CN104912758B - 一种基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***,该***包括:太阳能光电光热分频利用装置:接收太阳能并将太阳能分频利用,产生电能和中低温热能;有机朗肯循环发电装置:用以接收太阳能光电光热分频利用装置产生的中低温热能并将其转换为电能;蒸发器:用以将太阳能光电光热分频利用装置产生的中低温热能与有机朗肯循环发电装置进行换热;控制装置:用以控制有机朗肯循环发电装置中ORC工质的流量以及太阳能光电光热分频利用装置中纳米流体的流量。与现有技术相比,本发明具有转换效率高、输出光热负荷的可调控性强、季节和地区适应性强、提供个性化的能量类型、结构紧凑、易安装等优点。
Description
技术领域
本发明涉及热电联产技术领域,尤其是涉及一种基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***。
背景技术
能源紧缺及环境污染已成为制约世界经济发展的重大问题,而提高能源利用效率和开发新能源成为解决此问题的重要措施。太阳能作为一种清洁可再生能源,而备受关注。然而,目前太阳能光电转换效率偏低,一般仅为5%~20%。主要原因是仅有一部分特定频率内的光能被光伏电池吸收并转化为电能,其余大部分光能被电池吸收后转化为热。这就造成:一方面导致电池板温度升高,降低光伏电池的光电转换效率;另一方面这部分太阳能热不能够有效利用造成能源浪费和热污染。
太阳能分频利用技术作为一种太阳能利用新技术,其实现光电光热的分频利用。该技术先利用纳米流体等介质选择性地将热效应明显的频率区段的光过滤吸收,然后未被吸收的太阳光再利用光伏电池产生电能。这样就利用光热单元和光电单位实现了太阳能的分频利用,提高了光电单元的光电转换效率,同时又产生不低于60℃的中低温热能,ORC作为中低温热能品位提升的有效方式,其工作过程为:液态有机工质经工质泵加压后,先被膨胀机出口的乏气预热后,进入蒸发器中被加热变为高温高压的蒸气,再进入膨胀机膨胀做功,做功后的乏气被工质泵加压后的液态有机工质预冷后,再进入冷凝器冷凝,转变为液态有机工质,完成一个循环,但是通常光热单元产生的中低温热能由于温度不高,很难高效利用,易造成能源浪费。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种转换效率高、输出光热负荷的可调控性强、季节和地区适应性强、提供个性化的能量类型、结构紧凑、易安装的基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***,该***包括:
太阳能光电光热分频利用装置:接收太阳能并将太阳能分频利用,产生电能和中低温热能;
有机朗肯循环发电装置:用以接收太阳能光电光热分频利用装置产生的中低温热能并将其转换为电能;
蒸发器:作为连接太阳能光电光热分频利用装置和有机朗肯循环发电装置的热交换器,用以将太阳能光电光热分频利用装置产生的中低温热能与有机朗肯循环发电装置进行换热;
控制装置:分别与有机朗肯循环发电装置和太阳能光电光热分频利用装置连接,用以控制有机朗肯循环发电装置中ORC工质的流量以及太阳能光电光热分频利用装置中纳米流体的流量。
所述的太阳能光电光热分频利用装置包括聚光单元、光热单元、光电单元、第一储液罐、循环泵和流量调节阀,所述的光热单元、光电单元、蒸发器、第一储液罐和循环泵依次连接形成介质循环回路,所述的介质循环回路内设有纳米流体介质,所述的聚光单元与光热单元正对设置,所述的流量调节阀设置在循环泵入口处。
所述的有机朗肯循环发电装置包括第二储液罐、ORC工质泵、回热器、膨胀机、发电机、冷凝器和冷却组件,所述的第二储液罐、ORC工质泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器通过不锈钢管道依次连接形成工质循环回路,所述的工质循环回路内设有ORC工质,所述的发电机与膨胀机连接,所述的冷却组件与冷凝器连接。
所述的控制装置分别与循环泵、冷却组件和ORC工质泵连接。
所述的储液罐、ORC工质泵、蒸发器、膨胀机和冷凝器的出入口均设有温度计和压力表,所述的蒸发器入口出还设有流量计,所述的流量计、温度计和压力表分别与控制装置连接。
所述的聚光单元包括相互连接的聚光板和太阳跟踪仪,所述的光热单元为石英套管,并且石英套管的圆心与聚光板焦点重合,所述的光电单元包括光伏电池和铝管。
所述的光伏电池通过粘结层粘结铝管的外表面上,铝管外表面的其余部分设有保温层。
所述的蒸发器为板式换热器或板壳式换热器。
所述的冷却组件为冷却水泵或冷却风机,采用水冷或风冷的方式进行冷却。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
一、转换效率高:本发明提出的基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***,以光热光电单元产生的中低温热能作为热源并通过蒸发器的热能转换驱动ORC发电***,对外输出电能,与现有太阳能发电技术相比,该***不仅对光电单元进行了有效的冷却,提高了光电转化效率,而且利用光热单位产生的中低温热能驱动ORC发电***对外输出电能,提高了太阳能的光电综合转换效率。
