CN102192115A - 基于边界层透平的太阳能热发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能热发电技术领域，公开了一种以边界层透平为动力装置的太阳能热发电系统，提出了边界层透平的一种可行的应用领域。该系统可分别基于边界层透平利用朗肯循环和有机朗肯循环发电，以解决太阳能热发电系统动力装置小型化困难、进口参数较高、经济性较差的问题，大大降低可用于热发电的太阳能集热器技术要求，实现适用于低温蒸汽、湿蒸汽、有机工质等多种工质的发电需求，提高低温太阳能热发电的效率，同时本系统复杂度低、制造简单、结构紧凑、操作简便，适用于离网式分布式供能。
Description
技术领域
本发明属于太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种以边界层透平为动力装置的太阳能热发电系统。
背景技术
能源是国民经济的支柱，随着经济、社会的发展，人们对能源的要求越来越高，如何开发利用可再生能源成为当前的重要课题。太阳能因具有清洁无污染、取之不尽、用之不竭、廉价、不受地域限制等特征而成为目前极其重要的可再生能源。我国是太阳能资源相当丰富的国家，全国三分之二的国土面积年日照小时数在2200小时以上，年太阳辐射总量大于每平方米5000MJ。太阳能热发电技术作为人类开发利用太阳能的主要技术，具有技术成熟、发电成本低、规模大小灵活、故障率低等特点，被普遍认为是可再生能源发电中最有前途的发电方式之一。
目前，太阳能热发电技术已得到广泛应用。世界上现有的太阳能热发电系统主要有三大类型：槽式太阳能热发电系统、塔式太阳能热发电系统和碟式太阳能热发电系统。槽式系统已经具有大规模商业化运行经验，但传热工质温度较难提高；塔式系统处于示范阶段，但不适用于小容量分散发电；碟式系统处于样机试验阶段，目前还没有非常适合的动力装置，而且以上三种类型的太阳能热发电系统初期投资较大，使其进一步广泛应用受到了限制。尽管数十兆瓦级的大规模太阳能热发电系统技术得到了一定的发展，但功率在几十千瓦到几百千瓦之间、经济性良好、可用于分布式供能的小规模太阳能热发电技术还很缺乏，需要进一步深入研究。
太阳能热发电系统由集热子系统、热传输子系统、蓄热与热交换子系统和发电子系统等部分组成。其中，最关键的子系统为集热子系统和发电子系统，即最关键的部件为太阳能集热器和动力装置。动力装置的进口参数决定了太阳能集热器工质的工作温度，工作温度越高，对太阳能集热器的技术要求就越高，成本也会进一步增加。目前已知用于太阳能热发电的动力装置主要有汽轮机和斯特林发动机。汽轮机进口参数需在300℃以上，运行功率较大，小型化(750kW以下)困难，且需要相当数量的太阳能集热器单元与之配套，因此占地面积大，不适用于离网式分布式供能。斯特林发动机单机功率约为25kW，但成本较高，要求在高温(约700℃)下工作，需要使用双轴跟踪的聚光太阳能集热器，使工艺结构复杂，成本进一步增加。因此，动力装置能否小型化、低成本化、进口参数能否降低是可用于分布式供能的太阳能热发电系统的关键。
边界层透平(Boundary Layer Turbine)，又称Tesla透平(Tesla Turbine)或圆盘透平(Disc Turbine)，属于无叶径向透平，由尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)于1913年发明，效率可达60％，其独特优势在于：
1.做功部件简单，结构紧凑，呈薄圆盘形，制造成本低廉。
2.适用功率范围广，大、小型皆宜。
3.工质范围广，除常规工质(如蒸汽、燃气、有机工质、水等)外，可利用多相流、高粘度流体、含磨粒流体等工质，如湿蒸汽、泥浆、烟气等。
随着边界层透平性能研究方面的逐步深入，如何充分利用边界层透平的优势、探索适合边界层透平的应用领域也成为亟待研究的问题。
发明内容
