CN111396272B - 一种采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能光热利用技术领域，公开了一种采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，包括槽式太阳能集热器、气液分离器、第一工质泵、储能装置、膨胀机、发电机、变压器、冷凝器、第二工质泵、储液罐、第三工质泵、用户、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门；槽式太阳能集热器、气液分离器、第一工质泵构成再循环式DVG；所述槽式太阳能集热器中的集热工质和所述膨胀机内的做功工质均采用非共沸工质，非共沸工质优选配比为0.65/0.35的R245fa/R152a。本发明从部件结构及循环工质方面同时进行改进，能够降低系统造价成本，降低系统运行的温度和压力，提高系统的安全稳定性，提高太阳能的综合利用率。

Description

一种采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统

技术领域

本发明属于太阳能光热利用技术领域，更具体的说，是涉及一种以非共沸工质为集热工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统。

背景技术

随着社会的进步和经济的发展，能源短缺和环境污染等问题日益严重，对高效清洁的新能源技术的开发和利用已成为各国研究的重点。分布式能源系统作为解决这些问题的有效途径之一，引起了国内外的广泛关注。分布式能源系统直接面向用户，按用户的需求就地生产并供应能量，具有规模较小、用地有限、成本低廉等优点。热电联供系统作为一种成熟的分布式能源系统，大大提高了系统整体的能源利用效率，实现能量的梯级利用。

以化石燃料作为供能动力的热电联供系统，在运行过程中对化石能源的需求量有极大的要求，会造成严重的环境污染和生态破坏，不利于经济和社会的可持续发展。积极应对环境挑战，大力发展可再生能源，是我国热电联供系统的未来发展方向。太阳能利用古老而悠久，在发现化石燃料和工业革命开始之前，数千年的人类文明就以直接或间接方式利用太阳能可再生能源。太阳能利用技术主要指太阳能转换为热能、机械能、电能、化学能等技术。目前大多数太阳系统效率低成本高，占地面积大，又不能同时兼顾发电和制热，因此开发高效发电发热且占地面积小的太阳能系统，是太阳能利用技术的研究热点。

现有采用槽式太阳能集热器的系统，结构大多为间接加热式。如公开号为CN202832996U的中国发明专利申请“一种中低温聚焦式太阳能热发电系统”，公开号为CN207006600U的中国发明专利申请“一种中温太阳能热电联供系统”和公开号为CN207180089U的中国发明专利申请“一种基于多级太阳能集热器的冷热电多联供系统”等在槽式集热器后均设有中间换热器，与直膨式相比结构复杂，发电成本很高。公开号为CN103528218A的中国发明专利申请“带储热的太阳能直接蒸汽发生(DSG)系统”中普遍采用的水等纯工质，不适用于集热温度相对较低的分布式能源系统，会增加热损失和系统内耗，也不利于系统安全运行。

可见，在太阳能利用技术领域，提高系统效率及高效利用太阳能是研究重点。同时，在集热温度相对较低的分布式能源系统中，水作为动力循环工质具有一定的缺陷。当它的冷凝温度等于环境温度时，换热器内部处于负压，冷凝压力低于大气压。而且水作为一种湿工质，在膨胀机中要进行湿膨胀，工质出口状态可能进入两相区，这些情况都对部件不利。因此如何从部件结构及循环工质方面同时进行改进，成为太阳能利用中亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的是太阳能光热利用领域中，现有的太阳能系统在造价成本、循环效率、安全性、稳定性等方面的一系列技术问题。故而提供一种采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，从部件结构及循环工质方面同时进行改进，能够降低系统造价成本，降低系统运行的温度和压力，提高系统的安全稳定性，提高太阳能的综合利用率。

为了解决上述技术问题，本发明具体通过以下的技术方案予以实现：

一种采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，包括槽式太阳能集热器、气液分离器、第一工质泵、储能装置、膨胀机、发电机、变压器、冷凝器、第二工质泵、储液罐、第三工质泵、用户、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门；

