CN115539151A - 一种基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统，属于能源与环境技术领域。本发明包括中低温太阳能集热器、热流体罐、循环泵、加热器、冷流体罐、闪蒸器、透平、动力循环喷射器、回热器、冷凝器、工质泵、预冷器、节流阀、蒸发器、压缩机、制冷循环喷射器，它们构成了中低温太阳能集热循环、带喷射器有机闪蒸回热动力循环、带喷射器及预冷器跨临界CO2制冷循环；本发明能够实现中低温太阳热能(≤400℃)到电能及冷能的同步转换；采用双喷射器结构布置，结合回热及预冷措施，能够降低
损失，提高热能利用效率；采用透平‑压缩机共轴布置方式，能够避免电‑功二次转换损耗；通过与定输出运行模式有机结合，能够保障系统高效稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统，属于能源与环境领域。
背景技术
妥善解决能源危机、环境污染、全球变暖是当今世界各国面临的重大挑战。现目前我国能源消费结构仍以煤炭、石油等化石能源为主，根据统计，化石能源消费占一次能源消费的80％以上。一方面，化石能源属于不可再生资源，另一方面，燃烧化石能源是环境污染及全球变暖的主要成因。可再生能源，如太阳能、风能、地热能、潮汐能等，具有储量大、零污染、零碳排放的特点。因此，如果能有效开发利用可再生能源，那么将对降低化石能源使用，解决能源危机、环境污染、全球变暖问题带来重大意义。
在各类可再生能源中，太阳能储量尤为丰富，据统计，每年陆地所接收的太阳能相当于2.4×108亿吨标准煤，而同期全球一次能源消费仅约181.9亿吨标准煤；此外，太阳能资源还具有分布范围广、易于获得的优点。但太阳能能流密度低，难于转换为高温能源，且转换成本极高；相较之下，太阳能中低温热能转换技术成熟，经济性好，具有良好的推广前景。
常规的利用中低温热能的方式，如有机朗肯循环、有机闪蒸循环等，虽然能够在一定程度上有效利用中低温热源，但是仍存在诸多换热过程温度匹配差、系统部件
损大、运行性能随热源工况多变，难以实现最优工况运行、系统输出单一，二次转换耗损大等问题，大大限制了中低温热能的开发利用。因此，针对上述中低温热能利用技术存在的问题，同时结合太阳能本身及其在中低温热能转换方面存在的巨大潜力，开展基于太阳能的新型中低温热能利用循环系统研究具有十分重要的意义及社会价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统，能够实现中低温太阳能到电能及冷能的同步转换，同时能够减少系统
损失，改善冷凝器性能，避免能量二次转换损失，实现系统高效稳定运行，提高中低温太阳能利用效率及经济性。
解决本发明的技术问题所采用的方案是：一种基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统，包括中低温太阳能集热器(1)、热流体罐(2)、循环泵(3)、加热器(4)、冷流体罐(5)、闪蒸器(6)、透平(7)、动力循环喷射器(8)、回热器(9)、冷凝器(10)、工质泵(11)、预冷器(12)、节流阀(13)、蒸发器(14)、压缩机(15)、制冷循环喷射器(16)；所述中低温太阳能集热器(1)的出口与热流体罐(2)的进口、热流体罐(2)的出口与循环泵(3)的进口、经循环泵(3)的出口与加热器(4)热流体侧的进口、加热器(4)热流体侧的出口与冷流体罐(5)的进口、接着冷流体罐(5)的出口与中低温太阳能集热器(1)的进口通过管道相连接，以构成中低温太阳能集热循环管路；所述加热器(4)冷流体侧的出口与闪蒸器(6)的进口、闪蒸器(6)顶部的饱和蒸气出口与透平(7)的进口、闪蒸器(6)底部的饱和液体出口与动力循环喷射器(8)的工作流体进口、透平(7)的出口与动力循环喷射器(8)的引射流体进口、动力循环喷射器(8)的出口与回热器(9)热流体侧的进口、回热器(9)热流体侧的出口与冷凝器(10)的进口、冷凝器(10)的出口与工质泵(11)的进口、工质泵(11)的出口与回热器(9)冷流体侧的进口、回热器(9)冷流体侧的出口与加热器(4)冷流体侧的进口通过管道相连接，以构成带喷射器有机闪蒸回热动力循环管路；所述压缩机(15)的出口与制冷循环喷射器(16)的工作流体进口、制冷循环喷射器(16)的出口与冷凝器(10)的进口、冷凝器(10)的出口与压缩机(15)的进口及预冷器(12)热流体侧的进口、预冷器(12)热流体侧的出口与节流阀(13)的进口、节流阀(13)的出口与蒸发器(14)冷流体侧的进口、蒸发器(14)冷流体侧的出口与预冷器(12)冷流体侧的进口、预冷器(12)冷流体侧的出口与制冷循环喷射器(16)的引射流体进口通过管道相连接，以构成带喷射器及预冷器跨临界CO2制冷循环管路。
