本實(shí)用新型屬于節(jié)能環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于螺桿膨脹技術(shù)的有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle，簡(jiǎn)稱ORC)太陽能綜合利用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

太陽能作為一種可再生的新能源，其清潔、環(huán)保、取之不盡、用之不竭的優(yōu)勢(shì)成為人們應(yīng)對(duì)能源短缺與節(jié)能減排的重要焦點(diǎn)之一。現(xiàn)階段，太陽能主要有光熱利用與光電利用，但由于太陽能輻射能量密度很低，并且隨地域差異、晝夜交替和季節(jié)變化等規(guī)律性變化，太陽能熱利用表現(xiàn)出明顯的間斷性和不穩(wěn)定性；除此之外，我國光伏產(chǎn)業(yè)的原材料主要依靠進(jìn)口，使得光伏發(fā)電應(yīng)用的成本很高，同時(shí)光伏產(chǎn)業(yè)面臨的低端產(chǎn)能過剩、企業(yè)盈利能力普遍不強(qiáng)等問題也制約了光電轉(zhuǎn)化技術(shù)的應(yīng)用。

太陽能熱電站的總效率取決于太陽能集熱器的效率與發(fā)電效率，現(xiàn)有太陽能集熱裝置一般采用圓管型低倍聚焦復(fù)合拋物面集熱器(Compound Parabolic Concentrator，簡(jiǎn)稱CPC)，它是依據(jù)光線在槽型拋物面反射鏡聚焦為線型聚光斑帶進(jìn)行集熱，通過將多個(gè)槽型拋物面聚光集熱裝置串、并聯(lián)，可獲得高溫，加熱工質(zhì)。

但是，目前圓管型CPC集熱裝置的角度調(diào)節(jié)裝置多用液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)支架跟蹤太陽，這樣就使得其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)龐大和復(fù)雜，液壓系統(tǒng)也存在泄漏等一些問題，同時(shí)為了使其追蹤精度能夠精確一些，液壓機(jī)構(gòu)和光傳感器的要求也要提高，這就使得投入的成本很高，設(shè)計(jì)的整個(gè)支架也較為復(fù)雜。太陽能屬于低溫、低壓、不穩(wěn)定的低品位能源，如何高效綜合回收這種低品位能源并轉(zhuǎn)化成高品位能源(如電能、熱能)，對(duì)解決我國能源短缺和能源結(jié)構(gòu)的問題將有重 大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于螺桿膨脹技術(shù)的有機(jī)朗肯循環(huán)太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過光電轉(zhuǎn)化與光熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)滿足生產(chǎn)生活中用電、用熱需求，可實(shí)現(xiàn)太陽能的梯級(jí)利用，也可達(dá)到節(jié)能增效的目的。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是：基于螺桿膨脹技術(shù)的有機(jī)朗肯循環(huán)太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的連接管路、驅(qū)動(dòng)線路和發(fā)電機(jī)；所述太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由CPC集熱回路、ORC回路和供熱回路三個(gè)系統(tǒng)回路組成；所述CPC集熱回路由集熱器場(chǎng)、蓄熱器、第一循環(huán)泵、蒸發(fā)器、低溫儲(chǔ)熱裝置和第二循環(huán)泵連接組成；所述ORC回路由蒸發(fā)器、雙螺桿膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、第三循環(huán)泵和冷凝器連接組成；所述供熱回路由第四循環(huán)泵、低溫儲(chǔ)熱裝置、供熱終端裝置和輔助熱源連接組成；

所述CPC集熱回路由循環(huán)支路G1、循環(huán)支路G2和循環(huán)支路G3三條支路構(gòu)成；所述循環(huán)支路G1由集熱器場(chǎng)、蓄熱器和第一循環(huán)泵依次串聯(lián)連接組成；所述循環(huán)支路G2由集熱器場(chǎng)、蒸發(fā)器、低溫儲(chǔ)熱裝置和第二循環(huán)泵依次串聯(lián)連接組成；所述循環(huán)支路G3由蓄熱器、蒸發(fā)器、低溫儲(chǔ)熱裝置和第二循環(huán)泵依次串聯(lián)連接組成；

