一种基于二氧化碳的综合能源系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于二氧化碳的综合能源系统，属于综合能源系统领域，系统包括：太阳能PTC子系统、基于超临界二氧化碳的电力循环子系统、临界二氧化碳电力循环子系统、串级制冷子系统和PEM电解槽。基于超临界二氧化碳的电力循环子系统与太阳能PTC子系统连接，临界二氧化碳电力循环子系统与基于超临界二氧化碳的电力循环子系统连接，串级制冷子系统分别与基于超临界二氧化碳的电力循环子系统以及临界二氧化碳电力循环子系统连接，PEM电解槽分别与基于超临界二氧化碳的电力循环子系统以及临界二氧化碳电力循环子系统连接。本发明专利技术提高了综合能源系统的能量效率和火用效率。高了综合能源系统的能量效率和火用效率。高了综合能源系统的能量效率和火用效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二氧化碳的综合能源系统


[0001]本专利技术涉及综合能源系统领域，特别是涉及一种基于二氧化碳的综合能源系统。

技术介绍

[0002]化石燃料在发电、制冷、供暖和其他日常生活应用中是至关重要的。传统上，电力由大型发电厂产生，然后输送到电网，最后输送到终端用户。类似地，大部分的冷却效果是由电冷却器产生的，其中使用的是传统的蒸汽压缩循环(VCC)，而不是来自电网的电力。家用和工业过程使用的加热负荷和热水生产可以由燃气锅炉、常规电热泵或电加热器提供。所有这些工艺都是基于分离生产系统，其缺点是碳排放高和化石燃料利用率低。这些系统在全球能源结构中的广泛整合引发了严重的温室气体排放，导致环境污染、气候变化和其他严重后果。此外，随着各国经济发展和人口增长，能源需求也在不断增加。因此，全世界转向利用可再生能源和更有效的能源转换系统是重要、关键和强制性的。
[0003]高能源成本正迫使许多国家(特别是发展中国家)利用低品位热量作为不同系统的热能/能源。此外，余热回收、再生、提高活蒸汽压力和温度、再加热和其他节能技术等已被应用于许多电厂，以提高效率。利用超临界CO2(sCO2)气体循环代替蒸汽朗肯循环(特别是燃煤电厂)作为主要动力循环是一项备受关注的有前途的技术。近年来出现了对基于sCO2布雷顿循环的研究，并从热力学和经济两方面对这些系统进行了评价。为改进设计，Abid等人提出的太阳能驱动的sCO2动力循环的火用、能量和火用经济分析报告显示，总能量和火用效率分别为30.37％和32.7％。与类似配置的传统系统相比，效率提高了11.6％。
[0004]超临界CO2也可作为太阳能热系统的工作流体。Qiu等人分析了非均匀太阳通量下，以sCO2为传热流体的太阳能PTC的热性能，他们发现，在典型条件下，太阳能PTC可以实现18.78％到84.17％的能量转换效率。
[0005]在城市制冷系统中，由于其高性能和环境可持续性，CO2是最受欢迎的制冷剂之一。一种创新的完全集成的跨临界R744制冷系统模型适用于温暖和炎热气候下的超市，显示基于二氧化碳的直接制冷和加热的实施将每年减少33.3％的能源节约。此外，关于能源消耗，使用不同配置的CO2制冷剂的超市制冷系统的年性能表明，通过使用CO2用于不同的制冷目的，该设施的能源消耗可以减少8.5％。在所有这些研究中，CO2在制冷系统中的应用已被证明是可行的。
[0006]两种最常见的低温动力循环是ORC和Kalina循环，然而，跨临界CO2的使用是另一种可行的选择。通过对一个跨临界CO2动力循环的热经济分析，以及与Kalina循环和ORC低温热源应用的热经济比较，发现CO2循环的净功率是三个循环中最大的。
[0007]虽然有关于CO2在不同动力和制冷系统中的跨临界和超临界应用的研究，但目前研究中对于这些单独的循环组合用于多联产目的时的可积性和性能方面的还存在空白。在现有研究中多联产系统的发展中，不同循环的热力学相容性是这些系统发展的基础。
[0008]综上所述，现有的能源系统由于碳排放量高以及化石燃料利用率低，导致了能源系统的总能量以及火用效率低的问题，虽然现有技术中一些单独的循环组合能够提高能源
系统的总能量和火用效率，但是，用于多联产系统时并不能很好地提高能量效率和火用效率。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的是提供一种基于二氧化碳的综合能源系统，以解决现有技术中单独的循环组合用于多联产系统时能量效率和火用效率低的问题。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0011]一种基于二氧化碳的综合能源系统，包括：太阳能PTC子系统、基于sCO2的电力循环子系统、临界CO2电力循环子系统、串级制冷子系统和PEM电解槽；
[0012]所述太阳能PTC子系统用于收集太阳能并将太阳能转换成热能；
