[發明專利]利用聯苯-聯苯醚混合物的直接膨脹式太陽能熱發電系統

在審

• 申請號: 202110084910.2
• 申請日: 2021-01-21
• 公開（公告）號: CN112523981A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 李晶;高廣濤;裴剛;楊洪倫;李鵬程
• 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;F01D15/10;F01C13/00;F22B1/00;F24S60/10;F24S20/20;F24S60/30
• 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

本發明涉及一種利用聯苯?聯苯醚混合物的直接膨脹式太陽能熱發電統，屬于太陽能熱發電技術領域。包括一次循環回路和二次循環回路。一次循環回路的工質為聯苯?聯苯醚混合物，功能為太陽能收集儲存、熱能釋放和頂部朗肯循環發電，主要包括太陽能集熱場，頂部朗肯循環膨脹機，工質泵，閥門，高溫蓄熱罐，低溫蓄熱罐和相變材料。其中相變材料放置于高溫蓄熱罐中。二次循環回路功能為底部朗肯循環發電，主要包括底部朗肯循環膨脹機，底部朗肯循環工質泵，蒸發器，冷凝器和回熱器。本發明將具有高蒸發溫度和低蒸發壓力特性的聯苯?聯苯醚混合物與復疊朗肯循環相結合，同時利用相變儲熱，從而提高了熱發電效率和蓄熱能力，具有強的應用潛力。

技術領域

本發明屬于太陽能熱發電技術領域，具體涉及一種利用聯苯-聯苯醚混合物的直接膨脹式太陽能熱發電系統。

背景技術

直接膨脹式太陽能熱發電是一種重要的聚光發電技術。水蒸汽直接在集熱場中產生，并推動汽輪機做功，不需要中間換熱流體。水的汽化潛熱大，低廉環保，安全性好，是目前商業化直接膨脹式聚光熱發電系統唯一采用的介質。然而該類型的太陽能熱發電系統具有兩個亟待解決的難題：第一，缺乏長周期低成本的蓄熱方案；第二，系統的熱功轉換效率不高。第一個難題在于高溫水罐在放熱過程中，溫度和壓力不穩定，為了防止熱力循環嚴重偏離設計工況，高溫水罐的溫降一般小于50℃。如果要長周期蓄熱，則高壓蓄熱罐的容積巨大，成本高，而且壓力的周期波動會降低容器的使用壽命。第二個難題在于，水的飽和壓力隨著溫度提升而急劇升高，當溫度為270℃時，飽和壓力達到了5.5 MPa, 此時集熱管和蓄熱罐的技術要求高，造價高。如果溫度進一步提升，那么系統的造價指數提升，而系統的熱效率上升則相對緩慢。特別地，當溫度高于270℃時，水的飽和蒸汽焓值隨溫度的升高而降低，水蒸氣在膨脹過程中的濕度會增大，濕汽輪機的技術要求增加。所以已經建立的直接膨脹式電站的設計溫度不高，如Planta Solar 10 和Planta Solar 20的設計溫度為250℃。由于運行溫度不高，相比于采用熔鹽和導熱油的聚光熱發電系統，直接膨脹式太陽能熱發電系統的效率偏低。

如果采用導熱油替代水介質，理論上可解決傳統直接膨脹式太陽能熱發電系統蓄熱罐壓力高，蒸汽溫度和熱功轉換效率低的難題。導熱油直接在集熱場中吸熱熱量并產生蒸氣，蒸氣用于驅動熱力循環發電，其工作原理跟水介質類似。由于導熱油的沸點高（比如大于200℃），相同溫度下，其飽和蒸氣壓明顯低于水介質，當運行溫度接近400℃時，飽和壓力可維持在1MPa以下。同時導熱油一般為苯類工質，屬于干有機工質，膨脹過程中不會進入氣液兩相區，所以膨脹機的技術要求低。值得指出，盡管導熱油具有以上優點，但基于導熱油的直接膨脹式太陽能熱發電系統尚未見示范或商業化應用。其潛在的問題主要為，導熱油比熱和汽化潛熱低，成本高。相同溫度下，導熱油的比熱不到水的50%，而汽化潛熱不到水的20%。若要獲得長時間的蓄熱容量，則導熱油成本高。比如，假設系統設計溫度為370℃，為了保證放熱發電過程熱力循環不嚴重偏離設計工況，高溫罐導熱油的最低溫度為340℃，熱力循環設計效率為31%，蓄熱時長為12小時。基于以上假設，那么每kW系統需要的導熱油質量約為170kg，考慮到導熱油需定期更換，蓄熱成本將高于4000元/kW。因此簡單地將導熱油替代水介質，不能降低直接膨脹式熱發電系統的投資回收期。

針對以上問題，本發明提出一種利用聯苯-聯苯醚混合物的直接膨脹式太陽能熱發電系統。該系統有望獲得接近400℃的飽和蒸氣，大幅度提高熱力循環效率，同時通過顯熱蓄熱和潛熱蓄熱相結合的方案，降低系統的蓄熱成本。

發明內容

為了克服常規直接膨脹式太陽能熱發電系統中水的飽和蒸汽溫度低 (280℃)，蓄熱水罐壓力大(4MPa)的問題，本發明提出利用聯苯-聯苯醚混合物的直接膨脹式太陽能熱發電系統。系統包括一次循環回路以及二次循環回路，系統結構如圖1所示。

利用聯苯-聯苯醚混合物的直接膨脹式太陽能熱發電系統包括一次循環回路和二次循環回路；