所述蒸發(fā)器、雙螺桿膨脹機(jī)、冷凝器和第三循環(huán)泵依次串聯(lián)形成所述ORC回路；所述雙螺桿膨脹機(jī)通過所述發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)相連；

所述供熱終端裝置和輔助熱源相并聯(lián)后再與所述低溫儲(chǔ)熱裝置、第四循環(huán)泵依次串聯(lián)形成所述供熱回路；

所述蓄熱器上設(shè)有與之并聯(lián)的第一控制閥，所述低溫儲(chǔ)熱裝置上設(shè)有與之并聯(lián)的第二控制閥，所述供熱終端裝置上設(shè)有與之并聯(lián)的第三控制閥。

所述集熱器場(chǎng)由多個(gè)集熱器通過串聯(lián)、并聯(lián)或串聯(lián)并聯(lián)組合三種方式中的任何一種方式構(gòu)成。

所述集熱器下方設(shè)有熱敏材料支架，熱敏材料支架與集熱器采用螺栓連接，通過熱敏材料熱縮冷脹的尺寸變化來調(diào)節(jié)集熱器所處的角度。

所述雙螺桿膨脹機(jī)設(shè)置在蒸發(fā)器的有機(jī)工質(zhì)流出端TR₂與冷凝器的有機(jī)工質(zhì)流入端TL₁之間的回路上。

所述第三循環(huán)泵設(shè)置在蒸發(fā)器的有機(jī)工質(zhì)流入端TR₁與冷凝器的有機(jī)工質(zhì)流出端TL₂之間的回路上。

本實(shí)用新型的有益效果為：本實(shí)用新型提出的基于螺桿膨脹技術(shù)的有機(jī)朗肯循環(huán)太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)布局緊湊，工作原理清晰，由CPC集熱回路、ORC回路和供熱回路三個(gè)系統(tǒng)回路組成，集熱器下方設(shè)置采用螺栓連接的熱敏材料支架，通過熱敏材料熱縮冷脹的尺寸變化來調(diào)節(jié)集熱器所處的角度，該支架替代了傳統(tǒng)的光傳感器和液壓驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)兩大部分，在滿足集熱功能的前提下，使得整個(gè)集熱器裝置的復(fù)雜程度得到了簡(jiǎn)化，大大降低了其在運(yùn)行中的跟蹤故障率，梯級(jí)回收利用太陽能能量可以滿足生產(chǎn)生活用電、用熱等不同需求，減輕人們對(duì)于傳統(tǒng)能源的依賴性，對(duì)于節(jié)能減排與環(huán)境保護(hù)具有深遠(yuǎn)的意義。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型循環(huán)線路示意圖。

圖3為本實(shí)用新型中集熱器在上午時(shí)刻追蹤太陽的角度示意圖。

圖4為本實(shí)用新型中集熱器在中午時(shí)刻追蹤太陽的角度示意圖。

圖5為本實(shí)用新型中集熱器在下午時(shí)刻追蹤太陽的角度示意圖。

圖中：集熱器場(chǎng)1、蓄熱器2、蒸發(fā)器3、雙螺桿膨脹機(jī)4、發(fā)電機(jī)5、冷凝 器6、低溫儲(chǔ)熱裝置7、供熱終端裝置8、輔助熱源9、第一循環(huán)泵10、第二循環(huán)泵11、第三循環(huán)泵12、第四循環(huán)泵13、第一控制閥14、第二控制閥15、第三控制閥16、CPC集熱回路Ⅰ、ORC回路Ⅱ、供熱回路Ⅲ。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明：

