专利摘要

本发明公开了一种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，其中，相变储/释热系统由相变蓄热换热器及相应的进出口连接管道组成。本发明利用金属镓较低温度时即可发生固液相变的特性以及较高的熔化潜热，完成低品位热的存储，利用二元非共沸混合有机工质(R245fa沸点为15.1℃，R601a沸点为27.8℃)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℃以下低品位热的高效存储与释放；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。

权利要求

1.一种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，其特征在于，

所述的相变储/释热系统包括相变蓄热换热器(1)及相应的低品位热入口(1a)、低品位热出口(1b)以及连接管道，所述相变蓄热换热器(1)内部分别安装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，在两根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；

所述相变蓄热换热器(1)内部填充有低熔点金属；

所述蛇形盘管(3)内填充有机工质，所述有机工质为R245fa和R601a的混合物。

2.根据权利要求1所述的相变蓄热发电系统，其特征在于，所述低熔点金属为镓。

3.根据权利要求1所述的相变蓄热发电系统，其特征在于，所述低熔点金属的填充量为0.43～2.1t，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。

4.根据权利要求1所述的相变蓄热发电系统，其特征在于，所述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)平行水平设置。

5.根据权利要求1-4任一所述的相变蓄热发电系统，其特征在于，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)。

6.根据权利要求1所述的相变蓄热发电系统，其特征在于，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(1)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)入口相连，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(1)的有机工质入口相连。

7.根据权利要求1或6所述的相变蓄热发电系统，其特征在于，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)；所述空冷散热器(15)一端通过管道与有机工质透平发电系统的第二换热器(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)一端连接；所述风机(14)设置在空冷散热器(15)的一侧，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)出口通过管道与有机工质透平发电系统的第二换热器(9)冷侧入口连接。

8.根据权利要求1-4任一所述的相变蓄热发电系统，其特征在于，所述的低品位热为150℃以下的热烟气或热水，且热烟气或热水的热流量为44.27～221.34kW。

说明书

技术领域

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

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℃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。

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。

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究起步较晚，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究较少，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究缺乏等。

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 Rankine cycle，ORC)发电技术采用低沸点有机物作为工质，其在60～70℃，甚至40～50℃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。

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→±∞)，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。

前已述及，150℃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。

申请公布号为CN102620534A(申请公布日为2012年8月1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℃以下的热源。

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。

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℃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。

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℃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℃，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℃和27.8℃，两者的臭氧消耗潜能值(ozone depletion potential,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

本发明针对本领域现有技术存在的问题，提供一种以150℃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。

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；

所述的相变储/释热系统包括相变蓄热换热器1及相应的低品位热入口1a、低品位热出口1b以及连接管道，所述相变蓄热换热器1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；

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1a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1b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；

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。

所述蛇形盘管3内填充有机工质。

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1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入口相连，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1的有机工质入口相连；

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；

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15一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16一端连接；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。

本发明所述的150℃以下低品位热源优选为热烟气或热水。

所述的低熔点金属优选为镓。

所述的有机工质优选为R245fa和R601a的混合物。

所述的R245fa和R601a的质量配比需根据150℃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℃以下低品位热源的热流量为44.27～221.34kW，所述镓的填充量为0.43～2.1t，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。

本发明与现有技术相比具有显著进步和积极效果：

(1)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℃)以及较高的熔化潜热(80.1kJ/kg)，完成低品位热(温度<150℃)的存储；利用二元非共沸混合有机工质(R245fa沸点为15.1℃，R601a沸点为27.8℃)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℃以下低品位热的高效存储与释放。

