CN103477071A - 用于聚光太阳能系统的有机朗肯循环 - Google Patents

用于聚光太阳能系统的有机朗肯循环 Download PDF

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Abstract

一种使用有机朗肯循环(ORC)生成能量的系统包括构造成用以使用ORC流体来用于ORC的单个封闭环路，以及构造成以使用太阳能来将ORC液体转变成气化的ORC的太阳能源(52)。

Description

用于聚光太阳能系统的有机朗肯循环
技术领域
本发明的实施例大体上涉及发电系统，且更具体而言，涉及具有太阳能源的有机朗肯循环(ORC)系统。
背景技术
朗肯循环使用封闭环路中的工作有机流体，以收集来自热源或储热器的热，且用以通过使穿过涡轮或膨胀器的热的气态流膨胀来发电。该膨胀流通过将热传递到储冷器中来在冷凝器中冷凝，且又泵压到加热压力，以完成该循环。已知的是，太阳能源用作热源或储热器。例如，聚光太阳能(CSP)系统使用透镜或反光镜和追踪系统来将较大面积的日光集中成较小的射束。然后，聚集的热用作用于常规发电厂的热源。存在各种各样的聚集技术。已经开发的大部分为抛物线槽、聚光的线性菲涅尔反射镜、斯特林碟，以及太阳能塔。各种技术用于追踪太阳和集中光。在所有的这些系统中，工作流体由聚集的日光加热，且然后用于发电或储存能量。
参照图1来论述了已知的ORC系统。图1示出了发电系统10，该系统10包括也被称为锅炉的换热器2，涡轮4、冷凝器6，以及泵8。纵观该封闭环路系统，从换热器2开始，外部热源3(例如，热的烟道气体)加热换热器2。这引起所接收到的加压液体介质12变成流向涡轮4的加压的蒸气14。涡轮4接收加压的蒸气流14，且在加压的蒸气膨胀时可生成电力16。由涡轮4释放的膨胀的低压蒸气流18进入冷凝器6中，冷凝器6将膨胀的低压蒸气流18冷凝成低压液体流20。然后，低压液体流20进入泵8中，该泵既生成较高压力的液体流12，又使封闭环路系统保持流通。然后，较高压力的液体流12泵送到换热器2中，以继续该过程。
可用于朗肯循环中的已知工作流体为有机工作流体。此类有机工作流体被称为ORC流体。ORC系统已经被配置为对发动机以及对小型和中型燃气涡轮的改型，以捕获来自热的烟道气流的废热。该废热可用于二次发电系统中，以单独生成由产生热的烟道气体的发动机传送的最高功率以上的高达20%的附加功率。
图2示出了使用太阳能源的已知ORC系统。系统30包括太阳能聚集器32、具有换热的冷凝器34的蒸汽发动机、用于工作流体的储存槽(tank)36，以及将工作流体传送到太阳能聚集器32的泵38。太阳能聚集器32配备有用于由泵38从储存槽36泵送到上部槽42中的ORC工作流体的在其入口处的调平阀40。气化的ORC工作流体从太阳能聚集器32提供到蒸汽涡轮44中，该蒸汽涡轮44可连接到发电机46上。
然而，现有的太阳能发电系统效率不高。因此，用于改善发电系统中的ORC系统的效率的系统和方法是所期望的。
发明内容
根据本发明的示例性实施例，存在一种使用有机朗肯循环(ORC)生成能量的系统。该系统包括构造成用以使用ORC流体来用于ORC的单个封闭环路，以及构造成用以使用太阳能来将ORC液体转变成气化的ORC的太阳能源。
根据本发明的另一个示例性实施例，存在一种使用有机朗肯循环(ORC)用于发电的方法，该方法包括通过以太阳能源加热来将ORC液体转变成封闭系统中的气化的ORC，使气化的ORC在膨胀器中膨胀以产生能量，以及将气化的ORC冷却以变回ORC液体且使该ORC液体返回太阳能源。
根据本发明的另一个示例性实施例，存在一种使用有机朗肯循环(ORC)生成能量的系统。该系统包括构造成用以将油基流体用作介质的第一封闭系统和构造成用以将ORC流体用作介质的第二封闭系统，其中第一封闭系统构造成用以与第二封闭系统换热，其中第一封闭系统包括太阳能源，该太阳能源构造成用以使用太阳能来将ORC液体转变成第二封闭系统的气化的ORC。
根据本发明的另一个示例性实施例，存在一种使用有机朗肯循环(ORC)用于发电的方法。该方法包括在第一封闭系统中以太阳能源加热油基流体，以及在第二封闭系统中使气化的ORC流体膨胀以用于产生能量，其中第一封闭系统的油基流体构造成用以与第二封闭系统的ORC液体换热。
附图说明
所附附图示出了本发明的示例性实施例，在附图中：
图1为ORC循环的示意图；
图2为与太阳能源一起使用的ORC循环构造的示意图；
