CN113048030B - 一种太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热泵系统及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯‑热泵系统及运行方法，属于低温热能利用与动力技术领域。所述系统主要包括：太阳能集热器、高温相变蓄热器、低温相变蓄热器、循环泵、工质泵、高温蒸发器、膨胀机、发电机、组分调节装置、高压压缩机、一级分凝器、低温蒸发器、四通阀及相应管道与阀门。通过增设储热装置、填料柱及组分分凝器，可实现二级蓄热、多级分离与组分浓度调控等功能。该系统综合应用梯级相变储热、非共沸工质浓度调节技术，可提高传热介质与冷热源之间的匹配性，提高朗肯‑热泵系统不同季节下的综合效率。

Description

一种太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热 泵系统及运行方法
技术领域
本发明涉及低温利用与动力技术领域，尤其涉及一种太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热泵系统及运行方法的技术领域。
背景技术
低品位热能一般是指温度低于230℃的低温热源，这些热能种类繁多，包括太阳能、地热能等新能源及各种余热与废热等。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。我国陆地面积接受的太阳辐射总量在3.3×103kJ/m2·年～8.4×103kJ/m2·年之间，属太阳能资源丰富的国家之一，它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染，利用前景十分广阔。如今能源短缺与环境污染是制约我国经济和社会可持续发展的主要瓶颈，充分利用太阳能可有效减少能源消耗，体现可持续发展和人类回归自然理念，使社会进入节约能源与减少污染的时代。
有机朗肯循环可将低品位热能转化为电能，具有结构简单、安全可靠与环境友好等优点，是一种极具发展前景的中低温余热发电技术。然而，由于低品位热能温度较低，导致有机朗肯循环热功转化效率偏低，这限制有机朗肯循环发电技术在低温热源中推广应用。朗肯-热泵循环利用低品位热能驱动朗肯循环，再带动热泵系统输出热能或冷能，实现热/冷电联供，可有效提升中低温余热的利用效率。
然而，太阳能具有显著的波动性与间歇性，且环境温度随季节显著变化，导致朗肯-热泵系统经常偏离设计工况，系统输出的电能与冷/热能明显低于设计值，严重影响系统的整体性能及运行稳定性。因此，如何降低冷热源波动对朗肯-热泵系统输出性能的影响，是该技术能否推广与应用的关键所在。
发明内容
本发明提出了一种太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热泵系统及运行方法，系统采用多循环回路结合，通过增设储热装置、填料柱及组分分凝器，可实现二级蓄热、多级分离与组分浓度调控等功能，通过综合应用分凝分离、组分浓度调节技术与梯级相变储热技术，组分分离过程不需要设置额外的加热装置，可实现：低品位热能高效利用，非共沸工质浓度调节功能，可增强传热介质与冷热源之间的匹配性，提高朗肯-热泵系统不同季节下的综合效率，具有高效节能优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热泵系统，主要包括：太阳能集热器，高温相变蓄热器，低温相变蓄热器，高温蒸发器，循环泵，膨胀机，发电机，组分调节装置，工质泵，高压压缩机，一级分凝器，热力膨胀阀，低温蒸发器，四通阀及相应管道与阀门；所述组分调节装置包括：填料柱，控制阀，二级分凝器，汽液分离器，低压压缩机，全凝器，轻组分储液罐，重组分储液罐。
所述太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热泵系统，其特征在于包括：太阳能储热系统、有机朗肯循环系统、热泵系统与组分调节装置；
在所述太阳能储热系统中，所述太阳能集热器出口分三条支路，支路一经第一控制阀与所述高温相变蓄热器入口相连，支路二经第二控制阀与所述低温相变蓄热器入口相连，支路三经第三控制阀后与所述高温相变蓄热器出口、所述低温相变蓄热器出口相连，再与所述高温蒸发器入口相连；所述高温蒸发器出口与所述循环泵入口相连，所述循环泵出口分别经第四控制阀与所述太阳能集热器入口相连，第四控制阀入口与所述太阳能集热器出口设置旁通管路，管路上设置控第五控制阀。
