一種基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的直膨式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的直膨式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]熱發(fā)電技術(shù)是利用太陽(yáng)能的重要途徑之一。根據(jù)聚光太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)研究中心的數(shù)據(jù)，2014年全球太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)(SEGS)裝機(jī)容量增長(zhǎng)32%，達(dá)到了4533MW。在所有商業(yè)的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，基于拋物面槽式集熱器(PTC)的系統(tǒng)是最成熟和最主流的，大約占所有運(yùn)行和在建電站裝機(jī)容量的90%。
[0003]通常拋物面槽式熱發(fā)電系統(tǒng)(PTC-SEGS)采用基于渦輪膨脹機(jī)的蒸汽朗肯循環(huán)，它有以下缺陷:首先，為了避免膨脹中冷凝出現(xiàn)水蒸汽，只有過(guò)熱蒸汽(接近或高于673K)才能進(jìn)入渦輪。因?yàn)樗我坏┬纬桑瑫?huì)高速地撞擊渦輪的葉片，造成損害并降低機(jī)械效率。其次，蒸汽朗肯循環(huán)為了獲得高溫?zé)嵩?，?duì)集熱技術(shù)的要求很高。槽式集熱器中接收器的玻璃-金屬密封是一種管狀密封，這不僅需要適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度，還需要真空狀態(tài)下良好的氣密性。由于金屬與玻璃完全不同的特點(diǎn)(如熱膨脹系數(shù)和濕潤(rùn)度)，當(dāng)運(yùn)行溫度從白天約673K陡降到夜間約300K時(shí)，接收器會(huì)出現(xiàn)密封失效或退化現(xiàn)象。在早期的太陽(yáng)能電站中這種失效或退化是個(gè)難題。為了達(dá)到673K的高溫，槽式集熱器聚光比通常在60以上。大聚光比需要高精度的跟蹤系統(tǒng)，頻繁的維護(hù)，運(yùn)動(dòng)部件和齒輪的維修與更換。第三，儲(chǔ)存高品位的熱量很困難。蓄熱裝置對(duì)保證太陽(yáng)能發(fā)電的連續(xù)性很重要。美國(guó)SEGS I電站采用礦物油作為傳熱流體可以蓄熱3小時(shí)。在573K溫度以下，該技術(shù)可以成功地把產(chǎn)生的電力進(jìn)行分配，滿足無(wú)太陽(yáng)輻照時(shí)的公共峰值負(fù)荷。但是對(duì)于運(yùn)行在更高集熱溫度下的更高效的熱發(fā)電站，礦物油會(huì)非常易燃，不能使用。第四，從成本考慮，熱發(fā)電站要越大越好。通常隨著裝機(jī)容量的增加，每千瓦的建設(shè)成本會(huì)下降。原因在于大規(guī)模發(fā)電站的那些固定成本和小規(guī)模電站的差不多，而像渦輪、栗、發(fā)電機(jī)在高功率下效率更高。通常拋物面槽式熱發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模在幾到幾十兆瓦，有些甚至達(dá)到兩三百兆瓦。這需要上百萬(wàn)平米的平整土地，因而只能在沙漠或人跡稀少的地區(qū)建造。
[0004]以上的問(wèn)題可以通過(guò)使用螺桿膨脹機(jī)解決。螺桿膨脹機(jī)是一種容積式膨脹機(jī)，它運(yùn)用旋轉(zhuǎn)型容積式的原理，避免了高速的流體。通常，它由一雙螺旋形螺桿和一個(gè)殼套組成。流體從進(jìn)口小體積的凹槽流向大體積的其他凹槽，反向地驅(qū)動(dòng)雙螺桿。在這個(gè)過(guò)程中，流體的溫度和壓力下降，功由傳動(dòng)軸輸出。和渦輪膨脹機(jī)相比，螺桿膨脹機(jī)可以處理氣液混合物、飽和蒸汽以及液體。它具有快速啟停，允許熱源壓力和體積流量大范圍波動(dòng)，轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)費(fèi)用低，裝配容易，機(jī)動(dòng)性優(yōu)良等特點(diǎn)。螺桿膨脹機(jī)早在20世紀(jì)70年代就在地?zé)岚l(fā)電上使用，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。目前在鋼鐵和煙道氣余熱、工業(yè)輻射熱、地?zé)崮芾弥杏泻芏嗷诼輻U膨脹機(jī)的蒸汽朗肯循環(huán)電站。市場(chǎng)上已有商業(yè)化的50kW-1.5MW，以水為工質(zhì)的螺桿膨脹機(jī)，等熵效率在0.7-0.85。由于避免了過(guò)熱裝置，將其用在太陽(yáng)能發(fā)電中將會(huì)很有前景。太陽(yáng)能集熱溫度控制在573K以下，而發(fā)電效率與主流的基于渦輪膨脹機(jī)的電站差不多。
[0005]考慮到成本效益，螺桿膨脹機(jī)的一大缺陷是低設(shè)計(jì)壓比?，F(xiàn)有的電站設(shè)計(jì)壓比一般在2.5-8。這意味著如果給定飽和蒸汽溫度為523K(對(duì)應(yīng)飽和壓力為3.98MPa)，設(shè)計(jì)冷凝溫度應(yīng)高于424K(對(duì)應(yīng)飽和壓力為0.49MPa)。高溫蒸汽中的可用能將無(wú)法被單個(gè)螺桿膨脹機(jī)充分轉(zhuǎn)換利用。一種解決方案是把兩個(gè)或以上螺桿機(jī)串聯(lián)組裝起來(lái)。但這樣設(shè)計(jì)很復(fù)雜(尤其是軸心的吻合度)。螺桿膨脹機(jī)串聯(lián)的可行性目前還沒(méi)有被證實(shí)。
