一種新型低品位熱能發(fā)電方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于低品位熱能發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型低品位熱能發(fā)電方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有低品位熱能發(fā)電技術(shù)主要采用熱-功轉(zhuǎn)換的朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)，即利用熱能將處于較高壓力下的液態(tài)工作介質(zhì)氣化，相對高溫、高壓的蒸氣驅(qū)動離心透平或螺桿膨脹機(jī)輸出軸功并帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電；在離心透平或螺桿膨脹機(jī)內(nèi)膨脹后的蒸氣其溫度和壓力降低，隨后在冷凝器內(nèi)凝結(jié)成液體，最后利用栗加壓將液態(tài)的工作介質(zhì)重新栗送到鍋爐或蒸發(fā)器內(nèi)進(jìn)行再次氣化。對于溫度相對較高的低品位熱發(fā)電，循環(huán)中采用的工作介質(zhì)為水，對于溫度相對較低的低品位熱發(fā)電，循環(huán)中采用的工作介質(zhì)為較低沸點(diǎn)的有機(jī)物。
[0003]對于采用傳統(tǒng)的以水為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，由于水蒸汽的臨界點(diǎn)高，導(dǎo)致低品位熱能轉(zhuǎn)換成電能的效率降低，而且透平或螺桿膨脹機(jī)尺寸和重量增大。對于以有機(jī)工質(zhì)替代水所構(gòu)成的有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)(0RC)，其固有的缺陷包括:1)所用的有機(jī)工質(zhì)為具有較高GWP (Global Warming Potential)值的氫氟烴(HFCs)物質(zhì)，或者是易燃易爆的氫烴(HCs)物質(zhì)；2)對于不同溫度等級的低品位熱能發(fā)電，需要選用不用種類的有機(jī)工質(zhì)，工質(zhì)通用性差；3)對于溫度和熱量變化范圍較大的低品位熱能發(fā)電，有機(jī)工質(zhì)透平不僅研制難度高且透平的通用性較差，難以形成系列化；4)因有機(jī)工質(zhì)氣化潛熱小，栗功消耗大，當(dāng)?shù)推肺粺崮軠囟鹊陀?0°C時，0RC的輸出凈功隨低品位熱能溫度降低而急劇降低；5)包括0RC在內(nèi)的熱-功轉(zhuǎn)換循環(huán)本身無儲能功能，難以適應(yīng)不穩(wěn)定低品位熱源發(fā)電需求。
[0004]為了克服基于熱-功轉(zhuǎn)換的朗肯熱力循環(huán)所存在的固有缺陷，文獻(xiàn)(碳酸氫銨一反向電滲析模塊構(gòu)型研究.膜科學(xué)與技術(shù)，2013, 33(6):6-12)給出一種熱驅(qū)動電化學(xué)發(fā)電機(jī)(TDEG)循環(huán)。該循環(huán)由蒸餾柱和RED電池堆構(gòu)成，以熱穩(wěn)定性較差的碳酸氫銨溶液作為工作介質(zhì)。在蒸餾柱內(nèi)碳酸氫銨溶液被低品位熱能加熱使碳酸氫銨溶液部分分解成0)2和NH3氣體并流出蒸餾柱，C0 2和NH 3氣體在RED電池堆濃溶液循環(huán)的稀(出口)側(cè)被溶液重新吸收成為濃溶液。濃溶液與出蒸餾柱的稀溶液之間存在濃度差，兩種不同濃度的溶液分別進(jìn)入RED電池堆的稀、濃溶液室，在溶液濃差的作用下，陽離子NH3+通過陽離子交換膜組件進(jìn)入稀溶液室，陰離子C03通過陰離子交換膜也進(jìn)入稀溶液室，結(jié)果使稀溶液室內(nèi)的溶液濃度升高并離開RED電池堆進(jìn)入蒸餾柱內(nèi)，再次被低品位熱能加熱分解；RED電池堆將溶液濃差能轉(zhuǎn)換成電能。該循環(huán)的缺點(diǎn)在于:1)碳酸氫銨溶液需要一定的分解溫度(>60°C )，溫度低于此值的低品位熱能無法利用；2)當(dāng)?shù)推肺粺崮軠囟容^高時，無法采用多效方式重復(fù)利用分離過程產(chǎn)生的熱能，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換效率低下；3)循環(huán)本身難以儲存能量。另外，文獻(xiàn)所示的循環(huán)流程缺少一個冷卻器來將溶液吸收氣體所產(chǎn)生的吸收熱排出。單熱源系統(tǒng)是無法將低品位熱能轉(zhuǎn)換成高品位電能的。
