CN109139157B - 基于有机朗肯循环的太阳能与地热能耦合的发电系统装置 - Google Patents

基于有机朗肯循环的太阳能与地热能耦合的发电系统装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于有机朗肯循环的太阳能与地热能耦合的发电系统装置，由太阳能集热、地热水、有机朗肯循环、以及冷却水循环等4个子系统组成。其中：太阳能集热子系统由太阳能集热器、增温换热器、过热器依次连接构成；地热水子系统由抽水井、增温换热器、蒸发器、预热器等构成。有机工质朗肯循环子系统由过热器、涡旋膨胀机、冷凝器等构成。冷却水循环子系统由冷凝器、冷却塔等构成。通过过热器、预热器、蒸发器等将4个子系统连接成发电系统装置。该装置主要通过6个阀门的逻辑切换进入不同的发电模式。通过上述方式，本发明能够有效提高系统运行效率和稳定性；提高中低温地热水的利用率及热效率，又属于绿色发电，因此具有广阔的应用前景。

Description

基于有机朗肯循环的太阳能与地热能耦合的发电系统装置
技术领域
本发明属于新能源领域，具体涉及一种太阳能与地热能耦合的发电系统。
背景技术
目前，节能减排是世界多国的能源政策，其中中低温热源的地热发电技术是其中的一个研究热点和产业化推广方向。由于众所周知的原因，利用中低温地热能发电大部分均采用有机朗肯循环。有机朗肯循环是用有机物代替水作为工质的朗肯动力循环，它的特点是非常适宜利用中低品位的热能来进行发电。
地热能发电和太阳能发电都属于可再生的清洁能源发电，地热资源发电稳定性、连续性较好；太阳能资源储量丰富，清洁安全。但单一中低温地热发电有效率偏低和具有资源品位条件的限制；单一太阳能发电也存在不连续、不稳定和成本偏高的缺陷。近年来多能互补耦合发电的技术被广泛应用，因此太阳能-地热能耦合发电系统受到国内外广泛关注。多能耦合发电系统可以优化能源结构，节约了能源又保护了环境，具有极高的经济与社会效益，是可持续发展在能源领域的必然选择。
本发明依据上述问题而提出了太阳能与地热耦合的发电系统，以降低发电成本和地热储层热含量的消耗；提高发电效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于有机朗肯循环的太阳能与地热能耦合的发电系统装置。利用太阳能和地热能两种能源各自的优势，可以改善单一发电方式的不足，弥补春夏秋三季中低温地热发电系统效率较低、运行工况多变等缺陷，达到提升可再生能源综合利用提高效率的目的。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
基于有机朗肯循环的太阳能与地热能耦合的发电系统装置，包括：太阳能集热器、增温换热器、过热器、抽水井、蒸发器、预热器、回灌井、涡轮膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵、水泵、冷却塔、阀门以及视液镜。其系统组成的技术方案是：发电系统装置由太阳能集热子系统、地热水子系统、有机朗肯循环子系统以及冷却水循环子系统4个部分组成。
其中：太阳能集热子系统由太阳能集热器、增温换热器和过热器依次连接构成。
地热水子系统由抽水井、增温换热器、蒸发器、预热器和回灌井依次连接构成。其中通过增温换热器的热水侧和导热油侧，将地热水子系统和太阳能集热子系统进行连接。
有机朗肯循环子系统由过热器、涡旋膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵、预热器、蒸发器依次串接构成。其中通过过热器的导热油侧和工质侧，将太阳能集热子系统和有机朗肯循环子系统进行连接。同时通过蒸发器和预热器的热水侧及工质侧，将地热水子系统和有机朗肯循环子系统进行连接。
冷却水循环子系统由冷凝器、水泵、冷却塔依次串接构成，并且通过冷凝器的工质侧和冷却水侧，将有机朗肯循环子系统和冷却水循环子系统进行连接。
在太阳能集热子系统中，增温换热器连接第一、第二、第三阀门；过热器连接第四、第五、第六阀门，并且增温换热器和过热器与各自的三个阀门构成封闭连接。
所述增温换热器的导热油出口与第二阀门的进口连接，所述增温换热器的导热油进口与第三阀门的除了连接，第二阀门的出口与第一阀门的出口连接，第三阀门的进口与第一阀门的进口连接；
所述过热器的导热油出口与第五阀门的进口连接，所述过热器的导热油进口与第六阀门的出口连接，第五阀门的出口与第四阀门的出口连接，第六阀门的进口与第四阀门的进口连接。
该发电装置主要通过6个阀门的逻辑切换进入不同的耦合模式。例如：第二、第三和第四阀门开启，第一、第五和第六阀门关闭，可进入太阳能集热器子系统与地热水子系统联合工作模式，太阳能用于提高地热水出口温度，即提高蒸发器入口温度。
第一、第五和第六阀门开启，第二、第三和第四阀门关闭，可进入太阳能集热器子系统与有机朗肯循环子系统联合工作模式，太阳能用于提高工质温度，可适当增加工质过热度。
第二、第三、第五和第六阀门开启，第一和第四阀门关闭，可进入太阳能集热器子系统、有机朗肯循环子系统和地热水子系统联合工作模式。
