CN102235332A

CN102235332A - 太阳能光热汽液两相流热膨胀发电系统

Info

Publication number: CN102235332A
Application number: CN2010101565684A
Authority: CN
Inventors: 李化成
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-04-27
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2011-11-09

Abstract

一种太阳能光热汽液两相流热膨胀发电系统，由太阳能集热器阵列、增压泵、汽液两相流热膨胀动力机、发电机及相应的管路组成，其特征在于：设有由水处理装置提供补水的热集水井，并由增压泵将热集水井中的循环热水抽至供水母管，供水母管将循环热水分配给太阳能集热器阵列，循环热水经过太阳能集热器阵列各热接收器加热至饱和温度后汇集到汽液两相流饱和水母管，汽液两相流饱和水母管中的汽液两相流饱和水通过扩容汽液匹配器匹配汽水两相工质参数后，输送给汽液两相流热膨胀动力机做功带动发电机工作，做功后的汽水两相工质通过回流管路回流到热集水井中循环使用。

Description

太阳能光热汽液两相流热膨胀发电系统

(一)技术领域：

本发明属于太阳能热能的转换与利用技术，具体是将太阳能集热器所收集的热能进行高效率低成本发电的技术方法和系统。

(二)背景技术：

太阳能光热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能，并通过热力循环过程进行发电，是太阳能利用的重要方式。80年代以来，美、欧、澳等国相继建立起不同型式的示范装置，促进了太阳能光热发电技术的发展。世界现有的太阳能槽式线聚焦热发电系统方法、建设造价、系统效率、发电成本如下：

(1)发电系统方法：目前太阳能槽式线聚焦热发电系统，是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，对管内传热工质导热油加热，导热油再通过换热器与水工质换热产生过热蒸汽，推动常规汽轮机发电。

(2)系统效率、建设造价、发电成本：Luz公司1980年开始开发此类热发电系统，5年后实现了商业化。1985年起先后在美国加州的Mojave沙漠上建成9个发电装置，总容量354兆瓦，年发电总量10.8亿千瓦时。9个电站都与南加州爱迪生电力公司联网。随着技术不断发展，系统总体发电效率由起初的11.5％提高到13.6％。建造费用由5976美元/千瓦降低到3011美元/千瓦，发电成本由26.3美分/千瓦时降低到12美分/千瓦时。

(3)现有太阳能槽式线聚焦热发电系统技术存在的问题：

1)系统效率低：现有系统效率仅有13.6％，低于塔式聚焦发电系统总体发电效率(26％)和碟式聚焦发电系统的总体发电效率(29％)；

2)建设费用高：该系统投资按现人民币对美元的比价计算在20000元/千瓦以上；按建设时期比价则建设费用更高；

3)发电运行成本高：由于采用常规蒸汽轮机发电，换热系统及蒸汽过热系统和冷凝系统运行成本高，导致发电运行成本居高不下。

目前，世界仅有太阳能槽式线聚焦热发电系统投入商业运行；因此，开发适合我国国情的高效率、低投入、低成本的太阳能槽式线聚焦热发电系统有十分重要的意义。

中国专利申请200810058626.2号公开了一种混合工质分散式低温太阳能热力发电系统，为太阳能直接利用的方法，属于资源与环境技术领域。按发电容量配备太阳能集热加热器及其循环管路；安装并连接好板式热交换器(加热蒸发器)、凝汽器、储液器、汽液分离器、工质加压泵、储热罐及阀门等设备、配件；根据管路容积计算工质充注量，将正戊烷(C5H12)(或其同分异构体)和正己烷(C6H14)(或其同分异构体)按正戊烷(C5H12)(或其同分异构体)的摩尔浓度为10-90％配制成混合工质计量充入循环管路中。该发明可以直接将低密度的太阳能高效地转换为高品位的电能，实现真正零排放的洁净发电过程，避免了传统区域集中大型发电系统的电力线损及巨大的输配电系统的投资和维护。

