本发明公开了一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，其特征在于，该分布式能源系统包括生物质气化、朗肯循环发电、内燃机发电及余热利用、太阳能光伏光热和地源热泵循环五个子系统。通过利用生物质合成气高温显热驱动朗肯循环发电子系统发电，同时生物质合成气驱动内燃机发电及余热利用子系统发电并制取冷冻水或生活热水。通过太阳能光伏光热子系统与地源热泵子系统相结合为用户提供电力、冷冻水和生活热水，一方面降低太阳能光伏光热板温度，提高其发电效率，另一方面降低地源热泵子系统出口水温，提高热泵性能系数。本发明采用可再生能源作为联产系统能量来源，通过系统集成提高可再生能源综合利用效率。
1.一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，其特征在于，该分布式能源系统包括生物质气化子系统、朗肯循环发电子系统、内燃机发电及余热利用子系统、太阳能光伏光热子系统和地源热泵循环子系统；
所述生物质气化子系统包括生物质气化炉、第一换热器、第二换热器和净化除尘装置，所述生物质气化炉依次与所述第一换热器、第二换热器和净化除尘装置连接；生物质原料与经第二换热器预热的空气在生物质气化炉发生气化反应，生成高温生物质合成气进入第一换热器与循环泵出口高压冷凝水换热降温，随后进入第二换热器预热常温常压空气，经过降温的生物质合成气进入净化除尘装置，除去其中的灰分、半焦和冷凝水等杂质；
所述朗肯循环发电子系统包括第一换热器、蒸汽透平、第一发电机、第一冷凝器和循环泵，所述生物质气化子系统、所述朗肯循环发电子系统共享同一个第一热交换器；循环泵出口高压冷凝水在第一换热器中吸收来自生物质气化炉出口高温生物质合成气显热成为高温高压水蒸气，随后进入蒸汽透平膨胀做功，通过第一发电机将机械功转化为电力。做功后的乏汽进入第一冷凝器进行降温，经过第一冷凝器降温的冷凝水进入循环泵；
所述内燃机发电及余热利用子系统包括内燃机、第二发电机、溴化锂吸收式机组、第三换热器、第一三通阀、第二三通阀和蓄热水箱，净化除尘装置出口生物质合成气与空气燃烧驱动内燃机工作，电力通过第二发电机输出；内燃机高温烟气依次通入溴化锂吸收式机组和第三换热器；缸套水供水管分别经过第一三通阀a b端与蓄热水箱相连、经过第一三通阀a c端与溴化锂吸收式机组相连；缸套水回水管分别经过第二三通阀a b与蓄热水箱相连、经过第二三通阀a c端与溴化锂吸收式机组相连；溴化锂吸收式机组出口的中温烟气进入第三换热器，与来自第五三通阀a端出口热水进行换热，降温后的烟气排入大气中，经过第三换热器加热的热水进入蓄热水箱进行储存；
所述太阳能光伏光热子系统包括太阳能光伏光热板、第四三通阀、第五三通阀和逆变器，第四三通阀的a端和b端分别连接太阳能光伏光热板和用户侧换热器，太阳能光伏光热板输出直流电与逆变器相连，从第四三通阀a端出口中温水进入太阳能光伏光热板，并对太阳能光伏光热板进行降温，经太阳能光伏光热板加热的生活热水进入第五三通阀b端，一部分生活热水经第五三通阀c端供给用户所需生活热水，另一部分生活热水经第五三通阀a端进入第三换热器进一步加热；
所述地源热泵循环子系统包括第一水泵、第三三通阀、用户侧换热器、节流阀、地源侧换热器、四通换向阀、压缩机、第二水泵和地下换热器，所述第三三通阀a端与第一水泵连接、b端与太阳能光伏光热板连接、c端与用户侧换热器连接，所述用户侧换热器一端依次连接节流阀和地源侧换热器的一端，所述用户侧换热器另一端通过四通换向阀与压缩机相连，所述地源侧换热器的另一端依次连接四通换向阀和压缩机；所述地下换热器一端依次连接地源侧热器和第一水泵，所述地下换热器另一端与第二水泵出口连接。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，其特征在于，所述第一换热器利用生物质合成气高温显热加热循环泵出口高压水生产水蒸气，从而驱动蒸汽透平做功发电。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，其特征在于，所述蓄热水箱主要为用户提供热水供暖。