CN103807009A - 太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统及方法，该系统包括太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统、太阳能燃料内燃机发电系统、太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统、烟气余热回收反应装置、尾气余热回收换热器和缸套水板式换热器。利用本发明，采用的太阳能与替代燃料互补实现了太阳能向燃料化学能的转化；使光转化合成气燃料储存，且与内燃机冷热电联产系统耦合，不仅储能密度高、储能装置容积小，而且同时达到低成本、高效的太阳能冷、热、电联供的多功能目的，而非单独的高成本的太阳能发电、供冷、供热，因此有效地解决了现有太阳能热利用蓄能难、成本高和效率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及多能源互补及新能源和节能减排技术领域，具体是一种太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统及方法。
背景技术
利用太阳热能发电、制冷和供热，是实现我国2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15％左右目标的主要措施之一。但由于太阳能能量密度低、不连续和蓄能难，造成太阳能利用率低下，开发利用程度受到严重限制。特别是对于太阳能热发电，无论采用槽式还是塔式的太阳能热发电技术，高温不稳定的大热流密度吸收器和发电工质温度低造成的成本高、效率低等技术瓶颈，是太阳能热发电无法规模化应用的主要根源。另外，当单独利用太阳热能来供暖或制冷时，由于太阳能不稳定、不连续性与采暖、制冷需求相对稳定存在矛盾。
太阳能热利用与其他资源互补，特别是太阳能与化石能源互补，是目前解决太阳能利用率低、不连续问题的一个主要途径。国际上太阳热能与化石能源互补多是在太阳能达不到所需温度或无太阳能时，由化石燃料直接燃烧供给能量。这种简单的太阳能集热与化石燃料直接燃烧的互补技术在太阳能供热、制冷以及太阳能热发电系统中广泛使用。但它没有注重不同资源互补过程的能量品位对口和匹配，仅仅是一种不同资源的简单叠加利用。
以内燃机为动力核心的冷热电联产系统是当前具有较好应用前景的分布式能源系统。相对燃气轮机，内燃机不仅装置成本低，而且在低负荷运行工况下，具有相对好的部分负荷特性。但目前汽油或柴油内燃机为动力核心的冷热电系统大多存在严重污染物排放问题。另外，在冬季，过高温度的排烟余热(400-600℃)直接供暖，造成了大量余热的浪费。因此，如何实现变工况下高效稳定运行，即保证变工况下互补系统的发电功率稳定且太阳能净发电功率接近设计值，同时实现太阳能资源的充分有效利用，成为了太阳能与火电站互补技术的急需解决的重要技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统及方法，以解决现有太阳能热利用蓄能难、成本高和效率低的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，该系统包括太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100、太阳能燃料内燃机发电系统200、太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统300、烟气余热回收反应装置15、尾气余热回收换热器16和缸套水板式换热器17，其中：
太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100，采用槽式聚光镜4将太阳能聚光投射到沿槽式聚光镜4焦线布置的管式吸热反应器5上，驱动管式吸热反应器5中的替代燃料分解或重整为太阳能燃料；
太阳能燃料内燃机发电系统200，包括燃气内燃机11和发电机12，
太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100产生的太阳能燃料直接驱动内燃机11发电，通过内燃机11气缸内燃烧释放高温热量，经发电机12转化为电能并输出；
太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统300，包括烟气换热器13和蒸汽型双效溴化锂制冷机组14，太阳能燃料在内燃机11中燃烧发电后的烟气余热，经烟气换热器13产生蒸汽，驱动蒸汽型双效溴化锂制冷机组14制冷并输出；
烟气余热回收反应装置15，内燃机11排出的烟气和在太阳能辐照不足或阴天下雨时经预热蒸发器3预热的替代燃料均进入烟气余热回收反应装置15，烟气余热提供替代燃料转换为富氢燃料需要的反应热，使替代燃料全部转换为富氢燃料进入内燃机11，剩余的烟气余热分别进入烟气换热器13和尾气余热回收换热器16；