中国专利申请200710178632.7号公开了一种太阳能蒸汽液压马达发电装置，它主要包括：太阳能集热装置、压力注射泵、太阳能集热蒸汽发生器、蒸汽储罐、控制阀、蒸汽液压装置、液压马达和冷凝换热器；所述太阳能集热装置出口经压力注射泵将热水连续注入到太阳能蒸汽发生器中，太阳能蒸汽发生器内加热产生的低温蒸汽通过出口进入蒸汽储汽罐内；蒸汽储汽罐通过开、关联动的控制阀将蒸汽分别交替送入液压装置中的两个蒸汽液压缸中，所述两个蒸汽液压缸与一个液压缸的两端连接，另一个与其联动的液压缸两端通过管线及换向阀与液压马达的两端连接。该发明具有如下优点和积极效果：使用成本低，使用寿命长，无环境污染；可利用低温能源，如太阳能、地热和废热等。

中国专利申请200610010646.3号公开了一种利用天然工质以及太阳能或废热的发电、空调及供暖装置，由太阳能集热器或废热集热器、泵、涡轮及发电机、冷冻机、换热器以及连通的管路组成，太阳能集热器或废热集热器的进、出口分别与泵的出口、涡轮的进口相连构成天然工质回路，液态形式的低沸点天然工质依次经过泵加压后达到超临界压力状态，再经过太阳能集热器或废热集热器加热成高温高压超临界流体，该高温高压超临界流体绝热膨胀后变成低压气体状态，再经过热回收过程被冷却后返回液态，最后经过泵送回太阳能集热器或废热集热器，从而实现热力学循环，该热力学循环中，高温高压超临界流体驱动涡轮发电机得到电力；热回收过程利用吸收式冷冻机提供冷暖空调，并且还可以加热水提供热水。

(三)发明内容：

本发明针对现有太阳能发电系统热电转换效率低、建设投资高、发电运行成本高的现状，提出采用汽液两相流热膨胀发电的太阳能槽式线聚焦热发电系统技术，以克服现有技术存在的上述问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种太阳能光热汽液两相流热膨胀发电系统，由太阳能集热器阵列、增压泵、汽液两相流热膨胀动力机、发电机及相应的管路组成，其特征在于：

设有由水处理装置提供补水的热集水井，并由增压泵将热集水井中的循环热水抽至供水母管，供水母管将循环热水分配给太阳能集热器阵列，循环热水经过太阳能集热器阵列各热接收器加热至饱和温度后汇集到汽液两相流饱和水母管，汽液两相流饱和水母管中的汽液两相流饱和水通过扩容汽液匹配器匹配汽水两相工质参数后，输送给汽液两相流热膨胀动力机做功带动发电机工作，做功后的汽水两相工质通过回流管路回流到热集水井中循环使用。

扩容汽液匹配器主要用于根据太阳光线强弱等匹配进入汽液两相流热膨胀动力机的汽水两相工质参数，如汽液体积比、压力及汽水两相工质进出热膨胀动力机的膨胀比等，其设计原理可类似于现有的定压扩容器等。汽液两相流热膨胀动力机可以采用各种先进的汽液两相流热膨胀动力机。

进一步的方案是：在回流管路中设有汽液分离器，做功后的汽水两相工质通过汽液分离器分离出热回水和蒸汽，热回水直接回流到热集水井中，蒸汽通过空气冷凝器冷凝为凝结水后再汇入热集水井，并设有抽气泵将空气冷凝器中的不凝结气排至大气中。这样，可以及时排出汽水两相工质中的不凝结气(主要是空气)。当然，也可以让分离出的蒸汽采用其它方式冷凝后汇入到热集水井中循环使用。

进一步的方案是：太阳能集热器为太阳能槽式线聚焦集热器。当然，也可以采用其它形式的高效太阳能集热器。

进一步的方案是：供水母管的水压为绝对压力1.0-1.7Mpa无级可调。便可在不同的太阳光照下调节系统运行参数，保证汽液两相流热膨胀动力机更有效工作。

进一步的方案是：气液分离器绝对压力为10-100Kpa无级可调。除以调节保证汽液两相流热膨胀动力机更有效工作外，同时保证了空气冷凝器的可靠工作及有效回收热回水中的显热。

