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一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

閱讀:1020發(fā)布:2020-05-19

專利匯可以提供一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)專利檢索,專利查詢,專利分析的服務。并且本 發(fā)明 公開了一種基于 相變 材料 換熱的 太陽能 熱發(fā)電系統(tǒng),包括換熱 流體 循環(huán)系統(tǒng)、ORC子循環(huán)系統(tǒng)和制冷循環(huán)系統(tǒng);換熱流體循環(huán)系統(tǒng)通過 蒸發(fā) 器 與ORC子循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)熱耦合;且制冷循環(huán)系統(tǒng)通過PCM儲冷器與ORC子循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)冷耦合;換熱流體循環(huán)系統(tǒng)包括 太陽能集熱器 和 蒸發(fā)器 ,太陽能集熱器用于為ORC子循環(huán)系統(tǒng)提供熱源;ORC子循環(huán)系統(tǒng)包括PCM儲熱器、膨脹機、發(fā) 電機 、 回熱器 和PCM儲冷器;制冷循環(huán)系統(tǒng)制冷機和 泵 B,制冷機和泵B通過管路連接形成循環(huán)回路,本發(fā)明的采用兩級蒸發(fā)、PCM儲熱器和PCM儲冷器有效保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,減少了系統(tǒng)的不可逆損失。,下面是一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)專利的具體信息內(nèi)容。

1.一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),其特征在于,包括換熱流體循環(huán)系統(tǒng)、ORC子循環(huán)系統(tǒng)和制冷循環(huán)系統(tǒng);換熱流體循環(huán)系統(tǒng)通過蒸發(fā)器與ORC子循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)熱耦合;且制冷循環(huán)系統(tǒng)通過PCM儲冷器(8)與ORC子循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)冷耦合;
所述換熱流體循環(huán)系統(tǒng)包括太陽能集熱器(1)和蒸發(fā)器,太陽能集熱器(1)用于為ORC子循環(huán)系統(tǒng)提供熱源;ORC子循環(huán)系統(tǒng)包括PCM儲熱器(4)、膨脹機(5)、發(fā)電機(6)、回熱器(7)和PCM儲冷器(8);制冷循環(huán)系統(tǒng)制冷機(11)和B(10),制冷機(11)和泵B(10)通過管路連接形成循環(huán)回路。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),其特征在于,所述PCM儲熱器4為圓柱形儲罐,內(nèi)有設有Y型管道,Y型管道上支一條為蛇形管,另一條為上直管,蛇形管的上端管口連接蒸發(fā)器出口管路;上直管的上端管口連接膨脹機(5)的進口管路;Y型管道下支為下直管,下直管的下出口連接蒸發(fā)器和回熱器(7)之間的管道。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),其特征在于,所述膨脹機(5)的蒸汽出口連接回熱器(7)的入口,回熱器(7)的出口管路連接PCM儲冷器(8)的入口,PCM儲冷器(8)的出口連接回熱器(7)另一入口,回熱器(7)的另一出口與PCM儲熱器(4)的下直管匯流后連接泵A(9)入口,泵A(9)出口管路連接蒸發(fā)器的入口,蒸發(fā)器的出口連接PCM儲熱器(4)蛇形管的上端管口。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),其特征在于,在PCM儲熱器(4)的圓柱形儲罐內(nèi)緊密填充相變材料。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),其特征在于,所述相變材料采用鹽合物,其熔點為117℃,潛熱為160kJ/kg。
6.根據(jù)權利要求5所述的一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),其特征在于,所述蒸發(fā)器設有2個,分別是蒸發(fā)器A(2)和蒸發(fā)器B(3);蒸發(fā)器A(2)為有機工質液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器,蒸發(fā)器B(3)為有機工質兩相區(qū)蒸發(fā)器。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),其特征在于,所述PCM儲冷器(8)(為圓柱形儲罐,內(nèi)有兩條相對獨立的管道,一條為直管,另外一條為蛇形管,其中,直管的兩端分別連接制冷循環(huán)的泵B(10)出口管路和制冷機的入口管路,蛇形管的兩段分別連接ORC子循環(huán)中回熱器(7)的一個出口管路和回熱器(7)的另一入口管路。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),其特征在于,所述PCM儲冷器(8)內(nèi)填充有相變材料,所述相變材料為十六烷,其熔點為16.7℃,潛熱為
236.88kJ/kg。

說明書全文

一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

技術領域

[0001] 本發(fā)明屬于太陽能發(fā)電領域,尤其是一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術

