CN104612917A - 太阳能orc制取压缩空气的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能利用技术，旨在提供一种太阳能ORC制取压缩空气的系统及方法。该系统中，透平同轴一体机由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联；各设备通过管线实现连接：工质泵的出口端经回热器的第一换热通道与换热器的工质入口相接，换热器的工质出口接至透平膨胀机的工质入口；透平膨胀机的工质出口经回热器的第二换热通道接至冷凝器的工质入口，冷凝器的工质出口接至工质泵的入口端；换热器上设有热源入口和热源出口，太阳能集热板的通道出口接至热源入口，热源出口经导热油循环泵接至太阳能集热板的通道入口。本发明利用太阳能ORC制取压缩空气；通过储油罐一方面可起到缓冲的作用，还可控制系统内导热油的量。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，尤其是涉及一种太阳能ORC制取压缩空气的系统及方法。
背景技术
目前可实现热功(电)转化技术的热力循环技术主要有：朗肯循环(ORC)、氨水Kalina循环、半导体热电材料温差发电、热声发电等。其中半导体温差发电技术受到热电能量转换效率和成本的限制；热声技术存在弛豫时间等问题，循环效率并不能保证；Kalina循环理论效率高，但构成复杂，工程应用可靠性仍需检验。ORC发电系统具有良好的机动性、高度的安全性及对维护保养的要求比较低等优点，将其整合到能源系统，以余热驱动可以实现低品位能源向高品位能源(电能)的转化，减轻电力负担，提高总的发电效率及发电量。
太阳能热发电是先将太阳能转换为热能，再将热能转化为电能，它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。另一种方式是将太阳能通过热机(如汽轮机)带动发电机发电。其中，太阳能通过热机带动发电机发电是通过将太阳能转化为热能将水加热成蒸汽后带动汽轮机发电。这种发电方式存在以下不足：
(1)采用常规水蒸气朗肯循环，水蒸气汽化潜热比例大，整个系统来自太阳能的吸热量有很大部分由冷凝器放热浪费，系统效率很低；
(2)由于热源温度不高，换热器不能产生很高的蒸汽压力，且做功蒸汽比容大。
压缩空气是仅次于电力的第二大动力能源，又是具有多种用途的工艺气源，其应用范围遍及石油、化工、冶金、电力、机械、轻工、纺织、汽车制造、电子、食品、医药、生化、国防、科研等行业和部门。现有的压缩空气制取方法往往需要大量的能耗，如果采用太阳能ORC来制取压缩空气，即可大大降低流程工业的能耗，提高能源效率。
然而，ORC发电系统中，由于进入膨胀机工质流量和压力的随机波动，工质在膨胀机中不能充分有效的平稳膨胀做功(一般螺杆膨胀机的膨胀比控制在1:4左右)，导致转速不稳定，影响ORC系统发电的稳定性，降低了发电效率。如果利用膨胀机直接驱动空气压缩机，对普通空气进行压缩。压缩空气通过稳压(减压)后直接并入气体管网，系统的能源效率可以大幅提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种太阳能ORC制取压缩空气的系统及方法。
为解决技术问题，本发明所采用的技术方案是：
提供一种太阳能ORC制取压缩空气的系统，包括换热器、透平同轴一体机、回热器、冷凝器、工质泵、太阳能集热板和导热油循环泵；所述透平同轴一体机由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联，透平膨胀机用于膨胀做功，透平压缩机用于制取压缩空气；其中，透平膨胀机设有工质入口和工质出口，透平压缩机设有空气入口和压缩空气出口；
各设备之间通过管线实现连接：工质泵的出口端经回热器的第一换热通道与换热器的工质入口相接，换热器的工质出口接至透平膨胀机的工质入口；透平膨胀机的工质出口经回热器的第二换热通道接至冷凝器的工质入口，冷凝器的工质出口接至工质泵的入口端；换热器上设有热源入口和热源出口，太阳能集热板的通道出口接至热源入口，热源出口经导热油循环泵接至太阳能集热板的通道入口。
本发明中，所述冷凝器是空冷或水冷的冷凝器。
本发明中，在换热器热源出口和导热油循环泵之间的管线上设有储油罐。
本发明进一步提供了利用所述装置实现ORC制取压缩空气的方法，包括：
低压(1～2.5bar)液态的有机工质由工质泵加压为过冷液态，经回热器换热后再送入换热器，吸收太阳能集热板排出的导热油中的能量，转变为高压(5～10bar)高温(60～80℃)蒸汽；有机工质自换热器中排出后，被导入透平膨胀机；透平膨胀机膨胀做功的同时，驱动直联的透平压缩机对普通空气进行压缩，得到压缩空气；透平膨胀机做功后，有机工质以1.5～3bar的蒸气形式排出并送至回热器，与工质泵加压的过冷液态的有机工质进行换热，再进入冷凝器向冷源放热后冷凝为液态，返回工质泵入口，以此实现往复循环。
本发明中，所述冷源是空气或水：如果采用空冷冷凝器，冷源为空气；如果采用水冷冷凝器，冷源为水。
本发明中，所述有机工质是氟利昂。在一些特殊工业场合也可以应用非氟利昂工质，例如硅油，二氧化碳等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、利用太阳能ORC，制取工业生产过程中需量大的压缩空气；
