用于帶有飽和液體儲存的集中太陽能功率系統(tǒng)的有機(jī)朗肯循環(huán)和方法
【專利摘要】一種用于使用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)和ORC流體產(chǎn)生能量的閉環(huán)系統(tǒng)，包括：第一太陽能功率源(52)，其被構(gòu)造成將ORC液體加熱成飽和ORC液體；第二太陽能功率源(70)，其流體地連接到第一太陽能功率源且被構(gòu)造成使飽和ORC液體汽化而變成ORC蒸氣；以及渦輪機(jī)(54)，其被構(gòu)造成接收ORC蒸氣并通過使ORC蒸氣膨脹而產(chǎn)生機(jī)械能。
【專利說明】用于帶有飽和液體儲存的集中太陽能功率系統(tǒng)的有機(jī)朗肯
循環(huán)和方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施例大體上涉及發(fā)電系統(tǒng)，并且更特別地涉及具有太陽能功率源和飽和液體儲存的有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]朗肯循環(huán)使用封閉循環(huán)中的有機(jī)工作流體從加熱源或熱貯存器收集熱量并通過使熱氣態(tài)流通過渦輪或膨脹器膨脹而產(chǎn)生功率。膨脹的流通過將熱量傳遞到冷貯存器而在冷凝器中冷凝，并且再次泵送至加熱壓力而完成循環(huán)。已知太陽能功率源被用作加熱源或熱貯存器。例如，集中太陽能功率(CSP)系統(tǒng)使用透鏡或反射鏡和跟蹤系統(tǒng)將大面積的陽光會聚成小光束。集中的熱量接著被用作常規(guī)發(fā)電站用的熱源。存在各種集中技術(shù)。最先進(jìn)的是拋物面、集中線性菲涅爾反射器、斯特林碟和太陽能塔。各種技術(shù)被用來跟蹤太陽和會聚光。在所有這些系統(tǒng)中，工作流體被集中的陽光加熱，且然后用于發(fā)電或能量儲存。
[0003]參照圖1討論一般的ORC系統(tǒng)。圖1示出發(fā)電系統(tǒng)10，其包括也稱為鍋爐的熱交換器2、渦輪4、冷凝器6和泵8。穿過始于熱交換器2的該閉環(huán)系統(tǒng)，外部熱源3 (例如，熱煙氣)加熱熱交換器2。這造成接收的加壓液體介質(zhì)12被轉(zhuǎn)化為流至渦輪4的加壓蒸氣14。渦輪4接收加壓蒸氣流14并可在加壓蒸氣膨脹時(shí)產(chǎn)生功率16。由渦輪4釋放的膨脹的低壓蒸氣流18進(jìn)入冷凝器6，其將膨脹的低壓蒸氣流18冷凝成低壓液體流20。低壓液體流20接著進(jìn)入泵8，其既產(chǎn)生高壓液體流12又保持閉環(huán)系統(tǒng)流動。高壓液體流12接著被泵送至熱交換器2以繼續(xù)該過程。
[0004]可在朗肯循環(huán)中使用的一種工作流體是有機(jī)工作流體。此類有機(jī)工作流體被稱為ORC流體。ORC系統(tǒng)已部署為發(fā)動機(jī)以及小型和中型燃?xì)鉁u輪的改型設(shè)備，以從熱煙氣流中捕獲廢熱。該廢熱可在二級發(fā)電系統(tǒng)中用來產(chǎn)生在由單獨(dú)產(chǎn)生熱煙氣的發(fā)動機(jī)輸送的功率之上多達(dá)額外20%的功率。
`[0005]隨著太陽能功率源的發(fā)展，ORC循環(huán)已被應(yīng)用至如所描述的系統(tǒng)。例如，在圖2中，存在系統(tǒng)30，其具有太陽能收集器32、帶有換熱冷凝器34的蒸汽發(fā)動機(jī)、用于工作流體的儲罐36以及用于將工作流體輸送至太陽能收集器32的泵38。太陽能收集器32配有在其入口處用于由泵38從儲罐36泵送至上罐42的ORC工作流體的高度調(diào)節(jié)閥40。汽化的ORC工作流體從太陽能收集器32提供至可連接到發(fā)電機(jī)46的蒸汽渦輪44。
[0006]然而，現(xiàn)有的太陽能功率系統(tǒng)不是高效的。此外，當(dāng)沒有太陽時(shí)，現(xiàn)有的太陽能功率系統(tǒng)在產(chǎn)生能量方面有困難。因此，用于提高發(fā)電系統(tǒng)中ORC系統(tǒng)的效率的系統(tǒng)和方法是所期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種用于使用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)和ORC流體產(chǎn)生能量的閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:第一太陽能功率源，其被構(gòu)造成將ORC液體加熱成飽和的ORC液體；第二太陽能功率源，其流體地連接到第一太陽能功率源且被構(gòu)造成使飽和的ORC液體汽化而變成ORC蒸氣；以及渦輪機(jī)，其被構(gòu)造成接收ORC蒸氣并通過使ORC蒸氣膨脹而產(chǎn)生機(jī)械能。