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，其特征在于，所述内燃机缸套水供水在制热模式下全部进入蓄热水箱加热用户侧回水，为用户提供热水供暖；所述内燃机缸套水供水在制冷模式下全部进入溴化锂吸收式机组，作为余热驱动溴化锂吸收式机组产冷冻水制冷。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，其特征在于，所述地源热泵循环子系统在制热模式下产中温水，中温水通过太阳能光伏光热板进一步加热产生活热水；所述地源热泵循环子系统在制冷模式下降低冷冻水回水温度，从而制取冷冻水为用户提供冷量。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，其特征在于，所述太阳能光伏光热板在制热模式下进一步加热来自地源热泵循环子系统的中温水，从而达到生活热水所需温度；所述太阳能光伏光热板在制冷模式下加热来自第一水泵和第三三通阀的常温水，从而生产生活热水。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，其特征在于，所述第三换热器利用来自溴化锂吸收式机组出口烟气余热加热来自第五三通阀a端出口的一部分生活热水，从而使第三换热器出口的热水达到进入蓄热水箱的热水温度。
8.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，其特征在于，所述蒸汽透平、内燃机、太阳能光伏光热板所产生电力，一方面用于为循环泵、第一水泵、第二水泵、压缩机提供所需电力，另一方面剩余电力全部提供给用户。
一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统
技术领域
[0001] 本发明涉及可再生能源利用技术领域，尤其是涉及一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统。
背景技术
[0002] 近些年，可再生能源利用技术越来越受到关注，主要是由于，一方面化石能源的大量使用导致用能紧张，另一方面化石能源利用过程产生的污染问题越来越严重。上述因素导致供需矛盾突出，生态环境恶化，而可再生能源的出现在一定程度上有利于降低对煤、石油和天然气的依赖，减少其所带来的环境问题。然而可再生能源也存在一些不足，比如能量利用率较低、受季节和气候影响较大，这些都会对其利用产生一定影响。与此同时，随着经济的不断发展，人们对能源需求的依赖程度也不断增强，更加可靠、安全的能源供应系统势在必行。因此，一方面可以采取多种能源互补利用，取长补短，发挥各自的优势与特长；另一方面通过分布式能源系统实现能源的综合梯级利用。
[0003] 在众多的可再生能源中，太阳能是被认为最具前景的可再生能源之一，然而也存在受季节、时间和空间等因素的影响，目前主要通过光伏和光热相关技术实现对太阳能的高效利用。随着科技的发展，太阳能光伏发电效率有了一定提高，主要依赖于光伏材料性能的不断提升，而温度对太阳能光伏发电效率影响较大。有研究表明，晶体硅太阳能光伏电池的发电效率随着温度每升高1℃左右而降低0.4％-0.5％。此外，由于大部分的太阳能转化为热量，使得太阳能光伏电池表面工作温度较高，通常在50℃以上。因此有必要采取一定措施降低其表面工作温度，提高太阳能电池发电效率。光伏/光热集热器是一种集光伏发电与太阳能低温热利用为一体的新型太阳能集热器，既能有效地利用太阳热能，又能降低太阳光伏电池表面温度，提高太阳光伏电池发电效率。生物质和浅层地热能在我国农村地区资源非常丰富，随着大气污染的问题日益突出，更加合理高效利用生物质资源显得至关重要，通过气化技术将能量密度较低、体积较大的生物质转化为生物质合成气进一步利用，既能提高其能量密度，也能更加有效方便地进行存储。目前常见的浅层地热能利用方式主要有热泵技术，通过利用高品位的电能或余热资源，从地下取出或释放热能，实现制冷或制热工况，为用户提供冷量或热量。
[0004] 因此，如何实现太阳能光伏/光热、生物质和浅层地热能等可再生能源的综合、高效、互补集成利用至关重要，同时还要进一步提高能源供应系统的可靠性、安全性与稳定性。
发明内容
[0005] (一)要解决的技术问题
