CN107013272A - 一种基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统 - Google Patents

一种基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，包括太阳能分频利用系统、ORC系统和柴油机发电机组；所述太阳能分频利用系统用于将太阳能转换为输出的电能和光热介质的热能；所述柴油机发电机组通过柴油的燃烧转换为输出的电能、柴油机冷却水的热能和气体热能；所述ORC系统包括相变蓄热器、膨胀机和回热器；一套所述ORC系统输出端通过管道依次与第二换热器、第二蒸发器和ORC系统输入端连接，用于将有机工质汽化；另一套所述ORC系统输出端通过管道依次与第一换热器、第一蒸发器和ORC系统输入端连接，用于将有机工质汽化。本发明可以提高了太阳能的光电综合转换效率；对能量进行回收利用，提高了能源利用率。

Description

一种基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统
技术领域
本发明涉及光热领域和内燃机领域，特别涉及一种基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统。
背景技术
能源紧缺及环境污染已成为制约世界经济发展的重大问题，而提高能源利用效率和开发新能源成为解决此问题的重要措施。而其中余热回收技术和太阳能利用技术一直备受关注。
余热回收方面，按照温度水平的不同，余热资源可以分为三种：高温余热(500℃以上)、中温余热(200-500℃之间)和低温余热(200℃以下)。就煤、石油、天然气等高品位能源而言，500℃以下的中温余热以及200℃以下的低温余热，在相同单位内包含的可用能量较低、利用难度大。但由于其余热量很大，且基本没有被有效利用，因此中低温余热利用将对节能减排起到重要作用。
太阳能分频利用技术作为一种太阳能利用新技术，其实现光电光热的分频利用。该技术先利用纳米流体等介质选择性地将热效应明显的频率区段的光过滤吸收，然后未被吸收的太阳光再利用光伏电池产生电能。因此纳米流体将在800nm到2000nm波段高效率吸收太阳能红外辐射，而同时使得绝大部分的可见光200nm到800nm波段的太阳辐射透过光热单元，在光热单元中纳米流体对太阳能红外辐射进行直接吸收完成光热转换，而后投射在光电单元上的太阳能主要为可见光辐射，被太阳电池吸收利用完成光电转换。目前太阳能光电转换效率偏低，一般仅为5％～20％。主要原因是仅有一部分特定频率内的光能被光伏电池吸收并转化为电能，其余大部分光能被电池吸收后转化为热。这就造成：一方面导致电池板温度升高，降低光伏电池的光电转换效率；另一方面这部分太阳能热不能够有效利用造成能源浪费和热污染。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，该系统不仅对光热单元进行了有效的冷却，提高了光电转化效率，而且利用光热单元产生的中低温热能驱动ORC发电系统对外输出电能，提高了太阳能的光热综合转换效率；在内燃机余热方面，对内燃机冷却水和气体的能量进行回收利用，驱动ORC发电系统对外输出电能，提高了能源利用率。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，包括太阳能分频利用系统、两套ORC系统和内燃机发电机组；所述太阳能分频利用系统用于将太阳能转换为输出的电能和光热介质的热能；所述太阳能分频利用系统通过导线与蓄电装置连接，用于将输出的电能传递到蓄电装置内；所述太阳能分频利用系统通过管道依次与第二泵和第二蒸发器连接形成封闭环，用于将光热介质的热能传递到第二蒸发器内；所述内燃机发电机组通过柴油的燃烧转换为输出的电能、内燃机冷却水的热能和气体热能；所述内燃机发电机组通过导线与蓄电装置连接，用于将输出的电能传递到蓄电装置内；所述内燃机发电机组通过管道依次与第一换热器、第二换热器和第五泵连接形成封闭环，用于将内燃机冷却水的热能依次传递到第一换热器和第二换热器内；所述内燃机发电机组通过管道依次与第一泵和第一蒸发器连接，用于将气体热能传递到第一蒸发器内；所述ORC系统包括相变蓄热器、膨胀机和回热器；所述ORC系统输入端通过管道与所述相变蓄热器的气体进口连接；所述相变蓄热器的气体出口通过管道与膨胀机进口连接，所述膨胀机与发电机连接用于产生电能；所述发电机通过导线与蓄电装置连接，用于将输出的电能传递到蓄电装置内；所述膨胀机出口通过管道与回热器气体进口连接，所述回热器气体出口依次通过管道与冷凝器、第四泵和回热器的液体进口连接，所述回热器的液体出口通过管道与所述ORC系统输出端连接；所述相变蓄热器的液体出口通过管道与所述ORC系统输出端连接，所述相变蓄热器的液体出口与所述ORC系统输出端之间设有第三泵；一套所述ORC系统输出端通过管道依次与第二换热器、第二蒸发器和ORC系统输入端连接，用于将有机工质汽化；另一套所述ORC系统输出端通过管道依次与第一换热器、第一蒸发器和ORC系统输入端连接，用于将有机工质汽化。
