[發明專利]基于邊界層透平的太陽能熱發電系統

有效

• 申請號: 201110140100.0
• 申請日: 2011-05-27
• 公開（公告）號: CN102192115A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發明（設計）人: 史翊翔;蔡寧生;李汶穎;周瀅埡
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F03G6/06
• 分類號: F03G6/06;F01D15/10
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

技術領域

本發明屬于太陽能熱發電技術領域，尤其涉及一種以邊界層透平為動力裝置的太陽能熱發電系統。

背景技術

能源是國民經濟的支柱，隨著經濟、社會的發展，人們對能源的要求越來越高，如何開發利用可再生能源成為當前的重要課題。太陽能因具有清潔無污染、取之不盡、用之不竭、廉價、不受地域限制等特征而成為目前極其重要的可再生能源。我國是太陽能資源相當豐富的國家，全國三分之二的國土面積年日照小時數在2200小時以上，年太陽輻射總量大于每平方米5000MJ。太陽能熱發電技術作為人類開發利用太陽能的主要技術，具有技術成熟、發電成本低、規模大小靈活、故障率低等特點，被普遍認為是可再生能源發電中最有前途的發電方式之一。

目前，太陽能熱發電技術已得到廣泛應用。世界上現有的太陽能熱發電系統主要有三大類型：槽式太陽能熱發電系統、塔式太陽能熱發電系統和碟式太陽能熱發電系統。槽式系統已經具有大規模商業化運行經驗，但傳熱工質溫度較難提高；塔式系統處于示范階段，但不適用于小容量分散發電；碟式系統處于樣機試驗階段，目前還沒有非常適合的動力裝置，而且以上三種類型的太陽能熱發電系統初期投資較大，使其進一步廣泛應用受到了限制。盡管數十兆瓦級的大規模太陽能熱發電系統技術得到了一定的發展，但功率在幾十千瓦到幾百千瓦之間、經濟性良好、可用于分布式供能的小規模太陽能熱發電技術還很缺乏，需要進一步深入研究。

太陽能熱發電系統由集熱子系統、熱傳輸子系統、蓄熱與熱交換子系統和發電子系統等部分組成。其中，最關鍵的子系統為集熱子系統和發電子系統，即最關鍵的部件為太陽能集熱器和動力裝置。動力裝置的進口參數決定了太陽能集熱器工質的工作溫度，工作溫度越高，對太陽能集熱器的技術要求就越高，成本也會進一步增加。目前已知用于太陽能熱發電的動力裝置主要有汽輪機和斯特林發動機。汽輪機進口參數需在300℃以上，運行功率較大，小型化(750kW以下)困難，且需要相當數量的太陽能集熱器單元與之配套，因此占地面積大，不適用于離網式分布式供能。斯特林發動機單機功率約為25kW，但成本較高，要求在高溫(約700℃)下工作，需要使用雙軸跟蹤的聚光太陽能集熱器，使工藝結構復雜，成本進一步增加。因此，動力裝置能否小型化、低成本化、進口參數能否降低是可用于分布式供能的太陽能熱發電系統的關鍵。

邊界層透平(Boundary?Layer?Turbine)，又稱Tesla透平(Tesla?Turbine)或圓盤透平(Disc?Turbine)，屬于無葉徑向透平，由尼古拉·特斯拉(Nikola?Tesla)于1913年發明，效率可達60％，其獨特優勢在于：

1.做功部件簡單，結構緊湊，呈薄圓盤形，制造成本低廉。

2.適用功率范圍廣，大、小型皆宜。

3.工質范圍廣，除常規工質(如蒸汽、燃氣、有機工質、水等)外，可利用多相流、高粘度流體、含磨粒流體等工質，如濕蒸汽、泥漿、煙氣等。

隨著邊界層透平性能研究方面的逐步深入，如何充分利用邊界層透平的優勢、探索適合邊界層透平的應用領域也成為亟待研究的問題。

發明內容

本發明旨在設計一種新型的以邊界層透平為動力裝置的太陽能熱發電系統，提出邊界層透平一種可行的應用領域。該系統可分別利用朗肯循環和有機朗肯循環進行熱發電，解決太陽能熱發電系統動力裝置小型化困難、進口參數較高、經濟性較差的問題，實現適用于低溫蒸汽、濕蒸汽、有機工質等多種工質的發電需求，同時本系統復雜度低、制造簡單、結構緊湊、操作簡便，適用于離網式分布式供能。

本發明提供的一種基于邊界層透平的太陽能朗肯循環熱發電系統，采用如下技術方案：該系統至少包括太陽能集熱器、邊界層透平和冷凝器；其連接方式為：太陽能集熱器、邊界層透平和冷凝器依次串聯并組成回路；太陽能集熱器吸收太陽輻射能，將熱量傳遞給其內的水工質，使水的溫度升高，并轉化為低溫蒸汽，低溫蒸汽進入邊界層透平膨脹做功，同時帶動發電機發電，從邊界層透平排出的工質進入冷凝器冷凝成水并進入太陽能集熱器進行下一次循環。

所述冷凝器至太陽能集熱器間的回路上依次設置儲液罐和集熱回路工質循環泵。

本發明提供的一種基于邊界層透平的太陽能有機朗肯循環熱發電系統，采用的技術方案為：該系統包括集熱回路和有機朗肯循環回路。

所述集熱回路至少由依次串聯組成回路的太陽能集熱器、換熱器、集熱回路工質循環泵構成。