小型ORC发电及热泵一体化模块式实验装置及方法

小型orc发电及热泵一体化模块式实验装置及方法
技术领域
1.本发明涉及教学设备制造技术领域，具体地说是涉及一种小型orc发电及热泵一体化模 块式实验装置及方法。


背景技术：

2.(1)原有的技术是什么样的
3.有机肯朗循环(organic rankine cycle，简称orc)是将低品位能转换为电能，既有利 于解决能源问题，又减少碳污染的排放，提高了能源的利用效率。orc发电是通过有机工质 与其它热源换热后推动膨胀机发电机做功的一种技术。orc技术可大量地应用于各类低温余 热发电领域，热源主要来自工业余热、地热、生物质能的燃烧及太阳能。中华人民共和国国 家知识产权局于2019年7月5日公开了专利号为cn201910381126.0的专利文献，名称为一 种蓄热式orc热交换系统及发电系统，该系统通过调节液态有机工质进入蓄热式过热器中方 式，提高热源的稳定性。但该系统对于控制热源稳定技术形式还较为单一，只改变工质循环 的方式，仅限于将热量储存于工质中并加以利用。中华人民共和国国家知识产权局于2021年 10月15日公开了专利号为cn214406436u的专利文献，名称为一种水源热泵机组余热回收装 置，该系统通过利用热泵技术与工业蒸汽相结合，提高了系统的换热效率。但其系统的设计 构想只适用于工业环境，并没有考虑在系统装置的机构上作出相应的设计。中华人民共和国 国家知识产权局于2018年9月25日公开了专利号为cn207907328u的专利文献，名称为热水 型太阳能空气能热电联产一体化系统，该系统将orc发电和热泵结合到一起形成一种orc发 电热泵一体化系统，通过调整阀门的导通或关闭，利用太阳能与空气能实现采暖期采暖，非 采暖期发电。但是系统的结构太大而且两种模式切换不便捷。
4.(2)原有的技术存在着那些缺陷
5.现有orc发电及热泵一体化系统多为工业级别或实验室为某特定目的制定，，在教学演 示过程、不同科研需求或者参加比赛时中不仅无法快速启动或根据目的进行系统变化，而且 在发电模式和热泵模式切换过程中也不便捷。现有orc发电及热泵装置在教学仪器方面，多 为模型化产品，还不兼备发电/热泵一体化功能，不易在教学及科学实验过程中演示orc各装 置的结构以及性能；目前商用orc发电及热泵一体化系统装置，并不能随拆随换，在日常教 学或者相关使用者学习时并不利于对装置的相关装置组成进行展示性学习，导致学生对orc 发电及热泵一体化系统装置的认知有一定的局限，影响了教学效果；原有的发电/热泵一体化 系统装置中密封性不太好，容易产生工质泄露，而且在发电到热泵之间的切换都要经过停机 之后才能转换模式，无法进行直接切换。


技术实现要素：

6.为解决现有技术的不足，本发明通过设计小型orc发电及热泵一体化模块式实验装置， 有效应用于教学实践、科学实验及大赛过程中，可适用于能源及相关领域中；本发明提供的 小型orc发电及热泵一体化模块式实验装置，本装置具有多种新能源模块和储能模
块，通过 不同模块的选择和配合去实现不同热源及供电性能的模拟，满足不同实验工况及比赛环境。
7.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案为小型orc发电及热泵一体化模块式实 验装置：
8.如图1所示，本发明以orc发电及热泵循环系统为主体，配合新能源模块及储能模块即 形成小型orc发电及热泵一体化模块式实验装置。所述储能模块包括储热热罐及储电系统， 更具体地说储电系统是采用蓄电池作为能量储存载体，在一定时间内存储新能源及市政供给 电力，并供应电能的系统。所述新能源模块包括供电模块及供热模块，供电模块包括小型风 力系统、小型光伏组件等小型发电系统，供热模块包括槽式集热器、太阳能热水小车、废水 余热、电加热器等模拟热源，其中，电加热器的电力来自于储电系统，储电系统中的电能来 源于新能源模块中的发电系统和市政供电。本发明技术方案供热模块以槽式集热装置为例， 储能模块以储热热罐及蓄电池为例进行本技术方案的阐述说明。如图2至4所示，装置包括： 辐射仪(1)、槽式集热器(2)、储热热罐(3)、膨胀发电/压缩一体机(4)、变频工质泵 (5)、风冷散热器(6)及储电系统(7)。
