CN106677846B - 间接利用风能的低温有机朗肯循环发电系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温环境下间接利用风能的有机朗肯循环发电系统及其方法，属于能源与动力领域。该系统的特征在于：该系统包括工质泵（1）,蒸发器（2），膨胀机（3）,冷凝器（4）和发电机（9）；其中蒸发器（2）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；冷凝器（4）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；系统布置与环境的位置关系：采用配重的方式使工质泵(1)，蒸发器（2）膨胀机（3）在水面以下，使冷凝器（4）在水面以上。本发明充分利用了有机朗肯循环系统，对冰点强风环境条件下大面积未结冰的湖水或者海水域的内能进行回收，提出了一种间接回收利用风能的方法和思路。
Description
技术领域
本发明涉及一种寒冷环境下，间接利用风能的热转功系统及方法，属于能源与动力领域。
背景技术
利用弃置能源与清洁能源是热能动力领域当前研究的热点之一。在我国北方地区冬季环境气温较低，可达到-20℃甚至更低。注意到在低温环境下，当风力达到一定等级时，水面不会结冰，在一定条件下水温会高于环境大气的温度。此过程中风能在经过水面时转化为波动能，进一步转化为内能，使水温高于气温，从而产生了水域与大气环境之间的温差，使水域成为了一个热源。合适的低温有机朗肯循环系统能够利用风能产生的上述温差发电。
现有的水域温差发电技术研究主要集中在海水温差发电方面。海洋不同水层温差较大，一般来说，表层海水受到阳光的照射吸收的能量多，温度会高于深层海水，海水温差发电技术抽取表层温度较高的海水，使蒸发器中低沸点工质沸腾成为蒸汽进入膨胀机，带动膨胀机主轴旋转，从而带动发电机，再将高温蒸汽利用深层海水冷却。这种海水温差发电技术无废料，不排放温室气体，而且稳定，可以全年二十四小时持续发电，但是资金庞大，发电成本高，深海冷水管技术要求高，既要求深入海平面一定深度保证冷源温度足够低，又要求管径足够大保证引入的海水量大，从而确保发电效率。新型的海水温差发电装置将海水引入太阳能加热池，加热至45～60℃，再将温水引进真空汽锅蒸发进行发电，这种技术受到太阳能的限制。
对于大面积水域，尤其是海洋能源的发电技术，还有波浪发电技术，波浪上升时将空气室的空气顶上去，空气被压缩，穿过正压水阀室，进入正压气缸驱动空气透平，从而带动发电机发电；波浪下落时，空气室中形成负压条件，气缸从外界大气中吸入空气并驱动发电机另一轴伸端上的空气透平。但是波浪能量分散，而且不稳定，波浪能转换为电能效率低，波浪能的不稳定性也使波浪发电技术电力输出波动比较大。
对于利用环境气温低于水的凝固点一定温度，有一定大小的风速，水温高于气温且水面不结冰的大面积水域中，水温与气温的温差发电技术，国内研究较少。该种技术对于温差发电的应用提供了新的思路，利用特殊环境下水温与气温的温差发电，是对于弃置能源的一种利用，将水做为热源，大气做为冷源，利用合适的有机朗肯循环对外做功。
发明内容
本发明的目的在于提出一种节能环保的间接利用风能的低温有机朗肯循环发电系统和方法。
一种间接利用风能的低温有机朗肯循环发电系统，其特征在于：该系统包括工质泵, 蒸发器，膨胀机,冷凝器和发电机；其中蒸发器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；冷凝器包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；系统布置与环境的位置关系：采用配重的方式使工质泵，蒸发器,膨胀机在水面以下，使冷凝器在水面以上；发电机与膨胀机功输出端相连；膨胀机出口与冷凝器热侧入口相连，冷凝器热侧出口经过工质泵与蒸发器冷侧入口相连，蒸发器冷侧出口与膨胀机入口相连；冷凝器的冷侧入口和冷侧出口与水面以上的冷源环境空气相连，蒸发器的热侧入口和热侧出口与水面以下的热源环境水相连。
