基于生物质及涡轮增压器的发电系统及发电方法与流程

1.本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种基于生物质及涡轮增压器的发电系统及发电方法。


背景技术：

2.生物质发电是利用生物质所具有的生物质能进行的发电，是可再生能源发电的一种。世界生物质发电起源于20世纪70年代，当时，世界性的石油危机爆发后，丹麦开始积极开发清洁的可再生能源，大力推行秸秆等生物质发电。自1990年以来，生物质发电在欧美许多国家开始大力发展。
3.随着经济的发展和人们生活水平的提高，特别是城市化进程的加快，人们对热能和电能的需求量急剧增加，能源需求的主体呈现出多样化的态势。由于分布式供能系统在温室气体排放、环境保护、能源的高效利用等方面表现出极大的优势而逐渐引起人们的关注。目前国内的分布式供能系统燃料主要是天然气，这种系统初投资较高,主要在沿海城市中使用，在广大农村和西部地区尚未进行相关开发。农村地区生物质资源丰富,生物质分布式能源供给系统在农村将有广阔的应用前景。生物质能源利用有多种形式:包括农林废弃物直接燃烧发电、农林废弃物气化发电、垃圾焚烧发电、垃圾填埋气发电、沼气发电等。
4.目前生物质直燃发电系统主要通过将秸秆等生物质加工成适于锅炉燃烧的形式(粉状或块状)，送入锅炉内充分燃烧，使储存于生物质燃料中的化学能转变成热能，锅炉内的水烧热后产生饱和蒸汽，饱和蒸汽在过热器内继续加热成过热蒸汽进入汽轮机，驱动汽轮启发一体电机组旋转，将蒸汽的内能转换成机械能，最后由启发一体电机将机械能变成电能发电。汽轮机发电装置具有庞大且笨重、能量转换过程长且复杂、热效率低、建设和运营成本相对较高、不宜分散化的小规模的缺陷。


技术实现要素：

5.本发明提供一种基于生物质及涡轮增压器的发电系统及发电方法，本发明可以实现生物质直燃发电装置结构小型化，低成本化。
6.基于生物质及涡轮增压器的发电系统，包括生物质燃烧室，还包括：
7.接收生物质燃烧室产生的热量的热交换组件，热交换组件穿过生物质燃烧室；
8.热交换室，热交换组件穿过热交换室，热交换室上设有第一输入端，热交换室上设有第一输出端；
9.涡轮增压器，涡轮增压器的压气机输出端与热交换室的第一输入端连接，涡轮增压器将产生的压缩空气输入到热交换室内与热交换组件进行热交换，第一输出端与涡轮增压器中的涡轮室配合，获得温度提升的压缩空气通过第一输出端输出到所述涡轮室；
10.启发一体电机，启发一体电机与涡轮增压器中的转子轴连接。
11.基于生物质及涡轮增压器的发电系统的发电方法，包括以下步骤：
12.s1,生物质在生物质燃烧室内燃烧加热热交换组件，启发一体电机作为启动电机
向轮增压器输出扭矩以驱动涡轮增压器旋转，涡轮增压器中的压气机产生的压缩空气输入到热交换室内与热交换组件进行热交换形成高温压缩空气；
13.s2，高温压缩空气通过第一输出端输出到涡轮室内，高温压缩空气对涡轮膨胀做功以提升涡轮增压器中的压气机以及与涡轮增压器连接的启发一体电机的转速；
14.s3，当涡轮增压器或启发一体电机的转速达到设定值时，启发一体电机停止向涡轮增压器输出扭矩，此时，启发一体电机作为发电机并在涡轮增压器驱动下输出电能。
15.本发明是由涡轮增压器改装为发电装置，利用生物质直燃产生的热量加热空气后，对涡轮增压器中的涡轮膨胀做功以驱动涡轮增压器的压气机以及与涡轮增压器同轴连接的启发一体电机，启发一体电机为高速发电机，在系统启动的时候作为启动电机，在转达到设定值时作为发电机。
16.由此可见，本发明利用成熟的涡轮增压器技术可以去掉常规的水蒸气锅炉(附带的水处理装置循环装置)和蒸汽轮机等，具有体积小重量轻造价低等优点。本发明在取代了传统的蒸汽轮子发电的基础上，结构更加简化，可以小规模服务于个体用户，造价更加低廉。
17.本发明采用液态金属或超临界二氧化碳作为与压缩空气进行热交换的介质，相比于水这种传统导热介质来讲，液态金属或超临界二氧化碳具有更高的能量密度、可回收更高热段、更高品位的余热，回收效率大幅提升，工业温度控制范围大幅扩大。