本发明的原理是：采用聚光特性较强的槽式太阳能集热器进行热发电，地热能作为第一级加热器优先加热工质，然后工质进入太阳能过热器中加热，最后进入汽轮机中膨胀完成做功。来自工质泵的低温工质首先进入预热器被地热水预热，然后进入蒸发器被地热水加热至饱和状态，随后进入过热器被太阳能进一步过热，进入有机朗肯循环子系统的太阳能耦合模式。同时，地热水也可在增温换热器中被太阳能提高温度，然后再通过蒸发器与工质换热，构成太阳能与地热水耦合模式。
本发明的特点以及产生的有益效果是：具有发电效率高、可持续稳定运行、清洁无污染的特点。与传统单一地热发电系统和单一太阳能发电系统相比：
(1)资源优势互补：采用太阳能耦合地热发电，弥补了地热电站在夏季白天效率降低的缺陷；取消了常规太阳能发电系统中的储能装置，利用地热能来作为基础保障代替热储存系统，减少了能量转换次数，增加了能量利用效率，降低了设备和系统故障率以及太阳能发电部分的占地。
(2)共享动力设备：太阳能热发电和地热发电在能量转换上一样，故耦合系统可用同一套汽轮机、热交换器和工质泵等部件，当太阳能光照条件不足以发电时，系统设备也可以正常运行。
(3)提高系统效率：太阳能可提高地热发电中的工质参数，使进入汽轮机的蒸汽具有较高的作功能力，最终提高地热发电的效率；太阳能的输入还可减缓地热资源的消耗和品质衰减，从而延长地热资源的开采寿命，符合节能减排的要求，有利于环保。
(4)控制发电成本：本发明是把低资金消耗的地热和高投资的太阳能耦合在一起，可以很大程度上控制电力成本；同时本系统具有调峰性能，可满足电网调峰的需要，对于缓解电力供需矛盾和减少污染物排放具有显著效果。
附图说明
图1是本发明各部件连接及原理结构系统图。
附图中的虚框分别是：太阳能集热子系统Ⅰ；地热水子系统Ⅱ；有机朗肯循环子系统Ⅲ；冷却水循环子系统Ⅳ。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构组成以及技术方案做进一步的说明，从而也对本发明的保护范围做出更为清楚明确的解释。
基于有机朗肯循环的太阳能与地热能耦合的发电系统装置，其部件组成包括4个部分：太阳能集热子系统、地热水子系统、有机朗肯循环子系统以及冷却水循环子系统(图1中虚框部分)。其中：太阳能集热子系统Ⅰ由太阳能集热器1、增温换热器2和过热器3依次连接构成。
地热水子系统Ⅱ由抽水井4、增温换热器、蒸发器5、预热器6和回灌井7依次连接构成。其中通过增温换热器的热水侧和导热油侧，将地热水子系统和太阳能集热子系统进行连接。地热水子系统主要为发电系统提供稳定的地热水，能充分提高地热水的综合利用率。
有机朗肯循环子系统Ⅲ由过热器、涡旋膨胀机8、冷凝器9、储液罐10、工质泵11、预热器、蒸发器依次串接构成。其中通过过热器的导热油侧和工质侧，将太阳能集热子系统和有机朗肯循环子系统进行连接。
同时通过蒸发器和预热器的热水侧和工质侧，将地热水子系统和有机朗肯循环子系统进行连接。冷却水循环子系统Ⅳ由冷凝器、水泵12、冷却塔13依次串接构成，并且通过冷凝器的工质侧和冷却水侧，将有机朗肯循环子系统和冷却水循环子系统进行连接。
在太阳能集热子系统中，增温换热器连接第一、第二、第三阀门14-1、14-2、14-3；-过热器连接第四、第五、第六阀门14-4、14-5、14-6，并且增温换热器和过热器与各自的三个阀门构成封闭连接。
增温换热器2的导热油出口与第二阀门14-2的进口连接，增温换热器2的导热油进口与第三阀门14-3的除了连接，第二阀门14-2的出口与第一阀门14-1的出口连接，第三阀门14-3的进口与第一阀门14-1的进口连接；
过热器3的导热油出口与第五阀门14-5的进口连接，过热器3的导热油进口与第六阀门14-6的出口连接，第五阀门14-5的出口与第四阀门14-4的出口连接，第六阀门14-6的进口与第四阀门14-4的进口连接。
太阳能集热器，采用槽式太阳能集热器。为了方便工质液位的观察，在蒸发器和预热器的工质侧管路之间设有视液镜15。
控制6个阀门的开启与关闭，使发电系统装置具有三种工作模式，例如：
太阳能集热器子系统与地热水子系统联合工作模式：第二、第三和第四阀门开启，第一、第五和第六阀门关闭。
太阳能集热器子系统与有机朗肯循环子系统联合工作模式：第一、第五和第六阀门开启，第二、第三和第四阀门关闭。
太阳能集热器子系统、有机朗肯循环子系统和地热水子系统联合工作模式：第二、第三、第五和第六阀门开启，第一和第四阀门关闭。
工质泵的活塞行程可以进行调节，并且驱动工质泵的电机可以通过变频器进行调节。工质在预热器内预热到接近饱和，在蒸发器中变成饱和状态，进入过热器内过热，蒸发后的气态工质进入涡旋膨胀机做功发电。低压的泛气进入冷凝器进行冷凝，将热量排放到冷却塔的冷却水中。冷凝后的液态工质流入储液罐中开始进行下一个循环。运行过程中，可以通过调节工质泵的活塞行程或电机频率来控制循环压力，也可以通过调节冷却水流量和温度控制冷凝器内压力。
发电装置系统进入太阳能集热器子系统与地热水子系统联合工作模式，可以提高地热水能源品位。进入太阳能集热器子系统与有机朗肯循环子系统联合工作模式，可以大幅提高发电效率。进入太阳能集热器子系统、有机朗肯循环子系统和地热水子系统联合工作模式，此时太阳能既将提高地热水温度同时也将工质过热，可有效提高能源的利用效率，降低了地热水的消耗和太阳能发电成本，运行稳定可靠、又属于绿色发电，因此具有广阔的应用前景。

