專利名稱：一種高效儲能的冷熱電水多聯產系統的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于可再生能源的綜合利用領域，具體是涉及一種針對島嶼及沿海偏遠地區綜合利用風能和海水熱能實現冷熱電水四聯產的獨立系統，以克服島嶼難以集中供能的問題，滿足島嶼上及偏遠沿海地區的基本生活需求。
背景技術：
隨著人類以及社會的發展，人類腳步已經踏遍地球上每一個角落，進入21世紀以來，經濟持續的發展和生活水平不斷的提高，人類對水，電，冷，熱的需求量越來越大，尤其對于一些偏遠地區以及島嶼，無法在本地區獲取資源，又由于與大陸的距離，很難依靠大陸得到生活中所需的水，電，熱，冷等生活不可缺少的資源。同時，島嶼的供能問題也一直影響著國防邊疆島嶼上駐守的戰士們的生活質量。因此，只有利用各地區的新能源才能從根本上解決以上問題，而對于島嶼來說，一般擁有豐富的風能資源和海水熱能資源。受全球能源危機和環境惡化的影響，以風能為代表的新能源開發利用受到大多數國家的重視，并紛紛制訂了相關的激勵政策和措施。受此影響，全球風能開發利用得到迅猛發展。目前，全球的風力發電增長速度驚人，據BTM統計數據顯示2010年全球風電累計裝機容量達到199.5GW。我國繼續保持風電設備生產和風電場開發快速發展的強勁勢頭。據中國可再生能源學會風能專業委員會(CWEA)的統計，2010年我國除臺灣省外其他地區共新增風電裝機12904臺，裝機容量達18.93GW，自2009年后繼續保持全球新增裝機容量第一的排名。然而風能資源存在不穩定性的特點:風速時常變化，能量供應不穩定，具有間歇性，波動性，同時風能發電也存在并網問題，在一定程度上限制了風力發電的發展，因此，需要將不穩定的風能與儲能系統聯合起來才能有效的利用風資源。從長遠角度來看，發展海水淡化，不論從經濟上，還是從環境上都更加可行。海水淡化水源穩定、清潔，產水成本逐漸降低，已經受到越來越多國家，尤其是干旱缺水國家的重視。事實上，世界范圍的普遍缺水已經使海水淡化技術從中東的沙漠地區擴展到全球的主要沿海城市，并形成了海水淡化水的生產銷售和海水淡化設備制造兩大產業。因此，海水淡化作為開發新水源的一種技術已經確定無疑地成了全世界的必然趨勢。然而，海水淡化耗能多，大力發展便宜的可再生能源并用于海水淡化將是解決海水淡化高成本的重要途徑。海水淡化方法按照分離過程分類，可分為熱過程和膜過程兩類。熱過程是利用熱能使海水蒸發，再通過水蒸汽的冷凝得到淡水。熱過程有多級閃蒸((Multi Stage Flash,MSF)、多效蒸懼((Multi Effect Distillation, ME)、蒸汽壓縮(vapor Compression, VC)等；膜過程則是利用分離膜對水和鹽的選擇透過性，將鹽分截留或移走，得到淡水的方法。膜過程有反滲透法((Reverse Osmosis, R0)、和電滲析((Electro DialysisED)等。目前比較常用的海水淡化方法主要有多級閃蒸(Mult1-Stage Flash, MSF)、低溫多效蒸餾(Multiple Effect Distillation , MED)和反滲透法(Reverse Osmosis, R0)等 3 種,其中多效蒸餾法操作負荷可從40 — 110%變化，彈性比較大，可以與風能很好的結合起來。本發明針對此問題，綜合利用島嶼上豐富的風能和海水熱能，實現冷熱電水的四聯產。
