CN101392736A - 太阳能低温热发电及冷热联供系统 - Google Patents

太阳能低温热发电及冷热联供系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种太阳能低温热发电及冷热联供系统,解决了有低温太阳能热发电效率较低、不适合小规模应用及不能同时提供电能、冷能、暖气和热水的问题。本发明由复合抛物面集热器系统、相变蓄热系统、有机朗肯循环发电系统、吸收制冷系统、热水供给系统和暖气供给系统并联组成。其发电系统汽轮机进口连通着蒸发器有机工质出口,汽轮机出口经过回热器连通着混合器,汽轮机中部的抽气口通过管道连通着混合器另一端口,回热器另一侧串联着冷凝器;混合器第三个端口通过泵连通着蒸发器的有机工质进口,汽轮机输出端连接着发电机。本发明系统运行效率高,热电冷三联供,适合小规模应用,易于建设,成本低廉,且不需要消耗一次性能源,利于环境保护。

Description

太阳能低温热发电及冷热联供系统
技术领域
本发明涉及太阳能利用领域,确切地说是太阳能热发电及冷热联供系统。
背景技术
太阳能热发电技术是人类开发利用太阳能的一个主要手段。自从20世纪70年代初石油危机后,世界主要发达国家如美国、西班牙、德国、瑞士、法国、意大利及日本等都将太阳能热发电技术作为国家研究开发的重点,逐步开始规模发展太阳能热发电。从1981-1991年10年间,全世界建造了装机容量500kW以上的各种不同形式的兆瓦级太阳能热发电试验电站20余座,其中主要形式是塔式电站,最大发电功率为80MW。由于单位容量投资过大,且降低造价十分困难,因此太阳能热发电站的建设逐渐冷落下来。以色列和美国联合组建了LUZ太阳能热发电国际有限公司从1985年-1991年的6年间,在美国加州沙漠相继建成了9座槽式太阳能热发电站,总装机容量353.8MW,并投入网营运。
大规模的太阳能热发电站将耗费大量资金且建设时间很长。由于某些固定设备如汽轮机、发电机、换热器、太阳轨迹跟踪装置等其价格随功率波动不大,所以上述电站需要尽可能地扩大规模以降低单位kW功率耗费的成本。如E.Prabhu对槽式太阳能发电系统进行经济性能评估,当电站规模为5MW时,设备成本(不包括太阳场集热装置,这部分与规模成比例)为$1100每千瓦;当电站规模为1MW时,设备成本为$2039每千瓦[1]
尽管数十兆瓦级太阳能热发电技术已经得到了发展(如美国的SEGS电站),但合适且经济性能良好,功率在几十千瓦到几百千瓦之间,适合小规模应用的太阳能热发电技术还未有。
然而许多应用场合如抽水灌溉、冷却,家用电器耗电以及无电、少电地区等仅仅需要几千瓦到几十千瓦的电量,与其大规模的市场供电不如依靠小型的太阳能热发电装置为局部消费者提供电能。一方面在局部地区人们根据特殊需要可能愿意出比常规火力发电价更高的价格买电,另一方面小型的太阳能发电装置还能同时向附近用户提供热水及暖气等。通过适当的优化,小型的太阳能发电装置可以模块化,从而使产出经济节约,根据消费者的需要,装置规模也能进行适当调整。
已有的太阳能集热发电系统专利中:1)微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统CN200710041475.5,包括太阳能集热系统、有机物朗肯循环的热力发电系统、吸附式制冷系统、供暖和热水系统、热水分配系统以及控制系统、补燃装置,该装置采用真空管集热器和常规ORC发电系统,冷凝后的有机工质未得到有效预热,集热温度不高于100℃,从而使得吸附式制冷效率及发电效率低,且系统需补燃装置,不利于环保。2)太阳能有机朗肯循环系统(SOLAR ORGANIC RANKINE CYCLE (ORC) SYSTEM)专利号JP2003227315该系统采用常规ORC发电系统,冷凝后的有机工质未得到有效预热,系统只有单一发电功能。
