CN105464914A - 一种基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于热发电技术领域，尤其涉及一种基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，包括抛物面槽式集热器阵列和复叠朗肯循环，所述复叠朗肯循环包括位于顶部的蒸汽朗肯循环和位于底部的有机朗肯循环。与现有技术相比，本发明能同时具备以下优点：在低环境温度下能很好地运行，而且具有更高的发电效率，适于小规模分布式建设，集热和蓄热的技术要求很低，且具有高稳定性与高可靠性。

Description

一种基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统

技术领域

本发明属于热发电技术领域，尤其涉及一种基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统。

背景技术

热发电技术是利用太阳能的重要途径之一。根据聚光太阳能发电市场研究中心的数据，2014年全球太阳能发电系统（SEGS）装机容量增长32%，达到了4533MW。在所有商业的太阳能发电系统中，基于抛物面槽式集热器（PTC）的系统是最成熟和最主流的，大约占所有运行和在建电站装机容量的90%。

通常抛物面槽式热发电系统（PTC- SEGS）采用基于涡轮膨胀机的蒸汽朗肯循环，它有以下缺陷：首先，为了避免膨胀中冷凝出现水蒸汽，只有过热蒸汽（接近或高于673K）才能进入涡轮。因为水滴一旦形成，会高速地撞击涡轮的叶片，造成损害并降低机械效率。其次，蒸汽朗肯循环为了获得高温热源，对集热技术的要求很高。槽式集热器中接收器的玻璃-金属密封是一种管状密封，这不仅需要适当的机械强度，还需要真空状态下良好的气密性。由于金属与玻璃完全不同的特点（如热膨胀系数和湿润度），当运行温度从白天约673K陡降到夜间约300K时，接收器会出现密封失效或退化现象。在早期的太阳能电站中这种失效或退化是个难题。为了达到673K的高温，槽式集热器聚光比通常在60以上。大聚光比需要高精度的跟踪系统，频繁的维护，运动部件和齿轮的维修与更换。第三，储存高品位的热量很困难。蓄热装置对保证太阳能发电的连续性很重要。美国SEGS I电站采用矿物油作为传热流体可以蓄热3小时。在573K温度以下，该技术可以成功地把产生的电力进行分配，满足无太阳辐照时的公共峰值负荷。但是对于运行在更高集热温度下的更高效的热发电站，矿物油会非常易燃，不能使用。第四，从成本考虑，热发电站要越大越好。通常随着装机容量的增加，每千瓦的建设成本会下降。原因在于大规模发电站的那些固定成本和小规模电站的差不多，而像涡轮、泵、发电机在高功率下效率更高。通常抛物面槽式热发电系统规模在几到几十兆瓦，有些甚至达到两三百兆瓦。这需要上百万平米的平整土地，因而只能在沙漠或人迹稀少的地区建造。

以上的问题可以通过使用螺杆膨胀机解决。螺杆膨胀机是一种容积式膨胀机，它运用旋转型容积式的原理，避免了高速的流体。通常，它由一双螺旋形螺杆和一个壳套组成。流体从进口小体积的凹槽流向大体积的其他凹槽，反向地驱动双螺杆。在这个过程中，流体的温度和压力下降，功由传动轴输出。和涡轮膨胀机相比，螺杆膨胀机可以处理气液混合物、饱和蒸汽以及液体。它具有快速启停，允许热源压力和体积流量大范围波动，转速低，结构简单，维护费用低，装配容易，机动性优良等特点。螺杆膨胀机早在20世纪70年代就在地热发电上使用，现在技术已经相当成熟。目前在钢铁和烟道气余热、工业辐射热、地热能利用中有很多基于螺杆膨胀机的蒸汽朗肯循环电站。市场上已有商业化的50kW-1.5MW，以水为工质的螺杆膨胀机，等熵效率在0.7-0.85。由于避免了过热装置，将其用在太阳能发电中将会很有前景。太阳能集热温度控制在573K以下，而发电效率与主流的基于涡轮膨胀机的电站差不多。