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種用于使用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)和ORC流體產(chǎn)生能量的閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:渦輪機(jī)，其被構(gòu)造成將熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；換熱器，其流體地連接到渦輪機(jī)的輸出且被構(gòu)造成從汽化的ORC流體去除熱量；冷卻裝置，其流體地連接到換熱器且被構(gòu)造成將汽化的ORC流體轉(zhuǎn)化回ORC液體；泵，其流體地連接在冷卻裝置與換熱器之間且被構(gòu)造成將ORC液體泵送至換熱器；第一太陽能功率源，其被構(gòu)造成通過加熱而將ORC液體轉(zhuǎn)化為飽和的ORC液體；以及第二太陽能功率源，其流體地連接到第一太陽能功率源且被構(gòu)造成使飽和的ORC液體汽化而變成ORC蒸氣，其中渦輪機(jī)被構(gòu)造成從第二太陽能功率源接收ORC蒸氣。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種使用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)產(chǎn)生能量的方法。該方法包括:將ORC液體通過在第一太陽能功率源內(nèi)加熱而在閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化成飽和的ORC液體；將飽和的ORC液體儲存在儲罐中；控制飽和的ORC液體到第二太陽能功率源或用于將飽和的ORC液體轉(zhuǎn)化成ORC蒸氣的另一裝置的流動；使ORC蒸氣在渦輪機(jī)中膨脹以產(chǎn)生能量；以及冷卻ORC蒸氣以將其變回ORC液體并使ORC液體返回至第一太陽能功率源。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]在參照附圖閱讀以下描述之后，本發(fā)明的實(shí)施例對本領(lǐng)域技術(shù)人員將更加顯而易見，在附圖中:
圖1是ORC循環(huán)的不意圖；
圖2是與太陽能功率源一起使用的ORC循環(huán)配置的示意圖；
圖3是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的與太陽能功率源一起使用的ORC循環(huán)配置的示意
圖；
圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的與太陽能功率源和二級熱源一起使用的ORC循環(huán)配置的示意圖；
圖5是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的在雙閉環(huán)系統(tǒng)中與太陽能功率源一起使用的ORC循環(huán)配置的示意圖；
圖6是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的在雙閉環(huán)系統(tǒng)中與太陽能功率源和二級熱源一起使用的ORC循環(huán)配置的不意圖；
圖7是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于使用帶有太陽能功率源的ORC循環(huán)配置的方法的流程圖；
圖8是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的在雙閉環(huán)系統(tǒng)中與太陽能功率源一起使用的ORC循環(huán)配置的流程圖；
圖9是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的包括第一和第二太陽能功率源的用于產(chǎn)生功率的閉環(huán)系統(tǒng)；
圖10是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的經(jīng)受通過閉環(huán)系統(tǒng)的各種熱轉(zhuǎn)化的ORC流體的P-H圖；以及
圖11是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的用于通過使用帶有兩個(gè)太陽能功率源的閉環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生功率的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]示例性實(shí)施例的下列詳細(xì)描述參考了附圖。不同圖中的相同參考標(biāo)號表示相同或類似的元件。另外，附圖未必按比例繪制。而且，下列詳細(xì)描述不限制本發(fā)明。替代地，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。為簡單起見，以下描述參考與太陽能功率源一起使用以使用膨脹器產(chǎn)生能量的ORC循環(huán)。然而，太陽能功率源可以是不同的，或者膨脹器可以替換成用于產(chǎn)生能量的另一種渦輪機(jī)。
