CN204646347U - 太阳能直接蒸发复叠式有机朗肯循环发电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种太阳能直接蒸发复叠式有机朗肯循环发电系统，属于能源与环境技术领域，其包括高温级有机工质回路、低温级有机工质回路、冷却水回路；其中高温级有机工质回路包括太阳能蒸发阵列、透平Ⅰ、励磁发电机Ⅰ、冷凝/蒸发器、储液罐Ⅰ，低温级有机工质回路包括太阳能过热阵列、透平Ⅱ、励磁发电机Ⅱ、冷凝器、储液罐Ⅱ，该系统实现了能量的梯级利用，在提高发电效率的同时节约了成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种太阳能直接蒸发复叠式有机朗肯循环发电系统，是一种太阳能低温热能高效利用新方法与技术，属于能源与环境技术领域。
背景技术
电力生产在现代生产生活中扮演着越来越重要的角色，可以说电力供应是整个社会发展的瓶颈。一个世纪以来，电力工业严重依赖于化石燃料都，虽然近年来随着超临界朗肯循环等技术的应用，煤电效率逐步提高（现在世界上最新技术已经能达到近50%的热效率），但电力工业依然是二氧化碳及二氧化硫严重环境污染物主要的排放源，同时随着石化燃料的枯竭，开采的成本和难度会越来越大，因此加大对新能源开发的力度，减少对化石燃料的依赖，使用更清洁的能源是现在人类的必然选择。
太阳的辐射功率达3.8 x 1023 kW，其中，地球截取的太阳能辐射能通量为1.7x 1014 kW，比核能，地热和引力能储量总和还要大5000多倍。据估算，太阳在一月之内辐射到地球上的能量，可抵地球上包括石化燃料、原子能等在内的所有不可再生能源总储量的10倍之多，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。我国属太阳能资源相当丰富的国家，国土面积的2/3地区年日照时数大于2200h，单位面积太阳能辐射总量高于5016MJ/m2 。因此，研究太阳能发电技术对我国乃至全人类的持续发展有重要意义。太阳能发电可在不对环境带来任何污染和公害情况下，将太阳能转化为电能，太阳能发电被誉为未来最理想的发电方式。
同时，有机朗肯循环由于使用有机工质，可以在较低的温度下产生较高压力的蒸气，非常适合太阳能等中低温热能的应用，将太阳能与有机朗肯循环有机结合起来，建立高效的太阳能有机朗肯循环发电系统，有望成为构建分布式能源供应系统的重要技术措施。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种太阳能直接蒸发复叠式有机朗肯循环发电系统，采用有机工质直接在太阳能集热器里加热的运行方式，简化了系统，同时按温度高低分成高温级有机工质回路和低温级有机工质回路，不仅实现了能量的梯级利用，还提高了热效率，降低了系统的成本。