[0002] 由于化石燃料的諸多問題導致世界各個國家都在推進新能源的研究和發(fā)展。太陽能在眾多可再生資源中具有總量大,分布廣泛,清潔干凈等特點,因而受到世界各國的關注。
[0003] 傳統(tǒng)的太陽能光熱發(fā)電的方式通常為采用為工質的朗肯循環(huán)發(fā)電,由于水的自身物性導致了所需的太陽能熱源為高溫熱源,因此太陽能的集熱設備必須采用大面積、高聚焦比、復雜跟蹤的聚焦集熱方式,這就導致了整個系統(tǒng)成本增加,操作繁瑣,維護復雜。有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術是一種有效的低溫發(fā)電技術,它使用低沸點的有機工質代替水,可有效利用太陽能中低溫熱源發(fā)電。
[0004] 雖然太陽能有機朗肯循環(huán)受到廣大研究者的關注,但許多實質性的問題沒有被解決,比如有機工質在進入膨脹機時依然可能存在液滴,損壞膨脹機的運行。太陽能輻射不穩(wěn)定,以及有機朗肯循環(huán)蒸發(fā)器部分不可逆損失大等等。

發(fā)明內(nèi)容

[0005] 本發(fā)明根據(jù)現(xiàn)有技術中存在的問題,提出了一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),本發(fā)明的采用兩級蒸發(fā)、PCM儲熱器和PCM儲冷器,有效保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,減少了系統(tǒng)的不可逆損失。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術方案如下:
[0007] 一種基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),包括換熱流體循環(huán)系統(tǒng)、ORC子循環(huán)系統(tǒng)和制冷循環(huán)系統(tǒng);
[0008] 換熱流體循環(huán)系統(tǒng)包括太陽能集熱器蒸發(fā)器,太陽能集熱器用于為ORC子循環(huán)系統(tǒng)提供熱源;換熱流體循環(huán)系統(tǒng)通過蒸發(fā)器與ORC子循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)熱耦合;
[0009] ORC子循環(huán)系統(tǒng)包括PCM儲熱器、膨脹機、發(fā)電機、回熱器和PCM儲冷器;
[0010] 制冷循環(huán)系統(tǒng)制冷機和B,制冷機和泵B通過管路連接形成循環(huán)回路,且制冷循環(huán)系統(tǒng)通過PCM儲冷器與ORC子循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)冷耦合;
[0011] 進一步,所述PCM儲熱器為圓柱形儲罐,內(nèi)有設有Y型管道,Y型管道上支一條為蛇形管,另一條為上直管,蛇形管的上端管口連接蒸發(fā)器出口管路;上直管的上端管口連接膨脹機的進口管路;Y型管道下支為下直管,下直管的下出口連接蒸發(fā)器和回熱器之間的管道;當循環(huán)工質未被加熱到飽和蒸汽狀態(tài)時,從蒸發(fā)器A2出口的液滴工質可以匯集在PCM儲熱器里,PCM儲熱器4保證了進入膨脹機的工質全為蒸汽狀態(tài),防止了膨脹機的機械損傷。
[0012] 進一步,所述膨脹機的蒸汽出口連接回熱器的入口,回熱器的出口管路連接PCM儲冷器的入口,PCM儲冷器出口連接回熱器另一入口,回熱器的另一出口與PCM儲熱器的下直管匯流后連接泵A入口,泵A出口管路連接蒸發(fā)器的入口,蒸發(fā)器的出口連接PCM儲熱器蛇形管的上端管口,形成一個循環(huán)。
[0013] 進一步,在PCM儲熱器的圓柱形儲罐內(nèi)緊密填充相變材料;
[0014] 進一步,所述相變材料采用鹽水合物,其熔點為117℃,潛熱為160kJ/kg。
[0015] 進一步,所述蒸發(fā)器設有2個,分別是蒸發(fā)器A和蒸發(fā)器B;蒸發(fā)器A為有機工質液態(tài)區(qū)蒸發(fā)器,蒸發(fā)器B為有機工質兩相區(qū)蒸發(fā)器,設置兩級蒸發(fā)器可減少換熱流體和有機工質傳熱的不可逆性。
[0016] 進一步,所述PCM儲冷器為圓柱形儲罐,內(nèi)有兩條相對獨立的管道,一條為直管,另外一條為蛇形管,其中,直管的兩端分別連接制冷循環(huán)的泵B(10)出口管路和制冷機的入口管路,蛇形管的兩段分別連接ORC子循環(huán)中回熱器(7)的一個出口管路和回熱器(7)的另一入口管路。
[0017] 進一步,所述PCM儲冷器內(nèi)填充有相變材料,所述相變材料為十六烷(C16H31),其熔點為16.7℃,潛熱為236.88kJ/kg。
[0018] 本發(fā)明的有益效果:
[0019] 1、該系統(tǒng)采用雙極蒸發(fā),減小了換熱流體與有機工質傳熱的不可逆性。
[0020] 2、在傳統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的基礎上增加了PCM儲熱器和PCM儲冷器,根據(jù)外界條件調(diào)節(jié)系統(tǒng)運行,極大地保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,對能源進行更加充分地利用。
[0021] 3、當有機工質未被蒸發(fā)器完全加熱到蒸汽狀態(tài)時,部分液體工質可以進入PCM儲熱器,有效防止對膨脹機運行的損傷。
[0022] 4、用PCM儲冷器與制冷劑代替冷凝器,冷水塔等有效節(jié)省了占地面積,解決了系統(tǒng)的放置問題,減少了生產(chǎn)成本。附圖說明
[0023] 圖1是本發(fā)明基于相變材料換熱的太陽能低溫熱發(fā)電系統(tǒng)框圖;
[0024] 圖2是PCM儲熱器的結構剖視圖;
[0025] 圖3是PCM儲冷器的結構剖視圖;
[0026] 圖中,1、太陽能集熱器,2、蒸發(fā)器A,3、蒸發(fā)器B,4、PCM儲熱器,5、膨脹機,6、發(fā)電機,7、回熱器,8、PCM儲冷器,9、泵A,10.泵B,12、泵C,11、制冷機。