本发明旨在设计一种新型的以边界层透平为动力装置的太阳能热发电系统，提出边界层透平一种可行的应用领域。该系统可分别利用朗肯循环和有机朗肯循环进行热发电，解决太阳能热发电系统动力装置小型化困难、进口参数较高、经济性较差的问题，实现适用于低温蒸汽、湿蒸汽、有机工质等多种工质的发电需求，同时本系统复杂度低、制造简单、结构紧凑、操作简便，适用于离网式分布式供能。
本发明提供的一种基于边界层透平的太阳能朗肯循环热发电系统，采用如下技术方案：该系统至少包括太阳能集热器、边界层透平和冷凝器；其连接方式为：太阳能集热器、边界层透平和冷凝器依次串联并组成回路；太阳能集热器吸收太阳辐射能，将热量传递给其内的水工质，使水的温度升高，并转化为低温蒸汽，低温蒸汽进入边界层透平膨胀做功，同时带动发电机发电，从边界层透平排出的工质进入冷凝器冷凝成水并进入太阳能集热器进行下一次循环。
所述冷凝器至太阳能集热器间的回路上依次设置储液罐和集热回路工质循环泵。
本发明提供的一种基于边界层透平的太阳能有机朗肯循环热发电系统，采用的技术方案为：该系统包括集热回路和有机朗肯循环回路。
所述集热回路至少由依次串联组成回路的太阳能集热器、换热器、集热回路工质循环泵构成。
所述有机朗肯循环回路至少由换热器、气液分离器、边界层透平、储液罐和有机朗肯回路工质循环泵构成；且换热器的出口与气液分离器的入口连接，气液分离器的气体出口与边界层透平连接后依次与储液罐、有机朗肯回路工质循环泵连接后，接回换热器的入口，组成回路；气液分离器的液体出口直接与换热器的入口连接。
太阳能集热器吸收太阳辐射能，将热量传递给集热器工质，使集热器工质温度升高，经过换热器，将热量传递给换热器内的有机工质；从换热器出口排出的低温工质再通过集热回路工质循环泵回到太阳能集热器继续循环；换热器内的有机工质在换热器内吸热蒸发，进入气液分离器，气态工质从气液分离器的气体出口排出，进入边界层透平膨胀做功，同时带动发电机发电，从边界层透平排出的工质进入冷凝器中冷凝成液态，并回收至储液罐，之后通过有机朗肯回路工质循环泵进入换热器进行下一次循环；液态工质从气液分离器的液体出口排出，直接回到换热器内参与循环。
所述朗肯循环和有机朗肯循环热发电系统中使用的边界层透平的透平转子由一组固定于转轴上的共轴平行圆盘组成，各圆盘间由间隙片隔开，整个转子密闭于腔体中；工质由腔体外的喷嘴沿近切线方向喷入转子，在圆盘间隙内呈螺旋状流动，最后从圆盘中心排气孔流出，流体利用边界层与圆盘表面的粘性切应力带动圆盘转动。
所述圆盘的外圈为圆环状的工作段，中心为用来与轴相连的弧形边三角形结构，且该圆环状的工作段与弧形边三角形结构之间形成三个梭状的排气孔；弧形边三角形结构向外凸出形成间隙片，凸出部位厚度为0.5～2mm。
所述腔体上沿近切线方向设有流线形与喷嘴流道的形状相同的槽。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.边界层透平的二维圆盘同传统透平的三维叶片相比，不存在高速蒸汽冷凝成液滴以致损毁叶片的问题，因此可直接利用低温蒸汽(150℃以下)、湿蒸汽和有机工质等。
2.边界层透平的大小可根据需要随意调节(5W～500kW)，极易小型化，且制作简单，结构紧凑，十分适用于小规模的离网式分布式供能系统。
3.将边界层透平用于太阳能热发电系统，可大大降低太阳能集热器的出口工质温度，大幅度降低用于热发电的太阳能集热器技术要求，提高低温太阳能热发电的效率，减少系统投资成本，提高系统经济性。
附图说明
图1是基于边界层透平的太阳能朗肯循环热发电系统的示意图；
图2是基于边界层透平的太阳能有机朗肯循环热发电系统的示意图；
图3是边界层透平外观图及剖面图；
图4是边界层透平轴的结构示意图；
图5是边界层透平圆盘的正面、背面、侧面及立体结构示意图；
图6是边界层透平端盖的正面、剖面及立体结构示意图。
图中标号：
1-太阳能集热器；2-边界层透平；3-发电机；4-冷凝器；5-储液罐；6-集热回路工质循环泵；7-换热器；8-气液分离器；9-有机朗肯回路工质循环泵；
21-轴；22-圆盘组；23-圆螺母；24-轴承；25-端盖；26-腔体；27-喷嘴。