在所述有机朗肯循环系统中，所述高温蒸发器制冷剂出口与所述膨胀机入口相连，所述膨胀机出口与所述组分调节装置接口相连，所述组分调节装置接口与所述工质泵入口相连，所述工质泵出口与所述高温蒸发器制冷剂入口相连，所述膨胀机、所述发电机与所述高压压缩机同轴连接。
在所述热泵系统中，所述高压压缩机的出口与第一四通阀接口相连，第一四通阀接口与所述一级分凝器入口相连，所述一级分凝器出口经第六控制阀与所述热力膨胀阀入口相连，所述热力膨胀阀出口与所述组分调节装置接口相连；所述组分调节装置接口与第二四通阀接口相连，第二四通阀接口与所述低温蒸发器入口相连，所述低温蒸发器出口与第一四通阀接口相连，所述第一四通阀接口与所述高压压缩机的入口相连。
在所述组分调节装置中，填料柱接口与二级分凝器工质入口相连，二级分凝器工质出口与汽液分离器接口相连，汽液分离器接口与填料柱接口相连，填料柱接口与重组分储液罐接口相连；汽液分离器接口与低压压缩机入口相连，低压压缩机出口与全凝器工质入口相连，全凝器工质出口与轻组分储液罐接口相连；轻组分储液罐接口经第一轻组分调节阀与所述组分调节装置接口相连，重组分储液罐接口经所述第一重组分调节阀与所述组分调节装置接口相连，轻组分储液罐接口经第二轻组分调节阀与所述组分调节装置接口相连,重组分储液罐接口经第二重组分调节阀与所述组分调节装置接口相连。
所述高温相变蓄热器与低温相变蓄热器采用无机混合熔盐相变蓄热材料，蓄热材料中添加纳米颗粒增强相变材料导热能力，以导热油作为热传递介质。
有机朗肯循环系统与热泵系统采用干性或等熵型二元或二元以上非共沸混合工质，通过调节所述第一重组分调节阀、所述第一轻组分调节阀的开度，可以单独改变有机朗肯循环系统的组分浓度；通过调节所述第二轻组分调节阀、第二重组分调节阀的开度，可以单独改变热泵系统的组分浓度，且有机朗肯循环系统与热泵系统可以在相同组分浓度与不同组分浓度下运行。
在所述工质泵入口与所述组分调节装置接口处设置液相色谱取样点，分别检测有机朗肯循环系统与热泵系统中的工质组分浓度。
所述填料柱内设置填料，填料可以是塑料、陶瓷或金属材料，所述填料柱上部空间设置液体分布器；所述一级分凝器与所述二级分凝器采用板式或板翅式换热器，且只有部分工质蒸汽在分凝器内冷凝为液体。
该运行方法包括如下几种运行模式：
a.低温热电运行模式组分调节：当环境温度较低时，关闭第七控制阀，所述高压压缩机出口与所述第一四通阀接口相连，并经所述第一四通阀接口与所述一级分凝器入口相连。此时高温高压的气态非共沸工质在室内所述一级分凝器中部分冷凝为高温高压的汽液混合物，向室内供热后经所述第六控制阀与所述热力膨胀阀相连，节流后成为低压两相非共沸工质。初步组分分离的汽液两相工质与所述填料柱接口相连，液体经所述填料柱内部液体分布器流向填料；所述工质泵与所述高温蒸发器相连，工质吸收导热油热量后变为高温高压蒸汽，进入所述膨胀机膨胀做功后成为低压过热蒸汽，再与所述填料柱接口相连；高温过热蒸汽上升过程与液体分布器降落的液态非共沸工质在填料表面发生热质交换，此时富含重组分的液体进入所述填料柱底部，并经所述填料柱接口与所述重组分储液罐接口相连。轻组分气相经所述填料柱接口进入所述二级分凝器，向冷却水释放热量成为汽液混合物，进一步分离非共沸工质的重组分工质；汽液混合物经所述二级分凝器工质出口与所述汽液分离器接口相连。汽液分离后，重组分液体经所述汽液分离器接口与所述填料柱接口相连，进入所述填料柱内部的液体分布器。分离后的轻组分气体经所述低压压缩机进一步加压后温度与压力增大，再进入所述全凝器中全部冷凝为轻组分液体，并储存在所述轻组分储液罐中。关闭第八控制阀，冷却水依次流过所述二级分凝器、所述全凝器与第三四通阀接口相连，经所述第三四通阀接口与所述低温蒸发器冷却水入口相连，使所述低温蒸发器可以吸收所述二级分凝器、所述全凝器的冷凝热量，获得更多的热量。当环境温度降低时，增大所述第一轻组分调节阀、第二轻组分调节阀的开度，减小所述第一重组分调节阀、第二重组分调节阀的开度，可以增大有机朗肯循环系统与热泵系统的非共沸工质的轻组分浓度，提高热电模式下朗肯-热泵系统对环境温度降低的适应性。