[0012]在說明書全文中，對“一個(gè)實(shí)施例”或“實(shí)施例”的引用意味著結(jié)合實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包括在所公開主題的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在說明書全文中，在各個(gè)地方出現(xiàn)的短語“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在實(shí)施例中”不一定指相同實(shí)施例。此外，在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可以任何合適方式組合。
[0013]根據(jù)圖3所示的示例性實(shí)施例，用于使用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)產(chǎn)生功率的系統(tǒng)50包括構(gòu)造成使流過系統(tǒng)的介質(zhì)汽化的太陽能功率源52和構(gòu)造成通過使汽化介質(zhì)膨脹而產(chǎn)生能量/功率的渦輪機(jī)54。冷凝器56確保汽化介質(zhì)返回至其液相，并且泵58添加液體介質(zhì)的壓力并維持流過系統(tǒng)的介質(zhì)。
[0014]介質(zhì)可以是在ORC系統(tǒng)中通常使用的有機(jī)流體。然而，為了提高的效率，根據(jù)一種應(yīng)用，可以使用環(huán)戊烷基流體作為介質(zhì)。環(huán)戊烷是帶有化學(xué)式C5H10的高度易燃的脂環(huán)烴。它由五個(gè)碳原子的環(huán)組成，每個(gè)碳原子與平面上方和下方的兩個(gè)氫原子鍵合。它以帶有汽油狀氣味的無色液體形式存在。其熔點(diǎn)為94°C且其沸點(diǎn)為49°C。還可使用其它介質(zhì)。根據(jù)示例性實(shí)施例，ORC介質(zhì)包括與2-甲基戊烷、正戊烷和異戊烷中的一種或多種混合的環(huán)戊烷。例如，一種可能的組合是約95%的環(huán)戊烷、約3.5%的2-甲基戊烷、0.75%的正戊烷和約0.75%的異戊烷。
[0015]太陽能功率源52可以是已知的太陽能源中的任一種。然而，接下來要討論的實(shí)施例對于集中太陽能功率(CSP)系統(tǒng)是最佳的。CSP系統(tǒng)不同于光伏系統(tǒng)，因?yàn)楣夥到y(tǒng)將太陽能直接轉(zhuǎn)化為電力。CSP系統(tǒng)需要基于太陽能而被汽化的介質(zhì)，然后用諸如膨脹器或渦輪的合適渦輪機(jī)提取該能量。因此，在圖3所示實(shí)施例中使用的介質(zhì)在其經(jīng)過系統(tǒng)的各個(gè)元件時(shí)經(jīng)歷各種熱力學(xué)過程。
[0016]渦輪機(jī)54可以是構(gòu)造成從汽化介質(zhì)提取能量并將該能量轉(zhuǎn)化為例如機(jī)械能的任何機(jī)械。就此而言，膨脹器被構(gòu)造成接收汽化的介質(zhì)，該介質(zhì)確定膨脹器的翼型件或葉輪圍繞橫向軸線旋轉(zhuǎn)。氣體(汽化介質(zhì))的熱力學(xué)能量在膨脹過程期間被提取，這使膨脹器的軸(其保持翼型件或葉輪)旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生機(jī)械能。該機(jī)械能可用來啟動功率裝置60例如壓縮機(jī)或發(fā)電機(jī)，以用于產(chǎn)生電力。換言之，在示例性實(shí)施例中討論的系統(tǒng)可用來產(chǎn)生功率或者驅(qū)動諸如渦輪機(jī)的機(jī)械。
[0017]膨脹器可以是單級或多級膨脹器。單級膨脹器僅具有一個(gè)葉輪，并且汽化的氣體在經(jīng)過單個(gè)葉輪之后被提供至膨脹器的排氣口。多級葉輪具有多個(gè)葉輪，并且來自一個(gè)葉輪的膨脹介質(zhì)被提供至下一葉輪以用于從介質(zhì)進(jìn)一步提取能量。膨脹器可以是離心式或軸流式機(jī)械。離心式膨脹器沿第一方向(例如，Y軸線)接收汽化的介質(zhì)且在基本垂直于第一方向的第二方向(例如，X方向)上排放膨脹的介質(zhì)。換言之，離心力被用來旋轉(zhuǎn)膨脹器的軸。在軸流式膨脹器中，介質(zhì)沿相同方向進(jìn)入和離開膨脹器，類似于飛行器的噴氣發(fā)動機(jī)。
[0018]冷凝器56可以是氣冷的或水冷的，并且其目的是進(jìn)一步冷卻來自渦輪機(jī)54的膨脹介質(zhì)，以使介質(zhì)變?yōu)橐后w。泵58可以是本領(lǐng)域已知的且適合將介質(zhì)的壓力添加至期望值的任何泵。來自從膨脹器54排出的介質(zhì)的熱量可以在換熱器64中被移除并且被提供給提供至太陽能功率源52的液體介質(zhì)。換熱器64可以像具有共享相同環(huán)境的兩個(gè)管的容器那樣簡單。例如，液體介質(zhì)(來自泵)流過第一管，而汽化的介質(zhì)(來自膨脹器)流過第二管。由于在第一和第二管周圍存在相同環(huán)境，因而來自第二管的熱量遷移至第一管，從而加熱液體介質(zhì)?？梢允褂闷渌鼜?fù)雜的換熱器。
