CN101761461B

CN101761461B - 热管式太阳能有机朗肯循环低温热发电系统

Info

Publication number: CN101761461B
Application number: CN2010100031425A
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: 2010-01-06
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-01-06
Also published as: CN101761461A

Abstract

本发明涉及热管式太阳能有机朗肯循环低温热发电系统。该系统包括有机朗肯循环发电系统、蓄热系统、热管集热器系统。其发电系统包括工质蒸发套管、汽轮机、发电机、回热器、冷凝器等。热管集热器系统由三个以上的热管集热器模块组成，每个模块包括热管、真空管及复合抛物面反射镜，热管的冷凝段嵌置于工质蒸发套管中；热管的蒸发段安装位于复合抛物面反射镜内底部；三个以上的工质蒸发套管串联。本发明将热管、CPC反射镜及ORC三者相结合，可以形成基于ORC循环的热管式太阳能低温热发电系统。该系统热效率高，承压能力强，与以往的太阳能低温热发电系统相比，创新性地利用了热管的相变换热原理，减少了导热油回路，实现了有机工质与集热器的高效换热。

Description

热管式太阳能有机朗肯循环低温热发电系统

技术领域

本发明属于太阳能发电技术领域，具体涉及太阳能有机朗肯循环低温热发电系统。

背景技术

我国地域辽阔，人口众多，能源短缺，开发利用太阳能对国计民生具有重大意义。热管由于本身具有的众多特点，使其在太阳能的利用中具有极为广泛的应用前景。热管依靠自身内部工作液体相变实现传热，有以下基本特性：

(1)很高的导热性热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个量级的热量[1]。

(2)优良的等温性热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽由蒸发段流向冷凝段的压力差很小，因而热管具有优良的等温性。

(3)热二极管与热开关性能热管可做成热二极管或热开关，实现热流的单向传递，因此，由辐照强度或者环境因素等导致热管加热段温度低于冷凝端温度时，热量也不会散失到环境中去。

热管作为高效传热元件，已经在太阳能高温热发电系统中得到了应用。1996年欧盟启动了DISS(Direct Solar Steam)项目，研制用于槽式太阳能电站的直接产蒸汽系统(DirectSteam Generation，DSG)。DSG系统省去了导热油回路，预计可使槽式太阳能电站成本降低26％[2]。直接用水作工质产生蒸汽的DSG技术是槽式太阳能热发电未来发展的一个方向，具有效率高、成本低等优点，但也存在因系统承压带来的不稳定等问题。在DSG技术中采用热管集热器可有效地解决系统的承压问题。采用热管式真空集热管的DSG系统承压问题只局限于热管式真空集热管的冷凝段。而冷凝段与夹套管间为焊接结构，密封可靠，整体支撑、固定也相对容易。即使其中一支热管的冷凝段损坏，承压系统仍处于密封状态，不会发生安全事故[3]。热管除了应用于槽式太阳能热发电系统外，也已应用于碟式系统。采用热管式太阳能接收器的碟式太阳能-斯特林机热发电系统(Dish-Stirling)可克服太阳能接收器由于热应力导致寿命短的问题。钠热管接收器通过工质的汽化热量供给斯特林发电机的加热管，结构简单、便宜且容易装配。第二代钠热管接收器由两个同心圆柱体构成，圆柱体的两端被两个圆环密封，外圆柱体刻有沟槽，槽中埋有斯特林换热器，内圆柱体为吸热面。

尽管热管应用于高温太阳能热发电具有良好的前景，且高温热管的研究也渐渐深入，但目前热管与太阳能低温热发电相结合的技术尚未有相关报道，也未发现相关专利。

高温太阳能热发电必须采用大面积、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。而太阳能低温热发电可克服上述缺点。太阳能低温热发电的可行性之一在于以有机工质朗肯循环代替了传统的水蒸气朗肯循环。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[4]。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[5].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[6]。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[7]。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[8]。

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[9，10]。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[11]。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[12]。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)，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[13]。

