CN112983585A - 一种热泵太阳能汽轮发电机组热电联产循环*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热泵太阳能汽轮发电机组热电联产循环***，包括压缩机、高压储气罐、汽轮机、水冷却器、热交换器、节流装置以及蒸发器；压缩机、高压储气罐、汽轮机、水冷却器、热交换器高温通道、节流装置、蒸发器、热交换器低温通道、压缩机依次通过管路顺序连通形成循环回路，所述循环回路中流通有二氧化碳循环工质；高压储气罐的周围设有太阳能辐射板；汽轮机转子与发电机的转子通过联轴器连接。本发明将高环境温度条件下空气源中的低品位热能通过热泵技术转化成超临界高温高压二氧化碳循环工质气体，太阳光聚焦辐射加热高压储气罐内部循环工质气体，汽轮发电机组及水冷却器将超临界二氧化碳循环工质中的热能转化为电能和热水实现热电联产。

Description

一种热泵太阳能汽轮发电机组热电联产循环***
技术领域
本发明涉及二氧化碳循环工质热泵太阳能汽轮发电机组技术领域，具体涉及一种热泵太阳能汽轮发电机组热电联产循环***。
背景技术
热泵技术利用逆卡诺循环将空气源(水源和地源)中的低品位热能转化为高温生活热水、采暖和工业热水领域得到了广泛的应用。对于空气源热泵，环境温度越高，热泵机组的制热效率越高，特别是在夏季高温天气，空气中蕴藏了巨量的低品位热能，热泵机组的制热效率非常高，此外，夏季太阳辐射热能也非常强，人们在夏季对生活热水和工业热水需求量会大幅下降，热泵机组的开机率就会很低，特别是北方的热泵采暖机组在高温天气就全部停止运行。传统的热能发电厂是利用燃煤(气)加热锅炉产生高温高压的蒸汽驱动汽轮机叶轮和转子旋转带动发电机转子旋转发电，汽轮机排出的蒸汽经过水冷却器冷凝后再通过高压泵输送到锅炉加热成高温高压的蒸汽后驱动汽轮机。
国内也有不少热泵发电专利技术，比如申请号为CN201710323183.4的发明专利，该发明专利采用热泵机组蒸发器内的低沸点液体气化膨胀产生的动压(蒸汽压力)通过气动马达或汽轮机带动发电机运转来实现热泵发电。申请号为CN201820942167.3的专利技术利用热泵加温热水产生水蒸汽发电和斯特林温差发电。众所周知，通过蒸汽发电，目前最成熟的技术是将高温高压的气体经过汽轮机的通流部分驱动叶轮和转子旋转带动发电机转子旋转发电。
为了利用空气源热泵机组在高环境温度条件下较高的制热能效以及太阳的辐射热能，特此提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热泵太阳能汽轮发电机组热电联产循环***，采用二氧化碳循环工质在空气源热泵中通过蒸发器低温蒸发从空气源中吸收空气中的低品位热能，通过压缩机压缩形成高温高压超临界二氧化碳气体，再通过太阳光聚焦辐射热能对其进一步加热，将储气罐中的高温高压二氧化碳气体输入到汽轮机的高压入口，驱动汽轮机的叶轮和转子旋转带动发电机发电，从汽轮机排出的低温低压循环工质气体经过水冷却器换热生产热水。
本发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种热泵太阳能汽轮发电机组热电联产循环***，包括压缩机、高压储气罐、汽轮机、水冷却器、热交换器、节流装置以及蒸发器，热交换器内包括高温通道和低温通道；压缩机、高压储气罐、汽轮机、水冷却器、热交换器的高温通道、节流装置、蒸发器、热交换器的低温通道、压缩机依次通过管路顺序连通形成循环回路，所述循环回路中流通有二氧化碳循环工质；高压储气罐的周围设有太阳能辐射板；汽轮机转子与发电机的转子通过联轴器连接。
