本發(fā)明涉及一種分布式能源系統(tǒng)，尤其是一種利用沼氣作為驅(qū)動能源的小型分布式能源系統(tǒng)，屬于分布式能源系統(tǒng)技術領域。

背景技術：

能源消耗的持續(xù)增加導致石化能源的枯竭，帶來了嚴重的環(huán)境問題。中國每年產(chǎn)生7.28×10⁸t秸稈、39.26×10⁸t畜禽糞便以及482.4×10⁸t有機廢水，由于無法得到有效利用而對環(huán)境產(chǎn)生巨大污染。將秸稈、畜禽糞便、有機廢水等有機物經(jīng)微生物分解發(fā)酵產(chǎn)生沼氣并利用，是一種節(jié)能環(huán)保的技術。沼氣作為一種方便、清潔、高品位的能源，其原料豐富、技術簡單、造價低廉、環(huán)境友好，受到國家的高度重視。沼氣的推廣應用不僅可以緩解能源壓力，而且對改善人居環(huán)境、保護林草植被、維持生態(tài)平衡具有重要意義。

對于沼氣資源十分豐富的農(nóng)村地區(qū)，沼氣如何充分的利用顯得十分關鍵。近些年來，分布式能源系統(tǒng)迅速發(fā)展，得到了國內(nèi)外的廣泛重視，也有很多沼氣應用于分布式能源的成功典范。分布式能源是指分布在用戶端的高效冷、熱電聯(lián)供的能源綜合利用系統(tǒng)，具有能效利用合理、損耗小、污染少、運行靈活，系統(tǒng)經(jīng)濟性好等特點，是未來世界能源技術的重要發(fā)展方向。小型分布式能源系統(tǒng)主要針對農(nóng)村家庭住戶，可以滿足住戶日常的用電、供冷供熱、供熱水需求，對提高農(nóng)村住戶生活水平具有積極的作用。

在小型分布式能源系統(tǒng)中，能源的梯級利用十分重要。將斯特林發(fā)動機用于小型分布式能源系統(tǒng)，具有很大的優(yōu)勢：1、斯特林發(fā)動機是一種外燃機，可以將高品位能源直接利用，用熱能驅(qū)動發(fā)動機工作，局限性小。2、斯特林發(fā)動機的熱效率很高，實際有效效率可以達到32％～40％，最高甚至可達47％。提高了高品位能源利用效率，對系統(tǒng)效率的提升具有重要的作用。3、斯特林發(fā)動機的功率不大，一般在幾十至上百千瓦左右，剛好用在小型分布式能源系統(tǒng)中。4、作為清潔高效的動力機，斯特林發(fā)動機具污染小、噪音低和維修方便等優(yōu)點，對節(jié)能減排、保護環(huán)境有重要意義。

在分布式能源系統(tǒng)中，制冷方式以吸收式制冷為主。但吸收式制冷機組龐大，容量高，一般與燃氣輪機搭配，用于大型公共建筑。對于采用斯特林發(fā)動機的小型分布式能源系統(tǒng)，搭配vm循環(huán)熱泵是一個合理的選擇。維勒米爾(vuilleumier，以下簡稱vm)循環(huán)熱泵，是vuilleumier在1918年提出的。它的本質(zhì)可以看成具有公共室溫腔的一臺斯特林發(fā)動機和斯特林制冷機的有機組合，是熱能驅(qū)動的斯特林循環(huán)。vm循環(huán)熱泵可以利用余熱、太陽能、地熱等熱能作為驅(qū)動能源，可以制冷或制熱，具有結(jié)構(gòu)緊湊、磨損和壽命小、壽命長等優(yōu)點。同時，由于它采用氦氣、氮氣等氣體作為工質(zhì)，對減少溫室效應和臭氧層破壞具有積極的作用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種新型的小型分布式能源系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要針對農(nóng)村用戶，以常見的沼氣作為驅(qū)動能源，驅(qū)動斯特林發(fā)動機發(fā)電，并利用斯特林發(fā)動機的余熱來驅(qū)動vm循環(huán)熱泵和供熱水系統(tǒng)工作，滿足用戶的夏天供冷，冬天供熱的需求，實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)產(chǎn)。

本發(fā)明所述問題是以下技術方案實現(xiàn)的：

一種沼氣驅(qū)動的小型分布式能源系統(tǒng)，其特征在于，它包括沼氣利用系統(tǒng)、斯特林發(fā)動機、發(fā)電系統(tǒng)、vm循環(huán)熱泵、供冷回路、供熱回路、供熱水系統(tǒng)；沼氣利用系統(tǒng)產(chǎn)生沼氣并燃燒，產(chǎn)生的煙氣依次經(jīng)過斯特林發(fā)動機、vm循環(huán)熱泵、供熱水系統(tǒng)，最后通過排煙裝置排出；斯特林發(fā)動機帶動供電系統(tǒng)給用戶供電，vm循環(huán)熱泵通過供冷回路與供熱回路給用戶供冷和供熱，供熱水系統(tǒng)給用戶供熱水，實現(xiàn)了冷熱電三聯(lián)產(chǎn)；