具體實施方式

[0027] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結合附圖及實施例,對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅用于解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
[0028] 如圖1所示的基于相變材料換熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),包括換熱流體循環(huán)系統(tǒng)、ORC子循環(huán)系統(tǒng)和制冷循環(huán)系統(tǒng);換熱流體循環(huán)系統(tǒng)與ORC子循環(huán)系統(tǒng)之間通過蒸發(fā)器實現(xiàn)熱耦合,ORC子循環(huán)系統(tǒng)和制冷循環(huán)系統(tǒng)之間通過PCM儲冷器8實現(xiàn)冷耦合。
[0029] 具體的,換熱流體循環(huán)系統(tǒng)包括通過管路連接的太陽能集熱器1、蒸發(fā)器A2、蒸發(fā)器B3和泵C12,且換熱流體循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)工質是水,循環(huán)工質在泵C12的作用下形成換熱流體循環(huán)回路。在本實施例中,太陽能集熱器1可以選用為低聚比(<3)的復合拋物面集熱器,該集熱器無須自動跟蹤太陽軌跡,可以模安裝,易于使用維護。
[0030] ORC(有機朗肯循環(huán))子循環(huán)系統(tǒng)包括PCM儲熱器4、膨脹機5、發(fā)電機6、回熱器7、PCM儲冷器8和泵A9;其中,PCM儲熱器4(如圖2)為圓柱形儲罐,內(nèi)有設有Y型管道,Y型管道上支一條為蛇形管,另一條為上直管,蛇形管的上端管口連接蒸發(fā)器A2出口管路;上直管的上端管口連接膨脹機5的進口管路;Y型管道下支為下直管,下直管的下出口連接蒸發(fā)器B3和回熱器7之間的管道,且在該管道上設有V2;在PCM儲熱器的圓柱形儲罐內(nèi)緊密填充相變材料。在本實施例中,PCM儲熱器4內(nèi)的相變材料可采用無機相變材料,如鹽水合物,其熔點為117℃,潛熱為160kJ/kg。ORC(有機朗肯循環(huán))子循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的工作介質采用制冷劑,通常選擇常用的R123,R245fa,R141b,R1234ze等。如圖2所示的PCM儲熱器4結構,由于PCM儲熱器4內(nèi)部所設計的Y型管道,當太陽能發(fā)電系統(tǒng)正常運行時,即閥1開,閥2關閉。若從蒸發(fā)器2出來的有機工質仍夾雜著部分液滴,由于重作用,這些液滴可會匯集在PCM儲熱器4內(nèi)而不會進入膨脹機。
[0031] PCM儲熱器4的蛇形管為介質入口,且蛇形管連接蒸發(fā)器A2;PCM儲熱器4上直管為介質出口,且連接膨脹機5的蒸汽入口,膨脹機5的蒸汽出口連接回熱器7的入口,回熱器7的出口管路連接PCM儲冷器8的入口,PCM儲冷器8的出口再連接回熱器7的另一入口,回熱器7的另一出口管路與PCM儲熱器4的下直管匯流后連接泵A9;泵A9與PCM儲熱器4之間的管路上通過蒸發(fā)器A2和蒸發(fā)器B3實現(xiàn)ORC(有機朗肯循環(huán))子循環(huán)系統(tǒng)與換熱流體循環(huán)系統(tǒng)之間的熱交換。在2個介質出口的管路上設置閥門V1和V2,通過調(diào)節(jié)閥門V1和V2可以實現(xiàn)膨脹機運轉發(fā)電和膨脹機不運轉但PCM儲能的兩種功能。
[0032] 制冷循環(huán)系統(tǒng)包括制冷機11和泵B10,制冷機11和泵B10通過管路連接形成循環(huán)回路,且制冷循環(huán)系統(tǒng)的管路通過PCM儲冷器8與ORC(有機朗肯循環(huán))子循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)冷耦合;其中,PCM儲冷器8(如圖3)也為圓柱形儲罐,內(nèi)有兩條相對獨立的管道,一條為直管,另外一條為蛇形管,其中,直管的兩端分別連接制冷循環(huán)的泵B(10)出口管路和制冷機的入口管路,蛇形管的兩段分別連接ORC子循環(huán)中回熱器(7)的一個出口管路和回熱器(7)的另一入口管路。