尾气余热回收换热器16，烟气换热器13产生的蒸汽和烟气余热回收反应装置15中送来的烟气经尾气余热回收换热器16加热给水产生生活热水；
缸套水板式换热器17，内燃机11的缸套水通过缸套水板式换热器17加热给水产生生活热水，产生的生活热水同时提供给预热蒸发器3使用。
为达到上述目的，本发明还提供了一种太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电方法，应用于所述的系统，该方法包括：
太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100采用槽式聚光镜4将太阳能聚光投射到沿槽式聚光镜4焦线布置的管式吸热反应器5上，驱动管式吸热反应器5中的替代燃料分解或重整为太阳能燃料；
太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100产生的太阳能燃料直接驱动太阳能燃料内燃机发电系统200中的内燃机11发电，通过内燃机11气缸内燃烧释放高温热量，经太阳能燃料内燃机发电系统200中的发电机12转化为电能并输出；
太阳能燃料在内燃机11中燃烧发电后的烟气余热，经太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统300中的烟气换热器13产生蒸汽，驱动太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统300中的蒸汽型双效溴化锂制冷机组14制冷并输出。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，采用的太阳能与替代燃料互补实现了太阳能向燃料化学能的转化。内燃机动力采用的是替代燃料二次转化后的燃烧，不是替代燃料的直接燃烧。使光转化合成气燃料储存，且与内燃机冷热电联产系统耦合，不仅储能密度高、储能装置容积小，而且同时达到低成本、高效的太阳能冷、热、电联供的多功能目的；而且还可依据冷热负荷变化，通过调节太阳能燃料燃烧烟气量，既可太阳能热电联供、也可冷电联供。本发明非单独的高成本的太阳能发电、供冷、供热，因此有效地解决了现有太阳能热利用蓄能难、成本高和效率低的问题。
2、本发明提供太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，具有容量小、太阳能能源综合利用率高及经济性好等特点。对于集热面积325m2，集热功率140kW的槽式太阳能吸收反应系统与一台额定功率为380kW的内燃机的冷热电相结合的联产系统。若设定太阳能年运行时间2500h，太阳辐照强度600W/m2，甲醇燃料2000元/吨。该互补系统年供电量可达到90.3万kWh，年供冷量达到53.2万kWh，年供热量达到72.4万kWh，年一次能源节能率达到30.2％，互补系统全年能量综合利用效率达到70-80％。太阳能净发电效率达到25-28％，远超于太阳能单独发电10-17％的水平。若以冷价0.45元/kWh，热价0.3元/kWh，电价1.08元/kWh计算，容量为380kW的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电联产系统，其单位装置投资成本约5000元/kW，投资回收期在8年左右，远低于现有太阳能热发电技术投资成本。
3、本发明提供太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，如果与单一太阳能光伏发电、太阳能供热、供冷的分产技术比较，保守考虑互补系统的太阳能集热效率50％，太阳能供热及制冷集热效率70％，光伏发电效率15％。在输出相同的冷、电、热的情况下，该互补分布式供能系统可节约太阳能集热面积24％，也就是说，太阳能镜场占地面积和投资成本将比分产减少24％。
4、本发明提供太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，采用太阳能与替代燃料互补，通过内燃机冷热电实现中低温太阳能高效、高质利用，突破了太阳能单独发电、制冷和供暖成本高、效率低的技术瓶颈。具有小型化、灵活、分散、和较好的经济性、环保性特点，可广泛应用于荒漠、边防哨所等偏僻地区的小规模供电、制冷及供热，具有重要的经济和社会价值。
附图说明
图1是本发明提供太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统的结构示意图。
图2是本发明提供的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电方法的流程图。
附图标记：
100太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统：
1原料罐，2原料泵，3预热蒸发器，4槽式聚光镜，5管式吸热反应器，6冷凝器，7气液分离器，8压气机，9储气罐，10循环泵；
200太阳能燃料内燃机发电系统：
11内燃机，12发电机；
