CN101614196B

CN101614196B - 内蓄热太阳能低温热发电系统

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Publication number: CN101614196B
Application number: CN2009101442770A
Authority: CN
Inventors: 季杰; 李晶; 裴刚
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: CN101614196A

Abstract

本发明涉及内蓄热太阳能低温热发电系统。本发明包括复合抛物面集热器系统、蓄热系统、有机朗肯循环发电系统；其中复合抛物面集热器系统包括高温端和低温端复合抛物面集热器阵列；蓄热系统包括储液罐、盘管和相变材料；盘管均布于储液罐内，盘管内填充有相变材料。有机朗肯循环发电系统包括蒸发器、汽轮机、发电机、回热器、冷凝器、两台泵及六只阀门。与传统太阳能热发电系统相比，本发明在汽轮机进口端配置了相变蓄热系统，其蓄热与释放热量的功率通常较小，从而减少了相变材料与有机工质的平均换热温差；另一方面采用两相区和液态区的两级蒸发器，可减小换热流体和有机工质传热的不可逆性，降低集热器的平均运行温度。

Description

内蓄热太阳能低温热发电系统

技术领域

本发明涉及太阳能发电技术领域。

背景技术

太阳能热发电技术是人类开发太阳能的一个重要手段。最近20年期间世界范围内建造了很多兆瓦级的大规模电站，如美国的SEGS电站。国内最近几年在太阳能热发电聚光集热技术、高温接收器技术等方面取得了突破性进展，并建成首座塔式太阳能热发电示范工程^[1]。但是，目前在运行的太阳能热发电系统普遍采用传统热电厂的水蒸气朗肯循环，水蒸气的热物理特性要求热源温度一般要达到370℃以上才能高效运行^[2]。对于太阳能热发电系统，要获取这样的高温热源，集热装置必须采用大面积、高聚焦比、复杂跟踪的聚焦集热方式，导致整个系统的控制繁琐、规模庞大、安装和运行维护复杂。

有机工质由于其低沸点特性，在低温条件下可以获得较高的蒸汽压力，推动涡轮机做功，适合于低温热源做功发电。与水蒸汽工质朗肯循环相比，有机工质朗肯循环(OrganicRankine Cycle，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^[3]。GaiaM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^[4].G.H.Martinus等对目前实际运行的ORC地热电厂进行分析，指出选择合适的循环工质可以获得最大的发电效率^[5]。Enrico Barbier指出ORC循环是将低温地热源转换为电能最为经济且可靠的方式^[6]。Takahisa Yamanoto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^[7]。

由于ORC循环要求的热源温度较低，100℃左右的热源就可以维持ORC循环的正常运行。因此选用低倍率的太阳聚焦集热器就可以得到合适的热源温度。低聚光比(小于3)复合抛物面集热器(Compound Parabolic Concentrator，CPC)无须自动跟踪太阳轨迹，可以模块化安装，易于使用维护，在太阳能中低温聚焦领域具有极大的实用性和运用潜力^[8，9]。Rabl在对几种CPC集热器评估中，指出带有平板或圆柱吸收体的非真空固定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，而每年只需对集热器倾斜角调整12-20次^[10]。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^[11]。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-DCPC)，在180-200℃的高运行温度范围内集热效率大约为60％，运用于小规模太阳能热发电系统非常可行^[12]。

由此可见，太阳辐照低能流密度、易于转换为低温热源的物理特性与ORC循环之间具有潜在的联系。把两者有机结合，可以形成基于ORC循环的太阳能低温热发电系统。该系统通过低聚焦比集热装置把太阳辐照转换为低温热能，通过ORC循环把低温热能转换为机械能和电能。这种系统聚焦比小、温度参数低，不需自动跟踪，易于小型化、模块化。

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单级蒸发器，有机工质与集热器换热介质平均传热温差较大，冷凝后的有机工质未得到有效预热，集热温度不高于100℃，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 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，采用单级蒸发器与外蓄热方式，有机工质与集热器换热介质平均传热温差较大。3)太阳能低温热发电及冷热联供系统，CN101392736，该系统采用单级蒸发器与外蓄热方式，有机工质与集热器换热介质平均传热温差较大。

