CN101307751A - 混合工质分散式低温太阳能热力发电***及发电工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混合工质分散式低温太阳能热力发电***，为太阳能直接利用的方法，属于资源与环境技术领域。按发电容量配备太阳能集热加热器及其循环管路；安装并连接好板式热交换器(加热蒸发器)、凝汽器、储液器、汽液分离器、工质加压泵、储热罐及阀门等设备、配件；根据管路容积计算工质充注量，将正戊烷(C5H12)(或其同分异构体)和正己烷(C6H14)(或其同分异构体)按正戊烷(C5H12)(或其同分异构体)的摩尔浓度为10－90％配制成混合工质计量充入循环管路中。本发明可以直接将低密度的太阳能高效地转换为高品位的电能，实现真正零排放的洁净发电过程，避免了传统区域集中大型发电***的电力线损及巨大的输配电***的投资和维护。
Description
技术领域
本发明涉及一种混合工质分散式低温太阳能热力发电***及发电工艺，是一种太阳能低温热能动力回收的工质及发电***，属于资源与环境技术领域。
背景技术
电力生产在工农业生产中扮演着越来越重要的角色，可以说电力供应是整个社会发展的瓶颈。一个世纪以来，电力工业都是严重地依赖于煤等化石燃料，虽然近年来随着超临界朗肯循环等技术的应用，煤电效率逐步提高(现在世界上最新技术已经能达到近50％的热效率)，但电力工业依然是二氧化碳及二氧化硫严重环境污染物主要的排放源，同时随着化石燃料的枯竭，开采的成本和难度会越来越大，因此加大对新能源开发的力度，从而逐渐减轻国民生产及生活过程对化石燃料的依赖程度，是人类必然面临的唯一选择。太阳是一切能量的源泉，解决人类能源危机的关键无疑是对太阳能直接的高效开发和利用，国外已在这方面做了一些工作，但主要是在工质为水蒸汽的高温太阳能热力发电***方面的研究：大致可分为槽式聚焦、塔式聚焦及牒式聚焦太阳能热力发电三大***。如美国与以色列联合的LUZ公司于1980年开始研制的槽式线聚焦***，其朗肯循环的工质是水，是采用蒸汽轮机驱动发电机进行发电的，现在已经实现了容量14-80MW系列电力设备的产品化，如该公司于1985-1991年间先后在美国的加洲南部的莫亚夫(Mojave)沙漠中建成的9座大型商用槽式抛物面镜线聚焦太阳能热力发电***(SEGSI-SEGSIX)，总容量为354MW，年发电量为10.8亿度，***效率是13.6％，建造费用在3011-5976美元/千瓦，发电成本在12-26.3美分/度；又如美国于1982年4月在加洲南部Barstow附近的沙漠建成“太阳一号”的示范性塔式太阳能热力发电***，也是采用蒸汽汽轮机发电模式，其发电容量为10MW，由于该装置可以提高***的运行温度到565-1049℃，其的总发电效率可以达到25-28％；由于碟式太阳能发电***还可以将***的运行温度提高到750-1382℃，还可以获得更高的效率，美国正在大力研究这类样机。人类真正实现“夸父逐日”的神话的步伐在急速加快。对分散式低温太阳能热力发电***的研究相对较少，仅有的一些研究也是针对使用纯工质的热力***，而且都是处于十分初级的实验阶段，凝汽器分采用水冷和空冷的两种，但从今后的实际应用来看空冷的更有实际意义。在采用空冷的情况下，空气侧空气在进出口就存在比较大的温升，如采用纯工质就必然造成凝结器中传热温差不可逆损失的增加，导致***的发电效率不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种混合工质分散式低温太阳能热力发电***及发电工艺，是采用特定配比的二元混合工质作为循环工质的分散式低温太阳能热力发电***，该***可最大限度将低密度的太阳能转换为高品位的电能，该工艺采用混合工质的变温蒸发汽化特性与变温凝结液化特性降低板式加热器及直接空冷凝汽器中的熵增，明显地提高发电效率，同时在***中设置了储热措施，使之更能适应太阳能强度的变化需要，对于推动分散式低温太阳能热力发电技术有着重大的意义。
解决发明的技术问题所采用的方案是：