二、输出光热负荷的可调控性强:由于本发明采用光热光电分频技术与ORC发电***相结合,输出的电负荷分别由光电单元和ORC发电***两部分组成,输出的热负荷主要由光热单元组成。这样对于不同的季节,根据用户的热电负荷变化,可以通过调节ORC发电***从光热单元获取的热量或者调解ORC发电***的介质流量等,既可以调节光热单元输出的热负荷又可以调节ORC发电***输出的电负荷。这样可以为用户提供个性化的热电负荷输送。
三、季节和地区适应性强:本发明提出的基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***,以光热光电单元产生的中低温热能作为热源驱动ORC发电***对外输出电能。由于太阳光辐射受地区和季节的变化影响较大,这样会对***的影响较大。但是本发明可以针对不同的地区的太阳辐射规律,采用不同的有机循环工质,优化ORC发电***的输出性能。这样可以利用ORC***的易调控性能适应不同的地区和季节从而保证***的高效率运行。
四、提供个性化的能量类型:本发明提出的基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***,不仅利用光电单元输出电能,而且还可以利用ORC***根据用户的需求输出不同种类的高品质能量。比如如果用户需要为水泵提供驱动力,本发明就可以采用ORC***的膨胀机直接驱动水泵。
五、结构紧凑、易安装:本发明提出的基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***,采用的设备和部件等易得,没有其他特殊的设备。***安装工艺较为成熟,可以降低***应用的成本。
附图说明
图1为本发明的***结构示意图。
其中,1、第二储液罐,2、ORC工质泵,3、回热器,4、蒸发器,5、第一储液罐,6、流量调节阀,7、循环泵,8、保温层,9、铝管,10、粘结层,11、光电单元,12、光热单元,13、聚光单元,14、膨胀机,15、发电机,16、冷凝器,17、冷却水泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例:
如图1所示,本发明提出的一种基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***,主要包括:一套太阳能光电光热分频利用装置、一套ORC发电装置、蒸发器4和上述装置协调工作的控制装置,太阳能光电光热分频利用装置主要由第一储液罐5、流量调节阀6、循环泵7、光电单元11、光热单元12和聚光单元13组成。ORC发电装置主要由ORC冷却水回路、第二储液罐1、ORC工质泵2、回热器3、膨胀机14和冷凝器16组成,太阳能光电光热分频利用装置产生的中低温热能与ORC发电装置的有机工质在蒸发器4中进行热量交换。
本***主要由太阳能光电光热分频利用过程及ORC动力循环过程组成,两过程通过蒸发器4进行热量交换耦合。
太阳能光电光热分频利用装置主要由聚光单元13、光热单元12、光电单元11、第一储液罐5、纳米流体和循环泵7组成,其中,聚光单元13由聚光板及太阳跟踪仪组成,借助太阳跟踪仪,太阳光垂直入射聚光板;光热单元12由石英套管及内部纳米流体组成,且布置石英套管圆心与聚光板焦点重合;光电单元11由光伏电池及铝管9组成,且铝管9上布有保温层8及粘结层10;介质循环回路的动力装置由流量调节阀6和循环泵7构成。蒸发器4可以是板式换热器或板壳式换热器。
太阳能光电光热分频利用过程:太阳光垂直入射聚光板,经石英套管对太阳光起到增透减反作用;同时进入内部圆形通道内的纳米流体,对可见光及近红外等热效应明显波段的太阳光选择性吸收并转化为纳米流体的热能,其它波段的太阳光透过,即太阳光被分频。透过的太阳光入射到光伏电池进行光电转换,对外输出电能。第一储液罐5中的纳米流体经流量调节阀6并由循环泵7提供动力后进入光电单元11的铝管9通道内,纳米流体先冷却光伏电池后,被预热至40℃左右(根据***及流量大小而不同);被预热后纳米流体进入石英套管,其吸收可见光及近红外波段太阳光,温度进一步提高至100℃以上;随后温度较高的纳米流体进入蒸发器4中,加热ORC发电***有机工质;纳米流体温度降低后进入第一储液罐5,再经流量调节阀6后进入循环泵7,过程循环进行。
ORC发电***主要由第二储液罐1、ORC工质泵2、回热器3、膨胀机14、冷凝器16等关键部件组成。其中ORC工质泵2一般采用容积型的隔膜泵或者多级离心泵;蒸发器4和冷凝器16采用板式换热器,其他形式的换热器亦可用于此***;膨胀机14为容积式涡旋膨胀机或螺杆膨胀机,也可选透平机等其形式的膨胀机械;膨胀机14输出端可连接负载装置,如发电机等;各大部件用不锈钢管道连接,且各设备进出口都装有温度计及压力表,蒸发器进口安装有流量计。
ORC发电***工质循环过程为:第二储液罐1中的低温低压液态有机工质经ORC工质泵2加压后变成低温高压液体,经回热器中的膨胀机14出口乏气预热后,进入蒸发器4被温度较高的纳米流体加热变为高温高压的过热蒸气,进入膨胀机14膨胀做功并带动发电机15对外输出电能,做功后排出的乏气经高压液态有机工质预冷后进入冷凝器16中被冷却水冷凝变为过冷液体,进入第二储液罐1,过冷循环工质再次进入循环泵2,完成一个循环。
