一种太阳能全光谱有机朗肯循环热电联产系统

技术领域

本发明涉及可再生能源利用领域，具体为一种太阳能全光谱有机朗肯循环热电联产系统。

背景技术

目前，煤炭、石油等不可再生能源依旧是我国消费能源的主体，煤炭、石油等化石能源的消耗对环境污染较大，提高可再生能源的消费比例刻不容缓。太阳能是一种免费的清洁资源，具有“取之不尽，用之不竭”、不会对环境造成污染等优点，有机朗肯循环发电以低沸点有机物为工质，可以与太阳能产生的低温热源很好的匹配，太阳能驱动有机朗肯循环发电引起了众多学者的注意。但是目前太阳能驱动有机朗肯循环发电主要通过太阳能集热器、太阳能光伏/光热集热器产生热量，只利用了部分太阳能光谱，造成了很大的热量损失，并且太阳能受环境影响较大，在阴天、雾霾天或夜晚不能利用。因此，如何进一步提高太阳能驱动有机朗肯循环系统的效率和稳定性成为该技术领域所亟待解决的课题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种太阳能全光谱有机朗肯循环热电联产系统，以提高系统效率和稳定性。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种太阳能全光谱有机朗肯循环热电联产系统，包括太阳能全光谱子系统和有机朗肯循环子系统，所述太阳能全光谱子系统包括太阳能聚光镜、光线分频器、降冰片二烯罐、第一溶液泵、分子太阳能热反应器、太阳能光伏板、真空集热管、逆变器、四环烷罐、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第二溶液泵、化学反应器、公共电网。所述太阳能聚光镜用于聚集太阳光；所述光线分频器将太阳能聚光镜聚集的光子分为三束，一束紫外线和部分可见光光子被导入到分子太阳能热反应器，一束部分可见光和红外线光子被导入到太阳能光伏板，一束红外线光子被导入到真空集热管；所述分子太阳能热反应器为透明板式换热器，由熔融石英材料构成，以便太阳能透过；所述降冰片二烯罐出口端经第一溶液泵与分子太阳能热反应器内的异构化材料通道入口端连接；所述分子太阳能热反应器的异构化材料通道出口端与四环烷罐入口端连接；所述分子太阳能热反应器水加热通道入口端与建筑用水出水端连接，出口端与建筑用水进水端连接；所述四环烷罐出口端经第二溶液泵与化学反应器的壳侧入口端连接；所述化学反应器为管壳式换热器，其壳侧充有溴化汞光敏催化剂；所述化学反应器的壳侧出口端与降冰片二烯罐的入口端连接；所述太阳能光伏板的直流电输出端连接逆变器；所述逆变器的交流输出端与公共电网和建筑用电端连接。

上述太阳能全光谱有机朗肯循环热电联产系统，所述有机朗肯循环子系统包括蒸发器、回热器、冷凝器、工质泵、膨胀机。所述有机朗肯循环子系统中的蒸发器、冷凝器、回热器均为管壳式换热器，内部为喷淋式结构；所述蒸发器管侧出口端与太阳能全光谱子系统中的化学反应器管侧入口端和真空集热管的入口端连接；所述蒸发器管侧入口端与太阳能全光谱子系统中的化学反应器管侧出口端和真空集热管的出口端连接；所述蒸发器壳侧入口端与回热器管侧出口端连接；所述蒸发器壳侧出口端与膨胀机入口端连接；所述膨胀机出口端与发电机连接；所述发电机输出端与公共电网和建筑用电端连接；所述膨胀机出口端与回热器壳侧入口端连接；所述回热器壳侧出口端与冷凝器壳侧入口端连接；所述冷凝器壳侧出口端经工质泵与回热器管侧入口端连接；所述冷凝器管侧入口端与建筑用水出水端连接；所述冷凝器管侧出口端与建筑用水进水端连接。

优选地，所述太阳能聚光镜为抛物槽式太阳能聚光镜、蝶式太阳能聚光镜、线性菲涅尔式太阳能聚光镜、塔式太阳能聚光镜、复合抛物面聚光镜。

优选地，所述有机朗肯循环子系统中的有机工质为异戊烷、异己烷、甲苯、环己烷。

优选地，所述光线分频器为单层光学玻璃、双层光学玻璃或涂层，如例子交替镀上Nb

优选地，选用降冰片二稀作为分子太阳能热反应器中的异构化材料，但以偶氮苯、蒽等物质为异构化材料也在本发明的保护范围之内。

优选地，化学反应器壳侧和真空集热管的工质为导热油。

本发明将分子太阳能热反应器、太阳能光伏板、太阳能集热器、有机朗肯循环相结合，实现了太阳能光谱的梯级利用，减少了热量损失，分子太阳能热反应器在阴天、雾霾天也能运行，提高了太阳能驱动有机朗肯循环系统的效率和稳定性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是本发明的系统流程图；