进一步的，蒸发器上设有风机，维持蒸发器与空气对流换热。
进一步的，汽轮机包括叶轮和转子，高压储气罐中的高温高压超临界二氧化碳循环工质气体通过汽轮机高压入口进入通流部分驱动叶轮和转子旋转；汽轮机转子带动发电机转子旋转发电。
进一步的，空气源热泵、太阳能、汽轮发电机组热电联产循环***的工作方法包括如下步骤：
S1:压缩机运行，将来自于低温通道的二氧化碳循环工质气体通过回气管吸入到压缩机内部压缩成高温高压超临界二氧化碳气体；
S2:通过压缩机的排气管将高温高压超临界二氧化碳气体输出到高压储气罐中，太阳能辐射板将太阳的辐射热能聚焦到高压储气罐上加热二氧化碳循环工质气体；
S3:高温高压超临界二氧化碳循环工质气体进入汽轮机的流通部分驱动汽轮机叶轮和转子旋转，带动发电机转子旋转发电；
S4:经过汽轮机通流部分降温降压后的二氧化碳循环工质气体通过汽轮机排气口输出到水冷却器的内部管路进行冷却降温，通过调节水冷却器进水温度调节循环***的制热效率；
S5:冷却降温的二氧化碳循环工质输入到热交换器的高温通道，与热交换器低温通道输入的低温二氧化碳循环工质气体进行热交换；
S6:高温通道中的二氧化碳循环工质释放热量降温后成为液态循环工质，通过节流装置降压后进入蒸发器内部，通过管路吸收来自于空气源的低品位热能后低温蒸发；
S7:在蒸发器管路内部低温蒸发以后的二氧化碳循环工质气体进入热交换器低温通道，进行热交换后通过回气管吸入到压缩机内部压缩。
本发明的二氧化碳循环工质热泵***的蒸发器从空气源中吸收低品位热能，压缩机压缩做功形成高温高压的超临界二氧化碳气态循环工质，二氧化碳循环工质临界点温度为31.1℃，超临界二氧化碳循环工质压缩机的排气温度可以达到80℃到120℃范围，排气压力可以达到8Mpa到13Mpa范围，将压缩机排出的超临界高温高压二氧化碳循环工质气体输入到高压储气罐，通过太阳能聚光辐射板将太阳的辐射热能聚焦到高压储气罐进一步加热高压储气罐中的二氧化碳气体，将高压储气罐中的二氧化碳高温高压气体输入到汽轮机高压入口，经过汽轮机的通流部分驱动叶轮和转子旋转带动发电机转子旋转发电。超临界高温高压的二氧化碳循环工质气体经过汽轮机做功以后其部分热能将转化为汽轮机转子旋转的机械能，带动发电机转子旋转发电，从汽轮机排气口排出的二氧化碳循环工质温度和压力会降低到较低的范围，输入到水冷却器进行冷却降温，经过水冷却器冷却后的二氧化碳循环工质输入到热交换器的高温通道与热交换器的低温通道内来自于蒸发器出口的低温二氧化碳循环工质气体进行热交换，由于蒸发器的排气温度要远低于二氧化碳的临界温度(31.1℃)，高温通道内部的二氧化碳循环工质会进一步释放热量降温到其临界温度以下形成液态二氧化碳(或过冷二氧化碳液体)循环工质，液态二氧化碳循环工质通过节流装置降压后进入到蒸发器内部管路吸收空气源中的低品位热能低温蒸发，蒸发器通过风机与空气进行对流换热吸收空气源中的低品位热能；来自于蒸发器排气管的低温二氧化碳循环工质气体在热交换器低温通道内吸收高温通道内二氧化碳循环工质释放的热量升温，再进入压缩机回气口，压缩机回气温度升高后有利于提高压缩机的能效，通过这一循环即可实现二氧化碳循环工质空气源热泵太阳能汽轮发电机组热电联产循环。
有益技术效果:
本发明将空气源中的低品位热能通过热泵技术吸收转化成超临界高温高压二氧化碳循环工质气体，再通过太阳光聚焦辐射热能进一步加热循环工质气体，通过汽轮发电机组及其水冷却器将超临界二氧化碳循环工质中的热能转化为电能和热水实现热电联产，为利用空气源中的低品位热能和太阳辐射热能发电和生产热水提出了一种新的途径。
附图说明