所述的间接利用风能的低温有机朗肯循环发电系统的工作方法，其特征在于包括以下过程：系统工作的条件要求水面下的温度高于环境空气的温度；系统工作时，工质经由工质泵做功进入蒸发器冷侧入口，在蒸发器中受到从蒸发器热侧入口进入的热源环境水加热，高压液态有机工质蒸发后从蒸发器冷侧出口排出，进入膨胀机实现有机工质膨胀做功过程，通过带动发电机对外输出功；高温低压有机工质从膨胀机排出，进入冷凝器热侧入口，在冷凝器中向从冷凝器冷侧入口进入的冷源环境空气放热冷凝，低温低压有机工质从冷凝器热侧出口排出，通过工质泵将有机工质再次压缩输送至蒸发器冷侧入口，形成循环。
本发明充分利用有机朗肯循环系统，对冰点强风环境条件下大面积未结冰的湖水或者海水域的内能进行回收，提出了一种间接回收利用风能的方法和思路。大气流经水面时，风能一部分会转化为波动能，进而转化为水的内能，一定条件下，水面温度会高于环境大气温度。该系统利用上述水域相对于环境大气的高温作为热源吸热，利用环境中的低温大气作为冷源放热，间接地将风能转化为电能。而且该循环的效率随着风速的提高，以及环境温度的降低而提高。
此外，由于该系统中湖水的温度及环境空气的温度较低，因此，膨胀机入口的有机工质密度较大，较高温条件下的有机朗肯循环系统的膨胀机尺寸、蒸发器和冷凝器的尺寸也较小。
附图说明
图1间接利用风能的低温有机朗肯循环发电系统；
图中标号名称： 1、工质泵，2、蒸发器，3、膨胀机，4、冷凝器，5、液面，6、湖水，7、有机工质，8、环境空气，9、发电机。
具体实施方式
下面参照图1说明低温环境下间接利用风能发电的热力发电系统的工作过程。
该系统适合在环境温度低于冰点，且强风的条件下工作，此时大面积水域的湖水或海水由于吸收强风的风能并转化为波浪波动的动能，因此并不会结冰，而且环境空气的温度低于零度，可用作该热力循环的冷源。在上述工作条件下，该系统通过外部供能启动工质泵1,有机工质7由工质泵1压缩输送至蒸发器2冷侧入口，湖水6由蒸发器2热侧入口进入，向有机工质7放出热量，从蒸发器2热侧出口排出，有机工质7在蒸发器2中吸收湖水6的热量蒸发，从蒸发器2冷侧出口排出，进入膨胀机3内膨胀并对外做功，通过带动发电机9对外输出功，有机工质7从膨胀机排出，经冷凝器4热侧入口进入冷凝器4，环境空气8从冷凝器4冷侧入口进入，吸收有机工质7的热量，从冷凝器4冷侧出口排出，有机工质7在冷凝器中向环境空气8放热冷凝，从冷凝器4热侧出口排出，再通过工质泵1将有机工质7输送回到蒸发器2中，形成循环。
该系统也适合低于冰点的冷空气突然来临，而大面积水域的湖水或者海水未结冰的情况。
Claims (2)
1.一种间接利用风能的低温有机朗肯循环发电系统，间接利用风能是指大面积水域的湖水或海水由于吸收强风的风能并转化为波浪波动的动能，因此并不会结冰，而且环境空气的温度低于零度，作该朗肯循环的冷源，其特征在于：
该系统包括工质泵（1）、蒸发器（2）、膨胀机（3）、冷凝器（4）和发电机(9)；其中蒸发器（2）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；冷凝器（4）包括热侧入口、热侧出口、冷侧入口和冷侧出口；
系统布置与环境的位置关系：采用配重的方式使工质泵(1)、蒸发器（2）和膨胀机（3）在水面以下，使冷凝器（4）在水面以上；
发电机（9）与膨胀机（3）功输出端相连；膨胀机（3）出口与冷凝器（4）热侧入口相连，冷凝器（4）热侧出口经过工质泵（1）与蒸发器（2）冷侧入口相连，蒸发器（2）冷侧出口与膨胀机（3）入口相连；冷凝器（4）的冷侧入口和冷侧出口与水面以上的冷源环境空气相连，蒸发器（2）的热侧入口和热侧出口与水面以下的热源环境水（6）相连。
2.根据权利要求1所述的间接利用风能的低温有机朗肯循环发电系统的工作方法，其特征在于包括以下过程：
系统工作的条件要求水面下（5）的温度高于环境空气（8）的温度；
系统工作时，工质经由工质泵（1）做功进入蒸发器(2)冷侧入口，在蒸发器（2）中受到从蒸发器（2）热侧入口进入的热源环境水加热，高压液态有机工质（7）蒸发后从蒸发器（2）冷侧出口排出，进入膨胀机（3）实现有机工质膨胀做功过程，通过带动发电机（9）对外输出功；高温低压有机工质（7）从膨胀机（3）排出，进入冷凝器（4）热侧入口，在冷凝器(4)中向从冷凝器（4）冷侧入口进入的冷源环境空气放热冷凝，低温低压有机工质（7）从冷凝器（4）热侧出口排出，通过工质泵（1）将有机工质（7）再次压缩输送至蒸发器（2）冷侧入口，形成循环。
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