300太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统：
13烟气换热器，14蒸汽型双效溴化锂制冷机组；
15烟气余热回收反应装置；
16尾气余热回收换热器；
17缸套水板式换热器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的核心思想是：首先通过集成太阳能与替代燃料转化的热化学互补，取消太阳能热利用的传统蓄能装置；再与内燃机发电系统、吸收式制冷系统和供暖及热水系统的集成，可以为用户同时提供冷、热、电，实现中低温太阳能高效、低成本的综合利用。
本发明首先通过互补式的管式吸热反应器，将聚集的150～300℃的太阳能通过替代燃料重整或裂解，被提升到高品位二次富氢燃料(H2、CO2、CO)化学能的形式。太阳能燃料经压缩机、储气罐进入小型或中型内燃机燃烧，推动发电机组发电，从而实现了中低温太阳能的高效热发电。夏季，太阳能燃料燃烧后的高温烟气余热，经余热锅炉和溴化锂余热吸收式制冷系统，提供夏季的冷负荷，完成太阳能燃料余热的制冷利用，尾气及缸套冷却水提供热水负荷。冬季，缸套水余热和尾气部分余热通过热交换器提供供暖和生活热水负荷。
如图1所示，本发明提供的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，包括太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100，太阳能燃料内燃机发电系统200、太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统300、烟气余热回收反应装置15、尾气余热回收换热器16和缸套水板式换热器17。
其主要连接方式是：太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100通过管道分别与太阳能燃料内燃机发电系统200、烟气余热回收反应装置15及缸套水板式换热器17连接，太阳能燃料内燃机发电系统200通过管道分别与太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100、太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统300、烟气余热回收反应装置15及缸套水板式换热器17连接，太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统300通过管道分别与太阳能燃料内燃机发电系统200、烟气余热回收反应装置15及尾气余热回收换热器16连接。所有连接管道均设置有阀门进行控制。
太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100包括原料罐1、原料泵2、预热蒸发器3、槽式聚光镜4、管式吸热反应器5、冷凝器6、气液分离器7、压气机8、储气罐9和循环泵10。太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100采用槽式聚光镜4将太阳能聚光投射到沿槽式聚光镜4焦线布置的管式吸热反应器5上，驱动管式吸热反应器5中的替代燃料分解或重整为太阳能燃料。替代燃料是甲醇和二甲醚等。经太阳能热化学反应，转化并直接储存为H2、CO2、CO等太阳能燃料。太阳能经槽式聚光镜4聚集，投射到沿槽式聚光镜4的焦线布置的管式吸收反应器5；原料罐1中的替代燃料经混合后，由原料泵2送至预热蒸发器3中进行预热、蒸发和过热，形成的原料气进入管式吸热反应器5，在管式吸热反应器5内吸收150℃～300℃太阳热能，进行分解或重整反应；自管式吸热反应器5出口的产物，包括H2、CO、CO2及未反应物料，进入冷凝器6中冷却降温，产生的气液混合物进入气液分离器7实现气液分离，气液分离器7生成的燃料经压气机8进入太阳能燃料储气罐9。
太阳能燃料内燃机发电系统200包括燃气内燃机11和发电机12。在所述太阳能燃料内燃机发电系统200中，太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100产生的太阳能燃料与来自外部的空气经空气混合器和气体压缩机后进入内燃机11燃烧，释放高温热量，产生的高温烟气经发电机组12发电，实现电力输出。其中，高温烟气中含有H2O、N2、O2，以及少量的CO2。内燃机11内燃烧的是太阳能燃料，排出的烟气进入到烟气余热回收反应装置15。
太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统300包括烟气换热器13和蒸汽型双效溴化锂制冷机组14。在所述太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统300中，烟气换热器13将内燃机11排出的烟气转化为蒸汽，在夏季制冷季节驱动蒸汽型双效溴化锂制冷机组14实现制冷，完成内燃机排烟余热的制冷利用；在冬季供暖季节产生供暖热水，经尾气余热回收换热器16加热给水产生生活热水，完成内燃机排烟余热的供暖利用。
