CN210422900U - 一种以低品位复合热源为能量的热循环发电*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种发电装置，特别是一种以低品位复合热源为能量的热循环发电***，该发电***包括太阳能集热器、换热箱、发电单元、复叠式热泵组件和将以上组件相连的管路组成。本实用新型的技术方案是利用太阳能集热器和热泵有机组合，采用合理的连接方式，将能量收集、能量储存、能量转换、能量循环等***组合为一体，单位输出功率的体积或重量是现有各种能量转换装置的一半以下，具有设备占用空间小、便于整体运输、安装、发电效率高等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种发电装置，特别是一种以低品位复合热源为能量的热循环发电***。
背景技术
随着社会的快速发展，人们对电能的需求日益增长，以石油、煤炭为主的化石能源的大量利用，所带来的环境污染日益严重问题，而以太阳能、风能等可再生能源成为未来能源发展的方向之一，但由于现有的以太阳能、风能等可再生能源发电的***，对自然条件的依赖较为严重。
近年来，热泵技术已成为低品位热源（90摄氏度以下）利用的研究方向。热泵是运用逆卡诺循环原理，通过冷媒持续不断的吸收环境中的低温能量，再在机械功的作用下，经过压缩将低温热能转换为较高温度的热能，通过冷凝器输出到用热环境中。由于热泵的这一特性，因而制热效率通常达到200-600%，因此它比单纯用电制热更节能、高效。
对于一些要求较高的供热温度的情况下，可采用两级热泵复叠式连接方式实现。
中国知识产权局2019年01月04日公开的申请号为 201811074574.8名称为“一种太阳能、空气能联用发电***及其制冷、发电和供暖方法”的实用新型专利申请，该申请的技术方案包括通过管路串联且构成一个回路的换热组件、发电组件和介质回收组件，换热组件包括蒸发器和热交换器；发电组件以高压蒸汽为动力进行发电并设有进气端和出气端；介质回收组件包括通过管路串联连接的空气换热器、喷淋吸收器I和存储介质水溶液的储液罐，储液罐通过安装泵I的管路与蒸发器的介质进口连接，蒸发器的介质出口通过管路器的介质进口连接，蒸发器的介质出口通过管路上调压组件与发电组件的进气端连接，发电组件的出气端通过管路与空气换热器连接。
但上述技术方案所采用的单级热泵因制热温度低，加之介质的循环管路受截止阀限流影响较大，因此发电能力有限、制冷、供暖的效果一般，并且由于没有热能的存储装置，因此难以长周期稳定输出能量。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种以太阳能和复叠式热泵为主要热源，采用低沸点工质并将相变蓄热材料作为能量存储能量手段的一种以低品位复合热源为能量的热循环发电***。
为实现上述实用新型目的，本实用新型的技术方案是：一种以低品位复合热源为能量的热循环发电***，其特征在于该***由太阳能集热器、换热箱、发电单元、复叠式热泵组件和将以上组件相连的管路组成。
上述换热箱为密闭的箱体，在换热箱外部装设有绝热层，在换热箱内部装有换能液，在换热箱中由下至上顺序安装有冷凝器Ⅰ、蒸发器Ⅱ、冷凝器Ⅱ、工质膨胀器，在换热箱内蒸发器Ⅱ和冷凝器Ⅱ之间的设置有绝热板，将换热箱分隔为上下两个温度区间，在绝热板上开有对流孔。
上述复叠式热泵组件由低温热泵和高温热泵组成的两级复叠加热方式，其中低温热泵由内蒸发器Ⅰ、外蒸发器Ⅰ、冷凝器Ⅰ、压缩机Ⅰ串联而成的一个封闭循环***；高温热泵是由蒸发器Ⅱ、冷凝器Ⅱ和压缩机Ⅱ串联而成的一个封闭循环***。
上述发电单元包括密闭的工质膨胀器、汽轮发电机组和工质冷凝箱，其中工质冷凝箱为密闭的箱体，在箱体内装有防冻液，在箱体外包裹有绝热层，箱体内设置有工质冷却器、内蒸发器Ⅰ和相变储能棒；在工质膨胀器内装有低沸点相变工质，工质膨胀器的蒸汽出口与汽轮发电机入气口连接；汽轮发电机组的排气口与工质冷却器的进口连接，工质冷却的出口通过安装有工质泵和逆止阀的管路与工质膨胀器的进口相连。
上述太阳能集热器的出液口通过安装有循环泵的管路与换热箱相连，太阳能集热器的回液口通过管路与换热箱相连，在集热器的回液管路上设置有高位水箱。
上述太阳能集热器可以是太阳能真空管集热器或太阳能平板式集热器或太阳能高倍聚光集热器。
上述换热箱内部装的换能液为防冻液或导热油。
