低品位热驱动低熔点金属相变蓄热发电系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于发电系统领域，具体地，涉及一种低品位热驱动低熔点金属相变蓄热发电系统。
【背景技术】
[0002]低品位热能温度较低，在能源的开发、转换、运输和利用过程中，能量在供应与需求之间，往往存在着数量上、形态上和时间上的差异，这种能量供需时间差与空间差矛盾是制约高效回收利用的主要瓶颈，比如:电力负荷的峰谷差，太阳能、风能和海洋能的间歇性，工业窑炉的间断运行以及工业余热和废热的不连续性等，现有的余热回收技术主要以直接回收利用为主，无法实现低温位余热的利用和热能的跨时间、跨区域梯级利用，导致能源综合利用效率较低，150°C以下的低品位热能问题尤为突出。而储能技术能解决能量供求在时间和空间上分配的不均匀性，可有效提高能源利用率，在电力的“削峰填谷”、航空航天、新能源利用、工业的热过程、民用建筑采暖等方面已得到广泛的应用。
[0003]目前，根据所用的能量形式，可将储能技术分为物理储能(抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)、电化学储能(二次电池、液流电池等)、化学储能(氢能、合成天然气等)、电力储能(超导线圈储能、超级电容器储能等)和热储能(熔融盐储能、显热储能、潜热储能等)。就热储能而言，显热储能技术操作简单、成本低廉，缺点是在能量释放过程中，储热材料温度不能保持恒定，且储能密度较低；潜热储能是利用物质在相变过程中吸收或放出相变潜热来进行能量储存与释放的技术，储热材料在相变过程中具有相变潜热大、储热密度高、吸放热过程近似等温、过程易控制等优点。因此，相变储能是一种极具竞争力的储能方式，已成为目前最主要的储热应用形式之一。
[0004]相较于高温金属相变储热材料的应用，低熔点金属及其合金传热储热材料的研宄起步较晚，从储热材料的设计、应用以及产品的设计和加工等方面，都有很大的提升空间，如:低熔点金属或其合金的热物性参数偏少，低熔点合金换热性能研宄较少，高温静态与动态下低熔点合金传热储热材料热稳定性、腐蚀性与环境效应研宄缺乏等。
[0005]综上所述，低熔点金属或合金传热储热材料的应用，是提升低品位热能高效存储与释放的措施之一。除此之外，对于低品位热能回收来讲，有机朗肯循环(organic Rankinecycle, ORC)发电技术采用低沸点有机物作为工质，其在60?70°C，甚至40?50°C就可以气化为蒸气，并推动膨胀机作功，将品位较低的热能转换为高品位的电能，故近年来ORC发电技术回收低品位能源备受关注。
[0006]就适用于ORC的有机工质而言，与单一组分工质相比，非共沸混合工质(由两种或多种沸点不同的纯工质组成)具有其独特优势:由于非共沸工质相变时的温度滑移特性，只要混合物中各组分配比适当，使混合工质蒸气在膨胀过程中接近等熵流体(dT/dS — 土⑴)，就可使工质与换热流体之间的换热温差保持良好的匹配，从而减少换热过程中的不可逆损失。
[0007]前已述及，150°C以下低品位热能的供需时间差与空间差矛盾尤为突出，传统的余热回收利用技术无法扭转这种局面，能量转换与利用效率偏低。如何摆脱传统思维模式的束缚，以崭新视角审视低品位热能的存储与释放，是值得深入探讨的一个重要课题。
[0008]申请公布号为CN102620534A(申请公布日为2012年8月I日)的专利“一种应用于太阳能干燥器的低熔点合金相变蓄热装置”，提供一套基于Sn、Zn、Bi等低熔点金属元素组成的，适合中温储热领域的相变蓄热装置。该装置具有进出料方便、安全可靠且换热效率高等特点，但该装置并不适用于100°C以下的热源。
[0009]申请公布号为CN102927843A(申请公布日为2013年2月13日)的专利“基于液态金属传热的烟气余热回收系统”，提供一套利用液态金属对烟气余热进行回收的系统，该系统具有适用温区广、耐高温、安装维修方便等特点。
[0010]申请公布号为CN103758595A(申请公布日为2014年4月30日)的专利“多压补汽式低沸点有机工质朗肯循环系统”，提供一套高效利用100?350°C范围内的中低温热液或者烟气热源的发电系统，该系统能克服蒸发温度与热回收率的矛盾，使中低温余热资源得到梯级利用。
[0011]但上述两系统并未考虑余热热源间歇性问题，以及余热存储问题。显然，寻求适合于150°C以下低品位热的储热介质和取热介质成为解决问题的首要任务。对某些低熔点金属来讲，比如镓，其熔点仅为29.8°C，接近环境温度，与其它低熔点金属相比，镓的熔化潜热较高，约为80.12kJ/kg，且不可燃、无毒，价格相对较便宜。对某些有机工质来讲，如R245fa和R601a，沸点分别为15.1°C和27.8°C，两者的臭氧消耗潜能值(ozone deplet1npotential, ODP)均为零，环境友好性强，且前者为干流体，后者为湿流体，两者以适量配比混合后可接近等熵流体。