[0019]現(xiàn)在更詳細(xì)地討論介質(zhì)通過系統(tǒng)50的流動。假設(shè)介質(zhì)流從點(diǎn)A開始。在該點(diǎn)處，液體介質(zhì)由于泵58而處于高壓(例如，40巴)且處于低溫(例如，55°C )。在液體介質(zhì)經(jīng)過太陽能功率源52之后，其溫度添加(例如，為250°C )。在這個(gè)和其它示例性實(shí)施例中使用的數(shù)字用于說明目的且并非意圖限制這些實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，當(dāng)系統(tǒng)的特性變化時(shí)，這些數(shù)字隨著系統(tǒng)變化。
[0020]在經(jīng)過太陽能功率源52的同時(shí)，介質(zhì)可經(jīng)受相變，即，從液體介質(zhì)到汽化的介質(zhì)。在經(jīng)過太陽能功率源52期間，太陽能從太陽光轉(zhuǎn)移到介質(zhì)。汽化的介質(zhì)到達(dá)點(diǎn)B并進(jìn)入膨脹器54的入口 54a，并且使膨脹器的軸旋轉(zhuǎn)，從而將太陽能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能?？梢匀詾闅怏w而非液體(例如，在點(diǎn)C處的溫度為約140°C且壓力為約1.3巴)的膨脹介質(zhì)然后在出口 54b處從膨脹器釋放。
[0021]由于在點(diǎn)C處在汽化介質(zhì)中仍存在能量(熱量)，該介質(zhì)被引導(dǎo)至換熱器64以進(jìn)一步從其去除熱量。在將液體介質(zhì)提供至太陽能功率源之前，在換熱器64中從點(diǎn)D處的汽化介質(zhì)去除的熱量在點(diǎn)E處(在換熱器內(nèi)部)被提供至液體介質(zhì)。點(diǎn)F處的經(jīng)冷卻的汽化介質(zhì)現(xiàn)在在冷凝器56中被冷卻，以使其恢復(fù)至液相。然后，液體介質(zhì)被提供至泵58且循環(huán)重復(fù)。應(yīng)當(dāng)指出，將介質(zhì)從一部件輸送至另一部件的管道66被密封，使得介質(zhì)不逸出到系統(tǒng)50外部。換言之，圖3所示的系統(tǒng)為閉環(huán)系統(tǒng)。
[0022]以上討論的系統(tǒng)在使用發(fā)電機(jī)60時(shí)添加了太陽能向電能的轉(zhuǎn)換效率。而且，本系統(tǒng)不需要水用于其介質(zhì)，并且介質(zhì)可由太陽能功率源直接汽化。如果使用環(huán)戊烷基流體，應(yīng)當(dāng)指出，該介質(zhì)在太陽能功率源中直接汽化，因?yàn)榄h(huán)戊烷的沸點(diǎn)溫度為約49°C。
[0023]圖3所示系統(tǒng)50的一些修改是可能的，并且現(xiàn)在將參照圖4討論這些修改。根據(jù)示例性實(shí)施例，可以例如在太陽能功率源52的下游和膨脹器54的上游添加二級熱源70。在另一應(yīng)用中，可以在位置A處提供二級功率源70。二級功率源可以是太陽能、地?zé)帷⒌V物、核能或其它已知的功率源。例如，渦輪機(jī)或功率設(shè)備的排氣口可以是二級功率源。
[0024]在另一應(yīng)用中，可提供儲罐72以用于儲存環(huán)戊烷基介質(zhì)。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，儲罐設(shè)置在冷凝器56下游?？梢匝毓艿老到y(tǒng)設(shè)置各種閥74和76以用于控制在系統(tǒng)中流動的介質(zhì)的量。在又一示例性實(shí)施例中，可以提供平衡管線78和閥80以用于控制通過系統(tǒng)的介質(zhì)的流動。
[0025]在圖5中呈現(xiàn)不同的系統(tǒng)。根據(jù)示例性實(shí)施例，系統(tǒng)100可包括第一閉環(huán)系統(tǒng)102和第二閉環(huán)系統(tǒng)104。第二閉環(huán)系統(tǒng)104可包括渦輪機(jī)106、冷凝器108、泵110和換熱器112，它們類似于圖3和圖4中所示那些并且也類似地連接到圖3和圖4中所示實(shí)施例的系統(tǒng)。然而，替代圖3所示的太陽能功率源，第二閉環(huán)系統(tǒng)可包括一個(gè)或多個(gè)汽化器114和一個(gè)或多個(gè)熱交換裝置116。圖5示出兩個(gè)熱交換裝置116和118,但是一個(gè)裝置就足以讓系統(tǒng)工作。在一個(gè)應(yīng)用中，不需要熱交換裝置。
[0026]第一閉環(huán)系統(tǒng)102可包括類似于圖3的太陽能功率源52的太陽能功率源120和類似于圖3的泵58的泵122。第一閉環(huán)系統(tǒng)102可使用油基物質(zhì)作為流動介質(zhì)，而第二閉環(huán)系統(tǒng)104可以是使用環(huán)戊烷基流體作為流動介質(zhì)的ORC系統(tǒng)。第二閉環(huán)系統(tǒng)104的有機(jī)介質(zhì)在該示例性實(shí)施例中不循環(huán)通過太陽能功率源120，而是被置于與第一閉環(huán)系統(tǒng)102的油基物質(zhì)熱接觸以用于傳遞來自太陽能功率源的熱量。