2、通过储油罐一方面可起到缓冲的作用，保证导热油持续顺畅的循环，从而保证有机工质在换热器内的温度不会出现大幅波动，有利于保护有机工质不因温度波动发生物性改变；另一方面可及时补充导热油。而且，通过储油罐可控制系统内导热油的量，进而可保证有机工质的温度稳定，不会出现大幅波动。
附图说明
图1为本发明的ORC制取压缩空气的装置示意图；
图2为透平同轴一体机示意图。
图中标记为：换热器1，透平同轴一体机2，回热器3，冷凝器4，工质泵5，太阳能集热板6，储油罐7，导热油循环泵8，(换热器)热源入口11，(换热器)工质出口12，(换热器)热源出口13，(换热器)工质入口14，(透平膨胀机)工质入口21，(透平膨胀机)工质出口22，透平膨胀机23，透平压缩机24，(第二换热通道)工质入口31，(第二换热通道)工质出口32，(第一换热通道)工质入口34，(第一换热通道)工质出口33，(冷凝器)工质入口41，(冷凝器)工质出口42，(太阳能集热板)通道出口61，(太阳能集热板)通道入口62。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明中太阳能ORC制取压缩空气的系统，包括换热器1、透平同轴一体机2、回热器3、冷凝器4、工质泵5、太阳能集热板6和导热油循环泵7；其中，透平同轴一体机2由透平膨胀机23和透平压缩机24同轴直联，透平膨胀机23用于膨胀做功，透平压缩机24用于制取压缩空气；其中，透平膨胀机23设有工质入口和工质出口，透平压缩机24设有空气入口和压缩空气出口；
透平同轴一体机2工作时，透平膨胀机23和透平压缩机24同轴等速相连，避免了不同轴传动的机械效率损失，提高了制取压缩空气的整体效率。
本发明的各设备之间通过管线实现连接：工质泵5的出口端经回热器3的第一换热通道与换热器1的工质入口14相接，换热器1的工质出口12接至透平膨胀机23的工质入口21；透平膨胀机23的工质出口22经回热器3的第二换热通道接至冷凝器4的工质入口41，冷凝器4的工质出口42接至工质泵5的入口端；换热器1上设有热源入口11和热源出口13，太阳能集热板6的通道出口61接至热源入口11，热源出口13经储油罐7、导热油循环泵8接至太阳能集热板6的通道入口62。
本发明中的装置设控制系统，不仅实现与装置相关的电气和仪表的基本控制，而且通过在管路上设置传感器，通过控制调节阀的开度，达到提高透平膨胀机23的最佳工况效果和系统的稳定可靠性。透平同轴一体机2设润滑油系统。
利用前述系统实现ORC制取压缩空气的方法，包括：
低压(1～2.5bar)有机工质由工质泵5加压为过冷液态，经回热器3换热后再送入换热器1，吸收太阳能集热板6排出的导热油中的能量，转变为高压(5～10bar)高温(60～80℃)蒸汽；有机工质自换热器1中排出后，被导入透平膨胀机23；透平膨胀机23膨胀做功的同时，驱动直联的透平压缩机24对普通空气进行压缩，得到压缩空气；透平膨胀机23做功后，有机工质以低压蒸气(1.5～3bar)的形式排出并送至回热器3，与工质泵5加压的过冷液态的有机工质进行换热，再进入冷凝器4向冷源(如果水冷模式，冷却水30℃左右；如果风冷模式，空气常温20℃)放热后冷凝为液态，返回工质泵5入口，以此实现往复循环。
本发明中，冷源是水或空气，有机工质是氟利昂。
Claims (6)
1.一种太阳能ORC制取压缩空气的系统，包括换热器；其特征在于，该装置还包括：透平同轴一体机、回热器、冷凝器、工质泵、太阳能集热板和导热油循环泵；
所述透平同轴一体机由透平膨胀机和透平压缩机同轴直联，透平膨胀机用于膨胀做功，透平压缩机用于制取压缩空气；其中，透平膨胀机设有工质入口和工质出口，透平压缩机设有空气入口和压缩空气出口；
各设备之间通过管线实现连接：工质泵的出口端经回热器的第一换热通道与换热器的工质入口相接，换热器的工质出口接至透平膨胀机的工质入口；透平膨胀机的工质出口经回热器的第二换热通道接至冷凝器的工质入口，冷凝器的工质出口接至工质泵的入口端；
换热器上设有热源入口和热源出口，太阳能集热板的通道出口接至热源入口，热源出口经导热油循环泵接至太阳能集热板的通道入口。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝器是空冷冷凝器或水冷冷凝器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在换热器热源出口和导热油循环泵之间的管线上设有储油罐。
4.利用权利要求1所述装置实现ORC制取压缩空气的方法，其特征在于，包括：
1～2.5bar的液态有机工质由工质泵加压为过冷液态，经回热器换热后再送入换热器，吸收太阳能集热板排出的导热油中的能量，转变为5～10bar、60～80℃的蒸汽；有机工质自换热器中排出后，被导入透平膨胀机；透平膨胀机膨胀做功的同时，驱动直联的透平压缩机对普通空气进行压缩，得到压缩空气；透平膨胀机做功后，有机工质以1.5～3bar的蒸气形式排出并送至回热器，与工质泵加压的过冷液态的有机工质进行换热，再进入冷凝器向冷源放热后冷凝为液态，返回工质泵入口，以此实现往复循环。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述有机工质是氟利昂。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述冷源是空气或水：如果采用空冷冷凝器，冷源为空气；如果采用水冷冷凝器，冷源为水。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150513 |