CN103277157A - 太阳能orc发电系统及其发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能ORC发电系统及其发电方法，可以利用太阳能发电，热能利用率高。该系统主要包括与太阳能热源相连的换热器，动力输出装置，与动力输出装置相连的发电机，循环泵和冷凝器，其中，太阳能热源包括太阳能集热板、储油罐和导热油循环泵，还设置有一个回热器，该回热器用于将动力输出装置排出的有机工质与有机工质循环泵排出的有机工质进行热量交换，以充分利用由动力输出装置排出的有机工质的剩余热能。利用上述系统进行发电，可有效利用热能，有利于节约能源，降低系统设备成本。

Description

太阳能ORC发电系统及其发电方法

技术领域

本发明涉及一种发电系统和发电方法，尤其涉及一种太阳能ORC发电系统及其发电方法。

背景技术

ORC也就是有机朗肯循环，利用该技术设计成的发电系统为ORC发电系统。目前，现有的ORC发电系统一般包括两个换热器、一个动力输出装置、与动力输出装置相连的发电机和一个循环泵。例如《制冷学报》2012年2月第33卷第1期就公开了一个上述ORC发电系统。以及中国专利公开号CN1950591A也公开了一个类似的ORC发电系统。上述这种发电系统中的各个装置相连形成一个循环回路。有机介质在这个回路中循环。其中一个换热器可与太阳能热源相连进行热交换，将有机工质加热成蒸汽状态，蒸汽状态的有机介质进入动力输出装置做功，动力输出装置带动发电机发电。有机工质接着进入另一个换热器进行冷凝形成液体，这个换热器也就是冷凝器。被冷却的有机工质在循环泵的压力作用下形成过冷液体状态，然后进入与热源相连的换热器内。通过上述循环进行发电。现有的这种发电系统存在以下不足：1、有机工质在经过动力输出装置做功后还保留部分热能，这些热能由冷凝器放热而浪费掉，系统效率很低。2、系统经过长期使用后，内部有机工质发生损耗，无法及时补充。3、现有的太阳能热源的设置不够简洁合理，太阳能利用率低。

太阳能既是一次能源，也是理想的可再生能源。虽然资源丰富，既可以免费使用，也无需运输，对环境无污染，但是由于能量密度低，热源温度不高，品位低。

目前太阳能在发电上的利用技术主要有2种：太阳能光发电、太阳能热发电。

太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式，在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。

太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。另一种方式是将太阳热能通过热机（如汽轮机）带动发电机发电。其中，太阳能通过热机带动发电机发电是通过将太阳能转化为热能将水加热成蒸汽后带动汽轮机发电。这种放电方式存在以下不足：

（1）采用常规水蒸汽朗肯循环，水蒸汽气化潜热比例大，整个系统来自太阳能的吸热量将有很大部分由冷凝器放热浪费，系统效率很低；

（2）以水蒸汽作为循环工质时，作为湿流体，换热器必须设计有足够的过热器换热面，保证水蒸汽有足够的过热度，使做功后的蒸汽干度达到汽轮机末级要求；

（3）由于热源温度不高，换热器不能产生很高的蒸汽压且做功蒸汽比容大，直接影响汽轮机的尺寸，造成设备造价升高。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种可以利用太阳能发电的热能利用率高的太阳能ORC发电系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：太阳能ORC发电系统，包括与热源相连的换热器，动力输出装置，与动力输出装置的动力输出端相连的发电机，有机工质循环泵，冷凝器，所述换热器包括热源入口、热源出口、换热器有机工质入口和换热器有机工质出口，动力输出装置包括输出装置有机工质入口和输出装置有机工质出口，换热器有机工质出口与输出装置有机工质入口相连，冷凝器包括冷凝器有机工质入口和冷凝器有机工质出口，所述热源包括太阳能集热板，所述太阳能集热板内设置有油道，油道的通道出口与换热器的热源入口相连，油道的通道入口通过导热油循环泵与换热器的热源出口相连；

还包括回热器，回热器的第一有机工质入口与第一有机工质出口之间设置有第一换热道，回热器的第二有机工质入口与第二有机工质出口之间设置有第二换热道，回热器的第一有机工质入口与输出装置有机工质出口相连，回热器的第一有机工质出口与冷凝器有机工质入口相连，冷凝器有机工质出口通过有机工质循环泵与回热器的第二有机工质入口相连，回热器的第二有机工质出口与换热器有机工质入口相连。