本发明的有益效果表现在：

一、热电转换总效率提高：

现有太阳能槽式线聚焦热发电系统技术采用常规蒸汽轮机发电，汽轮机排汽需冷凝为凝结水，浪费了大量蒸汽潜热，并产生了较大的冷凝功耗和水耗。汽液两相流热膨胀做功后的蒸汽较少，热能可从循环热水显热中回收，大量节约了热能，提高了系统发电的热电转换总效率。

二、系统节水

采用本发明系统，整个系统工质水完全闭式循环，同时，因排汽温度较高，使用空冷效果好，完全避免了冷凝耗水的问题，达到节水的目的。

三、发电负荷调整能力强，适应太阳能的特点

本发明系统的汽液两相流热膨胀动力机在工质流量为热膨胀动力机额定流量10％的情况下均可稳定工作，因此其负荷调整能力很强，非常适应太阳能光热热能变化大的特点，从而提高了太阳能光热总的利用率。

四、建设投资节省：

现有太阳能槽式线聚焦热发电系统技术由于采用常规蒸汽轮机发电，需要工质换热系统、蒸汽过热系统和冷凝系统，因而系统结构复杂，建设投资成本高；而本发明不需要太阳能槽式线聚焦工质换热器及蒸汽过热器，同时，因汽液两相流热膨胀做功后的蒸汽较少，排汽温度较高，空冷效率高，则蒸汽冷凝器换热面积很小，故建设投资低。

五、发电运行成本低：

本发明采用低温低压系统发电，使太阳能槽式线聚焦热收集器的集热管使用寿命大大提高；同时，本发明采用成熟技术设备集成，系统可靠性很高，可采用远程无人值守操作系统；故本发明发电运行成本很低。

(四)附图说明：

图1是太阳能光热汽液两相流热膨胀发电系统的原理图。

(五)具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1，一种太阳能光热汽液两相流热膨胀发电系统，由太阳能槽式线聚焦集热器阵列、增压泵、汽液两相流热膨胀动力机、发电机及相应的管路组成，其特征在于：

设有由水处理装置提供补水(开工时为水处理装置提供集水井的工质水)的热集水井，并由增压泵将热集水井中的循环热水抽至供水母管，供水母管的水压为1.0-1.7Mpa无级可调，供水母管将循环热水分配给太阳能集热器阵列，循环热水经过太阳能集热器阵列各热接收器加热至饱和温度后汇集到汽液两相流饱和水母管，汽液两相流饱和水母管中的汽液两相流饱和水通过扩容汽液匹配器匹配汽水两相工质参数后，输送给汽液两相流热膨胀动力机做功带动发电机工作，做功后的汽水两相工质通过回流管路回流到汽液分离器分离出热回水和蒸汽，热回水直接回流到热集水井中，蒸汽通过空气冷凝器冷凝为凝结水后再汇入热集水井，并设有抽气泵将空气冷凝器中的不凝结气排至大气中。不凝气抽气泵抽气应使汽水分离器水蒸汽压为绝对压力10-100Kpa无级可调；以保证热膨胀动力机高效工作和空气冷凝器工作可靠；同时，能有效回收热回水中的显热。

Claims

1.一种太阳能光热汽液两相流热膨胀发电系统，由太阳能集热器阵列、增压泵、汽液两相流热膨胀动力机、发电机及相应的管路组成，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的太阳能光热汽液两相流热膨胀发电系统，其特征在于：在回流管路中设有汽液分离器，做功后的汽水两相工质通过汽液分离器分离出热回水和蒸汽，热回水直接回流到热集水井中，蒸汽通过空气冷凝器冷凝为凝结水后再汇入热集水井，并设有抽气泵将空气冷凝器中的不凝结气排至大气中。

3.根据权利要求1所述的太阳能光热汽液两相流热膨胀发电系统，其特征在于：太阳能集热器为太阳能槽式线聚焦集热器。

4.根据权利要求1所述的太阳能光热汽液两相流热膨胀发电系统，其特征在于：供水母管的水压为1.0-1.7Mpa无级可调。

5.根据权利要求1所述的太阳能光热汽液两相流热膨胀发电系统，其特征在于：气液分离器绝对压力为10-100Kpa无级可调。