具体实施方式
本发明提供了一种基于边界层透平的朗肯循环太阳能热发电系统和有机朗肯循环太阳能热发电系统，下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
本发明提供的基于边界层透平的太阳能朗肯循环热发电系统如图1所示。该系统至少包括太阳能集热器1、边界层透平2和冷凝器4；其连接方式为：太阳能集热器1、边界层透平2和冷凝器4依次串联并组成回路。并在所述冷凝器4至太阳能集热器1间的回路上依次设置储液罐5和集热回路工质循环泵6。
太阳能集热器1吸收太阳辐射能，将热量传递给其内的水工质，使水的温度升高，并转化为低温蒸汽(150℃、0.3MPa以下)，低温蒸汽经过外包保温材料的管道进入边界层透平2膨胀做功，同时带动发电机3发电，将热能转化为电能。从边界层透平2排出的工质进入冷凝器4冷凝成水，并回收至储液罐5，之后再通过工质循环泵6进入太阳能集热器1进行下一次循环。
本发明提供的基于边界层透平的太阳能有机朗肯循环热发电系统如图2所示。该系统包括集热回路和有机朗肯循环回路；所述集热回路至少由依次串联组成回路的太阳能集热器1、换热器7、集热回路工质循环泵6构成；所述有机朗肯循环回路至少由换热器7、气液分离器8、边界层透平2、储液罐5和有机朗肯回路工质循环泵9构成；且换热器7的出口与气液分离器8的入口连接，气液分离器8的气体出口与边界层透平2连接后依次与储液罐5、有机朗肯回路工质循环泵9连接后，接回换热器7的入口，组成回路；气液分离器8的液体出口直接与换热器7的入口连接。
太阳能集热器1吸收太阳辐射能，将热量传递给集热器工质导热油，使集热器工质温度升高，经过换热器7，将热量传递给换热器内的有机工质并使其蒸发；从换热器7出口排出的低温工质再通过集热回路工质循环泵6回到太阳能集热器1继续循环；换热器7内的有机工质在换热器内吸热蒸发，进入气液分离器8，气态工质从气液分离器8的气体出口排出，进入边界层透平2膨胀做功，同时带动发电机3发电，从边界层透平2排出的工质进入冷凝器4中冷凝成液态，并回收至储液罐5，之后通过有机朗肯回路工质循环泵9进入换热器7进行下一次循环；液态工质从气液分离器8的液体出口排出，直接回到换热器7内参与循环。
如图3-6所示，本发明提供的边界层透平由轴21、圆盘组22、圆螺母23、轴承24、端盖25、腔体26、喷嘴27等组成。在轴21上圆盘组22对应处开键槽，以周向固定圆盘组22，同时在轴21的一端攻一段螺纹，方便旋入圆螺母23，以轴向固定圆盘组。圆盘的外圈为圆环状的工作段，中心为用来与轴相连的弧形边三角形结构，且该圆环状的工作段与弧形边三角形结构之间形成三个梭状的排气孔；弧形边三角形结构向外凸出形成间隙片，凸出部位厚度为0.5～2mm。由于本透平的转速较高，因此采用滑动轴承24。为方便加工，端盖25排气孔的形状与圆盘不同，为8个对称圆孔，圆孔大小需与圆盘的出气孔大小匹配，且与发电机联接的一端端盖没有排气孔。在腔体26上沿近切线方向开一道槽，槽的形状即为喷嘴27流道的形状，一般为流线形。喷嘴27与外部连接部分可根据输气管的需要而改变形状。
工质由喷嘴27沿近切线方向喷入转子，在圆盘间隙内呈螺旋状流动，最后从圆盘中心排气孔流出。根据边界层理论，高雷诺数工质流经圆盘时，会在圆盘表面产生边界层，边界层内的流体对圆盘表面产生粘性切应力，从而带动圆盘转动。
本发明提供的边界层透平装配过程为：将多片自带间隙片的圆盘组成圆盘组22，通过圆头平键与轴21固定，并将圆螺母23沿轴上螺纹方向拧上，锁紧圆盘组22以避免轴向窜动。在轴两端分别套上滑动轴承24，然后将整个转子放入腔体26，并用螺栓将端盖25与腔体26联接并密封，最后安装上喷嘴27。透平运行前需做动平衡实验。
以上所述为本发明的具体实施方式，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神与原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于边界层透平的太阳能朗肯循环热发电系统，其特征在于，该系统至少包括太阳能集热器(1)、边界层透平(2)和冷凝器(4)；
