CN202056012U - 家用超导太阳能orc透平发电洗浴装置 - Google Patents

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Abstract

一种家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置，由超导太阳能集热器、ORC透平发电机、蓄电器、蒸汽发生器、冷凝水箱、安全装置组成，其特征是以高效低沸点二元液作介质，利用有机朗肯循环ORC原理、超导太阳能集热原理，设计成家用非聚焦低温太阳能ORC循环发电洗浴系统，并以洗浴的水箱做冷凝系统，其结构简单，可靠安全，具有太阳能发电和洗浴两种功效，环保、节能、热电转换效率高，特别适于家庭和别墅使用。

Description

家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电洗浴装置，具体讲是一种家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置。 
背景技术
温度在120℃以下的低温余热普遍存在于工业余热和太阳能低品位热源中，对其实施高效回收利用具有重要意义。利用数量庞大的低温余热每发1kW·h电量，约可节约0.4kg标准煤及4kg水的消耗，减少约1.1kg的CO2、SO2及氮氧化物等物质的排放，同时可减轻电厂大量用煤造成的沿线交通、运输及环境压力和电厂锅炉灰渣储运压力，是提高能源利用效率和降低环境污染的有效途径。目前低温余热的热-功(电)转化技术主要有有机朗肯循环(organic Rankine cycle，ORC)、斯特林循环、半导体热电(thermoelectric)材料温差发电、光伏发电等。其中，半导体热电材料温差发和电光伏发电效率较低、造价高昂，且受材料性能的制约；理论上Kalina循环具有较高效率，但其构成复杂，对系统密封性要求极高，尚需经实际工程应用结果的检验。相比之下，目前，国际上对有机朗肯循环(ORC)的心脏透平(或膨胀机)研究较为成熟，可采用向心透平、螺杆式、滚动转子式及蜗旋式膨胀机等多种形式，输出轴功率可小到1千瓦，大至数千千瓦。与传统的水蒸气朗肯循环发电技术相比，可简化系统，显著提高发电效率。因此，采用有机郎肯循环技术回收低温余热是目前研究的热点，也是未来低温余热回收利用的发展趋势。据保守估计，每年我国国内的ORC低温余热发电设备市场需求量至少 在5×106kWe左右，这意味着ORC技术每年有数千亿元的国内市场空间。鉴于低温热能发电技术广阔的应用前景和巨大的市场空间，西方发达国家对ORC技术严格保密。目前，国际上一些大型的低温余热发电设备生产商，已完成对我国大型冶金企业及石油化工企业中低温余热资源的初步调查，准备进入我国广阔的中低温余热发电市场。因此，加快我国ORC技术的研究，特别是提高我国低温余热发电系统的设计水平，增强我国ORC设备制造及配套能力已刻不容缓。 
太阳的辐射功率达3.8×1023kW，其中，约1.08×1014kW辐射到地球表面，即便光-电转化效率仅为1/10000，也能达到全世界总发电容量的近4倍之多。据估算，太阳在一个月之内辐射到地球上的能量，可抵地球上包括石化燃料、原子能等在内的所有不可再生能源总储量的10倍之多，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。我国属太阳能资源相对丰富的国家，国土面积2/3地区年日照时数大于2300h，单位国土面积太阳能年辐射总量高于5016MJ/m2。因此，研究ORC太阳能发电技术对我国乃至全人类的持续发展有重要意义。 
目前对于小型的的太阳能热力发电系统，除采用常规水蒸气郎肯循环外，采用不同形式的太阳能ORC循环发电方式，在简化系统同时，还可提高发电效率，做到发电洗浴两不误，在传热流体温度达到300℃左右时，系统的发电效率可达到31.3％，因此这一技术市场前景十分广阔。 
发明内容
本发明是利用有机朗肯循环(organic Rankine cycle，ORC)原理、超导太阳能集热原理，以高效低沸点二元液作介质，设计成家用非聚焦太阳能ORC循环发电洗浴系统。以洗浴的水箱做冷却冷凝系统，具有发电和洗浴两种功能，其方案如下： 