上述发电系统可提高太阳能的利用率，且通过设置回热器，可将动力输出装置排出的有机工质的剩余热能进行充分利用，利用这部分热能可对过冷液态有机工质进行加热。

进一步的是：所述冷凝器与有机工质循环泵之间还连接有储液罐，所述储液罐上设置有有机工质补充装置。

进一步的是：所述导热油循环泵与换热器之间设置有储油罐。

进一步的是：所述动力输出装置为ORC透平。

进一步的是：所述ORC透平上设置有用于防止有机工质泄漏的密封结构。

本发明还提供了一种采用上述太阳能ORC发电系统的发电方法，先通过太阳能集热板将导热油加热，然后通过进入换热器内的导热油将系统内有机工质加热成气态，导热油从换热器流出后经导热油循环泵进入太阳能集热板内；气态有机工质促使动力输出装置做功带动发电机发电，动力输出装置排出的有机工质经回热器进入冷凝器冷却成液态，液态有机工质经有机工质循环泵加压形成过冷液态有机工质，过冷液态有机工质进入回热器的第二换热道后吸收回热器的第一换热道内的气态有机工质的热量，然后进入换热器内。

进一步的是：所述冷凝器与有机工质循环泵之间还连接有储液罐，所述储液罐上设置有有机工质补充装置，通过有机工质补充装置向系统内补充有机工质。

进一步的是：所述导热油循环泵与换热器之间设置有储油罐。

进一步的是：所述动力输出装置为ORC透平，所述ORC透平上通过设置有密封结构防止ORC透平内部的有机工质泄漏。

进一步的是：系统内的有机工质的压力大于等于系统外部压力。

本发明的有益效果是：

1、可利用太阳能发电，且热能利用率高。整个系统的循环热效率高。同时，采用有机工质为循环介质时，系统不需设置加药装置、除氧装置、排污系统等设备，可有效降低设备投资。

2、通过储液罐一方面可起到缓冲的作用，保证有机工质在系统内持续顺畅的循环，另一方面还可对系统内及时补充有机工质。

3、通过储油罐一方面可起到缓冲的作用，保证导热油持续顺畅的循环，从而保证有机工质在换热器内的温度不会出现大幅波动，有利于保护有机工质不因温度波动发生物性改变；另一方面可及时补充导热油。而且，通过储油罐可控制系统内导热油的量，进而可根据太阳能集热板的温度来及时调整系统内导热油的量来保证导热油的温度稳定，从而可保证有机工质的温度稳定，不会出现大幅波动。

4、通过设置密封结构，可对ORC透平进行良好密封，防止有机工质泄漏。

5、系统内的有机工质的压力大于等于系统外部压力，也就是大于等于外部环境的压力，这样可防止外部气体进入系统内破坏有机工质的物性。

附图说明

图1为本发明的太阳能ORC发电系统的示意图；

图中标记为：换热器1，热源入口11，换热器有机工质出口12，热源出口13，换热器有机工质入口14，动力输出装置2，输出装置有机工质入口21，动力输出端22，输出装置有机工质出口23，发电机3，回热器4，第一有机工质入口41，第一有机工质出口42，第二有机工质入口44，第二有机工质出口43，冷凝器5，冷凝器有机工质入口51，冷凝器有机工质出口52，储液罐6，有机工质循环泵7，太阳能集热板8，通道出口81，通道入口82，储油罐9，导热油循环泵100。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的太阳能ORC发电系统，包括与热源相连的换热器1，动力输出装置2，与动力输出装置2的动力输出端22相连的发电机3，有机工质循环泵7，冷凝器5，所述换热器1包括热源入口11、热源出口13、换热器有机工质入口14和换热器有机工质出口12，动力输出装置2包括输出装置有机工质入口21和输出装置有机工质出口23，换热器有机工质出口12与输出装置有机工质入口21相连，冷凝器5包括冷凝器有机工质入口51和冷凝器有机工质出口52，所述热源包括太阳能集热板8，所述太阳能集热板8内设置有油道，油道的通道出口81与换热器1的热源入口11相连，油道的通道入口82通过导热油循环泵100与换热器1的热源出口13相连；还包括回热器4，回热器4的第一有机工质入口41与第一有机工质出口42之间设置有第一换热道，回热器4的第二有机工质入口44与第二有机工质出口43之间设置有第二换热道，回热器4的第一有机工质入口41与输出装置有机工质出口23相连，回热器4的第一有机工质出口42与冷凝器有机工质入口51相连，冷凝器有机工质出口52通过有机工质循环泵7与回热器4的第二有机工质入口44相连，回热器的第二有机工质出口43与换热器有机工质入口14相连。上述冷凝器可采用空冷等冷却方式。上述回热器4也是一种换热器，其原理与换热器相同，就是用于将第一换热道内的有机工质的热量与第二换热道内的有机工质的热量进行交换。导热油的流动方向与有机工质的流动方向是相反的，这种形式称作逆流传热，反之称为顺流传热。逆流传热比顺流传热效率高，可有效减少换热器换热面积，减少设备制造成本。因此优选为逆流传热。