图3为根据本发明的示例性实施例的与太阳能源一起使用的ORC循环构造的示意图；
图4为根据本发明的示例性实施例的与太阳能源和二级热源一起使用的ORC循环构造的示意图；
图5为根据本发明的示例性实施例的在两个封闭环路系统中与太阳能源一起使用的ORC循环构造的示意图；
图6为根据本发明的示例性实施例的在两个封闭环路系统中与太阳能源和二级热源一起使用的ORC循环构造的示意图；
图7为根据本发明的示例性实施例的使用具有太阳能源的ORC循环构造的方法的流程图；以及
图8为根据本发明的示例性实施例的在两个封闭环路系统中与太阳能源一起使用的ORC循环构造的流程图。
具体实施方式
示例性实施例的以下详细描述参照了所附附图。不同附图中的相同参考标号标示相同或类似的元件。此外，附图不需要按比例来绘制。以下详细描述也不限制本发明。作为替代，本发明的范围由所附权利要求限定。为了简单起见，以下描述参照用于以膨胀器来产生能量的与太阳能源一起使用的有机朗肯循环(ORC)。然而，太阳能源可为不同的，或膨胀器可以以另一个涡轮机来替换，以用于产生能量。在说明书各处提到的"一个实施例"或"实施例"意思是结合实施例描述的特定特征、结构或特点包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的短语"在一个实施例中"或"在实施例中"不必指相同的实施例。此外，可在一个或多个实施例中以任何适合的方式组合特定的特征、结构或特点。
根据本发明的示例性实施例，图3中示出了使用ORC发电的系统50，该系统50包括构造成用以气化流过该系统的ORC流体的太阳能源52和构造成用以通过使该气化的介质膨胀来生成能量/电力的涡轮机54。ORC流体可为适合于ORC的任何有机流体。冷凝器56确保气化的介质返回到其液相，而泵58增大液体介质的压力且使介质保持流过该系统。
介质可为传统上用于ORC系统中的有机流体。然而，为了改善效率，根据本申请，环戊烷基流体用作介质。环戊烷为具有化学式C5H10的高度易燃的脂环烃。其由五个碳原子的环组成，各个碳原子均结合有在该平面上方和下方的两个氢原子。其作为具有汽油般气味的无色液体出现。环戊烷的熔点为-94℃，而其沸点为49℃。还可使用其它介质。根据本发明的示例性实施例，ORC介质包括与2-甲基戊烷、正戊烷(npentane)、异戊烷中的一个或多个混合的环戊烷。例如，一个可能的组合为大约95%的环戊烷、大约3.5%的2-甲基戊烷、大约0.75%的正戊烷，以及大约0.75%的异戊烷。
太阳能源52可为已知的任何太阳能源。然而，接下来论述的本发明的实施例是对聚光太阳能(CSP)系统的优化。CSP系统不同于光伏系统。光伏系统直接将太阳能转变成电力。CSP系统需要基于太阳能气化的介质，且然后以适合的涡轮机(例如，膨胀器或涡轮)来获取能量。因此，图3中示出的实施例中使用的介质在其穿过系统的各种元件时经历了各种热力学过程。
涡轮机54可为构造成用以从气化的介质中获取能量和将该能量转变成例如机械能以驱动涡轮机(例如，泵、压缩机等)的任何机器。涡轮机还可用于产生电力或用于在本领域中已知的其它目的。在这方面，膨胀器构造成用以接收气化的介质，该气化的介质决定膨胀器的翼型件和叶轮围绕横向轴线旋转。在膨胀过程期间获取的气体(气化的介质)的热力学能量使得膨胀器的轴(其保持翼型件或叶轮)旋转，从而生成机械能。该机械能可用于触动发电装置60(例如，压缩机或发电机)，以用于产生电力。
膨胀器可为单级膨胀器或多级膨胀器。单级膨胀器仅具有一个叶轮，且在穿过单个叶轮之后，气化的气体提供到膨胀器的排气中。多级叶轮具有多个叶轮，且膨胀的介质从一个叶轮提供到下一个叶轮，以用于进一步从介质中获取能量。膨胀器可为离心机或轴向机器。离心式膨胀器沿第一方向(例如，Y轴)接收气化的介质，且在大致垂直于第一方向的第二方向(例如，X方向)处排出膨胀的介质。换言之，离心力用于旋转膨胀器的轴。在轴向膨胀器中，介质沿相同的方向进入和离开膨胀器，类似于飞机的喷气式发动机。
冷凝器56可为气冷式的或水冷式的，且其目的在于进一步冷却来自涡轮机54的膨胀介质，以便介质变成液体。泵58可为在本领域中已知的任何泵，且适于将介质的压力增大到期望的值。来自从膨胀器54排出的介质的热可在同流换热器64中除去，且提供至提供给太阳能源52的液体介质。同流换热器64可如容器一样简单，其具有共用相同环境的两个管道。例如，液体介质(从泵)流过第一管道，而气化的介质(从膨胀器)流过第二管道。由于第一管道和第二管道周围存在相同的环境，故热从第二管道转移到第一管道，从而加热液体介质。可使用其它更复杂的同流换热器。