b.高温冷电运行模式组分调节：当环境温度较高时，关闭所述第六控制阀，打开所述第七控制阀，所述高压压缩机出口与所述第一四通阀的接口相连，经所述第一四通阀接口与所述低温蒸发器相连，高温高压的非共沸工质蒸汽在所述低温蒸发器内被冷却水冷凝为汽液两相流体；所述低温蒸发器出口与所述第二四通阀接口相连，并经所述第二四通阀接口与所述热力膨胀阀相连，汽液两相流体经节流后变为低压两相流体，经接口进入所述组分调节装置；所述工质泵与所述高温蒸发器相连，工质吸收导热油热量后变为高温高压蒸汽，进入所述膨胀机膨胀做功后成为低压过热蒸汽，经接口进入所述组分调节装置，分离后的重组分工质储存在所述的重组分储液罐中，轻组分工质储存在所述的轻组分储液罐中。低温低压的混合液体经所述第二四通阀接口与接口，通过所述第七控制阀后与所述一级分凝器相连，吸收室内热量后变为低压蒸汽，并经所述第一四通阀接口与接口，进入所述高压压缩机中。在所述膨胀机驱动下，低压蒸汽被所述高压压缩机加压变为高温高压的蒸汽。打开所述第八控制阀，冷却水依次流过所述二级分凝器、所述全凝器与所述第三四通阀接口相连，经所述第三四通阀接口直接排向环境；冷却水与所述第三四通阀接口相连，经接口与所述低温蒸发器冷却水入口相连。当环境温度升高时，减小所述第一轻组分调节阀、第二轻组分调节阀的开度，增大所述第一重组分调节阀、第二重组分调节阀的开度，可以增大有机朗肯循环系统与热泵系统的非共沸工质重组分浓度，提高冷电模式下朗肯-热泵系统对环境温度升高的适应性。
c.发电运行模式组分调节：当气温较为适宜时，用户不需要制冷或制热，断开所述膨胀机与所述高压压缩机之间的连接，关闭所述第六控制阀、所述第七控制阀、所述第二轻组分调节阀、所述第二重组分调节阀，此时热泵系统处于停运状态，有机朗肯循环系统处于发电运行模式。所述工质泵与所述高温蒸发器相连，工质吸收导热油热量后变为高温高压蒸汽，进入所述膨胀机膨胀做功后成为低压过热蒸汽，与所述填料柱接口相连；高温过热蒸汽上升过程与液体分布器降落的液态工质在填料表面发生热质交换，富含重组分的液体经所述填料柱底部接口与所述重组分储液罐接口相连。轻组分气体经所述填料柱接口进入所述二级分凝器，向冷却水释放热量成为汽液混合物，进一步分离混合物中的重组分工质；汽液混合物经接口进入所述汽液分离器，分离后的重组分液体经所述汽液分离器接口与所述填料柱接口相连，进入所述填料柱内部的液体分布器。分离后的轻组分气体经所述低压压缩机进一步加压后温度与压力增大，再进入所述全凝器中全部冷凝为轻组分液体，并储存在所述轻组分储液罐中。打开所述第八控制阀，冷却水依次流过所述二级分凝器、所述全凝器与所述第三四通阀接口相连，经所述第三四通阀接口直接排向环境。当环境温度变化时，调节所述第一轻组分调节阀、所述第一重组分调节阀，可以改变有机朗肯循环系统的非共沸工质浓度，提高发电模式下系统对环境温度波动的适应性。
d.集热系统全天蓄热与放热运行模式：上午太阳辐照强度较低时段，关闭所述第二控制阀与所述第五控制阀，所述循环泵经所述第四控制阀与所述太阳能集热器相连，低温导热油吸收太阳能后变为中温流体，一部分中温导热油经所述第二控制阀使所述低温相变蓄热器开始蓄热，放热后的低温导热油与经所述第三控制阀的中温导热油汇合，流入所述高温蒸发器，将热量传递给有机朗肯循环系统的非共沸工质，降温后的低温导热油再经所述循环泵进入下一个循环；太阳辐照强度较高时段，关闭所述第二控制阀，低温导热油经所述太阳能集热器后变为高温流体，一部分经所述第一控制阀与所述高温相变蓄热器相连，使所述高温相变蓄热器蓄热；放热后的低温导热油与经所述第三控制阀的高温导热油汇合，进入所述高温蒸发器；下午太阳辐照强度较低时段，关闭所述第一控制阀，使中温导热油经所述第二控制阀继续对所述低温相变蓄热器蓄热。太阳光照消失后，关闭所述第二控制阀、所述第三控制阀与所述第四控制阀，所述循环泵经所述第五控制阀与所述第一控制阀，与所述高温相变蓄热器相连，低温导热油吸收所述高温相变蓄热器的热量后变为高温流体，再进入所述高温蒸发器；当所述高温相变蓄热器潜热全部释放后，关闭所述第一控制阀，并打开所述第二控制阀，使低温导热油进入所述低温相变蓄热器，吸收热量后变为中温流体，再进入所述高温蒸发器。
本发明的有益效果是：
本发明中，太阳能储热系统中的高温相变蓄热器和低温相变蓄热器组成梯级蓄热，有效存储不同时段、不同季节太阳能集热器组收集到的能源，根据有机朗肯循环系统与热泵系统中不同的非共沸混合工质组分浓度通过控制相应阀门适应不同工况；高温相变吸热器与低温相变蓄热器中采用无机混合熔盐相变蓄热材料，蓄热材料中添加纳米颗粒增强相变材料导热能力，以导热油作为热传递介质，获得更高热效率。
本发明中，有机朗肯循环回路与热泵回路采用干性或等熵型二元或二元以上非共沸混合工质，通过调节所述控制阀的开度，可以调节两个回路的工质浓度，使浓度调节范围更加很广泛，也更精准；使用非共沸工质提高了系统各部分之间温度匹配，再结合太阳能储热系统梯级蓄热，使朗肯-热泵系统更好地适应太阳辐照强度与环境温度的波动，提高系统不同季节下的整体效率与能源利用率。
本发明中，有机朗肯循环系统中的膨胀机驱动热泵系统中的压缩机，提供了冷/热能；同时，膨胀机带动发电机，输出了电能。通过调节有机朗肯循环与热泵系统中非共沸工质浓度，还能灵活调节系统电能与冷/热能之间的配比，满足用户需求。