对于传统外蓄热方式的太阳能低温热发电系统(如发明专利CN101392736及JP2003227315)，集热器中的换热介质首先在蓄热器中与蓄热介质进行热量交换，蓄热介质获得热量后再与有机工质进行热量交换。当采用相变材料作为蓄热介质时，由于相变材料的导热系数一般只有0.5W/mK，因此集热器换热介质与相变材料的平均传热温差以及相变材料与有机工质的平均传热温差较大。

发明内容

针对上述传统外蓄热方式的太阳能低温热发电系统存在的问题，本发明提供一种内蓄热太阳能低温热发电系统。

对于内蓄热方式的太阳能低温热发电系统，集热器中的换热介质与有机工质在蒸发器中直接进行热量交换。另外，单级蒸发器太阳能低温热发电系统由于有机工质潜热段的存在，过大的有机工质质量流量会导致集热器出口处(与蒸发器连接)温度过高，而过小的有机工质质量流量会导致集热器进口处(与蒸发器连接)温度过高。为了解决单级蒸发器中有机工质与集热器换热介质平均传热温差较大而导致集热器平均运行温度较高的问题，本发明进一步提出了两级蒸发器的太阳能低温热发电系统。

具体的技术解决方案如下：

内蓄热太阳能低温热发电系统包括复合抛物面集热器系统1、蓄热系统2、有机朗肯循环发电系统3，

所述复合抛物面集热器系统1包括高温端复合抛物面集热器阵列11和低温端复合抛物面集热器阵列12；

所述有机朗肯循环发电系统3包括蒸发器、汽轮机33、发电机34、回热器35、冷凝器36、两台泵及六只阀门；其中汽轮机33的输出端连接着发电机34，汽轮机33的排气口连通着回热器35，回热器35另一端口连通着冷凝器36，冷凝器36工质出口端经过回热器35连通着回热器泵311，回热器泵311的另一端口通过阀门376连通着储液罐21，并通过阀门374连通着液态区蒸发器322，液态区蒸发器322连通着两相区蒸发器321，两相区蒸发器321通过阀门375连通着储液罐21，储液罐21通过阀门371连通着汽轮机33的进气口，储液罐21的另一端口连通着储液罐泵312，储液罐泵312通过阀门373连通着两相区蒸发器321，并通过阀门372和阀门374连通着液态区蒸发器322，两相区蒸发器321连通着高温端复合抛物面集热器阵列11，液态区蒸发器322连通着低温端复合抛物面集热器阵列12；

所述蓄热系统2包括储液罐21、盘管22和相变材料23；盘管22均布于储液罐21内，盘管22内填充有相变材料23。

所述复合抛物面集热器为聚光比小于3的低倍率太阳聚焦集热器。

本发明与现有技术相比具有几方面的优点：

与传统太阳能热发电系统相比，内蓄热太阳能低温热发电系统在汽轮机进口端配置了相变蓄热系统，这种设计的优点有：

1、储液罐中设有盘管，盘管内有相变材料(PCM)，当辐照强度较强时，集热器获得的热量大于系统发电所需的热量，此时发电与蓄热可以同时进行；反之，当辐照强度较弱时，集热器获得的热量小于系统发电所需的热量，此时发电与释放热量可以同时进行。这不但保证了ORC系统在额定状态下稳定运行，而且，由于系统蓄热与释放热量的过程中不需要复杂的控制设备就可以与系统发电同时进行，延长了蓄热或释放热量的时间，因此蓄热与释放热量的功率通常较小，从而减少了相变材料与有机工质的平均换热温差。

2、当有机工质未能被蒸发器完全加热到饱和蒸汽状态时，出口处的液滴可以汇集在储液罐中，防止其进入汽轮机而造成机械损伤。

3、由于集热器中的换热流体与蒸发器中的工质不需要通过蓄热器就能进行换热，从而有效地减小了换热流体和有机工质的传热温差，提高了集热器的热效率。

本发明的内蓄热太阳能低温热发电系统另一特点是采用两级蒸发器：第一级为有机工质两相区蒸发器，第二级为有机工质液态区蒸发器。两级蒸发器可减小换热流体和有机工质传热的不可逆性，降低集热器的平均运行温度。