發明內容為克服現有技術的缺點和不足，本實用新型提供了一種綜合利用風能和海水熱能的冷熱電水多聯產系統，直接利用島嶼上及偏遠沿海地區豐富風能和海水熱能實現冷、熱、電、水的四聯產，在于陸地隔離的情況下，完全實現了自滿足，同時系統不需要燃燒化石燃料，不產生溫室氣體及硫化物氮化物等污染氣體。本實用新型為解決其技術問題所采取的技術方案是:一種高效儲能的冷熱電水多聯產系統，綜合利用島嶼上的風能和海水熱能，包括風力機裝置、壓縮空氣儲能裝置、海水淡化裝置、地源熱泵裝置，其特征在于:所述壓縮空氣儲能裝置包括依次連接的多級壓縮機組、儲氣室、多級膨脹機組、發電機；所述海水淡化裝置包括海水取水裝置、前處理裝置、多級加熱器、多級蒸發器、多級冷凝器，所述多級蒸發器包括多級中間蒸發器和后蒸發器，所述多級冷凝器包括多級中間冷凝器和后冷凝器；其中:所述風力機裝置驅動所述多級壓縮機組；所述地源熱泵裝置設置在所述海水取水裝置和前處理裝置之間；所述多級壓縮機組包括若干級壓縮機，每級壓縮機后連接一中間蒸發器，中間蒸發器的級數與壓縮機的級 數相匹配，第一級壓縮機后連接最后一級中間蒸發器，最后一級壓縮機后連接第一級中間蒸發器；每級中間蒸發器的熱側通入對應級壓縮機產生的壓縮氣體，冷側導入上一級中間蒸發器排出的海水，第一級中間蒸發器的冷側導入經各級加熱器加熱過的海水；最后一級加熱器的冷側通海水，熱側通入第一級中間蒸發器排出的壓縮氣體，壓縮氣體經最后一級加熱器后導入儲氣室；各級中間蒸發器產生的蒸汽匯流進入后蒸發器的熱側，最后一級中間蒸發器排出的海水進入后蒸發器的冷側；所述多級膨脹機組包括若干級膨脹機，每級膨脹機前連接一中間冷凝器，中間冷凝器的級數與膨脹機的級數相匹配，第一級膨脹機前連接第一級中間冷凝器，最后一級膨脹機前連接最后一級中間冷凝器；各級中間冷凝器的冷側通壓縮氣體，熱側通冷凝淡水和水蒸汽組成的汽水混合氣；所述儲氣室中的壓縮氣體經第一級中間冷凝器的冷側后進入第一級膨脹機，最后一級中間冷凝器的熱側通入由后蒸發器導出的汽水混合氣；所述汽水混合氣依次由最后一級中間冷凝器進入第一級中間冷凝器，之后導入后冷凝器。進一步地，后蒸發器熱側的蒸汽一部分與后蒸發器冷側的海水換熱，一部分導入除最后一級加熱器外的其余各級加熱器的熱側，以與對應加熱器冷側的海水換熱。進一步地，后冷凝器的冷側通入前處理裝置N排出的經過前處理的海水，熱側通入第一級中間冷凝器排出的冷凝水和不凝氣，升溫的海水一部分返回前處理裝置N，一部分進入各級加熱器。進一步地，所述海水淡化裝置產生的濃鹽水由后蒸發器排出。進一步地，所述海水淡化裝置產生的冷凝淡水和水蒸汽組成的汽水混合氣由后冷凝器排出。[0020]進一步地，儲氣室儲存的壓縮氣體達到預設壓強后，將高壓空氣送入第一級中間冷凝器的冷側。進一步地，所述風力機裝置通過一傳動裝置驅動所述多級壓縮機組，所述傳動裝置優選為變速箱。進一步地，所述風力機裝置包括至少一個風力機，所述風力機為水平軸或垂直軸風力機。進一步地，所述系統還包括蓄電池，所述發電機分別向蓄電池以及用戶供電。所述蓄電池的原則為在滿足系統運行需求的前提下，減少充放電次數，作用為調節壓縮空氣儲能發電與用戶需求之間矛盾。進一步地，所述海水淡化裝置還包括若干設置在海水管道上的水泵，用以為管道流體提供動力。進一步地，所述地源熱泵裝置包括室外海水熱能換熱系統、地源熱泵機組和室內采暖空調末端系統，其中:所述室外海水熱能換熱系統與所述海水取水裝置的海水取水管道耦合布置，采用地面布置和海底布置兩種方式；所述室內采暖空調末端系統需滿足室內供暖，食物，衣物等儲物的烘干作用。