[0027]就此而言，來自太陽能功率源120的油基物質(zhì)在汽化器114中將第二閉環(huán)系統(tǒng)的介質(zhì)汽化并將汽化介質(zhì)提供至渦輪機(jī)106。此外，可以進(jìn)一步使用油基物質(zhì)以在一個(gè)或多個(gè)熱交換裝置116和118中預(yù)熱第二閉環(huán)循環(huán)的介質(zhì)。然而，根據(jù)示例性實(shí)施例，熱交換裝置116和118可以省略。經(jīng)冷卻的油基物質(zhì)然后到達(dá)膨脹容器124，其從這里流至泵122以便再次提供至太陽能功率源120。油基物質(zhì)不與第二閉環(huán)系統(tǒng)的介質(zhì)或與環(huán)境混合。膨脹容器124可與氮?dú)庠?26流體連通，該氮?dú)庠?26被構(gòu)造成氮封膨脹容器124的頂部(內(nèi)部)。雖然氮?dú)膺M(jìn)入膨脹容器內(nèi)部，但是氮?dú)獠涣鬟^第一閉環(huán)系統(tǒng)102，因?yàn)樗谟突镔|(zhì)上方流動。
[0028]根據(jù)圖6所示的示例性實(shí)施例，可以將如圖4所示的各種元件添加到系統(tǒng)100。例如，可以在第二閉環(huán)系統(tǒng)中汽化器114的上游或下游添加二級熱源130，以用于進(jìn)一步加熱第二閉環(huán)系統(tǒng)的介質(zhì)。可添加閥132以控制介質(zhì)的流動，并且可在第二閉環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置帶有對應(yīng)閥136的平衡管線134。發(fā)電機(jī)140或其它渦輪機(jī)可連接到第二閉環(huán)系統(tǒng)104中的膨脹器106。
[0029]現(xiàn)在討論用于操作此類系統(tǒng)的方法。根據(jù)圖7所示的示例性實(shí)施例，存在用于使用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)產(chǎn)生功率的方法。該方法包括:步驟700，將液態(tài)環(huán)戊烷基流體通過用太陽能功率源加熱而在封閉系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化成汽化的環(huán)戊烷基流體；步驟702，使汽化的環(huán)戊烷基流體在膨脹器中膨脹以產(chǎn)生能量；以及步驟704，將汽化的環(huán)戊烷基流體冷卻以返回至液態(tài)環(huán)戊烷基流體，并使液態(tài)環(huán)戊烷基流體返回至太陽能功率源。
[0030]根據(jù)圖8所示的另一示例性實(shí)施例，存在使用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)產(chǎn)生功率(電功率或機(jī)械功率)的方法。該方法包括:步驟800，利用太陽能功率源在第一封閉系統(tǒng)中加熱油基流體；以及步驟802，使汽化的環(huán)戊烷基流體在第二封閉系統(tǒng)中膨脹以產(chǎn)生能量。第一封閉系統(tǒng)的油基流體被構(gòu)造成與第二封閉系統(tǒng)中的液態(tài)環(huán)戊烷基流體交換熱量。
[0031]根據(jù)又一示例性實(shí)施例，可以提供一種新布置，其不限于環(huán)戊烷，而是可以使用任何ORC流體(例如，任何有機(jī)基流體)。在該實(shí)施例中，使用兩個(gè)截然不同的太陽能功率源來加熱ORC流體。第一太陽能功率源被構(gòu)造成加熱引入的ORC液體以變成飽和的，而第二太陽能功率源被構(gòu)造成進(jìn)一步加熱飽和的ORC液體以變成ORC蒸氣。液體在將要沸騰時(shí)被稱為飽和的?？稍诘谝缓偷诙柲芄β试粗g設(shè)置飽和ORC液體用的儲罐。在太陽能功率源不工作(例如陰天)期間，二級功率源可用來將飽和的ORC液體轉(zhuǎn)化為蒸氣以提供至渦輪機(jī)。備選地，節(jié)流壁(或節(jié)流裝置)可用來將飽和的ORC液體(通過等焓地部分降低壓力)部分地轉(zhuǎn)化為蒸氣，如下文將討論的。
[0032]根據(jù)圖9所示的示例性實(shí)施例，用于功率產(chǎn)生(電功率或機(jī)械功率)的系統(tǒng)200包括渦輪機(jī)202、冷凝器204、泵206、換熱器207和功率裝置208，它們以類似于圖3和圖4中所示的方式連接到彼此。功率裝置208可以是由渦輪機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)(或用于產(chǎn)生電能的類似裝置)或渦輪機(jī)。然而，圖9顯示了經(jīng)由液體儲罐214互連的第一太陽能功率源210和第二太陽能功率源212。控制裝置(例如，閥)216或其它類似元件將流從罐214分配到第二太陽能功率源212或二級熱源218。二級熱源218可以是任何熱源。