[0005]文南犬(Robert L.McGinnis, Jeffrey R.McCutcheon, Menachem Elimelech.Journalof Membrane Science, 2007, (305): 13 - 19)給出了另一種低品位熱能驅(qū)動的濃差發(fā)電循環(huán)。該循環(huán)由蒸餾柱、壓力交換器和滲透壓力熱機(jī)構(gòu)成，工作介質(zhì)仍采用碳酸氫銨溶液。與前述的方法相同，先通過蒸餾柱將碳酸氫銨溶液部分分解，使低品位熱能轉(zhuǎn)換成溶液濃差(化學(xué)勢)能。然后利用滲透膜將溶液濃差能轉(zhuǎn)換成溶液的壓力能(重力勢能)來驅(qū)動液力透平作功驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。經(jīng)滲透膜混合后的中間濃度溶液一部分吸收來自蒸餾柱分離出的0)2和冊13氣體形成濃溶液，另一部分在蒸餾柱內(nèi)再次進(jìn)行分解。該循環(huán)同樣存在上述缺陷，而且液力透平制作成本較高，針對溫度和熱量變化非常大的低品位熱能，很難形成系列。導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用的可能性降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種新型低品位熱能發(fā)電方法，通過發(fā)生器將低品位熱能轉(zhuǎn)換為溶液的化學(xué)勢能，再通過逆向電滲析(RED)電池堆將溶液的化學(xué)勢能轉(zhuǎn)化為可利用的電能輸出，低品位熱源溫度越高，系統(tǒng)發(fā)電效率越高；低品位熱源熱量越大，系統(tǒng)發(fā)電量越大。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種新型低品位熱能發(fā)電方法及裝置，其中低品位熱能發(fā)電方法包括以下兩個過程:
[0008]第一步:低品位熱能轉(zhuǎn)換成溶液化學(xué)勢能的過程。首先低品位熱能(50°C以上)加熱發(fā)生器內(nèi)的工作溶液，工作溶液中的部分低沸點(diǎn)組分從溶液中蒸發(fā)而被分離出來，分離出的低沸點(diǎn)組分蒸氣中夾帶少量工作溶液用以增加低沸點(diǎn)組分冷凝液(稀溶液)的電導(dǎo)率；分離出的低沸點(diǎn)組分蒸氣進(jìn)入冷凝器內(nèi)被冷卻介質(zhì)冷凝成稀溶液；工作溶液分離出部分低沸點(diǎn)組分后濃度升高成為濃溶液；濃溶液與稀溶液之間產(chǎn)生濃度差而具有化學(xué)勢能差。
[0009]第二步:采用RED電池堆將稀、濃溶液間的化學(xué)勢能轉(zhuǎn)換成電能的過程。濃溶液流出發(fā)生器，在溶液熱交換器內(nèi)進(jìn)行降溫處理，濃溶液溫度達(dá)到膜組件允許的工作溫度(小于60°C )后，流出溶液熱交換器；濃溶液栗對其加壓并引入到RED電池堆的各濃溶液室；冷凝器內(nèi)的稀溶液通過稀溶液栗加壓并引入到RED電池堆的各稀溶液室；RED電池堆內(nèi)濃溶液室和稀溶液室交替排列，濃溶液中的陰、陽離子分別通過陰、陽離子交換膜，迀移至各稀溶液室內(nèi)，在RED電池堆的膜組件間因陰、陽離子的迀移形成離子流進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)電流可通過外電路輸出。
[0010]當(dāng)RED電池堆與負(fù)載構(gòu)成閉合回路時，陽極室和陰極室內(nèi)的電極液通過電極液循環(huán)栗在兩極室之間循環(huán)流動，保持電中性；帶有陽離子的電極液通過電極液循環(huán)栗到達(dá)陰極室，在陰極發(fā)生還原反應(yīng)獲得電子變成金屬原子，金屬原子與電極液一起經(jīng)電極液循環(huán)栗到達(dá)陽極室，金屬原子在陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子成為陽離子，電子經(jīng)外電路由陽極流向陰極；外電路因電子的定向移動產(chǎn)生直流電流，RED電池堆直接輸出直流電；單個RED電池堆的輸出電壓和電流受RED電池堆結(jié)構(gòu)限制，可以采用多個RED電池堆以串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)方式來滿足電力輸出對電壓和電流的要求，稀、濃、中間濃度溶液流股需根據(jù)電池堆組合方式作出相應(yīng)的變化；RED電池堆輸出的直流電流也可經(jīng)電流逆變器以交流電形成輸出。