一种家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置，由超导太阳能集热器、ORC透平 发电机、蓄电器、蒸汽发生器、冷凝水箱、安全装置组成，其特征是超导太阳能集热器由若干超导集热排管、焊接在若干超导集热排管上的集热板、连接在若干超导集热排管顶端且装配在热交换箱中的散热头、集热器边框、超导集热排管底部四周的保温层、透光玻璃盖板构成；ORC透平发电机由低沸点ORC透平、与之连轴的励磁发电机、安全装置构成；蒸汽发生器由外壳体和装在外壳体中的热交换器构成；冷凝水箱由水箱、装在水箱下部的冷凝盘管、装在水箱外边T/P阀、冷水进口、热水出口及花洒构成；右送液管道将蒸汽发生器的传热液出口、传热液加压泵、超导太阳能集热器的热交换箱入口连通，左送液管道将蒸汽发生器传热液进口与超导太阳能集热器的热交换箱传热液出口连通。左送液管道、右送液管道及热交换箱中充有传热液；低沸点ORC透平的气体出口与冷凝水箱的冷凝盘管上口用金属管连通，蒸汽发生器的气体出口与低沸ORC透平的气体进口用金属管连通，金属管43将蒸汽发生器的工质进口、工质加压泵、储液罐、冷凝水箱的冷凝盘管下口连通。 
所述的超导太阳能集热器的超导集热排管平行排列，超导集热排管中装有超导液，超导集热排管内呈无热阻负压态，太阳光通过超导太阳能集热器的透光玻璃盖板照在集热板上产生的辐射热，经超导集热排管可迅速传导到其顶端的散热头，将流经热交换箱中的传热液快速加热。 
所述的低沸点ORC透平是结构简单的低沸点工质径流向心透平，通过输出连轴与励磁发电机连接，以减少流体力学损失机械损失，可获得多的有效动力。 
所述的激磁发电机的电力输出线与蓄电器连接，发出的电可以存储在蓄电器中供家户使用。 
所述的蒸汽发生器为装在外壳体中的整体式热交换器，热交换器为多管式热交换器或者板式热交换器或者翅片管热交换器，或者热管热交换器。热交换器可 将太阳能加热的传热液的热量接受下来，使低沸点二元液加热和蒸发。在高压情况下低沸点二元液的传热性能非常好。在蒸汽发生器外壳体的气体出口部分设置有液体分离器，以防止二元液液滴随之流入低沸点ORC透平后冷凝对喷嘴或叶片造成影响。 
所述的冷凝水箱中的冷凝盘管装在水箱的下部，冷却源为水箱中的水。为了提高发电效率，水箱宜做大。洗浴利用的是发电后的余热水，洗浴时冷水从冷水进口进入水箱，热水从热水出口、花洒流出供家户洗浴。水箱压力过高时通过T/P阀可以泄压。 
所述的工质加压泵为扁平特性加压泵，以克服太阳能热量变化引起的输出电压波动。 
所述的安全装置由装在低沸点ORC透平气体进口的应急断流阀和ORC透平出口的旁通应急断流阀构成，当系统异常时安全装置的动作使低沸点ORC透平入口的应急断流阀可直接关闭，同时打开旁通部分的应急断流阀，于是全部低沸点二元液气体从旁路流入冷凝水箱中的冷凝盘管，做到低沸点ORC透平的紧急刹车，做到事先防止故障损坏。 
所述的低沸点二元液是可以随温度发生相态变化的，沸点小于-50℃，临界温度小于85℃，为不破坏臭氧，化学性稳定，不燃，凝固温度小于系统循环中最低温度的有机混合液态工质。 
家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置工作过程：太阳幅射通过透光玻璃盖板照射在超导平板集热器的集热板上，集热板上选择性吸收涂层将太阳幅射能转化为热能，通过集热板、超导集热排管将热量迅速传递到其顶端的散热头，将流经热交换箱中的传热液快速加热，加热的传热液经热交换箱传热液出口、左送液管道、蒸汽发生器的传热液进口进入蒸汽发生器的整体式热交换器，将流进的低 沸点二元液加热和蒸发汽化，汽化的高压二元液蒸汽进入低沸点ORC透平膨胀做工，带动激磁发电机输出电力，而后低沸点ORC透平排气经金属管到冷凝水箱的冷凝盘管被水冷却凝结成液体存储在储液器中，经工质加压泵加压后再回到蒸汽发生器的整体式热交换器中吸热蒸发，完成一个循环。需要洗浴时打开花洒，压力冷水从冷水进口进入水箱，热水从热水出口被顶出即可洗浴。洗浴用的是发电后的余热水，可以大量使用。 
本发明的有益效果：家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置，结构简单，安全可靠，具有太阳能发电和洗浴两种功能，环保、节能、热电转换效率高，特别适于家庭和别墅使用，对于落实低碳经济策略，改变家庭能源结构，具有重要意义。 
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。 