[0006] 为了实现太阳能、生物质和浅层地热能综合高效利用以及能源供应系统可靠性等问题，本发明的主要目的在于提出一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，一方面提高分布式能源系统中可再生能源的利用效率；另一方面增强分布式能源系统的可靠性与安全性。
[0007] (二)技术方案
[0008] 为了达到上述目的，一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，其特征在于，包括生物质气化子系统、朗肯循环发电子系统、内燃机发电及余热利用子系统、太阳能光伏光热子系统和地源热泵循环子系统；
[0009] 所述生物质气化子系统包括生物质气化炉、第一换热器、第二换热器和净化除尘装置，所述生物质气化炉依次与所述第一换热器、第二换热器和净化除尘装置连接；生物质原料与经第二换热器预热的空气在生物质气化炉发生气化反应，生成高温生物质合成气进入第一换热器与循环泵出口高压冷凝水换热降温，随后进入第二换热器预热常温常压空气，经过降温的生物质合成气进入净化除尘装置，除去其中的灰分、半焦和冷凝水等杂质；
[0010] 所述朗肯循环发电子系统包括第一换热器、蒸汽透平、第一发电机、第一冷凝器和循环泵，所述生物质气化子系统、所述朗肯循环发电子系统共享同一个第一热交换器；循环泵出口高压冷凝水在第一换热器中吸收来自生物质气化炉出口高温生物质合成气显热成为高温高压水蒸气，随后进入蒸汽透平膨胀做功，通过第一发电机将机械功转化为电力。做功后的乏汽进入第一冷凝器进行降温，经过第一冷凝器降温的冷凝水进入循环泵；
[0011] 所述内燃机发电及余热利用子系统包括内燃机、第二发电机、溴化锂吸收式机组、第三换热器、第一三通阀、第二三通阀和蓄热水箱，净化除尘装置出口生物质合成气与空气燃烧驱动内燃机工作，电力通过第二发电机输出；内燃机高温烟气依次通入溴化锂吸收式机组和第三换热器；缸套水供水管分别经过第一三通阀a b端与蓄热水箱相连、经过第一三通阀a c端与溴化锂吸收式机组相连；缸套水回水管分别经过第二三通阀a b与蓄热水箱相连、经过第二三通阀a c端与溴化锂吸收式机组相连；溴化锂吸收式机组出口的中温烟气进入第三换热器，与来自第五三通阀a端出口热水进行换热，降温后的烟气排入大气中，经过第三换热器加热的热水进入蓄热水箱进行储存；
[0012] 所述太阳能光伏光热子系统包括太阳能光伏光热板、第四三通阀、第五三通阀和逆变器，第四三通阀的a端和b端分别连接太阳能光伏光热板和用户侧换热器，太阳能光伏光热板输出直流电与逆变器相连，从第四三通阀a端出口中温水进入太阳能光伏光热板，并对太阳能光伏光热板进行降温，经太阳能光伏光热板加热的生活热水进入第五三通阀b端，一部分生活热水经第五三通阀c端供给用户所需生活热水，另一部分生活热水经第五三通阀a端进入第三换热器进一步加热；
[0013] 所述地源热泵循环子系统包括第一水泵、第三三通阀、用户侧换热器、节流阀、地源侧换热器、四通换向阀、压缩机、第二水泵和地下换热器，所述第三三通阀a端与第一水泵连接、b端与太阳能光伏光热板连接、c端与用户侧换热器连接，所述用户侧换热器一端依次连接节流阀和地源侧换热器的一端，所述用户侧换热器另一端通过四通换向阀与压缩机相连，所述地源侧换热器的另一端依次连接四通换向阀和压缩机；所述地下换热器一端依次连接地源侧热器和第一水泵，所述地下换热器另一端与第二水泵出口连接。
[0014] 优选地，所述第一换热器利用生物质合成气高温显热加热循环泵出口高压水生产水蒸气，从而驱动蒸汽透平做功发电。
[0015] 优选地，所述蓄热水箱主要为用户提供热水供暖。
[0016] 优选地，所述内燃机缸套水供水在制热模式下全部进入蓄热水箱加热用户侧回水，为用户提供热水供暖；所述内燃机缸套水供水在制冷模式下全部进入溴化锂吸收式机组，作为余热驱动溴化锂吸收式机组产冷冻水制冷。
[0017] 优选地，所述地源热泵循环子系统在制热模式下产中温水，中温水通过太阳能光伏光热板进一步加热产生活热水；所述地源热泵循环子系统在制冷模式下降低冷冻水回水温度，从而制取冷冻水为用户提供冷量。
[0018] 优选地，所述太阳能光伏光热板在制热模式下进一步加热来自地源热泵循环子系统的中温水，从而达到生活热水所需温度；所述太阳能光伏光热板在制冷模式下加热来自第一水泵和第三三通阀的常温水，从而生产生活热水。