考虑到成本效益，螺杆膨胀机的一大缺陷是低设计压比。现有的电站设计压比一般在2.5-8。这意味着如果给定饱和蒸汽温度为523K（对应饱和压力为3.98MPa），设计冷凝温度应高于424K（对应饱和压力为0.49MPa）。高温蒸汽中的可用能将无法被单个螺杆膨胀机充分转换利用。一种解决方案是把两个或以上螺杆机串联组装起来。但这样设计很复杂（尤其是轴心的吻合度）。螺杆膨胀机串联的可行性目前还没有被证实。

有鉴于此，确有必要提供一种基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，其能在低环境温度下能很好地运行，具有更高的发电效率，适于小规模分布式建设，集热和蓄热的技术要求很低，且具有高稳定性与高可靠性。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提出一种基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，其能在低环境温度下能很好地运行，具有更高的发电效率，适于小规模分布式建设，集热和蓄热的技术要求很低，且具有高稳定性与高可靠性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，包括抛物面槽式集热器阵列和复叠朗肯循环，所述复叠朗肯循环包括位于顶部的蒸汽朗肯循环和位于底部的有机朗肯循环；

所述蒸汽朗肯循环包括带相变材料的蓄热罐、气液分离器、蒸汽螺杆膨胀机和中间换热器，所述抛物面槽式集热器阵列的出口通过管道与所述蓄热罐的入口连通，所述蓄热罐的出口与所述气液分离器的入口连通，所述气液分离器的出口与所述蒸汽螺杆膨胀机的入口连通，所述蒸汽螺杆膨胀机的出口与所述中间换热器的一侧入口连通，所述中间换热器的一侧出口通过第一水泵与所述抛物面槽式集热器阵列的入口连通；

所述有机朗肯循环包括所述中间换热器、涡轮膨胀机和冷凝器，所述中间换热器的另一侧出口与所述涡轮膨胀机的入口连通，所述涡轮膨胀机的出口与所述冷凝器的一侧入口连通，所述冷凝器的一侧出口通过工质泵与所述中间换热器的另一侧入口连通。

作为本发明基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统的一种改进，所述蒸汽朗肯循环所使用的工质为水蒸汽。

作为本发明基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统的一种改进，所述有机朗肯循环的工质为R123制冷剂、苯和环己烷中的至少一种。

作为本发明基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统的一种改进，所述冷凝器的另一侧出口连通着冷却水的入口，所述冷凝器的另一侧入口连通着冷却水的出口，且冷却水的进口和冷却水的出口均位于所述冷凝器的同一侧。

作为本发明基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统的一种改进，所述气液分离器的出口与所述蒸汽螺杆膨胀机的入口之间设置有第一阀门。

作为本发明基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统的一种改进，所述第一水泵和所述抛物面槽式集热器阵列的入口之间设置有第二阀门和第三阀门，所述第一水泵和所述蓄热罐的入口之间设置有所述第二阀门和第五阀门。

作为本发明基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统的一种改进，所述气液分离器的底部和所述第一水泵之间依次设置有第二水泵和第四阀门。

作为本发明基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统的一种改进，所述相变材料包括结晶水合盐、石蜡、脂肪酸和高密度聚乙烯中的至少一种。

作为本发明基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统的一种改进，所述结晶水合盐包括六水合氯化钙、十二水合磷酸氢二钠、十水合碳酸钠和五水合硫酸钠中的至少一种。