所述槽式太阳能集热器的蒸发环节出口与所述气液分离器的入口连接，所述气液分离器的气体出口与所述槽式太阳能集热器的过热环节入口连接，所述气液分离器的液体出口通过所述第一工质泵与所述槽式太阳能集热器的蒸发环节入口连接；

所述槽式太阳能集热器的过热环节出口通过并联的所述第一阀门和所述第二阀门与所述储能装置连接；所述第一阀门的入口连接所述槽式太阳能集热器的过热环节出口，所述第一阀门的出口连接所述储能装置的储能端入口；所述第二阀门的入口连接所述储能装置的出口，所述第二阀门的出口连接所述槽式太阳能集热器的过热环节出口；

所述槽式太阳能集热器的过热环节出口同时与所述膨胀机的入口连接，所述膨胀机的出口通过所述发电机与所述变压器相连后连接至用户；用户的冷水出口与所述冷凝器的冷源侧入口连接，用户的热水入口与所述冷凝器的冷源侧出口连接；

所述膨胀机的排气口与所述冷凝器的冷凝侧入口相连，所述冷凝器的冷凝侧出口与所述储液罐的入口相连；所述储液罐的出口分为两条支路，一条支路依次通过所述第三阀门和所述第二工质泵与所述储能装置的进液端入口连接，另一条支路通过所述第四阀门与所述第三工质泵的入口连接，所述第三工质泵的出口与所述槽式太阳能集热器的蒸发环节入口连接。

进一步地，所述槽式太阳能集热器、所述气液分离器、所述第一工质泵构成再循环式DVG，该再循环式DVG选用再循环比率R＝0.2～0.3。

进一步地，所述槽式太阳能集热器中的集热工质和所述膨胀机内的做功工质均采用非共沸工质。

更进一步地，所述非共沸工质采用配比为0.65/0.35的R245fa/R152a。

进一步地，强日照条件下，所述第一阀门、所述第四阀门开启，所述第二阀门、所述第三阀门关闭。

进一步地，弱日照条件下，所述第一阀门、所述第四阀门关闭，所述第二阀门、所述第三阀门开启

本发明的有益效果是：

(一)本发明的采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，与间接加热式系统相比，采用直膨式系统取消了中间换热器，工质在集热器中直接受热蒸发；优点在于结构紧凑，制造和运营成本较低，电站整体配置较简单，整体效率较高。

(二)本发明的采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，采用槽式太阳能集热器、气液分离器、工质泵构成再循环式DVG，气液分离后将未蒸发的水经泵重新送入到槽式太阳能集热器入口，能保证槽式太阳能集热器内气液两相流稳定，可控性好，使系统安全高效运行。

(三)本发明的采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，采用非共沸工质，在相变时存在温度滑移，有更多热量被吸收，循环效率得到提高；采用配比为0.65/0.35的非共沸工质R245fa/R152a，在分布式能源系统中能降低系统运行的温度和压力，有效提高系统安全性。同时作为等熵工质，只要在膨胀机入口达到饱和状态，就可以保证不出现湿膨胀。

(四)本发明的采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，储能装置储存了槽式太阳能集热器出口气体的部分能量后，当储液罐的工质进入储能装置，便可吸收能量产生气体，使整个系统在夜间阴天等情况下仍能使用，用以解决太阳能的不稳定，保证系统能够连续运行，成为同时向用户提供电能和热能的系统，使太阳能的综合利用率提高。