本发明中，采用非共沸混合工质作为有机朗肯循环的工作流体。由于非共沸工质在蒸发与冷凝过程中存在温度滑移现象，降低工质换热过程中的不可逆损失，使得工质与冷热源之间的匹配性更好，从而提高了系统效率。
附图说明
附图1是本发明提供的太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热泵系统的结构示意图。
图中：1-太阳能集热器，2-第一控制阀，3-第二控制阀，4-高温相变蓄热器，5-低温相变蓄热器，6-第三控制阀，7-高温蒸发器，8-循环泵，9-第四控制阀，10-第五控制阀，11-膨胀机，12-发电机，13-组分调节装置(131-填料柱，132-二级分凝器，133-汽液分离器，134-低压压缩机，135-全凝器，136-轻组分储液罐，137-重组分储液罐，13f1-第一重组分调节阀，13f2-第一轻组分调节阀，13f3-第二重组分调节阀，13f4-第二轻组分调节阀)，14-工质泵，15-高压压缩机，16-一级分凝器，17-第六控制阀，18-热力膨胀阀，19-第七控制阀，20-第一四通阀，21-低温蒸发器，22-第二四通阀，23-第三四通阀，24-第八控制阀。
具体实施方式
如附图所示，本发明展示一种太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热泵系统及运行方法，该系统包括：太阳能储热系统、有机朗肯循环系统、热泵系统与组分调节装置；
在所述太阳能储热系统中，所述太阳能集热器1出口分三条支路，支路一经第一控制阀2与所述高温相变蓄热器4入口相连，支路二经第二控制阀3与所述低温相变蓄热器5入口相连，支路三经第三控制阀6后与所述高温相变蓄热器4出口、所述低温相变蓄热器5出口相连，再与所述高温蒸发器7入口相连；所述高温蒸发器7出口与所述循环泵8入口相连，所述循环泵8出口分别经第四控制阀9与所述太阳能集热器1入口相连，第四控制阀9入口与所述太阳能集热器1出口设置旁通管路，管路上设置控第五控制阀10。
在所述有机朗肯循环系统中，所述高温蒸发器7制冷剂出口与所述膨胀机11入口相连，所述膨胀机11出口与所述组分调节装置13接口13a相连，所述组分调节装置13接口13d与所述工质泵14入口相连，所述工质泵14出口与所述高温蒸发器7制冷剂入口相连，所述膨胀机11、所述发电机12与所述高压压缩机15同轴连接。
在所述热泵系统中，所述高压压缩机15的出口与第一四通阀20接口20b相连，第一四通阀20接口20a与所述一级分凝器16入口相连，所述一级分凝器16出口经第六控制阀17与所述热力膨胀阀18入口相连，所述热力膨胀阀18出口与所述组分调节装置13接口13b相连；所述组分调节装置13接口13c与第二四通阀22接口22d相连，第二四通阀22接口22c与所述低温蒸发器21入口相连，所述低温蒸发器21出口与第一四通阀20接口20c相连，第一四通阀20接口20d与所述高压压缩机15的入口相连。
在所述组分调节装置中，填料柱131接口131a与二级分凝器132工质入口相连，二级分凝器132工质出口与汽液分离器133接口133a相连，汽液分离器133接口133b与所述填料柱131接口131b相连，填料柱131接口131c与重组分储液罐137接口137a相连；汽液分离器133接口133c与低压压缩机134入口相连，低压压缩机134出口与全凝器135工质入口相连，全凝器135工质出口与轻组分储液罐136接口136b相连；轻组分储液罐136接口136a经第一轻组分调节阀13f2与所述组分调节装置13接口13d相连，重组分储液罐137接口137c经第一重组分调节阀13f1与所述组分调节装置13接口13d相连，轻组分储液罐136接口136c经第二轻组分调节阀13f4与所述组分调节装置13接口13c相连,重组分储液罐137接口137b经第二重组分调节阀13f3与所述组分调节装置13接口13c相连。
该运行方法包括如下几种运行模式：
