一种新型低品位热能发电方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于低品位热能发电技术领域，涉及一种新型低品位热能发电方法及装置。
【背景技术】
[0002]现有低品位热能发电技术主要采用热-功转换的朗肯循环发电技术，即利用热能将处于较高压力下的液态工作介质气化，相对高温、高压的蒸气驱动离心透平或螺杆膨胀机输出轴功并带动发电机发电；在离心透平或螺杆膨胀机内膨胀后的蒸气其温度和压力降低，随后在冷凝器内凝结成液体，最后利用栗加压将液态的工作介质重新栗送到锅炉或蒸发器内进行再次气化。对于温度相对较高的低品位热发电，循环中采用的工作介质为水，对于温度相对较低的低品位热发电，循环中采用的工作介质为较低沸点的有机物。
[0003]对于采用传统的以水为工质的朗肯循环，由于水蒸汽的临界点高，导致低品位热能转换成电能的效率降低，而且透平或螺杆膨胀机尺寸和重量增大。对于以有机工质替代水所构成的有机工质朗肯循环(0RC)，其固有的缺陷包括:1)所用的有机工质为具有较高GWP (Global Warming Potential)值的氢氟烃(HFCs)物质，或者是易燃易爆的氢烃(HCs)物质；2)对于不同温度等级的低品位热能发电，需要选用不用种类的有机工质，工质通用性差；3)对于温度和热量变化范围较大的低品位热能发电，有机工质透平不仅研制难度高且透平的通用性较差，难以形成系列化；4)因有机工质气化潜热小，栗功消耗大，当低品位热能温度低于70°C时，0RC的输出净功随低品位热能温度降低而急剧降低；5)包括0RC在内的热-功转换循环本身无储能功能，难以适应不稳定低品位热源发电需求。
[0004]为了克服基于热-功转换的朗肯热力循环所存在的固有缺陷，文献(碳酸氢铵一反向电渗析模块构型研究.膜科学与技术，2013, 33(6):6-12)给出一种热驱动电化学发电机(TDEG)循环。该循环由蒸馏柱和RED电池堆构成，以热稳定性较差的碳酸氢铵溶液作为工作介质。在蒸馏柱内碳酸氢铵溶液被低品位热能加热使碳酸氢铵溶液部分分解成0)2和NH3气体并流出蒸馏柱，C0 2和NH 3气体在RED电池堆浓溶液循环的稀(出口)侧被溶液重新吸收成为浓溶液。浓溶液与出蒸馏柱的稀溶液之间存在浓度差，两种不同浓度的溶液分别进入RED电池堆的稀、浓溶液室，在溶液浓差的作用下，阳离子NH3+通过阳离子交换膜组件进入稀溶液室，阴离子C03通过阴离子交换膜也进入稀溶液室，结果使稀溶液室内的溶液浓度升高并离开RED电池堆进入蒸馏柱内，再次被低品位热能加热分解；RED电池堆将溶液浓差能转换成电能。该循环的缺点在于:1)碳酸氢铵溶液需要一定的分解温度(>60°C )，温度低于此值的低品位热能无法利用；2)当低品位热能温度较高时，无法采用多效方式重复利用分离过程产生的热能，导致能量转换效率低下；3)循环本身难以储存能量。另外，文献所示的循环流程缺少一个冷却器来将溶液吸收气体所产生的吸收热排出。单热源系统是无法将低品位热能转换成高品位电能的。
[0005]文南犬(Robert L.McGinnis, Jeffrey R.McCutcheon, Menachem Elimelech.Journalof Membrane Science, 2007, (305): 13 - 19)给出了另一种低品位热能驱动的浓差发电循环。该循环由蒸馏柱、压力交换器和渗透压力热机构成，工作介质仍采用碳酸氢铵溶液。与前述的方法相同，先通过蒸馏柱将碳酸氢铵溶液部分分解，使低品位热能转换成溶液浓差(化学势)能。然后利用渗透膜将溶液浓差能转换成溶液的压力能(重力势能)来驱动液力透平作功驱动发电机发电。经渗透膜混合后的中间浓度溶液一部分吸收来自蒸馏柱分离出的0)2和册13气体形成浓溶液，另一部分在蒸馏柱内再次进行分解。该循环同样存在上述缺陷，而且液力透平制作成本较高，针对温度和热量变化非常大的低品位热能，很难形成系列。导致实际应用的可能性降低。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提出一种新型低品位热能发电方法，通过发生器将低品位热能转换为溶液的化学势能，再通过逆向电渗析(RED)电池堆将溶液的化学势能转化为可利用的电能输出，低品位热源温度越高，系统发电效率越高；低品位热源热量越大，系统发电量越大。
[0007]本发明的技术解决方案是提供一种新型低品位热能发电方法及装置，其中低品位热能发电方法包括以下两个过程:
[0008]第一步:低品位热能转换成溶液化学势能的过程。首先低品位热能(50°C以上)加热发生器内的工作溶液，工作溶液中的部分低沸点组分从溶液中蒸发而被分离出来，分离出的低沸点组分蒸气中夹带少量工作溶液用以增加低沸点组分冷凝液(稀溶液)的电导率；分离出的低沸点组分蒸气进入冷凝器内被冷却介质冷凝成稀溶液；工作溶液分离出部分低沸点组分后浓度升高成为浓溶液；浓溶液与稀溶液之间产生浓度差而具有化学势能差。
