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    阶梯 低阶 温差 发电 系统
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    摘要
    申请专利号:

    CN201010138850.X

    申请日:

    2010.03.17

    公开号:

    CN102192118A

    公开日:

    2011.09.21

    当前法律状态:

    驳回

    有效性:

    无权

    法律详情: 发明专利申请公布后的驳回IPC(主分类):F03G 7/04申请公布日:20110921|||实质审查的生效IPC(主分类):F03G 7/04申请日:20100317|||公开
    IPC分类号: F03G7/04 主分类号: F03G7/04
    申请人: 财团法人工业技术研究院
    发明人: 徐泊桦; 郭启荣; 颜志伟
    地址: 中国台湾新竹县
    优先权:
    专利代理机构: 北京律诚同业知识产权代理有限公司 11006 代理人: 梁挥;祁建国
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201010138850.X

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2014.12.17|||2011.11.23|||2011.09.21

    法律状态类型:

    发明专利申请公布后的驳回|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明公开一种阶梯式低阶温差发电系统结构,在固定的热源、冷源条件下,本发明以复数个有机朗肯循环系统(organic?Rankine?cycle,ORC)串接组成(称为阶梯式低阶温差发电系统),各有机朗肯循环系统为独立单元,冷、热源分别以冷、热源管路连接,逐次降低热源温度、升高冷源温度,相较于单一的低阶温差发电有机朗肯循环,同样的冷热源条件时,本发明有效提升系统发电效率,虽然增添多个有机朗肯循环系统使硬件设施成本增加;但发电效率提升却使发电成本降低,是一种有效提升低阶温差发电效率的创新系统设计。

    权利要求书

    1.一种阶梯式低阶温差发电系统结构,其特征在于,由复数个有机朗肯循环系统串接组成阶梯式低阶温差发电系统,而单一有机朗肯循环系统系包括有:一蒸发器,该蒸发器内包括有一水管路及一工作流体管路,且水管路与工作流体管路可相互进行热交换工作,而水管路更包括有一管路入口及管路出口,且该水管路的管路出口连接至下一级有机朗肯循环系统的蒸发器水管路的管路入口;一冷凝器,该冷凝器内包括有一水管路及一工作流体管路,且水管路与工作流体管路可相互进行热交换工作,而水管路更包括有一管路入口及管路出口,且该水管路的管路出口连接至下一级有机朗肯循环系统的冷凝器水管路的管路入口,该冷凝器工作流体管路与该蒸发器的工作流体管路为密闭式连接结构;一工作流体泵,连接于该蒸发器与冷凝器的工作流体管路之间,用以使工作流体产生流动;以及一发电???,连接于该蒸发器与冷凝器的工作流体管路之间,并利用进入端与排出端的工作流体的温差进行发电工作。2.根据权利要求1所述的阶梯式低阶温差发电系统结构,其特征在于,该单一有机朗肯循环自属一独立单元,其工作流体采用一般的低温沸点纯物质;且单一有机朗肯循环的工作流体可依工况各自筛选。3.根据权利要求1所述的阶梯式低阶温差发电系统结构,其特征在于,该单一有机朗肯循环的冷、热源温度可以有不同组合;且单一有机朗肯循环的冷、热源和工作流体间的温度差值可依工作状况各自调整。4.根据权利要求1所述的阶梯式低阶温差发电系统结构,其特征在于,该复数个串接式温差发电??榭梢谰萑仍春屠湓刺跫?,调配适当的串接数,以因应热源或冷源的温度变异。

    说明书

    阶梯式低阶温差发电系统

    技术领域

    本发明涉及一种阶梯式低阶温差发电系统结构,尤指一种植基于技术成熟、可靠度高的有机朗肯循环系统,本阶梯式低阶温差发电系统串接多个有机朗肯循环系统,实现提升发电效率的目的。

    背景技术

    一般低阶温差发电的热源和冷源温度差小(废热/温泉发电温差约40~100℃,海洋温差发电则仅20~25℃),从卡诺热机循环得知:低阶温差发电系统发电效率低,在额定发电容量条件时,相较于传统发电方式,低阶温差发电系统的机组庞大,建造成本高。然而,一般低阶温差发电的热源来自废热(例如:工业热工艺排放的余热、热水等)或天然资源(例如:海洋温差、温泉、地热、太阳日照等),无须燃料成本。因此,若能提升低阶温差发电系统的发电效率,则可降低均化发电成本,提升产品竞争力,有助于低阶温差发电的市场化。