所述缸套水板式换热器17利用所述内燃机11的缸套水加热给水产生生活热水，产生的生活热水同时提供给预热蒸发器3来满足燃料的预热和蒸发的热量需求。
烟气余热回收反应装置15与太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100并行。在太阳能辐照不足或阴天下雨时，启动烟气余热回收反应装置15，经预热蒸发器3预热的替代燃料与内燃机11排出的烟气均进入烟气余热回收反应装置15，烟气余热提供替代燃料转换为富氢燃料需要的反应热，使替代燃料全部转换为富氢燃料进入内燃机11，剩余的烟气余热分别进入烟气换热器13和尾气余热回收换热器16，在烟气换热器13产生蒸汽，在夏季制冷季节驱动蒸汽型双效溴化锂制冷机组14实现制冷；在尾气余热回收换热器16中加热给水产生生活热水。在烟气余热回收反应装置15中，甲醇可以转换为合成气，以保证内燃机工作过程中的燃料供应。
在烟气余热回收反应装置15中，内燃机11排出的烟气和在太阳能辐照不足或阴天下雨时经预热蒸发器3预热的替代燃料均进入烟气余热回收反应装置15，烟气余热提供替代燃料转换为富氢燃料需要的反应热，使替代燃料全部转换为富氢燃料进入内燃机11，剩余的烟气余热分别进入烟气换热器13和尾气余热回收换热器16。
在烟气余热回收反应装置15中，烟气余热提供甲醇燃料转换为富氢燃料需要的反应热，使替代燃料全部转换，以保证进入内燃机11的燃料燃烧是富氢燃料的燃烧，而非替代燃料的直接燃烧。
烟气换热器13产生的蒸汽和烟气余热回收反应装置15中送来的烟气经尾气余热回收换热器16加热给水产生生活热水。
本发明提供的这种太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，可以在不同负荷、不同场合下，通过控制系统采用不同方式运行，具有共同实现中低温太阳能高效、高质的发电、制冷、供热的功能。
太阳能与替代燃料互补反应具有蓄能作用，但不需要设置蓄热装置。在太阳能充足时，甲醇燃料预热、蒸发过程由太阳能提供热量；阴天和冬天由内燃机尾气及缸套冷却水等余热提供。太阳能驱动替代燃料是通过物料循环的反应过程，不是物料一次通过反应过程。在太阳能辐照高于设计辐照强度时，可用燃料气罐，将多余生产的合成气储存。
根据冷热负荷变化，本发明提供的这种太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，通过调节烟气换热器13产生的蒸汽量，既可热电联供也可冷电联供。没有冷热负荷时，可以通过控制装置，解耦制冷和供热子系统，进行太阳能与替代燃料互补的内燃机单独发电。
在太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100中，管式吸热反应器5采用一次通过反应和物料循环反应两种方式。在控制策略上，满足太阳能利用份额最大化和物料流量最大条件下，根据太阳能辐照变化，通过关启原料循环泵10，可以采用一次通过反应和物料循环反应两种模式。当太阳辐照强度很大，能满足替代燃料完全反应需要温度，关闭循环泵10，采用一次通过转化运行方式；自管式吸热反应器5出口的产物，包括H2、CO、CO2及未反应物料，进入冷凝器6中冷却降温，产生的气液混合物进入气液分离器7实现气液分离，气液分离器7生成的燃料经压气机8进入太阳能燃料储气罐9。当太阳辐照强度不能保证物料最大流量下的完全转化，开启循环泵10，采用物料循环和物料部分反应的方式；未反应物料从气液分离器7进入原料罐1，与原料罐1中的替代燃料混合后，经原料泵2送至预热蒸发器3中进行预热、蒸发和过热，形成的原料气进入管式吸热反应器5，进行循环使用。
管式吸热反应器5出口的反应产物主要是H2、CO、CO2和未参加反应的甲醇燃料。反应产物经冷凝器6冷却和气液分离器7分离，以H2、CO、CO2为主要成分的太阳能燃料被压缩进入储气罐9。未反应的反应产物进入原料罐1，通过原料泵2、预热蒸发器3和管式吸热反应器5，进行循环使用。
太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100的储气罐9出口管道与内燃机11燃料进口管道相连。太阳能燃料在内燃机11汽缸内燃烧，释放高温热量，驱动内燃机，转化为高质电能利用。内燃机11燃烧的是太阳能燃料，是太阳能驱动替代燃料重整或热解带来组分发生变化和热值增加的二次燃料的燃烧。
甲醇燃料预热、蒸发过程可以由太阳能提供热量，阴天和冬天，可以采用由缸套水板式换热器17冷却水的余热提供。
基于图1所示的系统，图2示出了本发明提供的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电方法的流程图，该方法包括：
步骤1：太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100采用槽式聚光镜4将太阳能聚光投射到沿槽式聚光镜4焦线布置的管式吸热反应器5上，驱动管式吸热反应器5中的替代燃料分解或重整为太阳能燃料；
