CN110848099A - 基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统，包括太阳能集热器、PCM储热器、泵A、膨胀机、发电机、冷凝器、泵B和管路网络，通过管路网络分别与太阳能集热器、PCM储热器、膨胀机和冷凝器连接，且在管路网络上设置阀门，通过阀门的关闭与开启改变太阳能集热器、PCM储热器、膨胀机和冷凝器之间连接方式，实现工作模式的切换，本发明用太阳能集热器和PCM储热器代替有机朗肯循环内的蒸发器，有效解决蒸发器传热不可逆问题，提高系统的输出净功率和效率，同时还保证了系统的稳定运行。

Description

基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统

技术领域

本发明属于太阳能有机朗肯循环系统，尤其是基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统。

背景技术

太阳能ORC是相对于生物质、废热回收或地热ORC的一种新的应用。自1960年以来，大规模的太阳能热电厂得到了发展。然而，有机朗肯循环是一种很有前途的低温应用技术，其的运行范围在100℃到200℃之间，因此将太阳能技术结合有机朗肯循环是一种很有前途的选择。

此外，由于太阳能的间歇性和波动性，太阳能发电系统的平稳运行十分困难。为解决这一问题，提出利用热能储存为稳定运行提供缓冲。许多研究人员提出相变材料(PCMs)可作为太阳能热发电系统的蓄热单元。相变材料(PCMs)是一种很有发展前途的高效蓄热材料。

但是简单的将PCM储热器嵌入太阳能有机朗肯循环系统中仍不能解决有机朗肯循环蒸发器传热不可逆性。同时，使用导热油等换热流体换热使投资成本增加，推动换热流体流动的泵也会使小规模的太阳能ORC系统明显减少净功率的输出，减少系统效率。

发明内容

本发明根据现有技术中存在的问题，提出了基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统，用太阳能集热器和PCM储热器代替有机朗肯循环内的蒸发器，有效解决蒸发器传热不可逆问题，提高系统的输出净功率和效率，同时还保证了系统的稳定运行。

本发明所采用的技术方案如下：

基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统，包括太阳能集热器、PCM储热器、泵A、膨胀机、发电机、冷凝器、泵B和管路网络，通过管路网络分别与太阳能集热器、PCM储热器、膨胀机和冷凝器连接，且在管路网络上设置阀门，通过阀门的关闭与开启改变太阳能集热器、PCM储热器、膨胀机和冷凝器之间连接方式，实现工作模式的切换。

进一步，所述工作模式包括：模式一，太阳能集热器、膨胀机、冷凝器和泵B依次串联形成回路，且太阳能集热器作为热源；模式二，太阳能集热器、膨胀机和冷凝器串联后与PCM储热器并联，且太阳能集热器作为热源；模式三，太阳能集热器、PCM储热器并联后分别与膨胀机和冷凝器串联，且太阳能集热器和PCM储热器都是热源；模式四，PCM储热器、膨胀机和冷凝器依次串联形成回路，且PCM储热器作为热源；模式五，太阳能集热器与PCM储热器串联形成回路，且太阳能集热器作为热源；

进一步，所述PCM储热器为圆柱形容器，在圆柱形容器内设有螺旋形管道或者蛇形管道；

进一步，所述PCM储热器内部填充有相变材料，所述相变材料采用无机相变储热材料，所述无机相变储热材料为盐水合物，熔点为117℃，潜热为160kJ/kg。

进一步，有机朗肯循环系统内的循环工质为制冷剂；

进一步，所述制冷剂采用R123,R245fa，R141b，R1234ze。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统，针对蒸发器不可逆性等问题，提出用太阳能集热器和PCM储热罐代替蒸发器的作用，有效的减少了系统的不可逆损失。同时没有了导热油等换热流体的循环，大大减少了投资成本。对于小型的太阳能ORC，去除推动换热流体流动的泵的使用，明显提高系统整体输出功，提高系统的循环效率。再者，PCM储热器的嵌入使系统运行更加平稳。

附图说明

图1是基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统示意框图；

图2为PCM集热器的剖视图；

图中，1、太阳能集热器，2、PCM储热器，3、泵A，4、泵B，5、膨胀机，6、发电机，7、冷凝器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统包括太阳能集热器1、PCM储热器2、泵A3、膨胀机5、发电机6、冷凝器7、泵B4和管路网络，通过管路网络分别与集热器1、PCM储热器2、膨胀机5和冷凝器7连接，且在管路网络上设置阀门，通过阀门的关闭与开启改变太阳能集热器1、PCM储热器2、膨胀机5和冷凝器7之间连接方式，实现工作模式的切换。

工作模式包括：模式一，太阳能集热器1、膨胀机5、冷凝器7和泵B4依次串联形成回路，且太阳能集热器1作为热源；模式二，太阳能集热器1、膨胀机5和冷凝器7串联后与PCM储热器2并联，且太阳能集热器1作为热源；模式三，太阳能集热器1、PCM储热器2并联后分别与膨胀机5和冷凝器7串联，且太阳能集热器1和PCM储热器2都是热源；模式四，PCM储热器2、膨胀机5和冷凝器7依次串联形成回路，且PCM储热器2作为热源；模式五，太阳能集热器1与PCM储热器2串联形成回路，且太阳能集热器1作为热源；

