具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统技术方案

本发明专利技术涉及具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统。包括集热器阵列、高温级蓄热水罐、低温级蓄热水罐、螺杆膨胀机组、第一换热器和第二换热器。高温级蓄热水罐的热能适合于热功转换；低温级蓄热水罐的热能既可以通过有机朗肯循环进一步转换为电能，也可以直接给用户供热；集热器阵列依据太阳能辐照的强弱将热能传递给高温级蓄热水罐或低温级蓄热水罐或用于产生水蒸气。发电时，水工质直接在集热器阵列中吸热膨胀，无需过热措施，在200～300℃的中温条件下仍能高效进行热功转换，发电效率为10～25%。本发明专利技术提高了系统发电的稳定性以及设备的全年利用率，提高了系统发电和供热的独立性和灵活性，系统控制简单，充分高效地利用了太阳能资源。

Direct expansion solar power combined heat supply system with two stage regenerative water tank

The invention relates to a direct expansion solar power cogeneration system with a two stage regenerative water tank. The utility model comprises a heat collector array, a high temperature storage water tank, a low temperature storage water tank, a screw expansion unit, a first heat exchanger and a second heat exchanger. Heat of high temperature heat storage water tank level suitable for thermal power conversion; heat of low temperature level heat storage water tank can not only through the organic Rankine cycle further converted into electrical energy, can also be directly to the user heating; collector array based on solar radiation intensity of heat transfer to the high level or low level storage tank storage tank or used to produce steam. Electricity, water directly in the heat absorption expansion heater array, without overheating, still can efficiently heat conversion in the temperature conditions of 200 ~ 300 DEG C, the power generation efficiency is 10 ~ 25%. The invention improves the stability of the power generation of the system and the annual utilization rate of the equipment, improves the independence and flexibility of the power generation and the heating of the system, and the system control is simple, and the solar energy resource is fully and efficiently utilized.