图1中  1、超导太阳能集热器  2、ORC透平发电机  3、蓄电器  4、蒸汽发生器  5、冷凝水箱  6、安全装置  7、超导集热排管  8、集热板  9、散热头  10、热交换箱  11、集热器边框  12、保温层  13、透光玻璃盖板  14、选择性吸收涂层  15、低沸点ORC透平  16、励磁发电机  17、连轴  18、外壳体  19、热交换器20、水箱  21、冷凝盘管  22、T/P阀  23、冷水进口  24、热水出口  25、花洒  26、右送液管道  27、传热液出口  28、传热液加压泵  29、热交换箱入口  30、左送液管道  31、传热液进口  32、传热液出口  33、传热液  34、ORC透平气体出口  35、冷凝盘管上口  36、金属管  37、蒸汽发生器气体出口  38、低沸点ORC透平气体进口  39、金属管40、储液罐  41、低沸点二元液  42、冷凝盘管下口  43、金属管  44、超 导液  45、液体分离器  46、应急断流阀  47、旁通应急断流阀  48、工质加压泵  49、蒸汽发生器工质进口 
具体实施方式
下面结合附图1和实施例对本发明作进一步说明： 
一种家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置，由超导太阳能集热器1、ORC透平发电机2、蓄电器3、蒸汽发生器4、冷凝水箱5、安全装置6组成，其特征是超导太阳能集热器1由若干超导集热排管7、焊接在若干超导集热排管7上的集热板8、连接在若干超导集热排管7顶端且装配在热交换箱10中的散热头9、集热器边框11、超导集热排管7底部四周的保温层12、透光玻璃盖板13构成；ORC透平发电机2由低沸点ORC透平15、与之连轴的励磁发电机16、安全装置6构成；蒸汽发生器4由外壳体18和装在外壳体18中的热交换器19构成；冷凝水箱5由水箱20、装在水箱20下部的冷凝盘管21、装在水箱外边T/P阀22、冷水进口23、热水出口24及花洒25构成。右送液管道26将蒸汽发生器4的传热液出口27、传热液加压泵28、超导太阳能集热器1的热交换箱入口29连通，左送液管道30将蒸汽发生器4的传热液进口31与超导太阳能集热器1的热交换箱29的传热液出口32连通。左送液管道30、右送液管道26及热交换箱10中充有传热液33；ORC透平气体出口34与冷凝水箱5的冷凝盘管上口35用金属管36连通，蒸汽发生器气体出口37与低沸点ORC透平气体进口38用金属管39连通，蒸汽发生器的工质进口49、工质加压泵48、储液罐40、冷凝水箱的冷凝盘管下口42用金属管43连通。 
所述的超导太阳能集热器1的超导集热排管7平行排列，超导集热排管7中装有超导液44，超导集热排管7内呈无热阻负压态，太阳光通过超导太阳能集热器1的透光玻璃盖板13照在集热板8上产生的辐射热，经超导集热排管7可 迅速传导到其顶端的散热头9，将流经热交换箱10中的传热液33快速加热。 
所述的低沸点ORC透平15是结构简单的低沸点工质径流向心透平，通过输出连轴17与励磁发电机16连接，以减少流体力学损失机械损失，可获得多的有效动力。 
所述的激磁发电机16的电力输出线与蓄电器3连接，发出的电可以存储在蓄电器3中供家户使用。 
所述的蒸汽发生器4为装在外壳体18中的整体式热交换器19，热交换器19为多管式热交换器或者板式热交换器或者翅片管热交换器，或者热管热交换器。热交换器19可将太阳能加热的传热液33的热量接受下来，使低沸点二元液41加热和蒸发。在高压情况下低沸点二元液41的传热性能非常好。在蒸汽发生器外壳体的气体出口部分设置有液体分离器45，以防止二元液液滴随之流入低沸点ORC透平15后冷凝对喷嘴或叶片造成影响。 
所述的冷凝水箱5中的冷凝盘管21装在水箱的下部，冷却源为水箱中的水。为了提高发电效率，水箱宜做大。洗浴利用的是发电后的余热水，洗浴时冷水从冷水进口23进入水箱20，热水从热水出口24、花洒25流出供家户洗浴。水箱压力过高时通过T/P阀22可以泄压。 
所述的工质加压泵48为扁平特性加压泵，以克服太阳能热量变化引起的输出电压波动。 
所述的安全装置6由装在低沸点ORC透平气体进口的应急断流阀46和ORC透平出口的旁通应急断流阀47构成，当系统异常时安全装置6的动作使低沸点ORC透平入口的应急断流阀46可直接关闭，同时打开旁通部分的应急断流阀47，于是全部低沸点二元液气体从旁路流入冷凝水箱中的冷凝盘管21，做到低沸点ORC透 平15的紧急刹车，做到事先防止故障损坏。 
所述的低沸点二元液41是可以随温度发生相态变化，沸点小于-50℃，临界温度小于85℃，不破坏臭氧，化学性稳定，不燃，凝固温度小于系统循环中最低温度的有机混合液态工质。 
