CN207180089U - 一种基于多级太阳能集热器的冷热电多联供系统 - Google Patents

一种基于多级太阳能集热器的冷热电多联供系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于多级太阳能集热器的冷热电多联供系统，包括两级的太阳能槽式集热子系统、有机朗肯循环发电子系统、供热子系统和吸收式制冷子系统。两级太阳能槽式集热子系统分别通过各自具有的蒸发器与有机朗肯循环发电子系统相连，所述供热子系统通过第一冷凝器与有机朗肯循环发电子系统相连。所述吸收式制冷子系统通过含第二调节阀的管路在第一调节阀入口处和第二冷凝器出口处与有机朗肯循环发电子系统相连。本实用新型使用了两级太阳能槽式集热系统，实现了太阳能集热器效率提升、损减小；同时，通过冷凝器实现了供热、供冷子系统与发电系统的集成，提高了太阳能的综合利用率；通过第二储液罐，克服了太阳能利用的不稳定性。

Description

一种基于多级太阳能集热器的冷热电多联供系统
技术领域
本实用新型涉及一种利用多级太阳能集热器的冷热电多联供系统，属于太阳能光热利用技术领域。
背景技术
在全球能源危机与气候变化问题的大背景下，发展分布式能源系统尤为重要。
分布式能源系统一般指以可再生能源(生物质)或天然气等清洁化石燃料为能源的、孤立的或只与配电网相联系的小型能量系统。其中多联供系统是分布式能源系统中最常用的一种技术，其可将余热用于制冷、供热，实现能量的梯级利用，提高系统的能源利用率，促进节能减排。
但是目前，以内燃机、斯特林发电机等作为原动机的传统分布式多联供系统仍然对于化石燃料具有较大的依赖，运行过程中会产生污染物质和温室气体；同时，尽管整合了部分包括太阳能等在内的可再生能源，但其地位也只是辅助性驱动能源，这使得分布式多联供系统配置冗余，能源综合利用率低，损大。
实用新型内容
针对以太阳能为驱动能源、有机朗肯循环(ORC)为原动机的分布式多联供系统，本实用新型提供一种基于多级太阳能集热器的冷热电多联供系统，通过合理的系统配置和部件选择，实现了系统的冷热电集成，提高太阳能综合利用率，同时提高系统效率、减小损。
为了解决上述技术问题，本实用新型提出的一种基于多级太阳能集热器的冷热电多联供系统，包括太阳能槽式集热子系统、有机朗肯循环发电子系统、供热子系统和吸收式制冷子系统，所述太阳能槽式集热子系统由第一太阳能槽式集热子系统和第二太阳能槽式集热子系统组成；所述第一太阳能槽式集热子系统包括设置在第一导热油循环管路上的第一导热油泵、第一槽式集热器和第一蒸发器；所述第二太阳能槽式集热子系统包括设置在第二导热油循环管路上的第二导热油泵、第二槽式集热器和第二蒸发器；所述有机朗肯循环发电子系统包括设置在有机朗肯工质循环管路上的第一储液罐、膨胀机、第一冷凝器、第一调节阀、第二冷凝器、第二储液罐和第一工质泵；所述第一储液罐的底部与所述第二蒸发器的出口之间设有连接管路，该连接管路上设有第二工质泵；所述膨胀机带动发电机运行；所述太阳能槽式集热子系统分别通过第一蒸发器的壳程和第二蒸发器的壳程与所述有机朗肯循环发电子系统相连；所述供热子系统包括设置在水循环管路上的风机盘管和第三工质泵，所述有机朗肯循环发电子系统通过所述第一冷凝器与所述供热子系统连接；所述吸收式制冷子系统包括设置在制冷剂管路上的第三冷凝器、第一节流阀、第三蒸发器、吸收器和发生器，所述吸收器的出口与所述发生器的稀溶液进口之间连接有溶液泵；所述发生器的出口与所述吸收器的连接管路上设有第二节流阀；所述发生器的上出口连接至所述第三冷凝器的进口；所述第一冷凝器的出口连接至所述发生器的热源侧进口，所述发生器与所述第一冷凝器的连接管路上设有第二调节阀，所述发生器的热源侧出口连接至所述第二冷凝器的出口。