如圖1-5所示，基于螺桿膨脹技術(shù)的有機(jī)朗肯循環(huán)太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需的連接管路、驅(qū)動(dòng)線路和發(fā)電機(jī)5；太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由CPC集熱回路Ⅰ、ORC回路Ⅱ和供熱回路Ⅲ三個(gè)系統(tǒng)回路組成；CPC集熱回路由集熱器場(chǎng)1、蓄熱器2、第一循環(huán)泵10、蒸發(fā)器3、低溫儲(chǔ)熱裝置7和第二循環(huán)泵11連接組成；ORC回路由蒸發(fā)器3、雙螺桿膨脹機(jī)4、發(fā)電機(jī)5、第三循環(huán)泵12和冷凝器6連接組成；供熱回路由第四循環(huán)泵13、低溫儲(chǔ)熱裝置7、供熱終端裝置8和輔助熱源9連接組成；

如圖1所示，基于螺桿膨脹技術(shù)的有機(jī)朗肯循環(huán)太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，CPC集熱回路由循環(huán)支路G1、循環(huán)支路G2和循環(huán)支路G3三條支路構(gòu)成；循環(huán)支路G1由集熱器場(chǎng)1、蓄熱器2和第一循環(huán)泵10依次串聯(lián)連接組成；循環(huán)支路G2由集熱器場(chǎng)1、蒸發(fā)器3、低溫儲(chǔ)熱裝置7和第二循環(huán)泵11依次串聯(lián)連接組成；循環(huán)支路G3由蓄熱器2、蒸發(fā)器3、低溫儲(chǔ)熱裝置7和第二循環(huán)泵11依次串聯(lián)連接組成；蒸發(fā)器3、雙螺桿膨脹機(jī)4、冷凝器6和第三循環(huán)泵12依次串聯(lián)形成ORC回路；雙螺桿膨脹機(jī)4通過所述發(fā)電機(jī)5驅(qū)動(dòng)相連；供熱終端裝置8和輔助熱源9相并聯(lián)后再與低溫儲(chǔ)熱裝置7、第四循環(huán)泵13依次串聯(lián)形成所述供熱回路；蓄熱器2上設(shè)有與之并聯(lián)的第一控制閥14，低溫儲(chǔ)熱裝置7上設(shè)有與之并聯(lián)的第二控制閥15，供熱終端裝置8上設(shè)有與之并聯(lián)的第三控制閥16。

如圖1所示，基于螺桿膨脹技術(shù)的有機(jī)朗肯循環(huán)太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，集熱器場(chǎng) 1由多個(gè)集熱器通過串聯(lián)、并聯(lián)或串聯(lián)并聯(lián)組合三種方式中的任何一種方式構(gòu)成。集熱器下方設(shè)有熱敏材料支架，熱敏材料支架與集熱器采用螺栓連接，通過熱敏材料熱縮冷脹的尺寸變化來調(diào)節(jié)集熱器所處的角度。雙螺桿膨脹機(jī)4設(shè)置在蒸發(fā)器3的有機(jī)工質(zhì)流出端TR₂與冷凝器6的有機(jī)工質(zhì)流入端TL₁之間的回路上。第三循環(huán)泵12設(shè)置在蒸發(fā)器3的有機(jī)工質(zhì)流入端TR₁與冷凝器6的有機(jī)工質(zhì)流出端TL₂之間的回路上。