家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置工作过程：太阳幅射通过透光玻璃盖板13照射在超导平板集热器1的集热板8上，集热板8上选择性吸收涂层14将太阳幅射能转化为热能，通过集热板8、超导集热排管7将热量迅速传递到其顶端的散热头9，将流经热交换箱10中的传热液33快速加热，加热的传热液33经热交换箱传热液出口32、左送液管道30、蒸汽发生器4的传热液进口31进入蒸汽发生器4的整体式热交换器19，将流进其中的低沸点二元液41加热和蒸发汽化，汽化的高压二元液蒸汽进入低沸点ORC透平15膨胀做工，带动激磁发电机16输出电力，而后低沸点ORC透平15排气经金属管36到冷凝水箱的冷凝盘管21被水冷却凝结成液体存储在储液器40中，经工质加压泵48加压后再回到蒸汽发生器4的整体式热交换器19中吸热蒸发，完成一个循环。需要洗浴时打开花洒25，压力冷水从冷水进口23进入水箱20，热水从热水出口24被顶出即可洗浴。洗浴用的是发电后的余热水，可以大量使用。 

Claims (9)

1.一种家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置，由超导太阳能集热器(1)、ORC透平发电机(2)、蓄电器(3)、蒸汽发生器(4)、冷凝水箱(5)、安全装置(6)组成，其特征是超导太阳能集热器(1)由若干超导集热排管(7)、焊接在若干超导集热排管(7)上的集热板(8)、连接在若干超导集热排管(7)顶端且装配在热交换箱(10)中的散热头(9)、集热器边框(11)、超导集热排管(7)底部四周的保温层(12)、透光玻璃盖板(13)构成；ORC透平发电机(2)由低沸点ORC透平(15)、与之连轴的励磁发电机(16)、安全装置(6)构成；蒸汽发生器(4)由外壳体(18)和装在外壳体(18)中的热交换器(19)构成；冷凝水箱(5)由水箱(20)、装在水箱(20)下部的冷凝盘管(21)、装在水箱外边的T/P阀(22)、冷水进口(23)、热水出口(24)及花洒(25)构成；右送液管道(26)将蒸汽发生器(4)的传热液出口(27)、传热液加压泵(28)、超导太阳能集热器(1)的热交换箱入口(29)连通，左送液管道(30)将蒸汽发生器(4)的传热液进口(31)与超导太阳能集热器(1)的热交换箱(29)的传热液出口(32)连通，左送液管道(30)、右送液管道(26)及热交换箱(10)中充有传热液(33)；ORC透平气体出口(34)与冷凝水箱(5)的冷凝盘管上口(35)用金属管(36)连通，蒸汽发生器气体出口(37)与低沸点ORC透平气体进口(38)用金属管(39)连通，蒸汽发生器的工质进口(49)、工质加压泵(48)、储液罐(40)、冷凝水箱的冷凝盘管下 口(42)用金属管(43)连通。
2.根据权利要求1所述的家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置，其特征是：所述的超导太阳能集热器(1)的超导集热排管(7)平行排列，超导集热排管(7)中装有超导液(44)，超导集热排管(7)内呈无热阻负压态。
3.根据权利要求1所述的家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置，其特征是：所述的低沸点ORC透平(15)是结构简单的低沸点工质径流向心透平，通过输出连轴(17)与励磁发电机(16)连接。
4.根据权利要求1所述的家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置，其特征是：所述的激磁发电机(16)的电力输出线与蓄电器(3)连接。
5.根据权利要求1所述的家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置，其特征是：所述的蒸汽发生器(4)为装在外壳体(18)中的整体式热交换器(19)，热交换器(19)为多管式热交换器或者板式热交换器或者翅片管热交换器，或者热管热交换器。
6.根据权利要求1所述的家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置，其特征是：所述的冷凝水箱(5)中的冷凝盘管(21)装在水箱的下部，冷却源为水箱中的水。
7.根据权利要求1所述的家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置，其特征是：所述的工质加压泵(48)为扁平特征加压泵。
8.根据权利要求1所述的家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置，其特征是：所述的安全装置(6)由装在低沸点ORC透平气体进口的应 急断流阀(46)和ORC透平出口的旁通应急断流阀(47)构成。
9.根据权利要求1所述的家用超导太阳能ORC透平发电洗浴装置，其特征是：所述的低沸点二元液(41)是可以随温度发生相态变化、沸点小于-50℃、临界温度小于85℃、不燃烧有机混合液态工质。 
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