进一步讲，本实用新型中，所述第一蒸发器、第二蒸发器和第三蒸发器为管壳式换热器或是板式换热器。
而与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
可实现在与单级集热器同样面积的情况下，利用两级集热器使换热流体与过冷液态工质间温差减小，一方面提高整体集热效率，另一方面减小损、提高系统效率(如图2)；可保障工质在蒸发温度下以饱和气态进入膨胀机，减小太阳能动态特性的影响
附图说明
图1是本实用新型基于多级太阳能集热器的冷热电多联供系统的结构示意图；
图2是本实用新型系统中有机朗肯循环发电子系统流体温-熵图。
图中：1-第一槽式集热器，2-第一导热油泵，3-第一蒸发器，4-第二槽式集热器，5-第二导热油泵，6-第二蒸发器，7-第一储液罐，8-第二工质泵，9-膨胀机，10-发电机，11-第一冷凝器，12-第一调节阀，13-第二冷凝器，14-第二储液罐，15-第一工质泵，16-风机盘管，17-第三工质泵，18-第二调节阀，19-发生器，20-第三冷凝器，21-第一节流阀，22-第三蒸发器，23-吸收器，24-溶液泵，25-第二节流阀。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本实用新型进行解释说明，并不用以限制本实用新型。
如图1所示，本实用新型提出的一种基于多级太阳能集热器的冷热电多联供系统，包括太阳能槽式集热子系统、有机朗肯循环发电子系统、供热子系统和吸收式制冷子系统。
所述太阳能槽式集热子系统由第一太阳能槽式集热子系统和第二太阳能槽式集热子系统组成；所述第一太阳能槽式集热子系统包括设置在第一导热油循环管路上的第一导热油泵2、第一槽式集热器1和第一蒸发器3；所述第二太阳能槽式集热子系统包括设置在第二导热油循环管路上的第二导热油泵5、第二槽式集热器4和第二蒸发器6。
所述有机朗肯循环发电子系统包括设置在有机朗肯工质循环管路上的第一储液罐7、膨胀机9、第一冷凝器11、第一调节阀12、第二冷凝器13、第二储液罐14和第一工质泵15；所述第一储液罐7的底部与所述第二蒸发器6的出口之间设有连接管路，该连接管路上设有第二工质泵8,第一储液罐7中工质液体经由第二工质泵8与第二蒸发器6出口的工质液体混合，对应图1中的状态点b。此外膨胀机9可以联轴带动发电机10运行。所述太阳能槽式集热子系统分别通过第一蒸发器3的壳程和第二蒸发器6的壳程与所述有机朗肯循环发电子系统相连；
所述供热子系统包括设置在水循环管路上的风机盘管16和第三工质泵17，所述有机朗肯循环发电子系统通过所述第一冷凝器11与所述供热子系统连接。
所述吸收式制冷子系统包括设置在制冷剂管路上的第三冷凝器20、第一节流阀21、第三蒸发器22、吸收器23和发生器19，所述吸收器23的出口与所述发生器19的稀溶液进口之间连接有溶液泵24；所述发生器19的出口与所述吸收器23的连接管路上设有第二节流阀25；所述发生器19的制冷剂(水)出口连接至所述第三冷凝器20的进口；所述第一冷凝器11的工质出口连接至所述发生器19的热源侧进口，所述发生器19与所述第一冷凝器11的连接管路上设有第二调节阀18，所述发生器19的热源侧出口连接至所述第二冷凝器13的工质出口。
本实用新型中，所述第一蒸发器3、第二蒸发器6和第三蒸发器22为管壳式换热器或是板式换热器，优选为管壳式换热器。