[0019] 优选地，所述第三换热器利用来自溴化锂吸收式机组出口烟气余热加热来自第五三通阀a端出口的一部分生活热水，从而使第三换热器出口的热水达到进入蓄热水箱的热水温度。
[0020] 优选地，所述蒸汽透平、内燃机、太阳能光伏光热板所产生电力，一方面用于为循环泵、第一水泵、第二水泵、压缩机提供所需电力，另一方面剩余电力全部提供给用户。
[0021] (三)有益效果
[0022] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0023] 1、本发明提供的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，利用太阳能、生物质和浅层地热能三种可再生能源，并与分布式能源系统相结合，通过优势互补与集成实现能源高效利用。
[0024] 2、本发明提供的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，依次采用朗肯循环和预热空气，实现对生物质合成气显热的综合梯级利用，进一步提高能源利用效率。
[0025] 3、本发明提供的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，采用地源热泵和太阳能光伏光热相结合技术，一方面提高地源热泵性能系数COP，另一方面提高太阳能光伏光热板发电效率和出水温度，有利于提高一体化系统的总能效率。
[0026] 4、本发明提供的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，采用蓄热水箱充分利用内燃机缸套水和中低温烟气余热，提高一体化系统热量和冷量的输出。
[0027] 5、本发明提供的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统，能够实现制热和制冷两种工况运行，满足用户多样化的能量需求，一方面增强系统灵活性，另一方面有利于提高能源供应的可靠性。
附图说明
[0028] 图1是本发明提供的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统的示意图。
[0029] 图中所示：1-生物质气化炉；2-第一换热器；3-第二换热器；4-净化除尘装置；5-蒸汽透平；6-第一发电机；7-第一冷凝器；8-循环泵；9-内燃机；10-第二发电机；11-溴化锂吸收式机组；12-第三换热器；13-蓄热水箱；14-第一三通阀；15-第二三通阀；16-第一水泵；17-第三三通阀；18-太阳能光伏光热板；19-第五三通阀；20-逆变器；21-第四三通阀；22-用户侧换热器；23-节流阀；24-地源侧换热器；25-压缩机；26-四通换向阀；27-第二水泵；28-地下换热器。
具体实施方式
[0030] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
[0031] 如图1所示，是本发明提供的一种太阳能光伏/光热耦合生物质分布式能源系统的示意图，该分布式能源系统主要由生物质气化子系统、朗肯循环发电子系统、内燃机发电及余热利用子系统、太阳能光伏光热子系统和地源热泵循环子系统组成。主要设备有：生物质气化炉1、第一换热器2、第二换热器3、净化除尘装置4、蒸汽透平5、第一发电机6、第一冷凝器7、循环泵8、内燃机9、第二发电机10、溴化锂吸收式机组11、第三换热器12、蓄热水箱13、第一三通阀14、第二三通阀15、第一水泵16、第三三通阀17、太阳能光伏光热板18、第五三通阀19、逆变器20、第四三通阀21、用户侧换热器22、节流阀23、地源侧换热器24、压缩机25、四通换向阀26、第二水泵27、地下换热器28。