现更详细地论述穿过系统50的介质流。假定介质流从点A流出。在该点处，液体介质由于泵58而处于较高压力(例如，40巴)和较低温度(例如，55℃)。在液体介质穿过太阳能源52之后，其温度升高(例如，为250℃)。本发明的该示例性实施例和其它示例性实施例中使用的数字仅出于示范的目的，而不旨在限制该实施例。本领域中的那些技术人员将认识到的是，这些数字随系统特点的变化而在系统与系统中变化。
当穿过太阳能源52时，介质可经历相变，即，从液体介质转变成气化的介质。在穿过太阳能源52期间，太阳能从日光传递到介质中。气化的介质到达点B且进入膨胀器54的入口54a，且使膨胀器的轴旋转，将太阳能转变成机械能。仍为气体而不是液体(例如，点C处的温度为大约140℃且压力为大约1.3巴)的膨胀介质然后在出口54b处从膨胀器释放。
当点C处仍有留在气化的介质中的能量(热)时，该介质被引导到同流换热器64中，以进一步从中除去热。在将液体介质提供到太阳能源之前，点D处在同流换热器64中从气化介质除去的热提供到点E(在同流换热器内部)处的液体介质中。点F处的冷却的气化介质现在在冷凝器56中冷却，以使其重回液相。然后，该液体介质提供到泵58中，且该循环重复。将注意到的是，将介质从一个构件带到另一个构件的管路66为密封的，以便介质不会溢到系统50外。换言之，图3中示出的系统为封闭环路系统。
当使用发电机60时，以上论述的系统提高了太阳能与电能的转换效率。此外，本系统不需要用于其介质的水，且该介质可由太阳能源直接气化。如果使用环戊烷基流体，则将注意的是，在环戊烷的沸点温度为大约49℃时，该介质在太阳能源中直接气化。
根据图4中示出的本发明的另一个实施例，例如，可在太阳能源52的下游和在膨胀器54的上游添加二级热源70。在另一应用中，二级能源70可设在位置A处。二级能源可为太阳能、地热能、化石、原子能或其它已知的能源。例如，涡轮机或发电厂的排气可为二级能源。
在另一个应用中，可提供储存槽72，以用于储存环戊烷基介质。在本发明的一个实施例中，储存槽72设在冷凝器56的下游。各种阀74和76可沿管路系统提供，以用于控制系统中流动的介质的量。在又一个实施例中，可提供平衡管线78和阀80，以用于控制通过系统的介质流。
图5示出了本发明的另一个实施例，其中系统100可包括第一封闭环路系统102和第二封闭环路系统104。第二封闭环路系统104可包括类似于图3和图4中示出的那些且也类似地连接到在图3和图4中示出的实施例的系统上的涡轮机106、冷凝器108、泵110和同流换热器112。然而，代替图3中示出的太阳能源，第二封闭环路系统可包括一个或多个气化器114和一个或多个换热装置116。图5示出了两个换热装置116和118，但一个装置也足够用于使系统运行。在一个应用中，不需要换热装置。
第一封闭环路系统102可包括类似于图3的太阳能源52的太阳能源120和类似于图3的泵58的泵122。第一封闭环路系统102可使用油基物质作为流动介质，而第二封闭环路系统104可为使用环戊烷基流体作为流动介质的ORC系统。在本发明的该实施例中，第二封闭环路系统104的有机介质不循环穿过太阳能源120，而是放置成与第一封闭环路系统102的油基物质热接触，以用于传递来自太阳能源的热。
在这方面，来自太阳能源120的油基物质使第二封闭环路系统的介质在气化器114中气化，且将气化的介质提供到涡轮机106中。此外，有可能的是，还使用该油基物质来在一个或多个换热装置116和118中预热第二封闭环路循环的介质。然而，根据示例性实施例，可省略换热装置116和118。冷却的油基物质然后到达膨胀箱(vessel)124处，其从膨胀箱124流到泵122中，以用于再次将其提供到太阳能源120中。油基物质不与第二封闭环路系统的介质或与环境混合。膨胀箱124可与氮源126流体连通，氮源126构造成用以以氮覆盖膨胀箱124的顶部部分(内部)。尽管氮进入膨胀箱内部，但由于氮在油基物质上方流动，故氮不流过第一封闭环路系统102。
根据图6中示出的本发明的实施例，可将如图4中所示的各种元件加到系统100中。例如，可在气化器114的上游或下游将二级热源130加到第二封闭环路系统中，以用于进一步加热第二封闭环路系统的介质。可添加阀132来控制介质流，且具有对应的阀136的平衡管线134可设于第二封闭环路系统中。发电机140或其它涡轮机可连接到第二封闭环路系统104中的膨胀器106上。
