[发明专利]具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统

说明书

本发明涉及具有两级蓄热水罐的直膨式太阳能热电联供系统。包括集热器阵列、高温级蓄热水罐、低温级蓄热水罐、螺杆膨胀机组、第一换热器和第二换热器。高温级蓄热水罐的热能适合于热功转换；低温级蓄热水罐的热能既可以通过有机朗肯循环进一步转换为电能，也可以直接给用户供热；集热器阵列依据太阳能辐照的强弱将热能传递给高温级蓄热水罐或低温级蓄热水罐或用于产生水蒸气。发电时，水工质直接在集热器阵列中吸热膨胀，无需过热措施，在200～300℃的中温条件下仍能高效进行热功转换，发电效率为10～25%。本发明提高了系统发电的稳定性以及设备的全年利用率，提高了系统发电和供热的独立性和灵活性，系统控制简单，充分高效地利用了太阳能资源。

技术领域

本发明属于太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种基于螺杆膨胀机的中低温直膨式太阳能热电联供系统。

背景技术

直膨式系统（DSG）是未来减少太阳能发电成本的一个重要途径。在直膨式系统中，水蒸气在集热器阵列中直接膨胀，因此避免了二次换热流体（如导热油）。集热部分循环泵的耗功也会减少。水蒸气在两相区保持不变的温度和高传热系数对集热器运行很有利。由欧盟资助的已经运行超过6000小时的直膨式太阳能蒸汽（DISS）项目可以证明直膨式技术的可行性。由阿本戈太阳能公司建造的8兆瓦时示范电站，为了保证工作在8.5 MPa和500℃，其蒸发器由3个平行的环路组成，过热器由2个环路组成。电站已经运行了一年。期间，在瞬态工况下稳定运行的创新性控制策略系统得到了验证。技术人员评估了集热器之间不同配置的相互链接，包括球形接头和灵活的旋转接头。世界上第一个商业化的直膨式槽式热电站自从2011年就开始发电。位于泰国北碧府的5 MWe太阳能热发电站的槽式集热器采用新一代结合高效薄玻璃镜片的复合材料，可以反射95%以上的太阳辐射。经过几年的成功运行，该电站证明了直膨式技术的高效性。

目前已有的直膨式太阳能热发电站都是由涡轮膨胀机（汽轮机）驱动的。为了避免膨胀过程中冷凝出现水滴，只有过热蒸汽才能进入汽轮机。因为水滴一旦形成，会高速地撞击汽轮机的叶片，造成损害并降低机械效率。在DISS电站中，直膨式太阳能蒸汽项目中汽轮机进口的蒸汽温度为400℃，压力为10MPa。过热度大约为90℃。在该项目的后续工程INDITEP项目中，汽轮机进口蒸汽温度和压力分别为400℃和6.5 MPa。过热度大约为119℃。过热的需要极大地增加了汽轮机进口温度，但是对蒸汽朗肯循环效率的贡献却非常有限。另一方面，高的热源温度增加了集热和蓄热的技术要求，不利于降低系统成本。

采用螺杆膨胀机可以解决以上问题。螺杆膨胀机是一种容积式膨胀机，它运用旋转型容积式的原理，避免了高速的流体。通常，它由一双螺旋形螺杆和一个壳套组成。流体从进口小体积的凹槽流向大体积的其他凹槽，反向地驱动一对螺旋形螺杆。在这个过程中，流体的温度和压力下降，功由传动轴输出。与涡轮膨胀机相比，螺杆膨胀机可以处理气液混合物、饱和蒸汽以及液体。它具有快速启停，允许热源压力和体积流量大范围波动，旋转速度低，结构更简单，维护费用低，装配容易，机动性优良等特点。因此，采用螺杆膨胀机的太阳能热发电系统将不需要过热器，在适中的热源温度（如250℃）下仍旧能获得与常规太阳能电站相近的效率（约15%）。

蓄热是太阳能热发电站的重要方面。美国SEGS I电站采用矿物油作为传热流体，可以蓄热3小时。当温度在400℃以下，该技术可以成功地把产生的电力进行分配，以满足无太阳辐照时的公共峰值负荷。但是对于运行在更高集热场温度下的更高效的热发电站，矿物油会非常易燃，不能使用。在美国Solar-Two塔式热发电工程中，熔融盐被用为换热介质。由于其蓄热原理简单，所以在槽式热发电站中也可以推荐使用。最近世界最大的带熔盐蓄热装置的太阳能热发电站已经在美国亚利桑那州并网发电。但是在熔融盐作为蓄热技术之前，其低导热系数和和高熔点（这将引起凝固问题）是两大必须克服的障碍。发明专利申请CN201510948417.5提出了基于螺杆膨胀机的直膨式太阳能热发电系统，并采用相变材料（PCM）作为蓄热介质。