小型蒸汽-ORC二级太阳能光热发电系统

小型蒸汽-orc二级太阳能光热发电系统
技术领域
1.本实用新型涉及太阳能热利用技术领域，尤其是指一种水蒸汽-orc（有机工质循环）串联的二级太阳能光热梯级发电系统。


背景技术：

2.随着环保意识的不断提高以及石化能源的日益枯竭，人类转而对用之不竭的太阳能采用更多的措施及设备代替以往的能源消耗设施。但由于太阳能所独特具有的周期性特征，使得人们在构建太阳能光热设备时就必须考虑在吸收太阳能光热的时候，还要考虑在太阳能光热的鼎盛之时的储热的相应设施，这样，才可以保证太阳能利用设施的完整使用性。在现有的太阳能利用设施中，一般是采用光伏电池进行发电蓄电，但光伏电池的制造成本及储能成本都很高，无形中增加了设备成本及生产成本，亦即使其的推广应用受到了很大的局限性。太阳光光热利用中可方便地利用储热介质在太阳光充足时储存热能，在无太阳光照时释放热能加以继续利用，保证了一定的连续性。且储热相对于蓄电具有成本较低、易实现的优点。在太阳能光热发电应用中，有多种形式，从集热来说有塔式、槽式、碟式和线性菲涅尔式等；从储热方式来说有高温熔盐、中低温导热油、相变材料等；从发电设备来说有蒸汽透平膨胀机、螺杆式膨胀机、涡旋式膨胀机等，也有直接利用温差发电的设备；从发电循环系统来说有水蒸汽循环、有机工质循环（orc）等，循环从热源及组成连接方式上则有单热源单级循环、单热源多级循环、多热源（主、辅热源）串/并联循环等。现有太阳能光热发电系统（含单、多热源）的发电循环部分多数是单工质的循环发电（单级或多级），尤其以水（水蒸汽）工质为主。由于水蒸汽的相变温度较高，其完成发电后的乏汽仍有较大余热，这部分余热有一部分在水蒸汽冷却液化过程中被释放到环境中而较少加以利用。为充分利用乏汽的余热，本实用新型提出在水蒸汽发电之后，利用乏汽余热驱动orc继续发电，即利用光热梯级发电流程和技术来提高太阳能的发电率。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于充分考虑利用聚集所得的太阳能热能，提供一种小型蒸汽-orc二级太阳能光热发电系统，以实现太阳能梯级光热发电，提高太阳能的发电率。
4.本实用新型是通过如下技术方案实现的：小型蒸汽-orc二级太阳能光热发电系统，包括太阳能聚光集热系统、导热油换热系统、蒸汽循环发电系统、orc发电系统、冷却水系统及控制系统等构成；
5.所述的太阳能聚光集热系统由槽式集热器、低位油箱、高位油箱、阀门及集热循环油泵组成，槽式集热器的进、出口端分别连接集热循环油泵的出口端及高位油箱的热油入口端，集热循环油泵的入口端与高位油箱的冷油出口端之间设置有阀门，低位油箱的入口端通过阀门与高位油箱的热油第一出口端连接，低位油箱的出口端通过阀门连接在集热循环油泵的入口端与阀门之间；
6.所述的导热油换热系统包括阀门、蒸汽锅炉中的換热盘管、换热循环油泵，换热循
环油泵进、出口端分别连接太阳能聚光集热系统中的高位油箱的热油第二出口端及蒸汽锅炉中的換热盘管的入口端，蒸汽锅炉中的換热盘管的出口端通过阀门与太阳能聚光集热系统中的高位油箱的冷油入口端连接；
7.所述的蒸汽循环发电系统包括蒸汽锅炉、水蒸汽膨胀发电机、乏汽-orc换热器的第一入口端和第一出口端、凝汽冷却器、凝水箱及锅炉给水泵，蒸汽锅炉的蒸汽出口端连接水蒸汽膨胀发电机，发电后的水蒸汽管道与乏汽-orc换热器的第一入口端连接，乏汽-orc换热器的第一出口端与凝汽冷却器的入口端连接，凝汽冷却器的出口端与凝水箱的入口端连接，凝水箱的出口端通过锅炉给水泵连接蒸汽锅炉的补水口；
8.所述的orc发电系统包括阀门、orc再热器、orc膨胀发电机、orc工质冷凝与储液器、orc工质增压泵及乏汽-orc换热器的第二入口端和第二出口端，阀门的两端分别连接在导热油换热系统的换热循环油泵出口端及orc再热器的热油入口端，orc再热器的冷油出口端通过阀门与导热油换热系统的高位油箱的冷油入口端连接，orc再热器内的orc工质管道与orc膨胀发电机连接，经过orc膨胀发电机的orc工质连通orc工质冷凝与储液器，orc工质增压泵的进、出口两端分别连接在orc工质冷凝与储液器的出液口及乏汽-orc换热器的第二入口端，乏汽-orc换热器的第二出口端与orc再热器的orc工质入口连接；