9.所述槽式集热装置(图3)固定在可移动框架上，不仅可以收集太阳的热量，也可以配 以模拟光源模拟不同的辐射量吸收能量，使工质升温至设定温度。槽式集热装置包括辐射仪 (1)、槽式集热器(2)、光敏传感器(8)和电动转动装置(9)，该电动转动装置根据光 敏传感器的信号，使集热器按照光照方向转动到不同的位置，实现实时追光。
10.所述储能模块中的储热热罐(3)安装在移动框架顶端，并与所述移动框架固定。所述 槽式集热器(2)上设有进液管和出液管，进液管与变频工质泵(5)出口连通，进液管上安 装有电磁阀。出液管与储热热罐(3)的进液口连通，出液管上依次安装有闸阀、热表、温度、 压力、流速等传感器，在温度传感器和闸阀之间设有泄水口。储热热罐(3)的换热方式有2 种方案，其一为混合换热模式，供热模块中的热流体进入储热热罐(3)直接混合加热罐内流 体；其二为间接换热，出液管在储热热罐(3)内形成盘状回路，出液管的高温热源可与罐中 工质进行换热。所述储热热罐(3)内底部设置多种不同功率的电加热器(10)、搅拌装置(11)、 液位传感器(12)，电加热器(10)可根据储热热罐中(3)的工质温度反馈控制电加热器有 调节的对热罐中的工质加热，以保证热源温度在控制精度范围内，储电系统可为电加热器提 供电源，便于系统的快速启动。搅拌装置(11)安装在储热热罐(3)底部，以保证热罐中工 质温度的均匀性。
11.膨胀发电/压缩一体机(4)是由封闭式螺杆/涡旋装置、定子、转子及相应线圈组合而 成，由传统压缩机改装而成，根据热量调整发电功率。封闭式螺杆/涡旋装置特征是具有正/ 反向功能，正循环工作时电机输出电力，热泵循环工作时电机接受电力驱动做功，封闭式装 置保证了系统密闭性。所述膨胀发电/压缩一体机(4)安装于风冷散热器工质入口上缘平齐 处，并安装在可移动框架上。
12.变频工质泵(5)是为orc系统提供所需流量的主要部件，本变频工质泵为高压轴流泵， 与传统高压离心泵不同，可以降低整体系统的高度，并提升系统密封性。工作时，变频工质 泵接受电力驱动，完成液体的变流量输送功能，工质的流速由变频器控制，所述变频工质泵 (5)位于系统底部并安装在可移动框架上。风冷散热器(6)的风扇由导热性较好的金属材 料制成，其作用就是通过空气将热量进行传递，保证系统中的工质到达变频工质泵
之前温度 在工作范围内。所述风冷散热器(6)位于变频工质泵(5)和膨胀发电/压缩一体机(4)之 间并安装在可移动框架上。
13.所述储能模块中的储电系统(7)安装在移动框架上。具体的说储电系统(7)将新能源 模块中发电模块中的小型orc系统、小型光伏系统、小型风力系统、小型生物质能发电系统、 水氢发电等可再生能源所产生的电能通过一定方式转换，利用蓄电池进行电能储存，并按需 供能，在多能源联动运行模式下为储热热罐(3)中的电加热器供电。
14.如图1及图2所示，供热模块以槽式集热装置为例进行了对小型orc发电及热泵一体化 模块式实验装置控制系统的说明。
15.小型orc发电及热泵一体化模块式实验方法如下：
16.具体地说，发电模式中，槽式集热器(2)管路中的工质经太阳能或模拟光源加热后， 经过出液管直接流入储热热罐(3)中。或者，槽式集热器(2)的出液管在储热热罐(3)内 形成盘状回路，经过太阳能加热后的高温热源与储热热罐中的工质进行换热。本发明以直接 换热方式为例进行阐述；因为在动态运行中，储热热罐(3)温度和槽式集热器(2)热源温 度是可变的，当储热热罐(3)内温度在设定温度之外时，槽式集热装置开始/停止供热，配 合电加热器可调功率的开始/停止加热，并根据调压器微调加热器电压使罐内工质温度在设定 温度的
±
0.5℃范围内；当储热热罐(3)内温度满足设定温度条件时，储热热罐(3)内形成 的高温高压蒸汽流向膨胀发电/压缩一体机(4)；在实际运行中，通过调节热源工质流量及 工质温度的控制策略来调节热量。具体地说，可根据泵的变频器微调频率使管路中的工质流 速在设定范围之内，从而改变膨胀发电/压缩一体机(4)发电功率；。