【技术实现步骤摘要】
具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统
本专利技术属于太阳能热发电
，尤其涉及一种基于螺杆膨胀机的中低温直膨式太阳能热电联供系统。
技术介绍
直膨式系统（DSG）是未来减少太阳能发电成本的一个重要途径。在直膨式系统中，水蒸气在集热器阵列中直接膨胀，因此避免了二次换热流体（如导热油）。集热部分循环泵的耗功也会减少。水蒸气在两相区保持不变的温度和高传热系数对集热器运行很有利。由欧盟资助的已经运行超过6000小时的直膨式太阳能蒸汽（DISS）项目可以证明直膨式技术的可行性。由阿本戈太阳能公司建造的8兆瓦时示范电站，为了保证工作在8.5MPa和500℃，其蒸发器由3个平行的环路组成，过热器由2个环路组成。电站已经运行了一年。期间，在瞬态工况下稳定运行的创新性控制策略系统得到了验证。技术人员评估了集热器之间不同配置的相互链接，包括球形接头和灵活的旋转接头。世界上第一个商业化的直膨式槽式热电站自从2011年就开始发电。位于泰国北碧府的5MWe太阳能热发电站的槽式集热器采用新一代结合高效薄玻璃镜片的复合材料，可以反射95%以上的太阳辐射。经过几年的成功运行，该电站证明了直膨式技术的高效性。目前已有的直膨式太阳能热发电站都是由涡轮膨胀机（汽轮机）驱动的。为了避免膨胀过程中冷凝出现水滴，只有过热蒸汽才能进入汽轮机。因为水滴一旦形成，会高速地撞击汽轮机的叶片，造成损害并降低机械效率。在DISS电站中，直膨式太阳能蒸汽项目中汽轮机进口的蒸汽温度为400℃，压力为10MPa。过热度大约为90℃。在该项目的后续工程INDITEP项目中，汽轮机进口蒸汽温度和压力分别为400℃和6.5MPa。过热度大约为119℃。过热的需要极大地增加了汽轮机进口温度，但是对蒸汽朗肯循环效率的贡献却非常有限。另一方面，高的热源温度增加了集热和蓄热的技术要求，不利于降低系统成本。采用螺杆膨胀机可以解决以上问题。螺杆膨胀机是一种容积式膨胀机，它运用旋转型容积式的原理，避免了高速的流体。通常，它由一双螺旋形螺杆和一个壳套组成。流体从进口小体积的凹槽流向大体积的其他凹槽，反向地驱动一对螺旋形螺杆。在这个过程中，流体的温度和压力下降，功由传动轴输出。与涡轮膨胀机相比，螺杆膨胀机可以处理气液混合物、饱和蒸汽以及液体。它具有快速启停，允许热源压力和体积流量大范围波动，旋转速度低，结构更简单，维护费用低，装配容易，机动性优良等特点。因此，采用螺杆膨胀机的太阳能热发电系统将不需要过热器，在适中的热源温度（如250℃）下仍旧能获得与常规太阳能电站相近的效率（约15%）。蓄热是太阳能热发电站的重要方面。美国SEGSI电站采用矿物油作为传热流体，可以蓄热3小时。当温度在400℃以下，该技术可以成功地把产生的电力进行分配，以满足无太阳辐照时的公共峰值负荷。但是对于运行在更高集热场温度下的更高效的热发电站，矿物油会非常易燃，不能使用。在美国Solar-Two塔式热发电工程中，熔融盐被用为换热介质。由于其蓄热原理简单，所以在槽式热发电站中也可以推荐使用。最近世界最大的带熔盐蓄热装置的太阳能热发电站已经在美国亚利桑那州并网发电。但是在熔融盐作为蓄热技术之前，其低导热系数和和高熔点（这将引起凝固问题）是两大必须克服的障碍。专利技术专利申请CN201510948417.5提出了基于螺杆膨胀机的直膨式太阳能热发电系统，并采用相变材料（PCM）作为蓄热介质。水作为蓄热介质具有来源广泛和无环境污染等优点。但在传统基于汽轮机的太阳能热发电系统中，热源温度一般高于350℃，水蒸气压一般高于6.5MPa。如果采用水为介质，那么蓄热容器的设计温度和设计压力很高，对钢材的要求也高。与导热油和熔盐蓄热系统相比，压力容器的造价更昂贵。同时，当蓄热水罐处于放热状态时，随着工作时间的增长，蓄热罐的水温会降低，水蒸气压力随着降低，从而不利于汽轮机有效工作。最后，蓄热水罐需要与其它蓄热或补能系统相配合，以保证汽轮机入口水蒸气处于过热状态，这会带来很大的控制难题。因此，在传统基于汽轮机的太阳能热发电系统中，一般不采用水为蓄热介质。值得指出，对基于螺杆膨胀机的直膨式太阳能热发电系统而言，水是很有应用前景的蓄热介质。原因如下：1）螺杆膨胀机比汽轮机具有更加优良的变工况性能，适合于变工况运行。学者对螺杆膨胀机变工况运行做了大量研究。Avadhanula等人基于实验数据建立了两个螺杆膨胀机经验模型，运行压比从2.70变化到6.54时，等熵效率变化并不明显。Hsu等人实验研究了基于螺杆膨胀机的ORC性能。结果表明螺杆膨胀机可以在大范围的进口压力和运行压比内运行，并保持较高的效率。Ng等指出对于一个内置比体积比为5的膨胀机，当运行压比升高到内置压比的3倍时，等熵效率的相比于最大值的降低不到10%。鉴于此，当螺杆膨胀机入口和出口压力出现波动时，依旧能高效地进行热功转换。2）基于螺杆膨胀机的直膨式太阳能热发电系统的工作温度和工作压力要明显低于常规太阳能热发电系统。后面的例子将表明，在热源温度为250℃时，系统仍旧能获得15%左右的发电效率。水在250℃时的饱和压力约为4.0MPa。在该工作温度和工作压力下，压力容器的制造成本将大幅度降低。3）蓄热水罐出口水蒸气可直接通往螺杆膨胀机，不需要任何过热装置，因此系统结构更简单。综上，水是一种十分适合于太阳能螺杆膨胀机发电系统的蓄热介质，但目前蓄热水罐与螺杆膨胀机相结合的直膨式太阳能热发电技术方案尚未见报道。
技术实现思路
为了解决传统基于涡轮膨胀机（汽轮机）的太阳能光热发电系统的高温蓄热和高温集热技术难度大、成本高，以及传统太阳能热电联供系统发电和供热的独立性差等问题，本专利技术提供一种具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统。具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统包括集热器阵列C1、高温级蓄热水罐S1、低温级蓄热水罐S2、螺杆膨胀机组E、第一换热器HE1和第二换热器HE2；所述高温级蓄热水罐S1的第一出口通过阀门连接着螺杆膨胀机组E的入口，高温级蓄热水罐S1的第二出口连接着第二水泵P2的进口；螺杆膨胀机组E的出口连接着低温级蓄热水罐S2的第一入口；低温级蓄热水罐的出口分别连接着第一水泵P1的进口、第三水泵P3的进口、第四水泵P4的进口和第五水泵P5的进口；第一水泵P1的出口通过串联的第一阀门V1和第六阀门V6连接着集热器阵列的入口；第二水泵P2的出口通过第二阀门V2连接着第一阀门V1和第六阀门V6之间；第三水泵P3的出口通过第三阀门V3连接着第一换热器HE1的一侧入口；第四水泵P4的出口通过第四阀门V4连接着第二换热器HE2的一侧入口；第五水泵P5的出口通过第五阀门V5连接着集热器阵列C1的入口；集热器阵列C1的出口通过三通管分别连接着第八阀门V8的进口和第九阀门V9的进口；第九阀门的出口、第一换热器的一侧出口、第二换热器的一侧出口并联连接着低温级蓄热水罐S2的第二入口；第八阀门V8的出口连接着高温级蓄热水罐S1的入口；所述第八阀门V8的出口和第六阀门V6的进口之间串联着第七阀门V7，使集热器阵列和高温级蓄热水罐S1之间形成一调节旁路；所述第一换热器HE1的另一侧入口和另一侧出口连接着有机朗肯循环系统O1；所述第二换热器HE2的另一侧入口和另一侧出口连接着供热系统G1；本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统，其特征在于：包括集热器阵列（C1）、高温级蓄热水罐（S1）、低温级蓄热水罐（S2）、螺杆膨胀机组（E）、第一换热器（HE1）和第二换热器（HE2）；所述高温级蓄热水罐（S1）的第一出口通过阀门连接着螺杆膨胀机组（E）的入口，高温级蓄热水罐（S1）的第二出口连接着第二水泵（P2）的进口；螺杆膨胀机组（E）的出口连接着低温级蓄热水罐（S2）的第一入口；低温级蓄热水罐的出口分别连接着第一水泵（P1）的进口、第三水泵（P3）的进口、第四水泵（P4）的进口和第五水泵（P5）的进口；第一水泵（P1）的出口通过串联的第一阀门（V1）和第六阀门（V6）连接着集热器阵列的入口；第二水泵（P2）的出口通过第二阀门（V2）连接着第一阀门（V1）和第六阀门（V6）之间；第三水泵（P3）的出口通过第三阀门（V3）连接着第一换热器（HE1）的一侧入口；第四水泵（P4）的出口通过第四阀门（V4）连接着第二换热器（HE2）的一侧入口；第五水泵（P5）的出口通过第五阀门（V5）连接着集热器阵列（C1）的入口；集热器阵列（C1）的出口通过三通管分别连接着第八阀门（V8）的进口和第九阀门（V9）的进口；第九阀门的出口、第一换热器的一侧出口、第二换热器的一侧出口并联连接着低温级蓄热水罐（S2）的第二入口；第八阀门（V8）的出口连接着高温级蓄热水罐（S1）的入口；所述第八阀门（V8）的出口和第六阀门（V6）的进口之间串联着第七阀门（V7），使集热器阵列和高温级蓄热水罐（S1）之间形成一调节旁路；所述第一换热器（HE1）的另一侧入口和另一侧出口连接着有机朗肯循环系统（O1）；所述第二换热器（HE2）的另一侧入口和另一侧出口连接着供热系统（G1）；所述高温级蓄热水罐（S1）的热能适合于转换为电能；所述低温级蓄热水罐（S2）的热能既可以通过有机朗肯循环进一步转换为电能，也可以直接给用户供热；集热器阵列（C1）依据太阳能辐照的强弱将热能传递给高温级蓄热水罐S1或低温级蓄热水罐S2或用于产生水蒸气，实现太阳能的高效利用；发电时，水工质可以直接在集热器阵列中吸热膨胀，无需过热措施，在200～300℃的中温条件下仍能高效进行热功转换，发电效率为10～25%。...