上述工质膨胀器内装的低沸点相变工质为R600a或R245fa、R236ea中的任一种。
上述相变储能棒是装有相变材料的密闭金属棒，相变材料为石蜡或脂肪酸或无机水合盐。
本实用新型的技术方案具有以下特点：1、本装置利用太阳能集热器所产生的热能对换热箱中的换能液进行加热，为低温发电装置提供有光照时的能量，具有节能环保的特点；2、利用热泵制热效率高达200-600%的特性，并采用热泵两级复叠加热的方式，提高热能品位。即通过热泵Ⅰ的蒸发器中的冷媒吸收空气中的能量，再经过热泵Ⅰ的冷凝器将50摄氏度左右的低品位热能释放到换能液中；再通过设置在低温热泵冷凝器之上的高温热泵的蒸发器吸收低温热能，经高温热泵的压缩通过冷凝器将低品位热能提升为90摄氏度以上的中高品位热能，为低温工质膨胀器提供所需蒸发压力的热值，这就是复叠式热泵的工作原理。既增大了输出功率，又可减少对光照的依赖。3、在换热箱中放置了一定数量的相变蓄能材料，用于在发电机组停运时间段，储存太阳能和热泵输入的富裕热能，提高了发电机组输出电能的连续性和稳定性。4、本***采用的低沸点工质具有比热容小、沸点低、蒸发压力高、环保、安全等特点，并且工质装置在一个完全独立的闭环***循环，工质的冷却器与低温热泵的内蒸发器共同设置在工质冷却箱之中。这种设计既可将工质做功后的乏气余热回收循环利用减少了能量的浪费，又增大了汽轮机进出口的温度差和压力差，有效提高了蒸汽轮机的发电效率；5、本装置设计构思巧妙而科学。及能量收集、能量储存、能量转换、能量循环等***为一体，单位输出功率的体积或重量是现有各种能量转换装置的一半以下，具有设备占用空间小、便于整体运输、安装等特点。
附图说明
附图1为本实用新型的结构示意图。
在如图1中：1、太阳能集热器，2、高位水箱，3、相变储能棒，4、膨胀罐，5、压力控制电磁阀，6、汽轮发电机组，7、工质膨胀器，8、换热箱，9、逆止阀，10、工质泵，11、工质冷凝箱，12、工质冷却器，13、内蒸发器Ⅰ，14、外蒸发器Ⅰ，15、低温压缩机，16、截止阀Ⅰ，17、冷凝器Ⅱ，18、蒸发器Ⅱ，19、对流孔，20、冷凝器Ⅰ，21、绝热板，22、电动阀Ⅰ，23、截止阀Ⅱ，24、高温压缩机，25、循环泵，26、换能液。
具体实施方式
如图1所示，在换热箱内装有换能液，该换能液主要是换热箱内各组件间进行热能交换的媒介，换能液采用防冻液或导热油。太阳能集热器的出液口通过安装有循环泵的管路与换热箱相连，太阳能集热器的回液口通过管路与换热箱相连。换能液由太阳能集热器加热后，通过循环泵进行循环，使换热箱内换能液的温度上升。为防止管路泄漏，在太阳能集热器的回液管路上安装有高位水箱。太阳能集热器可采用现有的太阳能真空管集热器或太阳能平板式集热器或太阳能高倍聚光集热器。
低温热泵是由内蒸发器Ⅰ、外蒸发器Ⅰ、冷凝器Ⅰ、截止阀Ⅰ、低温压缩机串联而成的一个封闭循环***；高温热泵是由蒸发器Ⅱ、冷凝器Ⅱ、截止阀和压缩机Ⅱ串联而成的一个封闭循环***。
在换热箱中由下至上顺序安装有冷凝器Ⅰ、蒸发器Ⅱ、冷凝器Ⅱ、工质膨胀器、相变储能棒。在换热箱内蒸发器Ⅱ和冷凝器Ⅱ之间设置有绝热板，将换热箱分隔成下部的低温区和上部的中温区两个温度区，在绝热板上开有对流孔19，可使低温区和中温区的换能液自然流动。
发电单元包括密闭的工质膨胀器、汽轮发电机组和工质冷凝箱，其中工质冷凝箱为密闭的箱体，在箱体内装有防冻液，在箱体外包裹有绝热层，箱体内设置有工质冷却器、内蒸发器Ⅰ和相变储能棒；在工质膨胀器内装有低沸点相变工质，工质膨胀器的蒸汽出口与汽轮发电机组入气口连接；汽轮发电机组的排气口与工质冷却器的进口连接，工质冷却的出口通过安装有工质泵和逆止阀的管路与工质膨胀器的进口相连。工质冷凝箱内装的工质冷却器、内蒸发器Ⅰ和相变储能棒，之间的能量交换是通过内置的防冻液进行。
上述低沸点相变工质为R600a或R245fa、R236ea中的任一种。
相变储能棒是装有相变材料的密闭金属棒，相变材料采用现有技术中的中温相变材料，如石蜡或脂肪酸或无机水合盐。相变储能棒的目的是将热能进行储存。
