專利名稱：一種光伏與有機郎肯循環耦合熱電聯供系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光伏與有機郎肯循環耦合熱電聯供系統，屬于能源與環境技術領域。
背景技術：
電力生產在現代生產生活中扮演著越來越重要的角色。一個世紀以來，電力工業嚴重依賴于化石燃料，雖然近年來隨著超臨界朗肯循環等技術的應用，煤電效率逐步提高(現在世界上最新技術已經能達到近50%的熱效率)，但電力工業依然是二氧化碳及二氧化硫嚴重環境污染物主要的排放源，同時隨著石化燃料的枯竭，開采的成本和難度會越來越大，因此加大對新能源開發的力度，減少對化石燃料的依賴，使用更清潔的能源是現在人類的必然選擇。太陽作為世界上最豐富的永久能源，其一月之內輻射到地球上的能量，可抵地球上包括石化燃料、原子能等在內的所有不可再生能源總儲量的10倍之多，因此，研究太陽能發電技術對我國乃至全人類的持續發展有重要意義。太陽能發電按轉換方式的不同，可分為光伏發電及光-熱-電兩種方式。隨著光伏材料(晶材料或非晶材料)生產工藝的日臻完善，光伏發電系統的成本逐漸降低，光伏發電技術也得到越來越多的產業化應用，但如何提高發電效率及降低材料的消耗量依然是一個重大課題。為了提高太陽能光伏發電的效率，同時減少電池材料的消耗，其中的重要舉措是采用聚光光伏發電，太陽能聚光光伏發電相比于普通的太陽能光伏發電，聚光光伏發電的光電轉換效率極大的提高，能產生更多的電能，并且能大幅度降低光電池硅材料與非硅材料的用量，有效降低發電成本。但是聚光光伏發電在高效率將光能轉換為電能的同時會產生熱能，而這些熱量會導致硅片的溫度升高，從而降低發電效率和硅片的使用壽命，為了降低硅片溫度，常規的方法是使用散熱片將熱量直接排放到環境中去，這種方法不僅散熱效果不夠理想，而且造成了熱量的直接浪費。同時，我國還有豐富的生物質資源，其內含有可燃成分的固體廢物，若這些廢棄物不合理加以回收利用，便會成為環害物質，因此，生物質的潔凈燃燒技術也逐步實現定型市場化。為了高效利用工業余熱、太陽能與生物質熱能發電，有機朗肯循環(Organic RankineCycle, ORC)越來越受到重視。ORC技術可廣泛地應用于各種低溫熱能發電領域。迄今為止，有機朗肯循環(ORC )技術已被普遍確認為是用以實現中低溫熱能動力轉化的最有效的技術。因此，本實用新型有效地將聚光光伏電池發電與有機朗肯循環發電偶合起來，實現太陽能與生物質熱能梯級利用，通過太陽能與生物質熱能之間的優勢互補，確保能源轉化系統的穩定性與高效性，同時本系統采用了兩級復疊式有機朗肯循環，提高發電效率以及總的發電量，能有效降低發電成本，有望成為構建分布式能源供應系統的重要技術措施。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種光伏與有機郎肯循環耦合熱電聯供系統，其是利用光伏電池及有機朗循環進行熱電聯供，高效梯級利用生物質能、太陽能，以解決環境污染、能源利用率低、發電效率低等問題。