基于光伏余热和厌氧发酵驱动的SOFC多联供系统及方法

本发明涉及多联共能源，具体涉及一种基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统及方法。

背景技术：

1、近年来，随着我国规模化农场和畜牧业的快速发展，产生了一系列有机废物，如：畜禽粪便等，其造成的环境污染和资源化利用亟待解决。畜禽粪便作为生物质能源，可通过直接燃烧、生物质致密化来获得能量，但由于易造成二次污染、成本昂贵等特点，未得到大范围推广。而厌氧消化技术(anaerobic digester，ad)是实现生物质废弃物资源化利用的有效途径。通过厌氧微生物降解产生清洁安全的沼气，经济环保，环境友好，达到减少温室气体排放和降低环境污染的目的。同时产生的沼渣通过加工可作为沼肥，变废为宝，绿色环保。

2、厌氧消化器中产生沼气的菌群活性和所需热能受季节气候和环境温度的影响。维持嗜温和嗜热菌群最佳活性的温度一般为35℃和55℃左右；维持所需热能的传统方式是就地燃烧沼气，这使得沼气生产不连续且不稳定。同时，目前我国现代厌氧发酵池与其他系统的联合生产较少，如：聚光光伏系统(concentrating photovoltaic subsystem，cptvs)、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，sofc)、跨临界co2循环(transcriticalcarbon dioxide cycle，tcpc)、有机朗肯循环系统(transcritical organic rankinecycle，orc)、卡琳娜循环(kalina cycle，kc)和lng冷能系统等，无法实现能量梯级利用。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统，在为农场运行提供所需的电能、冷能以及天然气的同时实现sofc余热和lng冷能的梯级利用，提高了能源利用率。

2、本发明的技术方案如下：

3、在本发明的第一方面，提供了一种基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统，包括聚光光伏系统、厌氧发酵池、固体氧化物燃料电池系统、跨临界co2循环-有机朗肯循环联合系统、卡琳娜循环系统和lng冷能利用系统；

4、所述聚光光伏系统产生的光伏余热用于厌氧发酵池的保温，厌氧发酵池产生的甲烷用作固体氧化物燃料电池系统的燃料；所述固体氧化物燃料电池系统产生的余热烟气为跨临界co2循环-有机朗肯循环联合系统和卡琳娜循环系统提供热量；同时，将lng冷能利用系统为有机朗肯循环、跨临界co2循环、卡琳娜循环系统和农场冷库提供冷量，最后送至天然气接收终端。

5、在本发明的一些实施方式中，聚光光伏系统包括依次连接的光伏组件、储热罐和第一换热器，所述第一换热器还与光伏组件连接，形成循环系统；所述第一换热器将光伏组件产生的余热提供给厌氧发酵池。

6、在本发明的一些实施方式中，所述厌氧发酵池与除气装置、甲烷储气罐依次相连，所述甲烷储气罐为固体氧化物燃料电池系统提供燃料。

7、在本发明的一些实施方式中，所述固体氧化物燃料电池系统发电产生的排气依次连接固体氧化物燃料电池系统中的空气预热器、水预热器和燃气预热器，然后进入跨临界co2循环-有机朗肯循环联合系统和卡琳娜循环系统的换热器中。

8、在本发明的一些实施方式中，所述跨临界co2循环包括：工质co2依次进入第一回热器、第二换热器、第一涡轮机、第一回热器、废热交换器和冷凝器中进行循环。

9、在本发明的一些实施方式中，所述有机朗肯循环包括：工质c3h8依次进入废热交换器、第二涡轮机和第二冷凝器中进行循环。

10、在本发明的一些实施方式中，所述卡琳娜循环系统包括：工质氨水在第三换热器中被加热为汽水混合物，经过分离器分离为富氨蒸气和弱氨溶液，富氨蒸气进入透做功发电，之后在混合器中与节流后的弱氨溶液混合，混合后的氨水在冷凝器中与lng换热，之后通过泵加压再经第二回热器换热，最后送第二回换热器以完成循环。

11、在本发明的一些实施方式中，所述lng冷能回收系统包括：lng从lng储罐中抽出，依次进入有机朗肯循环、跨临界co2循环提供冷量。

12、在本发明的一些实施方式中，气化后的天然气经过分流器分为两路：一路送入卡琳娜循环的冷凝器为其提供冷量，自身被加热；另一路在冷库用热交换器中为农场冷库储存提供冷量；两股lng流在混合器中混合后，被送至天然气管网，为用户提供天然气。

13、在本发明的第二方面，提供了一种基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统的工作方法，包括：

14、聚光光伏系统产生的光伏余热用于厌氧发酵池的保温，经过除杂装置后产生的甲烷用作固体氧化物燃料电池系统的燃料；固体氧化物燃料电池系统产生的余热烟气依次经过换热器驱动跨临界co2循环-有机朗肯循环联合系统和卡琳娜循环系统系统，实现余热资源的梯级利用；

15、同时，将lng冷能分成三个不同的温区，低温区冷能用作有机朗肯循环的散热器，中温区冷能作为跨临界co2循环的散热器，高温区冷能通过分流器分别为卡琳娜循环系统和农场冷库提供冷量，最后送至天然气接收终端，实现lng冷能的梯级利用。