[0033]現(xiàn)在參照圖9且還參照圖10討論ORC流體的流動，圖10顯示ORC流體的壓力-焓(P-H)圖。ORC流體通過渦輪機(jī)、冷凝器、泵和二級熱源的流動由于已經(jīng)討論而被省略。低溫ORC液體在點(diǎn)A處(參見圖9和圖10兩者)進(jìn)入第一太陽能功率源210。熱量從第一太陽能功率源210傳遞到ORC流體，使得在點(diǎn)B處ORC液體飽和但仍為液體。這在圖10中示出，其中曲線230顯示ORC流體的液體-蒸氣曲線。應(yīng)當(dāng)指出，ORC流體在區(qū)域232中為液體，在區(qū)域234中為液體和蒸氣的混合物，并且在區(qū)域236中為蒸氣。因此，第一功率源210被設(shè)計(jì)成(例如，尺寸設(shè)計(jì)成)使得ORC液體在點(diǎn)B處不在區(qū)域234內(nèi)部，即，其飽和但不汽化。
[0034]從這里，飽和的ORC液體被引導(dǎo)至且儲存在罐214中。如果第二太陽能功率源212工作，則控制裝置216被構(gòu)造成允許來自罐214的飽和ORC液體前進(jìn)到第二太陽能功率源212而不到二級熱源218。第二太陽能功率源212被構(gòu)造成使飽和的ORC液體汽化，使得在點(diǎn)C處所有流均呈蒸氣形式。因此，在從A到B轉(zhuǎn)變期間且還在從B到C轉(zhuǎn)變期間添加熱量。在特定示例中，并不意圖限制本發(fā)明，當(dāng)溫度在A處為約50°C、在B處為約230°C且在C處為約250°C時(shí)，在A和B之間添加的熱量為約400kJ/kg，并且在B和C之間添加的潛熱為約40kJ/kg。可以看到，該潛熱較低。ORC蒸氣然后被提供至渦輪機(jī)202以用于產(chǎn)生機(jī)械倉泛。
[0035]當(dāng)?shù)诙柲芄β试?12不可用時(shí)，控制裝置216被構(gòu)造成將飽和的ORC液體提供至二級熱源218，使得液體被轉(zhuǎn)化為蒸氣并提供至渦輪機(jī)202。應(yīng)當(dāng)指出，替代二級熱源218，可以使用節(jié)流壁(或節(jié)流裝置)220來等焓地降低飽和ORC液體的壓力以將其轉(zhuǎn)化為蒸氣，如圖10中由曲線B到D所示。這樣，飽和ORC液體的一部分保持液態(tài)，并且其一部分被轉(zhuǎn)化為蒸氣。應(yīng)當(dāng)指出，B到D轉(zhuǎn)變不僅導(dǎo)致壓力下降，而且導(dǎo)致溫度下降。然而，飽和ORC液體的一部分在不使用加熱源的情況下被汽化。ORC液體和蒸氣被提供至分離裝置222，其中頂部部分被蒸氣224占據(jù),而底部部分被液體226占據(jù)。分離裝置222不用于加熱源218。ORC蒸氣224被提供至渦輪機(jī)202，而ORC流體226可返回至罐214或第一太陽能功率源210或返回至閉環(huán)系統(tǒng)200的另一部分。
[0036]這樣，圖9和圖10中示出的實(shí)施例即使在太陽能不可用時(shí)也向渦輪機(jī)連續(xù)地提供必要的ORC蒸氣。
[0037]根據(jù)圖11所示的示例性實(shí)施例，存在使用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)產(chǎn)生電功率或機(jī)械功率的方法。該方法包括:步驟1100，將ORC液體通過在第一太陽能功率源內(nèi)加熱而在閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化成飽和的ORC液體；步驟1102，將飽和的ORC液體儲存在儲罐中；步驟1104，控制飽和的ORC液體向第二太陽能功率源或用于將飽和ORC液體轉(zhuǎn)化成ORC蒸氣的另一裝置的流動；步驟1106，使ORC蒸氣在渦輪機(jī)中膨脹以產(chǎn)生能量；以及步驟1108，將ORC蒸氣冷卻以將其變回ORC液體并使ORC液體返回至第一太陽能功率源。
[0038]所公開的示例性實(shí)施例提供了用于即使在太陽極暫時(shí)不可用時(shí)也將太陽能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能或電能的系統(tǒng)和方法。應(yīng)當(dāng)理解，該描述并非意圖限制本發(fā)明。相反，示例性實(shí)施例意圖覆蓋被包括在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的替代形式、修改和等同物。此外，在示例性實(shí)施例的詳細(xì)描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)，以便提供本發(fā)明的透徹理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，各種實(shí)施例可以在沒有此類具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)踐。
[0039]雖然所提出示例性實(shí)施例的特征和要素在實(shí)施例中以特定組合描述，但是每個(gè)特征或要素可在沒有實(shí)施例的其它特征和要素的情況下單獨(dú)使用，或者在有或沒有本文所公開的其它特征和要素的情況下以不同組合使用。
[0040]該書面描述使用所公開主題的示例來使得本領(lǐng)域任何技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何包括在內(nèi)的方法。本主題的可專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。此類其它示例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