整个有机朗肯循环系统内的循环工质为制冷剂，如常用的R123,R245fa，R141b，R1234ze等。

如图2，PCM储热器2是一个装满PCM(相变材料)的圆柱形容器。在容器内部设有一条可供换热流体通过PCM储热器2的螺旋形管道。PCM储热器2内部填充有相变材料，相变材料采用无机相变储热材料，无机相变储热材料为盐水合物，熔点为117℃，潜热为160kJ/kg。

本发明所设计的基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统可以通过控制阀门的关闭与开启实现多个工作模式的切换，具体过程为：

实施例1，当系统需要发电，且太阳辐射适宜。在这种条件下，选择工作模式一，仅打开阀门V3和V5，此时PCM储热器2所在管路不接入管路网络，太阳能集热器1、膨胀机5、冷凝器7和泵B4依次串联形成回路；仅由太阳能集热器1充当蒸发器，制冷剂在太阳能集热器1完成预热、蒸发后变成蒸汽进入膨胀机5进行膨胀做功，同时膨胀机5带动发电机6发电。从膨胀机5出来的乏汽进入冷凝器7，将余热传给外界水。冷却后的制冷剂回到液体状态，进入泵B4内加压而后进入太阳能集热器1进行新的循环。

实施例2，当系统需要发电，且太阳能辐射很强烈。在这种条件下，选择工作模式二，打开阀门V2、V3、V5和V7，此时太阳能集热器1和PCM储热器2所在管路同时接入管路网络，且太阳能集热器1、膨胀机5和冷凝器7串联后与PCM储热器2并联；同时泵A3运行，制冷剂在太阳能集热器1内吸收大量太阳热后一部分进入膨胀机5膨胀做功，另一部分进入PCM储热器2，用热量加热熔化储热器内的相变材料。这样可以将多余的太阳能热量存储到PCM储热器2内。换热后的制冷剂接着通过泵A3进入太阳能集热器1继续吸收太阳热。

实施例3，当系统需要发电，且太阳能辐射不是很强烈。在这种条件下，选择工作模式三，打开阀门V3、V4、V5和V6，此时太阳能集热器1和PCM储热器2所在管路同时接入管路网络，太阳能集热器1、PCM储热器2并联后分别与膨胀机5和冷凝器7串联；被冷凝器7冷却成液态的制冷剂经过泵B4分成两路，一路进入太阳能集热器1吸收太阳热，一部分进入PCM储热器2吸收相变材料的热，吸热后的工质在膨胀机5入口前汇合进入膨胀机5做功。

实施例4，当系统需要发电，但太阳辐射微弱或根本无法利用。在这种条件下，选择工作模式四，打开阀门V4和V6。此时太阳能集热器1所在管路不接入管路网络，PCM储热器2、膨胀机5和冷凝器7依次串联形成回路，仅由PCM储存器2充当蒸发器。被冷凝器7冷却成液态的制冷剂经过泵B4进入PCM储存器2，工质吸收相变材料所储存的热量后蒸发进入膨胀机5膨胀做功。

实施例5，当系统不需要发电。在这种条件下，选择工作模式五，开启V2、V5和V7，膨胀机5不工作，制冷剂将太阳热从太阳能集热器1带到PCM储热器中，对太阳能进行存储备用。

现有技术中的有机朗肯循环系统中常常将蒸发器与PCM储热器直接串联，这样连接存在很大的传热不可逆性问题。本发明中是直接用太阳能集热器或PCM储热器直接代替蒸发器，相当于去了一个热源换热的过程，可大大减少不可逆性。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统，其特征在于，包括太阳能集热器(1)、PCM储热器(2)、泵A(3)、膨胀机(5)、发电机(6)、冷凝器(7)、泵B(4)和管路网络，通过管路网络分别与太阳能集热器(1)、PCM储热器(2)、膨胀机(5)和冷凝器(7)连接，且在管路网络上设置阀门，通过阀门的关闭与开启改变太阳能集热器(1)、PCM储热器(2)、膨胀机(5)和冷凝器(7)之间连接方式，实现工作模式的切换。

2.根据权利要求1所述的基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统，其特征在于，所述工作模式包括：模式一，太阳能集热器(1)、膨胀机(5)、冷凝器(7)和泵B(4)依次串联形成回路，且太阳能集热器(1)作为热源；模式二，太阳能集热器(1)、膨胀机(5)和冷凝器(7)串联后与PCM储热器(2)并联，且太阳能集热器(1)作为热源；模式三，太阳能集热器(1)、PCM储热器(2)并联后分别与膨胀机(5)和冷凝器(7)串联，且太阳能集热器(1)和PCM储热器(2)都是热源；模式四，PCM储热器(2)、膨胀机(5)和冷凝器(7)依次串联形成回路，且PCM储热器(2)作为热源；模式五，太阳能集热器(1)与PCM储热器(2)串联形成回路，且太阳能集热器(1)作为热源。

3.根据权利要求1或2所述的基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统，其特征在于，所述PCM储热器(2)为圆柱形容器，在圆柱形容器内设有螺旋形管道或者蛇形管道。

4.根据权利要求3所述的基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统，其特征在于，所述PCM储热器(2)内部填充有相变材料，所述相变材料采用无机相变储热材料，所述无机相变储热材料为盐水合物，熔点为117℃，潜热为160kJ/kg。

5.根据权利要求4所述的基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统，其特征在于，有机朗肯循环系统内的循环工质为制冷剂。

6.根据权利要求5所述的基于太阳能集热器和相变材料换热的有机朗肯循环系统，其特征在于，所述制冷剂采用R123,R245fa，R141b，R1234ze。

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