图1是本发明空气源热泵、太阳能、汽轮发电机组热电联产循环***结构框图。
图2是本发明空气源热泵、太阳能、汽轮发电机组热电联产循环***工作流程图。
图中：1-压缩机，2-汽轮机，3-发电机，4-水冷却器，5-节流装置，6-蒸发器，7-风机，8-热交换器，9-高温通道，10-低温通道，11-高压储气罐，12-太阳能辐射板。
具体实施方式
参照图1，空气源热泵、太阳能、汽轮发电机组热电联产循环***，包括压缩机1、高压储气罐11、汽轮机2、水冷却器4、热交换器8、节流装置5以及蒸发器6，热交换器8内包括高温通道9和低温通道10；压缩机1、高压储气罐11、汽轮机2、水冷却器4、热交换器8的高温通道9、节流装置5、蒸发器6、热交换器8的低温通道10、压缩机1依次通过管路顺序连通形成循环回路，所述循环回路中流通有二氧化碳循环工质；高压储气罐11的周围设有太阳能辐射板12；汽轮机2转子与发电机3的转子通过联轴器连接；蒸发器6上设有风机7。
具体的，热交换器8内的低温通道10通过回气管与压缩机1相连接，压缩机1通过排气管与高压储气罐11相连通，所述太阳能辐射板12将太阳的辐射热能聚焦到高压储气罐11中，用来加热高压储气罐11内二氧化碳循环工质气体，高压储气罐11的出口连接到汽轮机2的高压入口，高温高压超临界二氧化碳循环工质气体通过汽轮机2高压入口进入通流部分驱动汽轮机2叶轮和转子旋转，汽轮机转子带动发电机3转子旋转发电，汽轮机2排气口与水冷却器4相连接。
参照图2，空气源热泵、太阳能、汽轮发电机组热电联产循环***的工作方法包括如下步骤：
S1:压缩机运行，将来自于低温通道的二氧化碳循环工质气体通过回气管吸入到压缩机内部压缩成高温高压超临界二氧化碳气体。
S2:通过压缩机的排气管将高温高压超临界二氧化碳气体输出到高压储气罐中，太阳能辐射板将太阳的辐射热能聚焦到高压储气罐上加热二氧化碳循环工质气体。
S3:高温高压超临界二氧化碳循环工质气体进入汽轮机的流通部分驱动汽轮机叶轮和转子旋转，带动发电机转子旋转发电；汽轮机2将高温高压超临界二氧化碳循环工质气体中的部分热能转化成为汽轮机2转子旋转的机械能，汽轮机2转子带动发电机3转子旋转发电。
S4:经过汽轮机通流部分降温降压后的二氧化碳循环工质气体通过汽轮机排气口输出到水冷却器的内部管路进行冷却降温，通过调节水冷却器进水温度调节循环***的制热效率；冷却水吸收二氧化碳循环工质余热以后成为热水排出水冷却器，二氧化碳循环工质经过水冷却器4后温度进一步降低，由于二氧化碳临界点温度为31.1℃，在高环境温度条件下，当冷却水温高于二氧化碳临界点温度时，二氧化碳循环工质经过水冷却器冷却后还将保持气态。
S5:冷却降温的二氧化碳循环工质输入到热交换器的高温通道，与热交换器低温通道输入的低温二氧化碳循环工质气体进行热交换；在热交换器8中的低温通道10中的低温二氧化碳工质气体吸收高温通道9中的二氧化碳循环工质释放的余热以后温度升高，低温通道10内部升温后的二氧化碳循环工质气体通过压缩机1的回气管进入压缩机1。
S6:高温通道中的二氧化碳循环工质释放热量降温后成为液态循环工质(或过冷循环工质)，通过节流装置降压后进入蒸发器内部，通过管路吸收来自于空气源的低品位热能后低温蒸发；蒸发器6通过风机7与空气对流换热吸收空气源中的低品位热能，二氧化碳循环工质在管路内不断循环。
