[發明專利]內蓄熱太陽能低溫熱發電系統

無效

• 申請號: 200910144277.0
• 申請日: 2009-07-29
• 公開（公告）號: CN101614196A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發明（設計）人: 季杰;李晶;裴剛
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: F03G6/06
• 分類號: F03G6/06;F01K25/08
• 代理公司: 合肥金安專利事務所
• 代理人: 金惠貞

技術領域

本發明涉及太陽能發電技術領域。

背景技術

太陽能熱發電技術是人類開發太陽能的一個重要手段。最近20年期間世界范圍內建造了很多兆瓦級的大規模電站，如美國的SEGS電站。國內最近幾年在太陽能熱發電聚光集熱技術、高溫接收器技術等方面取得了突破性進展，并建成首座塔式太陽能熱發電示范工程^[1]。但是，目前在運行的太陽能熱發電系統普遍采用傳統熱電廠的水蒸氣朗肯循環，水蒸氣的熱物理特性要求熱源溫度一般要達到370℃以上才能高效運行^[2]。對于太陽能熱發電系統，要獲取這樣的高溫熱源，集熱裝置必須采用大面積、高聚焦比、復雜跟蹤的聚焦集熱方式，導致整個系統的控制繁瑣、規模龐大、安裝和運行維護復雜。

有機工質由于其低沸點特性，在低溫條件下可以獲得較高的蒸汽壓力，推動渦輪機做功，適合于低溫熱源做功發電。與水蒸汽工質朗肯循環相比，有機工質朗肯循環(OrganicRankine?Cycle，ORC)的主要優點在于它具有中低溫度運行的良好性能。ORC適合小規模發電站，在較低的環境溫度下效率比水蒸氣發電效率高，冬季夜里能夠防凍，且系統內部壓力易保持在大氣壓力之上，且適合半自動或自動運行^[3]。GaiaM通過實驗指出ORC循環可以有效地利用溫度在100℃附近的地熱資源發電，渦輪式發電機運行平穩，基本無需額外的人力投入^[4].G.H.Martinus等對目前實際運行的ORC地熱電廠進行分析，指出選擇合適的循環工質可以獲得最大的發電效率^[5]。Enrico?Barbier指出ORC循環是將低溫地熱源轉換為電能最為經濟且可靠的方式^[6]。Takahisa?Yamanoto等對ORC系統進行了設計和測試，認為ORC能夠應用于低品味熱源且R123可以有效地提高ORC系統性能^[7]。

由于ORC循環要求的熱源溫度較低，100℃左右的熱源就可以維持ORC循環的正常運行。因此選用低倍率的太陽聚焦集熱器就可以得到合適的熱源溫度。低聚光比(小于3)復合拋物面集熱器(Compound?Parabolic?Concentrator，CPC)無須自動跟蹤太陽軌跡，可以模塊化安裝，易于使用維護，在太陽能中低溫聚焦領域具有極大的實用性和運用潛力^[8，9]。Rabl在對幾種CPC集熱器評估中，指出帶有平板或圓柱吸收體的非真空固定CPC集熱器經濟性能良好；三年多的研究及實驗數據的表明，在100-160℃的溫度范圍內，非真空CPC集熱器仍舊擁有很好的熱效率，而每年只需對集熱器傾斜角調整12-20次^[10]。T.S.Saitoch等通過實驗把雙層玻璃蓋板的CPC與傳統平板集熱器，真空管集熱器進行比較，指出CPC集熱器的高溫(120℃以上)熱性能極佳，與真空管集熱器相比更適合太陽能熱發電工程^[11]。T.S.Saitoch還介紹了一種新型的無跟蹤三維的CPC太陽能集熱器(3-DCPC)，在180-200℃的高運行溫度范圍內集熱效率大約為60％，運用于小規模太陽能熱發電系統非常可行^[12]。

由此可見，太陽輻照低能流密度、易于轉換為低溫熱源的物理特性與ORC循環之間具有潛在的聯系。把兩者有機結合，可以形成基于ORC循環的太陽能低溫熱發電系統。該系統通過低聚焦比集熱裝置把太陽輻照轉換為低溫熱能，通過ORC循環把低溫熱能轉換為機械能和電能。這種系統聚焦比小、溫度參數低，不需自動跟蹤，易于小型化、模塊化。

已有的太陽能集熱發電系統專利中：1)微型分布式太陽能驅動冷熱電聯供系統CN200710041475.5，包括太陽能集熱系統、有機物朗肯循環的熱力發電系統、吸附式制冷系統、供暖和熱水系統、熱水分配系統以及控制系統、補燃裝置，該裝置采用真空管集熱器和單級蒸發器，有機工質與集熱器換熱介質平均傳熱溫差較大，冷凝后的有機工質未得到有效預熱，集熱溫度不高于100℃，且系統需補燃裝置，不利于環保。2)太陽能有機朗肯循環系統(Solar?Organic?Rankine?Cycle?System)專利號JP2003227315該系統采用常規ORC發電系統，冷凝后的有機工質未得到有效預熱，采用單級蒸發器與外蓄熱方式，有機工質與集熱器換熱介質平均傳熱溫差較大。3)太陽能低溫熱發電及冷熱聯供系統，CN101392736，該系統采用單級蒸發器與外蓄熱方式，有機工質與集熱器換熱介質平均傳熱溫差較大。