a.低温热电运行模式组分调节：当环境温度较低时，关闭第七控制阀19，所述高压压缩机15出口与所述第一四通阀20接口20b相连，并经所述第一四通阀20接口20a与所述一级分凝器16入口相连。此时高温高压的气态非共沸工质在室内所述一级分凝器16中部分冷凝为高温高压的汽液混合物，向室内供热后经所述第六控制阀17与所述热力膨胀阀18相连，节流后成为低压两相非共沸工质。初步组分分离的汽液两相工质与所述填料柱131接口131相连，液体经所述填料柱131内部液体分布器流向填料；所述工质泵14与所述高温蒸发器7相连，工质吸收导热油热量后变为高温高压蒸汽，进入所述膨胀机11膨胀做功后成为低压过热蒸汽，再与所述填料柱131接口131d相连；高温过热蒸汽上升过程与液体分布器降落的液态非共沸工质在填料表面发生热质交换，此时富含重组分的液体进入所述填料柱131底部，并经所述填料柱131接口131c与所述重组分储液罐137接口137a相连。轻组分气相经所述填料柱131接口131a进入所述二级分凝器132，向冷却水释放热量成为汽液混合物，进一步分离非共沸工质的重组分工质；汽液混合物经所述二级分凝器132工质出口与所述汽液分离器133接口133a相连。汽液分离后，重组分液体经所述汽液分离器133接口133b与所述填料柱131接口131b相连，进入所述填料柱131内部的液体分布器。分离后的轻组分气体经所述低压压缩机134进一步加压后温度与压力增大，再进入所述全凝器135中全部冷凝为轻组分液体，并储存在所述轻组分储液罐136中。关闭第八控制阀24，冷却水依次流过所述二级分凝器132、所述全凝器135与第三四通阀23接口23a相连，经所述第三四通阀23接口23b与所述低温蒸发器21冷却水入口相连，使所述低温蒸发器21可以吸收所述二级分凝器132、所述全凝器135的冷凝热量，获得更多的热量。当环境温度降低时，增大所述第一轻组分调节阀13f2、第二轻组分调节阀13f4的开度，减小所述第一重组分调节阀13f1、第二重组分调节阀13f3的开度，可以增大有机朗肯循环系统与热泵系统的非共沸工质的轻组分浓度，提高热电模式下朗肯-热泵系统对环境温度降低的适应性。
b.高温冷电运行模式组分调节：当环境温度较高时，关闭所述第六控制阀17，打开所述第七控制阀19，所述高压压缩机15出口与所述第一四通阀20的接口20b相连，经所述第一四通阀20接口20c与所述低温蒸发器21相连，高温高压的非共沸工质蒸汽在所述低温蒸发器21内被冷却水冷凝为汽液两相流体；所述低温蒸发器21出口与所述第二四通阀22接口22c相连，并经所述第二四通阀22接口22b与所述热力膨胀阀18相连，汽液两相流体经节流后变为低压两相流体，经接口13b进入所述组分调节装置13；所述工质泵14与所述高温蒸发器7相连，工质吸收导热油热量后变为高温高压蒸汽，进入所述膨胀机11膨胀做功后成为低压过热蒸汽，经接口13a进入所述组分调节装置13，分离后的重组分工质储存在所述的重组分储液罐137中，轻组分工质储存在所述的轻组分储液罐136中。低温低压的混合液体经所述第二四通阀22接口22d与接口22a，通过所述第七控制阀19后与所述一级分凝器16相连，吸收室内热量后变为低压蒸汽，并经所述第一四通阀20接口20a与接口20d，进入所述高压压缩机15中。在所述膨胀机11驱动下，低压蒸汽被所述高压压缩机15加压变为高温高压的蒸汽。打开所述第八控制阀24，冷却水依次流过所述二级分凝器132、所述全凝器135与所述第三四通阀23接口23a相连，经所述第三四通阀23接口23d直接排向环境；冷却水与所述第三四通阀23接口23c相连，经接口23b与所述低温蒸发器21冷却水入口相连。当环境温度升高时，减小所述第一轻组分调节阀13f2、第二轻组分调节阀13f4的开度，增大所述第一重组分调节阀13f1、第二重组分调节阀13f3的开度，可以增大有机朗肯循环系统与热泵系统的非共沸工质重组分浓度，提高冷电模式下朗肯-热泵系统对环境温度升高的适应性。
c.发电运行模式组分调节：当气温较为适宜时，用户不需要制冷或制热，断开所述膨胀机11与所述高压压缩机15之间的连接，关闭所述第六控制阀17、所述第七控制阀19、所述第二轻组分调节阀13f4、所述第二重组分调节阀13f3，此时热泵系统处于停运状态，有机朗肯循环系统处于发电运行模式。所述工质泵14与所述高温蒸发器7相连，工质吸收导热油热量后变为高温高压蒸汽，进入所述膨胀机11膨胀做功后成为低压过热蒸汽，与所述填料柱131接口131d相连；高温过热蒸汽上升过程与液体分布器降落的液态工质在填料表面发生热质交换，富含重组分的液体经所述填料柱131底部接口131c与所述重组分储液罐137接口137a相连。轻组分气体经所述填料柱131接口131a进入所述二级分凝器132，向冷却水释放热量成为汽液混合物，进一步分离混合物中的重组分工质；汽液混合物经接口133a进入所述汽液分离器133，分离后的重组分液体经所述汽液分离器133接口133b与所述填料柱131接口131b相连，进入所述填料柱131内部的液体分布器。分离后的轻组分气体经所述低压压缩机134进一步加压后温度与压力增大，再进入所述全凝器135中全部冷凝为轻组分液体，并储存在所述轻组分储液罐136中。打开所述第八控制阀24，冷却水依次流过所述二级分凝器132、所述全凝器135与所述第三四通阀23接口23a相连，经所述第三四通阀23接口23d直接排向环境。当环境温度变化时，调节所述第一轻组分调节阀13f2、所述第一重组分调节阀13f1，可以改变有机朗肯循环系统的非共沸工质浓度，提高发电模式下系统对环境温度波动的适应性。
