一种基于相变材料换热的太阳能热发电系统的制作方法

本发明属于太阳能发电领域，尤其是一种基于相变材料换热的太阳能热发电系统。

背景技术：

由于化石燃料的诸多问题导致世界各个国家都在推进新能源的研究和发展。太阳能在众多可再生资源中具有总量大，分布广泛，清洁干净等特点，因而受到世界各国的关注。

传统的太阳能光热发电的方式通常为采用水为工质的朗肯循环发电，由于水的自身物性导致了所需的太阳能热源为高温热源，因此太阳能的集热设备必须采用大面积、高聚焦比、复杂跟踪的聚焦集热方式，这就导致了整个系统成本增加，操作繁琐，维护复杂。有机朗肯循环发电技术是一种有效的低温发电技术，它使用低沸点的有机工质代替水，可有效利用太阳能中低温热源发电。

虽然太阳能有机朗肯循环受到广大研究者的关注，但许多实质性的问题没有被解决，比如有机工质在进入膨胀机时依然可能存在液滴，损坏膨胀机的运行。太阳能辐射不稳定，以及有机朗肯循环蒸发器部分不可逆损失大等等。

技术实现要素：

本发明根据现有技术中存在的问题，提出了一种基于相变材料换热的太阳能热发电系统，本发明的采用两级蒸发、pcm储热器和pcm储冷器，有效保证了系统的稳定运行，减少了系统的不可逆损失。

本发明所采用的技术方案如下：

一种基于相变材料换热的太阳能热发电系统，包括换热流体循环系统、orc子循环系统和制冷循环系统；

换热流体循环系统包括太阳能集热器和蒸发器，太阳能集热器用于为orc子循环系统提供热源；换热流体循环系统通过蒸发器与orc子循环系统实现热耦合；

orc子循环系统包括pcm储热器、膨胀机、发电机、回热器和pcm储冷器；

制冷循环系统制冷机和泵b，制冷机和泵b通过管路连接形成循环回路，且制冷循环系统通过pcm储冷器与orc子循环系统实现冷耦合；

进一步，所述pcm储热器为圆柱形储罐，内有设有y型管道，y型管道上支一条为蛇形管，另一条为上直管，蛇形管的上端管口连接蒸发器出口管路；上直管的上端管口连接膨胀机的进口管路；y型管道下支为下直管，下直管的下出口连接蒸发器和回热器之间的管道；当循环工质未被加热到饱和蒸汽状态时，从蒸发器a2出口的液滴工质可以汇集在pcm储热器里，pcm储热器4保证了进入膨胀机的工质全为蒸汽状态，防止了膨胀机的机械损伤。

进一步，所述膨胀机的蒸汽出口连接回热器的入口，回热器的出口管路连接pcm储冷器的入口，pcm储冷器出口连接回热器另一入口，回热器的另一出口与pcm储热器的下直管汇流后连接泵a入口，泵a出口管路连接蒸发器的入口，蒸发器的出口连接pcm储热器蛇形管的上端管口，形成一个循环。

进一步，在pcm储热器的圆柱形储罐内紧密填充相变材料；

进一步，所述相变材料采用盐水合物，其熔点为117℃，潜热为160kj/kg。

进一步，所述蒸发器设有2个，分别是蒸发器a和蒸发器b；蒸发器a为有机工质液态区蒸发器，蒸发器b为有机工质两相区蒸发器，设置两级蒸发器可减少换热流体和有机工质传热的不可逆性。

进一步，所述pcm储冷器为圆柱形储罐，内有两条相对独立的管道，一条为直管，另外一条为蛇形管，其中，直管的两端分别连接制冷循环的泵b(10)出口管路和制冷机的入口管路，蛇形管的两段分别连接orc子循环中回热器(7)的一个出口管路和回热器(7)的另一入口管路。

进一步，所述pcm储冷器内填充有相变材料，所述相变材料为十六烷(c16h31)，其熔点为16.7℃，潜热为236.88kj/kg。

本发明的有益效果：

1、该系统采用双极蒸发，减小了换热流体与有机工质传热的不可逆性。

2、在传统太阳能发电系统的基础上增加了pcm储热器和pcm储冷器，根据外界条件调节系统运行，极大地保证了系统的稳定运行，对能源进行更加充分地利用。

3、当有机工质未被蒸发器完全加热到蒸汽状态时，部分液体工质可以进入pcm储热器，有效防止对膨胀机运行的损伤。

4、用pcm储冷器与制冷剂代替冷凝器，冷水塔等有效节省了占地面积，解决了系统的放置问题，减少了生产成本。

附图说明

图1是本发明基于相变材料换热的太阳能低温热发电系统框图；

图2是pcm储热器的结构剖视图；

图3是pcm储冷器的结构剖视图；

图中，1、太阳能集热器，2、蒸发器a，3、蒸发器b，4、pcm储热器，5、膨胀机，6、发电机，7、回热器，8、pcm储冷器，9、泵a，10.泵b，12、泵c，11、制冷机。

具体实施方式

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

如图1所示的基于相变材料换热的太阳能热发电系统，包括换热流体循环系统、orc子循环系统和制冷循环系统；换热流体循环系统与orc子循环系统之间通过蒸发器实现热耦合，orc子循环系统和制冷循环系统之间通过pcm储冷器8实现冷耦合。