附图说明

图1是本发明的采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统的结构示意图；

图2是本发明系统中槽式太阳能集热器的截面示意图。

上述图中：1-槽式太阳能集热器、2-气液分离器、3-第一工质泵、4-储能装置、5-膨胀机、6-发电机、7-变压器、8-冷凝器、9-第二工质泵、10-储液罐、11-第三工质泵、12-用户、13-第一阀门、14-第二阀门、15-第三阀门、16-第四阀门、17-集热管、18-抛物镜。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明作进一步的详细描述，以下实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图1所示，本实施例公开了一种采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，包括槽式太阳能集热器1、气液分离器2、第一工质泵3、储能装置4、膨胀机5、发电机6、变压器7、冷凝器8、第二工质泵9、储液罐10、第三工质泵11、用户12、第一阀门13、第二阀门14、第三阀门15、第四阀门16，可以实现强日照条件和弱日照条件两种工作模式。

如图2所示，槽式太阳能集热器1包括集热管17和抛物镜18，抛物镜18设置在集热管17的下方；集热管17的中心位于抛物镜18的聚光焦点上。较其它太阳能集热系统，槽式太阳能集热器1结构紧凑，适合批量生产，抛物镜18加工简单，制造成本较低，安装维修较方便，跟踪控制代价较低。本发明采用的槽式太阳能集热器1包括蒸发环节和过热环节，蒸发环节为工质以过冷水的状态流经集热器的蒸发段，在蒸发段末端产生气液两相流，过热环节为分离出的气体进入集热器的过热段被加热到所需温度。

槽式太阳能集热器1的蒸发环节出口与气液分离器入口2连接，气液分离器2的气体出口与槽式太阳能集热器1的过热环节入口连接，液体出口通过第一工质泵3与槽式太阳能集热器1的蒸发环节入口连接。槽式太阳能集热器1、气液分离器2、第一工质泵3构成再循环式DVG，再循环式DVG选用再循环比率R＝0.2～0.3，能保证槽式太阳能集热器1内两相段充分冷却，且功耗较小，使系统安全高效运行。槽式直膨式系统的优势在于制造和运营成本较低，电站整体配置较简单，整体效率较高，其中DVG槽式系统再循环模式是目前最保守、最安全的运行模式。

槽式太阳能集热器1的过热环节出口通过并联的第一阀门13和第二阀门14与储能装置4连接。其中，第一阀门13的入口连接槽式太阳能集热器1的过热环节出口，第一阀门13的出口连接储能装置4的储能端入口；第二阀门14的入口连接储能装置4的出口，第二阀门14的出口连接槽式太阳能集热器1的过热环节出口。储能装置4储存槽式太阳能集热器1出口气体的部分能量后，当储液罐10的工质进入储能装置4，便可吸收能量产生气体，使整个系统在夜间阴天等情况下仍能使用，解决太阳能的不稳定问题。

槽式太阳能集热器1的过热环节出口同时与膨胀机5的入口连接，膨胀机5的出口通过发电机6与变压器7相连后，再连接至用户12。用户12的冷水出口与冷凝器8的冷源侧入口连接，用户12的热水入口与冷凝器8的冷源侧出口连接。

膨胀机5的排气口与冷凝器8的冷凝侧入口相连，冷凝器8的冷凝侧出口与储液罐10的入口相连。储液罐10的出口分为两条支路，一条支路依次通过第三阀门15和第二工质泵9与储能装置4的进液端入口连接，另一条支路通过第四阀门16与第三工质泵11的入口连接，第三工质泵11的出口与槽式太阳能集热器1的蒸发环节入口连接。储液罐10减小了膨胀机5的入口处工质蒸汽由于太阳能动态特性中产生的不稳定性，同时确保循环管路中工质流速恒定，使系统在设计工况下运行。

槽式太阳能集热器1中的集热工质和膨胀机5内的做功工质均采用非共沸工质，在相变时存在温度滑移，有更多热量被吸收，循环效率得到提高。采用配比为0.65/0.35的非共沸工质R245fa/R152a，在分布式能源系统中能降低系统运行的温度和压力，有效提高系统安全性。同时作为等熵工质，只要在膨胀机5入口达到饱和状态，就可以保证不出现湿膨胀，能有效保障系统安全和延长部件寿命。