[0009]第二步:采用RED电池堆将稀、浓溶液间的化学势能转换成电能的过程。浓溶液流出发生器，在溶液热交换器内进行降温处理，浓溶液温度达到膜组件允许的工作温度(小于60°C )后，流出溶液热交换器；浓溶液栗对其加压并引入到RED电池堆的各浓溶液室；冷凝器内的稀溶液通过稀溶液栗加压并引入到RED电池堆的各稀溶液室；RED电池堆内浓溶液室和稀溶液室交替排列，浓溶液中的阴、阳离子分别通过阴、阳离子交换膜，迀移至各稀溶液室内，在RED电池堆的膜组件间因阴、阳离子的迀移形成离子流进而产生内电流可通过外电路输出。
[0010]当RED电池堆与负载构成闭合回路时，阳极室和阴极室内的电极液通过电极液循环栗在两极室之间循环流动，保持电中性；带有阳离子的电极液通过电极液循环栗到达阴极室，在阴极发生还原反应获得电子变成金属原子，金属原子与电极液一起经电极液循环栗到达阳极室，金属原子在阳极发生氧化反应，失去电子成为阳离子，电子经外电路由阳极流向阴极；外电路因电子的定向移动产生直流电流，RED电池堆直接输出直流电；单个RED电池堆的输出电压和电流受RED电池堆结构限制，可以采用多个RED电池堆以串联、并联或串并联方式来满足电力输出对电压和电流的要求，稀、浓、中间浓度溶液流股需根据电池堆组合方式作出相应的变化；RED电池堆输出的直流电流也可经电流逆变器以交流电形成输出。
[0011]在稀、浓溶液之间化学势差的驱动下，RED电池堆内浓溶液室中溶质的阴、阳离子分别通过阴离子交换膜组件和阳离子交换膜组件迀入稀溶液室；浓溶液室中的浓溶液因溶质离子的迀出而浓度下降，稀溶液室中的稀溶液因溶质离子的迀入而浓度升高，两者流出RED电池堆后混合成为中间浓度的溶液，经溶液热交换器升温后进入发生器被低品位热能再次加热，分尚，从而完成一个完整的工作循环。循环系统发电量和发电效率受低品位热源温度和热量影响，低品位热源温度越高，系统发电效率越高；低品位热源热量越大，系统发电量越大。
[0012]运用该低品位热能发电方法的装置，包括发生器、溶液热交换器、浓溶液栗、RED电池堆、电极液循环栗、冷凝器、稀溶液栗、逆变器和附属设备。
[0013]所述发生器按热源温度不同分为单效或多效发生，发生器的个数与效数相等，中间浓度溶液以并联、串联或串并联混合等方式进入多效发生器；所述溶液热交换器个数由中间浓度溶液进入各发生器的方式决定(如对于顺流串联两效发生，中间浓度溶液经单个换热器换热后先进入一效发生器，然后再流到二效发生器，流出二效发生器的浓溶液在换热器内与中间浓度溶液进行换热；而对于并联两效发生，中间浓度溶液以并联的方式进出各效发生器，需设置两台溶液热交换器，一效发生器出来的浓溶液与进入一效发生器的中间浓度溶液进行换热，二效发生器出来的浓溶液与进入二效发生器的中间浓度溶液进行换热)；根据热源温度品位特性以及对中间浓度溶液加热方式，低品位热能利用方式还可分为单级利用或多级利用。
[0014]所述RED电池堆包括端盖板、阴极、阳极、阴极室、阳极室，多个阴、阳离子交换膜组件、多个稀、浓溶液室；阳极室和阴极室位于RED电池堆的两端，由阳离子交换膜组件与端盖板分隔而成；阴、阳离子交换膜组件交替排列形成浓溶液室和稀溶液室，一个阳离子交换膜组件和一个阴离子交换膜组件组成一个膜组对；阳离子交换膜组件与电极室相连，比阴离子交换膜组件多一件；浓溶液与稀溶液之间产生的浓度(化学势)差在膜组对间产生膜电压差；每一个膜组对之间产生一个膜电压，RED电池堆串联的膜组对数量越多，其输出的电压越高，功率越大。
[0015]所述辅助设备包括浓溶液储罐，浓溶液再循环栗和稀溶液储罐；可以在装置中增设浓溶液储罐和稀溶液储罐，系统具有储能和释能功能，使系统的电力输出稳定，不随低品位热能参数(温度和热量)的变化而发生变化。
[0016]本发明的有益效果是:1)低品位热能可以得到充分、连续、梯级利用；2)工作循环简单、可靠、工作压力低、不需要结构复杂，可靠性较差的离心透平或螺杆膨胀机及发电机等旋转机械设备，简化低品位热能发电流程和设备，降低低品位热能发电成本；3)发电容量配置灵活，具备储能功能，系统能够适应各类低温热能，且能充分回收利用其热品位，具有高的能源转换效率；4)工作循环为闭合循环，工作介质为电解质溶液，无其它有害物质生成，对环境无任何污染；5)系统组成灵活，制造简便，运动部件少，工作寿命长，运行安静。
【附图说明】
[0017]图1: 一种不具储能功能的单效发生新型低品位热能发电方法的工作循环流程图。
[0018]图2:RED电池堆结构示意图。
[0019]图3: —种不具储能功能的五效发生新型低品位热能发电方法的工作循环流程图。
[0020]图4:一种具备储能功能的单效发生新型低品位热能发电方法的工作循环流程图。
[0021]图中:1发生器，2溶液热交换器，3浓溶液栗，4RED电池堆，5端盖板，6阴极，7a阴极室、7b阳极室，8阳离子交换膜组件，9浓溶液室，10阴离子交换膜组件，11稀溶液室，12阳极，13电极液循环栗，14冷凝器，14a冷却流股，