废热太阳能系统技术方案

从低等级废热／太阳能回收电能，包括封闭循环被填充的制冷剂回路。加压后的制冷剂流体在外界环境温度下被泵送的通过连接于废热／太阳能的热交换器（１４），在转换期间吸收热能变成高压气体。加热／加压后的气体被输入膨胀器（２０），在所述流体膨胀成Ｏｐｓｉｇ的冷却气体期间，驱动输出轴（２６）。冷却后的其它制冷剂被凝缩成处于低压和外界温度下的液体，在压力下重新循环到热交换器。膨胀器是颠倒改装的气体压缩机。加压后的热制冷剂气体在通常被作为出口之处被输入，正常的入口变成膨胀器的端部。制冷剂气体质量流压力／温度下降驱动膨胀器轴，以便直接输出机械能或耦合于同步或感应发电机，进行发电。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及能量产生领域，涉及由废热直接产生机械能和发电，更具体地说涉及一种由低等级废燃烧热或工艺热以及太阳能产生能量的方法和系统。本专利技术的能量产生系统和方法在优选实施例中是作为模块化的、滑架安装系统加以实现的，不过同样也适合于与工业设备或商业设备相关的用于固定发电的永久设备。作为非限制性示例，该创造性系统通过工作流体(制冷剂)在封闭回路系统内循环而从废热内回收能量，其中通过具有切断同步感应发电机能量或切断直接机械能的能量切断功能的膨胀器装置而实现压降。优选的膨胀器是修改后的气体压缩机，它利用热、压力工作流体而反相运转。制冷剂回路包括由散热器冷却塔冷却的(最好是由液体或气体冷却的)冷凝器。通过适当地选择发电机，可以获得直流和交流电(单相或多相)。该系统允许节省成本地从低等级废热中回收能量，重要的是，操作该创造性系统所需的能量与所产生的能量之比非常低，通常小于所产生能量的10％。
技术介绍
通常，在众多工业和商业过程和操作中，每天产生巨大数量的废热。所述废热典型包括来自建筑物供热操作的废热、生产用蒸汽锅炉废热、机械和电系统冷却等的废热。通常，所述废热是低等级的，也就是低于350°F，经常低于250°F，该数值非常之低以致于普通的热回收系统没有有效而经济地从这种资源回收能量。结果是，大量废热被简单地排放到大气中、地面或水中，从而引起温室效应，极大地增加了操作成本。除了低效光电池之外，太阳能系统产生最大温度低于作为电源功能所需范围的热气或流体。而太阳能主要用于建筑物供热操作和热水生产，由于这些应用仅要求被输送的温度值在100～150°F范围内，该数值刚好低得足够匹配可以从太阳能系统输出中被萃取的ΔH。因而，迫切需要提供一种节省成本地从低等级的废热和太阳能系统中回收能量的系统和方法，由此改善从包括矿物燃料和太阳能的能源产生能量的整体效率，该系统能够适用于固定发电，或者为了轻便将其构造成滑架安装模块化装置。
技术实现思路
本专利技术包括系统和方法，其包括含操作算法(诸如启用PLC的控制算法)的计算机程序，用于从低等级废热和太阳能设备回收能量。在最广泛的应用中，本专利技术的系统包括制冷剂的封闭循环回路，所述制冷剂作为流体在压力和接近环境温度下被泵送的、通过与废热或太阳能设备输出相连的热交换器。制冷剂流体在热交换器从热源吸收热能，并被转换成高压气体。受加热和加压的制冷剂气体进入膨胀器内，在流体膨胀变成大致0磅/英寸2(psig)或更低的冷却气体或气体/液体混合物期间，驱动输出轴。冷却后的气态制冷剂在冷凝器内被进一步冷却，并转换成低压和接近环境温度的液体。然后，该液体再次在压力下被泵送返回通过膨胀器，重复上述循环。优选实施例中的膨胀器包括空气压缩机，它被修改并且被反过来用在该创造性系统中。也就是说，对压缩机作了修改，以便在处于通常压缩机出口端位置的入口接收加压热制冷剂气体。在该创造性系统中被颠倒的压缩机的常规入口变成气态制冷剂出口。制冷剂气体的压力和温度下降使压缩机轴转动，从而，可以作为直接机械能输出来使用，或与同步或感应发电机相连而产生电能。在该创造性系统中，被改装和修改以充当膨胀器的优选型压缩机是一种连续类型的压缩机，而不是具有不连续的多阶段的压缩机。虽然在下文示例中所使用的最佳模式的膨胀器是具有对压缩机螺杆进行润滑的油回路的螺旋压缩机，但是优选膨胀器是无油类型的(oil free)。由于该创造性系统使用无泄漏装填制冷剂系统，因而压缩机轴承最好是完全密封的，也就是说该轴承不应该暴露于外界空气下，以便在制冷剂气体通过轴承时不泄漏到外界气体中。在使用具有用于轴承润滑的油回路的压缩机的情况下，本专利技术的一个重要方面是膨胀的制冷剂气体离开膨胀器，通过分油器来清除膨胀器油。分离器贮槽是用于向膨胀器轴承和转子泵送润滑油的储存器。