[0013]所述基于sCO2的电力循环子系统与所述太阳能PTC子系统连接，所述基于sCO2的电力循环子系统利用所述热能进行发电并将所述热能进行循环，部分所述热能输入至所述临界CO2电力循环子系统；
[0014]所述临界CO2电力循环子系统与所述基于sCO2的电力循环子系统连接，所述临界CO2电力循环子系统利用部分所述热能进行发电；
[0015]所述串级制冷子系统分别与所述基于sCO2的电力循环子系统以及所述临界CO2电力循环子系统连接，所述串级制冷子系统用于根据所述基于sCO2的电力循环子系统以及所述临界CO2电力循环子系统产生的电力进行制冷；
[0016]所述PEM电解槽分别与所述基于sCO2的电力循环子系统以及所述临界CO2电力循环子系统连接，所述PEM电解槽用于根据所述基于sCO2的电力循环子系统以及所述临界CO2电力循环子系统产生的电力制取氢气。
[0017]可选的，所述基于sCO2的电力循环子系统包括：第一压力器、高压涡轮、低压涡轮、热源以及再热器；
[0018]所述热源的一端与所述第一压力器连接，所述热源的另一端与所述高压涡轮连接，所述第一压力器与所述高压涡轮连接；所述再热器的一端与所述高压涡轮连接，所述再热器的另一端与所述低压涡轮连接，所述高压涡轮与所述低压涡轮连接。
[0019]可选的，还包括热交换器；所述临界CO2电力循环子系统通过所述热交换器与所述基于sCO2的电力循环子系统连接；
[0020]所述热交换器的一端与所述第一压力器连接，所述热交换器的另一端与所述低压涡轮连接。
[0021]可选的，所述临界CO2电力循环子系统包括：泵、涡轮以及第一冷凝器；
[0022]所述泵的一端与所述热交换器的一端连接，所述泵的另一端与所述第一冷凝器连接，所述第一冷凝器与所述涡轮连接，所述涡轮与所述热交换器的另一端连接。
[0023]可选的，所述串级制冷子系统包括高温循环单元和低温循环单元；
[0024]所述高温循环单元通过级联热交换器与所述低温循环单元连接。
[0025]可选的，所述高温循环单元包括依次连接的第二压力器、第二冷凝器以及第一阀门；所述低温循环单元包括依次连接的第三压力器、蒸发器以及第二阀门；
[0026]所述第二压力器、所述第一阀门、所述第三压力器以及所述第二阀门均与所述级联热交换器连接；
[0027]所述第二压力器与所述第三压力器均与所述涡轮连接。
[0028]可选的，还包括热水室；
[0029]所述热水室通过所述热交换器与所述基于sCO2的电力循环子系统连接；所述热水室包括进水口和出水口，所述热水室用于制取热水。
[0030]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0031]本专利技术的基于二氧化碳的综合能源系统，通过集成太阳能PTC子系统、基于sCO2的电力循环子系统、临界CO2电力循环子系统、串级制冷子系统和PEM电解槽等子系统，采用CO2作为主要的工作流体，并采用综合热力学建模程序对基于二氧化碳的综合能源系统的整体性能和各子系统热力学性能进行了分析，表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二氧化碳的综合能源系统，其特征在于，包括：太阳能PTC子系统、基于sCO2的电力循环子系统、临界CO2电力循环子系统、串级制冷子系统和PEM电解槽；所述太阳能PTC子系统用于收集太阳能并将太阳能转换成热能；所述基于sCO2的电力循环子系统与所述太阳能PTC子系统连接，所述基于sCO2的电力循环子系统利用所述热能进行发电并将所述热能进行循环，部分所述热能输入至所述临界CO2电力循环子系统；所述临界CO2电力循环子系统与所述基于sCO2的电力循环子系统连接，所述临界CO2电力循环子系统利用部分所述热能进行发电；所述串级制冷子系统分别与所述基于sCO2的电力循环子系统以及所述临界CO2电力循环子系统连接，所述串级制冷子系统用于根据所述基于sCO2的电力循环子系统以及所述临界CO2电力循环子系统产生的电力进行制冷；所述PEM电解槽分别与所述基于sCO2的电力循环子系统以及所述临界CO2电力循环子系统连接，所述PEM电解槽用于根据所述基于sCO2的电力循环子系统以及所述临界CO2电力循环子系统产生的电力制取氢气。2.根据权利要求1所述的基于二氧化碳的综合能源系统，其特征在于，所述基于sCO2的电力循环子系统包括：第一压力器、高压涡轮、低压涡轮、热源以及再热器；所述热源的一端与所述第一压力器连接，所述热源的另一端与所述高压涡轮连接，所述第一压力器与所述高压涡轮连接；所述再热器的一端与所述高压涡轮连接，所述再热器的另一端与所述低压涡轮连接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：白明金，黄琦，李坚，鹿超群，张光斗，蔡东升，胡维昊，张真源，易建波，井实，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：