[0006]有鑒于此，確有必要提供一種基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的直膨式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，其能在低環(huán)境溫度下能很好地運(yùn)行，具有更高的發(fā)電效率，適于小規(guī)模分布式建設(shè)，集熱和蓄熱的技術(shù)要求很低，且具有高穩(wěn)定性與高可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于:針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提出一種基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的直膨式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，其能在低環(huán)境溫度下能很好地運(yùn)行，具有更高的發(fā)電效率，適于小規(guī)模分布式建設(shè)，集熱和蓄熱的技術(shù)要求很低，且具有高穩(wěn)定性與高可靠性。
[0008]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的直膨式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，包括拋物面槽式集熱器陣列和復(fù)疊朗肯循環(huán)，所述復(fù)疊朗肯循環(huán)包括位于頂部的蒸汽朗肯循環(huán)和位于底部的有機(jī)朗肯循環(huán)；
所述蒸汽朗肯循環(huán)包括帶相變材料的蓄熱罐、氣液分離器、蒸汽螺桿膨脹機(jī)和中間換熱器，所述拋物面槽式集熱器陣列的出口通過(guò)管道與所述蓄熱罐的入口連通，所述蓄熱罐的出口與所述氣液分離器的入口連通，所述氣液分離器的出口與所述蒸汽螺桿膨脹機(jī)的入口連通，所述蒸汽螺桿膨脹機(jī)的出口與所述中間換熱器的一側(cè)入口連通，所述中間換熱器的一側(cè)出口通過(guò)第一水栗與所述拋物面槽式集熱器陣列的入口連通；
所述有機(jī)朗肯循環(huán)包括所述中間換熱器、渦輪膨脹機(jī)和冷凝器，所述中間換熱器的另一側(cè)出口與所述渦輪膨脹機(jī)的入口連通，所述渦輪膨脹機(jī)的出口與所述冷凝器的一側(cè)入口連通，所述冷凝器的一側(cè)出口通過(guò)工質(zhì)栗與所述中間換熱器的另一側(cè)入口連通。
[0009]作為本發(fā)明基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的直膨式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述蒸汽朗肯循環(huán)所使用的工質(zhì)為水蒸汽。
[0010]作為本發(fā)明基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的直膨式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)為R123制冷劑、苯和環(huán)己烷中的至少一種。
[0011]作為本發(fā)明基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的直膨式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述冷凝器的另一側(cè)出口連通著冷卻水的入口，所述冷凝器的另一側(cè)入口連通著冷卻水的出口，且冷卻水的進(jìn)口和冷卻水的出口均位于所述冷凝器的同一側(cè)。
[0012]作為本發(fā)明基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的直膨式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述氣液分離器的出口與所述蒸汽螺桿膨脹機(jī)的入口之間設(shè)置有第一閥門。
[0013]作為本發(fā)明基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的直膨式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述第一水栗和所述拋物面槽式集熱器陣列的入口之間設(shè)置有第二閥門和第三閥門，所述第一水栗和所述蓄熱罐的入口之間設(shè)置有所述第二閥門和第五閥門。
[0014]作為本發(fā)明基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的直膨式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述氣液分離器的底部和所述第一水栗之間依次設(shè)置有第二水栗和第四閥門。
[0015]作為本發(fā)明基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的直膨式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述相變材料包括結(jié)晶水合鹽、石蠟、脂肪酸和高密度聚乙烯中的至少一種。