现论述用于操作此类系统的方法。根据图7中示出的本发明的实施例，存在一种使用ORC生成能量的方法。该方法包括通过利用太阳能源加热将液体环戊烷基流体在封闭系统中转变成气化的环戊烷基流体的步骤700；使气化的环戊烷基流体在膨胀器中膨胀以产生能量的步骤702；以及冷却气化的环戊烷基流体以返回到液体环戊烷基流体且将液体环戊烷基流体返回太阳能源的步骤704。
根据图8中示出的本发明的另一个实施例，存在一种使用ORC生成能量的方法。该方法包括以太阳能源在第一封闭系统中加热油基流体的步骤800；以及在第二封闭系统中使气化的环戊烷基流体膨胀以用于产生能量的步骤802，其中第一封闭系统的油基流体构造成用以与第二封闭系统中的液体环戊烷基流体换热。
所公开的示例性实施例提供了用于将太阳能转变成机械能或电能的系统和方法。应理解的是，该描述不旨在限制本发明。相反，该示例性实施例旨在覆盖包括在如由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围中的备选方案、变型和等同方案。此外，在示例性实施例的详细描述中阐述了许多具体细节，以便提供对请求得到专利保护的本发明的全面理解。然而，本领域中的技术人员将理解的是，可在没有此类具体细节的情况下实践各种实施例。
尽管以特定的组合描述了本实施例的特征和元件，但各个特征或元件可在没有实施例的其它特征和元件的情况下单独使用或以具有或没有本文中公开的其它特征和元件的各种组合来使用。
上述示例性实施例在各个方面都旨在说明本发明，而不是限制本发明。因此，本发明能够具有详述的实现方式中的许多变型，其可由本领域中的技术人员从本文中包含的描述中推导出。所有的此类变型和改型都被认为是在由以下权利要求所限定的本发明的范围和精神内。除非明确地这样描述，否则本申请的描述中使用的元件、动作或指令不应被理解为对本发明是关键的或必需的。此外，如本文中所使用的，冠词"一个"旨在包括一个或多个项目。
本书面描述使用本主题的实例，其公开来用以使得本领域中的任何技术人员都能够实施本主题，包括制作和使用任何装置或系统以及执行并入的任何方法。本主题的可取得专利权的范围由权利要求限定，且可包括由本领域中的技术人员所想到的其它实例。此类其它实例旨在处于权利要求的范围内。

Claims (20)

1. 一种用于使用有机朗肯循环(ORC)来生成能量的系统，所述系统包括：
单个封闭环路，所述单个封闭环路构造成用以使用ORC流体来用于所述ORC；以及
太阳能源，所述太阳能源构造成用以使用太阳能来将ORC液体转变成气化的ORC。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单个封闭环路包括：
膨胀器，所述膨胀器流体连接到所述太阳能源上，且构造成用以接收所述气化的ORC和使其膨胀，以便使所述膨胀器的旋转部分旋转；
同流换热器，所述同流换热器流体地连接到所述膨胀器的输出部上，且构造成用以从所述气化的ORC除去热；
冷却装置，所述冷却装置流体地连接到所述同流换热器上，且构造成用以将所述气化的ORC转变回所述ORC液体；以及
泵，所述泵流体地连接在所述冷却装置与所述同流换热器之间，且构造成用以将所述ORC液体泵送到所述同流换热器中，
其中，来自所述泵的所述泵送的ORC液体在所述同流换热器中接收来自所述气化的ORC的热，所述气化的ORC来自所述膨胀器。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
发电机，所述发电机联接到所述膨胀器上且构造成用以在所述膨胀器的旋转部分通过所述气化的ORC的膨胀而旋转时产生电能。
4. 根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
压缩机或另一个涡轮机，所述压缩机或另一个涡轮机连接到所述膨胀器上且构造成用以由所述膨胀器驱动。
5. 根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
流体地设在所述冷却装置与所述泵之间的储存槽。
6. 根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述膨胀器仅具有一级，且所述膨胀器为轴向膨胀器。
7. 根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
流体地连接所述系统的元件的管路；以及
平衡旁通管线，所述平衡旁通管线使所述膨胀器的流入管道与所述膨胀器的流出管道连接。
