[发明专利]内蓄热太阳能低温热发电系统

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能发电技术领域。

背景技术

太阳能热发电技术是人类开发太阳能的一个重要手段。最近20年期间世界范围内建造了很多兆瓦级的大规模电站，如美国的SEGS电站。国内最近几年在太阳能热发电聚光集热技术、高温接收器技术等方面取得了突破性进展，并建成首座塔式太阳能热发电示范工程^[1]。但是，目前在运行的太阳能热发电系统普遍采用传统热电厂的水蒸气朗肯循环，水蒸气的热物理特性要求热源温度一般要达到370℃以上才能高效运行^[2]。对于太阳能热发电系统，要获取这样的高温热源，集热装置必须采用大面积、高聚焦比、复杂跟踪的聚焦集热方式，导致整个系统的控制繁琐、规模庞大、安装和运行维护复杂。

有机工质由于其低沸点特性，在低温条件下可以获得较高的蒸汽压力，推动涡轮机做功，适合于低温热源做功发电。与水蒸汽工质朗肯循环相比，有机工质朗肯循环(OrganicRankine Cycle，ORC)的主要优点在于它具有中低温度运行的良好性能。ORC适合小规模发电站，在较低的环境温度下效率比水蒸气发电效率高，冬季夜里能够防冻，且系统内部压力易保持在大气压力之上，且适合半自动或自动运行^[3]。GaiaM通过实验指出ORC循环可以有效地利用温度在100℃附近的地热资源发电，涡轮式发电机运行平稳，基本无需额外的人力投入^[4].G.H.Martinus等对目前实际运行的ORC地热电厂进行分析，指出选择合适的循环工质可以获得最大的发电效率^[5]。Enrico Barbier指出ORC循环是将低温地热源转换为电能最为经济且可靠的方式^[6]。Takahisa Yamanoto等对ORC系统进行了设计和测试，认为ORC能够应用于低品味热源且R123可以有效地提高ORC系统性能^[7]。

由于ORC循环要求的热源温度较低，100℃左右的热源就可以维持ORC循环的正常运行。因此选用低倍率的太阳聚焦集热器就可以得到合适的热源温度。低聚光比(小于3)复合抛物面集热器(Compound Parabolic Concentrator，CPC)无须自动跟踪太阳轨迹，可以模块化安装，易于使用维护，在太阳能中低温聚焦领域具有极大的实用性和运用潜力^[8，9]。Rabl在对几种CPC集热器评估中，指出带有平板或圆柱吸收体的非真空固定CPC集热器经济性能良好；三年多的研究及实验数据的表明，在100-160℃的温度范围内，非真空CPC集热器仍旧拥有很好的热效率，而每年只需对集热器倾斜角调整12-20次^[10]。T.S.Saitoch等通过实验把双层玻璃盖板的CPC与传统平板集热器，真空管集热器进行比较，指出CPC集热器的高温(120℃以上)热性能极佳，与真空管集热器相比更适合太阳能热发电工程^[11]。T.S.Saitoch还介绍了一种新型的无跟踪三维的CPC太阳能集热器(3-DCPC)，在180-200℃的高运行温度范围内集热效率大约为60％，运用于小规模太阳能热发电系统非常可行^[12]。

由此可见，太阳辐照低能流密度、易于转换为低温热源的物理特性与ORC循环之间具有潜在的联系。把两者有机结合，可以形成基于ORC循环的太阳能低温热发电系统。该系统通过低聚焦比集热装置把太阳辐照转换为低温热能，通过ORC循环把低温热能转换为机械能和电能。这种系统聚焦比小、温度参数低，不需自动跟踪，易于小型化、模块化。

已有的太阳能集热发电系统专利中：1)微型分布式太阳能驱动冷热电联供系统CN200710041475.5，包括太阳能集热系统、有机物朗肯循环的热力发电系统、吸附式制冷系统、供暖和热水系统、热水分配系统以及控制系统、补燃装置，该装置采用真空管集热器和单级蒸发器，有机工质与集热器换热介质平均传热温差较大，冷凝后的有机工质未得到有效预热，集热温度不高于100℃，且系统需补燃装置，不利于环保。2)太阳能有机朗肯循环系统(Solar Organic Rankine Cycle System)专利号JP2003227315该系统采用常规ORC发电系统，冷凝后的有机工质未得到有效预热，采用单级蒸发器与外蓄热方式，有机工质与集热器换热介质平均传热温差较大。3)太阳能低温热发电及冷热联供系统，CN101392736，该系统采用单级蒸发器与外蓄热方式，有机工质与集热器换热介质平均传热温差较大。