d.集热系统全天蓄热与放热运行模式：上午太阳辐照强度较低时段，关闭所述第二控制阀3与所述第五控制阀10，所述循环泵8经所述第四控制阀9与所述太阳能集热器1相连，低温导热油吸收太阳能后变为中温流体，一部分中温导热油经所述第二控制阀3使所述低温相变蓄热器5开始蓄热，放热后的低温导热油与经所述第三控制阀6的中温导热油汇合，流入所述高温蒸发器7，将热量传递给有机朗肯循环系统的非共沸工质，降温后的低温导热油再经所述循环泵8进入下一个循环；太阳辐照强度较高时段，关闭所述第二控制阀3，低温导热油经所述太阳能集热器1后变为高温流体，一部分经所述第一控制阀2与所述高温相变蓄热器4相连，使所述高温相变蓄热器4蓄热；放热后的低温导热油与经所述第三控制阀6的高温导热油汇合，进入所述高温蒸发器7；下午太阳辐照强度较低时段，关闭所述第一控制阀2，使中温导热油经所述第二控制阀3继续对所述低温相变蓄热器5蓄热。太阳光照消失后，关闭所述第二控制阀3、所述第三控制阀6与所述第四控制阀9，所述循环泵8经所述第五控制阀10与所述第一控制阀2，与所述高温相变蓄热器4相连，低温导热油吸收所述高温相变蓄热器4的热量后变为高温流体，再进入所述高温蒸发器7；当所述高温相变蓄热器4潜热全部释放后，关闭所述第一控制阀2，并打开所述第二控制阀3，使低温导热油进入所述低温相变蓄热器5，吸收热量后变为中温流体，再进入所述高温蒸发器7。

Claims (6)

1.一种太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热泵系统，其特征在于：所述系统包括：太阳能储热系统、有机朗肯循环系统、热泵系统与组分调节装置；
在太阳能储热系统中，太阳能集热器(1)出口分三条支路，支路一经第一控制阀(2)与高温相变蓄热器(4)入口相连，支路二经第二控制阀(3)与低温相变蓄热器(5)入口相连，支路三经第三控制阀(6)后与高温相变蓄热器(4)出口、低温相变蓄热器(5)出口相连，再与高温蒸发器(7)入口相连；高温蒸发器(7)出口与循环泵(8)入口相连，循环泵(8)出口分别经第四控制阀(9)与太阳能集热器(1)入口相连，第四控制阀(9)入口与太阳能集热器(1)出口设置旁通管路，管路上设置控第五控制阀(10)；
在有机朗肯循环系统中，高温蒸发器(7)制冷剂出口与膨胀机(11)入口相连，膨胀机(11)出口与组分调节装置(13)接口(13a)相连，组分调节装置(13)接口(13d)与工质泵(14)入口相连，工质泵(14)出口与高温蒸发器(7)制冷剂入口相连，膨胀机(11)、发电机(12)与高压压缩机(15)同轴连接；
在热泵系统中，高压压缩机(15)的出口与第一四通阀(20)接口(20b)相连，第一四通阀(20)接口(20a)与一级分凝器(16)入口相连，一级分凝器(16)出口经第六控制阀(17)与热力膨胀阀(18)入口相连，热力膨胀阀(18)出口与组分调节装置(13)接口(13b)相连；组分调节装置(13)接口(13c)与第二四通阀(22)接口(22d)相连，第二四通阀(22)接口(22c)与低温蒸发器(21)入口相连，低温蒸发器(21)出口与第一四通阀(20)接口(20c)相连，第一四通阀(20)接口(20d)与高压压缩机(15)的入口相连；
在组分调节装置中，填料柱(131)接口(131a)与二级分凝器(132)工质入口相连，二级分凝器(132)工质出口与汽液分离器(133)接口(133a)相连，汽液分离器(133)接口(133b)与填料柱(131)接口(131b)相连，填料柱(131)接口(131c)与重组分储液罐(137)接口(137a)相连；汽液分离器(133)接口(133c)与低压压缩机(134)入口相连，低压压缩机(134)出口与全凝器(135)工质入口相连，全凝器(135)工质出口与轻组分储液罐(136)接口(136b)相连；轻组分储液罐(136)接口(136a)经第一轻组分调节阀(13f2)与组分调节装置(13)接口(13d)相连，重组分储液罐(137)接口(137c)经第一重组分调节阀(13f1)与组分调节装置(13)接口(13d)相连，轻组分储液罐(136)接口(136c)经第二轻组分调节阀(13f4)与组分调节装置(13)接口(13c)相连，重组分储液罐(137)接口(137b)经第二重组分调节阀(13f3)与组分调节装置(13)接口(13c)相连。
