[发明专利]利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统

说明书

本发明涉及一种利用联苯‑联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电统，属于太阳能热发电技术领域。包括一次循环回路和二次循环回路。一次循环回路的工质为联苯‑联苯醚混合物，功能为太阳能收集储存、热能释放和顶部朗肯循环发电，主要包括太阳能集热场，顶部朗肯循环膨胀机，工质泵，阀门，高温蓄热罐，低温蓄热罐和相变材料。其中相变材料放置于高温蓄热罐中。二次循环回路功能为底部朗肯循环发电，主要包括底部朗肯循环膨胀机，底部朗肯循环工质泵，蒸发器，冷凝器和回热器。本发明将具有高蒸发温度和低蒸发压力特性的联苯‑联苯醚混合物与复叠朗肯循环相结合，同时利用相变储热，从而提高了热发电效率和蓄热能力，具有强的应用潜力。

技术领域

本发明属于太阳能热发电技术领域，具体涉及一种利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统。

背景技术

直接膨胀式太阳能热发电是一种重要的聚光发电技术。水蒸汽直接在集热场中产生，并推动汽轮机做功，不需要中间换热流体。水的汽化潜热大，低廉环保，安全性好，是目前商业化直接膨胀式聚光热发电系统唯一采用的介质。然而该类型的太阳能热发电系统具有两个亟待解决的难题：第一，缺乏长周期低成本的蓄热方案；第二，系统的热功转换效率不高。第一个难题在于高温水罐在放热过程中，温度和压力不稳定，为了防止热力循环严重偏离设计工况，高温水罐的温降一般小于50℃。如果要长周期蓄热，则高压蓄热罐的容积巨大，成本高，而且压力的周期波动会降低容器的使用寿命。第二个难题在于，水的饱和压力随着温度提升而急剧升高，当温度为270℃时，饱和压力达到了5.5 MPa, 此时集热管和蓄热罐的技术要求高，造价高。如果温度进一步提升，那么系统的造价指数提升，而系统的热效率上升则相对缓慢。特别地，当温度高于270℃时，水的饱和蒸汽焓值随温度的升高而降低，水蒸气在膨胀过程中的湿度会增大，湿汽轮机的技术要求增加。所以已经建立的直接膨胀式电站的设计温度不高，如Planta Solar 10 和Planta Solar 20的设计温度为250℃。由于运行温度不高，相比于采用熔盐和导热油的聚光热发电系统，直接膨胀式太阳能热发电系统的效率偏低。

如果采用导热油替代水介质，理论上可解决传统直接膨胀式太阳能热发电系统蓄热罐压力高，蒸汽温度和热功转换效率低的难题。导热油直接在集热场中吸热热量并产生蒸气，蒸气用于驱动热力循环发电，其工作原理跟水介质类似。由于导热油的沸点高（比如大于200℃），相同温度下，其饱和蒸气压明显低于水介质，当运行温度接近400℃时，饱和压力可维持在1MPa以下。同时导热油一般为苯类工质，属于干有机工质，膨胀过程中不会进入气液两相区，所以膨胀机的技术要求低。值得指出，尽管导热油具有以上优点，但基于导热油的直接膨胀式太阳能热发电系统尚未见示范或商业化应用。其潜在的问题主要为，导热油比热和汽化潜热低，成本高。相同温度下，导热油的比热不到水的50%，而汽化潜热不到水的20%。若要获得长时间的蓄热容量，则导热油成本高。比如，假设系统设计温度为370℃，为了保证放热发电过程热力循环不严重偏离设计工况，高温罐导热油的最低温度为340℃，热力循环设计效率为31%，蓄热时长为12小时。基于以上假设，那么每kW系统需要的导热油质量约为170kg，考虑到导热油需定期更换，蓄热成本将高于4000元/kW。因此简单地将导热油替代水介质，不能降低直接膨胀式热发电系统的投资回收期。

针对以上问题，本发明提出一种利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统。该系统有望获得接近400℃的饱和蒸气，大幅度提高热力循环效率，同时通过显热蓄热和潜热蓄热相结合的方案，降低系统的蓄热成本。

发明内容

为了克服常规直接膨胀式太阳能热发电系统中水的饱和蒸汽温度低 (280℃)，蓄热水罐压力大(4MPa)的问题，本发明提出利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统。系统包括一次循环回路以及二次循环回路，系统结构如图1所示。

利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统包括一次循环回路和二次循环回路；