具体的，换热流体循环系统包括通过管路连接的太阳能集热器1、蒸发器a2、蒸发器b3和泵c12，且换热流体循环系统中的循环工质是水，循环工质在泵c12的作用下形成换热流体循环回路。在本实施例中，太阳能集热器1可以选用为低聚比(<3)的复合抛物面集热器，该集热器无须自动跟踪太阳轨迹，可以模块安装，易于使用维护。

orc(有机朗肯循环)子循环系统包括pcm储热器4、膨胀机5、发电机6、回热器7、pcm储冷器8和泵a9；其中，pcm储热器4(如图2)为圆柱形储罐，内有设有y型管道，y型管道上支一条为蛇形管，另一条为上直管，蛇形管的上端管口连接蒸发器a2出口管路；上直管的上端管口连接膨胀机5的进口管路；y型管道下支为下直管，下直管的下出口连接蒸发器b3和回热器7之间的管道，且在该管道上设有阀门v2；在pcm储热器的圆柱形储罐内紧密填充相变材料。在本实施例中，pcm储热器4内的相变材料可采用无机相变材料，如盐水合物，其熔点为117℃，潜热为160kj/kg。orc(有机朗肯循环)子循环系统内的工作介质采用制冷剂，通常选择常用的r123,r245fa，r141b，r1234ze等。如图2所示的pcm储热器4结构，由于pcm储热器4内部所设计的y型管道，当太阳能发电系统正常运行时，即阀1开，阀2关闭。若从蒸发器2出来的有机工质仍夹杂着部分液滴，由于重力作用，这些液滴可会汇集在pcm储热器4内而不会进入膨胀机。

pcm储热器4的蛇形管为介质入口，且蛇形管连接蒸发器a2；pcm储热器4上直管为介质出口，且连接膨胀机5的蒸汽入口，膨胀机5的蒸汽出口连接回热器7的入口，回热器7的出口管路连接pcm储冷器8的入口，pcm储冷器8的出口再连接回热器7的另一入口，回热器7的另一出口管路与pcm储热器4的下直管汇流后连接泵a9；泵a9与pcm储热器4之间的管路上通过蒸发器a2和蒸发器b3实现orc(有机朗肯循环)子循环系统与换热流体循环系统之间的热交换。在2个介质出口的管路上设置阀门v1和v2，通过调节阀门v1和v2可以实现膨胀机运转发电和膨胀机不运转但pcm储能的两种功能。

制冷循环系统包括制冷机11和泵b10，制冷机11和泵b10通过管路连接形成循环回路，且制冷循环系统的管路通过pcm储冷器8与orc(有机朗肯循环)子循环系统实现冷耦合；其中，pcm储冷器8(如图3)也为圆柱形储罐，内有两条相对独立的管道，一条为直管，另外一条为蛇形管，其中，直管的两端分别连接制冷循环的泵b(10)出口管路和制冷机的入口管路，蛇形管的两段分别连接orc子循环中回热器(7)的一个出口管路和回热器(7)的另一入口管路。

pcm储冷器8的相变材料为十六烷(c16h31)，其熔点为16.7℃，潜热为236.88kj/kg。制冷循环系统内的工质也为制冷剂，通常有r32和r410a。本发明中用pcm储冷器8代替冷凝器，利用相变材料冷却气态制冷剂。当pcm储冷器8中的相变材料释放的冷量低于所要求的值时，制冷机开启，泵10运转，使制冷机对相变材料补充能量。

为了更清楚的解释本申请所保护的技术方案，以下结合外界条件和发电状况，对太阳能热发电系统的三种情况进行讨论：

实施例1，当太阳能辐射强烈且需要发电时，打开阀门v1，阀门v2；此时，泵c12工作，将循环工质水输入太阳能集热器1，在太阳能的作用下获得热水，热水分别经过两层蒸发器a2和蒸发器b3后，为orc(有机朗肯循环)子循环系统提供热量，orc(有机朗肯循环)子循环系统中的制冷剂工质经过两级蒸发器换热后进入pcm储热器4，在pcm储热器4中将多余的热量传给相变材料，同时未被蒸发的制冷剂液滴落入储热器底层。待制冷剂工质达到适宜的热值后进入膨胀机5做功，膨胀机5带动发电机6发电。从膨胀机出来的制冷剂乏汽进入回热器7，将多余热量用于预热pcm储冷器8换热后的液体制冷剂。预热后的液态制冷剂与从储热罐底层出来的制冷剂液滴汇集，由泵a9送入蒸发器b3，蒸发器a2,进行下一轮循环。

实施例2，当太阳能辐射弱且需要发电时，pcm储热器中的相变材料释放热量，补充蒸发器换热。制冷剂工质经过蒸发器3，蒸发器2，pcm储热器换热后进入膨胀机做功，同样未被蒸发成气态的制冷剂液滴落入储热器底层。做功后的制冷剂乏汽经过回热器7、pcm储冷器换热，然后与储热罐底层出来的制冷剂液滴汇集，由泵送入蒸发器b3，蒸发器a2,进行下一轮循环。

实施例3，当不需要发电时，阀门1关闭，阀门2打开，蒸发器b3、蒸发器a2和pcm储热器构成一个回路，有机工质在蒸发器b3和a2换热后对相变材料补充能量。有机工质将热量传给相变材料后由泵a9送入蒸发器b3进行下一次循环。

综上所述，本发明所设计的系统易于小型化、模块化，可与分布式供能建筑相结合，不仅可以向用户提供电力，还可以提供采暖、热水等多项功能。与传统太阳能热发电系统相比，本发明所设计的新型太阳能热发电系统以pcm储热器4代替蓄热器维持了系统稳定运行，提高太阳能集热器效率。同时，用pcm储冷器8代替冷凝器，有效减少了系统的占地面积。

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