入太阳能集热板1吸收太阳能，升温转变为温海水，用于加热第一发生器4中的氨水工质。基本浓度的氨水溶液吸收温海水在第一发生器4中释放的热量变成湿蒸汽，随后该湿蒸汽流入分离器中分成两股流体：分别是饱和富氨蒸汽和贫氨溶液；其中，饱和富氨蒸汽驱动汽轮机7进行膨胀做功。汽轮机7的乏汽还带着部分余热，喷射制冷系统利用该余热作为热源，为充分利用这部分余热，降低冷凝器的热负荷并减小损失。高温的贫氨溶液携带的内能在第一回热器8中释放热量给低温的基本氨水溶液，减少了基本氨水溶液在第一发生器4的吸热量。
52.本发明实施例中，在喷射制冷循环中，以r600a为工作介质，工作流体在第二回热器10中吸收来自汽轮机乏汽的余热变成饱和蒸汽，这股高压流体作为第一股流体进入喷射
器中膨胀，随后吸收来自蒸发器中的低压蒸汽。两股流体先混合后在扩压器中升压，随后进入第二冷凝器16中被海水冷凝。第二冷凝器16出口的流体被分成两股，一股经过第三节流阀17降压后流入蒸发器中生成冷量，产生的冷量储存于储冷罐19中。第二冷凝器16出口的另一股经第三增压泵14加压后送回蒸发器18，完成循环。
53.本发明提出了一种新型的海洋能及太阳能余热驱动的冷电联供系统，系统主要由两个子系统组成，一个是kalina循环发电系统，另一个是喷射制冷系统。喷射制冷循环由kalina循环发电系统中的汽轮机出口的乏汽来带动，这样不仅合理利用了汽轮机乏汽的余热，同时也降低了第一冷凝器的热负荷，减小损失。该循环将kalina循环以及喷射制冷循环有机的结合在一起，为用户提供电能的同时也可以满足用户对于有限冷量的需求。
54.本发明实施例的一种新型的海洋能及太阳能余热驱动的冷电联供系统的工作原理包括，系统主要由两个子系统组成，一个是kalina循环发电系统，另一个是喷射制冷系统。
55.海水回水进入太阳能集热板1，吸收太阳能的内能，升温后的海水转变为温海水，首先储存于储水罐2中、在第一增压泵3作用下，温海水被送入第一发生器4，将热量释放给基本氨水溶液，升温后的基本氨水溶液从过冷区转变至两相区；两相区的基本氨水溶液进一步被送入分离器5，在分离器的作用下，处于两相区的氨水溶液被分离成两股流体，分别为干度为1的富氨蒸汽和干度为0的贫氨溶液；饱和富氨蒸汽驱动汽轮机7进行膨胀做功，而贫氨溶液进入第一回热器8中释放热量给温度较低的基本氨水溶液；之后在第二节流阀9的作用下，降压至汽轮机排气压力大小，汽轮机出口的乏汽在第二回热器10中将热量传递给喷射制冷系统，同时也降低了第一冷凝器的热负荷；第二回热器10出口的乏汽与第二节流阀9出口的贫氨溶液在混合器11中等压混合成基本氨水溶液；此后，基本氨水溶液进入第一冷凝器，在第一冷凝器中被冷海水凝结成饱和液态氨水溶液。在第一增压泵13的作用下，基本氨水溶液再次进入第一回热器8，吸收未利用完的余热，最后进入第一发生器4完成kalina循环发电系统。
56.喷射式制冷循环主要包括第三增压泵14、喷射器15、第二冷凝器16、第三节流阀17、蒸发器18、储冷罐19等部件。在该喷射制冷循环中，以r600a为工作介质，工作流体在第二回热器10中吸收来自汽轮机乏汽的余热变成饱和蒸汽，这股高压流体作为第一股流体进入喷射器中膨胀，随后吸收来自蒸发器中的低压蒸汽；两股流体先混合后在扩压器中升压，随后进入第二冷凝器16中被海水冷凝。第二冷凝器出口的流体被分成两股，一股经过第三节流阀17降压后流入蒸发器中生成冷量；另一股经第三增压泵14加压后送回第二回热器10中，完成喷射式制冷循环。
57.本发明提供的一种基于海洋能及太阳能余热驱动的冷电联供系统的工作方法，包括以下步骤：
58.太阳能集热板的工质进口输入海水并通过太阳能加热，工质出口输出加热后的海水；第一发生器的热源通道输入加热后的海水，输出换热后的海水；第一发生器的冷源通道输入第一回热器预热后的基本氨水溶液，输出升温后的两相区的基本氨水溶液；分离器输入两相区的基本氨水溶液，分离输出饱和富氨蒸汽和贫氨溶液；汽轮机输入饱和富氨蒸汽进行膨胀做功后输出乏汽；第二回热器的热源通道通入汽轮机输出的乏汽，输出换热后的乏汽；第二回热器的冷源通道通入制冷剂工质，输出换热后的饱和蒸汽；第一回热器的热源
通道输入贫氨溶液，输出换热后的贫氨溶液；混合器输入换热后的贫氨溶液和换热后的乏汽，等压混合成基本氨水溶液并输出；第一冷凝器的热源通道输入混合器输出的基本氨水溶液，输出换热后的基本氨水溶液；第一回热器的冷源通道输入换热后的基本氨水溶液，输出预热后的基本氨水溶液；喷射器输入第二回热器输出的饱和蒸汽和蒸发器输出的低压蒸汽，输出升压后的蒸汽；第二冷凝器的热源通道输入升压后的蒸汽，输出换热后的制冷剂工质；蒸发器的冷源通道输入换热后的冷流工质，输出低压蒸汽，蒸发器的热源通道用于输出冷量。
59.综上所述，本发明实施例公开的新型的海洋能及太阳能余热驱动的冷电联供系统，系统主要由两个子系统组成，一个是kalina循环发电系统，另一个是喷射制冷系统。本发明引入太阳能为辅助热源来提高温海水与冷海水之间的温差；利用以氨水为工质的kalina循环作为发电循环，提高发电系统的热效率；并采用以r600a为制冷工质的喷射式制冷循环erc，实现冷电联供，在为沿海用户提供电能的同时也提供部分有实际需求的冷量。
60.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。