图中各标号为：1、降冰片二烯罐；2、第一溶液泵；3、分子太阳能热反应器；4、四环烷罐；5、第一阀门；6、第二溶液泵；7、化学反应器；8、真空集热管；9、光线分频器；10、太阳能聚光镜；11、逆变器；12、太阳能光伏板；13、第二阀门；14、第三阀门；15、第四阀门；16、第五阀门；17、公共电网；18、蒸发器；19、回热器；20、冷凝器；21、工质泵；22、膨胀机；23、发电机。

具体实施方式

本发明提供了一种太阳能全光谱有机朗肯循环热电联产系统，光线分频器将太阳光分离成三束，一束紫外线和部分可见光光子被导入到分子太阳能热反应器，一束部分可见光和红外线光子被导入到太阳能光伏板，一束红外线光子被导入到真空集热管，实现了太阳能全光谱的利用。将分子太阳能热反应器、太阳能光伏板、真空集热管与有机朗肯循环系统相结合，分子太阳能热反应器可以在阴天、雾霾天工作，提高了太阳能驱动有机朗肯循环系统的效率和稳定性。本发明所述系统配置合理，能够充分发挥各个子系统的特点，实现了太阳能光谱的梯级利用，为太阳能与有机朗肯循环系统的耦合提供了一种新的形式。

分子太阳能热反应器中，一些异构化材料可以吸收太阳光紫外线和部分可见光光子，发生异构化反应，将太阳能储存在化学键中，在阴天、雾霾天或夜晚没有太阳能辐照时，异构化产物在一些光敏催化剂的作用下变回母体分子，释放储存的太阳能，提高导热油的温度；剩下的部分可见光和红外线光子被光线分频器分离到太阳能光伏板，产生直流电；最后剩余的红外线光子被光线分频器分离到真空集热管，提高导热油的温度；以上配置实现了太阳能光谱的梯级利用，极大的提高了太阳能的利用效率。

参看图1，本发明包括太阳能全光谱子系统和有机朗肯循环子系统两部分。所述太阳能全光谱子系统包括降冰片二烯罐1、第一溶液泵2、分子太阳能热反应器3、四环烷罐4、第一阀门5、第二溶液泵6、化学反应器7、真空集热管8、光线分频器9、太阳能聚光镜10、逆变器11、太阳能光伏板12、第二阀门13、第三阀门14、第四阀门15、第五阀门16、公共电网17；所述有机朗肯循环子系统包括蒸发器18、回热器19、冷凝器20、工质泵21、膨胀机22、发电机23。

太阳能全光谱子系统中，所述光线分频器9将太阳能聚光镜10聚集的光分为三束：一束紫外线和部分可见光光子被导入到分子太阳能热反应器3，被降冰片二烯吸收后发生异构化反应，转变为四环烷将太阳能储存在四环烷的化学键中；一束部分可见光和红外线光子被导入到太阳能光伏板12，产生直流电；一束红外线光子被导入到真空集热管8，加热导热油作为有机朗肯循环的低温热源。所述分子太阳能热反应器3为透明板式换热器，由熔融石英材料构成，以便太阳能透过；所述降冰片二烯罐1出口端经第一溶液泵2与分子太阳能热反应器3内的异构化材料通道入口端连接；所述分子太阳能热反应器3的异构化材料通道出口端与四环烷罐4入口端连接；所述分子太阳能热反应器3水加热通道入口端与建筑用水出水端连接，出口端与建筑用水进水端连接；所述四环烷罐4出口端经第二溶液泵6与化学反应器7的壳侧入口端连接；所述化学反应器7为管壳式换热器，其壳侧充有溴化汞光敏催化剂；所述化学反应器7的壳侧出口端与降冰片二烯罐1的入口端连接；所述太阳能光伏板12的直流电输出端连接逆变器11；所述逆变器11的交流输出端与公共电网17和建筑用电端连接。有机朗肯循环子系统中，所述蒸发器18管侧出口端与太阳能全光谱子系统中的化学反应器7管侧入口端和真空集热管8的入口端连接；所述蒸发器18管侧入口端与太阳能全光谱子系统中的化学反应器7管侧出口端和真空集热管8的出口端连接；所述蒸发器18壳侧入口端与回热器19管侧出口端连接；所述蒸发器18壳侧出口端与膨胀机22入口端连接；所述膨胀机22出口端与发电机23连接；所述发电机23输出端与公共电网和建筑用电端连接；所述膨胀机22出口端与回热器19壳侧入口端连接；所述回热器19壳侧出口端与冷凝器20壳侧入口端连接；所述冷凝器20壳侧出口端经工质泵21与回热器19管侧入口端连接；所述冷凝器20管侧入口端与建筑用水出水端连接；所述冷凝器20管侧出口端与建筑用水进水端连接。在太阳能全光谱子系统中，分子太阳能热反应器3的异构化材料通道有降冰片二烯(C7H8)入口端、四环烷(C7H8)出口端，水加热通道设有自来水入口端和自来水出口端；降冰片二烯经管路由第一溶液泵2输送到分子太阳能热反应器3的降冰片二烯(C7H8)入口端，在分子太阳能热反应器3吸收紫外线和部分可见光光子，降冰片二烯发生异构化反应转变为四环烷，将热量储存在四环烷的化学键中，反应式如下：