[0041]上述示例性實(shí)施例在本發(fā)明的所有方面意圖為說明性的，而非限制性的。因此，本發(fā)明能夠由本領(lǐng)域技術(shù)人員對源于本文所包含的描述的詳細(xì)實(shí)施方式進(jìn)行許多變型。所有此類變型和修改被認(rèn)為在由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。在本申請的描述中使用的要素、動作或指令不應(yīng)解釋為對于本發(fā)明是關(guān)鍵的或必需的，除非明確描述如此。而且，如本文所用，用詞“一”意圖包括一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目。
【權(quán)利要求】
1.一種用于使用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)和ORC流體產(chǎn)生能量的閉環(huán)系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括:第一太陽能功率源，其被構(gòu)造成將ORC液體加熱成飽和ORC液體；第二太陽能功率源，其流體地連接到所述第一太陽能功率源且被構(gòu)造成使所述飽和 ORC液體汽化而變成ORC蒸氣；以及渦輪機(jī)，其被構(gòu)造成接收ORC蒸氣并通過使所述ORC蒸氣膨脹而產(chǎn)生機(jī)械能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，還包括:罐，其流體地連接在所述第一太陽能功率源與所述第二太陽能功率源之間，且被構(gòu)造成儲存所述飽和ORC液體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，還包括:控制裝置，其流體地連接在所述罐與所述第二太陽能功率源之間，且被構(gòu)造成控制所述飽和ORC液體到所述第二太陽能功率源的流動。
4.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，還包括:加熱裝置，其流體地連接到所述控制裝置且被構(gòu)造成使所述飽和ORC液體汽化，其中所述控制裝置被構(gòu)造成當(dāng)所述第二太陽能功率源不工作時(shí)將所述飽和ORC液體從所述罐引導(dǎo)到所述加熱裝置而不到所述第二太陽能功率源。
5.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，還包括:節(jié)流裝置，其流體地連接到所述控制裝置且被構(gòu)造成通過降低所述飽和ORC液體的壓力而使所述飽和ORC液體汽化，其中所述控制裝置被構(gòu)造成當(dāng)所述第二太陽能功率源不工作時(shí)將所述飽和ORC液體從所述罐引導(dǎo)到所述節(jié)流裝置而不到所述第二太陽能功率源。
6.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，還包括:分離罐，其流體地連接在所述節(jié)流裝置與所述渦輪機(jī)之間，且被構(gòu)造成將所述ORC蒸氣提供至所述渦輪機(jī)并將所述飽和ORC液體提供回所述罐或所述第一太陽能功率源。
7.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一太陽能功率源被構(gòu)造成不使所述ORC液體汽化。
8.根據(jù)任一項(xiàng)前述權(quán)利要求所述的閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，還包括:換熱器，其流體地連接到所述渦輪機(jī)的輸出且被構(gòu)造成從所述汽化的ORC流體去除熱量;冷卻裝置，其流體地連接到所述換熱器且被構(gòu)造成將所述汽化的ORC流體轉(zhuǎn)化回所述 ORC液體；以及泵，其流體地連接在所述冷卻裝置與所述換熱器之間，且被構(gòu)造成將所述ORC液體泵送至所述換熱器，其中，來自所述泵的所述泵送的ORC液體在所述換熱器中從來自所述渦輪機(jī)的膨脹器的所述汽化的ORC流體接收熱量。
9.一種用于使用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)和ORC流體產(chǎn)生能量的閉環(huán)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:渦輪機(jī)，其被構(gòu)造成將熱量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；換熱器，其流體地連接到所述渦輪機(jī)的輸出且被構(gòu)造成從所述汽化的ORC流體去除熱量;冷卻裝置，其流體地連接到所述換熱器且被構(gòu)造成將所述汽化的ORC流體轉(zhuǎn)化回所述 ORC液體；泵，其流體地連接在所述冷卻裝置與所述換熱器之間且被構(gòu)造成將所述ORC液體泵送至所述換熱器；第一太陽能功率源，其被構(gòu)造成通過加熱而將所述ORC液體轉(zhuǎn)化成飽和ORC液體；以及第二太陽能功率源，其流體地連接到所述第一太陽能功率源且被構(gòu)造成使所述飽和 ORC液體汽化而變成ORC蒸氣，其中，所述渦輪機(jī)被構(gòu)造成從所述第二太陽能功率源接收所述ORC蒸氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，還包括:罐，其流體地連接在所述第一太陽能功率源與所述第二太陽能功率源之間，且被構(gòu)造成儲存所述飽和ORC蒸氣。