发明内容
为了解决现有平板集热器、真空管集热器等中等温度以上(如60℃)运行效率低及槽式、塔式、碟式等高聚光比集热装置需跟踪太阳轨迹和成本高的问题;解决现有低温太阳能热发电效率较低的问题;解决现有太阳能热发电系统不适合小规模应用及不能同时为用户提供电能、冷能、暖气和热水的问题,本发明旨在提供一种太阳能低温热发电及冷热联供系统。
实现上述目的的具体技术解决方案如下:
太阳能低温热发电及冷热联供系统,包括集热器系统(1)、蓄热系统2、有机朗肯循环发电系统3、吸收制冷系统4、热水供给系统5和暖气供给系统6六个子系统,其特征在于:
所述六个子系统并联连接,
所述有机朗肯循环发电系统包括泵31、蒸发器32、汽轮机33、发电机34、回热器35、冷凝器36和混合器37,其中汽轮机33的进口连通着蒸发器有机工质出口32,汽轮机33的出口经过回热器35连通着混合器37,汽轮机33中部设有抽气口,抽气口通过管道连通着混合器37的另一端口,回热器35的另一侧串联着冷凝器36;混合器37的第三个端口通过泵31连通着蒸发器32的有机工质进口,汽轮机33的输出端连接着发电机34;蒸发器32的热源进口连通着集热器系统(1)出口,蒸发器32的热源出口连通着复合抛物面集热器系统(1)进口;
所述集热器系统的出口、蓄热系统的一端口、有机朗肯循环发电系统的蒸发器32的热源进口、吸收制冷系统的热源进口、热水供给系统的热源进口和暖气供给系统的热源进口处分别设有控制阀,且并联;六个子系统的热源出口端并联;
所述集热器系统的进口处设有泵A1;
蓄热系统的另一端口串联着两个并联的控制阀,一侧控制阀的管道上串联着泵A2。
所述集热器系统为复合抛物面集热器系统。
所述蓄热系统为相变材料蓄热系统。
本发明与现有技术相比具有几方面的优点:
1、采用复合抛物面集热器系统(CPC)的优点
Winston等指出了CPC作为太阳能集热器的潜力[2]。而低聚光比(小于3)的CPC有着极大的实用性,它们不需要追踪太阳轨迹即可接受较大角度范围内的入射光并进行聚集[3]。Rab1给出了CPC的光学和热学性质的分析方法,在对几种CPC评估中,指出带有平板或圆柱吸收的非真空固定CPC集热器经济性能良好;三年多的研究及实验数据的表明,在100-160℃的温度范围内,非真空CPC集热器仍旧拥有很好的热效率(40%-50%),而每年只需对集热器倾斜角调整12-20次[4][5]。希腊的Y.TRIPANAGNOSTOPOULOS等给出了双面平板吸收的非真空固定CPC太阳能集热器的设计、构造和测试结果。实验的结果表明,这种集热器在中等以上温度(50℃以上)条件下的集热效率优于带选择性涂层的平板集热器,且温度越高体现越明显;集热的最大效率为0.71,获得的最高温度可达180℃[6],Y.TRIPANAG-NOSTOPOULOS还对不同的太阳能热水器ICS(Integratedcollector storage)进行测试和评估,指出具有单个圆柱容器及对称CPC反射镜的ICS系统经济性能最好,在使用相似的太阳能吸收材料和蓄水量的情况下,其成本比当前使用广泛的FPTU(flat plate thermosiphonicunit)热水系统至少低33%[7]。T.S.Saitoch等通过实验把双层玻璃盖板的CPC与传统平板集热器,真空管集热器进行比较,指出此类型CPC集热器的高温(120℃以上)热性能极佳,与真空管集热器相比更适合太阳能热发电工程[8]。T.S.Saitoch还介绍了一种新型的无跟踪三维的CPC太阳能集热器(3-D CPC),由于采用六边形的结构,这种集热器能克服传统3-DCPC阵列间存在的“死穴”(dead-space)问题,在180-200℃的高运行温度范围内集热效率极好(大约60%,运行时间为中午10:00—13:00),运用于小规模太阳能热发电系统非常地切实可行[9]