C

当降冰片二烯发生异构化反应时，会有一些能量以热的形式散失，所以常温水由管路输入到分子太阳能热反应器3中吸收这部分热量，生成可供用户使用的60℃生活热水。随后反应生成的四环烷由管路输送至四环烷罐4，在夜晚打开第一阀门5，由第二溶液泵6将四环烷输送至化学反应器7，在溴化汞光敏催化剂的作用下发生异构化逆反应，释放储存的太阳能，加热导热油作为有机朗肯循环系统的低温热源，异构化逆反应如下：

C

在有机朗肯循环子系统中，蒸发器18出口的气态工质由管路输送至膨胀机22膨胀做功，带动发电机23发电，发电机23发出的电首先供建筑使用，多余的电则卖给公共电网17，膨胀机22出口的高温工质由管路输送至回热器19，加热来自冷凝器20出口的液态工质，回热器19出口的低温工质由管路输送至冷凝器20，向建筑用水放热后凝结为液态工质，冷凝器20出口的液态工质经工质泵升压后由管路输送至回热器19，回热器19出口的液态工质由管路输送至蒸发器18，被来自太阳能全光谱系统中的导热油加热后变为气态工质，至此，一次循环结束。

上述太阳能全光谱有机朗肯循环热电联产系统是通过以下运行方式来达到发电和供热的：

(1)在阴天、雾霾天或夜晚没有太阳能时，打开阀门5，四环烷经第二溶液泵6由管路输送至化学反应器7，四环烷在溴化汞光敏催化剂的作用下发生异构化逆反应，释放储存的太阳能，加热导热油作为有机朗肯循环系统的低温热源，驱动有机朗肯循环系统产生电和热供建筑使用，如果有机朗肯循环产生的电量不够建筑使用时，从公共电网12购电满足建筑的负荷需求，如果有机朗肯循环产出的电过多，多余的电卖给公共电网。

(2)在白天有太阳能时，分子太阳能反应器2产生的生活热水、太阳能光伏板12产生的直流电经逆变器11后供给建筑使用，真空集热管8产生的导热油作为有机朗肯循环系统的低温热源，驱动有机朗肯循环产出电和热供建筑使用。如果太阳能光伏板12和有机朗肯循环系统输出的电不能够满足建筑使用时，从电网购电满足建筑的负荷需求，如果太阳能光伏板12和有机朗肯循环系统输出的电能够满足建筑使用时，多余的电卖给公共电网17.

本发明利用某些分子异构化材料可以吸收太阳能部分紫外线和可见光光谱的特点，将分子太阳能热存储系统、太阳能光伏板和真空集热管结合在一起，构成了一个可以实现太阳能全光谱利用的装置，并将其与有机朗肯循环系统相结合，极大的提高了太阳能驱动有机朗肯循环系统的效率和稳定性。

本发明系统配置合理，能够充分发挥各个子系统的特点，实现了太阳能光谱的梯级利用，不仅提高了太阳能驱动有机朗肯循环系统的效率和稳定性，还起到了减排CO

1、将分子太阳能热存储系统、太阳能光伏板和太阳能集热器结合在一起，实现了太阳能光谱的梯级利用，提高了太阳能的利用率。

2、在阴天、雾霾天或夜晚，分子太阳能热反应器依旧能够利用高频率的光子加热导热油作为有机朗肯循环系统的低温热源，保证了系统供热的稳定性。

3、通过系统的合理配置，本发明实现了有机朗肯循环系统与真空集热管、分子太阳能热存储系统和太阳能光伏板的结合，形成了输出有电和热的联产系统，提高了系统的灵活性。以上仅是本发明的优选实施方式，并不用以限制本发明的其他实施方式，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明核心技术的前提下，还可以做出各种改进和替换，均应包含在本发明的保护范围之内。