使用时，先通过太阳能集热板8将油道内的导热油加热，加热后的导热油进入换热器内，然后通过进入换热器1内的导热油将系统内有机工质加热成气态，导热油从换热器1流出后经导热油循环泵100进入太阳能集热板8的油道内；而上述气态有机工质进入动力输出装置2后促使动力输出装置2做功带动发电机3发电，动力输出装置2排出的有机工质经回热器4进入冷凝器5冷却成液态，液态有机工质经有机工质循环泵7加压形成过冷液态有机工质，过冷液态有机工质进入回热器4的第二换热道后吸收回热器4的第一换热道内的气态有机工质的热量，然后进入换热器内。与现有技术相比，上述系统可充分利用太阳能的热能，整个系统的循环热效率较高。这点可从表1看出。

表1，以某工程集热板温度120℃为例：

	单位	现有技术	本发明的系统
				热源温度	℃	120	120
循环工质		水	正戊烷
				流体性质		湿流体	干流体
临界压力	MPa	22.09	3.37
				临界温度	℃	374	196
沸点	℃	100	36.1

主蒸汽温度	℃	100	100
				主蒸汽压力	MPa	0.005	1.3
冷凝器工作压力	MPa	-0.093	0.1
				循环热效率	%	7	13

由于有机工质在系统内会有损耗，为了维持系统内有机工质的正常循环，需要及时向系统内补充有机工质。如图1所示，在上述基础上，所述冷凝器5与有机工质循环泵7之间还连接有储液罐6，所述储液罐上设置有有机工质补充装置。上述有机工质补充装置可为一个阀门，或为一个带有阀门的直管等等。当需要向储液罐6内补充有机工质时，可开启阀门，向储液罐6内补充有机工质，补充完毕后关闭阀门即可。当然上述有机工质补充装置还可以包括一个液位检测器，当储液罐6内的液位低于标准液位后，液位检测器将信号传输给控制系统，控制系统通过开启阀门，并通过传输管向储液罐6内输送有机工质。

同理，导热油在使用过程中也会发生损耗，同时，导热油流动的持续均匀性对换热器内的有机工质的温度波动有直接影响，有机工质的温度波动又会影响有机工质的物性，影响有机工质的正常工作。基于上述思路，所述导热油循环泵100与换热器1之间设置有储油罐9。储油罐9上可设置多种类型的进油机构。例如可为一个阀门，可为进油管和阀门，可为带有液位检测器的进油管和阀门等等。通过储油罐9，一方面可起到缓冲的作用，保证导热油持续顺畅的循环，从而保证有机工质在换热器内的温度不会出现大幅波动，有利于保护有机工质不因温度波动发生物性改变；另一方面可及时补充导热油。

上述动力输出装置2可以为一个膨胀机，优选为：所述动力输出装置2为ORC透平。当动力输出装置2为ORC透平时，为了防止其内部的有机工质泄漏，可在ORC透平上设置相应的密封结构。该密封结构可包括介质密封、机械密封或将两种联合使用。介质密封也就是通过设置相应的密封结构，使得密封结构内填充密封介质，密封介质的压力大于气态的有机工质的压力，这样可防止有机工质泄漏。机械密封是靠一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力（或磁力）作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。上述机械密封和介质密封均为常见的两种密封方式。优选是将两者同时应用在ORC透平上作为密封结构使用，密封效果将远远大于单种密封的效果。例如可在机械密封结构的外围设置介质密封。