本实用新型中，在所述第二太阳能槽式集热子系统与有机朗肯循环发电子系统之间设有第二蒸发器6，所述第二太阳能槽式集热子系统的第二槽式集热器4的出口与所述第二导热油泵5之间的导热油循环管路可以与所述第二蒸发器6的管程即放热介质通道连通，所述有机朗肯循环发电子系统通过第一蒸发器3壳程入口与所述第一工质泵15出口(对应图2中状态点a)之间的工质循环管路与所述第二蒸发器6的壳程即预热介质通道连通，实现所述第二太阳能槽式集热子系统与有机朗肯循环发电子系统之间的换热。在现有技术下仅采用单级集热器的配置，即图2中单级太阳能槽式集热子系统的温度曲线，会增大换热流体与过冷液态工质间温差，从而增大损。而本实用新型中第二蒸发器6的设置，使得工质循环管路中经过第二蒸发器6完成一级预热后的工质溶液与从第一储液罐7底部流出的工质溶液温度更接近，此时工质溶液对应图2中状态点b，从而降低损。此外，第二槽式集热器4中导热油较低的平均温度，使得工质循环管路中的工质溶液与所述第二蒸发器6和第一蒸发器3中的导热油在温度上更加接近(如图2中第二太阳能槽式集热子系统温度曲线与状态点a和b之间的温度曲线)，进而使第一太阳能槽式集热子系统与第二太阳能槽式集热子系统获得更高的总集热效率。
本实用新型中，在所述第一太阳能槽式集热子系统与有机朗肯循环发电子系统之间设有第一蒸发器3，所述第一太阳能槽式集热子系统的槽式集热器出口与所述第一导热油泵2之间的导热油循环管路可以与所述第一蒸发器3的管程即放热介质通道连通，所述有机朗肯循环发电子系统通过第二蒸发器6壳程出口与所述第一储液罐7入口之间的工质循环管路可以与所述第一蒸发器3的壳程即预热介质通道连通，实现所述第一太阳能槽式集热子系统与有机朗肯循环发电子系统之间的换热。
本实用新型中，在所述第一蒸发器3的壳程出口(对应图2中状态点c)和膨胀机9入口(对应图2中状态点d)之间设有第一储液罐7，其中的工质位于两相区。饱和液经由第一储液罐7底部设有第二工质泵8的管路，与第二蒸发器6的壳程出口的工质溶液混合；饱和气经由工质循环管路进入膨胀机9。第一储液罐7的主要作用在于：
(1)减小膨胀机9入口工质蒸汽(对应图2中状态点d)由于太阳能动态特性引起的质量波动；
(2)确保工质循环管路中工质的流速恒定，使得有机朗肯循环发电子系统中膨胀机9、第一冷凝器11、第二冷凝器13、第一工质泵15、第二蒸发器6和第一蒸发器3等部件在设计工况下运行；
(3)确保膨胀机9出口(对应图2中状态点e)工质的温度稳定；
(4)简化了系统的实时操作策略。
本实用新型中，在所述有机朗肯循环发电子系统与供热子系统之间设有第一冷凝器11，所述有机朗肯循环发电子系统的膨胀机9出口(对应图2中状态点e)与第一调节阀12入口之间的工质循环管路可以与所述第一冷凝器11的放热介质通道连通，所述供热子系统的风机盘管入口与所述第三工质泵17出口之间的导热油循环管路可以与所述第一冷凝器11的预热介质通道连通，实现所述有机朗肯循环发电子系统与供热子系统之间的换热，从而通过风机盘管达到供热的功能。
本实用新型中，在所述有机朗肯循环发电子系统与吸收式制冷子系统之间设有含第二调节阀18的管路，所述有机朗肯循环发电子系统工质循环管路中工质的热量可作为所述吸收式制冷子系统的工作热源，在发生器19中加热由溶液泵24从吸收器23输送来的一定浓度的溶液，使溶液中的大部分低沸点制冷剂蒸发。蒸发后的制冷剂蒸气经由制冷剂管路进入第三冷凝器20中，被冷却介质冷凝成制冷剂液体，再经由第一节流阀21降压至其蒸发压力，随之进入第三蒸发器22，吸收被冷却系统中的热量从而达到制冷的功能，自身转变为蒸发压力下的制冷剂蒸气。在发生器19中经发生过程剩余的含有高沸点吸收剂以及少量未蒸发制冷剂的溶液经由第二节流阀25降到蒸发压力而进入吸收器23中，与从第三蒸发器22出来的低压制冷剂蒸气混合，吸收低压制冷剂蒸气。由于吸收过程放热，故在吸收器23中用冷却水来冷却混合溶液。在吸收器23中恢复到原浓度的溶液经由溶液泵24升压后送入发生器19中继续循环。
