一种结合变频离心泵的自适应太阳能热电转换系统

1.本发明涉及一种结合变频离心泵的自适应太阳能热电转换系统，属于能源与环境领域。


背景技术：

2.太阳能资源具有储量丰富、零污染、易获取、分布广等优势，在“双碳”目标背景下，充分利用太阳能资源具有重要意义。电能作为当今社会最重要的能源形式之一，与人们生产生活密不可分，因而太阳能到电能的转换尤其受到关注。
3.太阳能光热发电是通过将集热器将光能转换为热能，进而利用热功转换动力循环实现太阳能发电的一类技术，其具有广阔的应用前景。由于太阳能能流密度低，利用聚光型集热技术获取高品位的热能成本极高。虽然非聚光型的平板太阳能集热器经济性好、技术成熟，但其获取的热能品位低，而低品位热能意味着不利于热能的高效转换。就低品位热能而言，常规动力循环难以实现对其的高效转换。
4.针对上述问题，本发明以经济、高效利用太阳能为目的，将平板太阳能集热器、热泵循环技术、有机朗肯循环技术有机结合，通过热泵循环技术对平板太阳能集热器收集的低温热能进行品位提升，同时结合适用于中低温热能转换的有机朗肯循环技术，并考虑太阳能时变性、波动性特点，以及传统技术方案存在的技术不足，将三者深度耦合，引入智能反馈调节系统，以实现太阳能的高效热电转换。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种结合变频离心泵的自适应太阳能热电转换系统，能够实现太阳能到电能的经济、高效转换。
6.解决本发明的技术问题所采用的方案是：一种结合变频离心泵的自适应太阳能热电转换系统，包括冷流体罐(1)、平板太阳能集热器(2)、热流体罐(3)、循环泵(4)、换热器(5)、混合器(6)、压缩机(7)、参数测量仪(8)、加热器(9)、回热器(10)、低压透平(11)、高压透平(12)、冷凝器(13)、储液罐(14)、离心泵(15)、电机(16)、变频器(17)、微电脑处理器(18)；所述冷流体罐(1)的出口与平板太阳能集热器(2)的进口、平板太阳能集热器(2)的出口与热流体罐(3)的进口、热流体罐(3)的出口与循环泵(4)的进口、循环泵(4)的出口与换热器(5)热流体侧的进口、换热器(5)热流体侧的出口与冷流体罐(1)的进口通过管道相连接，以构成太阳能集热循环管路；所述混合器(6)的出口与压缩机(7)的进口、压缩机(7)的出口与加热器(9)热流体侧的进口、加热器(9)热流体侧的出口与回热器(10)的冷流体侧进口、回热器(10)冷流体侧的出口与低压透平(11)的进口、低压透平(11)的出口与换热器(5)冷流体侧的进口、低压透平(11)的抽气出口与混合器(6)的进口、换热器(5)冷流体侧的出口与混合器(6)的进口通过管道相连接，以构成抽气热泵循环管路；所述储液罐(14)的出口与离心泵(15)的进口、离心泵(15)的出口与加热器(9)冷流体侧的进口、加热器(9)冷流体侧的出口与高压透平(12)的进口、高压透平(12)的出口与回热器(10)热流体侧的进口、回
热器(10)热流体侧的出口与冷凝器(13)热流体侧的进口、冷凝器(13)热流体侧的出口与储液罐(14)的进口通过管道相连接，以构成有机朗肯循环管路；所述参数测量仪(8)安装于压缩机(7)的出口侧管路；所述参数测量仪(8)与微电脑处理器(18)、微电脑处理器(18)与变频器(17)、变频器(17)与电机(16)、电机(16)与离心泵(15)相连接，以构成自适应控制回路。
7.优选的，所述有机朗肯循环中离心泵采用单级离心泵、多级离心泵中的一种。
8.优选的，所述太阳能集热循环管路中工作流体采用导热油、水中的一种；所述抽气热泵循环管路中工作流体采用甲苯、r152a、r142b、r22、r123、r134a、r245fa、丙烷、r143a、r32、r23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷、异丁烷纯有机工质或其混合物；所述有机朗肯循环管路中工作流体采用甲苯、r152a、r142b、r22、r123、r134a、r245fa、丙烷、r143a、r32、r23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷、异丁烷纯有机工质或其混合物。
9.区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
10.(1)采用技术成熟、经济性好的平板太阳能集热器，能够实现太阳能的低成本收集；将所述的太阳能集热循环与抽气热泵循环相结合，进一步提高热能品味，从而提升热功转换效率。
11.(2)在热泵循环中，以透平膨胀机替代传统节流阀，结合抽气回热措施，从而能够降低压缩机功耗，同时实现能量的部分回收。
12.(3)耦合微电脑处理模块及变频离心泵技术，通过测量动力循环热源流体流量、温度、压力数值，利用微电脑处理模块自动计算出相应热源流体运行参数下有机朗肯循环最优蒸发压力，进而通过变频器实现对离心泵的运行状态调节，能够实现在太阳辐射波动情况下，系统运行工况自适应调整，从而提升热功转换效率。
13.(4)利用回热器将动力循环与热泵循环深度耦合，能够实现动力循环乏气余热的梯级利用。
附图说明