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或權(quán)利要求10所述的閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，還包括:控制裝置，其流體地連接在所述罐與所述第二太陽能功率源之間，且被構(gòu)造成控制所述飽和ORC液體到所述第二太陽能功率源的流動。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一項(xiàng)所述的閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，還包括:加熱裝置，其流體地連接在所述控制裝置與所述渦輪機(jī)之間且被構(gòu)造成使所述飽和 ORC液體汽化，其中所述控制裝置被構(gòu)造成當(dāng)所述第二太陽能功率源不工作時(shí)將所述飽和 ORC液體從所述罐引導(dǎo)到所述加熱裝置而不到所述第二太陽能功率源。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任一項(xiàng)所述的閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，還包括:節(jié)流裝置，其流體地連接到所述控制裝置且被構(gòu)造成通過降低所述飽和ORC的壓力而使所述飽和ORC液體汽化，其中所述控制裝置被構(gòu)造成當(dāng)所述第二太陽能功率源不工作時(shí)將所述飽和ORC液體從所述罐引導(dǎo)到所述節(jié)流裝置而不到所述第二太陽能功率源。`
14.根據(jù)權(quán)利要求9至13中任一項(xiàng)所述的閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，還包括:分離罐，其流體地連接在所述節(jié)流裝置與所述渦輪機(jī)之間，且被構(gòu)造成將所述ORC蒸氣提供至所述渦輪機(jī)并將所述飽和ORC液體提供回所述罐或所述第一太陽能功率源。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14中任一項(xiàng)所述的閉環(huán)系統(tǒng)，其特征在于，所述第一太陽能功率源被構(gòu)造成不使所述ORC液體汽化。
16.一種用于使用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)產(chǎn)生能量的方法，所述方法包括:將ORC液體通過在第一太陽能功率源內(nèi)加熱而在閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化成飽和ORC液體；將所述飽和ORC液體儲存在儲罐中；控制所述飽和ORC液體到第二太陽能功率源或用于將所述飽和ORC液體轉(zhuǎn)化成ORC蒸氣的另一裝置的流動；使所述ORC蒸氣在渦輪機(jī)中膨脹以產(chǎn)生所述能量；以及冷卻所述ORC蒸氣以將其變回所述ORC液體，并使所述ORC液體返回到所述第一太陽能功率源。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括:使所述飽和ORC流體在所述第二太陽能功率源中汽化，但不使所述ORC流體在所述第一太陽能功率源中汽化。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括:在將ORC蒸氣提供至所述渦輪機(jī)的膨脹器之前，利用熱源加熱來自控制裝置的所述飽和ORC液體以變成所述ORC蒸氣。
19.根據(jù)權(quán)利要求16至18中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括:在節(jié)流裝置中降低來自控制裝置的所述飽和ORC液體的壓力，以在將ORC蒸氣提供至所述渦輪機(jī)的膨脹器之前部分地變成所述ORC蒸氣。
20.根據(jù)權(quán)利要求16至19中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，還包括:使飽和ORC液體與ORC蒸氣在流體地連接在所述渦輪機(jī)與所述節(jié)流裝置之間的分離罐中分離。
【文檔編號】F03G6/00GK103597208SQ201280016237
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月1日
【發(fā)明者】B.科薩馬納, S.特, S.穆尼亞拉 申請人:諾沃皮尼奧內(nèi)有限公司