在利用CPC集热器进行太阳能吸收制冷方面,美国萨克拉门托在1998年建成CPC双效吸收式制冷示范项目,该项目采用的是带有真空管的ICPC集热器[10]。W.S Duff等对项目的实际运行情况进行分析,当运行的温度在120-160℃范围内时,集热器的日效率将近50%,瞬时效率大约能达到为60%,日平均COP可达1.1(1998年和1999年);当运行温度在75-110℃范围内时,集热器的日效率将近55%,瞬时效率超过60%,由于只使用单效制冷,日平均COP相对前者低得很多(2001年)。
2、采用有机朗肯循环发电系统的优点
有机工质朗肯循环(Organic rankine cycle,简称ORC)的主要优点在于它具有中低温度运行的良好性能。ORC适合小规模发电站,在较低的环境温度下效率比水蒸气发电效率高,冬季夜里能够防冻,且系统内部压力易保持在大气压力之上,且适合半自动或自动运行[11]
Gaia M通过实验指出ORC循环可以有效地利用温度在100℃附近的地热资源发电,涡轮式发电机运行平稳,基本无需额外的人力投入[12].G.H.Martinus等对目前实际运行的ORC地热工厂进行分析,在100-240℃温度范围内,发电的效率为4%-13%,总的投资为2529/kW,根据工厂冷热端条件选择合适的循环工质可以获得最大的发电效率[13]。Enrico Barbier指出尽管ORC应用于低温地热源(85-150℃)的效率不高(2.8%-5.5%),但却是将低温地热源转换为电能最为经济且可靠的方式[14]。TakahisaYamanoto等对ORC系统进行了设计和测试,认为ORC能够应用于低品味热源且R123可以有效地提高ORC系统性能[15]
本发明的ORC发电系统对水蒸气朗肯循环中的开放型回热循环进行改进,提出了一种新型双回热的循环结构。一方面通过回热器利用汽轮机出口的过热状态有机工质给冷凝后的工质预热,另一方面通过抽气混合装置进一步降低冷凝工质与热源的平均传热温差。与相同冷热源温度下的常规ORC发电系统相比,效率在原有基础上提高了20%左右。计算过程将在后面的具体实施方式中给出。
3、采用相变蓄热系统的优点
相变蓄热是储存热能的最有效方式之一,它能在一个较小的温度波动范围内储存与释放热量。Wolf-Dieter等介绍了太阳能蒸汽动力系统(所需温度为200℃-320℃)的相变蓄热问题[16],指出在该项目的早期阶段扩大热交换面积、在相变材料(PCM)中添加高导热性能的物质、使用换热媒介等是最有应用前景的手段。早在1952,Biswas DR和Telkes M已对结晶水合物(Na2SO4·H2O)进行研究[17][18],Na2SO4·H2O具有32.4℃的熔点,254kJ/kg的融解热且是能够用于蓄热的最便宜材料之一。在众多的结晶水合物相变蓄热材料中,已被证明有应用价值的有CaCl2·6H2O,MgCl2·6H2O及Mg(NO3)2·6H2O[19]。MgCl2·6H2O的熔点为117℃,与非真空CPC集热器温度较为匹配。Kakiuchi列出不同相变材料的熔点、潜热及市场价格[20],其中赤藻糖醇的熔点为120℃,潜热为339.8kJ/kg,D-甘露醇熔点为166-168℃,潜热316.4kJ/kg,两种材料的市场价格为5.0-7.0美元/千克左右,对本文介绍的系统有很大的适用性。EPS Ltd公司生产的E117和A164(熔点分别为117℃和164℃,潜热分别为169kJ/kg和306kJ/kg)也很适合。