本實用新型的優點及有益效果是:1、本實用新型采用風能的直接利用，將風力機從風中獲得的機械能通過壓縮機轉換為空氣內能,能量轉換過程為機械能-內能,相對于以風力發電為基礎的電力驅動壓縮空氣儲能，同時由于省去發電部分設備，具有能量轉換效率高、結構簡單、投資省、維護簡單等特點。整個系統在運轉工程中不產生任何污染環境的物質，是名副其實的環保、節能系統。2、本實用新型采·用蓄電池與壓縮空氣儲能發電耦合供電，成功解決風能的不穩定與用戶用電的矛盾。壓縮空氣儲能本身具有一定的削峰平谷的作用，蓄電池進一步與壓縮空氣儲能發電配合，進一步加強削峰平谷的作用。3、本實用新型采用地源熱泵的思想與海水淡化取水裝置相結合，充分利用海水熱能資源，同時簡化了裝置，節約造價。4、壓縮空氣儲能與多效蒸發海水淡化耦合布置，實現了等溫壓縮和等溫膨脹過程，優化了壓縮空氣儲能系統，同時將壓縮和膨脹過程中的吸熱和放熱與多效蒸發海水淡化系統蒸發和冷凝巧妙的結合起來，利用了低品位的熱能制得淡水。5、本實用新型真正實現了孤島上的冷，熱，電，水，多聯產，在于陸地隔離的情況下，完全實現了自滿足，同時系統不需要燃燒化石燃料，不產生溫室氣體及硫化物氮化物等污染氣體。6、本實用新型與風力機結合適用范圍廣，既可與風電場相結合，也可獨立建設生產；可以單機組風力機設計也可以多機組合設計；適用風力資源較為豐富的海島和其他沿海地區。

圖1為本實用新型的高效儲能的冷熱電水多聯產系統示意圖。圖中:A風力機裝置，B傳動裝置，Cl C3壓縮機，D儲氣室，El E3膨脹機，F發電機，G蓄電池，Hl H5蒸發器，Il 13加熱器，Jl J4冷凝器，Kl K7水泵，L地源熱泵機組，M海水取水裝置，N前處理裝置。
具體實施方式
為使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本實用新型進一步詳細說明。為了下文描述的方便，提前說明在蒸發器，加熱器，冷凝器中均有換熱過程，換熱可采用順流布置，逆流布置，交叉流布置，在滿足正常工作的情況下，三種方式均可采用，本實施例中將不對換熱方式進行詳細陳述，均簡化為“換熱”。如圖1所示，本實用新型的高效儲能的冷熱電水多聯產系統，由A風力機裝置、B傳動裝置、Cl C3壓縮機、D儲氣室、El E3膨脹機、F發電機、G蓄電池、Hl H5蒸發器、Il 13加熱器、Jl J4冷凝器、Kl K7水泵、L地源熱泵機組、M海水取水裝置、N前處理裝置等構成，壓縮機Cl通過傳動裝置B連至水平軸風力機A，空氣經過壓縮機Cl升溫升壓，進入蒸發器H3與海水進行換熱，空氣降溫后返回壓縮機C2，經過壓縮機C2升溫升壓后進入蒸發器H2，空氣再次降溫后返回壓縮機C3，經過壓縮機C3繼續升溫升壓，進入蒸發器Hl與海水進行交換，繼而通過加熱器Il與海水換熱送入至儲氣室D進行儲存，當儲氣室D達到一定壓強后，將高壓空氣送入冷凝器Jl與水蒸汽進行換熱，加熱后進入膨脹機El膨脹做功，降溫降壓進入冷凝器J2與水蒸汽進行換熱，加熱后再進去膨脹機E2膨脹做功，再次降溫降壓后進去冷凝器J3與水蒸汽進行換熱，加熱后再進入膨脹機E3膨脹做功，排入大氣。膨脹機El E3做功帶 動發電機F發電，發電機F發出的電供用戶需求，同時發電機F發出的剩余發電量由蓄電池G儲存，當發電機F發電量不足時，蓄電池G可以補充向用戶供電。地源熱泵裝置L包括室外地能換熱系統、地源熱泵機組和室內采暖空調末端系統，室外地能換熱系統與海水淡化裝置的海水取水裝置M耦合布置，可以采用兩種布置方式，一種采用地面布置，將海水取水首先經過室外地能換熱系統進行換熱達到地源熱泵效果，另一種采用海底布置方式，將室外地能換熱系統與海水取水管道結合布置到海底，室內采暖空調末端系可以滿足多種用戶對冷量和熱量的需求。