此外，膨胀器油的选择和使用必须与制冷剂相容，以便不对制冷剂性能或系统操作造成化学或热力学影响。在目前，工作流体(制冷剂)包括R123、245FA、R134A、R22等。用于膨胀器的优选油包括诸如聚酯油(RL 68H)之类的合成工作流体适用油。充当热交换器的冷凝器从制冷剂气体中吸取热量，在此期间，将液体冷凝到接近外界温度。该冷凝器由水冷或气冷冷却塔或其它适合的散热器冷却，其可以提供对大量流动的气体进行完全冷却所需的ΔT。冷凝器的液体制冷剂出口连接于接收器，所述接收器的功能是作为保持罐或贮槽，以便提供制冷剂循环泵送(工作流体泵送或WFP)的重力头。制冷剂WFP泵被设置在系统回路的高压侧，最好在接收器和热交换器入口侧之间。在该位置的泵将制冷剂的压力升高到设计参数，以便进入热交换器，同时维持制冷剂的温度接近环境温度。该创造性发电系统的控制系统包括适合的温度、流动、输出环绕状态传感器以及泵和阀的PLC控制器，一种或多种用于系统起动、稳定状态运行、关闭和颠倒控制的控制算法。系统能量输出受工作流体泵(WFP)的流速的控制。WFP的速度受带有由PLC产生的模拟电压信号的变频驱动(VFD)的控制。驱动WFP以便跨膨胀器维护所选择的膨胀器输入压力、所选择的膨胀器输入温度和所选温度差值ΔT。在控制系统内有三条回路。控制系统回路1也就是控制器输入温度回路，提供对WFP流速的粗糙调整。控制系统回路2也就是控制器输出温度回路，利用控制器输出温度与控制器输入温度结合，来提供通过控制器的温度差值ΔT，该温度差值对WFP流速进行微调。控制系统回路3根据膨胀器输入压力来修改给WFP发出的流速指令信号。几个温度和压力信号由PLC的CPU处理，可以以热动力方程、查找表或图形的数字表示为条件。对于动力信号条件而言，可以应用光学PID算法。应用积分器动作以使电压信号按希望电平保持VFD。例如当热源或热交换器温度太低时，可以根据需要使用标准极限块来保护包括紧急关闭在内的加压(upset)条件，不符合ΔT要求，通过冷凝器后，部分工作流体保持气体状态，冷却塔不能运行，或不十分有效(诸如，由于安装该创造性装置的区域中的环境温度、压力或湿度条件)，膨胀器经受承载问题。优选地，使用包括电磁阀的气体支路，所述电磁阀位于热交换器输出(膨胀器的高压上游侧)和冷凝器的上游之间(膨胀器的低压侧)，有助于起动、膨胀器调制或/和发电机输出(例如，匹配网负载要求)、关闭、或紧急制动或加压条件阻止或解决，在所述支路中的电磁阀是N.O阀以便为紧急制动而开启，或一旦能量损失时开启。过程调制器电磁阀位于热交换器出口和膨胀器入口之间，最好位于支路线连接处的下游。第二反动作紧急关闭阀位于所述调制阀的下游(膨胀器入口的上游)。该阀是N.C以便在紧急关闭或一旦能量损失时，在支路紧急阀开启时它同时关闭。例如，在开启热交换器出口侧以及膨胀器处于负压时，该创造性系统监视回路和热源入口内的制冷剂的热和质量流到达热交换器的情况，并且可以包括适当的反馈、向前输送或预定表、图形或操作曲线跟踪控制算法。可以采用适用于膨胀器输入轴速的任何类型或规格的同步或感应发电机。例如，利用直流发电机可以产生直流电。用适当的交流发电机可以产生单相或三相交流电。发电机装置包括常规速度控制和自动门控制器，以便与接收电力网的负载要求相匹配，无论所述电力网是局部电网、区域电网还是广域电网，都是产生的电力被提供或销售的电网。该本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由低等级废热和太阳能产生电能或用于直接驱动轴的能量的系统，以操作组合的形式包括：ａ）封闭的工作流体回路，包括：ｉ）至少一个从低等级废热或太阳能提供热能的热交换器，以将所述工作流体从液体转换成加热后的加压气体；ｉｉ ）被所述加热后的工作流体驱动的膨胀器，以便产生能量驱动一轴，所述工作流体的压力因而被减少；ｉｉｉ）被所述膨胀器轴驱动的发电机，以便发电；ｉｖ）冷凝器，用于使所述压力下降的工作流体气体温度降低，从而在所述工作流体的冷凝温度处或 以下将工作流体气体转换成液体；ｖ）用于使所述工作流体在所述回路内循环的泵；ｂ）控制器，用于监控所述发电机，所述回路内处于液体或气体形式的工作流体的选择的温度和压力，以及用于提供控制信号，以便控制所述泵、膨胀器和发电机。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：汉斯G霍恩，拉尔夫霍恩，米哈伊尔瓦因伯格，阿尔方斯威兰德，理查德A阿塞韦多，
申请(专利权)人：奥特菲特能源公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]