优选的，所述中低温太阳能集热循环管路中的中低温太阳能集热器采用集热温度在400℃及以下的真空管式集热器、平板式太阳能集热器中的一种或二者的结合；
优选的，所述中低温太阳能集热循环管路中的工质采用烷基苯型导热油、烷基萘型导热油、联苯和联苯醚低熔混合物型导热油、烷基联苯醚型导热油、矿物型导热油中的一种；带喷射器有机闪蒸回热动力循环管路的工质采用甲苯、R152a、R142b、R22、R123、R134a、R245fa、丙烷、R143a、R32、R23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷、异丁烷纯有机工质或其混合物；带喷射器及预冷器跨临界CO2制冷循环管路的工质采用二氧化碳。
优选的，所述动力循环透平(7)与动力循环工质泵(11)、制冷循环压缩机(15)采用共轴布置方式。
优选的，所述带喷射器有机闪蒸回热动力循环管路与带喷射器及预冷器跨临界CO2制冷循环管路共用一个冷凝器。
优选的，所述中低温太阳能集热循环管路采用定输出运行模式，为动力循环提供稳定热源。所述定输出运行模式如下：导热油经中低温太阳能集热器(1)加热达到设定温度后从出口流出，而后进入热流体罐(2)储存，接着高温导热油以固定质量流量从热流体罐(2)出口流出，并进入到循环泵(3)，经循环泵(3)加压后从泵出口流出，而后从加热器(4)热流体侧进口流入加热器(4)换热，将热量传递给有机工质，换热完成后，低温导热油从加热器(4)热流体侧出口流出，并进入冷流体罐(5)储存，接着冷流体罐(5)中的低温导热油经管道回流进入中低温太阳能集热器(1)吸收热量，完成一个循环。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
(1)不同于传统冷电联供系统，本系统致力于高效利用中低温太阳能资源(≤400℃)，采用目前成熟且经济的中低温太阳能集热技术，将有机闪蒸循环与跨临界CO2循环有机结合，在保证了动力循环与热源温度的良好匹配以及制冷循环的经济、环保性的同时，通过引入喷射器、回热器、预冷器，减小了循环节流损失，提升了换热效果，降低了冷凝器负荷，实现了热能的梯级利用。本系统能在高效完成太阳能到电能、冷能的同步转换的同时，兼顾经济性与环保性。
(2)本系统通过采用动力循环透平与动力循环工质泵、制冷循环压缩机采用共轴布置方式，避免了电机驱动工质泵、压缩机所带来电功二次转换引起的损失，提升了能源使用效率。
(3)本发明中，带喷射器有机闪蒸回热动力循环管路与带喷射器及预冷器跨临界CO2制冷循环管路共用一个冷凝器，充分利用了动力循环及制冷循环工质间温差，通过有机工质、CO2、冷空气三者耦合换热，提升了冷凝效果，减小了冷凝器体积，实现了系统的小型化。
(4)本发明中，中低温太阳能集热循环管路采用定输出运行模式，为动力循环提供稳定热源，保障了系统的平稳、高效运行，避免对电网的冲击，提升了系统的可靠性，实现了可再生能源的高效利用。
附图说明
图1是本发明一种基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统结构示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1，本发明实施例的基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统包括中低温太阳能集热器(1)、热流体罐(2)、循环泵(3)、加热器(4)、冷流体罐(5)、闪蒸器(6)、透平(7)、动力循环喷射器(8)、回热器(9)、冷凝器(10)、工质泵(11)、预冷器(12)、节流阀(13)、蒸发器(14)、压缩机(15)、制冷循环喷射器(16)。
中低温太阳能集热器(1)的出口与热流体罐(2)的进口、热流体罐(2)的出口与循环泵(3)的进口、经循环泵(3)的出口与加热器(4)热流体侧的进口、加热器(4)热流体侧的出口与冷流体罐(5)的进口、接着冷流体罐(5)的出口与中低温太阳能集热器(1)的进口通过管道相连接，以构成中低温太阳能集热循环管路。
加热器(4)冷流体侧的出口与闪蒸器(6)的进口、闪蒸器(6)顶部的饱和蒸气出口与透平(7)的进口、闪蒸器(6)底部的饱和液体出口与动力循环喷射器(8)的工作流体进口、透平(7)的出口与动力循环喷射器(8)的引射流体进口、动力循环喷射器(8)的出口与回热器(9)热流体侧的进口、回热器(9)热流体侧的出口与冷凝器(10)的进口、冷凝器(10)的出口与工质泵(11)的进口、工质泵(11)的出口与回热器(9)冷流体侧的进口、回热器(9)冷流体侧的出口与加热器(4)冷流体侧的进口通过管道相连接，以构成带喷射器有机闪蒸回热动力循环管路。