本實用新型按以下技術方案實現:一種光伏與有機郎肯循環耦合熱電聯供系統，包括傳熱流體循環回路、生物質燃燒爐排煙回路、供熱熱水回路、冷卻回路；生物質燃燒爐排煙回路一端與傳熱流體循環回路連接，另一端與供熱熱水回路連接，其特征在于:還包括高溫級有機朗肯循環回路、低溫級有機郎肯循環回路、太陽能電池冷卻及有機介質預熱器12，且高溫級有機朗肯循環回路通過傳熱流體循環回路中設有的蒸發器2與傳熱流體循環回路連接，而低溫級有機郎肯循環回路通過太陽能電池冷卻及有機介質預熱器12與高溫級有機朗肯循環回路連接，采用兩級復疊式有機朗肯循環，高溫級有機朗肯循環回路采用生物質熱能作驅動熱源，其冷端排熱作為低溫級有機郎肯循環回路的補熱熱源，用光伏電池板的排熱預熱低溫級有機郎肯循環回路的循環工質，可提高生物質熱能及聚光光伏電池排熱的發電效率，冷卻回路與低溫級有機郎肯循環回路連接。所述傳熱流體循環回路包括生物質燃燒爐1、蒸發器2、傳熱流體循環泵3、傳熱流體及排煙換熱器4及管路，生物質燃燒爐I通過管道與蒸發器2連接，傳熱流體循環泵3通過管道連接于蒸發器2出口與傳熱流體及排煙換熱器4之間，傳熱流體及排煙換熱器4與生物質燃燒爐I通過管路連接。所述高溫級有機朗肯循環回路包括透平I 5、發電機I 6、回熱器I 7、冷凝及蒸發器8、儲液罐I 9、加壓泵I 10及管路；透平I 5—端通過管路與傳熱流體循環回路中的蒸發器2連接，另一端與發電機I 6連接，回熱器I 7—端通過管路、透平I 5與蒸發器2連接，另一端通過管路與冷凝及蒸發器8連接，冷凝及蒸發器8與儲液罐I 9連接，加壓泵
I10—端與儲液罐I 9連接，另一端通過回熱器I 7與蒸發器2連接。所述低溫級有機郎肯循環回路包括透平II 23、發電機II 24、回熱器II 25、儲液罐
II26、加壓泵II 27、冷凝器11、太陽能電池冷卻及有機介質預熱器12及管路；透平II 23與發電機II 24連接，低溫級有機郎肯循環回路中的透平II 23通過管路與高溫級有機朗肯循環回路中的冷凝及蒸發器8連接，回熱器II 25—端通過管路、透平II 23與高溫級有機朗肯循環回路中的冷凝及蒸發器8連接，另一端通過管路與冷凝器11連接，儲液罐II 26通過管路與冷凝器11連接，加壓泵II 27—端與儲液罐II 26連接，另一端通過回熱器II 25、太陽能電池冷卻及有機介質預熱器12與高溫級有機朗肯循環回路中的冷凝及蒸發器8連接。所述生物質燃燒爐排煙回路包括空氣預熱器13、供熱水預熱器14、排煙風機15 ；空氣預熱器13—端與傳熱流體循環回路中的傳熱流體及排煙換熱器4連接，另一端與供熱水預熱器14連接，排煙風機15與供熱水預熱器14連接；供熱熱水回路包括回水泵16及用戶，回水泵16通過生物質燃燒爐排煙回路中的供熱水預熱器14與用戶連接；冷卻水回路包括冷卻塔17、冷卻水泵18 ;冷卻水泵18通過低溫級有機郎肯循環回路中的冷凝器11與冷卻塔17連接。所述太陽能電池冷卻及有機介質預熱器12包括聚光設備19、波紋翅片20、太陽能電池21、冷卻槽形流道22 ;波紋翅片20安裝在冷卻槽形流道22內，太陽能電池21安裝在冷卻槽形流道22上，聚光設備19與太陽能電池21連接。所述生物質燃燒爐I內的燃燒物為生物柴油、生物質氣化可燃氣、燃料柴油、重油、甲醇、乙醇、甲烷、天然氣、煤氣、二甲醚中的任一種或幾種的任意混合物。所述高溫級有機朗肯循環回路中的循環工質為R123、R245fa、甲苯、丁烷、異丁烷、戊烷、異戊烷、環戊烷、庚燒、R113、R11、環己燒、本、鄰_■甲本、乙基本、6甲基2娃氧燒、8甲基3娃氧燒、10甲基4硅氧烷、12甲基5硅氧烷中的任一種或幾種的任意混合物。所述低溫級有機郎肯循環回路中的循環工質為 R143a、R290、氨、CO2, R22、R125、R236fa、R236ea、R134a 與 R227ea 中的任一種或幾種的任意混合物。