在上述基础上，为了防止系统内的有机工质的泄漏，系统在运转过程中，系统内的有机工质的压力大于等于系统外部压力。也就是使有机工质的压力大于等于外部环境的压力，防止系统外的气体进入系统内破坏有机工质的物理性能。具体的，可根据系统来选用合适沸点的有机工质，这样可实现系统内有机工质的压力大于等于系统外部压力。这样的措施对于冷凝器最为有利，可以保证冷凝器在常压或微正压条件下运行，降低冷凝器投资成本。

Claims (10)

1.太阳能ORC发电系统，包括与热源相连的换热器（1），动力输出装置（2），与动力输出装置（2）的动力输出端（22）相连的发电机（3），有机工质循环泵（7），冷凝器（5），所述换热器（1）包括热源入口（11）、热源出口（13）、换热器有机工质入口（14）和换热器有机工质出口（12），动力输出装置（2）包括输出装置有机工质入口（21）和输出装置有机工质出口（23），换热器有机工质出口（12）与输出装置有机工质入口（21）相连，冷凝器（5）包括冷凝器有机工质入口（51）和冷凝器有机工质出口（52），其特征是：

所述热源包括太阳能集热板（8），所述太阳能集热板（8）内设置有油道，油道的通道出口（81）与换热器（1）的热源入口（11）相连，油道的通道入口（82）通过导热油循环泵（100）与换热器（1）的热源出口（13）相连；

还包括回热器（4），回热器（4）的第一有机工质入口（41）与第一有机工质出口（42）之间设置有第一换热道，回热器（4）的第二有机工质入口（44）与第二有机工质出口（43）之间设置有第二换热道，回热器（4）的第一有机工质入口（41）与输出装置有机工质出口（23）相连，回热器（4）的第一有机工质出口（42）与冷凝器有机工质入口（51）相连，冷凝器有机工质出口（52）通过有机工质循环泵（7）与回热器（4）的第二有机工质入口（44）相连，回热器的第二有机工质出口（43）与换热器有机工质入口（14）相连。

2.如权利要求1所述的太阳能ORC发电系统，其特征是：所述冷凝器（5）与有机工质循环泵（7）之间还连接有储液罐（6），所述储液罐上设置有有机工质补充装置。

3.如权利要求1所述的太阳能ORC发电系统，其特征是：所述导热油循环泵（100）与换热器（1）之间设置有储油罐（9）。

4.如权利要求1所述的太阳能ORC发电系统，其特征是：所述动力输出装置（2）为ORC透平。

5.如权利要求4所述的太阳能ORC发电系统，其特征是：所述ORC透平上设置有用于防止有机工质泄漏的密封结构。

6.采用权利要求1所述的太阳能ORC发电系统的发电方法，其特征是：先通过太阳能集热板（8）将导热油加热，然后通过进入换热器（1）内的导热油将系统内有机工质加热成气态，导热油从换热器（1）流出后经导热油循环泵（100）进入太阳能集热板（8）内；气态有机工质促使动力输出装置（2）做功带动发电机（3）发电，动力输出装置（2）排出的有机工质经回热器（4）进入冷凝器（5）冷却成液态，液态有机工质经有机工质循环泵（7）加压形成过冷液态有机工质，过冷液态有机工质进入回热器（4）的第二换热道后吸收回热器（4）的第一换热道内的气态有机工质的热量，然后进入换热器内。

7.如权利要求6所述的发电方法，其特征是：所述冷凝器（5）与有机工质循环泵（7）之间还连接有储液罐（6），所述储液罐上设置有有机工质补充装置，通过有机工质补充装置向系统内补充有机工质。

8.如权利要求6所述的发电方法，其特征是：所述导热油循环泵（100）与换热器（1）之间设置有储油罐（9）。

9.如权利要求6所述的发电方法，其特征是：所述动力输出装置为ORC透平，所述ORC透平上通过设置有密封结构防止ORC透平内部的有机工质泄漏。

10.如权利要求6所述的发电方法，其特征是：系统内的有机工质的压力大于等于系统外部压力。

Images