所述沼氣利用系統(tǒng)由進料器，預處理器，沼氣發(fā)酵罐，沼氣凈化處理器，沼氣存儲裝置，沼渣沼液儲罐，排料器，燃燒器組成；

所述斯特林發(fā)動機由熱腔、冷腔、熱腔活塞、冷腔活塞、回熱器、曲柄連桿機構(gòu)組成；

所述供電系統(tǒng)由發(fā)電裝置、儲電裝置、變壓裝置組成；

所述vm循環(huán)熱泵由高溫回熱器、低溫回熱器、熱腔、冷腔、室溫腔、高溫活塞、低溫活塞組成；

供冷系統(tǒng)由供冷水泵、冷水入口三通閥、冷水出口三通閥組成；

供熱系統(tǒng)由供熱水泵、熱水入口三通閥、熱水出口三通閥組成；

供熱水系統(tǒng)由水箱、熱水水泵組成。

上述的沼氣驅(qū)動的小型分布式能源系統(tǒng)，所述沼氣進料和出料得到充分的利用，排出的煙氣與預處理器換熱，使煙氣的余熱為預處理器里面的進料預熱；冬季的時候，冷腔與出料口連接，使冷腔充分吸收沼渣沼液的余熱。

上述的沼氣驅(qū)動的小型分布式能源系統(tǒng)，所述vm循環(huán)熱泵的入口連有補燃裝置，并通過溫度監(jiān)測開關控制，若煙氣溫度達不到vm循環(huán)熱泵入口溫度要求，則溫度檢測開關自動開啟，補燃裝置進行補燃；所述供熱水系統(tǒng)增加電加熱裝置，通過溫控開關控制，當熱水用量進入高峰期時，煙氣余熱不足以加熱熱水，熱水水溫達不到設定值時，則溫控開關自動開啟，電加熱裝置對水箱加熱，保證熱水的供應需求。

上述的沼氣驅(qū)動的小型分布式能源系統(tǒng)，所述vm循環(huán)熱泵的室溫腔和斯特林發(fā)動機的冷腔與供熱回路連接，所述vm循環(huán)熱泵的冷腔與供冷回路連接，夏季的時候，通過調(diào)節(jié)熱水入口三通閥和熱水出口三通閥，供冷回路向室內(nèi)供冷，供熱回路向外界散熱；冬季的時候，通過調(diào)節(jié)冷水入口三通閥和冷水出口三通閥，供熱回路向室內(nèi)供熱，供冷回路從外界吸熱。

本發(fā)明提供了一種使用沼氣作為能源的小型分布式能源系統(tǒng)，結(jié)合了斯特林發(fā)動機發(fā)電技術，vm循環(huán)熱泵供冷供熱技術，完成對用戶的供冷、供熱、供電、供熱水需求。

另外，本發(fā)明還具有如下優(yōu)點：

1、直接利用沼氣作為驅(qū)動能源，沼氣是一種可再生二次能源，資源豐富，不僅可以緩解能源壓力，而且對改善人居環(huán)境、保護林草植被、維持生態(tài)平衡具有重要意義。

2、本發(fā)明中使用了斯特林發(fā)動機和vm循環(huán)熱泵。斯特林發(fā)動機和vm循環(huán)熱泵均為封閉循環(huán)，采用氮氣、氦氣等氣體作為循環(huán)工質(zhì)，不會對環(huán)境產(chǎn)出污染與破壞，對環(huán)境友好。

3、本發(fā)明中，能量的利用率高，沼氣燃燒產(chǎn)生的煙氣首先用于斯特林發(fā)動機發(fā)電，之后經(jīng)由vm循環(huán)熱泵用于住戶的供冷和供熱，之后用于住戶的供熱水加熱，實現(xiàn)了能量的梯級利用，溫度對口，提高了能源的利用率。

4、本發(fā)明可廣泛的應用于農(nóng)村住戶，對改善農(nóng)村住戶的生活水平具有積極的作用。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明

圖1是沼氣驅(qū)動的小型分布式能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖2是沼氣驅(qū)動的小型分布式能源系統(tǒng)的具體實施圖

圖3是沼氣驅(qū)動的小型分布式能源系統(tǒng)的夏季冬季系統(tǒng)布置圖

圖中各標號含義如下：1、進料器；2、預處理器；3、沼氣發(fā)酵罐；4、沼氣凈化處理器；5、沼氣存儲裝置；6、沼渣沼液儲罐；7、排料器；8、燃燒器；9、斯特林發(fā)動機；10、熱腔；11、熱腔活塞；12、冷腔；13、冷腔活塞；14、回熱器；15、曲柄連桿機構(gòu)；16、發(fā)電裝置；17、儲電裝置；18、變壓裝置；19、vm循環(huán)熱泵；20、高溫回熱器；21、低溫回熱器；22、熱腔；23、冷腔；24、高溫活塞；25、低溫活塞；26、室溫腔；27、熱水入口三通閥；28、熱水出口三通；29、冷水入口三通閥；30、冷水出口三通閥；31、供熱水泵；32、供冷水泵；33、地下散熱器；34、風冷散熱器；35、補燃裝置；36、溫度監(jiān)測開關；37、水箱；38、熱水水泵；39、電加熱裝置；40、排煙裝置。