4、太阳能低温热发电及冷热联供系统整体优点
本发明系统包含的有机工质朗肯循环(ORC)发电系统、双效吸收制冷系统、热水供给系统及暖气系统4个子系统运行独立,互不影响,可随时根据用户需求进行调整,相变蓄热系统增强了热源供应的稳定性和持续性。本发明系统运行效率高,热电冷三联供,适合小规模应用,易于建设,成本低廉,且不需要消耗一次性能源,利于环境保护。
附图说明
图1为本发明结构示意图,
图2为复合抛物面集热器阵列系统俯视图,
图3为图2的A-A剖视图,
图4为有机朗肯循环发电系统有机工质热力循环图,
图5为圆管相变蓄热系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图,通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例:
太阳能低温热发电及冷热联供系统包括复合抛物面集热器系统1、相变蓄热系统2、有机朗肯循环发电系统3、吸收制冷系统4、热水供给系统5和暖气供给系统6六个子系统,所述六个子系统并联连接,见图1、图2、图3和图5。
有机朗肯循环发电系统包括泵31、蒸发器32、汽轮机33、发电机34、回热器35、冷凝器36和混合器37,其中汽轮机33的进口连通着蒸发器32的有机工质出口,汽轮机33的出口经过回热器35连通着混合器37,汽轮机33中部设有抽气口,抽气口通过管道连通着混合器37的另一端口,回热器35的另一侧串联着冷凝器36;混合器37的第三个端口通过泵31连通着蒸发器32的有机工质进口,汽轮机33的输出端连接着发电机34;蒸发器32的热源进口连通着复合抛物面集热器系统1出口,蒸发器32的热源出口连通着复合抛物面集热器系统1进口;
所述复合抛物面集热器系统的出口、蓄热系统的一端口、有机朗肯循环发电系统的蒸发器32的热源进口、制冷系统的热源进口、热水供给系统的热源进口和暖气供给系统的热源进口处分别设有控制阀,且并联;六个子系统的热源出口端并联;
复合抛物面集热器系统的进口处设有泵A1;
蓄热系统的另一端口串联着两个并联的控制阀,一侧控制阀的管道上串联着泵A2。
本发明的工作原理是这样的:
如图1所示,复合抛物面(CPC)集热系统1接受太阳辐射能,把热量传给换热流体;换热流体通过并联管道及热交换器,一方面可以把热量传给相变蓄热系统2,一方面又可以把热量传给用户需求子系统ORC发电系统3、双效吸收制冷系统2、热水供给系统5、暖气供给系统6,每个用户需求子系统都安装有阀门,子系统需要运行的时候,对应的阀门打开,不运行时则需关闭。
当太阳辐射能超出用户需求子系统负载时,阀门B1、B2打开,B3关闭,相变蓄热系统2进行储能;当CPC系统1不工作时,泵A1停止工作,泵A2运行,集热系统输出端阀门及B2阀门关闭,B1、B3打开,相变蓄热系统2释放能量;若需要CPC系统1及相变蓄热系统2同时工作,则泵A1,泵A2运行,集热系统输B2阀门关闭,B1、B3及集热系统输出端阀门打开;不需要相变蓄热系统2运行时,则B1、B2、B3均关闭,A2停止工作。
复合抛物面(CPC)集热系统工作原理
如图2、图3所示,AD连线与中心线的夹角θα称为CPC的半接受角。AC和BD为抛物面,抛物面上端的虚线部分的不存在反射镜,下端的实线为反射镜,虚线与实线交接处称为截断面,截断面高度H与CPC整体高度Hmax之比称为截断比。接受角和截断比是CPC两个重要的参数,决定了CPC的聚光性能。CD为集热器的底端,是放置接受器的地方。CPC可以和不同的接受器相结合,比较常见的有平板型接受器、竖板型接受器、三角型接受器及圆管型接受器4种。图例采用的是平板接受器。当太阳光入射角在CPC接受角范围内时,光线直接或者经过反射镜11反射后被接受器12吸收;透明盖板13抑制CPC槽内对流损失;工质盘管14与接受器连接,由换热流体带走太阳辐射能;绝热层15起到保温作用。