一种基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，包括太阳能分频利用系统、ORC系统和内燃机发电机组；所述太阳能分频利用系统用于将太阳能转换为输出的电能和光热介质的热能；所述太阳能分频利用系统通过导线与蓄电装置连接，用于将输出的电能传递到蓄电装置内；所述太阳能分频利用系统通过管道依次与第二泵和第二换热器连接形成封闭环，用于将光热介质的热能传递到第二换热器内；所述内燃机发电机组通过柴油的燃烧转换为输出的电能、内燃机冷却水的热能和气体热能；所述内燃机发电机组通过导线与蓄电装置连接，用于将输出的电能传递到蓄电装置内；所述内燃机发电机组通过管道依次与第一换热器和第五泵连接形成封闭环，用于将内燃机冷却水的热能依次传递到第一换热器内；所述内燃机发电机组通过管道依次与第一泵和第一蒸发器连接，用于将气体热能传递到第一蒸发器内；所述ORC系统包括相变蓄热器、膨胀机和回热器；所述ORC系统输入端通过管道与所述相变蓄热器的气体进口连接；所述相变蓄热器的气体出口通过管道与膨胀机进口连接，所述膨胀机与发电机连接用于产生电能；所述发电机通过导线与蓄电装置连接，用于将输出的电能传递到蓄电装置内；所述膨胀机出口通过管道与回热器气体进口连接，所述回热器气体出口依次通过管道与冷凝器、第四泵和回热器的液体进口连接，所述回热器的液体出口通过管道与所述ORC系统输出端连接；所述相变蓄热器的液体出口通过管道与所述ORC系统输出端连接，所述相变蓄热器的液体出口与所述ORC系统输出端之间设有第三泵；所述ORC系统输出端通过管道依次与第一换热器、第二换热器、第一蒸发器和ORC系统输入端连接，用于将有机工质汽化。
进一步，所述膨胀机为容积式涡旋膨胀机或螺杆膨胀机。
进一步，还包括废气处理装置，所述废气处理装置与所述第一蒸发器出口连接，用于收集和处理第一蒸发器排出的废气。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，以内燃机烟气余热和光热光电单元产生的中低温热能作为热源并通过蒸发器的热能转换驱动双级ORC发电系统，对外输出电能，与现有发电技术相比，在太阳能方面，该系统不仅对光电单元进行了有效的冷却，提高了光电转化效率，而且利用光热单位产生的中低温热能驱动ORC发电系统对外输出电能，提高了太阳能的光电综合转换效率；在内燃机余热方面，对内燃机冷却水和气体的能量进行回收利用，驱动ORC发电系统对外输出电能，提高了能源利用率。
2.本发明所述的基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，对地区和季节适应性强：以光热光电单元产生的中低温热以及内燃机余热能作为热源驱动ORC发电系统对外输出电能。由于其中，太阳光辐射受地区和季节的变化影响较大，这样会对光热系统的影响较大。但是本发明可以针对不同的地区的太阳辐射规律，采用不同的有机循环工质，优化ORC发电系统的输出性能。这样可以利用ORC系统的易调控性能适应不同的地区和季节从而保证系统的高效率运行。
3.本发明所述的基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，由于本发明采用光热光电分频技术和内燃机余热回收技术与ORC发电系统相结合，输出的电负荷分别由光电单元、内燃机发电机组和ORC发电系统三部分组成，输出的热负荷主要由光热单元和内燃机余热组成。这样对于不同的季节，根据用户的热电负荷变化，可以通过调节ORC发电系统从光热单元和内燃机余热获取的热量或者调解ORC发电系统的介质流量等，可以调节ORC发电系统输出的电负荷。这样可以为用户提供个性化的热电负荷输送。
4.本发明所述的基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，通过并联串联的工作模式，可以适应各个光照条件下的能源输出。
附图说明
图1为本发明所述的基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统的并联连接原理图。