本发明采用与太阳能光电光热分频利用技术相结合的ORC发电***。一方面,光电单元被纳米流体冷却,光伏电池的光电转换效率提高;另一方面,太阳能分频利用技术产生的中低温热能通过ORC发电***能够有效地转化为机械功或电能,提高了太阳能的光电综合转化效率。两个***在蒸发器中通过热量交换进行耦合,且通过分别调节泵的频率及流量调节阀实现流量控制和运行调节。该***的提出不仅有效地提高太阳能的光电综合转换效率,更有助于中低品位能源的有效利用。
Claims (6)
1.一种基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***,其特征在于,该***包括:
太阳能光电光热分频利用装置:接收太阳能并将太阳能分频利用,产生电能和中低温热能,所述的太阳能光电光热分频利用装置包括聚光单元(13)、光热单元(12)、光电单元(11)、第一储液罐(5)、循环泵(7)和流量调节阀(6),所述的光热单元(12)、光电单元(11)、蒸发器(4)、第一储液罐(5)和循环泵(7)依次连接形成介质循环回路,所述的介质循环回路内设有纳米流体介质,所述的聚光单元(13)与光热单元(12)正对设置,所述的流量调节阀(6)设置在循环泵(7)入口处;
有机朗肯循环发电装置:用以接收太阳能光电光热分频利用装置产生的中低温热能并将其转换为电能,所述的有机朗肯循环发电装置包括第二储液罐(1)、ORC工质泵(2)、回热器(3)、膨胀机(14)、发电机(15)、冷凝器(16)和冷却组件(17),所述的第二储液罐(1)、ORC工质泵(2)、蒸发器(4)、膨胀机(14)和冷凝器(16)通过不锈钢管道依次连接形成工质循环回路,所述的工质循环回路内设有ORC工质,所述的发电机(15)与膨胀机(14)连接,所述的冷却组件(17)与冷凝器(16)连接;
蒸发器(4):作为连接太阳能光电光热分频利用装置和有机朗肯循环发电装置的热交换器,用以将太阳能光电光热分频利用装置产生的中低温热能与有机朗肯循环发电装置进行换热;
控制装置:分别与有机朗肯循环发电装置和太阳能光电光热分频利用装置连接,用以控制有机朗肯循环发电装置中ORC工质的流量以及太阳能光电光热分频利用装置中纳米流体的流量,所述的控制装置分别与循环泵(7)、冷却组件(17)和ORC工质泵(2)连接;
太阳光垂直入射聚光板,经石英套管对太阳光起到增透减反作用,同时进入内部圆形通道内的纳米流体对可见光及近红外太阳光选择性吸收并转化为自身的热能,透过的太阳光入射到光伏电池进行光电转换,对外输出电能,第一储液罐(5)中的纳米流体经流量调节阀(6)并由循环泵(7)提供动力后进入光电单元(11)的铝管(9)通道内,纳米流体先冷却光伏电池后,被预热至40℃左右;被预热后纳米流体进入石英套管,吸收可见光及近红外波段太阳光,温度进一步提高至100℃以上,随后温度较高的纳米流体进入蒸发器(4)中,加热ORC发电***有机工质,纳米流体温度降低后进入第一储液罐(5),再经流量调节阀(6)后进入循环泵(7),过程循环进行;
ORC发电***工质循环过程为:第二储液罐(1)中的低温低压液态有机工质经ORC工质泵(2)加压后变成低温高压液体,经回热器中的膨胀机(14)出口乏气预热后,进入蒸发器(4)被温度较高的纳米流体加热变为高温高压的过热蒸气,进入膨胀机(14)膨胀做功并带动发电机(15)对外输出电能,做功后排出的乏气经高压液态有机工质预冷后进入冷凝器(16)中被冷却水冷凝变为过冷液体,进入第二储液罐(1),过冷循环工质再次进入循环泵(7),完成一个循环。
2.根据权利要求1所述的一种基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***,其特征在于,所述的储液罐(1)、ORC工质泵(2)、蒸发器(4)、膨胀机(14)和冷凝器(16)的出入口均设有温度计和压力表,所述的蒸发器(4)入口出还设有流量计,所述的流量计、温度计和压力表分别与控制装置连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***,其特征在于,所述的聚光单元(13)包括相互连接的聚光板和太阳跟踪仪,所述的光热单元(12)为石英套管,并且石英套管的圆心与聚光板焦点重合,所述的光电单元(11)包括光伏电池和铝管(9)。
4.根据权利要求1所述的一种基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***,其特征在于,所述的光伏电池通过粘结层(10)粘结铝管(9)的外表面上,铝管(9)外表面的其余部分设有保温层(8)。
5.根据权利要求1所述的一种基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***,其特征在于,所述的蒸发器(4)为板式换热器或板壳式换热器。
6.根据权利要求1所述的一种基于光热光电分频利用的有机朗肯循环发电***,其特征在于,所述的冷却组件(17)为冷却水泵或冷却风机,采用水冷或风冷的方式进行冷却。
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