步骤2：太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100产生的太阳能燃料直接驱动太阳能燃料内燃机发电系统200中的内燃机11发电，通过内燃机11气缸内燃烧释放高温热量，经太阳能燃料内燃机发电系统200中的发电机12转化为电能并输出；
步骤3：太阳能燃料在内燃机11中燃烧发电后的烟气余热，经太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统300中的烟气换热器13产生蒸汽，驱动太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统300中的蒸汽型双效溴化锂制冷机组14制冷并输出。
在步骤1中，所述太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100包括原料罐1、原料泵2、预热蒸发器3、槽式聚光镜4、管式吸热反应器5、冷凝器6、气液分离器7、压气机8和储气罐9，其中：太阳能经槽式聚光镜4聚集，投射到沿槽式聚光镜4的焦线布置的管式吸收反应器5；原料罐1中的替代燃料经混合后，由原料泵2送至预热蒸发器3中进行预热、蒸发和过热，形成的原料气进入管式吸热反应器5，在管式吸热反应器5内吸收150℃～300℃太阳热能，进行分解或重整反应；自管式吸热反应器5出口的产物，包括H2、CO、CO2及未反应物料，进入冷凝器6中冷却降温，产生的气液混合物进入气液分离器7实现气液分离，气液分离器7生成的燃料经压气机8进入太阳能燃料储气罐9。
进一步地，所述太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统100还包括循环泵10，连接于气液分离器7与原料罐1之间，当太阳辐照强度不能保证物料最大流量下的完全转化，开启循环泵10，采用物料循环和物料部分反应的方式；未反应物料从气液分离器7进入原料罐1，与原料罐1中的替代燃料混合后，经原料泵2送至预热蒸发器3中进行预热、蒸发和过热，形成的原料气进入管式吸热反应器5，进行循环使用。当太阳辐照强度很大，能满足替代燃料完全反应需要温度，关闭循环泵10，采用一次通过转化运行方式；自管式吸热反应器5出口的产物，包括H2、CO、CO2及未反应物料，进入冷凝器6中冷却降温，产生的气液混合物进入气液分离器7实现气液分离，气液分离器7生成的燃料经压气机8进入太阳能燃料储气罐9。
在图2所示的方法中，在太阳能辐照不足或阴天下雨时，启动烟气余热回收反应装置15，经预热蒸发器3预热的替代燃料与内燃机11排出的烟气均进入烟气余热回收反应装置15，烟气余热提供替代燃料转换为富氢燃料需要的反应热，使替代燃料全部转换为富氢燃料进入内燃机11，剩余的烟气余热分别进入烟气换热器13和尾气余热回收换热器16，在烟气换热器13产生蒸汽，在夏季制冷季节驱动蒸汽型双效溴化锂制冷机组14实现制冷；在尾气余热回收换热器16中加热给水产生生活热水。在所述烟气余热回收反应装置15中，内燃机11排出的烟气余热提供替代燃料转换为富氢燃料需要的反应热，使替代燃料全部转换，以保证进入内燃机11的燃料燃烧是富氢燃料的燃烧，而非替代燃料的直接燃烧。
内燃机11排出的烟气和在太阳能辐照不足或阴天下雨时经预热蒸发器3预热的替代燃料均进入烟气余热回收反应装置15，烟气余热提供替代燃料转换为富氢燃料需要的反应热，使替代燃料全部转换为富氢燃料进入内燃机11，剩余的烟气余热分别进入烟气换热器13和尾气余热回收换热器16。内燃机11的缸套水通过缸套水板式换热器17加热给水产生生活热水，产生的生活热水同时提供给预热蒸发器3使用。烟气换热器13产生的蒸汽和烟气余热回收反应装置15中送来的烟气经尾气余热回收换热器16加热给水产生生活热水。
下面以一个具体例子来说明。西部某边防哨所地区，需要有电力、供暖、生活热水和制冷需求。该地区太阳能可利用的时间段内年平均辐照强度约为400W/m2。年均电力负荷(全年)为110kW，年均生活热水负荷为70kW，制冷负荷为100kW(制冷季节)，供暖负荷为80kW(供暖季节)。
若采用本发明提出的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，根据负荷情况，可采用方案的主要设备及参数如表1所示。
表1主要设备及参数
本实施例太阳能净发电量116kW，制冷110kW，年满负荷运行时间为8760小时，年供电量100万kWh，年耗甲醇650吨，年制冷量为32万kWh，年供暖量24万kWh，年供热水量52万kWh。系统可在7年内回收投资。
若采用甲醇燃烧的分产系统，即购买网电，并使用甲醇锅炉加热生活热水。按照网电效率为30.4％(考虑8％的网损后)，甲醇热水锅炉效率为85％，则在与联产相同产出的情况下，分产系统共需要消耗甲醇800吨。由此可以看出，本发明提供的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统节能率可达23％。
