[發(fā)明專利]一種基于單螺桿膨脹機和熔鹽的碟式太陽能熱電聯供系統

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310279662.2
• 申請日: 2013-07-04
• 公開（公告）號: CN103321861A
• 公開（公告）日: 2013-09-25
• 發(fā)明（設計）人: 馬重芳;吳玉庭;張業(yè)強;杜春旭
• 申請（專利權）人: 北京工業(yè)大學
• 主分類號: F03G6/06
• 分類號: F03G6/06;F24J2/24;F24J2/34;F24J2/30;F24J2/10;F24J2/46
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

技術領域

本發(fā)明涉及一種新型的碟式太陽能熱電聯供系統，屬于太陽能熱利用領域。

背景技術

目前，我國尚有7656萬無電人口，16個無電縣，828個無電鄉(xiāng)和29783個無電村。由于這些縣城、村鎮(zhèn)及散居牧戶地處邊遠，遠離電網，用電負荷小而且分散。特別是西藏大多數農牧民的生活用能高度依靠生物質能，薪柴、草皮、小灌木、畜糞和秸稈等生物質能利用量約占全部能源需求量的50%。許多地區(qū)仍然以燒柴為主，致使生物質能利用量超出合理利用量，荒漠化面積逐步擴大，草場面積不斷減少，部分地區(qū)森林采育失調，災害頻繁，生態(tài)環(huán)境面臨嚴重威脅。

太陽能具有資源分布普遍的優(yōu)勢，尤其對于我國西部地區(qū)正好處于資源豐富地區(qū)，采用分布式太陽能熱電聯供技術是最現實的選擇。太陽能熱發(fā)電由于可以采用低成本大規(guī)模的蓄熱技術，因此與太陽能光伏發(fā)電相比，太陽能熱發(fā)電可通過蓄熱解決太陽能資源與需求不匹配的矛盾，更適合分布式能源的需求。

發(fā)電單元是太陽能熱電聯供系統的關鍵技術之一。國外的太陽能熱發(fā)電系統一般采用傳統蒸汽輪機作為發(fā)電單元，但是蒸汽輪機單機很難做小，對于我國來說，最小蒸汽輪機的發(fā)電功率是800kW,無法適應我國分布式太陽能發(fā)電的需求。單螺桿膨脹機技術是一種能利用余熱發(fā)電的熱機的技術，其原理是蒸汽進入機內齒槽，推動螺桿轉動。隨著螺桿轉動，齒槽間的容積逐漸增大，介質降壓降溫膨脹做功，最后從齒槽末端排出。功率從主軸螺桿輸出，驅動發(fā)電機發(fā)電。單螺桿膨脹機的功率可以在3kW～2000kW之間，正好彌補了蒸汽輪機單機功率很難做小的缺陷。蒸汽輪機的蒸汽只能是過熱蒸汽或飽和蒸汽，而單螺桿膨脹機可以是過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽液兩相流體或熱液。另外，單螺桿膨脹機可以通過采用不同沸點的工質，其使用溫度范圍可從70℃到250℃，因此單螺桿膨脹機是一種中低溫發(fā)電設備，特別適合上述分布式太陽能熱電聯供系統適用。與傳統的蒸汽輪機相比，單螺桿膨脹機具有以下優(yōu)點：1、結構簡單，運動部件少；2、受力平衡，易于維修；3、運轉平穩(wěn)，噪音低；4、部分負荷下的效率高；5、可靠性高，維護費用低；6、適用于飽和蒸汽或者過熱蒸汽狀態(tài)，并且對給水的品質要求不高。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是設計一套適用于分布式熱電聯供的高效、環(huán)保、穩(wěn)定可靠的太陽能熱電聯供系統，克服原有的斯特林發(fā)動機所帶來的潤滑和可靠性問題，并通過熔鹽蓄熱解決太陽能資源與需求不匹配的矛盾。該系統的特點在于：1、采用熔鹽作為傳熱蓄熱工質，將碟式聚光鏡聚集的熱量傳遞和儲存，具有運行溫度寬、運行壓力低的特點；2、采用單螺桿膨脹機，效率高、結構簡單、噪聲低、壽命長、工質適應性強，適用于中低溫的太陽能分布式發(fā)電系統。

一種基于單螺桿膨脹機和熔鹽的碟式太陽能熱電聯供系統，包括加熱盤管1、儲鹽罐2、熔鹽加熱器3、單螺桿膨脹機4、發(fā)電機5、回熱器6和熱水交換器7、工質循環(huán)泵8、熔鹽泵9和碟式聚光器10：太陽輻射經過碟式聚光器10聚焦至加熱盤管1內加熱流過的熔鹽，加熱后的熔鹽一部分儲存在與加熱盤管1相連的儲鹽罐2內用于夜間和陰雨天的發(fā)電和供熱，另一部分進入與加熱盤管1相連的熔鹽加熱器3加熱循環(huán)工質；熔鹽加熱器3的出口與單螺桿膨脹機4相連，循環(huán)工質被加熱后變成蒸汽，進入單螺桿膨脹機4膨脹做功，單螺桿膨脹機4連接至發(fā)動機5帶動發(fā)動機5發(fā)電；單螺桿膨脹機4內膨脹后的乏汽沿著管路進入回熱器6預熱進入熔鹽加熱器3前的循環(huán)工質后，進入熱水換熱器7冷凝為液態(tài)，液態(tài)循環(huán)工質通過工質循環(huán)泵8加壓進入熔巖加熱器3開始下一次循環(huán)。熱水換熱器7內加熱后的熱水通過管道進入住戶，向其提供采暖、生活熱水等生活所需。

所述的碟式聚光器10為一臺或多臺并聯同程安裝。

所述的循環(huán)工質采用有機工質或水。

本發(fā)明設計的太陽能熱電聯供系統中，熔鹽作為高溫的傳熱蓄熱工質吸收碟式太陽能聚光鏡匯集的熱量，工作溫度在200～500℃，熱容量大、儲熱密度可以達到1000MJ/m³；單螺桿膨脹機作為動力機，結構簡單、工作可靠、適應性廣，循環(huán)工質可以采用有機工質，也可以采用水。該系統總效率根據蓄熱規(guī)模、供熱形式和供熱溫度，熱利用效率可達到80%～90%，具有體積小、效率高、壽命長和良好的性價比。

本發(fā)明設計的太陽能熱電聯供系統中，單螺桿發(fā)動機4可根據實際功率和運行壓力的需求設計為單級形式或多級形式，多級系統可設計為串聯、并聯或混聯等結構。單螺桿膨脹機選用非金屬—金屬螺桿星輪轉子副，振動小，壽命長。