[0011]在稀、濃溶液之間化學(xué)勢差的驅(qū)動下，RED電池堆內(nèi)濃溶液室中溶質(zhì)的陰、陽離子分別通過陰離子交換膜組件和陽離子交換膜組件迀入稀溶液室；濃溶液室中的濃溶液因溶質(zhì)離子的迀出而濃度下降，稀溶液室中的稀溶液因溶質(zhì)離子的迀入而濃度升高，兩者流出RED電池堆后混合成為中間濃度的溶液，經(jīng)溶液熱交換器升溫后進(jìn)入發(fā)生器被低品位熱能再次加熱，分尚，從而完成一個完整的工作循環(huán)。循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電量和發(fā)電效率受低品位熱源溫度和熱量影響，低品位熱源溫度越高，系統(tǒng)發(fā)電效率越高；低品位熱源熱量越大，系統(tǒng)發(fā)電量越大。
[0012]運(yùn)用該低品位熱能發(fā)電方法的裝置，包括發(fā)生器、溶液熱交換器、濃溶液栗、RED電池堆、電極液循環(huán)栗、冷凝器、稀溶液栗、逆變器和附屬設(shè)備。
[0013]所述發(fā)生器按熱源溫度不同分為單效或多效發(fā)生，發(fā)生器的個數(shù)與效數(shù)相等，中間濃度溶液以并聯(lián)、串聯(lián)或串并聯(lián)混合等方式進(jìn)入多效發(fā)生器；所述溶液熱交換器個數(shù)由中間濃度溶液進(jìn)入各發(fā)生器的方式?jīng)Q定(如對于順流串聯(lián)兩效發(fā)生，中間濃度溶液經(jīng)單個換熱器換熱后先進(jìn)入一效發(fā)生器，然后再流到二效發(fā)生器，流出二效發(fā)生器的濃溶液在換熱器內(nèi)與中間濃度溶液進(jìn)行換熱；而對于并聯(lián)兩效發(fā)生，中間濃度溶液以并聯(lián)的方式進(jìn)出各效發(fā)生器，需設(shè)置兩臺溶液熱交換器，一效發(fā)生器出來的濃溶液與進(jìn)入一效發(fā)生器的中間濃度溶液進(jìn)行換熱，二效發(fā)生器出來的濃溶液與進(jìn)入二效發(fā)生器的中間濃度溶液進(jìn)行換熱)；根據(jù)熱源溫度品位特性以及對中間濃度溶液加熱方式，低品位熱能利用方式還可分為單級利用或多級利用。
[0014]所述RED電池堆包括端蓋板、陰極、陽極、陰極室、陽極室，多個陰、陽離子交換膜組件、多個稀、濃溶液室；陽極室和陰極室位于RED電池堆的兩端，由陽離子交換膜組件與端蓋板分隔而成；陰、陽離子交換膜組件交替排列形成濃溶液室和稀溶液室，一個陽離子交換膜組件和一個陰離子交換膜組件組成一個膜組對；陽離子交換膜組件與電極室相連，比陰離子交換膜組件多一件；濃溶液與稀溶液之間產(chǎn)生的濃度(化學(xué)勢)差在膜組對間產(chǎn)生膜電壓差；每一個膜組對之間產(chǎn)生一個膜電壓，RED電池堆串聯(lián)的膜組對數(shù)量越多，其輸出的電壓越高，功率越大。
[0015]所述輔助設(shè)備包括濃溶液儲罐，濃溶液再循環(huán)栗和稀溶液儲罐；可以在裝置中增設(shè)濃溶液儲罐和稀溶液儲罐，系統(tǒng)具有儲能和釋能功能，使系統(tǒng)的電力輸出穩(wěn)定，不隨低品位熱能參數(shù)(溫度和熱量)的變化而發(fā)生變化。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:1)低品位熱能可以得到充分、連續(xù)、梯級利用；2)工作循環(huán)簡單、可靠、工作壓力低、不需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較差的離心透平或螺桿膨脹機(jī)及發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，簡化低品位熱能發(fā)電流程和設(shè)備，降低低品位熱能發(fā)電成本；3)發(fā)電容量配置靈活，具備儲能功能，系統(tǒng)能夠適應(yīng)各類低溫?zé)崮?，且能充分回收利用其熱品位，具有高的能源轉(zhuǎn)換效率；4)工作循環(huán)為閉合循環(huán)，工作介質(zhì)為電解質(zhì)溶液，無其它有害物質(zhì)生成，對環(huán)境無任何污染；5)系統(tǒng)組成靈活，制造簡便，運(yùn)動部件少，工作壽命長，運(yùn)行安靜。
【附圖說明】
[0017]圖1: 一種不具儲能功能的單效發(fā)生新型低品位熱能發(fā)電方法的工作循環(huán)流程圖。
[0018]圖2:RED電池堆結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖3: —種不具儲能功能的五效發(fā)生新型低品位熱能發(fā)電方法的工作循環(huán)流程圖。
[0020]圖4:一種具備儲能功能的單效發(fā)生新型低品位熱能發(fā)電方法的工作循環(huán)流程圖。
[0021]圖中:1發(fā)生器，2溶液熱交換器，3濃溶液栗，4RED電池堆，5端蓋板，6陰極，7a陰極室、7b陽極室，8陽離子交換膜組件，9濃溶液室，10陰離子交換膜組件，11稀溶液室，12陽極，13電極液循環(huán)栗，14冷凝器，14a冷卻流股，