发明内容

为了解决太阳能低温热发电系统承压能力差的问题，解决太阳能低温热发电系统集热器与ORC循环之间需要二次换热介质(如导热油)与换热设备的问题，降低集热器工作温度与有机工质循环温度两者温差，本发明提出了热管式太阳能有机朗肯循环低温热发电系统。热管吸热段吸收太阳能辐照，受热的工作液体蒸发汽化，蒸汽在微小压差下流向热管冷凝段并放出热量，ORC有机工质流经热管冷凝段直接吸热膨胀。整个换热过程高效可靠。

具体的技术解决方案如下：

热管式太阳能有机朗肯循环低温热发电系统包括有机朗肯循环发电系统、蓄热系统、热管集热器系统3；有机朗肯循环发电系统包括工质蒸发套管12、汽轮机13、发电机14、回热器15、冷凝器16、回热器泵111、储液罐泵112和六只阀门；其中汽轮机13的输出端连接着发电机14，汽轮机13的排气口连通着回热器15，回热器15另一端口连通着连冷凝器16，回热器15通过阀门C173与阀门F176连通着储液罐21；储液罐21通过阀门A171连通着汽轮机13的进气口，储液罐21的另一端口连通着储液罐泵112，储液罐泵112的出口通过阀门B172连接着阀门C173的出口；所述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；

所述热管集热器系统3由三个以上的热管集热器模块组成，每个热管集热器模块包括热管31、肋片32、选择性吸收涂层33、双层玻璃真空管34及复合抛物面反射镜35，热管31的冷凝段嵌置于工质蒸发套管12中，工质蒸发套管12内设有有机工质；热管31的蒸发段位于复合抛物面反射镜35内底部；

三个以上的工质蒸发套管12串联，其中第一个工质蒸发套管12通过阀门E175连通着储液罐泵112，第三个工质蒸发套管12通过阀门D174和阀门C173连通着回热器15；

冷凝器16工质出口端连通着回热器泵111，回热器泵111的另一端口连通着回热器15。

所述热管31的冷凝段与工质蒸发套管12之间为焊接密封。

本发明与现有技术相比的有益技术效果：

1、本发明将热管、CPC反射镜及ORC三者相结合，可以形成基于ORC循环的热管式太阳能低温热发电系统。该系统通过低聚焦比复合抛物面反射镜把太阳辐照反射并会聚到选择性吸收涂层表面，涂层将光能转化为热能传递给热管，有机工质流经热管冷凝段将热量带走并蒸发，高压的蒸汽推动汽轮机做功，输出电能。这种系统热效率高，承压能力强，与以往的太阳能低温热发电系统相比，创新性地利用了热管的相变换热原理，减少了导热油回路，实现了有机工质与集热器的高效换热。

2、热管内部主要靠工作液体的汽液相变传热，热阻很小，具有很高的导热能力。与铜、铝、铁等传统CPC集热器吸热体工作原理相比，太阳能辐照热量先是通过热管管壁传递到蒸发段液-汽分界面，液体在液-汽分界面蒸发，蒸汽在微小压差下流到热管冷凝段并在冷凝段汽-液分界面上凝结，凝结放出的热量通过热管冷凝段管壁传递给有机工质，冷凝的工作液体在毛细作用或重力作用下回流到热管蒸发段，如此循环不已。热管独特的工作原理使得其单位重量传递的热量比铜、铝、铁等金属高出几个数量级[14]。

3、影响太阳能低温热发电系统热电转换效率十分关键的因素为ORC循环的蒸发温度，而ORC蒸发温度不仅取决于集热温度，还取决于两者之间的换热温差。在以往太阳能低温热发电系统中，二次换热介质(如导热油)及换热设备不仅是系统必需的能量传递部件，而且还是影响ORC蒸发温度与集热温度两者温差的关键。本发明采用的热管式太阳能热电转换结构不需要中间换热介质，避免了二次换热，有效地提高ORC循环工质与集热器之间的换热性能。这对于提高热端与冷端温差原本只有100℃左右的太阳能低温热发电系统的效率尤其明显。在相同的集热器运行温度条件下，由于热管均温性的特点使得ORC蒸发温度有了明显提高，热管式太阳能低温热发电系统ORC热电转换效率将比二次换热系统效率高出10％以上。因此，本发明突破了以往太阳能低温热发电系统需要二次换热介质及换热设备的限制，实现了ORC蒸发器与集热器的直接结合，不论在系统结构还是工作原理上都具有实质性创新。