附图说明

图1为本发明结构示意图，

图2为集热器热效率随蒸发器级数的变化图，

图3为内蓄热太阳能低温热发电效率随蒸发温度的变化图。

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：

参见图1和图2，内蓄热太阳能低温热发电系统包括复合抛物面集热器系统、蓄热系统、有机朗肯循环发电系统；

复合抛物面集热器系统包括高温端复合抛物面集热器阵列11和低温端复合抛物面集热器阵列12；

有机朗肯循环发电系统包括蒸发器、汽轮机33、发电机34、回热器35、冷凝器36、两台泵及六只阀门；其中汽轮机33的输出端连接着发电机34，汽轮机33的排气口连通着回热器35，回热器35另一端口连通着冷凝器36，冷凝器36工质出口端经过回热器35连通着回热器泵311，回热器泵311的另一端口通过阀门376连通着储液罐21，并通过阀门374连通着液态区蒸发器322，液态区蒸发器322连通着两相区蒸发器321，两相区蒸发器321通过阀门375连通着储液罐21，储液罐21通过阀门371连通着汽轮机33的进气口，储液罐21的另一端口连通着储液罐泵312，储液罐泵312通过阀门373连通着两相区蒸发器321，并通过阀门372和阀门374连通着液态区蒸发器322，两相区蒸发器321连通着高温端复合抛物面集热器阵列11，液态区蒸发器322连通着低温端复合抛物面集热器阵列12；

蓄热系统包括储液罐21、盘管22和相变材料23；盘管22均布于储液罐21内，盘管22内填充有相变材料23。

复合抛物面集热器为聚光比小于3的低倍率太阳聚焦集热器。

本发明不仅在结构上实现了蓄热系统与有机朗肯循环系统的创新性结合，而且在工作原理上更是与已有太阳能热发电系统有着本质区别。主要体现在传统太阳能热发电系统运行过程中工质经过蒸发器后需要达到饱和或过饱和蒸汽状态，否则将对汽轮机性能或者系统运行工况造成负面影响。而对于本发明的内蓄热系统太阳能低温热发电系统，由于汽轮机进口处配置了带相变蓄热功能的储液罐，从而在储液罐内部形成了较为恒定的工质蒸汽压，即使工质经过蒸发器后未达到饱和蒸汽状态，仍可以在储液罐中进一步吸热汽化，汽轮机依旧可以在额定工况下稳定工作。同时，内蓄热太阳能低温热发电系统的蓄热、释放热量发电的工作原理与传统太阳能热发电系统也存在着本质差别，如下所述。

具体工作原理阐述如下：

1)系统处于额定运行工况

如图1所示，复合抛物面集热器1接受太阳辐射能，把热量传给换热流体。阀门371、阀门374、阀门375打开，其余阀门关闭。低温端复合抛物面集热器阵列12中换热流体通过液态区蒸发器322中把热量传给有机工质，使液态区蒸发器322出口的有机工质处于饱和液体状态附近；高温端复合抛物面集热器阵列11中换热流体通过两相区蒸发器321中把热量传给有机工质，使两相区蒸发器321出口的有机工质处于饱和蒸汽状态附近。有机工质在液态区蒸发器322和两相区蒸发器321中定压吸热；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中定压冷凝；冷凝器36出口的有机工质处于液态并进入回热器35进行预热；预热后有机工质经过回热器泵311进入液态区蒸发器322完成一次发电循环。

2)辐照强度很强，系统需要发电

阀门371、阀门373、阀门374、阀门375打开，其余阀门关闭。回热器泵311、储液罐泵312都打开。储液罐泵312把储液罐21内的有机工质注入两相区蒸发器321中，加大两相区蒸发器321内的传热功率，相变材料23进行蓄热。复合抛物面集热器系统1接受太阳辐射能，把热量传给换热流体。低温端复合抛物面集热器阵列12中换热流体通过液态区蒸发器322中把热量传给有机工质；高温端复合抛物面集热器阵列11中换热流体通过两相区蒸发器321中把热量传给有机工质。有机工质在液态区蒸发器322和两相区蒸发器321中定压吸热；储液罐21中的高温高压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中定压冷凝；冷凝器36出口的有机工质处于液态并进入回热器35进行预热；预热后有机工质经过回热器泵311进入液态区蒸发器322完成一次发电循环。

