CN210919357U - 一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统，包括热源系统和ORC系统，热源系统包括太阳能集热器、PCM储热器和管路网络，管路网络分别与太阳能集热器、PCM储热器连接，且在管路网络上设置阀门，通过阀门的关闭与开启实现太阳能集热器和PCM储热器之间连接方式的切换；ORC系统包括依次连接形成回路的蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵；热源系统和ORC系统之间通过蒸发器实现热耦合。本实用新型将相变材料储能应用到太阳能有机朗肯循环系统中，结构设计合理，热效率高，有效克服太阳能辐射不稳定的问题。

Description

一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统

技术领域

本实用新型属于新能源发电技术领域，具体涉及一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统。

背景技术

随着能源结构的加速调整，大气和环境的加强保护，太阳能作为一种可再生的清洁能源，其开发和利用已经受到世界各国的普遍关注。太阳能利用可通过光伏转换和光热转换两种途径实现。光伏转换是利用半导体材料的光伏效应直接将太阳能转换为电能，光热转换是通过太阳能集热器将太阳能转化为工质的热能。受太阳直射辐射的影响，中低温光热发电具有更广泛的地域适应性。

有机朗肯循环(ORC)可广泛用于回收余热、废热，是中低温光热发电利用的一种理想方式。专利CN 203476624 U提供了一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统，有效解决集热器热传输损失大，设备造价高等问题。专利CN 104196689 A也提供了一种太阳能有机朗肯循环发电系统，该实用新型不仅关注集热器、工质与热源的换热及匹配，而且添加内部换热装置和抽汽回热装置，有效提高太阳能低温有机朗肯循环发电系统的循环效率及性能。

但是，太阳能辐射度能量密度较低，且在夜间或阴雨天及多云天气时，太阳能不能被利用，太阳能辐射能不稳定这一问题被大家忽略。

实用新型内容

本实用新型根据现有技术中存在的问题，提出了一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统，该系统将相变材料储能应用到太阳能有机朗肯循环系统中，结构设计合理，热效率高，有效克服太阳能辐射不稳定的问题。

本实用新型所采用的技术方案如下：

一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统，包括热源系统和ORC(有机朗肯循环)系统，所述热源系统包括太阳能集热器、PCM储热器和管路网络，所述管路网络分别与太阳能集热器、PCM储热器连接，且在管路网络上设置阀门，通过阀门的关闭与开启实现太阳能集热器和PCM储热器之间连接方式的切换；

所述ORC(有机朗肯循环)系统包括依次连接形成回路的蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵；

所述热源系统和ORC系统之间通过蒸发器实现热耦合；

进一步，所述太阳能集热器和PCM储热器之间连接方式包括五种模式，分别是：模式1：太阳能集热器与蒸发器串联，仅太阳能集热器充当蒸发器的热源；模式2：PCM储热器与蒸发器并联和太阳能集热器形成回路，太阳能集热器分别充当PCM储热器和蒸发器的热源；模式3：太阳能集热器与PCM储热器并联和蒸发器形成回路，太阳能集热器和PCM储热器分别充当蒸发器的热源；模式4：PCM储热器与蒸发器串联，且仅PCM储热器充当蒸发器的热源；模式5：太阳能集热器和PCM储热器串联，且太阳能集热器充当PCM储热器的热源；

进一步，所述热源系统内的循环工质为水，所述ORC系统内的循环工质为制冷剂；

进一步，制冷剂工质可以选用R123、R245fa、R141b或R1234ze；

进一步，所述PCM储热器为圆柱形储罐，内有1条蛇形管道，所述蛇形管道两段分别连接管路网络，以供循环工质流过；在储罐内与蛇形管之间紧密填充有相变材料；

进一步，所述相变材料选用无机相变储热材料；

进一步，所述无机相变储热材料是盐水合物，盐水合物熔点为117℃，潜热为160kJ/kg；

本实用新型的有益效果：

本实用新型所提出的一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统，结构简单，使用方便，成本低廉。针对太阳能能量密度低，辐射不稳定等缺点增加PCM储热器，在太阳能辐射强时，对热源能量削减。在太阳能辐射弱时对热源能量填补，保障了整体系统运行的稳定性。除此以外，一定程度上还增加了循环效率，减少了能量损失。

附图说明

图1是本实用新型基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统框图：

图2是PCM储热器的剖视图；

图中，1、太阳能集热器，2、PCM储热器，3、泵A，4、泵B，5、蒸发器，6、膨胀机，7、发电机，8、工质泵，9、冷凝器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示的一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统，包括热源系统和ORC系统；热源系统包括太阳能集热器1和PCM储热器2，其中，太阳能集热器1和PCM储热器2之间通过管路网络连通，且在管路上设有阀门，通过各个阀门之间的关闭与开启可以实现太阳能集热器1和PCM储热器2内部工质的传递；且热源系统中的循环工质为水。在本实施例中，PCM储热器2如图2为圆柱形储罐，内有一条蛇形管道，蛇形管道的两端连接管路网络用于供循环工质流过，在储罐内与蛇形管道之间紧密填充有相变材料。相变材料可以选用无机相变储热材料,如盐水合物，盐水合物的熔点为117℃，潜热为160kJ/kg。

ORC系统包括蒸发器5、冷凝器9、工质泵8、膨胀机6和发电机7；其中，蒸发器5、膨胀机6、冷凝器9和工质泵8之间形成循环回路，且膨胀机6连接发电机7；ORC系统中的循环工质为制冷剂，冷剂工质选用R123、R245fa、R141b或R1234ze。

