CN101216020A - 多级太阳能中低温朗肯循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多级太阳能中低温朗肯循环的系统。本发明由两级及以上的太阳能朗肯循环系统组成。每一级朗肯循环系统由太阳能集热器、膨胀机或汽轮机、发电机、内部换热器、储液罐、工质泵等基本部件组成；相邻的两级朗肯循环系统之间由外部换热器连接。内部换热器中工质乏汽与同一级的工质实现回热；外部换热器中，高温级工质同低温级工质进行换热，高温级工质的冷凝热成为低温级工质的部分蒸发热源。采用内部和外部换热器不仅使得该朗肯循环系统的效率得以提高，而且可以节省低温级朗肯循环系统中太阳能集热器的面积，降低系统成本。

Description

多级太阳能中低温朗肯循环系统
技术领域
本发明属于太阳能热发电设备，具体涉及多级太阳能中低温朗肯循环的系统。
背景技术
太阳能中低温朗循环系统可利用常规的太阳能集热器、换热器、工质泵、小型膨胀机(或汽轮机)、发电机等工业设备，来实现太阳能到机械能或电能的转换。当前，太阳能低温朗肯循环技术的方向发展在于提高系统的效率，降低系统的成本。因此，目前针对中低温太阳能朗肯循环的研究主要集中在朗肯循环适用工质的选择和循环系统的设计上。目前投入使用的太阳能低温朗肯循环系统全部是使用纯工质的单级朗肯循环系统。膨胀机或汽轮机排出的工质乏汽直接进入冷凝器(风冷或水冷)冷凝，大量的冷凝热被直接排入环境，系统的热效率较低。同时，因为工质的热量来自太阳能辐射，被排放的、未加利用的冷凝热实际上增加了系统太阳能集热器的使用面积，这就增加了系统的成本，降低了系统的经济性。因此，在保证朗肯循环效率的基础上，开发有效利用工质冷凝热量，系统热效率较高的中低温太阳能朗肯循环系统，对太阳能低温朗肯循环技术的发展至关重要。
发明内容
本发明提供一种多级太阳能中低温朗肯循环系统，使各级的工质冷凝热得到有效的梯级利用，达到提高朗肯循环系统热效率，降低太阳能集热器使用面积，提高系统经济性的目的。
本发明结构原理如图1所示。多级太阳能中低温朗肯循环系统，具有太阳能集热器1、汽轮机2、发电机3、内部换热器4、储液罐5、工质泵6、外部换热器7等。由太阳能集热器1、汽轮机2、内部换热器4、储液罐5、工质泵6、外部换热器7的工质侧串接构成太阳能热循环系统。汽轮机2与发电机3相接。多级太阳能中低温朗肯循环系统是由两级或两级以上的太阳能热循环系统组成，相邻的两级朗肯循环系统之间由外部换热器7连接。内部换热器4中工质乏汽与同一级太阳能中低温朗肯循环系统的工质实现回热；在外部换热器7中，上一级的高温工质同下一级的低温工质进行换热；上一级高温工质的冷凝热作为下一级低温工质的部分蒸发热源。根据循环工质的选择，汽轮机2也可以替换为膨胀机。
附图说明
图1本发明结构原理及各部件连接示意图。
图2本发明的循环工质流程图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明作进一步的说明。本发明所说的中低温朗肯循环是指：工质蒸发温度在200℃以下的朗肯循环。对于本实施例而言，采用了两级太阳能中低温朗肯循环系统，其中高温级采用的循环工质为CO2，低温级采用的循环工质为R245fa。参照图1、图2简述该朗肯循环系统的工作过程。两级太阳能中低温朗肯循环系统的工作过程如下：
高温级循环系统中，高压CO2工质在内部换热器4中预热后进入太阳能集热器1，工质吸收太阳的辐射能量形成高温高压的CO2工质进入汽轮机2中膨胀做功。汽轮机排出的CO2低压乏汽首先进入内部换热器4，同本级的、由工质泵6排出的低温高压CO2工质进行回热换热。温度得到初步降低的CO2工质乏汽进入外部换热器7，同下一级的低温工质R245fa进行换热，进一步冷却后的低温低压CO2工质流入储液罐5储存。而后低温低压的CO2经工质泵6加压后再进入内部换热器4进行预热，由此完成一个高温级循环。