如果夏季制冷季节和冬季供暖季节用20％的烟气余热分解甲醇，则年供电量为100万kWh，年制冷量为26万kWh，年供暖量为19万kWh，年供热水量为50万kWh，年耗甲醇量650吨，系统可在8年内回收投资。
若采用甲醇燃烧的分产系统，即购买网电，并使用甲醇锅炉加热生活热水。按照网电效率为30.4％(考虑8％的网损后)，甲醇热水锅炉效率为85％，则在与联产相同产出的情况下，分产系统共需要消耗甲醇789吨。由此可以看出，本发明提供的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统节能率可达20.2％。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (21)
1.一种太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，其特征在于，该系统包括太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统(100)、太阳能燃料内燃机发电系统(200)、太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统(300)、烟气余热回收反应装置(15)、尾气余热回收换热器(16)和缸套水板式换热器(17)，其中：
太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统(100)，采用槽式聚光镜(4)将太阳能聚光投射到沿槽式聚光镜(4)焦线布置的管式吸热反应器(5)上，驱动管式吸热反应器(5)中的替代燃料分解或重整为太阳能燃料；
太阳能燃料内燃机发电系统(200)，包括燃气内燃机(11)和发电机(12)，太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统(100)产生的太阳能燃料直接驱动内燃机(11)发电，通过内燃机(11)气缸内燃烧释放高温热量，经发电机(12)转化为电能并输出；
太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统(300)，包括烟气换热器(13)和蒸汽型双效溴化锂制冷机组(14)，太阳能燃料在内燃机(11)中燃烧发电后的烟气余热，经烟气换热器(13)产生蒸汽，驱动蒸汽型双效溴化锂制冷机组(14)制冷并输出；
烟气余热回收反应装置(15)，内燃机(11)排出的烟气和在太阳能辐照不足或阴天下雨时经预热蒸发器(3)预热的替代燃料均进入烟气余热回收反应装置(15)，烟气余热提供替代燃料转换为富氢燃料需要的反应热，使替代燃料全部转换为富氢燃料进入内燃机(11)，剩余的烟气余热分别进入烟气换热器(13)和尾气余热回收换热器(16)；
尾气余热回收换热器(16)，烟气换热器(13)产生的蒸汽和烟气余热回收反应装置(15)中送来的烟气经尾气余热回收换热器(16)加热给水产生生活热水；
缸套水板式换热器(17)，内燃机(11)的缸套水通过缸套水板式换热器(17)加热给水产生生活热水，产生的生活热水同时提供给预热蒸发器(3)使用。
2.根据权利要求1所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，其特征在于，所述太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统(100)包括原料罐(1)、原料泵(2)、预热蒸发器(3)、槽式聚光镜(4)、管式吸热反应器(5)、冷凝器(6)、气液分离器(7)、压气机(8)和储气罐(9)，其中：
太阳能经槽式聚光镜(4)聚集，投射到沿槽式聚光镜(4)的焦线布置的管式吸收反应器(5)；原料罐(1)中的替代燃料经混合后，由原料泵(2)送至预热蒸发器(3)中进行预热、蒸发和过热，形成的原料气进入管式吸热反应器(5)，在管式吸热反应器(5)内吸收150℃～300℃太阳热能，进行分解或重整反应；自管式吸热反应器(5)出口的产物，包括H2、CO、CO2及未反应物料，进入冷凝器(6)中冷却降温，产生的气液混合物进入气液分离器(7)实现气液分离，气液分离器(7)生成的燃料经压气机(8)进入太阳能燃料储气罐(9)。
3.根据权利要求2所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，其特征在于，所述太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统(100)还包括循环泵(10)，连接于气液分离器(7)与原料罐(1)之间，当太阳辐照强度不能保证物料最大流量下的完全转化，开启循环泵(10)，采用物料循环和物料部分反应的方式；未反应物料从气液分离器(7)进入原料罐(1)，与原料罐(1)中的替代燃料混合后，经原料泵(2)送至预热蒸发器(3)中进行预热、蒸发和过热，形成的原料气进入管式吸热反应器(5)，进行循环使用。
