[发明专利]基于边界层透平的太阳能热发电系统

说明书

技术领域

本发明属于太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种以边界层透平为动力装置的太阳能热发电系统。

背景技术

能源是国民经济的支柱，随着经济、社会的发展，人们对能源的要求越来越高，如何开发利用可再生能源成为当前的重要课题。太阳能因具有清洁无污染、取之不尽、用之不竭、廉价、不受地域限制等特征而成为目前极其重要的可再生能源。我国是太阳能资源相当丰富的国家，全国三分之二的国土面积年日照小时数在2200小时以上，年太阳辐射总量大于每平方米5000MJ。太阳能热发电技术作为人类开发利用太阳能的主要技术，具有技术成熟、发电成本低、规模大小灵活、故障率低等特点，被普遍认为是可再生能源发电中最有前途的发电方式之一。

目前，太阳能热发电技术已得到广泛应用。世界上现有的太阳能热发电系统主要有三大类型：槽式太阳能热发电系统、塔式太阳能热发电系统和碟式太阳能热发电系统。槽式系统已经具有大规模商业化运行经验，但传热工质温度较难提高；塔式系统处于示范阶段，但不适用于小容量分散发电；碟式系统处于样机试验阶段，目前还没有非常适合的动力装置，而且以上三种类型的太阳能热发电系统初期投资较大，使其进一步广泛应用受到了限制。尽管数十兆瓦级的大规模太阳能热发电系统技术得到了一定的发展，但功率在几十千瓦到几百千瓦之间、经济性良好、可用于分布式供能的小规模太阳能热发电技术还很缺乏，需要进一步深入研究。

太阳能热发电系统由集热子系统、热传输子系统、蓄热与热交换子系统和发电子系统等部分组成。其中，最关键的子系统为集热子系统和发电子系统，即最关键的部件为太阳能集热器和动力装置。动力装置的进口参数决定了太阳能集热器工质的工作温度，工作温度越高，对太阳能集热器的技术要求就越高，成本也会进一步增加。目前已知用于太阳能热发电的动力装置主要有汽轮机和斯特林发动机。汽轮机进口参数需在300℃以上，运行功率较大，小型化(750kW以下)困难，且需要相当数量的太阳能集热器单元与之配套，因此占地面积大，不适用于离网式分布式供能。斯特林发动机单机功率约为25kW，但成本较高，要求在高温(约700℃)下工作，需要使用双轴跟踪的聚光太阳能集热器，使工艺结构复杂，成本进一步增加。因此，动力装置能否小型化、低成本化、进口参数能否降低是可用于分布式供能的太阳能热发电系统的关键。

边界层透平(Boundary Layer Turbine)，又称Tesla透平(Tesla Turbine)或圆盘透平(Disc Turbine)，属于无叶径向透平，由尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)于1913年发明，效率可达60％，其独特优势在于：

1.做功部件简单，结构紧凑，呈薄圆盘形，制造成本低廉。

2.适用功率范围广，大、小型皆宜。

3.工质范围广，除常规工质(如蒸汽、燃气、有机工质、水等)外，可利用多相流、高粘度流体、含磨粒流体等工质，如湿蒸汽、泥浆、烟气等。

随着边界层透平性能研究方面的逐步深入，如何充分利用边界层透平的优势、探索适合边界层透平的应用领域也成为亟待研究的问题。

发明内容

本发明旨在设计一种新型的以边界层透平为动力装置的太阳能热发电系统，提出边界层透平一种可行的应用领域。该系统可分别利用朗肯循环和有机朗肯循环进行热发电，解决太阳能热发电系统动力装置小型化困难、进口参数较高、经济性较差的问题，实现适用于低温蒸汽、湿蒸汽、有机工质等多种工质的发电需求，同时本系统复杂度低、制造简单、结构紧凑、操作简便，适用于离网式分布式供能。

本发明提供的一种基于边界层透平的太阳能朗肯循环热发电系统，采用如下技术方案：该系统至少包括太阳能集热器、边界层透平和冷凝器；其连接方式为：太阳能集热器、边界层透平和冷凝器依次串联并组成回路；太阳能集热器吸收太阳辐射能，将热量传递给其内的水工质，使水的温度升高，并转化为低温蒸汽，低温蒸汽进入边界层透平膨胀做功，同时带动发电机发电，从边界层透平排出的工质进入冷凝器冷凝成水并进入太阳能集热器进行下一次循环。

所述冷凝器至太阳能集热器间的回路上依次设置储液罐和集热回路工质循环泵。

本发明提供的一种基于边界层透平的太阳能有机朗肯循环热发电系统，采用的技术方案为：该系统包括集热回路和有机朗肯循环回路。

所述集热回路至少由依次串联组成回路的太阳能集热器、换热器、集热回路工质循环泵构成。