低温级循环系统中，高压R245fa工质在内部换热器4中经初步预热后，进入外部换热器7，同上一级的高温工质CO2进行换热从而得到进一步预热。而后高压R245fa工质进入太阳能集热器1吸收太阳的辐射能量形成高温高压的工质，高温高压的R245fa工质在汽轮机2中膨胀做功。汽轮机排出的R245fa低压乏汽首先进入内部换热器4，同本级的、由工质泵6排出的低温高压R245fa工质进行回热换热。温度得到初步降低的R245fa工质乏汽进入外部换热器7，同下一级系统的工质或环境进行换热，进一步冷却后的低温低压R245fa工质流入储液罐5储存。而后低温低压的R245fa经工质泵6加压后再进入内部换热器4进行预热，由此完成一个低温级循环。
两级太阳能中低温朗肯循环系统的平均工况取为：系统最高温度为160℃，冷凝温度(环境温度)为25℃，膨胀过程为等熵膨胀。根据循环计算，上述两级太阳能中低温朗肯循环系统实施例的有关参数和循环性能指标如表1所示。
表1实施例循环性能
循环参数     高温级     低温级
循环工质     CO2     R245fa
工质流量(kg/s)     0.5     0.75
蒸发压力(MPa)     8.5     0.79
冷凝压力(MPa)     6.0     0.15
集热器(1)出口工质温度(℃)     160.0     85.0
汽轮机(2)出口乏汽温度(℃)     127.7     42.1
内部换热器(4)出口乏汽温度(℃)     70.0     25.2
经下一级冷凝后工质温度(℃)     36.9     25.0
工质泵(6)出口工质温度(℃)     64.1     25.2
内部换热器(4)出口工质温度(℃)     109.2     36.9
集热器(1)入口工质温度(℃)     109.2     61
集热器吸收太阳能(kW)     31.15     140.78
内部换热器(4)回热(kW)     34.55     12
吸收上一级冷凝热(kW)     0     25.85
向下一级释放冷凝热(kW)     25.85     143.33
循环输出净功(kW)     5.3     23.33
朗肯循环效率     17％     16.6％
多级中低温太阳能朗肯循环系统中的高温级，可使用真空管太阳能集热器或低聚光倍率的聚光式太阳能集热器，使工质蒸发温度达到150℃-200℃；低温级可使用普通真空管太阳能集热器或平板式太阳能集热器，使工质蒸发温度达到70℃-100℃。另外，如在多级太阳能朗肯循环系统中使用非共沸工质，可以利用非共沸工质在相变时存在温度滑移这一特性，在外部换热器中实现两级工质之间的温度、焓值、流量等相匹配，提高外部换热器效率，从而进一步提高系统的效率。
本发明具有以下几点有益效果：
(1)内部换热器的提出，可实现同一级朗肯循环系统内的回热，提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，从而提高本级朗肯循环的效率。(2)外部换热器的提出，可实现相邻两级朗肯循环的工质换热，实现了冷凝热的梯级利用。可使高温级朗肯循环工质的冷凝放热成为低温级工质的蒸发热源，不仅可提高低温级朗肯循环的平均吸热温度，从而提高低温级的循环效率，而且可以节省低温级朗肯循环系统中太阳能集热器的面积，降低系统成本。

Claims (2)

1.多级太阳能中低温朗肯循环系统，具有太阳能集热器(1)、汽轮机(2)、发电机(3)、内部换热器(4)、储液罐(5)、工质泵(6)，由太阳能集热器(1)、汽轮机(2)、内部换热器(4)、储液罐(5)、工质泵(6)、外部换热器(7)的工质侧串接构成太阳能热循环系统，汽轮机(2)与发电机(3)相接，其特征是所述多级太阳能中低温朗肯循环系统由两级或两级以上的太阳能热发电循环系统组成，相邻的上下两级朗肯循环系统之间由外部换热器(7)连接，所述内部换热器(4)中工质乏汽与同一级所述太阳能中低温朗肯循环系统的工质实现回热，在所述外部换热器(7)中，上一级高温工质的冷凝热作为所述下一级低温工质的部分蒸发热源。
2.按照权利要求1所述的多级太阳能中低温朗肯循环系统，其特征是所述汽轮机(2)也可以是膨胀机。
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