本发明创新性及与现有技术相比的有益技术效果在于：

1）发明专利申请CN103195481B和CN102022221B提出了两级或多级螺杆膨胀机有机朗肯循环发电系统，相比于单螺杆膨胀机系统，可以更大程度利用热源的可用能，而且具有机械密封性高、适用于大压比等特点。相比于这种螺杆串联的系统，本发明增加了水蒸汽朗肯循环，并将其与有机朗肯循环相耦合。本发明采用复叠循环更有优势，将有机朗肯循环（ORC）做为底部循环，顶部蒸汽循环中的螺杆膨胀机可以设计成更小的尺寸。有机工质低相变潜热的特性可以使小功率的膨胀机设计制造更简单。低沸点的有机工质对环境温度的变化能很好地反应并且能有效利用低温热源。对于常规的蒸汽朗肯循环，当冷凝温度为306K以下将很难实现蒸汽的有效膨胀做功，因为冷凝器中保持5kpa以下的真空度是一个技术难题（请参见Fern ández FJ, Prieto MM, Suárez I. Thermodynamic analysis of high-temperature regenerative organic Rankine cycles using siloxanes as working fluids. Energy 2011; 36; 5239-5249）。电站规模越小，这个问题越突出。由于有机工质的饱和压力要高很多，复叠系统在低环境温度下也能很好运行。同时，复叠系统比单独的蒸汽朗肯循环发电效率更高（请参考Fahad A. Al-Sulaiman. Energy and sizing analyses of parabolic trough solar collector integrated with steam and binary vapor cycles. Energy 2013; 58; 561-570）。

2）发明专利申请US20110209474 A1提出了一种太阳能蒸汽-有机朗肯循环复叠系统，采用了高温和低温集热器以及多流体换热器。相比之下，本发明用蒸汽螺杆膨胀机代替了涡轮膨胀机，并且采用直接膨胀式热发电方式，不需要中间换热流体。不像涡轮那样应用在大规模的热发电站，螺杆膨胀机能在1MW以下和3600转/分钟的转速以内有效地进行热功转换。这使得分布式太阳能热发电成为可能。在用户点附近提供电力和热水可以使系统更经济。

3）发明专利申请US20100162700 A1提出了一种中间过热的槽式集热器直接膨胀热发电装置，但是多级涡轮膨胀机以及抽汽回热和中间过热装置使系统变得复杂。相比于这种直膨式系统，本发明用蒸汽螺杆膨胀机代替了涡轮膨胀机。涡轮膨胀机为速度型膨胀机，若在膨胀过程中产生液滴，则叶轮叶片会受到碰撞而损坏。螺杆膨胀机为容积式膨胀机，一个鲜明的技术特点为可利用气液两相工质做功，不需要过热装置。因此，本发明结构更简明，槽式集热器中的温度和压力也要低得多，集热和蓄热部分的技术要求也大大降低。

4）发明专利申请US20140060050 A1和US20140345276 A1提出了一种基于聚光型集热器的有机朗肯循环系统，相比于这种高倍聚光的有机朗肯循环，本发明增加了水蒸汽朗肯循环，而且以螺杆膨胀机代替了涡轮膨胀机。本发明长期运行将更稳定和可靠，因为在473-573K范围内多数有机工质会出现不稳定性、可燃性或低热力学性能，而水是无污染、无腐蚀、无毒、不可燃而且易获得的工质。此外，没有了过热装置，蒸汽朗肯循环将比有机朗肯循环的热功转化效率更高。

与现有技术相比，本发明能同时具备以下优点：在低环境温度下能很好地运行，而且具有更高的发电效率，适于小规模分布式建设，集热和蓄热的技术要求很低，且具有高稳定性与高可靠性。

同时为了保证稳定地发电，本发明创新性地把直膨式技术与内置相变材料的蓄热罐相结合。内置相变材料的蓄热罐可以使螺杆膨胀机运行在稳定工况，而集热器出口的水可以是过冷、饱和或过热状态。只要相变材料处于两相区，蓄热罐中温度和压力就保持不变。如果太阳辐照暂时没有或是比设计值低，集热器中的水进入到蓄热罐中。紧接着会发生如下反应：蓄热罐中蒸汽压力降低；部分水蒸发；液体温度下降，热量从相变材料传到水，液体温度越低，传递的热量越多；产生的蒸汽和进入螺杆膨胀机的蒸汽达到平衡。螺杆膨胀机进口的温度和压力再次达到稳定。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中：

1-抛物面槽式集热器阵列；

2-蓄热罐；

3-气液分离器；

4-蒸汽螺杆膨胀机；

5-中间换热器；

6-涡轮膨胀机；

7-冷凝器。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但是，本发明的具体实施方式并不限于此。

如图1所示，本发明提供的一种基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，包括抛物面槽式集热器阵列1和复叠朗肯循环，所述复叠朗肯循环包括位于顶部的蒸汽朗肯循环和位于底部的有机朗肯循环；