    目前国际上应用于低阶温差发电的动力系统以有机朗肯循环系统(Organic?Rankine?Cycle,ORC)为主,具有技术成熟及系统简单的优点。为了提升及改善有机朗肯循环系统发电效率,欧洲提出Kalina?Cycle系统、日本提出Uehara?Cycle系统,两个系统皆采用氨和水的混合物作为工作流体,该工作流体进行热交换时,其温度、压力非为相依性;通过提升气态工作流体在蒸发器的出口温度和降低液态工作流体在冷凝器的出口温度,提升系统发电效率。上述循环的运作取决于工作流体在热交换器(蒸发器和冷凝器)内的氨和水比例,所以需要另行设置一反馈控制系统,同时设置一氨、水分离器。但该反馈控制系统和分离器却造成有机朗肯循环系统复杂性,连带使其可靠度降低。因此,无论是利用Kalina?Cycle或Uehara?Cycle作为动力系统的低阶温差发电系统皆尚未普及;目前仍采用传统的有机朗肯循环系统,虽然其效率较低,但具有构型简单、可靠度高的优点。鉴此,本发明以传统的有机朗肯循环系统为基础提出一种系统简单、可靠度高且发电效率较传统有机朗肯循环系统显着提升的阶梯式低阶温差发电系统。

    发明内容

    基于解决以上所述公知技术的不足,本发明利用阶梯式热能/冷能利用的方式,提出一系统简单、可靠度高且发电效率较传统有机朗肯循环系统显着提升的阶梯式低阶温差发电系统。本阶梯式低阶温差发电系统结构串接多个有机朗肯循环系统,达到提升发电效率的目的。

    本发明的另一目的在于将冷、热源分阶段使用,冷源逐次升温、热源则逐次降温,在前几级的有机朗肯循环系统的工作流体的高温较公知单一有机朗肯循环系统高且低温较公知单一有机朗肯循环系统为低,所以,前几级有机朗肯循环系统的热效率皆高于公知单一有机朗肯循环系统热效率。

    为实现上述目的,本发明为一种阶梯式低阶温差发电系统,由复数个有机朗肯循环系统串接组成阶梯式低阶温差发电系统,而单一有机朗肯循环系统系包括有:

    一蒸发器,该蒸发器内包括有一水管路及一工作流体管路,且水管路与工作流体管路可相互进行热交换工作,而水管路更包括有一管路入口及管路出口,且该水管路的管路出口连接至下一级有机朗肯循环系统的蒸发器水管路的管路入口;

    一冷凝器,该冷凝器内包括有一水管路及一工作流体管路,且水管路与工作流体管路可相互进行热交换工作,而水管路更包括有一管路入口及管路出口,且该水管路的管路出口连接至下一级有机朗肯循环系统的冷凝器水管路的管路入口,该冷凝器工作流体管路与该蒸发器的工作流体管路为密闭式连接结构;

    一工作流体泵,连接于该蒸发器与冷凝器的工作流体管路之间,用以使工作流体产生流动;以及

    一发电???,连接于该蒸发器与冷凝器的工作流体管路之间,并利用进入端与排出端的工作流体的温差进行发电工作。

    图1为公知有机朗肯循环(ORC)温差发电系统配置图。而图2、图3为本发明的阶梯式低阶温差发电系统配置。公知朗肯循环温差发电系统仅由单一朗肯循环系统组成,其组成热水(水温为Twwi)由蒸发器水管路入口(01)流经第一阶循环系统的蒸发器(02)的蒸发器水管路(03)进行热交换后至出口(04),温度降为Twwo;冷水由冷凝器水管路入口(05)进入冷凝器(06)的冷凝器水管路(07)进行热交换后至冷凝器水管路出口(08),温度降为Tcwo;工作流体泵(09)抽取工作流体由管线(10)进入蒸发器(02)的工作流体管路(11)吸收热水所释放的热能而气化后,排回管线(12),进而推动发电???13)而发电,做功后的工作流体流至管线(14),进入冷凝器(06)的工作流体管路(15)与冷水进行热交换而冷凝至液态,再排回管线(16);接着,再重复由工作流体泵(09)起始作动,重复此一循环系统。

    本发明的阶梯式低阶温差发电系统则由数个有机朗肯循环系统串连而成,在相同的冷热源供应下,本发明的发电效率明显优于单一有机朗肯循环温差发电系统。差异列述如下列表1:

    ??项目
    ??公知配置
    ??本发明配置
    ??循环系统
    ??一个有机朗肯循环
    ??复数个有机朗肯循环串连
    ??冷热源管线
    ??一组
    ??一组
    ??海洋温差动力系统的发电
    ??效率
    ??温差20~27℃,2~4%