具體實施方式

本發(fā)明利用沼氣作為能源，通過對煙氣的合理利用，結(jié)合了斯特林發(fā)動機發(fā)電技術、vm循環(huán)熱泵供冷供熱技術，滿足了用戶的供電、供熱水及夏天供冷，冬天供熱的需求。

本發(fā)明所述的沼氣驅(qū)動的小型分布式能源系統(tǒng)，由沼氣利用系統(tǒng)、斯特林發(fā)動機、發(fā)電系統(tǒng)、vm循環(huán)熱泵、供冷回路、供熱回路、供熱水系統(tǒng)組成。

沼氣利用系統(tǒng)由進料器1，預處理器2，沼氣發(fā)酵罐3，沼氣凈化處理器4，沼氣存儲裝置5，沼渣沼液儲罐6，排料器7，燃燒器8組成。原料由進料器進入，先進入到預處理器。在這里進料被攪拌并預熱，達到發(fā)酵溫度后進入沼氣發(fā)酵罐進行發(fā)酵。發(fā)酵剩余的的廢料存儲在沼渣沼液存儲罐中，由排料器排出并統(tǒng)一處理；發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣則經(jīng)過沼氣凈化處理器中進行凈化，并存儲在沼氣存儲裝置中。沼氣進入燃燒器中燃燒，產(chǎn)生的煙氣供系統(tǒng) 利用。

斯特林發(fā)動機9主要由熱腔10、冷腔12、熱腔活塞11、冷腔活塞13、回熱器14、曲柄連桿機構(gòu)15組成。斯特林發(fā)動機的熱端與煙氣管道換熱，吸收熱量并完成工作過程；斯特林發(fā)動機的冷端則與供熱回路連接。

發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)電裝置16、儲電裝置17、變壓裝置18組成。斯特林發(fā)動機輸出軸功，帶動發(fā)電機發(fā)電，儲存在儲電裝置中。存儲的電能通過變壓裝置供給用戶使用。

vm循環(huán)熱泵的工作原理參考中國專利cn101865566a。vm循環(huán)熱泵19主要由高溫回熱器20、低溫回熱器21、熱腔22、冷腔23、高溫活塞24、低溫活塞25、室溫腔26組成，在熱腔和冷腔中吸熱，在室溫腔放熱。冷腔連接供冷回路，熱腔連接供熱回路。

供冷回路由供冷水泵32、冷水入口三通閥29、冷水出口三通閥30組成。

供熱回路由供熱水泵31、熱水入口三通閥27、熱水出口三通閥28組成。

下面結(jié)合vm循環(huán)熱泵、供冷回路和供熱回路，來介紹本系統(tǒng)夏天供冷、冬天供熱的運行、調(diào)節(jié)工況的具體情況。

夏季時，連接三通閥g與i、j與l、a與b、d與e，則vm循環(huán)熱泵冷腔與室內(nèi)換熱裝置連接，水泵帶動回路中的冷水流動，使冷腔與室內(nèi)的換熱，完成了室內(nèi)的供冷過程；vm循環(huán)熱泵室溫腔及斯特林發(fā)動機冷腔則與地下散熱器33、風冷散熱器34連接，夏季時地下土壤溫度遠低于環(huán)境溫度，可以用于vm循環(huán)熱泵的室溫腔和斯特林發(fā)動機的冷腔的散熱；夏季極高溫時(溫度超過38度)，可以開啟風冷散熱器，作為夏季削峰的手段，保證vm循環(huán)熱泵和斯特林發(fā)動機的正常工作。

冬季時，連接三通閥a與c、d與f、g與h、j與k，則vm循環(huán)熱泵室溫腔及斯特林發(fā)動機冷腔與室內(nèi)換熱裝置連接，水泵帶動回路中的熱水流動，使熱腔與室內(nèi)換熱，完成了室內(nèi)的供熱過程；vm循環(huán)熱泵的冷腔則與沼渣沼液儲罐連接，吸收沼渣沼液儲罐的余熱，完成了冷腔的吸熱過程。

vm循環(huán)熱泵連接有補燃裝置35，遇到住戶用冷用熱需求的增加或煙氣入口溫度不夠時，可以開啟補燃裝置進行燃氣補燃，滿足vm循環(huán)熱泵的正常工作。煙氣管道設有溫控開關36，可以檢測煙氣溫度，實現(xiàn)補燃裝置的自動控制。

供熱水系統(tǒng)吸收vm循環(huán)熱泵出口煙氣的熱量，給熱水加熱。供熱水系統(tǒng)設有電加熱裝置39，當熱水用量進入高峰期時，煙氣余熱不足以加熱熱水，熱水水溫達不到設定值時，則溫控開關自動開啟，電加熱裝置對水箱加熱，保證熱水的供應需求。