图2为本发明所述的ORC系统的原理图。
图3为图1的详细原理图。
图4为本发明所述的基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统的串联连接原理图。
图中：
A-内燃机发电机组；B-太阳能分频利用系统；E-蓄电装置；a-电能；b-内燃机冷却水；c-气体；d-光热介质；1-第一换热器；2-第二换热器；3-第一蒸发器；4-第二蒸发器；5-第一泵；6-第二泵；7-第五泵；8-膨胀机；9-发电机；10-相变蓄热器；11-第三泵；12-回热器；12-1-回热器气体进口；12-2-回热器气体出口；12-3-回热器液体进口；12-4-回热器气体出口；13-第四泵；14-冷凝器；15-ORC系统输出端；16-ORC系统输入端；17-有机工质。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1和图3所示，一种基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，包括太阳能分频利用系统B、两套ORC系统和内燃机发电机组A；所述太阳能分频利用系统B用于将太阳能转换为输出的电能a和光热介质d的热能；所述太阳能分频利用系统B通过导线与蓄电装置E连接，用于将输出的电能a传递到蓄电装置E内；所述太阳能分频利用系统B通过管道依次与第二泵6和第二蒸发器4连接形成封闭环，用于将光热介质d的热能传递到第二蒸发器4内；
所述内燃机发电机组A通过柴油的燃烧转换为输出的电能a、内燃机冷却水b热能和气体c热能；所述内燃机发电机组A通过导线与蓄电装置E连接，用于将输出的电能a传递到蓄电装置E内；所述内燃机发电机组A通过管道依次与第一换热器1、第二换热器2和第五泵7连接形成封闭环，用于将内燃机冷却水b的热能依次传递到第一换热器1和第二换热器2内；一般来说冷却水b热能大部分被第一换热器1吸收，剩下的余热被第二换热器2吸收；所述内燃机发电机组A通过管道依次与第一泵5和第一蒸发器3连接，用于将气体c热能传递到第一蒸发器3内；
如图2所示，所述ORC系统包括相变蓄热器10、膨胀机8和回热器12；所述ORC系统输入端16通过管道与所述相变蓄热器10的气体进口连接；所述相变蓄热器10的气体出口通过管道与膨胀机8进口连接，所述膨胀机8与发电机9连接用于产生电能a；所述发电机9通过导线与蓄电装置E连接，用于将输出的电能a传递到蓄电装置E内；所述膨胀机8出口通过管道与回热器气体进口12-1连接，所述回热器气体出口12-2依次通过管道与冷凝器14、第四泵13和回热器的液体进口12-3连接，所述回热器的液体出口12-4通过管道与所述ORC系统输出端15连接；所述相变蓄热器10的液体出口通过管道与所述ORC系统输出端15连接，所述相变蓄热器10的液体出口与所述ORC系统输出端15之间设有第三泵11；膨胀机8优先为容积式涡旋膨胀机或螺杆膨胀机；
一套所述ORC系统输出端15通过管道依次与第二换热器2、第二蒸发器4和ORC系统输入端16连接，用于将有机工质17汽化；工作过程：所述ORC系统输入端16进入的介质为汽化的高温高压有机工质17，高温高压有机工质17进入相变蓄热器10后再进入膨胀机8膨胀做功并带动发电机9对外输出电能a，将电能a通过导线传输给蓄电装置E。所述膨胀机8出口通过管道与回热器气体进口12-1连接，用于将高温的液体有机工质17输送到回热器12，由回热器12进行初步冷却，接着有机工质17进入冷凝器14中定压冷凝。冷凝器14出口的有机工质处于液态经过泵13加压，然后进入回热器12进行预热，即所述ORC系统输出端15中的介质为余热后的低温有机工质17。所述ORC系统输出端15通过管道与第二换热器2、第二蒸发器4连接，是为了用太阳能分频利用系统B产生的光热介质d的热能和内燃机发电机组A产生的内燃机冷却水b的残余热能加热低温有机工质17。其中内燃机冷却水b的残余热能是由于第一换热器1未能及时热交换的能量。
另一套所述ORC系统输出端15通过管道依次与第一换热器1、第一蒸发器3和ORC系统输入端16连接，用于将有机工质17汽化。工作工程：所述ORC系统输入端16进入的介质为汽化的高温高压有机工质17，高温高压有机工质17进入相变蓄热器10后再进入膨胀机8膨胀做功并带动发电机9对外输出电能a，将电能a通过导线传输给蓄电装置E。所述膨胀机8出口通过管道与回热器气体进口12-1连接，用于将高温的液体有机工质17输送到回热器12，由回热器12进行初步冷却，接着有机工质17进入冷凝器14中定压冷凝。冷凝器14出口的有机工质处于液态经过泵13加压，然后进入回热器12进行预热，即所述ORC系统输出端15中的介质为余热后的低温有机工质17。所述ORC系统输出端15通过管道与第一换热器1、第一蒸发器3连接，是为了用内燃机发电机组A产生的内燃机冷却水b的热能和气体c热能加热低温有机工质17，达到利用内燃机发电机组A大部分热能。