比如室內供暖供冷，食物，衣物等儲物的烘干作用。地源熱泵與海水取水耦合布置簡化了結構，節約了造價。海水經過地源熱泵進入前處理N，經過前處理的海水通過水泵K7加壓后進入冷凝器J4與水蒸汽經行換熱，升溫的海水一部分返回前處理N，一部分經過水泵K6進入加熱器Il與水蒸汽進行換熱，升溫的海水再次進入加熱器12與水蒸汽進行換熱，升溫的海水繼續進入加熱器13與高壓空氣進行換熱，海水溫度再次升高后進入蒸發器Hl與高壓空氣換熱，海水一部分汽化為蒸汽，一部分經水泵Kl進入蒸發器H2繼續與高壓空氣換熱，海水一部分汽化為蒸汽，一部分經水泵K2進入蒸發器H3再次與高壓空氣換熱，海水一部分汽化為蒸汽，一部分經水泵K3進入蒸發器H4與從蒸發器Hl H3而來是蒸汽進行換熱，海水一部分汽化為蒸汽，一部分經水泵K4進入蒸發器H5與從蒸發器H4而來的蒸汽進行換熱，海水一部分汽化為蒸汽，一部分濃縮為濃鹽水排除系統，一部分經水泵K5再次進入蒸發器H5循環與從蒸發器H4而來的蒸汽經行換熱。從蒸發器Hl H3而來的蒸汽進入蒸發器H4與海水換熱進行冷凝，同時進入加熱器12與海水換熱冷凝，得到的冷凝水和不凝汽的汽水混合氣進入蒸發器H5，與從蒸發器H4而來的蒸汽一起在蒸發器H5中與海水換熱進行冷凝，同時進入加熱器13與海水換熱冷凝，得到的冷凝水和不凝汽的汽水混合氣進入冷凝器J3，與從蒸發器H5而來的蒸汽一起在冷凝器J3中與高壓空氣換熱進行冷凝，得到的冷凝水和不凝汽的汽水混合氣再進入冷凝器J2與高壓空氣換熱進行冷凝，得到的冷凝水和不凝汽的汽水混合氣再進入冷凝器Jl與高壓空氣換熱進行冷凝，得到的冷凝水和不凝汽的汽水混合氣最后進入冷凝器J4與從前處理而來的海水進行換熱，最終得到淡水和不凝汽。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的范圍之內 。
權利要求1.一種高效儲能的冷熱電水多聯產系統，綜合利用島嶼上的風能和海水熱能，包括風力機裝置(A)、壓縮空氣儲能裝置、海水淡化裝置、地源熱泵裝置，其特征在于: 所述壓縮空氣儲能裝置包括依次連接的多級壓縮機組(Cl C3)、儲氣室(D)、多級膨脹機組(El E3)、發電機(F);所述海水淡化裝置包括海水取水裝置(M)、前處理裝置(N)、多級加熱器(II 13)、多級蒸發器(Hl H5)、多級冷凝器(Jl J4)，所述多級蒸發器(Hl H5)包括多級中間蒸發器(Hl H3)和后蒸發器(H4 H5)，所述多級冷凝器(Jl J4)包括多級中間冷凝器(Jl J3)和后冷凝器(J4);其中: 所述地源熱泵裝置設置在海水取水裝置(M)和前處理裝置(N)之間； 所述多級壓縮機組(Cl C3)包括若干級壓縮機，每級壓縮機后連接一中間蒸發器，中間蒸發器的級數與壓縮機的級數相匹配，第一級壓縮機(Cl)后連接最后一級中間蒸發器(H3)，最后一級壓縮機(C3)后連接第一級中間蒸發器(Hl);每級中間蒸發器的熱側通入對應級壓縮機產生的壓縮氣體，冷側導入上一級中間蒸發器排出的海水，第一級中間蒸發器(Hl)的冷側導入經各級加熱器(II 13)加熱過的海水；最后一級加熱器(13)的冷側通海水，熱側通入第一級中間蒸發器(Hl)排出的壓縮氣體，壓縮氣體經最后一級加熱器(13)后導入儲氣室(D);各級中間蒸發器(Hl H3)產生的蒸汽匯流進入后蒸發器(H4 