16、本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

17、(1)本发明提供的多联供系统系统集成了聚光光伏/厌氧发酵/sofc固体氧化物燃料电池/跨临界co2循环/有机朗肯循环/卡琳娜循环/lng冷能利用系统，在为农场运行提供所需的电能、冷能以及天然气的同时实现sofc余热和lng冷能的梯级利用。此外，该系统使用太阳能和生物质能为输入能源，低碳环保，节能减排，对生态农业的发展和可再生能源的有效利用有着重要意义。

18、(2)本发明中的聚光光伏系统发电后产生的光伏余热通过储热罐存储，为厌氧发酵提供恒温环境，降低了厌氧发酵对温度的依赖，实现了光伏余热的回收利用和厌氧消化池热负荷的稳定供应并且提高了沼气产率。

19、(3)本发明中的厌氧发酵实现农场畜禽粪便资源化利用，通过物质多层循环和能量相互转换，解决了其对环境的污染问题；产生的沼渣通过加工可作为沼肥，变废为宝，绿色环保。将沼气经过除杂装置后产生的甲烷作为燃料通入sofc系统中，进行供热和发电，在保护环境，节能减排的同时缓解农场电力供应紧张的问题，符合能源再循环利用的环保理念。

20、(4)在本发明多联供系统中，来自sofcs的高温余热烟气和lng冷能依次经过跨临界co2循环-有机朗肯循环联合系统、卡琳娜循环系统，完成对sofc高温余热和lng冷能的梯级利用，并具有较好的温度匹配，最终将常温常压的天然气接入天然气终端系统，实现冷、电、气等多能源供应。

技术特征：

1.一种基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统，其特征在于，包括聚光光伏系统、厌氧发酵池、固体氧化物燃料电池系统、跨临界co2循环-有机朗肯循环联合系统、卡琳娜循环系统和lng冷能利用系统；

2.如权利要求1所述的基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统，其特征在于，聚光光伏系统包括依次连接的光伏组件、储热罐和第一换热器，所述第一换热器还与光伏组件连接，形成循环系统；所述第一换热器将光伏组件产生的余热提供给厌氧发酵池。

3.如权利要求1所述的基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统，其特征在于，所述厌氧发酵池与除气装置、甲烷储气罐依次相连，所述甲烷储气罐为固体氧化物燃料电池系统提供燃料。

4.如权利要求1所述的基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统，其特征在于，所述固体氧化物燃料电池系统发电产生的排气依次连接固体氧化物燃料电池系统中的空气预热器、水预热器和燃气预热器，然后进入跨临界co2循环-有机朗肯循环联合系统和卡琳娜循环系统的换热器中。

5.如权利要求1所述的基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统，其特征在于，所述跨临界co2循环包括：工质co2依次进入第一回热器、第二换热器、第一涡轮机、第一回热器、废热交换器和冷凝器中进行循环。

6.如权利要求5所述的基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统，其特征在于，所述有机朗肯循环包括：工质c3h8依次进入废热交换器、第二涡轮机和第二冷凝器中进行循环。

7.如权利要求1所述的基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统，其特征在于，所述卡琳娜循环系统包括：工质氨水在第三换热器中被加热为汽水混合物，经过分离器分离为富氨蒸气和弱氨溶液，富氨蒸气进入透做功发电，之后在混合器中与节流后的弱氨溶液混合，混合后的氨水在冷凝器中与lng换热，之后通过泵加压再经第二回热器换热，最后送第二回换热器以完成循环。

8.如权利要求1所述的基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统，其特征在于，所述lng冷能回收系统包括：lng从lng储罐中抽出，依次进入有机朗肯循环、跨临界co2循环提供冷量。

9.如权利要求8所述的基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统，其特征在于，气化后的天然气经过分流器分为两路：一路送入卡琳娜循环的冷凝器为其提供冷量，自身被加热；另一路在冷库用热交换器中为农场冷库储存提供冷量；两股lng流在混合器中混合后，被送至天然气管网，为用户提供天然气。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的基于光伏余热和厌氧发酵驱动的sofc多联供系统的工作方法，其特征在于，包括：

技术总结本发明公开了一种基于光伏余热和厌氧发酵驱动的SOFC多联供系统及方法，所述系统包括聚光光伏系统、厌氧发酵池、固体氧化物燃料电池系统、跨临界CO2循环‑有机朗肯循环联合系统、卡琳娜循环系统和LNG冷能利用系统；本发明提供的多联供系统集成了聚光光伏/厌氧发酵/SOFC固体氧化物燃料电池/跨临界CO<subgt;2</subgt;循环/有机朗肯循环/卡琳娜循环/LNG冷能利用系统，在为农场运行提供所需的电能、冷能以及天然气的同时实现SOFC余热和LNG冷能的梯级利用。此外，该系统使用太阳能和生物质能为输入能源，低碳环保，节能减排，对生态农业的发展和可再生能源的有效利用有着重要意义。技术研发人员：于泽庭,张开帆受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18