本太阳能直接蒸发复叠式有机朗肯循环发电系统包括高温级有机工质回路、低温级有机工质回路、冷却水回路；高温级有机工质回路通过低温级有机工质回路与冷却水回路连接；其中高温级有机工质回路包括太阳能蒸发阵列1、透平Ⅰ2、励磁发电机Ⅰ3、冷凝/蒸发器4、储液罐Ⅰ5，太阳能蒸发阵列1出口分别与透平Ⅰ2、冷凝/蒸发器4的热流体侧进口连接，冷凝/蒸发器4的热流体侧出口与储液罐Ⅰ5连接，储液罐Ⅰ5通过工质加压泵Ⅰ6与太阳能蒸发阵列1进口连接，透平Ⅰ2与励磁发电机Ⅰ3连接；低温级有机工质回路包括太阳能过热阵列7、透平Ⅱ8、励磁发电机Ⅱ9、冷凝器10、储液罐Ⅱ11，冷凝/蒸发器4的冷流体侧出口与太阳能过热阵列7进口连接，太阳能过热阵列7出口分别与透平Ⅱ8、冷凝器10的热流体侧进口连接，冷凝器10的热流体侧出口与储液罐Ⅱ11连接，储液罐Ⅱ11通过工质加压泵Ⅱ12与冷凝/蒸发器4的冷流体侧进口连接，透平Ⅱ8与励磁发电机Ⅱ9连接；冷却水回路包括冷却塔13、冷却水泵14，冷凝器10的冷流体出口与冷却塔13的布水管连接，冷却塔13通过冷却水泵14与冷凝器10冷流体进口连接。
该系统采取太阳能集热器直接加热有机工质气化的方式来产生蒸气发电，相比于传统的太阳能有机朗肯循环发电系统省去了传热流体回路，并且减少了传热环节，提高了传热效率，降低了成本。
低温级有机工质回路的蒸发热量来自于高温级有机工质回路的冷凝热量，对能量进行了有效地梯级利用；
在冷凝/蒸发器4后面加装太阳能过热阵列7，防止因高温级有机工质回路的冷凝热不足而导致从冷凝/蒸发器4出来的有机工质蒸气带液，从而对透平造成损坏，同时也一定程度提高发电效率。
所述高温级有机工质回路采用R123、R245fa、甲苯、丁烷、异丁烷、戊烷、异戊烷、环戊烷、庚烷、R113、R11、环己烷、苯、邻二甲苯、乙基苯、6甲基2硅氧烷、8甲基3硅氧烷、10甲基4硅氧烷、12甲基5硅氧烷及由这些纯工质组成的混合工质作循环工质，根据实际需要具体选择。
所述低温级有机工质回路采用R143a、R290、氨、CO2、R22、R125、R236fa、R236ea、R134a与R227ea及由这些纯工质组成的混合工质作循环工质，根据实际需要具体选择。
所述太阳能蒸发阵列1、太阳能过热阵列7均采用抛物面槽式聚光太阳能集热器。
所述透平Ⅰ、透平Ⅱ可以为膨胀机。
本发明依据高温级有机工质回路选定工质种类、低温级有机工质回路选定工质种类，按需要的发电容量安装太阳能蒸发阵列、蒸发器/冷凝器、透平、励磁发电机、回热器、工质加压泵、太阳能过热阵列、冷凝器、冷却塔、冷却水泵及其管路与配件；根据各管路容积计算循环工质的充注量，将循环工质计量充入循环管路中。
本发明的工作原理是：
从太阳能蒸发阵列1出来的被加热气化的有机工质一路进入透平Ⅰ2膨胀后输出轴功，带动励磁发电机Ⅰ3转动，输出电能；当有机工质蒸气达不到发电所需压力时，则从旁通通过。从透平Ⅰ2出口出来的乏气和达不到压力的蒸气均进入冷凝/蒸发器4热流体侧进口，在冷凝/蒸发器4中释放热量冷凝成液体后从冷凝/蒸发器4热流体侧出口出来接着进入储液罐Ⅰ5，从储液罐Ⅰ5出口出来后经过工质加压泵Ⅰ6加压后重新进入太阳能蒸发阵列1，完成一个循环。有机工质在冷凝/蒸发器4中吸热变成蒸气后，从冷凝/蒸发器4冷流体侧出口出来后进入太阳能过热阵列7，在里面加热变成过热蒸气后一路进入透平Ⅱ8膨胀后输出轴功，带动励磁发电机Ⅱ9转动，输出电能；当有机工质蒸气达不到发电所需压力时，则从旁通通过。从透平Ⅱ8出口出来的乏气和达不到压力的蒸气均进入冷凝器10热流体侧进口，在冷凝器10中释放热量冷凝成液体后从冷凝器热流体侧出口出来接着进入储液罐Ⅱ11，从储液罐Ⅱ11出口出来后经过工质加压泵Ⅱ12加压后重新进入冷凝/蒸发器4冷流体侧进口，完成一个循环。从冷却塔13出来的冷却水经冷却水泵14输送至冷凝器10对有机工质回路里的工质进行冷凝，之后返回冷却塔13的布水管，经过冷却后进入塔底集水盘，完成一个循环。