如圖1-2所示，基于螺桿膨脹技術(shù)的有機(jī)朗肯循環(huán)太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體連接如下：CPC集熱回路Ⅰ中，集熱器通過串聯(lián)、并聯(lián)或串聯(lián)并聯(lián)組合組成集熱器場(chǎng)1，集熱器場(chǎng)1分別與蓄熱器2、第一循環(huán)泵10和蒸發(fā)器3、低溫儲(chǔ)熱裝置7、第二循環(huán)泵11通過密封管路形成兩條導(dǎo)熱液循環(huán)支路G₁、G₂，以完成能量的梯級(jí)回收與儲(chǔ)存，其中循環(huán)支路G₂中第一控制閥14與蒸發(fā)器3并聯(lián)，用以控制導(dǎo)熱液進(jìn)入蒸發(fā)器3中的流量；第二控制閥15與低溫儲(chǔ)熱裝置7并聯(lián)，用以調(diào)節(jié)進(jìn)入低溫儲(chǔ)熱裝置7中的導(dǎo)熱液流量。蓄熱器2與蒸發(fā)器3、低溫儲(chǔ)熱裝置7、第二循環(huán)泵11通過密封管路形成導(dǎo)熱液循環(huán)通路G₃。蓄熱器2包括導(dǎo)熱液入口X₁、導(dǎo)熱液出口X₂、導(dǎo)熱液入口C₁和導(dǎo)熱液出口C₂；蒸發(fā)器3包括導(dǎo)熱液入口TS₁、導(dǎo)熱液入口TS₂、有機(jī)工質(zhì)入口TR₁和有機(jī)工質(zhì)出口TR₂。ORC回路Ⅱ中，蒸發(fā)器3和有機(jī)工質(zhì)入口TR₁、有機(jī)工質(zhì)出口TR₂形成了加熱通路；冷凝器6和冷卻水入口TL₁、冷卻水出口TL₂形成了冷卻通路。在蒸發(fā)器3的有機(jī)工質(zhì)流出端與冷凝器6的有機(jī)工質(zhì)流入端之間的有機(jī)工質(zhì)循環(huán)回路上設(shè)置有雙螺桿膨脹機(jī)4；在蒸發(fā)器3的有機(jī)工質(zhì)流入端與冷凝器6的有機(jī)工質(zhì)流出端之間的有機(jī)工質(zhì)循環(huán)回路上設(shè)置有循環(huán)泵03；雙螺桿膨脹機(jī)4的輸出軸連接發(fā)電機(jī)5。供熱回路Ⅲ中，供熱終端裝置8、輔助熱源9、第三控制閥16采用閾值控制電路連接方法與低溫儲(chǔ)熱裝置7串聯(lián)形成低溫低壓工質(zhì)流通回路。

如圖1-2所示，基于螺桿膨脹技術(shù)的有機(jī)朗肯循環(huán)太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體工作過程是：

CPC集熱回路Ⅰ中，集熱器場(chǎng)1吸收太陽輻照，集熱器內(nèi)導(dǎo)熱介質(zhì)溫度升高，其中一部分導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)入支路G₂通過蒸發(fā)器3把熱量傳給ORC工質(zhì)，溫度下降后的導(dǎo)熱介質(zhì)熱量與低溫儲(chǔ)熱裝置7進(jìn)行換熱，導(dǎo)熱介質(zhì)溫度進(jìn)一步下降，最后通過第二循環(huán)泵11將導(dǎo)熱介質(zhì)送入集熱器群，完成支路循環(huán)；另一部分導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)入支路G₁把熱量傳給蓄熱材料，將多余的太陽熱能儲(chǔ)存在蓄熱裝置中，當(dāng)陰天或太陽能供熱不足時(shí)，利用蓄熱器2向末端供熱。對(duì)于低溫容易凍結(jié)的導(dǎo)熱介質(zhì)，必須有輔助加熱器維持導(dǎo)熱介質(zhì)溫度，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

CPC集熱回路Ⅰ釆用溫差控制循環(huán)泵01的啟閉。具體操作如下：通過溫度傳感器測(cè)量集熱器群的出口溫度T₀與蓄熱器2的底部溫度T₁，當(dāng)T₀與T₁的溫差達(dá)到設(shè)定值ΔT時(shí)，溫差控制器發(fā)出信號(hào)，第一循環(huán)泵10開始運(yùn)行，使蓄熱器2溫度維持恒定；當(dāng)太陽光照不足或其他天氣時(shí)，集熱器群無法完全充分工作，即T₀＜＜T₁，溫差控制器發(fā)出信號(hào)，第一循環(huán)泵10停止運(yùn)行，此時(shí)ORC回路與供熱回路的熱量就由蓄熱器2通過支路G₃提供，實(shí)現(xiàn)能量的不間斷供應(yīng)。