【发明内容】
[0012]本发明针对本领域现有技术存在的问题，提供一种以150°C以下低品位热为驱动源，以低熔点金属相变蓄热的发电系统。
[0013]本发明的低品位热驱动低熔点金属相变蓄热发电系统，包括相变储/释热系统、有机工质透平发电系统和冷却水循环系统；
[0014]所述的相变储/释热系统包括相变蓄热换热器I及相应的低品位热入口 la、低品位热出口 Ib以及连接管道，所述相变蓄热换热器I内部空间左右两侧各安装有带翅片的第一内螺纹管2a和带翅片的第二内螺纹管2b，其中，每根带翅片的内螺纹管一端与低品位热入口管道连接，另一端与低品位热出口管道连接，优选地，该两根带翅片的内螺纹管水平且平行放置；在两根带翅片的内螺纹管之间的中部空间位置安装有一根蛇形盘管3，该蛇形盘管一端与有机工质入口管道连接，另一端与有机工质出口管道连接；
[0015]所述蛇形盘管3水平放置，并与两根带翅片的内螺纹管平行；低品位热入口 Ia处，设置有一段低品位热流入口主管道，之后该主管道在同一点处分解为两根支管道，该两根支管道的另一端分别与两根带翅片的内螺纹管一端相连；低品位热流出口 Ib处，一端分别与两根带翅片的内螺纹管相连的两根支管道，在另一端于同一点处汇合，且形成一段低品位热流出口主管道；
[0016]所述的相变蓄热换热器内部填充有适量的低熔点金属；所述低熔点金属填充盖过带翅片的第一内螺纹管2a、带翅片的第二内螺纹管2b和蛇形盘管3即可。
[0017]所述蛇形盘管3内填充有机工质。
[0018]根据本发明的低品位热驱动低熔点金属相变蓄热发电系统，所述的有机工质透平发电系统包括气液分离器4、有机工质透平5、联轴器6、发电机7、第一换热器8、第二换热器
9、储液罐10、第一循环泵11、第三换热器12和第二循环泵13，所述相变蓄热换热器I的有机工质出口，通过管道与气液分离器4的入口连接；所述气液分离器4的气体出口通过管道与有机工质透平5的入口连接，所述气液分离器4的液体出口，通过管道与第三换热器12热侧流体入口连接，第三换热器12热侧流体出口，通过管道与有机工质透平5的排气管道相连；所述第一换热器8热侧一端与有机工质透平5的排气管道相连，另一端与第二换热器9热侧入口相连，第一换热器8冷侧一端，通过管道与第一循环泵11出口相连，另一端通过管道与第三换热器12冷侧入口相连；所述第二换热器9热侧出口通过管道与储液罐10 A口相连，储液罐10出口通过管道与第一循环泵11入口相连；所述第三换热器12冷侧出口通过管道与第二循环泵13入口相连，第二循环泵13出口通过管道与相变蓄热换热器I的有机工质入口相连；
[0019]所述的有机工质透平5与发电机7同轴布置，并通过联轴器6连接；
[0020]所述的冷却水循环系统包括风机14、空冷散热器15、冷却水箱16和第三循环泵17 ;所述空冷换热器15 —端通过管道与第二换热器9冷侧出口连接，空冷散热器15另一端通过管道与冷却水箱16 —端连接；所述风机14设置在空冷散热器15的一侧，所述冷却水箱16另一端通过管道与第三循环泵17入口连接，所述第三循环泵17出口通过管道与第二换热器9冷侧入口连接。
[0021]本发明所述的150°C以下低品位热源优选为热烟气或热水。
[0022]所述的低熔点金属优选为镓。
[0023]所述的有机工质优选为R245fa和R601a的混合物。
[0024]所述的R245fa和R601a的质量配比需根据150°C以下低品位热源的温度及其流量具体确定。作为优选地，所述150°C以下低品位热源的热流量为44.27?221.34kW，所述镓的填充量为0.43?2.lt，所述有机工质填充量为0.11?0.54t，其中，所述R245fa和R601a的质量比为1:2?5:2。
[0025]本发明与现有技术相比具有显著进步和积极效果:
[0026](I)利用金属镓较低温度时即可发生固液相变的特性(熔点为29.8°C )以及较高的熔化潜热(80.lkj/kg)，完成低品位热(温度<150°C )的存储；利用二元非共沸混合有机工质(R245fa沸点为15.l°C，R601a沸点为27.8°C )温度滑移特性，实现低品位热的吸收；两者的有机结合，更有益于150°C以下低品位热的高效存储与释放。
[0027](2)第一换热器与第三换热器的联合设置，增大了低沸点有机工质膨胀时推动透平旋转的输出功，提高了将低品位热能转换为高品位电能的能力，使整套系统内部的能量得以充分利用。
【附图说明】
[0028]图1为本发明的低品位热驱动低熔点金属相变蓄热发电系统示意图。
[0029]附图标记
[0030]1、相变蓄热换热器 la、低品位热入口 lb、低品位热出口
[0031]2a、第一内螺纹管2b、第二内螺纹管3、蛇形盘管4、气液分离器
[0032]5、有机工质透平6、联轴器7、发电机8、第一换热器
[0033]9、第二换热器10、储液罐n、第一循环泵12、第三换热器
[0034]13、第二循环泵14、风机15、空冷散热器16、冷却水箱
[0035]17、