4、本发明采用热管与真空管及复合抛物面反射镜相结合的集热方式，与已有太阳能低温热发电系统相比承压能力强，安全性能好。热管冷凝段与有机工质直接接触，耐冰冻，耐热冲击，即使出现一支或多支热管冷凝段损坏，系统仍可正常工作，极其适合于直接产生蒸汽的太阳能有机朗肯循环低温热发电系统。

附图说明

图1热管式太阳能有机朗肯循环低温热发电系统示意图，

图2热管集热器模块剖面图，

图3热管工作原理示意图，

图4系统发电效率随ORC蒸发温度的变化。

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，热管式太阳能有机朗肯循环低温热发电系统，包括有机朗肯循环发电系统、蓄热系统、热管集热器系统3。

有机朗肯循环发电系统包括工质蒸发套管12、汽轮机13、发电机14、回热器15、冷凝器16、回热器泵111、储液罐泵112和六只阀门。其中汽轮机13的输出端连接着发电机14，汽轮机13的排气口连通着回热器15，回热器15另一端口连通着连冷凝器16，回热器15通过阀门C173与阀门F176连通着储液罐21；储液罐21通过阀门A171连通着汽轮机13的进气口，储液罐21的另一端口连通着储液罐泵112，储液罐泵112的出口通过阀门B172连接着阀门C173的出口。

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。

热管集热器系统3由三个以上的热管集热器模块组成，每个热管集热器模块包括热管31、肋片32、选择性吸收涂层33、双层玻璃真空管34及复合抛物面反射镜35，热管31的冷凝段嵌置于工质蒸发套管12中，工质蒸发套管12内设有有机工质；热管31的蒸发段位于复合抛物面反射镜35内底部；

本发明的工作原理是这样的：

一、热管工作原理

如图3所示，热管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段，两段中间可布置绝热段。热管的蒸发段受热时毛细芯(对有芯管而言)中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段放出热量并凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力(或重力)的作用流回蒸发段。热管传热性能的主要由毛细限、声速限、携带限及沸腾限等因素决定。

二、太阳能热管集热器工作原理

如图2、图3所示，太阳能热管集热器以热管31作为吸热体。太阳辐照经过复合抛物面反射镜35反射或者直接照射到选择性吸收涂层33上，热量通过肋片32及热管管壁进入热管内部，热管内部的工作液体受热汽化，蒸汽流入到热管的冷凝段放出热量加热工质蒸发套管12中的有机工质，蒸汽冷凝成液体后回流到热管的蒸发段接受太阳热能，如此反复。

三、热管式太阳能有机朗肯循环低温热发电系统整体工作原理

1)系统处于额定运行工况

热管集热器系统3接受太阳辐照能，太阳热能经过热管传给有机朗肯循环发电系统工质蒸发套管12中的有机工质。阀门A171、阀门C173、阀门D174、阀门E175打开，其余阀门关闭。有机工质在工质蒸发套管12中定压吸热并汽化；高温高压的气态有机工质进入汽轮机13膨胀做功，带动发电机14发电；汽轮机13尾部排出的有机工质经过回热器15初步冷却，然后进入冷凝器16中定压冷凝；冷凝后有机工质经过回热器泵111进入回热器15进行预热并重新进入工质蒸发套管12完成一次发电循环。