[0016]作為本發(fā)明基于復(fù)疊朗肯循環(huán)的直膨式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的一種改進(jìn)，所述結(jié)晶水合鹽包括六水合氯化鈣、十二水合磷酸氫二鈉、十水合碳酸鈉和五水合硫酸鈉中的至少一種。
[0017]本發(fā)明創(chuàng)新性及與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益技術(shù)效果在于:
1)發(fā)明專利申請(qǐng)CN103195481B和CN102022221B提出了兩級(jí)或多級(jí)螺桿膨脹機(jī)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，相比于單螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)，可以更大程度利用熱源的可用能，而且具有機(jī)械密封性高、適用于大壓比等特點(diǎn)。相比于這種螺桿串聯(lián)的系統(tǒng)，本發(fā)明增加了水蒸汽朗肯循環(huán)，并將其與有機(jī)朗肯循環(huán)相耦合。本發(fā)明采用復(fù)疊循環(huán)更有優(yōu)勢(shì)，將有機(jī)朗肯循環(huán)(0RC)做為底部循環(huán)，頂部蒸汽循環(huán)中的螺桿膨脹機(jī)可以設(shè)計(jì)成更小的尺寸。有機(jī)工質(zhì)低相變潛熱的特性可以使小功率的膨脹機(jī)設(shè)計(jì)制造更簡(jiǎn)單。低沸點(diǎn)的有機(jī)工質(zhì)對(duì)環(huán)境溫度的變化能很好地反應(yīng)并且能有效利用低溫?zé)嵩础?duì)于常規(guī)的蒸汽朗肯循環(huán)，當(dāng)冷凝溫度為306K以下將很難實(shí)現(xiàn)蒸汽的有效膨脹做功，因?yàn)槔淠髦斜３?kpa以下的真空度是一個(gè)技術(shù)難題(i青參見Fern andez FJ, Prieto MM, Suarez 1.Thermodynamic analysis of high—temperature regenerative organic Rankine cycles using siloxanes as working fluids.Energy 2011; 36; 5239-5249)。電站規(guī)模越小，這個(gè)問(wèn)題越突出。由于有機(jī)工質(zhì)的飽和壓力要高很多，復(fù)疊系統(tǒng)在低環(huán)境溫度下也能很好運(yùn)行。同時(shí)，復(fù)疊系統(tǒng)比單獨(dú)的蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電效率更高(請(qǐng)參考Fahad A.Al-Sulaiman.Energy and sizing analysesof parabolic trough solar collector integrated with steam and binary vaporcycles.Energy 2013; 58; 561-570)。
[0018]2)發(fā)明專利申請(qǐng)US20110209474 A1提出了一種太陽(yáng)能蒸汽-有機(jī)朗肯循環(huán)復(fù)疊系統(tǒng)，采用了高溫和低溫集熱器以及多流體換熱器。相比之下，本發(fā)明用蒸汽螺桿膨脹機(jī)代替了渦輪膨脹機(jī)，并且采用直接膨脹式熱發(fā)電方式，不需要中間換熱流體。不像渦輪那樣應(yīng)用在大規(guī)模的熱發(fā)電站，螺桿膨脹機(jī)能在1MW以下和3600轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速以內(nèi)有效地進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換。這使得分布式太陽(yáng)能熱發(fā)電成為可能。在用戶點(diǎn)附近提供電力和熱水可以使系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)。
[0019]3)發(fā)明專利申請(qǐng)US20100162700 A1提出了一種中間過(guò)熱的槽式集熱器直接膨脹熱發(fā)電裝置，但是多級(jí)渦輪膨脹機(jī)以及抽汽回?zé)岷椭虚g過(guò)熱裝置使系統(tǒng)變得復(fù)雜。相比于這種直膨式系統(tǒng)，本發(fā)明用蒸汽螺桿膨脹機(jī)代替了渦輪膨脹機(jī)。渦輪膨脹機(jī)為速度型膨脹機(jī)，若在膨脹過(guò)程中產(chǎn)生液滴，則葉輪葉片會(huì)受到碰撞而損壞。螺桿膨脹機(jī)為容積式膨脹機(jī)，一個(gè)鮮明的技術(shù)特點(diǎn)為可利用氣液兩相工質(zhì)做功，不需要過(guò)熱裝置。因此，本發(fā)明結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)明，槽式集熱器中的溫度和壓力也要低得多，集熱和蓄熱部分的技術(shù)要求也大大降低。
[0020]4)發(fā)明專利申請(qǐng)US20140060050 A1和US20140345276 A1提出了一種基于聚光型集熱器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，相比于這種高倍聚光的有機(jī)朗肯循環(huán)，本發(fā)明增加了水蒸汽朗肯循環(huán)，而且以螺桿膨脹機(jī)代替了渦輪膨脹機(jī)。本發(fā)明長(zhǎng)期運(yùn)行將更穩(wěn)定和可靠，因?yàn)樵?73-57