所述傳熱流體循環回路與高溫級有機郎肯循環回路之間采用直接接觸式換熱，可簡化設備、提高換熱效率。—種光伏與有機郎肯循環稱合熱電聯供系統的工作原理為:傳熱流體循環回路，從蒸發器2出來的傳熱流體，經傳熱流體循環泵3加壓后進入傳熱流體及排煙換熱器4，在里面經過生物質燃燒爐I排出的高溫煙氣預熱后進入生物質燃燒爐I進行加熱，經過燃燒爐I加熱的高溫傳熱流體進入蒸發器2與高溫級有機朗肯循環回路里的工質(如R123)進行直接接觸式換熱，將熱量傳遞給有機工質，使其蒸發汽化；高溫級有機朗肯循環回路中的工質在蒸發器2吸熱汽化后，分兩路:一路進高溫級透平I 5膨脹做功輸出軸功，驅動發電機I 6發電，當工質 蒸汽壓力達不到驅動透平I 5的壓力時，則從另外一路不經過透平I 5旁通，兩路都進入回熱器I 7預熱，工質從回熱器I 7出來后進入冷凝及蒸發器8冷凝，流入儲液罐I 9，接著從儲液罐I 9出來經過加壓泵I 10進入回熱器I 7預熱后重新回到蒸發器2重新成為蒸汽；低溫級有機朗肯循環回路的工質(如R134a)在冷凝及蒸發器8吸熱蒸發后分為兩路:一路進低溫級透平II 23做功輸出軸功，驅動發電機II 24發電，當工質蒸汽壓力達不到驅動透平II 23的壓力時，則從另外一路不經過透平II 23旁通，兩路都進入回熱器II 25預熱，工質從回熱器II 25出來后進入冷凝器11冷凝，流入儲液罐II 26，從儲液罐II 26出來后，工質經過加壓泵II 27加壓后，進入回熱器II 25，接著流經光伏太陽能電池組件，在太陽能電池冷卻及有機介質預熱器12里吸收光伏太陽能電池組件排放的熱量，在使工質預熱的同時也使電池得到了冷卻，而后有機介質工質進入冷凝及蒸發器8吸收高溫有機朗肯循環回路工質的冷凝排熱完成蒸發，完全一個循環；燃燒爐排煙管路如下:煙氣從生物質燃燒爐I出來后進入傳熱流體及排煙換熱器4對傳熱流體進行預熱，之后進入空氣預熱器13，對從燃燒空氣送風機出來的空氣進行預熱，之后再進入供熱水預熱器14對回水進行加熱，最后經排煙風機15加壓排至煙 ;供熱熱水回路為:從熱用戶來的回水經回水泵16輸送至供熱水預熱器14完成加熱過程；冷卻水回路為:從冷卻塔17出來的冷卻水經冷卻水泵18輸送至冷凝器11對低溫級有機朗肯循環回路的工質進行冷凝，之后返回冷卻塔17的布水管，經過冷卻后進入塔底集水盤，完成一個循環。本實用新型具有以下有益效果:1、能將資源十分豐富的低密度太陽能及多種低品位燃料高效地轉化為電能，同時實現對用戶提供熱水；2、能極大地降低發電過程中對環境有害的C0X、SOx的產生與排放；3、傳熱流體與高溫級有機朗肯循環之間的換熱采用直接接觸式換熱罐，既可簡化設備又能大幅度提聞換熱效率；4、采用兩級復疊式有機朗肯循環，可實現對熱量的梯級利用，能大大降低成本，提高能量的利用效率；5、采用聚光光伏發電系統，能提高光伏發電效率，節約材料及成本；[0022]6、利用聚光伏發電系統發電過程中硅片產生的熱量來預熱低溫級有機朗肯循環回路的有機工質，使有機朗肯循環與光伏發電耦合起來，可提高熱量的利用率與發電效率；7、便于實現個性化的分布式發電系統，適合對一些不宜集中供電或電力供應不足地區提供電力，如山區、牧區、零星島嶼、散居農家、偏遠地質公園、對供電安全要求極高的
軍事基地等。