附图说明
18.图1为基于生物质及涡轮增压器的发电系统及发电方法的装配结构示意图。
19.图2为图1中的p部放大图。
20.图3为图1中的q部放大图。
21.生物质燃烧室1，气体输入口1a，废气输出口1b，热交换室2，第一输入端2a，第一输出端2b，涡轮增压器3，压气机3a，涡轮室3b，转子轴3c，启发一体电机4，第一热交换器5，驱动泵6，第一输气管道7，第二输气管道8，回热器9，第二热交换器10，水泵11，蓄水箱12，废气输送管道13，预热室14，尾气处理装置15。
具体实施方式
22.如图1至图3所示，本发明的基于生物质及涡轮增压器的发电系统，包括生物质燃烧室1、热交换组件、热交换室2，涡轮增压器3、启发一体电机4，下面对每部分以及各部分之间的关系进行详细说明：
23.如图1至图3所示，生物质在生物质燃烧室1内燃烧，生物质为任何可燃废弃物或固体危化品等。热交换组件由热端和冷端组成，其中，热交换组件的热端穿过生物质燃烧室1，当生物质在生物质燃烧室1内燃烧时，热交换组件接收生物质燃烧室1内产生的热量。热交换组件在生物质燃烧室1内加热后，使其温度上升，进而通过热传递使在热交换组件内的热交换介质的温度上升。
24.如图1至图3所示，热交换组件穿过热交换室2，即热交换组件的冷端穿过热交换室2，热交换室2上设有第一输入端2a，涡轮增压器3的压气机3a输出端与热交换室2的第一输入端2a连接，涡轮增压器3将产生的压缩空气输入到热交换室2内与热交换组件进行热交
换。
25.如图1至图3所示，涡轮增压器3工作时，涡轮增压器3的压气机3a产生压缩空气通过第一输入端2a输入到热交换室2内。因此，在热交换室2内，压缩空气在热交换室2内与热交换组件进行热交换，从而成为高温压缩空气，压缩空气的温度为750-850℃，本实施例中从热交换室2的第一输出端2b输出的压缩空气的温度为800℃。
26.如图1至图3所示，本实施例中，所述热交换组件包括第一热交换器5、热交换介质、驱动泵6，第一热交换器5分别穿过生物质燃烧室1和热交换室2，第一热交换器5可以是管道，在生物质燃烧室1和热交换室2内的管道的形态均可以采用矩形波的形态，驱动热交换介质沿着第一热交换器5流动的驱动泵6，驱动泵6与第一热交换器5连接。
27.如图1至图3所示，驱动泵6采用电机驱动泵或压缩机，所述热交换介质为液态金属或超临界二氧化碳导热介质。采用液态金属或超临界二氧化碳等作为热交换介质吸收生物质燃烧的热能并汽化后，在热交换组件的冷端对增压后的压缩空气进行加热，并使压缩空气进一步提高压力。
28.如图1至图3所示，本实施例中使用的涡轮增压器3为机械涡轮增压器，即该涡轮增压器3的结构由转子组件、压气机3a、涡轮室3b构成，转子组件的一端与压气机3a连接，转子组件的另一端与涡轮室3b连接，涡轮室3b由涡轮以及环绕在涡轮周围的尾喷管组成，涡轮与转子组件中的转子轴3c连接，尾喷管与转子组件的壳体连接。
29.如图1至图3所示，热交换室2上设有第一输出端2b，第一输出端2b与涡轮增压器3中的涡轮室3b配合，获得温度提升的压缩空气通过第一输出端2b输出到所述涡轮室3b，由于高温压缩空气从热交换室2的第一输出端2b输出，因此，涡轮室3b接收来自第一输出端2b输出的高温压缩空气，高温压缩空气对涡轮室3b内的涡轮形成冲击，在启发一体电机4的工作状态由启动电机切换为发电机后，高温压缩空气作为涡轮的驱动源。
30.如图1至图3所示，启发一体电机4与涡轮增压器3中的转子轴3c连接，优选的方式是，启发一体电机4通过联轴器与转子轴3c连接，启发一体电机4的结构属于现有技术，在引不赘述。启发一体电机4有两种使用方式，第一种作为启动电机对涡轮增压器3提供扭矩，第二种在涡轮增压器3的驱动下作为发电机使用。本实施例中，在初始阶段，启发一体电机4作为启动电机使用以驱动涡轮增压器3工作，当涡轮增压器3的转速或启发一体电机4的转带达到设定值时，启发一体电机4则在涡轮增压器3的驱动下切换为发电机。
