[发明专利]一种具有不同放热模式的太阳能复叠朗肯循环发电系统

说明书

本发明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。本发明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。

技术领域

本发明属于太阳能热发电技术领域，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。

背景技术

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（Solar electricity generation system，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（direct steam generation，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4.0 MPa,设计温度250^oC、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。

发明内容

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，本发明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。