4.根据权利要求3所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，其特征在于，当太阳辐照强度很大，能满足替代燃料完全反应需要温度，关闭循环泵(10)，采用一次通过转化运行方式；自管式吸热反应器(5)出口的产物，包括H2、CO、CO2及未反应物料，进入冷凝器(6)中冷却降温，产生的气液混合物进入气液分离器(7)实现气液分离，气液分离器(7)生成的燃料经压气机(8)进入太阳能燃料储气罐(9)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，其特征在于，所述替代燃料是甲醇和二甲醚，经太阳能热化学分解或重整反应，转化并直接储存为太阳能燃料H2、CO2和CO。
6.根据权利要求1所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，其特征在于，在所述太阳能燃料内燃机发电系统(200)中，太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统(100)产生的太阳能燃料与来自外部的空气经空气混合器和气体压缩机后进入内燃机(11)燃烧，释放高温热量，产生的高温烟气经发电机组(12)发电，实现电力输出。
7.根据权利要求6所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，其特征在于，所述高温烟气中含有H2O、N2、O2，以及少量的CO2。
8.根据权利要求6所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，其特征在于，所述内燃机(11)内燃烧的是太阳能燃料，排出的烟气进入到烟气余热回收反应装置(15)。
9.根据权利要求1所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，其特征在于，在所述太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统(300)中，烟气换热器(13)将内燃机(11)排出的烟气转化为蒸汽，在夏季制冷季节驱动蒸汽型双效溴化锂制冷机组(14)实现制冷，完成内燃机排烟余热的制冷利用；在冬季供暖季节产生供暖热水，经尾气余热回收换热器(16)加热给水产生生活热水，完成内燃机排烟余热的供暖利用。
10.根据权利要求1所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，其特征在于，所述缸套水板式换热器(17)利用所述内燃机(11)的缸套水加热给水产生生活热水，产生的生活热水同时提供给预热蒸发器(3)来满足燃料的预热和蒸发的热量需求。
11.根据权利要求1所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，其特征在于，所述烟气余热回收反应装置与所述太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统(100)并行，在太阳能辐照不足或阴天下雨时，启动烟气余热回收反应装置(15)，经预热蒸发器(3)预热的替代燃料与内燃机(11)排出的烟气均进入烟气余热回收反应装置(15)，烟气余热提供替代燃料转换为富氢燃料需要的反应热，使替代燃料全部转换为富氢燃料进入内燃机(11)，剩余的烟气余热分别进入烟气换热器(13)和尾气余热回收换热器(16)，在烟气换热器(13)产生蒸汽，在夏季制冷季节驱动蒸汽型双效溴化锂制冷机组(14)实现制冷；在尾气余热回收换热器(16)中加热给水产生生活热水。
12.根据权利要求11所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电系统，其特征在于，在所述烟气余热回收反应装置(15)中，内燃机(11)排出的烟气余热提供替代燃料转换为富氢燃料需要的反应热，使替代燃料全部转换，以保证进入内燃机(11)的燃料燃烧是富氢燃料的燃烧，而非替代燃料的直接燃烧。
13.一种太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电方法，应用于权利要求1所述的系统，其特征在于，该方法包括：
太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统(100)采用槽式聚光镜(4)将太阳能聚光投射到沿槽式聚光镜(4)焦线布置的管式吸热反应器(5)上，驱动管式吸热反应器(5)中的替代燃料分解或重整为太阳能燃料；
太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统(100)产生的太阳能燃料直接驱动太阳能燃料内燃机发电系统(200)中的内燃机(11)发电，通过内燃机(11)气缸内燃烧释放高温热量，经太阳能燃料内燃机发电系统(200)中的发电机(12)转化为电能并输出；