2.根据权利要求1所述的太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热泵系统，其特征在于：高温相变蓄热器(4)与低温相变蓄热器(5)采用无机混合熔盐相变蓄热材料，蓄热材料中添加纳米颗粒增强相变材料导热能力，并以导热油作为热传递介质。
3.根据权利要求1所述的太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热泵系统，其特征在于：有机朗肯循环系统与热泵系统采用干性或等熵型二元或二元以上非共沸混合工质，通过调节第一重组分调节阀(13f1)、第一轻组分调节阀(13f2)的开度，可以单独改变有机朗肯循环系统的组分浓度；通过调节第二轻组分调节阀(13f4)、第二重组分调节阀(13f3)的开度，可以单独改变热泵系统的组分浓度，且有机朗肯循环系统与热泵系统可以在相同组分浓度与不同组分浓度下运行。
4.根据权利要求1所述的太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热泵系统，其特征在于：在工质泵(14)入口与组分调节装置(13)接口(13c)处设置液相色谱取样点，以检测有机朗肯循环系统与热泵系统中的工质组分浓度。
5.根据权利要求1所述的太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热泵系统，其特征在于：填料柱(131)内设置填料，填料是塑料、陶瓷或金属材料，填料柱(131)上部空间设置液体分布器；一级分凝器(16)与二级分凝器(132)采用板式或板翅式换热器，且只有部分工质蒸汽在分凝器内冷凝为液体。
6.一种采用如权利要求1所述的太阳能梯级相变储热与分凝分馏型变浓度调节朗肯-热泵系统的运行方法，其特征在于：该运行方法包括如下几种运行模式：
a.低温热电运行模式组分调节：当环境温度较低时，关闭第七控制阀(19)，高压压缩机(15)出口与第一四通阀(20)接口(20b)相连，并经第一四通阀(20)接口(20a)与一级分凝器(16)入口相连；此时高温高压的气态非共沸工质在室内一级分凝器(16)中部分冷凝为高温高压的汽液混合物，向室内供热后经第六控制阀(17)与热力膨胀阀(18)相连，节流后成为低压两相非共沸工质；初步组分分离的汽液两相工质与填料柱(131)接口(131e)相连，液体经填料柱(131)内部液体分布器流向填料；工质泵(14)与高温蒸发器(7)相连，工质吸收导热油热量后变为高温高压蒸汽，进入膨胀机(11)膨胀做功后成为低压过热蒸汽，再与填料柱(131)接口(131d)相连；高温过热蒸汽上升过程与液体分布器降落的液态非共沸工质在填料表面发生热质交换，此时富含重组分的液体进入填料柱(131)底部，并经填料柱(131)接口(131c)与重组分储液罐(137)接口(137a)相连；轻组分气相经填料柱(131)接口(131a)进入二级分凝器(132)，向冷却水释放热量成为汽液混合物，进一步分离非共沸工质的重组分工质；气液混合物经二级分凝器(132)工质出口与汽液分离器(133)接口(133a)相连；气液分离后，重组分液体经汽液分离器(133)接口(133b)与填料柱(131)接口(131b)相连，进入填料柱(131)内部的液体分布器；分离后的轻组分气体经低压压缩机(134)进一步加压后温度与压力增大，再进入全凝器(135)中全部冷凝为轻组分液体，并储存在轻组分储液罐(136)中；关闭第八控制阀(24)，冷却水依次流过二级分凝器(132)、全凝器(135)与第三四通阀(23)接口(23a)相连，经第三四通阀(23)接口(23b)与低温蒸发器(21)冷却水入口相连，使低温蒸发器(21)可以吸收二级分凝器(132)、全凝器(135)的冷凝热量，获得更多的热量；当环境温度降低时，增大第一轻组分调节阀(13f2)、第二轻组分调节阀(13f4)的开度，减小第一重组分调节阀(13f1)、第二重组分调节阀(13f3)的开度，可以增大有机朗肯循环系统与热泵系统的非共沸工质的轻组分浓度，提高热电模式下朗肯-热泵系统对环境温度降低的适应性；