Claims (3)

1.基于有机朗肯循环的太阳能与地热能耦合的发电系统装置，包括：太阳能集热器、增温换热器、过热器、抽水井、蒸发器、预热器、回灌井、涡轮膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵、水泵、冷却塔、阀门，其特征是：发电系统装置由太阳能集热子系统、地热水子系统、有机朗肯循环子系统以及冷却水循环子系统4个部分组成，其中：太阳能集热子系统由太阳能集热器(1)、增温换热器(2)与过热器(3)依次连接构成；地热水子系统由抽水井(4)、增温换热器、蒸发器(5)、预热器(6)和回灌井(7)依次连接构成；其中通过增温换热器的热水侧和导热油侧，将地热水子系统和太阳能集热子系统进行连接，在所述蒸发器(5)和预热器(6)的工质侧管路之间设有视液镜(15)；有机朗肯循环子系统由过热器、涡旋膨胀机(8)、冷凝器(9)、储液罐(10)、工质泵(11)、预热器、蒸发器依次串接构成；其中通过过热器的工质侧和导热油侧，将有机朗肯循环子系统和太阳能集热子系统进行连接；同时通过蒸发器和预热器的热水侧及工质侧，将地热水子系统和有机朗肯循环子系统进行连接；冷却水循环子系统由冷凝器、水泵(12)、冷却塔(13)依次串接构成，并且通过冷凝器的工质侧和冷却水侧，将有机朗肯循环子系统和冷却水循环子系统进行连接；在所述太阳能集热子系统中，增温换热器连接第一、第二、第三阀门(14-1、14-2、14-3)；过热器连接第四、第五、第六阀门(14-4、14-5、14-6)，并且增温换热器和过热器与各自的三个阀门构成封闭连接。
2.根据权利要求1所述的基于有机朗肯循环的太阳能与地热能耦合的发电系统装置，其特征是，控制第一、第二、第三、第四、第五和第六阀门的开启与关闭，使所述发电系统装置具有三种工作模式：太阳能集热器子系统与地热水子系统联合工作模式：第二、第三和第四阀门开启，第一、第五和第六阀门关闭；太阳能集热器子系统与有机朗肯循环子系统联合工作模式：第一、第五和第六阀门开启，第二、第三和第四阀门关闭；太阳能集热器子系统、有机朗肯循环子系统和地热水子系统联合工作模式：第二、第三、第五和第六阀门开启，第一和第四阀门关闭。
3.根据权利要求1或2所述的基于有机朗肯循环的太阳能与地热能耦合的发电系统装置，其特征是，所述太阳能集热器采用槽式太阳能集热器。
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Granted publication date: 20210817

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