H5)的熱偵牝最后一級中間蒸發器(H3)排出的海水進入后蒸發器(H4 H5)的冷側； 所述多級膨脹機組(El E3)包括若干級膨脹機，每級膨脹機前連接一中間冷凝器，中間冷凝器的級數與膨脹機的級數相匹配，第一級膨脹機(El)前連接第一級中間冷凝器(J1)，最后一級膨脹機(E3)前連接最后一級中間冷凝器(J3);各級中間冷凝器(Jl J3)的冷側通壓縮氣體，熱側通冷凝淡水和水蒸汽組成的汽水混合氣；所述儲氣室(D)中的壓縮氣體經第一級中間冷凝器(Jl)的冷側后進入第一級膨脹機(E1)，最后一級中間冷凝器(J3)的熱側通入由后蒸 發器(H4 H5)導出的汽水混合氣；所述汽水混合氣依次由最后一級中間冷凝器(J3)進入第一級中間冷凝器(J1)，之后導入后冷凝器(J4)。
2.根據權利要求1所述的多聯產系統，其特征在于:后蒸發器(H4 H5)熱側的蒸汽一部分與后蒸發器(H4 H5)冷側的海水換熱，一部分導入除最后一級加熱器(Il)外的其余各級加熱器(12 13)的熱側，以與對應加熱器冷側的海水換熱。
3.根據權利要求2所述的多聯產系統，其特征在于:所述后蒸發器(H4 H5)包括多個后蒸發器，每個后蒸發器后均配合一加熱器進行熱交換。
4.根據權利要求3所述的多聯產系統，其特征在于:后冷凝器(J4)的冷側通入前處理裝置(N)排出的經過前處理的海水，熱側通入第一級中間冷凝器(Jl)排出的冷凝淡水和水蒸汽組成的汽水混合氣，升溫的海水一部分返回前處理裝置(N)，一部分進入各級加熱器(II 13)。
5.根據權利要求1至4任一項所述的多聯產系統，其特征在于:所述海水淡化裝置產生的濃鹽水由后蒸發器(H4 H5)排出。
6.根據權利要求1至4任一項所述的多聯產系統，其特征在于:所述海水淡化裝置產生的淡水和不凝氣由后冷凝器(J4)排出。
7.根據權利要求1至4任一項所述的多聯產系統，其特征在于:儲氣室(D)儲存的壓縮氣體達到預設壓強后，將高壓空氣送入第一級中間冷凝器(J)的冷側。
8.根據權利要求1至4任一項所述的多聯產系統，其特征在于:所述風力機裝置(A)通過一傳動裝置(B)驅動所述多級壓縮機組。
9.根據權利要求1至4任一項所述的多聯產系統，其特征在于:所述系統還包括蓄電池(G)，所述發電機(F)分別向蓄電池(G)以及用戶供電。
10.根據權利要求1至4任一項所述的多聯產系統，其特征在于:所述地源熱泵裝置包括室外海水熱能換熱系統、地源熱泵機組和室內采暖空調末端系統，其中，所述室外海水熱能換熱系統 與所述海水取水裝置的海水取水管道耦合布置，采用地面布置或海底布置。
專利摘要本實用新型提供了一種綜合利用風能和海水熱能的冷熱電水多聯產系統，包括風力機裝置、壓縮空氣儲能裝置、海水淡化裝置、地源熱泵裝置，直接利用島嶼上及偏遠沿海地區豐富風能和海水熱能實現冷、熱、電、水的四聯產，在陸地隔離的情況下，完全實現了自滿足，同時系統不需要燃燒化石燃料，不產生溫室氣體及硫化物氮化物等污染氣體。本實用新型的冷熱電水多聯產系統，將風力機從風中獲得的機械能通過壓縮機轉換為空氣內能，能量轉換過程為機械能-內能，相對于以風力發電為基礎的電力驅動壓縮空氣儲能，同時由于省去發電部分設備，具有能量轉換效率高、結構簡單、投資省、維護簡單等特點。
文檔編號C02F103/08GK203159267SQ201320142600
公開日2013年8月28日 申請日期2013年3月26日 優先權日2013年3月26日
發明者楊科, 趙敬恩, 徐建中, 白井艷 申請人:中國科學院工程熱物理研究所