【技术特征摘要】
1.具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统，其特征在于：包括集热器阵列（C1）、高温级蓄热水罐（S1）、低温级蓄热水罐（S2）、螺杆膨胀机组（E）、第一换热器（HE1）和第二换热器（HE2）；所述高温级蓄热水罐（S1）的第一出口通过阀门连接着螺杆膨胀机组（E）的入口，高温级蓄热水罐（S1）的第二出口连接着第二水泵（P2）的进口；螺杆膨胀机组（E）的出口连接着低温级蓄热水罐（S2）的第一入口；低温级蓄热水罐的出口分别连接着第一水泵（P1）的进口、第三水泵（P3）的进口、第四水泵（P4）的进口和第五水泵（P5）的进口；第一水泵（P1）的出口通过串联的第一阀门（V1）和第六阀门（V6）连接着集热器阵列的入口；第二水泵（P2）的出口通过第二阀门（V2）连接着第一阀门（V1）和第六阀门（V6）之间；第三水泵（P3）的出口通过第三阀门（V3）连接着第一换热器（HE1）的一侧入口；第四水泵（P4）的出口通过第四阀门（V4）连接着第二换热器（HE2）的一侧入口；第五水泵（P5）的出口通过第五阀门（V5）连接着集热器阵列（C1）的入口；集热器阵列（C1）的出口通过三通管分别连接着第八阀门（V8）的进口和第九阀门（V9）的进口；第九阀门的出口、第一换热器的一侧出口、第二换热器的一侧出口并联连接着低温级蓄热水罐（S2）的第二入口；第八阀门（V8）的出口连接着高温级蓄热水罐（S1）的入口；所述第八阀门（V8）的出口和第六阀门（V6）的进口之间串联着第七阀门（V7），使集热器阵列和高温级蓄热水罐（S1）之间形成一调节旁路；所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晶，裴刚，高广涛，王其梁，季杰，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34