强日照条件下(太阳直射辐射强度大于600W/m²)，第一阀门13、第四阀门16开启，第二阀门14、第三阀门15关闭。储液罐10中的流体工质通过第四阀门16，经由第三工质泵11进入槽式太阳能集热器1的蒸发环节，槽式太阳能集热器1的蒸发环节将太阳能转化为热能加热流体工质，加热后的流体工质由气液分离器2分为两部分，分离出来的饱和液体经由第一工质泵3与流体工质混合再次进入槽式太阳能集热器1的蒸发环节，分离出的饱和气体流经槽式太阳能集热器1的过热环节，加热后一部分进入膨胀机5，另一部分通过第一阀门13进入储能装置4储存能量。

弱日照条件下(太阳直射辐射强度小于600W/m²)，第一阀门13、第四阀门16关闭，第二阀门14、第三阀门15开启。储液罐10中的工质通过第三阀门15，经由第二工质泵9进入储能装置4，工质吸收能量后成为气体，通过第二阀门14进入膨胀机5做功。膨胀机5将热能转化为机械能，再由与变压器7连接的发电机6转化为电能，实现对用户12的供电。膨胀机5出口的乏汽进入冷凝器8冷凝成饱和液体进入储液罐10，在冷凝器8中换热给冷却水，实现对用户12的供热。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，其特征在于，包括槽式太阳能集热器、气液分离器、第一工质泵、储能装置、膨胀机、发电机、变压器、冷凝器、第二工质泵、储液罐、第三工质泵、用户、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门；

所述槽式太阳能集热器的蒸发环节出口与所述气液分离器的入口连接，所述气液分离器的气体出口与所述槽式太阳能集热器的过热环节入口连接，所述气液分离器的液体出口通过所述第一工质泵与所述槽式太阳能集热器的蒸发环节入口连接；

所述槽式太阳能集热器的过热环节出口通过并联的所述第一阀门和所述第二阀门与所述储能装置连接；所述第一阀门的入口连接所述槽式太阳能集热器的过热环节出口，所述第一阀门的出口连接所述储能装置的储能端入口；所述第二阀门的入口连接所述储能装置的出口，所述第二阀门的出口连接所述槽式太阳能集热器的过热环节出口；

所述槽式太阳能集热器的过热环节出口同时与所述膨胀机的入口连接，所述膨胀机的出口通过所述发电机与所述变压器相连后连接至用户；用户的冷水出口与所述冷凝器的冷源侧入口连接，用户的热水入口与所述冷凝器的冷源侧出口连接；

所述膨胀机的排气口与所述冷凝器的冷凝侧入口相连，所述冷凝器的冷凝侧出口与所述储液罐的入口相连；所述储液罐的出口分为两条支路，一条支路依次通过所述第三阀门和所述第二工质泵与所述储能装置的进液端入口连接，另一条支路通过所述第四阀门与所述第三工质泵的入口连接，所述第三工质泵的出口与所述槽式太阳能集热器的蒸发环节入口连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，其特征在于，所述槽式太阳能集热器、所述气液分离器、所述第一工质泵构成再循环式DVG，该再循环式DVG选用再循环比率R＝0.2～0.3。

3.根据权利要求1中所述的一种采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，其特征在于，所述槽式太阳能集热器中的集热工质和所述膨胀机内的做功工质均采用非共沸工质。

4.根据权利要求3中所述的一种采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，其特征在于，所述非共沸工质采用配比为0.65/0.35的R245fa/R152a。

5.根据权利要求1所述的一种采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，其特征在于，强日照条件下，所述第一阀门、所述第四阀门开启，所述第二阀门、所述第三阀门关闭。

6.根据权利要求1所述的一种采用非共沸工质的槽式太阳能直膨式热电联供系统，其特征在于，弱日照条件下，所述第一阀门、所述第四阀门关闭，所述第二阀门、所述第三阀门开启。

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