[0033] PCM儲冷器8的相變材料為十六烷(C16H31),其熔點為16.7℃,潛熱為236.88kJ/kg。制冷循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的工質也為制冷劑,通常有R32和R410a。本發(fā)明中用PCM儲冷器8代替冷凝器,利用相變材料冷卻氣態(tài)制冷劑。當PCM儲冷器8中的相變材料釋放的冷量低于所要求的值時,制冷機開啟,泵10運轉,使制冷機對相變材料補充能量。
[0034] 為了更清楚的解釋本申請所保護的技術方案,以下結合外界條件和發(fā)電狀況,對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的三種情況進行討論:
[0035] 實施例1,當太陽能輻射強烈且需要發(fā)電時,打開閥門V1,閥門V2;此時,泵C12工作,將循環(huán)工質水輸入太陽能集熱器1,在太陽能的作用下獲得熱水,熱水分別經(jīng)過兩層蒸發(fā)器A2和蒸發(fā)器B3后,為ORC(有機朗肯循環(huán))子循環(huán)系統(tǒng)提供熱量,ORC(有機朗肯循環(huán))子循環(huán)系統(tǒng)中的制冷劑工質經(jīng)過兩級蒸發(fā)器換熱后進入PCM儲熱器4,在PCM儲熱器4中將多余的熱量傳給相變材料,同時未被蒸發(fā)的制冷劑液滴落入儲熱器底層。待制冷劑工質達到適宜的熱值后進入膨脹機5做功,膨脹機5帶動發(fā)電機6發(fā)電。從膨脹機出來的制冷劑乏汽進入回熱器7,將多余熱量用于預熱PCM儲冷器8換熱后的液體制冷劑。預熱后的液態(tài)制冷劑與從儲熱罐底層出來的制冷劑液滴匯集,由泵A9送入蒸發(fā)器B3,蒸發(fā)器A2,進行下一輪循環(huán)。
[0036] 實施例2,當太陽能輻射弱且需要發(fā)電時,PCM儲熱器中的相變材料釋放熱量,補充蒸發(fā)器換熱。制冷劑工質經(jīng)過蒸發(fā)器3,蒸發(fā)器2,PCM儲熱器換熱后進入膨脹機做功,同樣未被蒸發(fā)成氣態(tài)的制冷劑液滴落入儲熱器底層。做功后的制冷劑乏汽經(jīng)過回熱器7、PCM儲冷器換熱,然后與儲熱罐底層出來的制冷劑液滴匯集,由泵送入蒸發(fā)器B3,蒸發(fā)器A2,進行下一輪循環(huán)。
[0037] 實施例3,當不需要發(fā)電時,閥門1關閉,閥門2打開,蒸發(fā)器B3、蒸發(fā)器A2和PCM儲熱器構成一個回路,有機工質在蒸發(fā)器B3和A2換熱后對相變材料補充能量。有機工質將熱量傳給相變材料后由泵A9送入蒸發(fā)器B3進行下一次循環(huán)。
[0038] 綜上所述,本發(fā)明所設計的系統(tǒng)易于小型化、模塊化,可與分布式供能建筑相結合,不僅可以向用戶提供電力,還可以提供采暖、熱水等多項功能。與傳統(tǒng)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)相比,本發(fā)明所設計的新型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)以PCM儲熱器4代替蓄熱器維持了系統(tǒng)穩(wěn)定運行,提高太陽能集熱器效率。同時,用PCM儲冷器8代替冷凝器,有效減少了系統(tǒng)的占地面積。
[0039] 以上實施例僅用于說明本發(fā)明的設計思想和特點,其目的在于使本領域內(nèi)的技術人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施,本發(fā)明的保護范圍不限于上述實施例。所以,凡依據(jù)本發(fā)明所揭示的原理、設計思路所作的等同變化或修飾,均在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
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