圖1為本實用新型的工藝流程示意圖；圖2為本實用新型的太陽能電池冷卻及有機介質預熱器結構示意圖。圖中各標號為:1:生物質燃燒爐、2:蒸發器、3:傳熱流體循環泵、4:傳熱流體及排煙換熱器、5:透平1、6:發電機1、7:回熱器1、8:冷凝及蒸發器、9:儲液罐1、10:加壓泵1、11:冷凝器、12:太陽能電池冷卻及有機介質預熱器、13:空氣預熱器、14:供熱水預熱器、15:排煙風機、16:回水泵、17:冷卻塔、18:冷卻水泵、19:聚光設備、20:波紋翅片、21:太陽能電池、22:冷卻槽形流道、23:透平I1、24:發電機I1、25:回熱器I1、26:儲液罐I1、27:加壓泵II。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例，對本實用新型作進一步說明，但本實用新型的內容并不限于所述范圍。實施例1:在某地區建一光伏與有機郎肯循環稱合熱電聯供系統，聚光光伏發電功率為500kw，高溫級有機朗肯循環回路中發電機輸出功率為300kW，低溫級有機朗肯循環回路中發電機的輸出功率為200 kw，總發電功率IOOOkW,供應45飛(TC衛生熱水75m3。本光伏與有機郎肯循環耦合熱電聯供系統，包括傳熱流體循環回路、生物質燃燒爐排煙回路、供熱熱水回路、冷卻回路；生物質燃燒爐排煙回路一端與傳熱流體循環回路連接，另一端與供熱熱水回路連接，其特征在于:還包括高溫級有機朗肯循環回路、低溫級有機郎肯循環回路、太陽能電池冷卻及有機介質預熱器12，且高溫級有機朗肯循環回路通過傳熱流體循環回路中設有的蒸發器2與傳熱流體循環回路連接，而低溫級有機郎肯循環回路通過太陽能電池冷卻及有機介質預熱器12與高溫級有機朗肯循環回路連接，冷卻回路與低溫級有機郎肯循環回路連接。本系統傳熱流體循環回路傳熱流體采用穩定性極好的首諾合成導熱油，經加熱后的熱油溫度為320°C，傳熱流體循環回路包括生物質燃燒爐1、蒸發器2、傳熱流體循環泵3、傳熱流體及排煙換熱器4及管路，生物質燃燒爐I通過管道與蒸發器2連接，傳熱流體循環泵3通過管道連接于蒸發器2出口與傳熱流體及排煙換熱器4之間，傳熱流體及排煙換熱器4與生物質燃燒爐I通過管路連接。本系統高溫級有機朗肯循環回路的工質采用R123，膨脹機采用螺桿式膨脹機，膨脹機進口工質壓力為2.5MPa，溫度160°C，冷凝溫度為80°C，換熱器均采用板式換熱器，工質加壓泵采用高壓屏蔽泵，高溫級有機朗肯循環回路包括透平I 5、發電機I 6、回熱器
I7、冷凝及蒸發器8、儲液罐I 9、加壓泵I 10及管路；透平I 5—端通過管路與傳熱流體循環回路中的蒸發器2連接，另一端與發電機I 6連接，回熱器I 7—端通過管路、透平I 5與蒸發器2連接，另一端通過管路與冷凝及蒸發器8連接，冷凝及蒸發器8與儲液罐I 9連接，加壓泵I 10—端與儲液罐I 9連接，另一端通過回熱器I 7與蒸發器2連接。本系統低溫級有機郎肯循環回路的工質采用R134a，膨脹機采用螺桿式膨脹機，膨脹機進口工質壓力為2.6MPa，溫度80°C，冷凝溫度為35°C，蒸發器、冷凝器、回熱器均采用板式換熱器，工質加壓泵采用高壓屏蔽泵，低溫級有機郎肯循環回路包括透平II 23、發電機II 24、回熱器II 25、儲液罐II 26、加壓泵II 27、冷凝器11、太陽能電池冷卻及有機介質預熱器12及管路；透平II 23與發電機II 24連接，低溫級有機郎肯循環回路中的透平II 23通過管路與高溫級有機朗肯循環回路中的冷凝及蒸發器8連接，回熱器II 25 一端通過管路、透平II 23與高溫級有機朗肯循環回路中的冷凝及蒸發器8連接，另一端通過管路與冷凝器11連接，儲液罐II 26通過管路與冷凝器11連接，加壓泵II 27 一端與儲液罐II 26連接，另一端通過回熱器II 25、太陽能電池冷卻及有機介質預熱器12與高溫級有機朗肯循環回路中的冷凝及蒸發器8連接。