一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统。包括由抛物面槽式集热器阵列C、高温蓄热水罐HTA、水蒸气螺杆膨胀机E、第一发电机G1、第一换热器HX1、第一水泵P1和阀门等组成的蒸汽朗肯循环回路和由有机工质膨胀机T、第二发电机G2、第二换热器HX2、有机工质泵P3组成的有机朗肯循环回路；此外，还包括由低温蓄热水罐LTA和第二水泵P2等组成的低温蓄热水罐支路。本实用新型专利技术实现了利用不同的放热模式进行热电转换；使得有机朗肯循环的全年工作时间增长，系统发电量增高，回收期缩短；有效地避免膨胀机在严重偏离设计工况的条件下运行，保证系统高效运行。

【技术实现步骤摘要】
一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统
本技术属于太阳能热发电
，尤其涉及一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统。
技术介绍
螺杆膨胀机可以处理液态、气液两相态以及气态工质，而且与透平膨胀机相比，其具有良好的变工况性能。在太阳能热发电系统（Solarelectricitygenerationsystem，SEGS）中，采用蒸汽螺杆膨胀机，构建水蒸汽-有机工质复叠朗肯循环系统（steam-organicRankinecycle，SORC）可以避免过热装置，在相对较低的温度和压力下系统也能够保证较高的效率。比如，当热源温度在250℃时，系统发电效率在15%左右。此外，当采用水作为蓄热工质时，系统还可以采用直膨式技术（directsteamgeneration，DSG），使得太阳能热发电系统具有灵活的操作性以及优良的热力学性能。但是，基于水蓄热的直膨式太阳能复叠朗肯循环发电系统（DSG-SORC），仍然面临一些挑战：1）对于单级蓄热系统，在放热过程中，蓄热罐中水的温降受到限制，可利用的温降较低。这是因为蓄热罐中的水汽化蒸发，温度逐步降低，导致螺杆膨胀机的进口压力也随之下降。而当螺杆膨胀机的运行压比低于设计值时，其效率会显著降低。比如，针对一个设计背压为0.55MPa的水蒸气螺杆膨胀机，当蓄热罐水温由250℃降至220℃时，其运行压比会由7.2降至4.2。考虑到螺杆膨胀机的内置比体积，进一步降低蓄热罐水温会导致水蒸气螺杆膨胀机严重偏离设计工况，性能急剧恶化。2）蓄热罐水温的降低不仅对蒸汽朗肯循环也对有机朗肯循环产生不利影响。在放热过程中，不仅水蒸气螺杆膨胀机处于变工况运行，底部的有机朗肯循环也很难维持稳定运行。随着水蒸气螺杆膨胀机进口温度和压力的降低，通过螺杆膨胀机的水工质流量也在降低。中间换热器中传递给有机工质的热量将不足以驱动有机朗肯循环有效运行。尤其当有机朗肯循环采用的是透平膨胀机时，透平膨胀机比螺杆膨胀机更易受到运行工况波动的影响，这将导致系统放热过程中的不可逆损失增大。3）大容积的高温高压蓄热罐不利于提高系统的经济性。比如，对于一个装机容量1MWe、蓄热时长6小时，设计压力4.0MPa,设计温度250oC、设计容积400m2的DSG-SORC系统，蓄热罐的成本大约为255万人民币，这与抛物面集热器阵列的成本是相当的。蓄热罐较高的成本与单级蓄热水罐较小的温降是密切相关的。相同蓄热能力下，较小的温降使得蓄热罐容积增大，影响DSG-SORC统的经济效益。到目前为止，有关传统直膨式太阳能槽式发电系统的蓄热研究已较为广泛。为改善系统效率，两级和三级蓄热结构也已被提出。然而，在这种多级蓄热结构中，系统的工作介质（水）和蓄热介质（混凝土、相变材料、水、空气等）通常彼此分开、位于独立的单元之中，这导致系统的结构和传热换热过程比较复杂。
技术实现思路
为了实现在不明显增大成本的条件下，提高系统的蓄热能力，降低太阳能热发电系统的不可逆损失，本技术提出一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统。一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统包括由抛物面槽式集热器阵列C、高温蓄热水罐HTA、水蒸气螺杆膨胀机E、第一发电机G1、第一换热器HX1、第一水泵P1、第一阀门V1、第二阀门V2、第三阀门V3、第四阀门V4、第六阀门V6和第七阀门V7组成的蒸汽朗肯循环回路和由有机工质膨胀机T、第二发电机G2、第二换热器HX2、有机工质泵P3组成的有机朗肯循环回路；所述第一换热器HX1中一侧工质为水，另一侧工质为有机工质；所述第二换热器HX2中一侧工质为水，另一侧工质为有机工质；所述第一换热器HX1中的有机工质一侧串联在有机朗肯循环回路的有机工质泵P3的出口和有机工质膨胀机T之间；还包括由低温蓄热水罐LTA、第二水泵P2、第五阀门V5和节流阀TV组成的低温蓄热水罐支路；低温蓄热水罐LTA的出口连通着第二水泵P2的进口，第二水泵P2的出口和第一水泵P1的出口并联，低温蓄热水罐LTA的进口通过串联的节流阀TV和第五阀门V5连通着第一换热器HX1的水工质出口；使抛物面槽式集热器阵列C、高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA构成以水为工质的循环回路；系统首先利用高温蓄热水罐HTA中的水汽化蒸发，驱动蒸汽朗肯循环和有机朗肯循环进行热功转换，该过程低温蓄热水罐支路不参与工作；其次，高温蓄热水罐HTA中的水经第一换热器HX1流入低温蓄热水罐LTA中，热量用于驱动有机朗肯循环工作，该过程低温蓄热水罐LTA和高温蓄热水罐HTA联合工作；所述高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA的温差为100～200℃。进一步限定的技术方案如下：所述有机朗肯循环的工质为R123、R141b、R245fa、R365mfc、丁烷、戊烷、环己烷、异丁烯、HFO-1336mzz(Z)和苯中的一种。所述水蒸气螺杆膨胀机E为单螺杆膨胀机、双螺杆膨胀机中的一种。所述有机工质膨胀机T为单螺杆膨胀机、双螺杆膨胀机、涡旋膨胀机、透平膨胀机中的一种。所述高温蓄热水罐HTA的工作温度为150℃～250℃。所述低温蓄热水罐LTA的工作温度为30℃～150℃。在已有的技术方案中，专利技术专利申请‘具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统’(申请号:CN201611107905.4)，公开一种具有高温蓄热水罐和低温蓄热水罐的直膨式太阳能复叠朗肯循环热电联供系统。目的之一在于提高系统发电和供热的独立性和灵活性。在实际生活中，人们的用电和用热需求不一定是同步进行的。在专利技术CN201611107905.4中，由于具有两级蓄热水罐，系统可以利用螺杆膨胀机单独发电，也可以利用低温级蓄热水罐单独供热或驱动有机朗肯循环发电，或发电供热同时进行。供能模式可以依据用户需求灵活调整。另外，专利技术CN201611107905.4中的集热器阵列与高温级蓄热水罐和低温级蓄热水罐有机结合，可将获得太阳热能直接用于发电，也可将热能储存于高温级蓄热水罐中，还能将热能储存于低温级蓄热水罐中，实现梯级集热。在低的太阳辐照条件下，可将集热器阵列输送到低温级蓄热水罐中，达到高效利用低强度太阳辐照的目的。与专利技术申请CN201611107905.4相比，本技术在结构和工作原理上有着显著创新性，体现在以下方面：（1）本技术的系统处于第一种放热模式时，高温蓄热水罐HTA中水的质量是近似不变，是变温过程；系统处于第二种放热模式时，高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA温度近似不变，是变质量过程。这种变温过程和变质量过程有机结合的放热模式，与复叠式水蒸气-有机朗肯循环形成了完美匹配。该技术方案尚未见类似报道，具有明显的方法创新。（2）专利技术专利申请CN201611107905.4中，当系统需要利用储存的热量进行发电时，不论是高温级蓄热水罐驱动顶部水蒸气朗肯循环发电，还是低温级蓄热水罐驱动底部有机朗肯循环发电，水罐的温度都会逐渐降低。水蒸气朗肯循环或有机朗肯循环发电时刻处于变工况运行状态。这不利于保证系统发电的稳定性。而本技术中，当系统处于第二种放热模式时，高温蓄热水罐HTA、低温蓄热水罐LTA与第一换热器HX1、节流阀TV联合工作，具有明显的结构创新。同时，当系统处于第二种放热模式时，由于高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统，包括由抛物面槽式集热器阵列C、高温蓄热水罐HTA、水蒸气螺杆膨胀机E、第一发电机G1、第一换热器HX1、第一水泵P1、第一阀门V1、第二阀门V2、第三阀门V3、第四阀门V4、第六阀门V6和第七阀门V7组成的蒸汽朗肯循环回路和由有机工质膨胀机T、第二发电机G2、第二换热器HX2、有机工质泵P3组成的有机朗肯循环回路；所述第一换热器HX1中一侧工质为水，另一侧工质为有机工质；所述第二换热器HX2中一侧工质为水，另一侧工质为有机工质；所述第一换热器HX1中的有机工质一侧串联在有机朗肯循环回路的有机工质泵P3的出口和有机工质膨胀机T之间；其特征在于：还包括由低温蓄热水罐LTA、第二水泵P2、第五阀门V5和节流阀TV组成的低温蓄热水罐支路；低温蓄热水罐LTA的出口连通着第二水泵P2的进口，第二水泵P2的出口和第一水泵P1的出口并联，低温蓄热水罐LTA的进口通过串联的节流阀TV和第五阀门V5连通着第一换热器HX1的水工质出口；使抛物面槽式集热器阵列C、高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA构成以水为工质的循环回路；所述高温蓄热水罐HTA和低温蓄热水罐LTA的温差为100～200℃。...

