一種基于復疊朗肯循環的直膨式太陽能熱發電系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于熱發電技術領域，尤其涉及一種基于復疊朗肯循環的直膨式太陽能熱發電系統。
【背景技術】
[0002]熱發電技術是利用太陽能的重要途徑之一。根據聚光太陽能發電市場研究中心的數據，2014年全球太陽能發電系統(SEGS)裝機容量增長32%，達到了4533MW。在所有商業的太陽能發電系統中，基于拋物面槽式集熱器(PTC)的系統是最成熟和最主流的，大約占所有運行和在建電站裝機容量的90%。
[0003]通常拋物面槽式熱發電系統(PTC-SEGS)采用基于渦輪膨脹機的蒸汽朗肯循環，它有以下缺陷:首先，為了避免膨脹中冷凝出現水蒸汽，只有過熱蒸汽(接近或高于673K)才能進入渦輪。因為水滴一旦形成，會高速地撞擊渦輪的葉片，造成損害并降低機械效率。其次，蒸汽朗肯循環為了獲得高溫熱源，對集熱技術的要求很高。槽式集熱器中接收器的玻璃-金屬密封是一種管狀密封，這不僅需要適當的機械強度，還需要真空狀態下良好的氣密性。由于金屬與玻璃完全不同的特點(如熱膨脹系數和濕潤度)，當運行溫度從白天約673K陡降到夜間約300K時，接收器會出現密封失效或退化現象。在早期的太陽能電站中這種失效或退化是個難題。為了達到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，頻繁的維護，運動部件和齒輪的維修與更換。第三，儲存高品位的熱量很困難。蓄熱裝置對保證太陽能發電的連續性很重要。美國SEGS I電站采用礦物油作為傳熱流體可以蓄熱3小時。在573K溫度以下，該技術可以成功地把產生的電力進行分配，滿足無太陽輻照時的公共峰值負荷。但是對于運行在更高集熱溫度下的更高效的熱發電站，礦物油會非常易燃，不能使用。第四，從成本考慮，熱發電站要越大越好。通常隨著裝機容量的增加，每千瓦的建設成本會下降。原因在于大規模發電站的那些固定成本和小規模電站的差不多，而像渦輪、栗、發電機在高功率下效率更高。通常拋物面槽式熱發電系統規模在幾到幾十兆瓦，有些甚至達到兩三百兆瓦。這需要上百萬平米的平整土地，因而只能在沙漠或人跡稀少的地區建造。
[0004]以上的問題可以通過使用螺桿膨脹機解決。螺桿膨脹機是一種容積式膨脹機，它運用旋轉型容積式的原理，避免了高速的流體。通常，它由一雙螺旋形螺桿和一個殼套組成。流體從進口小體積的凹槽流向大體積的其他凹槽，反向地驅動雙螺桿。在這個過程中，流體的溫度和壓力下降，功由傳動軸輸出。和渦輪膨脹機相比，螺桿膨脹機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，轉速低，結構簡單，維護費用低，裝配容易，機動性優良等特點。螺桿膨脹機早在20世紀70年代就在地熱發電上使用，現在技術已經相當成熟。目前在鋼鐵和煙道氣余熱、工業輻射熱、地熱能利用中有很多基于螺桿膨脹機的蒸汽朗肯循環電站。市場上已有商業化的50kW-1.5MW，以水為工質的螺桿膨脹機，等熵效率在0.7-0.85。由于避免了過熱裝置，將其用在太陽能發電中將會很有前景。太陽能集熱溫度控制在573K以下，而發電效率與主流的基于渦輪膨脹機的電站差不多。
[0005]考慮到成本效益，螺桿膨脹機的一大缺陷是低設計壓比。現有的電站設計壓比一般在2.5-8。這意味著如果給定飽和蒸汽溫度為523K(對應飽和壓力為3.98MPa)，設計冷凝溫度應高于424K(對應飽和壓力為0.49MPa)。高溫蒸汽中的可用能將無法被單個螺桿膨脹機充分轉換利用。一種解決方案是把兩個或以上螺桿機串聯組裝起來。但這樣設計很復雜(尤其是軸心的吻合度)。螺桿膨脹機串聯的可行性目前還沒有被證實。
[0006]有鑒于此，確有必要提供一種基于復疊朗肯循環的直膨式太陽能熱發電系統，其能在低環境溫度下能很好地運行，具有更高的發電效率，適于小規模分布式建設，集熱和蓄熱的技術要求很低，且具有高穩定性與高可靠性。
【實用新型內容】
[0007]本實用新型的目的在于:針對現有技術的不足而提出一種基于復疊朗肯循環的直膨式太陽能熱發電系統，其能在低環境溫度下能很好地運行，具有更高的發電效率，適于小規模分布式建設，集熱和蓄熱的技術要求很低，且具有高穩定性與高可靠性。
[0008]為了達到上述目的，本實用新型采用如下技術方案:
[0009]—種基于復疊朗肯循環的直膨式太陽能熱發電系統，包括拋物面槽式集熱器陣列和復疊朗肯循環，所述復疊朗肯循環包括位于頂部的蒸汽朗肯循環和位于底部的有機朗肯循環；
[0010]所述蒸汽朗肯循環包括帶相變材料的蓄熱罐、氣液分離器、蒸汽螺桿膨脹機和中間換熱器，所述拋物面槽式集熱器陣列的出口通過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的入口連通，所述蒸汽螺桿膨脹機的出口與所述中間換熱器的一側入口連通，所述中間換熱器的一側出口通過第一水栗與所述拋物面槽式集熱器陣列的入口連通；