(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

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。

附图标记

1、相变蓄热换热器   1a、低品位热入口  1b、低品位热出口

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

5、有机工质透平     6、联轴器         7、发电机       8、第一换热器

9、第二换热器       10、储液罐        11、第一循环泵  12、第三换热器

13、第二循环泵      14、风机          15、空冷散热器  16、冷却水箱

17、第三循环泵

具体实施方式

如图1所示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，

相变储/释热系统包括相变蓄热换热器1及相应的低品位热入口1a、低品位热出口1b以及连接管道，所述相变蓄热换热器1内部空间左右两侧各安装有一根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2a、2b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，该两根带翅片的内螺纹管2a、2b水平且平行放置；在两根带翅片的内螺纹管2a、2b之间的中部空间位置，安装有一根蛇形盘管3，该蛇形盘管3一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，且该蛇形盘管3水平放置，并与两根带翅片的内螺纹管2a、2b平行；低品位热流入口处，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2a、2b一端相连；低品位热流出口处，一端分别与两根带翅片的内螺纹管2a、2b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。

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，相变蓄热换热器1的有机工质出口，通过管道与气液分离器4的入口连接，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，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排气管道相连，第一换热器8热侧一端与有机工质透平5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，第二换热器9热侧出口通过管道与储液罐10入口相连，储液罐10出口通过管道与第一循环泵11入口相连，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，而第二循环泵13出口通过管道与相变蓄热换热器1的有机工质入口相连。

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，第二换热器9冷侧出口通过管道与空冷散热器15一端连接，空冷散热器15另一端通过管道与冷却水箱16一端连接，风机14设置在空冷散热器15的一侧，冷却水箱16另一端通过管道与第三循环泵17入口连接，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。

优选地，相变蓄热换热器1外壳由透明石英玻璃制成，而在相变蓄热换热器1内部空间中填充适量的金属镓。低沸点有机工质为R245fa和R601a的混合物。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。

其具体工艺流程如下：

(1)150℃以下热烟气或热水经两根带翅片的第一内螺纹管2a和第二内螺纹管2b分别与相变蓄热换热器1中温度较低的固态镓换热，固态镓吸热后温度升高，由固态转变为液态。温度较低的R245fa和R601a液态有机工质混合物经蛇形盘管3与高温液态镓换热，高温液态镓放热后温度降低，将热量传递给液态有机工质混合物，镓由液态转变为固态。液态有机工质混合物吸热后温度升高，转变为高温高压蒸气。

(2)由相变蓄热换热器1出来的高温高压的有机工质蒸气(其中可能含有少量液体)，经连接管道进入气液分离器4。由气液分离器4出来的高温高压蒸气进入有机工质透平5膨胀，推动有机工质透平5旋转的同时，通过联轴器6带动发电机7发电。由气液分离器4出来的高温液体，进入第三换热器12，与来自第一换热器8冷侧的流体交换热量后，通过管道与来自有机工质透平5的乏气混合，之后进入第一换热器8。由第一换热器8热侧出来的流体继续进入第二换热器9，与来自第三循环泵17的冷却循环水交换热量后，温度继续降低，转变为混合有机工质液体，进入储液罐10。混合有机工质液体，由储液罐10，经第一循环泵11被依次输送至第一换热器8和第三换热器12，并在第二循环泵13的抽吸作用下，返回相变蓄热换热器1。

(3)由第二换热器9冷侧流出的循环冷却水，进入空冷散热器15，通过风机14的高速旋转进行强制冷却，降温后的冷却水流入冷却水箱16，而第三循环泵17将温度较低的冷却水由冷却水箱16泵送至第二换热器9，使其与来自第一换热器8热侧的流体进行换热。

若取用130℃的热烟气作为低品位余热源，其流量为10000Nm³/h，要求烟气温度最终降低到70℃。采用本发明中所述的相变蓄热发电系统后，发电机轴端输出电功率约为86.7kW，其中，本实施例中镓填充量为1.6t，有机混合工质总量为0.4t，有机混合工质R245fa与R601a的质量比为3:2。按每节约1度电可节约0.4kg标煤，减排0.997kg二氧化碳，0.03kg二氧化硫，0.015kg氮氧化物计，若该相变蓄热发电系统年运行7500h，则年可减排260.1吨标煤，648.3吨二氧化碳，19.5吨二氧化硫，9.75吨氮氧化物。

当然，本发明还可以有多种实施例，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的公开做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的权利要求的保护范围。

低品位热驱动低熔点金属相变蓄热发电系统专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。