发明采用的复合抛物面集热系统包含但不局限于三维CPC集热器。
有机朗肯循环发电(ORC)系统工作原理
泵31把液态的有机工质打入蒸发器32;有机工质在蒸发器32中定压吸热,并在出口处转为气态;高温高压的气态有机工质进入汽轮机33膨胀做功,带动发电机34发电;汽轮机33中部分气态工质被抽出送入混合器37;汽轮机33尾部排出的有机工质经过回热器35初步冷却,然后进入冷凝器36中后定压冷凝;冷凝器36出口的有机工质处于液态,经过泵31加压至汽轮机33的抽气压力,然后进入回热器35进行预热;预热后的有机工质进入混合器37与汽轮机33抽出的过热气体混合;混合后的有机工质进入泵31完成一次发电循环。
由图4可见,与水蒸气朗肯循环所不同的,ORC系统所用的有机工质通常为干工质dry fluids,干工质饱和气态温熵曲线斜率为正值湿工质如水则为负值,这使得干工质在汽轮机内膨胀做功时保持着过热状态,不存在像水蒸气在汽轮机中凝结成液态而损坏汽轮机的问题。因此干工质进入汽轮机之前不需要过热,这对于提高温差不大的太阳能发电系统效率是很有帮助的。点1表示工冷凝器36出口工质的状态,点2表示经泵31加压后工质的状态,点3表示在混合器37出口工质的状态,其中点2与点3之间包含了工质经过回热器35预热的状态,点4表示混合工质经泵31加压后的状态,点5表示蒸发器32入口工质的状态,点6表示汽轮机33入口的工质状态,点7a表示被抽出工质的状态,点7b表示完全做功后汽轮机33出口工质的状态,点8表示冷凝器36入口处的工质状态。
理想的循环过程为:
1-2:等熵压缩,
2-3:等压吸热,
3-4:等熵压缩,
4-6:等压吸热,
6-7a,b:等熵膨胀,
7a-3与7b-1:等压放热。
双效吸收制冷系统工作原理
如图1所示高温发生器41的制冷溶液向换热流体吸热,达到较高温度并产生制冷蒸汽;制冷蒸汽在低温发生器42冷凝放热,然后经过节流阀47进入冷凝器43进一步冷凝;低温发生器42中产生的制冷蒸汽与高温发生器41的冷凝制冷剂一道进入冷凝器43中;冷凝器43中的制冷剂经过节流阀47后进入蒸发器44;蒸发器44的制冷剂蒸发并输出冷能;制冷蒸汽被吸收器45中的制冷溶液吸收;高温发生器41中的制冷溶液进入高温热交换器48b放热,然后经过节流阀47流入低温发生器42;然后制冷溶液进入低温热交换器48a放热,并经过节流阀47流入吸收器45;吸收器45中的溶液冷却后被泵46打入低温换热器48a,吸收热量并进入高温换热器48b获得更多热量,然后流入高温蒸发器41,完成一次制冷循环。
发明采用的吸收制冷系统包含但不局限于双效吸收制冷系统。
暖气供给系统和热水供给系统工作原理
如图1所示换热流体通过热交换器把热量传给水及空气,工作原理简单。
相变蓄热系统工作原理
图5以圆管型蓄热系统为例,给出了相变蓄热装置简图。相变材料21与换热流体22通过圆管23进行热量交换,当换热流体温度高于相变材料熔点时,相变材料吸收热量并从固态转换成液态,储存太阳辐射能;当换热流体温度低于相变材料熔点时,相变材料放出热量并液态转换成固态,为需求系统提供热能。
本发明采用的相变蓄热系统包含但不局限于圆管结构。
本发明系统与常规有机朗肯循环发电(ORC)系统效率比较:
结合图4,传统的ORC系统与本发明的ORC系统相比,有机工质经汽轮机做功后,直接进入冷凝器定压放热;同时有机工质经泵加压后,直接进入蒸发器定压吸热。设泵进口处有机工质焓值为h1,经泵加压后焓值为h2,蒸发器出口处焓值为h6,汽轮机出口处焓值为h7b,则