31.如图1至图3所示，优选地，所述生物质燃烧室1上设有气体输入口1a，气体输入口1a与所述涡轮室3b的输出端连接，这种结构的好处在于：由于从涡轮室3b内输出的气体仍然是高温的压缩空气，而生物质燃烧室1在燃烧生物质时需要氧气，因此，将涡轮室3b输出的高温压缩空气引入到生物质燃烧室1，使生物质燃烧室1内的氧气处始终处于充沛的状态，从而能起到强化生物质的燃烧，提高生物质燃烧效率的优点，进而能提升热交换组件热端的温度，以及提升后续压缩空气的温度和对涡轮室3b膨胀做功的效率。
32.如图1至图3所示，当启发一体电机4的工作状态由启动电机切换为发电机后，高温压缩空气作为涡轮的驱动源，因此，压缩空气的温度越高，其膨胀做功的效率越高，那么驱动涡轮后涡轮的转速也就越高，由于启发一体电机4与涡轮增压器3中的转子轴3c连接，因此，启发一体电机4的转速与涡轮的转速保持一致，由此可以使启发一体电机4的发电效率获得提升。
33.如图1至图3所示，基于上述，由气体输入口1a与所述涡轮室3b的输出端连接结构，强化了生物质燃烧室1内的燃烧，从而提升了压缩空气的温度，进而提升了压缩空气对涡轮膨胀做功的效率，最终使启发一体电机4的发电效率获得提升。
34.如图1至图3所示，从压气机3a输入端进入到压气机3a内的空气温度是常温，因此，压气机3a向热交换室2提供的压缩空气的温度也是常温的，为了提升压缩空气的温度，本实施例对上述结构进行了以下优化：
35.如图1至图3所示，本实施例还包括第一输气管道7、第二输气管道8以及用于第一输气管道7和第二输气管道8热交换的回热器9，第一输气管道7和第二输气管道8分别穿过回热器9，所述第一输气管道7的一端与压气机3a输出端连接，第一输气管道7的另一端与第一输入端2a连接，所述第二输气管道8的一端与涡轮室3b的输出端连接，第二输气管道8的另一端与气体输入口1a连接。
36.如图1至图3所示，由于第二输气管道8输送的是高温压缩空气，由于回热器9与第二输气管道8的连接关系，因此，经热传递或热交换后，回热器9获取到高温压缩空气中的一部分热量，再通过热传递或热交换的作用，将热量提供给第一输气管道7，从而第一输气管道7内的压缩空气在回热器9处获得第一次温度提升，压缩空气到达热交换室2内之后，与热交换组件进行热交换后，获得第二次温度提升，由此可见，上述结构更容易使压缩空气的温度提升至750-850℃。
37.如图1至图3所示，本实施例还包括第二热交换器10、水泵11、蓄水箱12，所述生物质燃烧室1输出端与第二热交换器10配合，优选地，在生物质燃烧室1上设有废气输出口1b，第二热交换器10位于废气输出口1b中，第二热交换器10的输入端与水泵11的输出端连接，第二热交换器10的输出端与蓄水箱12连接。蓄水箱12内的热水可以直接提供给用户使用，因此，本发明的系统在输出电能的同时还能提供以热水为载体的热能。
38.如图1至图3所示，本实施例中，使燃烧后产生的废气流向废气输出口1b，由于废气输出口1b的空间相对生物质燃烧室1来说体积要小得多，因此，将第二热交换器10配置在废气输出口1b内，在进行热交换时，能使第二热交换器10更多地获得废气中的热量，这样可以使水泵11输送到第二热交换器10中的水的温度上升更快，以及水温也容易达到较高的值，例如进入到蓄水箱12内的水的温度可以达到95℃以上。上述结构对废气中的余热进行了回收并利用。
39.如图1至图3所示，本实施例还包括废气输送管道13、预热室14，废气输送管道13与生物质燃烧室1的输出端配合，优选地，废气输送管道13的一端与废气输出口1b连接，废气输送管道13与预热室14配合以对位于预热室14内的生物质燃料提供预热能量。
40.如图1至图3所示，本实施例中，将废气通入到预热室14内，对位于预热室14内的生物质燃料进行预热，预热后的生物质燃料进入到热交换室2中后更容易燃烧。废气对生物质燃料预热后从预热室14输出，本实施例中设置了尾气处理装置15，通过尾气处理装置15对废气进行处理达到排放标准后排入大气，尾气处理装置15属于现有技术，在此不再赘述。