    ??提升10~20%


    ??海洋温差电厂的发电效率

    ??浮动式电厂,1.5~3.5

    ??%

    ??提升10~30%


    ??废热电厂的发电效率

    ??温差40~70℃,2.5~7

    ??%

    ??提升15~40%

    表1

    为进一步对本发明有更深入的说明,乃通过以下附图、图号说明及发明详细说明,以助于本领域技术人员对本发明的理解。

    附图说明

    图1为公知机朗肯循环系统结构配置图;

    图2为本发明二级串接的有机朗肯循环系统结构配置图;

    图3为本发明三级串接的有机朗肯循环系统结构配置图。

    其中,附图标记

    01、101、104、107~蒸发器水管路入口

    05、201、204、207~冷凝器水管路入口

    04、103、106、109~蒸发器水管路出口

    08、203、206、209~冷凝器水管路出口

    03、102、105、108~蒸发器水管路

    11、712、722、732~蒸发器工作流体管路

    07、202、205、208~冷凝器水管路

    15、715、725、735~冷凝器工作流体管路

    02、310、320、330~蒸发器

    06、410、420、430~冷凝器

    09、510、520、530~工作流体泵

    13、610、620、630~发电???/p>

    10、12、14、16、711、713、714、716、721、723、724、726、731、733、734、736~工作流体管线

    Twwi、Twws1、Twws2、Twwo~热水温度

    Tcwi、Tcws1、Tcws2、Tcwo~冷水温度

    具体实施方式

    兹配合下列的附图说明本发明的详细结构,及其连结关系,以利于本领域技术人员做一了解。

    请参阅图2、图3所示。由复数个有机朗肯循环系统串连成一发电系统,连接其间的为冷/热水管路,因图2、图3的架构相差只有一级有机朗肯循环系统,且单一有机朗肯循环系统亦相同,故仅针对图3做一解说。

    本发明的一种阶梯式低阶温差发电系统,其构成由复数个有机朗肯循环系统串接组成阶梯式低阶温差发电系统,该单一有机朗肯循环自属一独立单元,其工作流体采用一般的低温沸点纯物质;且单一有机朗肯循环的工作流体可依工况各自筛选,该单一有机朗肯循环的冷、热源温度可以有不同组合;且单一有机朗肯循环的冷、热源和工作流体间的温度差值可依工作状况各自调整,,而单一有机朗肯循环系统系包括有:

    一蒸发器,该蒸发器内包括有一水管路及一工作流体管路,且水管路与工作流体管路可相互进行热交换工作,而水管路更包括有一管路入口及管路出口,且该水管路的管路出口连接至下一级有机朗肯循环系统的蒸发器水管路的管路入口;

    一冷凝器,该冷凝器内包括有一水管路及一工作流体管路,且水管路与工作流体管路可相互进行热交换工作,而水管路更包括有一管路入口及管路出口,且该水管路的管路出口连接至下一级有机朗肯循环系统的冷凝器水管路的管路入口,该冷凝器工作流体管路与该蒸发器的工作流体管路为密闭式连接结构;

    一工作流体泵,连接于该蒸发器与冷凝器的工作流体管路之间,用以使工作流体产生流动;以及

    一发电???,连接于该蒸发器与冷凝器的工作流体管路之间,并利用进入端与排出端的工作流体的温差进行发电工作,该复数个串接式温差发电??榭梢谰萑仍春屠湓刺跫?,调配适当的串接数,以因应热源或冷源的温度变异。

    以图3为例,本发明阶梯式低阶温差发电系统的动作原理为:热水(水温为Twwi)由管路入口(101)流经第一阶循环系统的蒸发器(310)的水管路(102)进行热交换后至管路出口(103),温度降为Twws1;再接着由管路入口(104)进入第二阶循环系统的蒸发器(320)的水管路(105)进行热交换后至管路出口(106),温度降为Twws2;再由管路入口(107)进入第三阶循环系统的蒸发器(330)的水管路(108)进行热交换后至管路出口(109),温度降为Twwo;如有下一阶循环系统,则进入下一阶,如无,则进入排水系统。

    冷水(水温为Tcwi)由管路入口(201)流经第一阶循环系统的冷凝器(410)的水管路(202)进行热交换后至管路出口(203),温度升为Tcws1;再由管路入口(204)进入第二阶循环系统的冷凝器(420)的水管路(205)进行热交换后至管路出口(206),温度升为Tcws2;再由管路入口(207)进入第三阶循环系统的冷凝器(430)的水管路(208)进行热交换后至管路出口(209),温度升为Tcwo;如有下一阶循环系统,则进入下一阶,如无,则进入排水系统。

