[發明專利]基于氣液兩相集熱器的太陽能復疊有機朗肯循環發電系統

在審

• 申請號: 201810418139.6
• 申請日: 2018-05-04
• 公開（公告）號: CN108506177A
• 公開（公告）日: 2018-09-07
• 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;F01K25/08;F01K25/10;F01K7/16
• 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

本發明涉及基于氣液兩相集熱器的太陽能復疊有機朗肯循環發電系統。包括太陽能集熱蓄熱回路、一級有機朗肯循環發電回路和二級有機朗肯循環發電回路。白天太陽輻照大于400W/m²時，系統同時進行集熱、蓄熱和發電三種運行模式；夜晚或陰天時，系統利用高溫蓄熱水罐儲存的熱量繼續進行發電運行模式。本發明兩級有機朗肯循環全部采用汽輪機，系統可以實現10MW以上規模化應用；汽輪機采用干有機工質，膨脹過程中工質處于過熱狀態，不會產生液滴；集熱場和蓄熱單元與有機朗肯循環單元之間采用間接換熱，集熱場產生的水蒸氣僅僅為傳熱介質，不進入汽輪機膨脹做功，有效降低了系統對集熱和蓄熱水工質的品質要求。

技術領域

本發明屬于太陽能熱發電技術領域，具體涉及一種基于氣液兩相集熱器的太陽能復疊有機朗肯循環發電系統。

背景技術

光熱發電是大規模開發利用太陽能的一個重要途徑。不同于常規的光熱電站采用導熱油、熔鹽等介質，直接蒸汽的太陽能熱發電技術由于采用水同時作為集熱場吸熱介質，蓄熱介質，以及熱功轉換工質，因此具有系統結構相對簡單、易于降低成本等優點。

蒸汽直接發生式太陽能熱發電技術有兩個關鍵的問題亟待解決：首先，水工質在集熱器場中的吸熱過程存在相變，而兩相流動的控制比單相流動復雜得多，并且外界的太陽輻照又具有明顯的波動特性。在這種情況下，如果要使得集熱場出口產出過熱蒸汽，那么蒸汽的過熱度很難控制，因此蒸汽輸出的穩定性較差，可靠性較低，所以實際應用中一般采用相對簡單的直接產生飽和蒸汽方案。其次，與過熱蒸汽循環相匹配的儲熱設計較為復雜，通常包括多級蓄熱（預熱級，相變級和過熱級）。常規的熔鹽冷、熱罐倒換運行模式會造成很大的傳熱不可逆損失，并且需要較大的換熱面積，實用性較差。因此目前尚缺乏經濟高效的直膨式太陽能熱發電儲熱技術。

基于螺桿膨脹機的直膨式太陽能熱發電技術可以在一定程度上解決上述問題。與汽輪機相比，螺桿膨脹機可以處理氣液兩相混合物而不會造成機械損害，并且啟停迅速。在熱力學特性方面，螺桿膨脹機相比于汽輪機的最大優點在于其良好的變工況運行能力，這也已經被眾多學者通過實驗加以證明。比如，對于一個內置比體積比為5的螺桿膨脹機，當實際壓比變成內置壓比的三倍時，其等熵效率相比于最大值的降低只有10%。因此當采用螺桿膨脹機時，直膨式太陽能熱發電系統集熱場產生的蒸汽可以處于氣液兩相，而無須過熱。特別地，當采用兩級蓄熱水罐時，直膨式太陽能熱發電系統將利用不同的放熱模式進行熱功轉換；使得有機朗肯循環的全年工作時間增長，大幅度提高了系統的蓄熱能力（與單罐系統相比，蓄熱能力可提高5-8倍），縮短了系統投資回收期；并且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。

另一方面，現階段螺桿膨脹機有幾個顯著缺點：第一，單機容量較小。商業化的螺桿膨脹機的單機容量一般小于2.5 MW。對于太陽能熱發電系統，如果裝機容量較小，那么熱功轉換單元在整個系統中的成本比例會增大，系統經濟性會降低。鑒于此，太陽能熱發電系統規模通常為10MW或更大，這給螺桿膨脹機帶來了挑戰。第二，與主流的干蒸氣汽輪機相比，飽和蒸汽或濕蒸汽螺桿膨脹機的效率不高。螺桿膨脹機的等熵效率在60%-75%之間，而干蒸氣汽輪機的等熵效率為80%-89%。

針對以上問題，一個潛在的解決方案為采用基于干有機工質（dry organicfluid）的汽輪機實現復疊朗肯循環的頂部熱功轉換。

發明內容

為了進一步提高太陽能復疊有機朗肯循環發電系統的熱力學性能和技術可行性，本發明提供一種基于氣液兩相集熱器的太陽能復疊有機朗肯循環發電系統。

基于氣液兩相集熱器的太陽能復疊有機朗肯循環發電系統包括太陽能集熱蓄熱回路、一級有機朗肯循環發電回路和二級有機朗肯循環發電回路；

所述太陽能集熱蓄熱回路包括太陽能集熱場1、高溫蓄熱水罐2、低溫蓄熱水罐3、低溫集熱水泵12、中溫水泵13和高溫換熱水泵14，太陽能集熱場1的出口串聯著高溫蓄熱水罐2，太陽能集熱場1的入口串聯著低溫蓄熱水罐3；