本系统按温度高低对热量进行了梯级利用，具有以下有益效果：
（1）实现了能量的梯级利用，提高了热效率。
（2）采用直接蒸发的方式来利用太阳能，简化了系统，降低了成本。
（3）与普通水蒸汽朗肯发电循环相比提高了发电效率。
（4）极大地降低了发电过程有害物质COX、SOX的产生与排放。
（5）能将资源十分丰富的低密度太阳能及多种低品位燃料高效地转化为电能。
（6）便于实现个性化的发电系统，适合对一些不宜集中供电或电力供应不足地区提供电力，如山区、牧区、零星岛屿、散居农家、偏远地质公园、对供电安全要求极高的军事基地等
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图中：1-太阳能蒸发阵列；2-透平Ⅰ；3-励磁发电机Ⅰ；4-冷凝/蒸发器；5-储液罐Ⅰ；6-工质加压泵Ⅰ；7-太阳能过热阵列；8-透平Ⅱ；9-励磁发电机Ⅱ；10-冷凝器；11-储液罐Ⅱ；12-工质加压泵Ⅱ；13-冷却塔；14-冷却水泵。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明作进一步阐述，但本发明的保护范围不限于所述内容。
实施例：在昆明地区建一太阳能直接蒸发复叠式有机朗肯循环发电系统, 高温级有机工质回路中发电机的输出功率为30kW，低温级有机工质回路中发电机的输出功率为20kW总共为50kW。
本系统包括高温级有机工质回路、低温级有机工质回路、冷却水回路；高温级有机工质回路通过低温级有机工质回路与冷却水回路连接；其中高温级有机工质回路包括太阳能蒸发阵列1、透平Ⅰ2、励磁发电机Ⅰ3、冷凝/蒸发器4、储液罐Ⅰ5以及连接它们的管路，太阳能蒸发阵列1出口经管道分别与透平Ⅰ2进口、冷凝/蒸发器4热流体侧进口连接，冷凝/蒸发器4热流体侧出口经管道与储液罐Ⅰ5进口连接，储液罐Ⅰ5出口经管道与工质加压泵Ⅰ6进口连接，工质加压泵Ⅰ6经管道与太阳能蒸发阵列1进口连接；低温级有机工质回路包括太阳能过热阵列7、透平Ⅱ8、励磁发电机Ⅱ9、冷凝器10、储液罐Ⅱ11及连接它们的管道，冷凝/蒸发器4冷流体侧出口经管道与太阳能过热阵列7进口连接，太阳能过热阵列7出口经管道分别与透平Ⅱ8进口，冷凝器10热流体侧进口连接，冷凝器10热流体侧出口经管道与储液罐Ⅱ11进口连接，储液罐Ⅱ11出口经管道与工质加压泵Ⅱ12进口连接，工质加压泵Ⅱ12出口经管道与冷凝/蒸发器4冷流体侧进口连接；冷却水回路包括冷却塔13、冷却水泵14及连接它们的管道，冷凝器10冷流体侧出口经管道与冷却塔13布水管连接，冷却塔13集水盘经管道与冷却水泵14进口连接，冷却水泵14出口经管道与冷凝器10冷流体侧进口连接。
高温级有机工质回路工质采用R123，透平进口工质压力为2.5MPa，温度160℃，太阳能蒸发阵列1采用抛物面槽式聚光太阳能集热器，冷凝/蒸发器4采用板式换热器，工质加压泵Ⅰ6采用高压屏蔽泵，按太阳能蒸发阵列1出口—透平Ⅰ2—冷凝/蒸发器4—储液罐Ⅰ5—工质加压泵Ⅰ6—太阳能蒸发阵列1进口的顺序用铜管连接好，工质的蒸发温度为160℃，冷凝温度为80℃。