其连接方式为：太阳能集热器(1)、边界层透平(2)和冷凝器(4)依次串联并组成回路；太阳能集热器(1)吸收太阳辐射能，将热量传递给其内的水工质，使水的温度升高，并转化为低温蒸汽，低温蒸汽进入边界层透平(2)膨胀做功，同时带动发电机发电，从边界层透平(2)排出的工质进入冷凝器(4)冷凝成水并进入太阳能集热器(1)进行下一次循环。
2.根据权利要求1所述的一种基于边界层透平的太阳能朗肯循环热发电系统，其特征在于，所述冷凝器(4)至太阳能集热器(1)间的回路上依次设置储液罐(5)和集热回路工质循环泵(6)。
3.根据权利要求1所述的一种基于边界层透平的太阳能朗肯循环热发电系统，其特征在于，所述边界层透平(2)的透平转子由一组固定于转轴上的共轴平行圆盘组成，各圆盘间由间隙片隔开，整个转子密闭于腔体中；工质由腔体外的喷嘴沿近切线方向喷入转子，在圆盘间隙内呈螺旋状流动，最后从圆盘中心排气孔流出，流体利用边界层与圆盘表面的粘性切应力带动圆盘转动。
4.根据权利要求3所述的一种基于边界层透平的太阳能朗肯循环热发电系统，其特征在于，所述圆盘的外圈为圆环状的工作段，中心为用来与轴相连的弧形边三角形结构，且该圆环状的工作段与弧形边三角形结构之间形成三个梭状的排气孔；弧形边三角形结构向外凸出形成间隙片，凸出部位厚度为0.5～2mm。
5.根据权利要求3所述的一种基于边界层透平的太阳能朗肯循环热发电系统，其特征在于，所述腔体上沿近切线方向设有流线形与喷嘴流道的形状相同的槽。
6.一种基于边界层透平的太阳能有机朗肯循环热发电系统，其特征在于，该系统包括集热回路和有机朗肯循环回路；
所述集热回路至少由依次串联组成回路的太阳能集热器(1)、换热器(7)、集热回路工质循环泵(6)构成；
所述有机朗肯循环回路至少由换热器(7)、气液分离器(8)、边界层透平(2)、储液罐(5)和有机朗肯回路工质循环泵(9)构成；且换热器(7)的出口与气液分离器(8)的入口连接，气液分离器(8)的气体出口与边界层透平(2)连接后依次与储液罐(5)、有机朗肯回路工质循环泵(9)连接后，接回换热器(7)的入口，组成回路；气液分离器(8)的液体出口直接与换热器(7)的入口连接；
太阳能集热器(1)吸收太阳辐射能，将热量传递给集热器工质，使集热器工质温度升高，经过换热器(7)，将热量传递给换热器内的有机工质；从换热器(7)出口排出的低温工质再通过集热回路工质循环泵(6)回到太阳能集热器(1)继续循环；换热器(7)内的有机工质在换热器内吸热蒸发，进入气液分离器(8)，气态工质从气液分离器(8)的气体出口排出，进入边界层透平(2)膨胀做功，同时带动发电机发电，从边界层透平(2)排出的工质进入冷凝器(4)中冷凝成液态，并回收至储液罐(5)，之后通过有机朗肯回路工质循环泵(9)进入换热器(7)进行下一次循环；液态工质从气液分离器(8)的液体出口排出，直接回到换热器(7)内参与循环。
7.根据权利要求6所述的一种基于边界层透平的太阳能朗肯循环热发电系统，其特征在于，所述边界层透平(2)的透平转子由一组固定于转轴上的共轴平行圆盘组成，各圆盘间由间隙片隔开，整个转子密闭于腔体中；工质由腔体外的喷嘴沿近切线方向喷入转子，在圆盘间隙内呈螺旋状流动，最后从圆盘中心排气孔流出，流体利用边界层与圆盘表面的粘性切应力带动圆盘转动。
8.根据权利要求7所述的一种基于边界层透平的太阳能朗肯循环热发电系统，其特征在于，所述圆盘的外圈为圆环状的工作段，中心为用来与轴相连的弧形边三角形结构，且该圆环状的工作段与弧形边三角形结构之间形成三个梭状的排气孔；弧形边三角形结构向外凸出形成间隙片，凸出部位厚度为0.5～2mm。
9.根据权利要求7所述的一种基于边界层透平的太阳能朗肯循环热发电系统，其特征在于，所述腔体上沿近切线方向设有流线形与喷嘴流道的形状相同的槽。
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