S7:在蒸发器管路内部低温蒸发以后的二氧化碳循环工质气体进入热交换器低温通道，进行热交换后通过回气管吸入到压缩机内部压缩。本发明中热交换器8中的高温通道9和低温通道10的二氧化碳循环工质的热交换属于***内部的热交换，一方面可以提高低温通道10内低温二氧化碳循环工质的温度，即压缩机1回气温度，进而提升压缩机1的能效，另一方面可以降低高温通道9内二氧化碳循环工质的温度(或过冷度)，进而，提高蒸发器6吸收低品位热能的能力。在高环境温度条件下，当水冷却器4进水温度高于二氧化碳临界点温度31.1℃条件下，二氧化碳循环工质经过水冷却器4后还将处于气态，气态二氧化碳循环工质进入高温通道9后，将与低温通10内部的低温二氧化碳循环工质进行热交换，换热后高温通道9内的二氧化碳循环工质温度降低后将从气态变成液态，相变释放的潜热将被低温通道10内的低温二氧化碳循环工质吸收，使得压缩机1回气温度升高，提高压缩机效率。当水冷却器4进水温度较低(低于二氧化碳的临界点温度31.1℃)时，二氧化碳循环工质在水冷却器内部有可能冷却成液态二氧化碳，气态二氧化碳循环工质相变释放的潜热将被冷却水吸收，二氧化碳液态工质进入热交换器8的高温通道9以后将进一步冷却，形成二氧化碳过冷液态循环工质，过冷二氧化碳液态循环工质经过节流装置5降压进入蒸发器6内部管路低温蒸发，可以吸收更多的低品位热能，进而提高***的制热效率。此外，通过太阳能聚光辐射板将太阳的辐射热能聚焦到高压储气罐进一步加热高压储气罐中的二氧化碳气体，能够更好的利用太阳的辐射热能；本发明通过设置水冷却器进水温度能够更灵活的调节循环***的制热效率。

Claims (3)

1.一种热泵太阳能汽轮发电机组热电联产循环***，其特征在于，包括压缩机(1)、高压储气罐(11)、汽轮机(2)、水冷却器(4)、热交换器(8)、节流装置(5)以及蒸发器(6)，热交换器(8)内包括高温通道(9)和低温通道(10)；压缩机(1)、高压储气罐(11)、汽轮机(2)、水冷却器(4)、热交换器(8)的高温通道(9)、节流装置(5)、蒸发器(6)、热交换器(8)的低温通道(10)、压缩机(1)依次通过管路顺序连通形成循环回路，所述循环回路中流通有二氧化碳循环工质；高压储气罐(11)的周围设有太阳能辐射板(12)；汽轮机(2)转子与发电机(3)的转子通过联轴器连接。
2.根据权利要求1所述循环***，其特征在于，汽轮机(2)包括叶轮和转子，高压储气罐(11)中的高温高压超临界二氧化碳循环工质气体通过汽轮机(2)高压入口进入通流部分驱动叶轮和转子旋转；汽轮机(2)转子带动发电机(3)转子旋转发电。
3.根据权利要求1所述循环***，其特征在于，工作方法包括如下步骤：
S1:压缩机运行，将来自于低温通道的二氧化碳循环工质气体通过回气管吸入到压缩机内部压缩成高温高压超临界二氧化碳气体；
S2:通过压缩机的排气管将高温高压超临界二氧化碳气体输出到高压储气罐中，太阳能辐射板将太阳的辐射热能聚焦到高压储气罐上加热二氧化碳循环工质气体；
S3:高温高压超临界二氧化碳循环工质气体进入汽轮机的流通部分驱动汽轮机叶轮和转子旋转，带动发电机转子旋转发电；
S4:经过汽轮机通流部分降温降压后的二氧化碳循环工质气体通过汽轮机排气口输出到水冷却器的内部管路进行冷却降温，通过调节水冷却器进水温度调节循环***的制热效率；
S5:冷却降温的二氧化碳循环工质输入到热交换器的高温通道，与热交换器的低温通道输入的低温二氧化碳循环工质气体进行热交换；
S6:高温通道中的二氧化碳循环工质释放热量降温后成为液态循环工质，通过节流装置降压后进入蒸发器内部，通过蒸发器管路吸收来自于空气源的低品位热能后低温蒸发；
S7:在蒸发器管路内部低温蒸发以后的二氧化碳循环工质气体进入热交换器低温通道，进行热交换后通过回气管吸入到压缩机内部压缩。
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