[0032] 制热模式下，生物质原料与经过第二换热器预热的高温空气在生物质气化炉1内发生气化反应，生成高温常压的生物质合成气，随后高温生物质合成气进入第一换热器2，加热朗肯循环发电子系统中循环泵8出口的高压冷凝水，经过加热的高温高压水蒸气进入蒸汽透平5做功，通过第一发电机6将机械功转化为电力，蒸汽透平5出口乏汽进入第一冷凝器7进行降温冷凝。经过降温的生物质合成气进入第二换热器3中，预热气化剂空气，从而提高生物质气化效率。随后生物质合成气进入净化除尘装置4进行降温冷凝，除去生物质合成气中的灰分、半焦等杂质。经过净化除尘处理的生物质合成气与常温常压空气一起进入内燃机9燃烧发电，内燃机缸套水供水进入第一三通阀14，第一三通阀a b端打开、c端关闭，缸套水供水进入蓄热水箱并加热用户侧供暖回水，降温后的蓄热水箱热水进入第二三通阀15，第二三通阀a b端打开、c端关闭，随后降温后的蓄热水箱热水回流到内燃机，对内燃机进行降温冷却。内燃机出口高温烟气依次进入溴化锂吸收式机组11和第三换热器12，通过溴化锂吸收式机组进一步产热水，为用户提供热量。从溴化锂吸收式机组出来的中温烟气进入第三换热器12，加热来自第五三通阀19的一部分生活热水，经过加热的第三换热器12出口热水进入蓄热水箱13，与缸套水供水一起为用户提供供暖所需热量。在制热工况下，用户侧换热器22为冷凝器，地源侧换热器24为蒸发器，常温常压水进入第三三通阀17，第三三通阀a c端打开、b端关闭，常温水经过第三三通阀进入用户侧换热器22，吸收来自压缩机的制冷剂热量，经过加热的中温水进入第四三通阀21，第四三通阀a b端打开、c端关闭，中温水进入太阳能光伏光热板进一步被加热，随后进入第五三通阀，第五三通阀a b c端均打开，一部分热水作为生活热水供给用户，一部分生活热水进入第三换热器进一步加热后通入蓄热水箱储存。经过降温的用户侧换热器出口制冷剂进入节流阀23降温降压冷凝，随后进入地源侧换热器24吸收来自地下换热器28的循环水热量，制冷剂变成饱和蒸汽状态，经四通换向阀26进入压缩机25被压缩成过热状态并进入用户侧换热器22，从而完成热泵制热循环。
[0033] 制冷模式下，生物质原料与经过第二换热器预热的高温空气在生物质气化炉1内发生气化反应，生成高温常压的生物质合成气，随后高温生物质合成气进入第一换热器2，加热朗肯循环发电子系统中循环泵8出口的高压冷凝水，经过加热的高温高压水蒸气进入蒸汽透平5做功，通过第一发电机6将机械功转化为电力，蒸汽透平5出口乏汽进入第一冷凝器7进行降温冷凝。经过降温的生物质合成气进入第二换热器3中，预热气化剂空气，从而提高生物质气化效率。随后生物质合成气进入净化除尘装置4进行降温冷凝，除去生物质合成气中的灰分、半焦等杂质。经过净化除尘处理的生物质合成气与常温常压空气一起进入内燃机9燃烧发电，内燃机缸套水供水进入第一三通阀14。第一三通阀a c端打开、b端关闭，缸套水供水进入溴化锂吸收式机组，与来自内燃机9的高温烟气一起驱动吸收式机组产冷冻水，为用户提供冷量，随后降温后的缸套水回水进入第二三通阀15，第二三通阀a c端打开、b端关闭，降温后的缸套水经第二三通阀回流到内燃机，对内燃机进行降温冷却。当冷量不足时，打开第一三通阀a b c端，内燃机缸套水供水与蓄热水箱热水一起进入溴化锂吸收式机组，驱动吸收式机组产冷冻水。内燃机出口高温烟气依次进入溴化锂吸收式机组11和第三换热器12，通过溴化锂吸收式机组进一步产冷冻水，为用户提供冷量。从溴化锂吸收式机组出来的中温烟气进入第三换热器12，加热来自第五三通阀19的一部分生活热水，经过加热的第三换热器12出口热水进入蓄热水箱13储存。同时，常温常压水经第一水泵进入第三三通阀，第三三通阀a b端打开、c端关闭，加压后的常温水进入太阳能光伏光热板，降低光伏光热板温度，经过预热后的热水进入第五三通阀，第五三通阀a b c端均打开，一部分热水作为生活热水供给用户，一部分生活热水进入第三换热器进一步加热后通入蓄热水箱储存。利用四通换向阀26的切换，在制冷工况下，用户侧换热器22为蒸发器，地源侧换热器24为冷凝器，经过节流阀23降温冷凝的制冷剂进入用户侧换热器吸收冷冻水回水热量，经过降温后的冷冻水进入第四三通阀，第四三通阀b c端打开、a端关闭，从而为用户提供冷量。吸收热量后的制冷剂经四通换向阀和压缩机加压后，进入地源侧换热器24放热，随后制冷剂进入节流阀，完成热泵制冷循环。来自地下换热器28的地下水进入地源侧换热器吸收高温制冷剂的热量，随后经第二水泵27回流至地下换热器28。
[0034] 通过上述实施例，仅清楚地表达了本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限制。对于该领域的技术人员而言，在上述说明的基础之上可以做出其它不同形式的变化或改进，这些都属于本发明的保护范围。