太阳能燃料在内燃机(11)中燃烧发电后的烟气余热，经太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统(300)中的烟气换热器(13)产生蒸汽，
驱动太阳能燃料烟气余热吸收式溴化锂制冷系统(300)中的蒸汽型双效溴化锂制冷机组(14)制冷并输出。
14.根据权利要求13所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电方法，其特征在于，所述太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统(100)包括原料罐(1)、原料泵(2)、预热蒸发器(3)、槽式聚光镜(4)、
管式吸热反应器(5)、冷凝器(6)、气液分离器(7)、压气机(8)和储气罐(9)，其中：
太阳能经槽式聚光镜(4)聚集，投射到沿槽式聚光镜(4)的焦线布置的管式吸收反应器(5)；原料罐(1)中的替代燃料经混合后，由原料泵(2)送至预热蒸发器(3)中进行预热、蒸发和过热，形成的原料气进入管式吸热反应器(5)，在管式吸热反应器(5)内吸收150℃～300℃太阳热能，进行分解或重整反应；自管式吸热反应器(5)出口的产物，包括H2、CO、CO2及未反应物料，进入冷凝器(6)中冷却降温，产生的气液混合物进入气液分离器(7)实现气液分离，气液分离器(7)生成的燃料经压气机(8)进入太阳能燃料储气罐(9)。
15.根据权利要求14所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电方法，其特征在于，所述太阳能与替代燃料互补反应的蓄能系统(100)还包括循环泵(10)，连接于气液分离器(7)与原料罐(1)之间，当太阳辐照强度不能保证物料最大流量下的完全转化，开启循环泵(10)，采用物料循环和物料部分反应的方式；未反应物料从气液分离器(7)进入原料罐(1)，与原料罐(1)中的替代燃料混合后，经原料泵(2)送至预热蒸发器(3)中进行预热、蒸发和过热，形成的原料气进入管式吸热反应器(5)，进行循环使用。
16.根据权利要求15所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电方法，其特征在于，当太阳辐照强度很大，能满足替代燃料完全反应需要温度，关闭循环泵(10)，采用一次通过转化运行方式；自管式吸热反应器(5)出口的产物，包括H2、CO、CO2及未反应物料，进入冷凝器(6)中冷却降温，产生的气液混合物进入气液分离器(7)实现气液分离，气液分离器(7)生成的燃料经压气机(8)进入太阳能燃料储气罐(9)。
17.根据权利要求13所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电方法，其特征在于，在太阳能辐照不足或阴天下雨时，启动烟气余热回收反应装置(15)，经预热蒸发器(3)预热的替代燃料与内燃机(11)排出的烟气均进入烟气余热回收反应装置(15)，烟气余热提供替代燃料转换为富氢燃料需要的反应热，使替代燃料全部转换为富氢燃料进入内燃机(11)，剩余的烟气余热分别进入烟气换热器(13)和尾气余热回收换热器(16)，在烟气换热器(13)产生蒸汽，在夏季制冷季节驱动蒸汽型双效溴化锂制冷机组(14)实现制冷；在尾气余热回收换热器(16)中加热给水产生生活热水。
18.根据权利要求17所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电方法，其特征在于，在所述烟气余热回收反应装置(15)中，内燃机(11)排出的烟气余热提供替代燃料转换为富氢燃料需要的反应热，使替代燃料全部转换，以保证进入内燃机(11)的燃料燃烧是富氢燃料的燃烧，而非替代燃料的直接燃烧。
19.根据权利要求13所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电方法，其特征在于，该方法还包括：
内燃机(11)排出的烟气和在太阳能辐照不足或阴天下雨时经预热蒸发器(3)预热的替代燃料均进入烟气余热回收反应装置(15)，烟气余热提供替代燃料转换为富氢燃料需要的反应热，使替代燃料全部转换为富氢燃料进入内燃机(11)，剩余的烟气余热分别进入烟气换热器(13)和尾气余热回收换热器(16)。
20.根据权利要求19所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电方法，其特征在于，该方法还包括：
内燃机(11)的缸套水通过缸套水板式换热器(17)加热给水产生生活热水，产生的生活热水同时提供给预热蒸发器(3)使用。
21.根据权利要求19所述的太阳能与替代燃料互补的分布式内燃机冷热电方法，其特征在于，该方法还包括：
烟气换热器(13)产生的蒸汽和烟气余热回收反应装置(15)中送来的烟气经尾气余热回收换热器(16)加热给水产生生活热水。
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