17.热泵模式中，供热模块以槽式集热装置为例，储能模块以储热热罐(3)及蓄电池储电 系统为例，发电模式转变为热泵模式时，变频工质泵(5)两侧阀门关闭、膨胀阀两侧阀门打 开、及供电膨胀发电/压缩一体机使其反转同时进行，可实现发电模式及热泵模式的直接切换。 在动态运行中，工质通过阀门调节改变流速后，进入槽式集热装置及储热热罐(3)吸收热量 汽化，之后在膨胀发电/压缩一体机(4)中，封闭式螺杆/涡旋装置进行反转，形成高温高压 的蒸汽，然后在冷凝器中散热冷凝，将热量释放至高位热源，最后经节流装置恢复成低温低 压液体，完成循环。
18.控制部分
19.如图5所示，移动框架上设有控制柜，该控制柜由控制板、电源模块、指示灯、i/o采 集板、空气开关k1、k2、k3、漏电保护器、固态继电器ssr1、ssr2、ssr3、继电器ka1、ka2、 ka3、ka4、ka5、ka6、ka7以及触控屏组成。在动态运行过程中，220v交流电先后经过带有 漏电保护器的空气开关k3、固态继电器，并为多种不同功率电加热器供电。控制板跟据i/o 采集板所收集的实时数据控制固态继电器ssr1、ssr2、ssr3从而控制电加热器工作；220v 交流电通过继电器ka3-ka7分别为变频工质泵、冷却扇、搅拌装置、电动转动装置、模拟光 源供电；220v交流电经过空气开关k2到达电源模块整流为24v直流电，此24v直流电为控 制板、i/o采集板、光敏传感器、风机变频器、热量表、液体流量计、气体流量计以及触控 屏供电。所述i/o采集板用于收集辐射仪、温度传感器、压力传感器、光敏传感器、液位传 感器的数据，并把数据反馈给系统的触控屏并实现监控。触控屏可实现对小型orc系统发电 及热泵一体化装置实时数据监测并控制和切换系统的各种状态。
20.有益效果
21.本发明小型orc发电及热泵一体化模块式实验装置，储能模块中的市电的引入可保障系 统的正常运转，可以使用电加热器为储热热罐中的工质加热，利用槽式集热装置模拟热源为 储热热罐加热；当遇到特殊情况时，槽式集热器产生的热量不足以维持热罐中工质的温度时， 辅以储电系统为热罐中电加热器供电，为储热热罐中的工质加热，保证了系统运行的稳定性。
22.orc发电及热泵一体化系统，槽式集热装置，蓄电池之间各模块连接简单，拆卸方便， 可根据教学、实验、比赛场地进行选择；本发明将小型orc发电及热泵一体化模块式实验装 置搭建在可移动框架上，配有流量计、传感器、辐射仪等可以测试系统的参数，便于学生比 较不同参数下的发电状况，可以清楚的掌握orc发电及热泵运行的条件和知识。
23.本发明中膨胀发电/压缩一体机由封闭式螺杆/涡旋装置、定子、转子及相应线圈组合而 成，由传统压缩机改装而成，有效的避免了工质的泄露。
24.本发明具有正向发电，逆向供热功能，可以做到快速启动，部分负荷也能运行，也能根 据教学实践、科学实验及比赛等需要进行快速转换。
25.本发明系统具有数据采集功能，可反馈到监控系统终端触控屏，可以通过触控屏控制和 监测系统；小型orc发电及热泵一体化模块式装置设备体积小，结构紧凑，能适用于教学、 实验、比赛等过程中。
26.本发明包括移动框架以及安装在框架上的系统装置，可以通过orc发电模式和热泵模式 系统的操作及运转，让学生直观地理解orc发电及热泵一体化设备运行的条件；小型orc发 电及热泵一体化模块式实验装置不仅占用空间小也可以根据教学场地或者比赛环境条件进行 各模块的拆卸组装，使操作者在教学、实验和比赛中可以较灵活的控制；本装置的发电模式 和热泵模式之间不用经过系统启停，就可以动态地从发电模式过渡到热泵模式。本发明系统 搭配了监控系统，可以由多种传感器传获取数据并呈现在触控屏上，实现小型orc发电及热 泵一体化模块式实验装置智能化。
附图说明：
27.图1是小型orc发电及热泵一体化模块式实验装置点位图；
28.图2是小型orc发电及热泵一体化模块式实验装置图；