2)辐照强度很强，系统需要发电

阀门A171、阀门B172、阀门C173、阀门D174、阀门E175打开，阀门F176关闭。回热器泵111、储液罐泵112都打开。储液罐泵112把储液罐21内的有机工质注入工质蒸发套管12中，加大工质蒸发套管12内的有机工质的流量，同时防止有机工质在工质蒸发套管12中过热，有机工质获得的热量大于额定工况吸热量，此时部分热量传给相变材料23进行蓄热。热管集热器系统3接受太阳辐照能，太阳热能经过热管传给有机朗肯循环发电系统工质蒸发套管12中的有机工质。有机工质在工质蒸发套管12中定压吸热并汽化；高温高压的气态有机工质进入汽轮机13膨胀做功，带动发电机14发电；汽轮机13尾部排出的有机工质经过回热器15初步冷却，然后进入冷凝器16中定压冷凝；冷凝后有机工质经过回热器泵111进入回热器15进行预热并重新进入工质蒸发套管12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A171、阀门C173及阀门F176打开，其余阀门关闭。有机工质在相变储液罐21中获得热量并蒸发；高温高压的气态有机工质进入汽轮机13膨胀做功，带动发电机14发电；汽轮机13尾部排出的有机工质经过回热器15初步冷却，然后进入冷凝器16中定压冷凝；冷凝后有机工质经过回热器泵111进入回热器15进行预热并通过阀门C173与阀门F176重新进入相变储液罐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

热管集热器系统3接受太阳辐照能，太阳热能经过热管传给有机朗肯循环发电系统工质蒸发套管12中的有机工质。阀门B172、阀门D174、阀门E175打开，其余阀门关闭。储液罐泵112打开，回热器泵111关闭。储液罐泵112把储液罐21内的有机工质注入工质蒸发套管12中，有机工质获得热量，并在储液罐21中把热量传给相变材料23。

下面在建立热管式太阳能有机朗肯循环低温热发电系统流动传热数学模型的基础上利用分布参数法模拟系统发电效率。模拟参数见表1，其中有机工质以HCFC123(三氟二氯乙烷)为例，蒸发器以同心逆流换热器为例。

表1热管式太阳能有机朗肯循环低温热发电系统的模拟参数

图4给出了热管式太阳能有朗肯循环低温热发电效率随蒸发温度的变化。由图中曲线可见，每一辐照强度下，有机工质都存在一个最佳的ORC蒸发温度。当辐照强度为600W/m^-2，700W/m^-2，800W/m^-2时，工质的最佳蒸发温度分别为127.7℃，134.9℃，144.8℃，对应的发电效率分别为6.85％，7.50％，7.95％。

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[14]S.W纪(美)著，蒋章焰译.热管理论与实用.北京科学出版社，1981，21。

Claims

1.热管式太阳能有机朗肯循环低温热发电系统，包括有机朗肯循环发电系统、蓄热系统、热管集热器系统(3)；有机朗肯循环发电系统包括工质蒸发套管(12)、汽轮机(13)、发电机(14)、回热器(15)、冷凝器(16)、回热器泵(111)、储液罐泵(112)和六只阀门；其中汽轮机(13)的输出端连接着发电机(14)，汽轮机(13)的排气口连通着回热器(15)，回热器(15)另一端口连通着连冷凝器(16)，回热器(15)通过阀门C(173)与阀门F(176)连通着储液罐(21)；储液罐(21)通过阀门A(171)连通着汽轮机(13)的进气口，储液罐(21)的另一端口连通着储液罐泵(112)，储液罐泵(112)的出口通过阀门B(172)连接着阀门C(173)的出口；所述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)；

其特征在于：

所述热管集热器系统(3)由三个以上的热管集热器模块组成，每个热管集热器模块包括热管(31)、肋片(32)、选择性吸收涂层(33)、双层玻璃真空管(34)及复合抛物面反射镜(35)，热管(31)的冷凝段嵌置于工质蒸发套管(12)中，工质蒸发套管(12)内设有有机工质；热管(31)的蒸发段位于复合抛物面反射镜(35)内底部；

三个以上的工质蒸发套管(12)串联，其中第一个工质蒸发套管(12)通过阀门E(175)连通着储液罐泵(112)，第三个工质蒸发套管(12)通过阀门D(174)和阀门C(173)连通着回热器(15)；

冷凝器(16)工质出口端连通着回热器泵(111)，回热器泵(111)的另一端口连通着回热器(15)。

2.根据权利要求1所述的热管式太阳能有机朗肯循环低温热发电系统，其特征在于：所述热管(31)的冷凝段与工质蒸发套管(12)之间为焊接密封。