图4为本发明另一个将三个系统串联连接的实施例：
一种基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，其特征在于，包括太阳能分频利用系统B、ORC系统和内燃机发电机组A；所述太阳能分频利用系统B用于将太阳能转换为输出的电能a和光热介质d的热能；所述太阳能分频利用系统B通过导线与蓄电装置E连接，用于将输出的电能a传递到蓄电装置E内；所述太阳能分频利用系统B通过管道依次与第二泵6和第二换热器2连接形成封闭环，用于将光热介质d的热能传递到第二换热器2内；所述内燃机发电机组A通过柴油的燃烧转换为输出的电能a、内燃机冷却水b的热能和气体c热能；所述内燃机发电机组A通过导线与蓄电装置E连接，用于将输出的电能a传递到蓄电装置E内；所述内燃机发电机组A通过管道依次与第一换热器1和第五泵7连接形成封闭环，用于将内燃机冷却水b的热能依次传递到第一换热器1内；所述内燃机发电机组A通过管道依次与第一泵5和第一蒸发器3连接，用于将气体c热能传递到第一蒸发器3内；所述ORC系统包括相变蓄热器10、膨胀机8和回热器12；所述ORC系统输入端16通过管道与所述相变蓄热器10的气体进口连接；所述相变蓄热器10的气体出口通过管道与膨胀机8进口连接，所述膨胀机8与发电机9连接用于产生电能a；所述发电机9通过导线与蓄电装置E连接，用于将输出的电能a传递到蓄电装置E内；所述膨胀机8出口通过管道与回热器气体进口12-1连接，所述回热器气体出口12-2依次通过管道与冷凝器14、第四泵13和回热器的液体进口12-3连接，所述回热器的液体出口12-4通过管道与所述ORC系统输出端15连接；所述相变蓄热器10的液体出口通过管道与所述ORC系统输出端15连接，所述相变蓄热器10的液体出口与所述ORC系统输出端15之间设有第三泵11；所述ORC系统输出端15通过管道依次与第一换热器1、第二换热器2、第一蒸发器3和ORC系统输入端16连接，用于将有机工质17汽化。
工作工程：所述ORC系统输出端15内的低温有机工质17，依次经过第一换热器1，第二换热器2和第一蒸发器3。光热介质d的热能和内燃机冷却水(b)的热能分别通过第二换热器2和第一换热器1传递给有机工质17；高温的有机工质17经过第一蒸发器3被内燃机发电机组A气体(c)热能加热并汽化，所述ORC系统输入端16进入的介质为汽化的高温高压有机工质17，高温高压有机工质17进入相变蓄热器10后再进入膨胀机8膨胀做功并带动发电机9对外输出电能a，将电能a通过导线传输给蓄电装置E。所述膨胀机8出口通过管道与回热器气体进口12-1连接，用于将高温的液体有机工质17输送到回热器12，由回热器12进行初步冷却，接着有机工质17进入冷凝器14中定压冷凝。冷凝器14出口的有机工质处于液态经过泵13加压，然后进入回热器12进行预热，即所述ORC系统输出端15中的介质为余热后的低温有机工质17。
此外，还包括废气处理装置，所述废气处理装置与所述第一蒸发器3出口连接，用于收集和处理第一蒸发器3排出的废气。为了防止低温的废气直接排放，造成环境污染。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，其特征在于，包括太阳能分频利用系统(B)、两套ORC系统和内燃机发电机组(A)；
所述太阳能分频利用系统(B)用于将太阳能转换为输出的电能(a)和光热介质(d)的热能；所述太阳能分频利用系统(B)通过导线与蓄电装置(E)连接，用于将输出的电能(a)传递到蓄电装置(E)内；所述太阳能分频利用系统(B)通过管道依次与第二泵(6)和第二蒸发器(4)连接形成封闭环，用于将光热介质(d)的热能传递到第二蒸发器(4)内；
所述内燃机发电机组(A)通过柴油的燃烧转换为输出的电能(a)、内燃机冷却水(b)的热能和气体(c)热能；所述内燃机发电机组(A)通过导线与蓄电装置(E)连接，用于将输出的电能(a)传递到蓄电装置(E)内；所述内燃机发电机组(A)通过管道依次与第一换热器(1)、第二换热器(2)和第五泵(7)连接形成封闭环，用于将内燃机冷却水(b)的热能依次传递到第一换热器(1)和第二换热器(2)内；所述内燃机发电机组(A)通过管道依次与第一泵(5)和第一蒸发器(3)连接，用于将气体(c)热能传递到第一蒸发器(3)内；