    发电??榈亩髟砣缦铝械谝?、二、三阶段循环系统的动作描述:

    第一阶循环系统的动作如下:发电???610)连接于蒸发器(310)与冷凝器(410)的工作流体管路之间,而工作流体泵(510)连接于该蒸发器(310)与冷凝器(410)的工作流体管路之间,用以使工作流体产生流动。该工作流体泵(510)抽取工作流体由管线(711)进入蒸发器(310)的工作流体管路(712)吸收热水所释放的热能而气化后,排回管线(713),进而推动发电???610)而发电,做功后的工作流体流至管线(714),进入冷凝器(410)的工作流体管路(715)与冷水进行热交换而冷凝至液态,再排回管线(716);接着,再重复由工作流体泵(510)起始作动,重复此一循环系统;

    第二阶循环系统的动作如下:工作流体泵(520)抽取工作流体由管线(721)进入蒸发器(320)的工作流体管路(722)吸收热水所释放的热能而气化后,排回管线(723),进而推动发电???620)而发电,做功后的工作流体流至管线(724),进入冷凝器(420)的工作流体管路(725)与冷水进行热交换而冷凝至液态,再排回管线(726);接着,再重复由工作流体泵(520)起始作动,重复此一循环系统;以及

    第三阶循环系统的动作如下:工作流体泵(530)抽取工作流体由管线(731)进入蒸发器(330)的工作流体管路(732)吸收热水所释放的热能而气化后,排回管线(733),进而推动发电???630)而发电,做功后的工作流体流至管线(734),进入冷凝器(430)的工作流体管路(735)与冷水进行热交换而冷凝至液态,再排回管线(736);接着,再重复由工作流体泵(530)起始动作,重复此一循环系统。

    第二阶循环系统与第三阶循环的动作同第一阶循环系统。每一阶循环系统均独立运作,工作流体的操作温度将根据冷热源温度差异而不同,该工作流体采用一般的低温沸点纯物质。冷水温度的大小为Tcwi(例如24度)<Tcws1(例如30度)<Tcws2(例如35度)<Tcwo(例如40度),热水温度大小为Twwi(例如80度)>Twws1(例如75度)>Twws2(例如70度)>Twwo(例如64度),第一阶温差为(75-30=45度);第二阶温差为(70-35=40度);第三阶温差为(64-40=24度),故第一阶循环系统的冷热源温差大于第二阶又大于第三阶,以热机循环的热效能定义而言,第一阶循环系统的热效率(ηs1)大于第二阶(ηs2)又大于第三阶(ηs3)。

    相较之下,公知只采用单一有机朗肯循环的温差发电系统(图1)的冷热源出口温度为Tcwo及Twwo,和本发明中最后一阶(第三阶)相同,因此其系统热效率(ηorc)相当于本发明中第三阶的系统热效率(ηs3)。整体而言,公知单一有机朗肯循环的温差发电系统热效率(ηorc)将小于本发明的热效率(ηs1、ηs2、ηs3的综合效应),故本发明具有提升系统热效率的优点,本发明的另一目的在于将冷、热源分阶段使用,冷源逐次升温、热源则逐次降温,在前几级的有机朗肯循环系统的工作流体的高温较公知单一有机朗肯循环系统高且低温较公知者为低,所以,前几级有机朗肯循环系统的热效率皆高于公知单一有机朗肯循环系统热效率,仅在最后一级有机朗肯循环系统时,工作流体的高温和低温与公知单一有机朗肯循环系统的温度相同,两者效率同。因此,本阶梯式低阶温差发电系统的热效率高于公知单一有机朗肯循环系统。

    本发明的阶梯式低阶温差发电系统包括有下列特点:

    (1)由复数个(二个或二个以上)有机朗肯循环串接组成阶梯式低阶温差发电系统;

    冷源温度逐次升高;

    热源温度逐次降低;

    以冷、热源管线串接各朗肯循环系统;

    各有机朗肯循环自成一独立系统。

    (2)各有机朗肯循环的冷、热源温度可以有不同组合。

    (3)各有机朗肯循环的工作流体,可依工况各自筛选。

    (4)各有机朗肯循环的冷、热源和工作流体间的温度差值,可依工况各自调整。

    当然,本发明还可有其它多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的?;し段?。

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