【技术特征摘要】
1.一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统，包括由抛物面槽式集热器阵列C、高温蓄热水罐HTA、水蒸气螺杆膨胀机E、第一发电机G1、第一换热器HX1、第一水泵P1、第一阀门V1、第二阀门V2、第三阀门V3、第四阀门V4、第六阀门V6和第七阀门V7组成的蒸汽朗肯循环回路和由有机工质膨胀机T、第二发电机G2、第二换热器HX2、有机工质泵P3组成的有机朗肯循环回路；所述第一换热器HX1中一侧工质为水，另一侧工质为有机工质；所述第二换热器HX2中一侧工质为水，另一侧工质为有机工质；所述第一换热器HX1中的有机工质一侧串联在有机朗肯循环回路的有机工质泵P3的出口和有机工质膨胀机T之间；其特征在于：还包括由低温蓄热水罐LTA、第二水泵P2、第五阀门V5和节流阀TV组成的低温蓄热水罐支路；低温蓄热水罐LTA的出口连通着第二水泵P2的进口，第二水泵P2的出口和第一水泵P1的出口并联，低温蓄热水罐LTA的进口通过串联的节流阀TV和第五阀门V5连通着第一换热器HX1的水工质出口；使抛物面槽式集热器阵列C、高温蓄热水罐HT...

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