蒸汽朗肯循环包括带相变材料的蓄热罐2、气液分离器3、蒸汽螺杆膨胀机4和中间换热器5，抛物面槽式集热器阵列1的出口通过管道与蓄热罐2的入口连通，蓄热罐2的出口与气液分离器3的入口连通，气液分离器3的出口与蒸汽螺杆膨胀机4的入口连通，蒸汽螺杆膨胀机4的出口与中间换热器5的一侧入口连通，中间换热器5的一侧出口通过第一水泵P1与抛物面槽式集热器阵列1的入口连通；水蒸汽依次经过这些部件，构成顶部的蒸汽朗肯循环；

有机朗肯循环包括中间换热器5、涡轮膨胀机6和冷凝器7，中间换热器5的另一侧出口与涡轮膨胀机6的入口连通，涡轮膨胀机6的出口与冷凝器7的一侧入口连通，冷凝器7的一侧出口通过工质泵P2与中间换热器5的另一侧入口连通。有机工质依次经过这些部件，构成底部的有机朗肯循环。

其中，中间换热器5既作为顶部蒸汽朗肯循环的凝汽器，又作为底部有机朗肯循环的蒸发器。

其中，蒸汽朗肯循环所使用的工质为水蒸汽，有机朗肯循环的工质为R123制冷剂(中文名称三氟二氯乙烷（2,2－二氯化－1,1,1－三氟乙烷)、苯和环己烷中的至少一种。有机工质低相变潜热的特性可以使小功率的膨胀机设计制造更简单。低沸点的有机工质对环境温度的变化能很好地反应并且能有效利用低温热源。

冷凝器7的另一侧出口连通着冷却水的入口，冷凝器7的另一侧入口连通着冷却水的出口，且冷却水的进口和冷却水的出口均位于冷凝器7的同一侧。

气液分离器3的出口与蒸汽螺杆膨胀机4的入口之间设置有第一阀门V1。

第一水泵P1和抛物面槽式集热器阵列1的入口之间设置有第二阀门V2和第三阀门V3，第一水泵P1和蓄热罐2的入口之间设置有第二阀门V2和第五阀门V5。

气液分离器3的底部和第一水泵P1之间依次设置有第二水泵P3和第四阀门V4。

相变材料包括结晶水合盐、石蜡、脂肪酸和高密度聚乙烯中的至少一种。在许多能源利用系统中存在着供能和耗能之间的不协调性，从而造成了能量利用的不合理性和大量浪费。例如，在不需要热时，却有大量的热产生，所以供应的热会有很大一部分作为余热而损失掉，这时候就需要用到相变材料来蓄热。石蜡、脂肪酸和高密度聚乙烯均为有机相变材料，其发生相变时体积变化小，过冷度轻，无腐蚀，热效率高。

结晶水合盐包括六水合氯化钙、十二水合磷酸氢二钠、十水合碳酸钠和五水合硫酸钠中的至少一种。结晶水合盐是一种无机相变材料，其价格便宜，体积蓄热密度大，熔解热大，熔点固定，热导率比有机相变材料大，且工作温度跨度比较大，而且可在高温下进行蓄热。

本发明中，蒸汽直接由抛物面槽式集热器阵列1产生。水蒸汽在抛物面槽式集热器阵列1中直接膨胀，因此在动力装置部分避免了使用锅炉，集热部分循环泵的功耗也会减少。水蒸汽在两相区保持不变的温度和高传热系数对抛物面槽式集热器阵列1运行很有利。蒸汽在吸热管中直接膨胀被视为是提高其竞争力的好方法。由于避免了油-水/蒸汽中间换热器中的热力学损失，蒸汽温度更高，进而朗肯循环效率也更高，可以节省26%的平准化电力成本。