低温级有机工质回路工质采用R134a，进口工质压力为2.6MPa，温度80℃，太阳能过热阵列7采用抛物面槽式聚光太阳能集热器，冷凝器10采用板式换热器，按冷凝/预热器4出口—太阳能过热阵列7—透平Ⅱ8—冷凝器10—储液罐Ⅱ11—工质加压泵Ⅱ12—冷凝器10进口的顺序用铜管连接好，工质的蒸发温度为80℃，冷凝温度为35℃。
选用冷却水循环流量为20m3/h的低温型冷却塔LBCM-20，冷却水泵14选用12KQL50/100-1.1/2型号，冷却水管路采用无缝钢管，连接顺序为：冷却塔13出口--冷却水泵14--冷凝器10--冷却塔13进口顺序将冷却水回路及所需配件安装好。
以上所有设备设备配件按图1连接，安装完成后，进行管道的氮气吹扫，对有机工质回路抽真空；并分别按要求向相应管路内充入R123、导热油及自来水。
实施例2：本太阳能直接蒸发复叠式有机朗肯循环发电系统与实施例1相同，高温级有机工质回路工质的工质采用R245fa。
实施例3：本太阳能直接蒸发复叠式有机朗肯循环发电系统与实施例1相同，高温级有机工质回路工质的工质采用R123、R245、丁烷，分别按30%、25%、45%的体积比混合而成。
Claims (4)
1.一种太阳能直接蒸发复叠式有机朗肯循环发电系统，其特征在于：该系统包括高温级有机工质回路、低温级有机工质回路、冷却水回路；高温级有机工质回路通过低温级有机工质回路与冷却水回路连接；
其中高温级有机工质回路包括太阳能蒸发阵列（1）、透平Ⅰ（2）、励磁发电机Ⅰ（3）、冷凝/蒸发器（4）、储液罐Ⅰ（5），太阳能蒸发阵列（1）出口分别与透平Ⅰ（2）进口、冷凝/蒸发器（4）的热流体侧进口连接，冷凝/蒸发器（4）的热流体侧出口与储液罐Ⅰ（5）连接，储液罐Ⅰ（5）通过工质加压泵Ⅰ（6）与太阳能蒸发阵列（1）进口连接，透平Ⅰ（2）与励磁发电机Ⅰ（3）连接；
低温级有机工质回路包括太阳能过热阵列（7）、透平Ⅱ（8）、励磁发电机Ⅱ（9）、冷凝器（10）、储液罐Ⅱ（11），冷凝/蒸发器（4）的冷流体侧出口与太阳能过热阵列（7）进口连接，太阳能过热阵列（7）出口分别与透平Ⅱ（8）、冷凝器（10）的热流体侧进口连接，冷凝器（10）的热流体侧出口与储液罐Ⅱ（11）连接，储液罐Ⅱ（11）通过工质加压泵Ⅱ（12）与冷凝/蒸发器（4）的冷流体侧进口连接，透平Ⅱ（8）与励磁发电机Ⅱ（9）连接；
冷却水回路包括冷却塔（13）、冷却水泵（14），冷凝器（10）的冷流体出口与冷却塔（13）的布水管连接，冷却塔（13）通过冷却水泵（14）与冷凝器（10）冷流体进口连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能直接蒸发复叠式有机朗肯循环发电系统，其特征在于：太阳能蒸发阵列（1）为抛物面槽式聚光太阳能集热器。
3.根据权利要求1或2所述的太阳能直接蒸发复叠式有机朗肯循环发电系统，其特征在于：太阳能过热阵列（7）为抛物面槽式聚光太阳能集热器。
4.根据权利要求1或2所述的太阳能直接蒸发复叠式有机朗肯循环发电系统，其特征在于：透平Ⅰ、透平Ⅱ为膨胀机。
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