本系統生物質燃燒爐排煙回路的燃燒物采用玉米秸桿，發電時間按每年6000小時計，一年需要玉米秸桿2030噸，生物質燃燒爐排煙回路包括空氣預熱器13、供熱水預熱器14、排煙風機15 ;空氣預熱器13 —端與傳熱流體循環回路中的傳熱流體及排煙換熱器4連接，另一端與供熱 水預熱器14連接，排煙風機15與供熱水預熱器14連接；供熱熱水回路包括回水泵16及用戶，回水泵16通過生物質燃燒爐排煙回路中的供熱水預熱器14與用戶連接；冷卻水回路包括冷卻塔17、冷卻水泵18 ;冷卻水泵18通過低溫級有機郎肯循環回路中的冷凝器11與冷卻塔17連接。本系統太陽能電池冷卻及有機介質預熱器12的聚光設備19采用菲涅爾透鏡，太陽能電池21的電池板此阿勇多晶硅太陽能電池板，電池板的發電功率為500kw。本系統供熱熱水回路采用PPR熱水管，冷卻回路的冷卻水循環流量為800m3/h，生物質燃燒爐排煙回路的管道用2mm熱軋鋼板焊接而成。本系統傳熱流體循環回路與高溫級有機郎肯循環回路之間采用直接接觸式換熱，實施例2:本光伏與有機郎肯循環稱合熱電聯供系統與實施例1相同，所米用的生物質燃燒爐I內的燃燒物為生物柴油、生物質氣化可燃氣、燃料柴油、重油、甲醇、乙醇、甲烷、天然氣、煤氣、二甲醚中的任一種或幾種的任意混合物。實施例3:本光伏與有機郎肯循環稱合熱電聯供系統與實施例1相同，所米用高溫級有機朗肯循環回路中的循環工質為R245fa、甲苯、丁烷、異丁烷、戊烷、異戊烷、環戊烷、庚燒、R113、R11、環己燒、本、鄰二甲本、乙基本、6甲基2娃氧燒、8甲基3娃氧燒、10甲基4娃氧烷、12甲基5硅氧烷中的任一種或幾種的任意混合物。實施例4:本光伏與有機郎肯循環稱合熱電聯供系統與實施例1相同，所米用低溫級有機郎肯循環回路中的循環工質為R143a、R290、氨、CO2, R22、R125、R236fa、R236ea、R134a與R227ea中的任一種或幾種的任意混合物。
權利要求1.一種光伏與有機郎肯循環耦合熱電聯供系統，包括傳熱流體循環回路、生物質燃燒爐排煙回路、供熱熱水回路、冷卻回路；生物質燃燒爐排煙回路一端與傳熱流體循環回路連接，另一端與供熱熱水回路連接，其特征在于:還包括高溫級有機朗肯循環回路、低溫級有機郎肯循環回路、太陽能電池冷卻及有機介質預熱器(12)，且高溫級有機朗肯循環回路通過傳熱流體循環回路中設有的蒸發器(2)與傳熱流體循環回路連接，而低溫級有機郎肯循環回路通過太陽能電池冷卻及有機介質預熱器(12)與高溫級有機朗肯循環回路連接，冷卻回路與低溫級有機郎肯循環回路連接。
2.根據權利要求1所述的光伏與有機郎肯循環耦合熱電聯供系統，其特征在于:所述傳熱流體循環回路包括生物質燃燒爐(I)、蒸發器(2)、傳熱流體循環泵(3)、傳熱流體及排煙換熱器(4)及管路，生物質燃燒爐(I)通過管道與蒸發器(2)連接，傳熱流體循環泵(3)通過管道連接于蒸發器(2)出口與傳熱流體及排煙換熱器(4)之間，傳熱流體及排煙換熱器(4 )與生物質燃燒爐(I)通過管路連接。