ORC回路Ⅱ中，有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器3中與導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行充分換熱，有機(jī)工質(zhì)定壓吸熱后，高壓氣體進(jìn)入雙螺桿膨脹機(jī)4膨脹做功，推動(dòng)雙螺桿轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，通過陽轉(zhuǎn)子輸出功，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)5發(fā)電；雙螺桿膨脹機(jī)4尾部排出的有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器6中定壓冷凝；冷凝器6出口的有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過第三循環(huán)泵12加壓后進(jìn)入蒸發(fā)器3完成一次發(fā)電循環(huán)。

供熱回路Ⅲ中，通過溫度傳感器測(cè)量低溫儲(chǔ)熱裝置7的溫度T_M與供熱終端裝置8的溫度T_N，當(dāng)T_M，T_N＞T(T為設(shè)定值)時(shí)，閾值控制器發(fā)出信號(hào)，控制閥C開啟，輔助熱源9停止工作，第四循環(huán)泵13停止工作；當(dāng)T_M＞T＞T_N，閾值控 制器發(fā)出信號(hào)，控制閥C開啟，輔助熱源9停止工作，第四循環(huán)泵13開始工作；當(dāng)T_M，T_N＜T，為了保證供熱終端裝置8正常使用，閾值控制器發(fā)出信號(hào)，控制閥C關(guān)閉，輔助熱源9開始工作，第四循環(huán)泵13停止工作。供熱終端裝置8可采取熱水系統(tǒng)或采暖系統(tǒng)，以便冬天可直接提供建筑采暖熱能，夏季可直接為吸收制冷循環(huán)熱量，避免電熱轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)。

第一控制閥14、第二控制閥15的啟閉主要是依據(jù)用戶的不同需求進(jìn)行選擇，例如當(dāng)用戶只需要供電功能時(shí)，關(guān)閉第一控制閥14，打開第二控制閥15，此時(shí)供熱回路Ⅲ便被旁路，導(dǎo)熱介質(zhì)通過蒸發(fā)器3換熱后經(jīng)過第二循環(huán)泵11進(jìn)入集熱器場(chǎng)1的溫差相比供電、供熱功能全部使用時(shí)的小，則導(dǎo)熱介質(zhì)停留集熱器場(chǎng)1的時(shí)間縮短，有利于系統(tǒng)效率的提高；其它供熱或供熱/供電功能控制方式與前述所舉案例類似，此處不再贅述。特別注意的是，通過第一控制閥14開口的大小可以間接地控制進(jìn)入雙螺桿膨脹機(jī)4的流量Q，從而到達(dá)調(diào)節(jié)雙螺桿膨脹機(jī)4轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步控制發(fā)電機(jī)5發(fā)電量的目的。

如圖3-5所示，基于螺桿膨脹技術(shù)的有機(jī)朗肯循環(huán)太陽能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的角度調(diào)節(jié)原理如下：利用熱敏材料(銻、鉍、鎵等金屬)遇熱收縮、受冷膨脹，隨溫度發(fā)生變化的規(guī)律這一反常特性來調(diào)整集熱器所處的角度，從而達(dá)到追蹤太陽光的目的。采用螺栓連接方式將熱敏材料支架與CPC集熱器連接固定，具有方便快捷、易維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。

圖3是上午時(shí)，太陽位于南偏東的位置，由于太陽照射到東面的熱敏支撐材料，使得東面的熱敏材料受熱收縮，從而改變集熱器的角度達(dá)到追蹤太陽光的目的；圖4是中午時(shí)，太陽位于正南方向的位置，此時(shí)兩邊的熱敏支撐材料受熱收縮的長(zhǎng)度相同，因此集熱器也是處于不偏轉(zhuǎn)的正中位置；圖5是下午時(shí)，太陽位于南偏西的位置，由于太陽照射到西面的熱敏支撐材料，使得西面的熱 敏材料受熱收縮，從而改變集熱器的角度為南偏西去追蹤太陽光。