b.高温冷电运行模式组分调节：当环境温度较高时，关闭第六控制阀(17)，打开第七控制阀(19)，高压压缩机(15)出口与第一四通阀(20)的接口(20b)相连，经第一四通阀(20)接口(20c)与低温蒸发器(21)相连，高温高压的非共沸工质蒸汽在低温蒸发器(21)内被冷却水冷凝为汽液两相流体；低温蒸发器(21)出口与第二四通阀(22)接口(22c)相连，并经第二四通阀(22)接口(22b)与热力膨胀阀(18)相连，汽液两相流体经节流后变为低压两相流体，经接口(13b)进入组分调节装置(13)；工质泵(14)与高温蒸发器(7)相连，工质吸收导热油热量后变为高温高压蒸汽，进入膨胀机(11)膨胀做功后成为低压过热蒸汽，经接口(13a)进入组分调节装置(13)，分离后的重组分工质储存在的重组分储液罐(137)中，轻组分工质储存在的轻组分储液罐(136)中；低温低压的混合液体经第二四通阀(22)接口(22d)与接口(22a)，通过第七控制阀(19)后与一级分凝器(16)相连，吸收室内热量后变为低压蒸汽，并经第一四通阀(20)接口(20a)与接口(20d)，进入高压压缩机(15)中；在膨胀机(11)驱动下，低压蒸汽被高压压缩机(15)加压变为高温高压的蒸汽；打开第八控制阀(24)，冷却水依次流过二级分凝器(132)、全凝器(135)与第三四通阀(23)接口(23a)相连，经第三四通阀(23)接口(23d)直接排向环境；冷却水与第三四通阀(23)接口(23c)相连，经接口(23b)与低温蒸发器(21)冷却水入口相连；当环境温度升高时，减小第一轻组分调节阀(13f2)、第二轻组分调节阀(13f4)的开度，增大第一重组分调节阀(13f1)、第二重组分调节阀(13f3)的开度，可以增大有机朗肯循环系统与热泵系统的非共沸工质重组分浓度，提高冷电模式下朗肯-热泵系统对环境温度升高的适应性；
c.发电运行模式组分调节：当气温较为适宜时，用户不需要制冷或制热，断开膨胀机(11)与高压压缩机(15)之间的连接，关闭第六控制阀(17)、第七控制阀(19)、第二轻组分调节阀(13f4)、第二重组分调节阀(13f3)，此时热泵系统处于停运状态，有机朗肯循环系统处于发电运行模式；工质泵(14)与高温蒸发器(7)相连，工质吸收导热油热量后变为高温高压蒸汽，进入膨胀机(11)膨胀做功后成为低压过热蒸汽，与填料柱(131)接口(131d)相连；高温过热蒸汽上升过程与液体分布器降落的液态工质在填料表面发生热质交换，富含重组分的液体经填料柱(131)底部接口(131c)与重组分储液罐(137)接口(137a)相连；轻组分气体经填料柱(131)接口(131a)进入二级分凝器(132)，向冷却水释放热量成为汽液混合物，进一步分离混合物中的重组分工质；汽液混合物经接口(133a)进入汽液分离器(133)，分离后的重组分液体经汽液分离器(133)接口(133b)与填料柱(131)接口(131b)相连，进入填料柱(131)内部的液体分布器；分离后的轻组分气体经低压压缩机(134)进一步加压后温度与压力增大，再进入全凝器(135)中全部冷凝为轻组分液体，并储存在轻组分储液罐(136)中；打开第八控制阀(24)，冷却水依次流过二级分凝器(132)、全凝器(135)与第三四通阀(23)接口(23a)相连，经第三四通阀(23)接口(23d)直接排向环境；当环境温度变化时，调节第一轻组分调节阀(13f2)、第一重组分调节阀(13f1)，可以改变有机朗肯循环系统的非共沸工质浓度，提高发电模式下系统对环境温度波动的适应性；
d.集热系统全天蓄热与放热运行模式：上午太阳辐照强度较低时段，关闭第二控制阀(3)与第五控制阀(10)，循环泵(8)经第四控制阀(9)与太阳能集热器(1)相连，低温导热油吸收太阳能后变为中温流体，一部分中温导热油经第二控制阀(3)使低温相变蓄热器(5)开始蓄热，放热后的低温导热油与经第三控制阀(6)的中温导热油汇合，流入高温蒸发器(7)，将热量传递给有机朗肯循环系统的非共沸工质，降温后的低温导热油再经循环泵(8)进入下一个循环；太阳辐照强度较高时段，关闭第二控制阀(3)，低温导热油经太阳能集热器(1)后变为高温流体，一部分经第一控制阀(2)与高温相变蓄热器(4)相连，使高温相变蓄热器(4)蓄热；放热后的低温导热油与经第三控制阀(6)的高温导热油汇合，进入高温蒸发器(7)；下午太阳辐照强度较低时段，关闭第一控制阀(2)，使中温导热油经第二控制阀(3)继续对低温相变蓄热器(5)蓄热；太阳光照消失后，关闭第二控制阀(3)、第三控制阀(6)与第四控制阀(9)，循环泵(8)经第五控制阀(10)与第一控制阀(2)，与高温相变蓄热器(4)相连，低温导热油吸收高温相变蓄热器(4)的热量后变为高温流体，再进入高温蒸发器(7)；当高温相变蓄热器(4)潜热全部释放后，关闭第一控制阀(2)，并打开第二控制阀(3)，使低温导热油进入低温相变蓄热器(5)，吸收热量后变为中温流体，再进入高温蒸发器(7)。
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