本发明的发电***包括三个回路，首先是太阳能储热回路，里面走导热油(或水)，之后是中间热媒回路，里面走油(或水)，它的作用是把热量传输给下面回路中的混合工质，最后是低沸点混合工质动力循环回路，这个回路中的混合工质与中间热媒中的热油(水)通过板式换热器来交换热量。太阳能储热回路为储热罐的底部通过太阳能热油循环管及电控阀门接入热油循环泵，再接到太阳能集热加热器的进口，太阳能集热加热器的出口通过管道接到储热罐的上部；中间热媒回路分有两种情况：第一种情况，在太阳能集热加热器的出口温度达到或超过设计值时，此时太阳强度大，电控阀V1和V3开启，V2关闭，从太阳能加热器来的热油：一路通过管道接到板式换热器的热油进口相连，板式换热器的热油出口接至循环泵的入口，在板式换热器中把热量传递给循环工质，再被循环泵通过管道送到太阳能加热器的回油接口，另外一路接入储热罐的上部进行储热，再从储热罐的出口通过到循环泵的入口；第二种情况是在太阳能集热加热器的出口温度低于设计值时，此时太阳强度不够，电控阀V1和V3关闭，V2开启，此时从太阳能加热器出来的热油经过储热罐的再次加热，经过V2进入板式换热器；低沸点混合工质动力循环回路为透平排汽出口通过排汽管道与空冷凝汽器相连，空冷凝汽器出口通过管道接至工质储液器入口，工质储液器出口接到工质加压泵的入口，工质加压泵的出口通过管道接到板式换热器的冷流体入口处，板式换热器的冷流体出口又通过管道接入汽液分离器的入口处，汽液分离器的干饱和蒸汽出口通过管道与有机透平的主蒸汽入口相连，有机透平通过联轴及变速机构驱动发电机。
该发电***动力循环使用正戊烷(C5H12)(或其同分异构体)与正己烷(C6H14)(或其同分异构体)组成的二元非共沸混合工质，按正戊烷(C5H12)(或其同分异构体)的摩尔浓度为10-90％配制；
该发电***使用常压或低压(≤0.6MPa)太阳能热油(水)***(太阳能集热器可为板式或真空管式)，太阳能热油(水)***中的循环工质可以采用导热油或者水，其出口温度在60℃以上；
该发电***能蓄存太阳能的热能。
该发电***用于容量在100Kw之内的分散式发电场合。
该发电***的凝汽器采用空气冷却器的直接空冷方式。
工艺为：
(1)按需要的发电容量配备太阳能集热器及其循环管路；
(2)根据朗肯循环***所需的工质的循环量及管道压降要求安装好动力循环所需要的铜管路；
(3)安装并连接好有机透平(或膨胀机)、板式热交换器(加热蒸发器)、凝汽器、储液器、汽液分离器、工质加压泵、储热罐及阀门等设备、配件；
(4)根据管路容积计算工质充注量，将正戊烷(C5H12)或其同分异构体与正己烷(C6H14)或其同分异构体按正戊烷(C5H12)或其同分异构体的摩尔浓度为10-90％计量充入循环管路中。
工作原理为：太阳能热油(水)循环泵将从板式换热器回来的温度较低的热油(水)，打太阳能集热加热器的加热，加热后的热油(水)用管道输送到板式换热器和储热器中换热，通过在热油(水)管路上设置电控阀实现在太阳光强度大的时候同时发电及储热，在太阳能集热器加热量不足时从集热器出来的热油通过储热器的再热，之后送到板式换热器中去加热工质流体；
温度较高的热油(水)从储热油(水)箱的上部接出到板式换热器，在板式换热器中把热量传递给热动发电回路中的混合工质，使其蒸发汽化，降温后的热媒油(水)被循环泵加压送回太阳能集热器加热；
板式换热器加热产生的混合工质蒸汽流入汽液分离器，液体被分离下来，重新被板式换热器加热汽化，干蒸汽顺主蒸汽管导入透平(或膨胀机)膨胀做功，带动发电机工作发电，膨胀做功后的低压蒸汽被排汽管输送到空冷凝汽器中凝结为液体，再流入工质储液器中，再被工质加压泵吸入加压成为蒸发压力下的高压液体，通过管路送到板式换热器中被太阳能的热水(油)加热蒸发，完成一个循环。
本发明的有益效果是：
(1)直接将低密度的太阳能产生的200℃以内的热油(或水)具有的热量高效地转换为高品位的电能。
(2)实现了清洁发电过程的真正零排放；
(3)实现了个性化的分散式发电，可以作为阳光充足的边远山区或者无法取得集中电力的地区的电力保障***。
(4)可以实现太阳能热量的储存调节作用，更能满足太阳能发电的实际应用。
附图说明
图1为本发明技术方案的工艺流程图。
图1中，有机透平(或膨胀机)1、励磁交流发电机2、空冷式凝汽器3、工质储液器4、工质加压泵5、板式换热器6、汽液分离器7、进汽调节装置8、紧急减压装置9、太阳能真空管集热加热器10、热油(水)循环泵11、太阳能储热罐12、太阳能热油(水)循环管13、铜管14。V1，V2，V3为电控阀，当阳光充足时，V2关闭，V1，V3开启，可以同时发电及储热，当阳光不足时，V2开启，V1，V3关闭，可以利用储热器12中的热量对热油进行再热。
具体实施方式
实施例：太阳能热油(水)循环管从储热罐12的底部接出，接入循环泵11的进口，再接入太阳能加热器10的进口，加热后的热油(水)用管道接到储热罐12的上部及板式换热器6的入口位置，在油(水)管路上设置电控阀V1、V2、V3，可以实现利用储热罐12进行储热及加热热媒油(水)的转换功能。
间热媒油(水)从储热罐12的下部接出到板式换热器6，在板式换热器中把热量传递给热动发电回路中的混合工质，降温后的热媒油(水)被循环泵11加压送回太阳能集热器加热。