当白天有阳光时，太阳能集热板1将板内换能液26加热，通过循环泵25将加热后的换能液输送至换热箱8下部的低温区，换热箱上部的换能液通过安装有高位水箱2的管路返回太阳能集热器，如此循环往复，直至将换热箱上部中温区的换能液加热到90度以上，并使箱内设置的相变蓄能棒3吸热饱和。当太阳能集热器内换能液温度低于80摄氏度时，循环泵的温度控制器自动关闭循环泵的电源，阻断换热箱内换能液与太阳能集热器间的循环，减少散热损失。此时，相变蓄能棒放热将储蓄的潜热释放到换能液中，维持换热箱中温区换能液的温度保持在90摄氏度左右，持续为设置在换热箱中的工质膨胀器内的低沸点相变工质提供蒸发所需热能。
当工质膨胀器7内的低沸点相变工质达到设定的饱和蒸汽压力后，压力控制电磁阀5开启，饱和蒸汽由工质膨胀器的蒸汽出口喷出进入汽轮发电机组入气口，推动汽轮发电机组旋转发电；做功后的低压乏汽进入工质冷却器，通过装在工质冷凝箱11中的防冻液和相变储能棒，将低压乏汽冷凝为液态后，通过安装有工质泵10和逆止阀9的管路返回工质膨胀器，进入下一轮循环。
当无太阳照射或换热箱高温区温度低于90度时，热泵启动，低温热泵中的冷媒经过内蒸发器Ⅰ13，将工质冷凝箱中的热量带走，再汇合外蒸发器Ⅰ14从空气中吸收的能量，经过低温压缩机15加压后高温冷媒，通过冷凝器Ⅰ20对换能液进行加热。当换热箱低温区的换能液达到50摄氏度左右时，装设在控制电路中的温控电磁阀，切断低温热泵的电源，同时接通高温热泵的电源，高温压缩机24启动，其蒸发器Ⅱ18中的冷媒吸收换热箱低温区的热能，经高温压缩机加压升温后，通过冷凝器Ⅱ17与换热箱中绝热板21上部中温区的换能液进行热交换，以保证换热箱中温区的换能液的温度维持在90摄氏度以上，这样就可维持工质膨胀器中的低沸点相变工质，能够持续稳定点的达到设定的饱和蒸汽压力，推动汽轮发电机组连续运转发电。
Claims (9)
1.一种以低品位复合热源为能量的热循环发电***，其特征在于该***由太阳能集热器、换热箱、发电单元、复叠式热泵组件和将以上组件相连的管路组成。
2.根据权利要求1所述的一种以低品位复合热源为能量的热循环发电***，其特征在于上述换热箱（8）为密闭的箱体，在换热箱外部装设有绝热层，在换热箱内部装有换能液（26），在换热箱中由下至上顺序安装有冷凝器Ⅰ（20）、蒸发器Ⅱ（18）、冷凝器Ⅱ（17）、工质膨胀器（7），在换热箱内蒸发器Ⅱ和冷凝器Ⅱ之间的设置有绝热板（21），将换热箱分隔为上下两个温度区间，在绝热板上开有对流孔（19）。
3.根据权利要求2所述一种以低品位复合热源为能量的热循环发电***，其特征在于上述复叠式热泵组件由低温热泵和高温热泵组成的两级复叠加热方式，其中低温热泵由内蒸发器Ⅰ（13）、外蒸发器Ⅰ（14）、冷凝器Ⅰ、低温压缩机串联而成的一个封闭循环***；高温热泵是由蒸发器Ⅱ、冷凝器Ⅱ和高温压缩机串联而成的一个封闭循环***。
4.根据权利要求3所述的一种以低品位复合热源为能量的热循环发电***，其特征在于上述发电单元包括密闭的工质膨胀器（7）、汽轮发电机组（6）和工质冷凝箱(11)，其中工质冷凝箱为密闭的箱体，在箱体内装有防冻液，在箱体外包裹有绝热层，箱体内设置有工质冷却器（12）、内蒸发器Ⅰ（13)和相变储能棒（3）；在工质膨胀器（7）内装有低沸点相变工质，工质膨胀器的蒸汽出口与汽轮发电机组（6）入气口连接；汽轮发电机组的排气口与工质冷却器（12）器的进口连接，工质冷却的出口通过安装有工质泵（10）和逆止阀（9）的管路与工质膨胀器的进口相连。
5.根据权利要求4所述一种以低品位复合热源为能量的热循环发电***，其特征在于上述太阳能集热器（1）的出液口通过安装有循环泵（25）的管路与换热箱（8）相连，太阳能集热器的回液口通过管路与换热箱相连，在集热器的回液管路上设置有高位水箱（2）。
6.根据权利要求5所述的一种以低品位复合热源为能量的热循环发电***，其特征在于上述太阳能集热器（1）为太阳能真空管集热器或太阳能平板式集热器或太阳能高倍聚光集热器。
7.根据权利要求6所述的一种以低品位复合热源为能量的热循环发电***，其特征在于上述换热箱（8）内部装的换能液（26）为防冻液或导热油。
8.根据权利要求7所述的一种以低品位复合热源为能量的热循环发电***，其特征在于上述工质膨胀器（7）内装的低沸点相变工质为R600a或R245fa、R236ea中的任一种。
9.根据权利要求8所述的一种以低品位复合热源为能量的热循环发电***，其特征在于上述相变储能棒（3）是装有相变材料的密闭金属棒，相变材料为石蜡或脂肪酸或无机水合盐。
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