3.根據權利要求1所述的光伏與有機郎肯循環耦合熱電聯供系統，其特征在于:所述高溫級有機朗肯循環回路包括透平I (5)、發電機I (6)、回熱器I (7)、冷凝及蒸發器(8)、儲液罐I (9)、加壓泵I (10)及管路；透平I (5)—端通過管路與傳熱流體循環回路中的蒸發器(2)連接，另一端與發電機I (6)連接，回熱器I (7)—端通過管路、透平I (5)與蒸發器(2)連接，另一端通過管路與冷凝及蒸發器(8)連接，冷凝及蒸發器(8)與儲液罐I (9)連接，加壓泵I (10)—端與儲液罐I (9)連接，另一端通過回熱器I (7)與蒸發器(2)連接。
4.根據權利要求1所述的光伏與有機郎肯循環耦合熱電聯供系統，其特征在于:所述低溫級有機郎肯循環回路包括透平II (23)、發電機II (24)、回熱器II (25)、儲液罐II (26)、加壓泵II (27)、冷凝器(11)、太陽能電池冷卻及有機介質預熱器(12)及管路；透平11(23)與發電機II (24)連接，低溫級有機郎肯循環回路中的透平II (23)通過管路與高溫級有機朗肯循環回路中的冷凝及蒸發器(8)連接，回熱器II (25)—端通過管路、透平II (23)與高溫級有機朗肯循環回路中的冷凝及蒸發器(8)連接，另一端通過管路與冷凝器(11)連接，儲液罐II (26)通過管路與冷凝器(11)連接，加壓泵II (27) 一端與儲液罐II (26)連接，另一端通過回熱器II (25)、太陽能電池冷卻及有機介質預熱器(12)與高溫級有機朗肯循環回路中的冷凝及蒸發器(8)連接。
5.根據權利要求1所述的光伏與有機郎肯循環耦合熱電聯供系統，其特征在于:所述生物質燃燒爐排煙回路包括空氣預熱器(13)、供熱水預熱器(14)、排煙風機(15);空氣預熱器(13) —端與傳熱流體循環回路中的傳熱流體及排煙換熱器(4)連接，另一端與供熱水預熱器(14)連接，排煙風機(15)與供熱水預熱器(14)連接；供熱熱水回路包括回水泵(16)及用戶，回水泵(16)通過生物質燃燒爐排煙回路中的供熱水預熱器(14)與用戶連接；冷卻水回路包括冷卻塔(17 )、冷卻水泵(18 );冷卻水泵(18 )通過低溫級有機郎肯循環回路中的冷凝器(11)與冷卻塔(17)連接。
6.根據權利要求1所述的光伏與有機郎肯循環耦合熱電聯供系統，其特征在于:所述太陽能電池冷卻及有機介質預熱器(12)包括聚光設備(19)、波紋翅片(20)、太陽能電池(21)、冷卻槽形流道(22 );波紋翅片(20 )安裝在冷卻槽形流道(22 )內，太陽能電池(21)安裝在冷卻槽形流道(22)上， 聚光設備(19)與太陽能電池(21)連接。
7.根據權利要求1所述的光伏與有機郎肯循環耦合熱電聯供系統，其特征在于:所述傳熱流體循環回路 與高溫級有機郎肯循環回路之間采用直接接觸式換熱。
專利摘要本實用新型涉及一種光伏與有機郎肯循環耦合熱電聯供系統，屬于能源與環境技術領域。本實用新型包括傳熱流體循環回路、生物質燃燒爐排煙回路、供熱熱水回路、冷卻回路；還包括高溫級有機朗肯循環回路、低溫級有機郎肯循環回路、太陽能電池冷卻及有機介質預熱器，且高溫與傳熱流體循環回路連接，低溫級有機郎肯循環回路與高溫級有機朗肯循環回路連接，冷卻回路與低溫級有機郎肯循環回路連接。本實用新型采用兩級復疊式有機朗肯循環，可實現對熱量的梯級利用，能大大降低成本，提高能量的利用效率，能提高光伏發電效率，節約材料及成本，便于實現個性化的分布式發電系統。
文檔編號F01K11/02GK203050818SQ20122055680
公開日2013年7月10日 申請日期2012年10月29日 優先權日2012年10月29日
發明者王 華, 葛眾, 王輝濤 申請人:昆明理工大學