板式换热器6加热产生的混合工质蒸汽流入汽液分离器7，液体被分离下来，重新被板式换热器6加热汽化，干蒸汽顺主蒸汽管导入透平(或膨胀机)1膨胀做功，带动发电机2工作发电，膨胀做功后的低压蒸汽被排汽管输送到空冷凝汽器3中凝结为液体，再流入工质储液器4中，再被工质加压泵5吸入加压成为蒸发压力下的高压液体，通过管路送到板式换热器6中被太阳能的热油(水)加热蒸发，完成一个循环。
某高原山区偏远农家，无法敷设电力供应的线路及设施，经统计其生活用电负荷在3KW左右(主要用电峰值错开)，帮建一个太阳能热力发电***(容量为5KW)，经热力计算，在其屋面安装870根58U型真空管(d58x2100)太阳能集热加热器(按600-700w/m2的集热强度计算)，太阳能储热回路采用自然循环方式，中间热媒采用泵机械循环方式式，中间热媒采用水，太阳能储热罐的容积为3.5m3，集热器的出水温度为93℃，回水温度为83℃，太阳能热水循环管及中间热媒管路采用50mm厚发泡橡塑管壳保温，中间热媒水与动力循环工质间采用板式换热器，采用将正戊烷(C5H12)与正己烷(C6H14)按正戊烷(C5H12)的摩尔浓度为60％的混合工质作为动力循环的工质，工质循环回路采用铜管d12x1，换热器到透平间的工质铜管采用50mm厚发泡橡塑管壳保温绝热，工质加压泵采用流量为1500kg/h的屏蔽泵，排出压力为0.4MPa，采用空冷凝结器，凝结器避免太阳直晒、周围2米范围内无障碍物以保持空气畅通，采用特制螺杆膨胀动力机(5Kw)及励磁发电机，其余设备配件按图连接。
Claims (6)
1、一种混合工质分散式低温太阳能热力发电***，其特征是该***包括太阳能储热回路、中间热媒回路、低沸点混合工质动力循环回路，太阳能储热回路为储热罐(12)的底部通过太阳能热油循环管(13)及电控阀门(V3)接入热油循环泵(11)，再接到太阳能集热加热器(10)的进口，太阳能集热加热器(10)的出口通过管道接到储热罐(12)的上部；中间热媒回路分有两种情况：第一种情况，在太阳能集热加热器(10)的出口温度达到或超过设计值时，此时太阳强度大，电控阀V1和V3开启，V2关闭，从太阳能加热器(10)来的热油：一路通过管道接到板式换热器(6)的热油进口相连，板式换热器(6)的热油出口接至循环泵(11)的入口，在板式换热器(6)中把热量传递给循环工质，再被循环泵(11)通过管道送到太阳能加热器(10))的回油接口，另外一路接入储热罐(12)的上部进行储热，再从储热罐(12)的出口通过V3到循环泵(11)的入口；第二种情况是在太阳能集热加热器(10)的出口温度低于设计值时，此时太阳强度不够，电控阀V1和V3关闭，V2开启，此时从太阳能加热器(10)出来的热油再经过储热罐(12)的再次加热，经过V2进入板式换热器(6)；低沸点混合工质动力循环回路为透平(1)排汽出口通过排汽管道与空冷凝汽器(3)相连，空冷凝汽器(3)出口通过管道接至工质储液器(4)入口，工质储液器(4)出口接到工质加压泵(5)的入口，工质加压泵(5)的出口通过管道接到板式换热器(6)的冷流体入口处，板式换热器(6)的冷流体出口又通过管道接入汽液分离器(7)的入口处，汽液分离器(7)的干饱和蒸汽出口通过管道与有机透平(1)的主蒸汽入口相连，有机透平(1)通过联轴及变速机构驱动发电机(2)。
2、如权利要求1所述的混合工质分散式低温太阳能热力发电***，其特征是：该发电***动力循环使用正戊烷与正己烷组成的二元非共沸混合工质，按正戊烷的摩尔浓度为10-90％配制；
3、如权利要求1所述的混合工质分散式低温太阳能热力发电***，其特征是：该发电***使用常压也可为≤0.6Mpa的低压太阳能集热器，可为板式或真空管式，太阳能储热***中的工质可以采用导热油或者水，其出口温度在60℃以上；
4、如权利要求1所述的混合工质分散式低温太阳能热力发电***，其特征是：该发电***用于容量在100Kw之内的分散式发电场合。
5、如权利要求1所述的混合工质分散式低温太阳能热力发电***，其特征是：该发电***的凝汽器采用空气冷却器的直接空冷方式。
6、一种混合工质分散式低温太阳能热力发电工艺，其特征是：
(1)按需要的发电容量配备太阳能集热器及其循环管路；
(2)根据朗肯循环***所需工质的循环量及管路压降要求安装好动力循环所需要的铜管路；
(3)安装并连接好有机透平、板式热交换器、凝结器、储液器、汽液分离器、工质加压泵、储热罐及阀门等设备、配件；
(4)根据管路容积计算工质充注量，将正戊烷或其同分异构体与正己烷或其同分异构体按正戊烷或其同分异构体的摩尔浓度为10-90％计量充入循环管路中。
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