3)辐照强度很弱，或者处于夜间，系统需要发电

阀门371、阀门376打开，其余阀门关闭。储液罐21中的高温高压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中定压冷凝；冷凝器出口的有机工质处于液态并进入回热器35进行预热；预热后有机工质经过回热器泵311和阀门376进入储液罐21完成一次发电循环。

4)辐照强度在额定工况附近，系统需要发电。运行状态同系统处于额定运行工况。

5)辐照强度较强，系统不需要发电

阀门372、阀门374、阀门375打开，其余阀门关闭。储液罐泵312打开，回热器泵311关闭。储液罐泵312把储液罐21内的有机工质注入液态区蒸发器322和两相区蒸发器321中，有机工质获得来自换热流体的热量，并在储液罐21中把热量传给相变材料23。

本发明在结构与已有太阳能热发电系统相比以两级蒸发器代替了单级蒸发器。第一级为有机工质两相区蒸发器，第二级为有机工质液态区蒸发器。两相区蒸发器321与高温端复合抛物面集热器阵列11进行热量交换，液态区蒸发器322与低温端复合抛物面集热器阵列12进行热量交换。高温端复合抛物面集热器阵列11与低温端复合抛物面集热器阵列12具有不同的换热流体(如导热油)质量流率，通常高温端复合抛物面集热器阵列11内换热流体质量流率较大，低温端复合抛物面集热器阵列12内换热流体质量流率则与发电工质质量流率匹配。这可有效解决传统太阳能热发电系统换热流体与发电工质换热不可逆损失大的问题。

下面根据内蓄热太阳能低温热发电系统基本原理对系统热效率与总发电效率进行分析。参数见表1，其中有机工质以HCFC123为例，蒸发器以同心逆流换热器为例。

表1内蓄热太阳能低温热发电系统的模拟参数

由图2集热器热效率随蒸发器级数的变化图可见(计算时，单个蒸发器的尺寸由表1给出)，有机工质的物性参数是随着温度变化的，而换热流体由于工作温度远低于其沸点可假设其物性为常数。取辐照强度750W/m^-2，环境温度20℃。当蒸发温度为120℃和140℃时，两级换热器的集热器效率比使用单级蒸发器时分别提高了8.2％和11.3％。

由图3太阳能低温热发电效率随蒸发温度的变化图可见，当辐照强度为500W/m^-2，750W/m^-2，1000W/m^-2时，工质的最佳蒸发温度分别为119℃，148℃，165℃，对应的效率分别为6.9％，8.5％，9.7％。

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Claims

1.内蓄热太阳能低温热发电系统，包括复合抛物面集热器系统(1)、蓄热系统(2)、有机朗肯循环发电系统(3)，其特征在于：

所述复合抛物面集热器系统(1)包括高温端复合抛物面集热器阵列(11)和低温端复合抛物面集热器阵列(12)；

所述有机朗肯循环发电系统(3)包括蒸发器、汽轮机(33)、发电机(34)、回热器(35)、冷凝器(36)、两台泵及六只阀门；其中汽轮机(33)的输出端连接着发电机(34)，汽轮机(33)的排气口连通着回热器(35)，回热器(35)另一端口连通着冷凝器(36)，冷凝器(36)工质出口端经过回热器(35)连通着回热器泵(311)，回热器泵(311)的另一端口通过第六阀门(376)连通着储液罐(21)，并通过第四阀门(374)连通着液态区蒸发器(322)，液态区蒸发器(322)连通着两相区蒸发器(321)，两相区蒸发器(321)通过第五阀门(375)连通着储液罐(21)，储液罐(21)通过第一阀门(371)连通着汽轮机(33)的进气口，储液罐(21)的另一端口连通着储液罐泵(312)，储液罐泵(312)通过第三阀门(373)连通着两相区蒸发器(321)，并通过第二阀门(372)和第四阀门(374)连通着液态区蒸发器(322)，两相区蒸发器(321)连通着高温端复合抛物面集热器阵列(11)，液态区蒸发器(322)连通着低温端复合抛物面集热器阵列(12)；

所述蓄热系统(2)包括储液罐(21)、盘管(22)和相变材料(23)；盘管(22)均布于储液罐(21)内，盘管(22)内填充有相变材料(23)。

2.根据权利要求1所述的内蓄热太阳能低温热发电系统，其特征在于：所述复合抛物面集热器为聚光比小于3的低倍率太阳聚焦集热器。