8. 根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述太阳能源构造成用以聚集太阳能。
9. 根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
附加的能源，所述附加的能源在上游或在下游连接到所述太阳能源上，以进一步加热所述ORC流体。
10. 一种使用有机朗肯循环(ORC)用于发电的方法，所述方法包括：
通过以太阳能源加热来将ORC液体在封闭系统中转变成气化的ORC；
在膨胀器中使所述气化的ORC膨胀以产生能量；以及
冷却所述气化的ORC以变回所述ORC液体，且将所述ORC液体返回所述太阳能源。
11. 一种使用有机朗肯循环(ORC)用于生成能量的系统，所述系统包括：
构造成用以使用油基流体作为介质的第一封闭系统；以及
构造成用以使用ORC流体作为介质的第二封闭系统，其中，所述第一封闭系统构造成用以与所述第二封闭系统换热，
其中，所述第一封闭系统包括构造成用以使用太阳能将ORC液体在所述第二封闭系统中转变成气化的ORC的太阳能源。
12. 根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第二封闭系统包括：
膨胀器，所述膨胀器流体地构造成用以接收所述气化的ORC和使其膨胀，以便使所述膨胀器的旋转部分旋转；
同流换热器，所述同流换热器流体地连接到所述膨胀器的输出部上，且构造成用以从所述气化的ORC除去热；
冷却装置，所述冷却装置流体地连接到所述同流换热器上，且构造成用以将所述气化的ORC转变回所述ORC液体；
泵，所述泵流体地连接在所述冷却装置与所述同流换热器之间，且构造成用以将所述ORC液体泵送到所述同流换热器中；以及
一个或多个换热装置，所述换热装置构造成用以将热加到所述ORC流体中，以将其转变成气化的ORC，
其中，来自所述泵的所述泵送的ORC液体在所述同流换热器中接收来自所述气化的ORC的热，所述气化的ORC来自所述膨胀器，以及
所述一个或多个换热装置流体地连接在所述同流换热器与所述膨胀器之间。
13. 根据权利要求11或权利要求12所述的系统，其特征在于，所述一个或多个换热装置构造成用以从所述第一封闭系统的油基流体中除去热。
14. 根据权利要求11至权利要求13中的任一项所述的系统，其特征在于，所述一个或多个换热装置包括：
气化器，所述气化器流体地连接到所述膨胀器上，且构造成用以气化所述第二封闭系统中的ORC液体；以及
至少一个预热器，所述预热器流体地连接在所述同流换热器与所述气化器之间，且构造成用以通过从所述第一封闭系统的油基流体除去热来加热所述ORC液体。
15. 根据权利要求11至14中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第一封闭系统包括：
储存箱，所述储存箱流体地连接到所述一个或多个换热装置上；以及
泵，所述泵流体地连接到所述太阳能源上，且构造成用以泵送所述油基流体穿过所述第一封闭系统。
16. 根据权利要求11至15中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
发电机，所述发电机联接到所述膨胀器上且构造成用以在所述膨胀器的旋转部分通过所述气化的ORC的膨胀旋转时产生电能。
17. 根据权利要求11至16中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
压缩机或另一个涡轮机，所述压缩机或另一个涡轮机连接到所述膨胀器上且构造成用以使用由所述膨胀器产生的旋转能。
18. 根据权利要求11至17中的任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
连接在所述第二封闭系统中的附加的能源，以进一步加热所述ORC流体。
19. 一种使用有机朗肯循环(ORC)用于发电的方法，所述方法包括：
以太阳能源加热在第一封闭系统中的油基流体；以及
在第二封闭系统中使气化的ORC流体膨胀以用于产生能量，其中，所述第一封闭系统的油基流体构造成用以与所述第二封闭系统的ORC液体换热。
20. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
以连接在所述第一封闭系统与所述第二封闭系统之间的至少一个换热装置来气化所述ORC液体。
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