太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统 |
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申请号 | CN202410039852.5 | 申请日 | 2024-01-09 | 公开(公告)号 | CN117847840A | 公开(公告)日 | 2024-04-09 |
申请人 | 华能山东发电有限公司; 烟台500供热有限公司; 西安热工研究院有限公司; | 发明人 | 李杰; 王泽广; 贺凯; 杜玉卓; 焦爱明; 邹广仁; 郑剑平; 舒兴杰; 孙风伟; 史耀辉; 康敬德; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种 太阳能 低温发电耦合双级压缩式 热 泵 能源 系统,其使用沸点较低的有机工质以降低 朗肯循环 的 温度 范围,通过第二有机工质进行二次放热,通过第三有机工质进行二次提热,使得 冷凝器 在温度较低的环境下能够进行工作。 | ||||||
权利要求 | 1.一种太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统,其特征在于,包括: |
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说明书全文 | 太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统技术领域[0001] 本发明涉及清洁能源技术领域,尤其涉及一种太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统。 背景技术[0002] 太阳能热发电是目前能源行业清洁化的重要技术发展方向,能够与电网系统良好契合,上网电量不会产生波动较大的冲击压力,且具备调峰调频的功能。光热发电全产业链 几乎无污染,运行效率高、出力稳定、电能质量高、易规模化,能够与传统火电良好结合,具 有独特的优势。 发明内容[0005] 本发明实施例的太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统,包括:太阳能集热器、凝汽器、第一有机工质、换热器、蒸发器、冷凝器、第三有机工质。所述太阳能集热器用 于吸收太阳光并产生热能;所述凝汽器的工质入口与所述太阳能集热器的出口相连,所述 凝汽器的工质出口与所述太阳能集热器的入口相连;所述第一有机工质在所述太阳能集热 器、所述凝汽器、所述凝汽器的工质入口与所述太阳能集热器的出口之间、所述凝汽器的工 质出口与所述太阳能集热器的入口之间循环,所述第一有机工质在所述太阳能集热器内吸 热,所述第一有机工质在所述凝汽器内散热;所述换热器工质入口与所述凝汽器的换热出 口相连,所述换热器的工质出口与所述蒸发器的工质入口相连,所述蒸发器的工质出口与 所述凝汽器的换热入口相连,所述换热器的换热入口与所述蒸发器的换热入口并联,所述 换热器的换热出口与所述蒸发器的换热出口并联;第二有机工质,所述第二有机工质在所 述换热器、所述蒸发器、所述凝汽器、所述换热器工质入口与所述凝汽器的换热出口之间、 所述换热器的工质出口与所述蒸发器的工质入口之间、所述蒸发器的工质出口与所述凝汽 器的换热入口之间循环,所述第二有机工质在所述凝汽器内吸热,所述第二有机工质在所 述换热器和所述蒸发器内散热;所述换热器和所述蒸发器中的每一者的换热入口均与所述 冷凝器的工质出口相连,所述换热器和所述蒸发器中的每一者的换热入口均与所述冷凝器 的工质入口相连,所述冷凝器用于与热水网进行换热;所述第三有机工质在所述冷凝器、换 热器、蒸发器、所述换热器和所述蒸发器中的每一者的换热入口与所述冷凝器的工质出口 之间,所述换热器和所述蒸发器中的每一者的换热入口与所述冷凝器的工质入口之间循 环,所述第三有机工质在所述换热器和所述蒸发器内吸热,所述第三有机工质在所述冷凝 器内散热。 [0006] 本发明实施例的太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统,使用沸点较低的有机工质以降低朗肯循环的温度范围,通过第二有机工质进行二次放热,通过第三有机工 质进行二次提热,使得冷凝器在温度较低的环境下能够进行工作。 [0007] 在一些实施例中,所述太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统还包括第一膨胀阀、第二膨胀阀和经济器;所述第一膨胀阀的入口与所述冷凝器的工质出口相连,所述 第一膨胀阀的出口与所述经济器的第一入口相连,所述经济器的第一出口与所述换热器的 换热入口相连;所述经济器的第二入口与所述冷凝器的工质出口相连,所述经济器的第二 出口与所述第二膨胀阀的入口相连,所述第二膨胀阀的出口与所述蒸发器的换热入口相 连;所述第一膨胀阀和所述第二膨胀阀对所述第三有机工质进行降压膨胀蒸发降温,由所 述第一入口进入所述经济器的第三有机工质在所述经济器内吸热,由所述第二入口进入所 述经济器的第三有机工质进行散热。 [0008] 在一些实施例中,所述太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统还包括低压级压缩机和高压级压缩机,所述低压级压缩机的入口与所述蒸发器的换热出口相连,所述 低压级压缩机的出口与所述高压级压缩机的入口相连,所述换热器的换热出口与所述高压 级压缩机的入口相连,所述高压级压缩机的出口与所述冷凝器的工质入口相连;所述低压 级压缩机和所述高压级压缩机对所述第三有机工质进行压缩。 [0009] 在一些实施例中,所述太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统还包括透平和发电机,所述透平与所述发电机相连,所述透平的入口与所述太阳能集热器的出口相连, 所述透平的出口与所述凝汽器的工质入口相连;所述第一有机工质在所述透平内散热,所 述透平吸热并驱动所述发电机发电。 [0010] 在一些实施例中,所述太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统还包括缓冲罐,所述缓冲罐的入口与所述凝汽器的工质出口相连,所述缓冲罐的出口与所述太阳能集 热器的入口相连,所述缓冲罐储存所述第一有机工质以便平衡循环流量。 [0011] 在一些实施例中,所述太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统还包括第一循环泵,所述第一循环泵的入口与所述缓冲罐的出口相连,所述第一循环泵的出口与所述 太阳能集热器的入口相连,所述第一循环泵驱动所述第一有机工质进行循环。 [0012] 在一些实施例中,所述太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统还包括第二循环泵,所述第二循环泵的入口与所述蒸发器的工质出口相连,所述第二循环泵的出口与 所述凝汽器的换热入口相连,第二循环泵驱动所述第二有机工质进行循环。 [0013] 在一些实施例中,所述第一有机工质、第二有机工质和第三有机工质为R22和/或R245fa。 [0014] 在一些实施例中,所述第一有机工质、所述第二有机工质和所述第三有机工质相同。 [0016] 图1是本发明实施例的太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统的示意图。 [0017] 附图标记:1、太阳能集热器;2、透平;3、发电机;4、凝汽器;5、缓冲罐;6、第一循环泵;7、第二循环泵;8、蒸发器;9、低压级压缩机;10、高压级压缩机;11、冷凝器;12、第一膨胀阀;13、换热器;14、经济器;15、第二膨胀阀。 具体实施方式[0018] 下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。 [0019] 下面结合附图描述本发明实施例的太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统。 [0020] 本发明实施例的太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统,如图1所示,包括:太阳能集热器1、凝汽器4、第一有机工质、换热器13、蒸发器8、第二有机工质、冷凝器11、 第三有机工质。 [0021] 太阳能集热器1用于吸收太阳光并产生热能;凝汽器4的工质入口与太阳能集热器1的出口相连,凝汽器4的工质出口与太阳能集热器1的入口相连;第一有机工质在太阳能集 热器1、凝汽器4、凝汽器4的工质入口与太阳能集热器1的出口之间、凝汽器4的工质出口与 太阳能集热器1的入口之间循环,第一有机工质在太阳能集热器1内吸热,第一有机工质在 凝汽器4内散热。 [0022] 换热器13工质入口与凝汽器4的换热出口相连,换热器13的工质出口与蒸发器8的工质入口相连,蒸发器8的工质出口与凝汽器4的换热入口相连,换热器13的换热入口与蒸 发器8的换热入口并联,换热器13的换热出口与蒸发器8的换热出口并联;第二有机工质在 换热器13、蒸发器8、凝汽器4、换热器13工质入口与凝汽器4的换热出口之间、换热器13的工 质出口与蒸发器8的工质入口之间、蒸发器8的工质出口与凝汽器4的换热入口之间循环,第 二有机工质在凝汽器4内吸热,第二有机工质在换热器13和蒸发器8内散热。 [0023] 换热器13和蒸发器8中的每一者的换热入口均与冷凝器11的工质出口相连,换热器13和蒸发器8中的每一者的换热入口均与冷凝器11的工质入口相连,冷凝器11用于与热 水网进行换热;第三有机工质在冷凝器11、换热器13、蒸发器8、换热器13和蒸发器8中的每 一者的换热入口与冷凝器11的工质出口之间,换热器13和蒸发器8中的每一者的换热入口 与冷凝器11的工质入口之间循环,第三有机工质在换热器13和蒸发器8内吸热,第三有机工 质在冷凝器11内散热。 [0024] 第一有机工质经太阳能集热器1加热后进入凝汽器4内进行散热。第二有机工质经凝汽器4加热后进入换热器13和蒸发器8内进行二级散热。第三有机工质经过换热器13和蒸 发器8进行二级加热后进入冷凝器11中进行散热,冷凝器11与热水网进行换热。 [0025] 第一有机工质、第二有机工质和第三有机工质均为沸点较低的有机工质,降低朗肯循环的温度范围。第二有机工质吸收第一有机工质内的热量后进行二级降温,以确保最 大程度上地将第二有机工质中的热量释放,第三有机工质经两次二级升温以确保最大程度 上地吸收第二有机工质中的热量,确保在温度较低的环境下使得冷凝器11能够进行工作。 [0026] 本发明实施例的太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统,使用沸点较低的有机工质以降低朗肯循环的温度范围,通过第二有机工质进行二次放热,通过第三有机工 质进行二次提热,使得冷凝器在温度较低的环境下能够进行工作。 [0027] 在一些实施例中,如图1所示,太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统还包括第一膨胀阀12、第二膨胀阀15和经济器14。 [0028] 第一膨胀阀12的入口与冷凝器11的工质出口相连,第一膨胀阀12的出口与经济器14的第一入口相连,经济器14的第一出口与换热器13的换热入口相连;经济器14的第二入 口与冷凝器11的工质出口相连,经济器14的第二出口与第二膨胀阀15的入口相连,第二膨 胀阀15的出口与蒸发器8的换热入口相连。 [0029] 第一膨胀阀12和第二膨胀阀15对第三有机工质进行降压膨胀蒸发降温,由第一入口进入经济器14的第三有机工质在经济器14内吸热,由第二入口进入经济器14的第三有机 工质进行散热。第一膨胀阀12和第二膨胀阀15对第三有机工质进行降压膨胀蒸发降温的过 程为可逆绝热的过程,即等熵膨胀的过程。 [0030] 第三有机工质在冷凝器11、换热器13、蒸发器8、第一膨胀阀12、第二膨胀阀15、经济器14、第一膨胀阀12的入口与冷凝器11的工质出口之间、第一膨胀阀12的出口与经济器 14的第一入口之间、经济器14的第一出口与换热器13的换热入口之间、经济器14的第二入 口与冷凝器11的工质出口之间、经济器14的第二出口与第二膨胀阀15的入口之间、第二膨 胀阀15的出口与蒸发器8的换热入口之间、换热器13和蒸发器8中的每一者的换热入口与冷 凝器11的工质入口之间循环。 [0031] 在经济器14中,经过第一膨胀阀12降压膨胀蒸发降温后的第三有机工质与未经过降压膨胀蒸发降温的第三有机工质进行换热,经过第一膨胀阀12降压膨胀蒸发降温后的第 三有机工质进行吸热,吸热后的第三有机工质进入换热器13中进行换热。未经过降压膨胀 蒸发降温的第三有机工质换热后处于过冷状态,未经过降压膨胀蒸发降温的第三有机工质 换热后进入第二膨胀阀15中进行降压膨胀蒸发降温,然后进入蒸发器8中进行吸热。换热器 13的换热出口排出的第三有机工质和蒸发器8的换热出口排出的第三有机工质进行混合后 进入冷凝器11中散热。 [0032] 第三有机工质在第一膨胀阀12内进行降压膨胀蒸发降温时,第三有机工质发生膨胀对外做功,使得内能减少,进而使得温度降低,低温的第三有机工质与未经降压膨胀蒸发 降温的第三有机工质在经济器14中进行换热,在经济器14的作用下,未经降压膨胀蒸发降 温的第三有机工质处于过冷状态,也就是说,经过降压膨胀蒸发降温的第三有机工质最大 程度地吸收了未经降压膨胀蒸发降温的第三有机工质的温度,使得未经降压膨胀蒸发降温 的第三有机工质能够在蒸发器8中吸收更多热量,提高换热效率,提高制热能效比,并使得 冷凝器在温度较低的环境下能够进行工作。 [0033] 此外,膨胀后的第三有机工质经过等熵压缩能进一步地提高热量,进一步地增加换热效率、提高制热能效比。 [0034] 在一些实施例中,如图1所示,太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统还包括低压级压缩机9和高压级压缩机10,低压级压缩机9的入口与蒸发器8的换热出口相连,低 压级压缩机9的出口与高压级压缩机10的入口相连,换热器13的换热出口与高压级压缩机 10的入口相连,高压级压缩机10的出口与冷凝器11的工质入口相连,低压级压缩机9和高压 级压缩机10对第三有机工质进行压缩。 [0035] 第三有机工质在冷凝器11、换热器13、蒸发器8、第一膨胀阀12、第二膨胀阀15、经济器14、低压级压缩机9、高压级压缩机10、第一膨胀阀12的入口与冷凝器11的工质出口之 间、第一膨胀阀12的出口与经济器14的第一入口之间、经济器14的第一出口与换热器13的 换热入口之间、经济器14的第二入口与冷凝器11的工质出口之间、经济器14的第二出口与 第二膨胀阀15的入口之间、第二膨胀阀15的出口与蒸发器8的换热入口之间、低压级压缩机 9的入口与蒸发器8的换热出口之间,低压级压缩机9的出口与高压级压缩机10的入口之间, 换热器13的换热出口与高压级压缩机10的入口之间,高压级压缩机10的出口与冷凝器11的 工质入口之间循环。 [0036] 由于进入蒸发器8中的第三有机工质温度较低,因此经过蒸发器8的换热出口排出的第三有机工质的温度可能会低于换热器13的换热出口排出的第三有机工质的温度,通过 低压级压缩机9对蒸发器8的换热出口排出的第三有机工质进行初步压缩,提高蒸发器8的 换热出口排出的第三有机工质的温度,经过初步压缩的第三有机工质和换热器13的换热出 口排出的第三有机工质通过高压级压缩机10进行压缩,提高第三有机工质的温度,进一步 地增加换热效率、提高制热能效比。 [0037] 在一些实施例中,如图1所示,太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统还包括透平2和发电机3,透平2与发电机3相连,透平2的入口与太阳能集热器1的出口相连,透平 2的出口与凝汽器4的工质入口相连,第一有机工质在透平2内散热,透平2吸热并驱动发电 机3发电。 [0038] 第一有机工质在太阳能集热器1、凝汽器4、透平2、透平2的入口与太阳能集热器1的出口之间、透平2的出口与凝汽器4的工质入口之间、凝汽器4的工质出口与太阳能集热器 1的入口之间循环。 [0039] 第一有机工质在太阳能集热器1中被加热为过热状态,从太阳能集热器1的出口排出的第一有机工质进入透平2中膨胀做功,即从太阳能集热器1的出口排出的第一有机工质 将部分内能转化未透平2的机械能,透平2与发电机3向连接以驱动发电机3发电。 [0040] 在一些实施例中,太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统还包括缓冲罐5,缓冲罐5的入口与凝汽器4的工质出口相连,缓冲罐5的出口与太阳能集热器1的入口相连, 缓冲罐5储存第一有机工质以便平衡循环流量。 [0041] 第一有机工质在太阳能集热器1、凝汽器4、透平2、缓冲罐5、透平2的入口与太阳能集热器1的出口之间、透平2的出口与凝汽器4的工质入口之间、凝汽器4的工质出口与缓冲 罐5的入口之间、缓冲罐5的出口与太阳能集热器1的入口之间循环。 [0042] 缓冲罐5能够储存部分第一有机工质,当系统中流量过低时,缓冲罐5中储存的第一有机工质能够释放以平衡流量,当系统中流量过高时,缓冲罐5中能够储存多余的第一有 机工质以平衡流量。 [0043] 在一些实施例中,太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统还包括第一循环泵6,第一循环泵6的入口与缓冲罐5的出口相连,第一循环泵6的出口与太阳能集热器1的入 口相连,第一循环泵6驱动第一有机工质进行循环。 [0044] 具体地,第一循环泵6驱动第一有机工质在太阳能集热器1、凝汽器4、透平2、缓冲罐5、透平2的入口与太阳能集热器1的出口之间、透平2的出口与凝汽器4的工质入口之间、 凝汽器4的工质出口与缓冲罐5的入口之间、缓冲罐5的出口与太阳能集热器1的入口之间循 环。 [0045] 在一些实施例中,太阳能低温发电耦合双级压缩式热泵能源系统还包括第二循环泵7,第二循环泵7的入口与蒸发器8的工质出口相连,第二循环泵7的出口与凝汽器4的换热 入口相连,第二循环泵7驱动第二有机工质循环。 [0046] 具体地,第二循环泵7驱动第二有机工质在换热器13、蒸发器8、凝汽器4、换热器13工质入口与凝汽器4的换热出口之间、换热器13的工质出口与蒸发器8的工质入口之间、蒸 发器8的工质出口与凝汽器4的换热入口之间循环。 [0047] 在一些实施例中,第一有机工质、第二有机工质和第三有机工质为R22和/或R245fa,能够降低朗肯循环的温度范围。 [0048] R22为氯二氟甲烷,沸点为‑40.8摄氏度。 [0049] R245fa为五氟丙烷,沸点为15.3摄氏度。 [0051] 可选地,第一有机工质可以为R22或R245;第二有机工质可以为R22或R245;第三有机工质可以为R22或R245,以降低朗肯循环的温度范围。 [0052] 在一些实施例中,第一有机工质、第二有机工质和第三有机工质相同。 [0053] 可选地,第一有机工质、第二有机工质和第三有机工质均为R22,或第一有机工质、第二有机工质和第三有机工质均为R245以便于对系统进行维护时快速确定第一有机工质、 第二有机工质和第三有机工质的种类。 [0054] 在一些实施例中,第一有机工质为R22,第二有机工质和第三有机工质为R245fa。第一有机工质的沸点低于第二有机工质和第三有机工质的沸点,使得第一有机工质能够吸 收更多的热量以在透平2和凝汽器4内进行散热,第二有机工质和第三有机工质对第一有机 工质在凝汽器4内的热量进行回收,因此第二有机工质和第三有机工质的沸点低于第一有 机工质的沸点,提高第二有机工质和第三有机工质的沸点利用率。 [0055] 在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。 [0056] 此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者 隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个,三 个等,除非另有明确具体的限定。 [0057] 在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接或彼此可通讯;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以 是两个元件内部的相连或两个元件的相互作用关系,除非另有明确的限定。对于本领域的 普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0058] 在本发明中,除非另有明确的规定和限定,第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触,或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且,第一特征在 第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方,或仅仅表示 第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第 一特征在第二特征正下方或斜下方,或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。 [0059] 在本发明中,术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实 施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示 例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书 中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。 |