循环吸热量Q=h6-h2
泵功率WP=h2-h1≈v(p2-p1)(v为比容,P1,P2为冷凝器和蒸发器压力)
循环所做净功W=(h6-h7b)-(h2-h1)
循环效率 η = W Q
以上传统循环理论效率计算公式,对于本发明的ORC系统,设泵进口处有机工质焓值为h1,经泵加压后焓值为h2,混合器出口处焓值为h3,经泵再次加压后焓值为h4,蒸发器出口焓值为h6,汽轮机抽出工质焓值为h7a,汽轮机出口处焓值为h7b,饱和气态工质焓值为h8,则
循环抽气量y满足:y(h7a-h3)=(1-y)[(h3-h2)-(h7b-h8)]
循环吸热量Q=h6-h4
泵功率WP=(1-y)(h2-h1)+(h4-h3)
循环所做净功W=(h6-h7a)+(1-y)(h7a-h7b)-(1-y)(h2-h1)+(h4-h3)
循环效率 η = W Q
以有机工质R123为例,取热源温度为150℃,冷凝温度为30℃,则
传统循环效率η1=0.21,
改进后的循环效率η2=0.25,循环抽气量y=22%
本发明太阳能低温热发电及冷热联供系统实际电能输出评估:
复合抛物面集热器的效率由下式近似给出,其中η0为集热器最大效率,
η stc = η 0 - U G ( T m - T amb )
U为热损系数,G为辐照强度,Tm,Tamb分别为集热器平均工作温度和环境温度。
汽轮机发电效率由下式给出,其中ε为汽轮机机械效率
ηtur=ε·ηorc
整个系统发电效率为
ηsys=ηtur·ηstc
取汽轮机机械效率ε为0.75(参考襄樊航华航空技术应用有限公司动力涡轮设计技术),集热器的平均集热温度为150℃,效率为0.55(参考前面有关文献),则
整个系统实际发电效率ηsys=0.75*0.25*0.55=0.10。
参考文献
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Claims (3)

1、太阳能低温热发电及冷热联供系统,包括集热器系统(1)、蓄热系统(2)、有机朗肯循环发电系统(3)、吸收制冷系统(4)、热水供给系统(5)和暖气供给系统(6)六个子系统,其特征在于:
所述六个子系统并联连接,
所述有机朗肯循环发电系统包括泵(31)、蒸发器(32)、汽轮机(33)、发电机(34)、回热器(35)、冷凝器(36)和混合器(37),其中汽轮机(33)的进口连通着蒸发器有机工质出口(32),汽轮机(33)的出口经过回热器(35)连通着混合器(37),汽轮机(33)中部设有抽气口,抽气口通过管道连通着混合器(37)的另一端口,回热器(35)的另一侧串联着冷凝器(36);混合器(37)的第三个端口通过泵(31)连通着蒸发器(32)的有机工质进口,汽轮机(33)的输出端连接着发电机(34);蒸发器(32)的热源进口连通着集热器系统(1)出口,蒸发器(32)的热源出口连通着复合抛物面集热器系统(1)进口;
所述集热器系统的出口、蓄热系统的一端口、有机朗肯循环发电系统的蒸发器(32)的热源进口、吸收制冷系统的热源进口、热水供给系统的热源进口和暖气供给系统的热源进口处分别设有控制阀,且并联;六个子系统的热源出口端并联;
所述集热器系统的进口处设有泵(A1);
蓄热系统的另一端口串联着两个并联的控制阀,一侧控制阀的管道上串联着泵(A2)。
2、根据权利要求1所述的太阳能低温热发电及冷热联供系统,其特征在于:所述集热器系统为复合抛物面集热器系统。
3、根据权利要求1所述的太阳能低温热发电及冷热联供系统,其特征在于:所述蓄热系统为相变材料蓄热系统。
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