压缩机(15)的出口与制冷循环喷射器(16)的工作流体进口、制冷循环喷射器(16)的出口与冷凝器(10)的进口、冷凝器(10)的出口与压缩机(15)的进口及预冷器(12)热流体侧的进口、预冷器(12)热流体侧的出口与节流阀(13)的进口、节流阀(13)的出口与蒸发器(14)冷流体侧的进口、蒸发器(14)冷流体侧的出口与预冷器(12)冷流体侧的进口、预冷器(12)冷流体侧的出口与制冷循环喷射器(16)的引射流体进口通过管道相连接，以构成带喷射器及预冷器跨临界CO2制冷循环管路。
本发明的工作原理是：
太阳能集热循环管路如下：导热油经中低温太阳能集热器(1)加热达到设定温度后从出口流出，而后进入热流体罐(2)储存，接着高温导热油以固定质量流量从热流体罐(2)出口流出，并进入到循环泵(3)，经循环泵(3)加压后从泵出口流出，而后从加热器(4)热流体侧进口流入加热器(4)换热，将热量传递给有机工质，换热完成后，低温导热油从加热器(4)热流体侧出口流出，并进入冷流体罐(5)储存，接着冷流体罐(5)中的低温导热油经管道回流进入中低温太阳能集热器(1)吸收热量，完成一个循环。
喷射器有机闪蒸回热动力循环管路如下：有机工质从加热器(4)冷流体侧进口进入，并在加热器(4)中吸收导热油热量，被加热至饱和液体状态后经加热器(4)冷流体侧出口流出，接着进入闪蒸器(6)进行闪蒸，压力降低至闪蒸压力，形成气液两相态，并在闪蒸器(6)中完成气液相分离，接着闪蒸器(6)中饱和气相工质从闪蒸器(6)顶部出口流出，并进入透平(6)膨胀做功，饱和液相工质从闪蒸器(6)底部流出，并作为工作流体进入动力循环喷射器(8)，而经透平(7)膨胀做功后的乏气作为引射流体经管道也进入动力循环喷射器(8)，两者在动力循环喷射器(8)中混合后由动力循环喷射器(8)出口流出，并由回热器(9)热流体侧进口流入，在回热器(9)中将热量传递给低温工质，而后经回热器(9)热流体侧出口流出，接着从冷凝器(10)进口进入冷凝器，在冷凝器(10)中与空气及制冷循环工作介质进行换热，冷凝成液体后从冷凝器(10)出口流出，接着进入工质泵(11)，在工质泵(11)内加压后，低温工质从回热器(9)冷流体侧进口进入回热器吸收热量，完成预热后，经回热器(9)冷流体侧出口流出，而后重新经加热器(4)冷流体侧进口进入加热器(4)中吸热，完成一个循环。
跨临界CO2回热制冷循环管路如下：CO2经压缩机(15)加压后，形成高温高压工作流体，经压缩机(15)出口流出后，作为工作流体进入制冷循环喷射器(16)，接着与从预冷器(12)冷流体侧出口流出的作为引射流体的工作流体在制冷循环喷射器(16)中混合，混合完成后从制冷循环喷射器(16)流出，而后进入冷凝器(10)中与空气及动力循环有机工质进行换热，换热完成后从冷凝器(10)出口流出，流出后的工作流体别分为两股，一股经管道回到压缩机(15)进行加压，另一股经管道从预冷器(12)热流体侧进口进入预冷器，在预冷器(12)中将热量交换给低温工作流体，完成预冷，接着从预冷器(12)热流体侧出口流出，而后进入节流阀(13)中节流，节流完成后低温低压的工作流体从蒸发器(14)冷流体侧进口进入蒸发器，在蒸发器中将冷量传递给室内空气，完成制冷目的，在蒸发器(14)中换热完成后从蒸发器(14)冷流体侧出口流出，而后从预冷器(12)冷流体进口侧进入回热器，在预冷器(12)吸收高温工作流体热量，实现工作流体预冷，换热完成后，工作流体从预冷器(12)冷流体出口流出，接着再次进入制冷循环喷射器(16)，完成一次循环。
在本实施例中，中低温太阳能集热循环管路中的工质采用烷基苯型导热油、烷基萘型导热油、联苯和联苯醚低熔混合物型导热油、烷基联苯醚型导热油、矿物型导热油中的一种；中低温太阳能集热器选用真空管式集热器。
带喷射器有机闪蒸回热动力循环管路的工质采用甲苯、R152a、R142b、R22、R123、R134a、R245fa、丙烷、R143a、R32、R23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷、异丁烷纯有机工质或其混合物；
带喷射器及预冷器跨临界CO2制冷循环管路的工质采用二氧化碳。
为了提高可靠性，循环管路在注入工质之前，对管道进行氮气吹扫和抽真空处理。