29.图3是槽式集热装置示意图；
30.图4是储热热罐示意图；
31.图5是小型orc发电及热泵一体化模块式实验装置电气图。
32.图中：辐射仪(1)、槽式集热器(2)、储热热罐(3)、膨胀发电/压缩一体机(4)、 变频工质泵(5)、风冷散热器(6)及储电系统(7)、光敏传感器(8)、电动转动装置(9)、 电加热器(10)、搅拌装置(11)、液位传感器(12)、进液管(13)、出液管(14)。
具体实施方式
33.本发明小型orc发电及热泵一体化模块式装置以orc系统发电及热泵为主体，配合储电、 槽式集热装置即形成orc系统发电及热泵一体化系统。下面结合附图和具体实施方式对本发 明进行详细说明。本实施方式以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和 具体的操作过程。
34.槽式集热装置可为小型orc发电及热泵一体化装置提供热量，在极端条件下，槽式集热 装置可能不足以长时间提供工质所需热量，所以采用储电系统中存储的新能源发电模块发出 的电能或市电为电加热供电以维持系统的正常运转或变负荷运行，此外储存在蓄电池的电能， 经逆变器也可为系统提供一些电量。220v交流电经过空气开关到达电源模块经24v直流开关 整流为24v直流电，为i/o采集板、流量计、辐射仪、热量表、控制板等负载供电。
35.该发明装置的热量表、流量计、辐射仪、温度传感器、压力传感器用于采集各处对应点 的热量、流量、辐照度、温度、压力的数据，并将数据传输给i/o采集板，再由i/o采集板 把数据传输至控制板，控制板根据数据实时地动态控制固态继电器ssr1-3从而控制储电系统 放电及电加热器加热。具体地说，当温度传感器所采集到储热热罐(2)中液体的温度不在设 定温度范围内时，控制板会在固态继电器ssr1-3输入端加上一定的控制信号，就可以控制输 出端的通和断，从而控制储电系统放电及电加热器的工作状态。所述i/o采集板所收集的数 据会通过rs485通讯口传输到触控屏上，触控屏可实现对小型orc系统发电及热泵一体化装 置实时数据监测并控制和切换系统的各种状态，包括储电系统电力来源配比、储电系统充放 电过程、储热热罐温度、系统各关键点温度及压力等，并通过展示实时系统综合效率，为学 生学习及教师科研提供基础及可开发数据。
36.如图1及2所示，发电工作过程为：供热模块以槽式集热装置为例，储能模块以储热热 罐(3)及蓄电池储电系统为例，发电循环中，槽式集热器(2)吸收热能将内部的工质加热， 然后工质经出液管由槽式集热器流向储热热罐，最后再通过进液管回到槽式集热器内，槽式 集热器内工质的循环由变频工质泵(5)提供动力。储热热罐(3)内的工质被加热后升温至高 温高压的蒸汽，在变频工质泵(5)的作用下进行往复循环，然后由储热热罐(3)从出液口 流出经过气体流量计后进入膨胀发电/压缩一体机(4)中，高温高压蒸汽带动螺杆机进行运 转，然后螺杆机带动永磁电机将机械能转化为电能，最后永磁发电机发出的电引入储电系统， 高温高压的蒸汽经过膨胀发电/压缩一体机(4)膨胀做功后的形成低压气态，随后流入风冷 散热器(6)散热后变为液态工质。液态低温工质经过变频工质泵(5)后返回储热热罐(3) 中，完成循环；或部分返回储热热罐(3)中，剩余部分返回槽式集热器(2)。
37.热泵工作过程为：供热模块以槽式集热装置为例，储能模块以储热热罐(3)及蓄电池 储电系统为例，发电模式转变为热泵模式时，变频工质泵(5)两侧阀门关闭、膨胀阀两侧阀 门打开、及供电膨胀发电/压缩一体机使其反转同时进行，可实现发电模式及热泵模式的直接 切换；热泵循环中，槽式集热器(2)收集太阳光的热量用于工质加热，工质进入储热热罐(3) 加热其中工质，工质吸热升温至气态，进入膨胀发电/压缩一体机(4)中，螺杆/涡旋装置反 转，电机接受电力驱动，进行压缩，气态工质升温升压；高温高压工质进入风冷散热器(6) 进行空气供热，形成液态高温工质后经过膨胀阀膨胀返回储热热罐(3)中或槽式集热器中， 完成循环。