41.如图1至图3所示，采用上述基于生物质及涡轮增压器的发电系统的发电方法，包括以下步骤：
42.s1,生物质在生物质燃烧室1内燃烧加热热交换组件，启发一体电机4作为启动电机向轮增压器3输出扭矩以驱动涡轮增压器3旋转，涡轮增压器3中的压气机3a产生的压缩
空气输入到热交换室2内与热交换组件进行热交换形成高温压缩空气。
43.将生物质燃料在生物质燃烧室1内燃烧并释放热能，热交换组件内的热交换介质在驱动器6的驱动下沿着第一热交换器5流动，生物质燃烧室1内释放的热量对热交换介质进行间接加热，热交换介质在驱动器6的驱动下到达第一热交换器5位于热交换室2内的部分后与压缩空气进行热交换，热交换介质在释放热量后由驱动泵6驱动，重新流动到第一热交换器5位于生物质燃烧室1内的部分再吸收生物质燃料释放的热量，如此循环往复。
44.涡轮增压器3的压气机3a吸入自然空气后，经过涡轮增压器3的压气机3a增压形成压缩空气后进入热交换室2内，压缩空气与热交换组件进行热交换，压缩空气的温度获得提升形成高温的压缩空气，并使压缩空气进一步提高压力。
45.s2，高温压缩空气通过第一输出端2b输出到涡轮室3b内，高温压缩空气对涡轮膨胀做功以提升涡轮增压器3中的压气机3a以及与涡轮增压器3连接的启发一体电机4的转速；即，高温的压缩空气作为涡轮增压器3的一种驱动源。
46.s3，当涡轮增压器3或启发一体电机4的转速达到设定值时，启发一体电机4停止向涡轮增压器3输出扭矩，此时，启发一体电机4作为发电机并在涡轮增压器3驱动下输出电能。例如，当涡轮增压器3的转速稳定在10000至15000转每分钟时，将启发一体电机4由启动电机的状态切换为发电机的状态，此时完全以高温的压缩空气作用动力源来驱动涡轮增压器3工作，涡轮增压器3带动启发一体电机4工作，从而使启发一体电机4产生电能。
47.优选地，从涡轮室3b中输出的高温压缩空气通过第二输气管道8输送到生物质燃烧室1，用于强化生物质的燃烧效率。这种方案是对高温压缩空气中的热能进行回收并利用，有利于提升发电系统的整体效率。
48.优选地，涡轮增压器3中的压气机3a产生的压缩空气通过第一输气管道7输送到热交换室2，采用回热器9将第二输气管道8上的热量提供给第一输气管道7对压气机3a输出的压缩空气进行预热。这种方案是对高温压缩空气中的热能进行回收并利用，使压气机3a输出的压缩空气的温度获得提高，有利于提升发电系统的整体效率。
49.优选地，将生物质燃烧室1输出的废气与第二热交换器10进行换交换，水泵11输送的水通过第二热交换器10获得加热后流入蓄水箱12内保存；和/或将生物质燃烧室1输出的废气与预热室14进行热交换，对位于预热室14内的生物质燃料进行预热。这种方案燃烧排放废气中的热能进行回收，一方面通过第二热交换器10对水进行加热，以供用户能使用热水，另一方面对生物质燃料进行预热，有利于提升发电系统的整体效率。
50.本发明具有如下优势：
51.1.将生物质燃烧室1、热交换组件、热交换室2，涡轮增压器3、启发一体电机4的组合形成的发电系统，取代了汽轮机发电，由于涡轮增压器3具有体积小，压缩气体可由自身产生，通过生物质燃烧室1、热交换组件、热交换室2对压缩气体提升温度以达到对涡轮膨胀做功的需求即可，因此，本发明实现了生物质直燃发电装置结构小型化，低成本化，小规模分散化，更容易服务于个体用户。
52.2.液态金属或超临界二氧化碳导热介质取代传统水这一导热介质，提高了生物质直燃发电装置热效率，充分余热回收再利用。
53.3.发电机与启动电机合为一体，启发一体电机实现了系统进一步简化。
54.4.整个系统更具有节能性，环保性。
55.最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本发明的较优实施例用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，更不是限制本发明的专利范围；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。