[發明專利]一種具有不同放熱模式的太陽能復疊朗肯循環發電系統

有效

• 申請號: 201710608229.7
• 申請日: 2017-07-24
• 公開（公告）號: CN107288834B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 李晶;裴剛;高廣濤;任曉;季杰
• 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;F01K23/02
• 代理公司: 合肥金安專利事務所(普通合伙企業) 34114
• 代理人: 金惠貞

本發明涉及一種具有不同放熱模式的太陽能復疊朗肯循環發電系統。包括由拋物面槽式集熱器陣列C、高溫蓄熱水罐HTA、水蒸氣螺桿膨脹機E、第一發電機G1、第一換熱器HX1、第一水泵P1和閥門等組成的蒸汽朗肯循環回路和由有機工質膨脹機T、第二發電機G2、第二換熱器HX2、有機工質泵P3組成的有機朗肯循環回路；此外，還包括由低溫蓄熱水罐LTA和第二水泵P2等組成的低溫蓄熱水罐支路。本發明實現了利用不同的放熱模式進行熱電轉換；使得有機朗肯循環的全年工作時間增長，系統發電量增高，回收期縮短；有效地避免膨脹機在嚴重偏離設計工況的條件下運行，保證系統高效運行。

技術領域

本發明屬于太陽能熱發電技術領域，尤其涉及一種具有不同放熱模式的太陽能復疊朗肯循環發電系統。

背景技術

螺桿膨脹機可以處理液態、氣液兩相態以及氣態工質，而且與透平膨脹機相比，其具有良好的變工況性能。在太陽能熱發電系統（Solar electricity generation system，SEGS）中，采用蒸汽螺桿膨脹機，構建水蒸汽-有機工質復疊朗肯循環系統（steam-organicRankinecycle，SORC）可以避免過熱裝置，在相對較低的溫度和壓力下系統也能夠保證較高的效率。比如，當熱源溫度在250℃時，系統發電效率在15%左右。此外，當采用水作為蓄熱工質時，系統還可以采用直膨式技術（direct steam generation，DSG），使得太陽能熱發電系統具有靈活的操作性以及優良的熱力學性能。但是，基于水蓄熱的直膨式太陽能復疊朗肯循環發電系統（DSG-SORC），仍然面臨一些挑戰：

1）對于單級蓄熱系統，在放熱過程中，蓄熱罐中水的溫降受到限制，可利用的溫降較低。這是因為蓄熱罐中的水汽化蒸發，溫度逐步降低，導致螺桿膨脹機的進口壓力也隨之下降。而當螺桿膨脹機的運行壓比低于設計值時，其效率會顯著降低。比如，針對一個設計背壓為0.55MPa的水蒸氣螺桿膨脹機，當蓄熱罐水溫由250℃降至220℃時，其運行壓比會由7.2降至4.2。考慮到螺桿膨脹機的內置比體積，進一步降低蓄熱罐水溫會導致水蒸氣螺桿膨脹機嚴重偏離設計工況，性能急劇惡化。

2）蓄熱罐水溫的降低不僅對蒸汽朗肯循環也對有機朗肯循環產生不利影響。在放熱過程中，不僅水蒸氣螺桿膨脹機處于變工況運行，底部的有機朗肯循環也很難維持穩定運行。隨著水蒸氣螺桿膨脹機進口溫度和壓力的降低，通過螺桿膨脹機的水工質流量也在降低。中間換熱器中傳遞給有機工質的熱量將不足以驅動有機朗肯循環有效運行。尤其當有機朗肯循環采用的是透平膨脹機時，透平膨脹機比螺桿膨脹機更易受到運行工況波動的影響，這將導致系統放熱過程中的不可逆損失增大。

3）大容積的高溫高壓蓄熱罐不利于提高系統的經濟性。比如，對于一個裝機容量1MWe、蓄熱時長6小時，設計壓力4.0 MPa,設計溫度250^oC、設計容積400m²的DSG-SORC系統，蓄熱罐的成本大約為255萬人民幣，這與拋物面集熱器陣列的成本是相當的。蓄熱罐較高的成本與單級蓄熱水罐較小的溫降是密切相關的。相同蓄熱能力下，較小的溫降使得蓄熱罐容積增大，影響DSG-SORC統的經濟效益。

到目前為止，有關傳統直膨式太陽能槽式發電系統的蓄熱研究已較為廣泛。為改善系統效率，兩級和三級蓄熱結構也已被提出。然而，在這種多級蓄熱結構中，系統的工作介質（水）和蓄熱介質（混凝土、相變材料、水、空氣等）通常彼此分開、位于獨立的單元之中，這導致系統的結構和傳熱換熱過程比較復雜。

發明內容

為了實現在不明顯增大成本的條件下，提高系統的蓄熱能力，降低太陽能熱發電系統的不可逆損失，本發明提出一種具有不同放熱模式的太陽能復疊朗肯循環發電系統。