14.图1是本发明一种结合变频离心泵的自适应太阳能热电转换系统结构示意图；
具体实施方式
15.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.参阅图1，本发明实施例的结合变频离心泵的自适应太阳能热电转换系统包括冷流体罐(1)、平板太阳能集热器(2)、热流体罐(3)、循环泵(4)、换热器(5)、混合器(6)、压缩机(7)、参数测量仪(8)、加热器(9)、回热器(10)、低压透平(11)、高压透平(12)、冷凝器(13)、储液罐(14)、离心泵(15)、电机(16)、变频器(17)、微电脑处理器(18)；
17.冷流体罐(1)的出口与平板太阳能集热器(2)的进口、平板太阳能集热器(2)的出口与热流体罐(3)的进口、热流体罐(3)的出口与循环泵(4)的进口、循环泵(4)的出口与换热器(5)热流体侧的进口、换热器(5)热流体侧的出口与冷流体罐(1)的进口通过管道相连
接，以构成太阳能集热循环管路；
18.混合器(6)的出口与压缩机(7)的进口、压缩机(7)的出口与加热器(9)热流体侧的进口、加热器(9)热流体侧的出口与回热器(10)的冷流体侧进口、回热器(10)冷流体侧的出口与低压透平(11)的进口、低压透平(11)的出口与换热器(5)冷流体侧的进口、低压透平(11)的抽气出口与混合器(6)的进口、换热器(5)冷流体侧的出口与混合器(6)的进口通过管道相连接，以构成抽气热泵循环管路；
19.储液罐(14)的出口与离心泵(15)的进口、离心泵(15)的出口与加热器(9)冷流体侧的进口、加热器(9)冷流体侧的出口与高压透平(12)的进口、高压透平(12)的出口与回热器(10)热流体侧的进口、回热器(10)热流体侧的出口与冷凝器(13)热流体侧的进口、冷凝器(13)热流体侧的出口与储液罐(14)的进口通过管道相连接，以构成有机朗肯循环管路；
20.参数测量仪(8)安装于压缩机(7)的出口侧管路；
21.参数测量仪(8)与微电脑处理器(18)、微电脑处理器(18)与变频器(17)、变频器(17)与电机(16)、电机(16)与离心泵(15)相连接，以构成自适应控制回路。
22.本发明的工作原理是：
23.太阳能集热循环管路如下：低温导热油从冷流体罐(1)出口流出，而后进入平板太阳能集热器(2)在吸热升温，而后经平板太阳能集热器(2)出口流出，进入热流体罐(3)中储存，接着经循环泵(4)加压后，经换热器(5)热流体侧的进口进入换热器(5)进行热量交换，而后流入冷流体罐(1)，完成一次循环。
24.抽气热泵循环管路如下：工质从混合器(6)出口流出，经压缩机(7)加压后，从加热器(9)热流体侧的进口进入加热器(9)中进行热量交换，而后从加热器(9)流出，进入回热器(10)中进行热交换，接着从回热器(10)出口流出，并进入低压透平(11)，一部分工质膨胀做功后进入换热器(5)中进行热交换，换热完成后，进入混合器(6)，另一部分从换热器(5)抽气出口流出，直接进入混合器(6)，完成一次循环。
25.有机朗肯循环管路如下：工质经储液罐(14)的出口流出，经离心泵(15)加压后从加热器(9)冷流体侧的进口流入，在加热器(9)吸热后进入高压透平(12)，接着从高压透平(12)出口流出，进入回热器(10)中进行换热，换热完成后从回热器(10)出口流出，而后经冷凝器(13)热流体侧的进口进入冷凝器，在冷凝器(13)中与冷却水换热，实现冷凝过程，接着从冷凝器(13)热流体侧的出口流出，进入储液罐(14)，完成一次循环。
26.自适应控制回路如下：热泵循环中，作为动力循环热源的工质经压缩机(7)加压后，相应的运行参数(温度、压力、流量)经参数测量仪(8)测量获得，而后这些运行参数经参数测量仪(8)发送至微电脑处理器(18)，在微电脑处理器(18)中以这些运行参数作为输入，结合智能算法快速获得系统运行的最优蒸发压力，并向变频器(17)输出相应控制信号，而后变频器(17)通过电机(16)实现对系统蒸发压力的调控，完成对动力循环的自适应控制。
27.在本实施例中，太阳能集热循环管路中的工质采用导热油和水中的一种；抽气热泵循环管路中工作流体采用甲苯、r152a、r142b、r22、r123、r134a、r245fa、丙烷、r143a、r32、r23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷、异丁烷纯有机工质或其混合物中的一种；有机朗肯循环管路中工作流体采用甲苯、r152a、r142b、r22、r123、r134a、r245fa、丙烷、r143a、r32、r23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷、异丁烷纯有机工质或其混合物中的一种。
28.在本实施例中，离心泵采用单级离心泵、多级离心泵中的一种。
29.为了提高可靠性，循环管路在注入工质之前，对管道进行氮气吹扫和抽真空处理。
30.通过上述方式，本发明实施例的结合变频离心泵的自适应太阳能热电转换系统能够经济、高效的实现从太阳能到电能的转换
31.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明保护范围内。