通过上述方式，本发明实施例的基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统将中低温太阳能集热循环、带喷射器有机闪蒸回热动力循环、带喷射器及预冷器跨临界CO2制冷循环相结合，利用真空管式中低温太阳能集热器加热的导热油为热源，使动力循环在有机工质闪蒸气化，推动汽轮机发电，同时带动工质泵与压缩机工作，以环境作为冷源，实现了以CO2为工质进行制冷，完成了冷电联供与太阳能的高效利用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统,其特征在于，包括中低温太阳能集热器(1)、热流体罐(2)、循环泵(3)、加热器(4)、冷流体罐(5)、闪蒸器(6)、透平(7)、动力循环喷射器(8)、回热器(9)、冷凝器(10)、工质泵(11)、预冷器(12)、节流阀(13)、蒸发器(14)、压缩机(15)、制冷循环喷射器(16)；
所述中低温太阳能集热器(1)的出口与热流体罐(2)的进口、热流体罐(2)的出口与循环泵(3)的进口、经循环泵(3)的出口与加热器(4)热流体侧的进口、加热器(4)热流体侧的出口与冷流体罐(5)的进口、接着冷流体罐(5)的出口与中低温太阳能集热器(1)的进口通过管道相连接，以构成中低温太阳能集热循环管路；
所述加热器(4)冷流体侧的出口与闪蒸器(6)的进口、闪蒸器(6)顶部的饱和蒸气出口与透平(7)的进口、闪蒸器(6)底部的饱和液体出口与动力循环喷射器(8)的工作流体进口、透平(7)的出口与动力循环喷射器(8)的引射流体进口、动力循环喷射器(8)的出口与回热器(9)热流体侧的进口、回热器(9)热流体侧的出口与冷凝器(10)的进口、冷凝器(10)的出口与工质泵(11)的进口、工质泵(11)的出口与回热器(9)冷流体侧的进口、回热器(9)冷流体侧的出口与加热器(4)冷流体侧的进口通过管道相连接，以构成带喷射器有机闪蒸回热动力循环管路；
所述压缩机(15)的出口与制冷循环喷射器(16)的工作流体进口、制冷循环喷射器(16)的出口与冷凝器(10)的进口、冷凝器(10)的出口与压缩机(15)的进口及预冷器(12)热流体侧的进口、预冷器(12)热流体侧的出口与节流阀(13)的进口、节流阀(13)的出口与蒸发器(14)冷流体侧的进口、蒸发器(14)冷流体侧的出口与预冷器(12)冷流体侧的进口、预冷器(12)冷流体侧的出口与制冷循环喷射器(16)的引射流体进口通过管道相连接，以构成带喷射器及预冷器跨临界CO2制冷循环管路。
2.根根据权利要求1所述的一种基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统，其特征在于：所述中低温太阳能集热循环管路中中低温太阳能集热器采用集热温度在400℃及以下的真空管式集热器、平板式太阳能集热器中的一种或二者的结合。
3.根根据权利要求1所述的一种基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统，其特征在于：所述中低温太阳能集热循环管路中的工质采用烷基苯型导热油、烷基萘型导热油、联苯和联苯醚低熔混合物型导热油、烷基联苯醚型导热油、矿物型导热油中的一种；带喷射器有机闪蒸回热动力循环管路的工质采用甲苯、R152a、R142b、R22、R123、R134a、R245fa、丙烷、R143a、R32、R23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷、异丁烷纯有机工质或其混合物；带喷射器及预冷器跨临界CO2制冷循环管路的工质采用二氧化碳。
4.根据权利要求1所述的一种基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统，其特征在于：动力循环透平与动力循环工质泵、制冷循环压缩机采用共轴布置方式。
5.根据权利要求1所述的一种基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统，其特征在于：带喷射器有机闪蒸回热动力循环管路与带喷射器及预冷器跨临界CO2制冷循环管路共用一个冷凝器。
6.根据权利要求1所述的一种基于中低温太阳能集热器的冷电联供系统，其特征在于：中低温太阳能集热循环管路采用定输出运行模式，为动力循环提供稳定热源；所述定输出运行模式如下：导热油经中低温太阳能集热器(1)加热达到设定温度后从出口流出，而后进入热流体罐(2)储存，接着高温导热油以固定质量流量从热流体罐(2)出口流出，并进入到循环泵(3)，经循环泵(3)加压后从泵出口流出，而后从加热器(4)热流体侧进口流入加热器(4)换热，将热量传递给有机工质，换热完成后，低温导热油从加热器(4)热流体侧出口流出，并进入冷流体罐(5)储存，接着冷流体罐(5)中的低温导热油经管道回流进入中低温太阳能集热器(1)吸收热量，完成一个循环。
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