热源系统和ORC系统之间通过蒸发器5实现热耦合。

为了更清楚的解释本实用新型技术方案所保护的内容，以下从太阳能辐射正常，太阳能辐射强，太阳能辐射弱，无太阳辐射以及不需要发电这五种情况描述本实用新型的控制过程。

实施例1，当太阳能辐射正常，且有机朗肯循环系统需要发电时，将阀V3和V5开启，此时的热源系统中，PCM储热器2不接入管路网络，仅太阳能集热器1接入，太阳能集热器1和蒸发器5串联形成回路，仅太阳能集热器1充当热源；当泵B4开始运行时，管路网络中的循环工质(水)进入太阳能集热器1，太阳能集热器1通过吸收太阳能将循环工质(水)加热成热循环工质(水)并充当热源；当循环工质(水)流至蒸发器5内与蒸发器5的制冷剂进行换热，蒸发器5内的制冷剂吸热产生高温蒸汽，高温蒸汽进入膨胀机6做功并带动发电机7发电，发电后的乏汽进入冷凝器9进入下一循环。

实施例2，当太阳能辐射强，同时有机朗肯循环系统需要发电时，将阀门V2、V3、V5和V7打开，此时，太阳能集热器1和PCM储热器2都接入管路网络，且PCM储热器2和蒸发器5并联与太阳能集热器1形成回路，仅太阳能集热器1充当热源，PCM储热器2进行储热；当同时开启泵A3和泵B4，管路网络中的工质水进入太阳能集热器1，工质水在太阳能集热器内吸收大量的太阳能能量后变成热水，然后一部分热水进入蒸发器5与冷媒制冷剂换热，另一部分热水进入PCM储热器2。固体PCM温度不断升高达到其材料熔点，在这熔点过后，PCM熔化过程中温度保持不变，当所有的PCM变为液相后，液态PCM温度不断升高，直至换热流体规定的极限。从PCM储热器2出来的低品位工质水经过泵A3被送入太阳能集热器。这样可以将多余的太阳能热量存储到PCM储热器2内，同时防止工质水在太阳能集热器内过热。

实施例3，太阳能辐射弱，但系统仍需要发电时，将阀门V3、V4、V5和V6打开，此时，太阳能集热器1和PCM储热器2都接入管路网络，且太阳能集热器1与PCM储热器2并联和蒸发器5形成回路。当开启泵B4时，管路网络中的工质水一部分进入太阳能集热器1，由太阳能加热；另一部分进入PCM储热器2，与PCM储热器2中储热后的相变材料换热。最终由太阳能集热器1和PCM储热器2这两部分同时充当热源给蒸发器5内的冷媒制冷剂加热。

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。在这种模式下，打开阀门V4和V6，此时，仅PCM储热器2接入管路网络且与蒸发器5串联，仅由PCM储热器2充当热源；当开启泵B4时，管路网络中的工质水进入PCM储热器2，利用PCM储热器2中储存的热量与工质水进行热交换进而变成热水，热水进入蒸发器5与冷媒制冷剂换热。

实施例5，当系统不需要发电，打开阀门V2、V5和V7，此时，太阳能集热器1和PCM储热器2都接入管路网络，且太阳能集热器1和PCM储热器2串联形成回路，但是不与蒸发器5之间连接。此时打开泵A3，管路网络中的工质水全部进入太阳能集热器1，太阳能集热器1通过吸收太阳能将低温水加热成热水，热水全部进入PCM储热器2中，对太阳热进行存储。

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

Claims (7)

1.一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统，其特征在于，包括热源系统和ORC系统，所述热源系统包括太阳能集热器(1)、PCM储热器(2)和管路网络，所述管路网络分别与太阳能集热器(1)、PCM储热器(2)连接，且在管路网络上设置阀门，通过阀门的关闭与开启实现太阳能集热器(1)和PCM储热器(2)之间连接方式的切换；

所述ORC系统包括依次连接形成回路的蒸发器(5)、膨胀机(6)、冷凝器(9)和工质泵(8)；所述热源系统和ORC系统之间通过蒸发器(5)实现热耦合。

2.根据权利要求1所述的一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统，其特征在于，所述太阳能集热器(1)和PCM储热器(2)之间连接方式包括五种模式，分别是：模式1：太阳能集热器(1)与蒸发器(5)串联，仅太阳能集热器(1)充当蒸发器(5)的热源；模式2：PCM储热器(2)与蒸发器(5)并联和太阳能集热器(1)形成回路，太阳能集热器(1)分别充当PCM储热器(2)和蒸发器(5)的热源；模式3：太阳能集热器(1)与PCM储热器(2)并联和蒸发器(5)形成回路，太阳能集热器(1)和PCM储热器(2)分别充当蒸发器(5)的热源；模式4：PCM储热器(2)与蒸发器(5)串联，且仅PCM储热器(2)充当蒸发器(5)的热源；模式5：太阳能集热器(1)和PCM储热器(2)串联，且太阳能集热器(1)充当PCM储热器(2)的热源。

3.根据权利要求2所述的一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统，其特征在于，所述热源系统内的循环工质为水，所述ORC系统内的循环工质为制冷剂。

4.根据权利要求3所述的一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统，其特征在于，制冷剂工质选用R123、R245fa、R141b或R1234ze。

5.根据权利要求1-4中任意一项权利要求所述的一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统，其特征在于，所述PCM储热器(2)为圆柱形储罐，内有1条蛇形管道，所述蛇形管道两段分别连接管路网络，在储罐内与蛇形管之间紧密填充有相变材料。

6.根据权利要求5所述的一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统，其特征在于，所述相变材料选用无机相变储热材料。

7.根据权利要求6所述的一种基于相变储能材料换热的太阳能有机朗肯循环系统，其特征在于，所述无机相变储热材料是盐水合物，盐水合物熔点为117℃，潜热为160kJ/kg。

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