[0011]所述有機朗肯循環包括所述中間換熱器、渦輪膨脹機和冷凝器，所述中間換熱器的另一側出口與所述渦輪膨脹機的入口連通，所述渦輪膨脹機的出口與所述冷凝器的一側入口連通，所述冷凝器的一側出口通過工質栗與所述中間換熱器的另一側入口連通。
[0012]作為本實用新型基于復疊朗肯循環的直膨式太陽能熱發電系統的一種改進，所述蒸汽朗肯循環所使用的工質為水蒸汽。
[0013]作為本實用新型基于復疊朗肯循環的直膨式太陽能熱發電系統的一種改進，所述有機朗肯循環的工質為R123制冷劑、苯和環己烷中的至少一種。
[0014]作為本實用新型基于復疊朗肯循環的直膨式太陽能熱發電系統的一種改進，所述冷凝器的另一側出口連通著冷卻水的入口，所述冷凝器的另一側入口連通著冷卻水的出口，且冷卻水的進口和冷卻水的出口均位于所述冷凝器的同一側。
[0015]作為本實用新型基于復疊朗肯循環的直膨式太陽能熱發電系統的一種改進，所述氣液分離器的出口與所述蒸汽螺桿膨脹機的入口之間設置有第一閥門。
[0016]作為本實用新型基于復疊朗肯循環的直膨式太陽能熱發電系統的一種改進，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置有所述第二閥門和第五閥門。
[0017]作為本實用新型基于復疊朗肯循環的直膨式太陽能熱發電系統的一種改進，所述氣液分離器的底部和所述第一水栗之間依次設置有第二水栗和第四閥門。
[0018]作為本實用新型基于復疊朗肯循環的直膨式太陽能熱發電系統的一種改進，所述相變材料包括結晶水合鹽、石蠟、脂肪酸和高密度聚乙烯中的至少一種。
[0019]作為本實用新型基于復疊朗肯循環的直膨式太陽能熱發電系統的一種改進，所述結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。
[0020]本實用新型創新性及與現有技術相比的有益技術效果在于:
[0021]I)實用新型專利申請CN103195481B和CN102022221B提出了兩級或多級螺桿膨脹機有機朗肯循環發電系統，相比于單螺桿膨脹機系統，可以更大程度利用熱源的可用能，而且具有機械密封性高、適用于大壓比等特點。相比于這種螺桿串聯的系統，本實用新型增加了水蒸汽朗肯循環，并將其與有機朗肯循環相耦合。本實用新型采用復疊循環更有優勢，將有機朗肯循環(ORC)做為底部循環，頂部蒸汽循環中的螺桿膨脹機可以設計成更小的尺寸。有機工質低相變潛熱的特性可以使小功率的膨脹機設計制造更簡單。低沸點的有機工質對環境溫度的變化能很好地反應并且能有效利用低溫熱源。對于常規的蒸汽朗肯循環，當冷凝溫度為306K以下將很難實現蒸汽的有效膨脹做功，因為冷凝器中保持5kpa以下的真空度是一個技術難題(請參見Fern andez FJ, Prieto MM, Suarez 1.Thermodynamicanalysis of high-temperature regenerative organic Rankine cycles usingsiloxanes as working fluids.Energy 2011; 36; 5239-5249)。電站規模越小，這個問題越突出。由于有機工質的飽和壓力要高很多，復疊系統在低環境溫度下也能很好運行。同時，復疊系統比單獨的蒸汽朗肯循環發電效率更高(請參考Fahad A.Al-Sulaiman.Energy and sizing analyses of parabolic trough solar collector integratedwith steam and binary vapor cycles.Energy 2013; 58; 561-570)。
[0022]2)實用新型專利申請US20110209474 Al提出了一種太陽能蒸汽-有機朗肯循環復疊系統，采用了高溫和低溫集熱器以及多流體換熱器。相比之下，本實用新型用蒸汽螺桿膨脹機代替了渦輪膨脹機，并且采用直接膨脹式熱發電方式，不需要中間換熱流體。不像渦輪那樣應用在大規模的熱發電站，螺桿膨脹機能在IMff以下和3600轉/分鐘的轉速以內有效地進行熱功轉換。這使得分布式太陽能熱發電成為可能。在用戶點附近提供電力和熱水可以使系統更經濟。
[0023]3)實用新型專利申請US20100162700 Al提出了一種中間過熱的槽式集熱器直接膨脹熱發電裝置，但是多級渦輪膨脹機以及抽汽回熱和中間過熱裝置使系統變得復雜。相比于這種直膨式系統，本實用新型用蒸汽螺桿膨脹機代替了渦輪膨脹機。渦輪膨脹機為速度型膨脹機，若在膨脹過程中產生液滴，則葉輪葉片會受到碰撞而損壞。螺桿膨脹機為容積式膨脹機，一個鮮明的技術特點為可利用氣液兩相工質做功，不需要過熱裝置。因此，本實用新型結構更簡明，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要求也大大降低。
[0024]4)實用新型