此外，在所述有机朗肯循环发电子系统的第二冷凝器11出口与第二储液罐14入口之间，还沿工质循环管路依次设有第一调节泵12和第一冷凝器13。第一冷凝器13的设置，使得经由第二冷凝器11冷凝后仍存有部分气态组分的工质完全冷凝，进入第二储液罐14，从而防止对第二工质泵15的气蚀。
本实用新型基于多级太阳能集热器的冷热电多联供系统针对不同的需求，可以实现以下两种不同的运行模式：
工作模式一：冷热电联供。
此工作模式下，太阳能槽式集热子系统实现制冷、供热和发电的功能。实现此模式，关闭第一调节阀12。太阳能槽式集热子系统正常运行，带动有机朗肯循环发电子系统的运行，膨胀机9带动同轴的发电机10进行发电；同时经由第一冷凝器11的换热作用，供热子系统开始运行，实现供热；此外，第一冷凝器11出口的工质通过第二调节阀18与吸收式制冷子系统的发生器19中的溶液换热，实现制冷，同时使工质在到达第一工质泵15入口时完全液化。
工作模式二：热电联供。
此工作模式下，太阳能槽式集热子系统实现供热和发电的功能。实现此模式，关闭第二调节阀18。太阳能槽式集热子系统正常运行，带动有机朗肯循环发电子系统的运行，膨胀机9带动同轴的发电机10进行发电；同时经由第一冷凝器11的换热作用，供热子系统开始运行，实现供热；此外，第一冷凝器11出口的工质通过第一调节阀12进入第二冷凝器13冷凝，第二储液罐14的设立保障工质在到达第一工质泵15入口时完全液化。
尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于多级太阳能集热器的冷热电多联供系统，包括太阳能槽式集热子系统、有机朗肯循环发电子系统、供热子系统和吸收式制冷子系统，其特征在于：
所述太阳能槽式集热子系统由第一太阳能槽式集热子系统和第二太阳能槽式集热子系统组成；所述第一太阳能槽式集热子系统包括设置在第一导热油循环管路上的第一导热油泵(2)、第一槽式集热器(1)和第一蒸发器(3)；所述第二太阳能槽式集热子系统包括设置在第二导热油循环管路上的第二导热油泵(5)、第二槽式集热器(4)和第二蒸发器(6)；
所述有机朗肯循环发电子系统包括设置在有机朗肯工质循环管路上的第一储液罐(7)、膨胀机(9)、第一冷凝器(11)、第一调节阀(12)、第二冷凝器(13)、第二储液罐(14)和第一工质泵(15)；所述第一储液罐(7)的底部与所述第二蒸发器(6)的出口之间设有连接管路，该连接管路上设有第二工质泵(8)；所述膨胀机(9)带动发电机运行；
所述太阳能槽式集热子系统分别通过第一蒸发器(3)的壳程和第二蒸发器(6)的壳程与所述有机朗肯循环发电子系统相连；
所述供热子系统包括设置在水循环管路上的风机盘管(16)和第三工质泵(17)，所述有机朗肯循环发电子系统通过所述第一冷凝器(11)与所述供热子系统连接；
所述吸收式制冷子系统包括设置在制冷剂管路上的第三冷凝器(20)、第一节流阀(21)、第三蒸发器(22)、吸收器(23)和发生器(19)，所述吸收器(23)的出口与所述发生器(19)的稀溶液进口之间连接有溶液泵(24)；
所述发生器(19)的出口与所述吸收器(23)的连接管路上设有第二节流阀(25)；所述发生器(19)的上出口连接至所述第三冷凝器(20)的进口；
所述第一冷凝器(11)的出口连接至所述发生器(19)的热源侧进口，所述发生器(19)与所述第一冷凝器(11)的连接管路上设有第二调节阀(18)，
所述发生器(19)的热源侧出口连接至所述第二冷凝器(13)的出口。
2.根据权利要求1所述基于多级太阳能集热器的冷热电多联供系统，其特征在于，所述第一蒸发器(3)、第二蒸发器(6)和第三蒸发器(22)为管壳式换热器或是板式换热器。
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