系统中抛物面槽式集热器阵列1的运行温度和压力比传统基于涡轮膨胀机的直膨式系统的低很多。对于螺杆膨胀机，1-3MPa的压力和473-573K的温度就足够可以发电。实际上，这个温度和压力甚至比目前商业化热发电站中换热介质的还要低。

本发明所述的系统有3种运行模式：

I）系统需要发电而且太阳辐照很强。在这种模式下，第一阀门V1、第二阀门V2、第三阀门V3打开，水泵P1运转。顶部蒸汽朗肯循环和底部有机朗肯循环都运行。水在抛物面槽式集热器阵列1中被加热蒸发，经过蓄热罐2和气液分离器3后，饱和蒸汽进入蒸汽螺杆膨胀机4，在焓降过程中输出功。出口水蒸汽在中间换热器5中被冷凝为饱和液体。经水泵P1加压运送到抛物面槽式集热器阵列1中。冷凝释放的热量使底部循环的有机工质蒸发。如果辐照非常强，第四阀门V4可以打开，第二水泵P3运转以防水在抛物面槽式集热器阵列1中变成过热蒸汽，部分太阳能储存在相变材料中。

II）系统不需要发电但是辐照很强。第二阀门V2，第三阀门V3和第四阀门V4打开，第二水泵P3运转。太阳能通过水储存在相变材料中。

III）系统需要发电但是辐照非常弱或者没有。第一阀门V1、第二阀门V2、第五阀门V5打开，第一水泵P1运转。顶部和底部的循环都运行。热量由相变材料释放并转化为输出功。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (9)

1.一种基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，其特征在于，包括抛物面槽式集热器阵列和复叠朗肯循环，所述复叠朗肯循环包括位于顶部的蒸汽朗肯循环和位于底部的有机朗肯循环；

所述蒸汽朗肯循环包括带相变材料的蓄热罐、气液分离器、蒸汽螺杆膨胀机和中间换热器，所述抛物面槽式集热器阵列的出口通过管道与所述蓄热罐的入口连通，所述蓄热罐的出口与所述气液分离器的入口连通，所述气液分离器的出口与所述蒸汽螺杆膨胀机的入口连通，所述蒸汽螺杆膨胀机的出口与所述中间换热器的一侧入口连通，所述中间换热器的一侧出口通过第一水泵与所述抛物面槽式集热器阵列的入口连通；

所述有机朗肯循环包括所述中间换热器、涡轮膨胀机和冷凝器，所述中间换热器的另一侧出口与所述涡轮膨胀机的入口连通，所述涡轮膨胀机的出口与所述冷凝器的一侧入口连通，所述冷凝器的一侧出口通过工质泵与所述中间换热器的另一侧入口连通。

2.根据权利要求1所述的基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，其特征在于，所述蒸汽朗肯循环所使用的工质为水蒸汽。

3.根据权利要求1所述的基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，其特征在于，所述有机朗肯循环的工质为R123制冷剂、苯和环己烷中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，其特征在于，所述冷凝器的另一侧出口连通着冷却水的入口，所述冷凝器的另一侧入口连通着冷却水的出口，且冷却水的进口和冷却水的出口均位于所述冷凝器的同一侧。

5.根据权利要求1所述的基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，其特征在于，所述气液分离器的出口与所述蒸汽螺杆膨胀机的入口之间设置有第一阀门。

6.根据权利要求1所述的基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，其特征在于，所述第一水泵和所述抛物面槽式集热器阵列的入口之间设置有第二阀门和第三阀门，所述第一水泵和所述蓄热罐的入口之间设置有所述第二阀门和第五阀门。

7.根据权利要求1所述的基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，其特征在于，所述气液分离器的底部和所述第一水泵之间依次设置有第二水泵和第四阀门。

8.根据权利要求1所述的基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，其特征在于，所述相变材料包括结晶水合盐、石蜡、脂肪酸和高密度聚乙烯中的至少一种。

9.根据权利要求8所述的基于复叠朗肯循环的直膨式太阳能热发电系统，其特征在于，所述结晶水合盐包括六水合氯化钙、十二水合磷酸氢二钠、十水合碳酸钠和五水合硫酸钠中的至少一种。