技术特征：
1.一种结合变频离心泵的自适应太阳能热电转换系统，其特征在于：包括冷流体罐(1)、平板太阳能集热器(2)、热流体罐(3)、循环泵(4)、换热器(5)、混合器(6)、压缩机(7)、参数测量仪(8)、加热器(9)、回热器(10)、低压透平(11)、高压透平(12)、冷凝器(13)、储液罐(14)、离心泵(15)、电机(16)、变频器(17)、微电脑处理器(18)；所述冷流体罐(1)的出口与平板太阳能集热器(2)的进口、平板太阳能集热器(2)的出口与热流体罐(3)的进口、热流体罐(3)的出口与循环泵(4)的进口、循环泵(4)的出口与换热器(5)热流体侧的进口、换热器(5)热流体侧的出口与冷流体罐(1)的进口通过管道相连接，以构成太阳能集热循环管路；所述混合器(6)的出口与压缩机(7)的进口、压缩机(7)的出口与加热器(9)热流体侧的进口、加热器(9)热流体侧的出口与回热器(10)的冷流体侧进口、回热器(10)冷流体侧的出口与低压透平(11)的进口、低压透平(11)的出口与换热器(5)冷流体侧的进口、低压透平(11)的抽气出口与混合器(6)的进口、换热器(5)冷流体侧的出口与混合器(6)的进口通过管道相连接，以构成抽气热泵循环管路；所述储液罐(14)的出口与离心泵(15)的进口、离心泵(15)的出口与加热器(9)冷流体侧的进口、加热器(9)冷流体侧的出口与高压透平(12)的进口、高压透平(12)的出口与回热器(10)热流体侧的进口、回热器(10)热流体侧的出口与冷凝器(13)热流体侧的进口、冷凝器(13)热流体侧的出口与储液罐(14)的进口通过管道相连接，以构成有机朗肯循环管路；所述参数测量仪(8)安装于压缩机(7)的出口侧管路，参数测量仪(8)与微电脑处理器(18)、微电脑处理器(18)与变频器(17)、变频器(17)与电机(16)、电机(16)与离心泵(15)通过线路相连接，以构成自适应控制回路。2.根据权利要求1所述的一种结合变频离心泵的自适应太阳能热电转换系统，其特征在于：所述太阳能集热循环管路中工作流体采用导热油、水中的一种；所述抽气热泵循环管路中工作流体采用甲苯、r152a、r142b、r22、r123、r134a、r245fa、丙烷、r143a、r32、r23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷、异丁烷纯有机工质或其混合物；所述有机朗肯循环管路中工作流体采用甲苯、r152a、r142b、r22、r123、r134a、r245fa、丙烷、r143a、r32、r23、戊烷、异戊烷、正戊烷、正己烷、丁烷、异丁烷纯有机工质或其混合物。

技术总结
一种结合变频离心泵的自适应太阳能热电转换系统，属于能源与环境领域。本发明包括平板太阳能集热器、冷、热流体罐、换热器、混合器、压缩机、加热器、回热器、低压透平、高压透平、变频器、储液罐、冷凝器。它们构成了太阳能集热循环、抽气热泵循环等。本发明能够实现低品位太阳能到电能的高效转换。采用平板太阳能集热器与抽气热泵循环相结合的方式，能够降低成本，提升低品位热能利用率；热泵循环中，以透平膨胀机替代传统节流阀，结合抽气回热措施，能够降低压缩机功耗，同时实现能量的部分回收；本发明能够实现太阳辐射波动情况下，系统运行工况自适应调整；利用回热器将动力循环与热泵循环深度耦合，实现热能的梯级利用。实现热能的梯级利用。实现热能的梯级利用。


技术研发人员：鄢银连 张红光 杨富斌 平旭 于铭哲 许永红 杨海龙
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/9/6