所述ORC系统包括相变蓄热器(10)、膨胀机(8)和回热器(12)；所述ORC系统输入端(16)通过管道与所述相变蓄热器(10)的气体进口连接；所述相变蓄热器(10)的气体出口通过管道与膨胀机(8)进口连接，所述膨胀机(8)与发电机(9)连接用于产生电能(a)；所述发电机(9)通过导线与蓄电装置(E)连接，用于将输出的电能(a)传递到蓄电装置(E)内；所述膨胀机(8)出口通过管道与回热器气体进口(12-1)连接，所述回热器气体出口(12-2)依次通过管道与冷凝器(14)、第四泵(13)和回热器的液体进口(12-3)连接，所述回热器的液体出口(12-4)通过管道与所述ORC系统输出端(15)连接；所述相变蓄热器(10)的液体出口通过管道与所述ORC系统输出端(15)连接，所述相变蓄热器(10)的液体出口与所述ORC系统输出端(15)之间设有第三泵(11)；
一套所述ORC系统输出端(15)通过管道依次与第二换热器(2)、第二蒸发器(4)和ORC系统输入端(16)连接，用于将有机工质(17)汽化；
另一套所述ORC系统输出端(15)通过管道依次与第一换热器(1)、第一蒸发器(3)和ORC系统输入端(16)连接，用于将有机工质(17)汽化。
2.一种基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，其特征在于，包括太阳能分频利用系统(B)、ORC系统和内燃机发电机组(A)；
所述太阳能分频利用系统(B)用于将太阳能转换为输出的电能(a)和光热介质(d)的热能；所述太阳能分频利用系统(B)通过导线与蓄电装置(E)连接，用于将输出的电能(a)传递到蓄电装置(E)内；所述太阳能分频利用系统(B)通过管道依次与第二泵(6)和第二换热器(2)连接形成封闭环，用于将光热介质(d)的热能传递到第二换热器(2)内；
所述内燃机发电机组(A)通过柴油的燃烧转换为输出的电能(a)、内燃机冷却水(b)的热能和气体(c)热能；所述内燃机发电机组(A)通过导线与蓄电装置(E)连接，用于将输出的电能(a)传递到蓄电装置(E)内；所述内燃机发电机组(A)通过管道依次与第一换热器(1)和第五泵(7)连接形成封闭环，用于将内燃机冷却水(b)的热能依次传递到第一换热器(1)内；所述内燃机发电机组(A)通过管道依次与第一泵(5)和第一蒸发器(3)连接，用于将气体(c)热能传递到第一蒸发器(3)内；
所述ORC系统包括相变蓄热器(10)、膨胀机(8)和回热器(12)；所述ORC系统输入端(16)通过管道与所述相变蓄热器(10)的气体进口连接；所述相变蓄热器(10)的气体出口通过管道与膨胀机(8)进口连接，所述膨胀机(8)与发电机(9)连接用于产生电能(a)；所述发电机(9)通过导线与蓄电装置(E)连接，用于将输出的电能(a)传递到蓄电装置(E)内；所述膨胀机(8)出口通过管道与回热器气体进口(12-1)连接，所述回热器气体出口(12-2)依次通过管道与冷凝器(14)、第四泵(13)和回热器的液体进口(12-3)连接，所述回热器的液体出口(12-4)通过管道与所述ORC系统输出端(15)连接；所述相变蓄热器(10)的液体出口通过管道与所述ORC系统输出端(15)连接，所述相变蓄热器(10)的液体出口与所述ORC系统输出端(15)之间设有第三泵(11)；
所述ORC系统输出端(15)通过管道依次与第一换热器(1)、第二换热器(2)、第一蒸发器(3)和ORC系统输入端(16)连接，用于将有机工质(17)汽化。
3.根据权利要求1所述的基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述膨胀机(8)为容积式涡旋膨胀机或螺杆膨胀机。
4.根据权利要求2所述的基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，其特征在于，所述膨胀机(8)为容积式涡旋膨胀机或螺杆膨胀机。
5.根据权利要求1所述的基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，其特征在于，还包括废气处理装置；所述废气处理装置与所述第一蒸发器(3)出口连接，用于收集和处理第一蒸发器(3)排出的废气。
6.根据权利要求2所述的基于光热光电互补的内燃机有机朗肯循环发电系统，其特征在于，还包括废气处理装置；所述废气处理装置与所述第一蒸发器(3)出口连接，用于收集和处理第一蒸发器(3)排出的废气。
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