9.所述的冷却水系统包括冷却塔、冷却水泵以及阀门，冷却水泵的入水口连接冷却塔的出水口，其出水口通过三通连接2个阀的入口端，其中一个阀门的出水口连接蒸汽循环发电系统中的凝汽冷却器的进水口，另一个阀门的出水口连接orc发电系统中的orc工质冷凝与储液器的入水口，冷却塔的入水口则分别连接蒸汽循环发电系统中的凝汽冷却器的出水口及orc发电系统中的orc工质冷凝与储液器的出水口。
10.所述的凝水箱的下部通过阀门与外部的进水管道连接。
11.所述的控制系统控制阀门的开、关动作。
12.所述的阀门为电动阀或电磁阀。
13.本实用新型通过充分利用太阳能聚光集热所产生的中温介质加热而获得能量品味相对较高的水蒸汽，并利用水蒸汽发电；同时发电之后的乏汽仍具有较高温度，再通过乏汽与中温介质的余热能一同加热orc有机工质产生有机工质蒸气再次发电；既增加了发电量，充分利用获得的太阳能热量，提高了系统的效率，又可减少发电系统所需要的冷却水量。
14.附图说明：
15.附图1为本实用新型结构示意图。
16.其中：
17.1：槽式集热器，2：低位油箱，3：高位油箱，4：蒸汽锅炉，5：水蒸汽膨胀发电机，6：orc再热器，7：乏汽-orc换热器， 8：凝汽冷却器，9：冷却塔，10：冷却水泵，11：凝水箱，12：锅炉给水泵，13：orc工质增压泵，14：orc膨胀发电机，15：orc工质冷凝与储液器，16：换热循环油泵17：集热循环油泵：v1~v9：阀门。
18.具体实施方式：
19.见附图1，小型蒸汽-orc二级太阳能光热发电系统，包括太阳能聚光集热系统、导热油换热系统、蒸汽循环发电系统、orc发电系统、冷却水系统及控制系统等构成；
20.所述的太阳能聚光集热系统由槽式集热器1、低位油箱2、高位油箱3、阀门v1、v2、
v3及集热循环油泵17组成，槽式集热器1的进、出口端分别连接集热循环油泵17的出口端及高位油箱3的热油入口端，集热循环油泵17的入口端与高位油箱3的冷油出口端之间设置有阀门v2，低位油箱2的入口端通过阀门v1与高位油箱3的热油第一出口端连接，低位油箱2的出口端通过阀门v3连接在集热循环油泵17的入口端与阀门v2之间；
21.所述的导热油换热系统包括阀门v4、蒸汽锅炉4中的換热盘管、换热循环油泵16，换热循环油泵16进、出口端分别连接太阳能聚光集热系统中的高位油箱3的热油第二出口端及蒸汽锅炉4中的換热盘管的入口端，蒸汽锅炉4中的換热盘管的出口端通过阀门v4与太阳能聚光集热系统中的高位油箱3的冷油入口端连接；
22.所述的蒸汽循环发电系统包括蒸汽锅炉4、水蒸汽膨胀发电机5、乏汽-orc换热器7的第一入口端和第一出口端、凝汽冷却器8、凝水箱11及锅炉给水泵12，蒸汽锅炉4的蒸汽出口端连接水蒸汽膨胀发电机5，发电后的水蒸汽管道与乏汽-orc换热器7的第一入口端连接，乏汽-orc换热器7的第一出口端与凝汽冷却器8的入口端连接，凝汽冷却器8的出口端与凝水箱11的入口端连接，凝水箱11的出口端通过锅炉给水泵12连接蒸汽锅炉4的补水口；
23.所述的orc发电系统包括阀门v5、v6、orc再热器6、orc膨胀发电机14、orc工质冷凝与储液器15、orc工质增压泵13及乏汽-orc换热器7的第二入口端和第二出口端，阀门v6的两端分别连接在导热油换热系统的换热循环油泵16出口端及orc再热器6的热油入口端，orc再热器6的冷油出口端通过阀门v5与导热油换热系统的高位油箱3的冷油入口端连接，orc再热器6内的orc工质管道与orc膨胀发电机14连接，经过orc膨胀发电机14的orc工质连通orc工质冷凝与储液器15，orc工质增压泵13的进、出口两端分别连接在orc工质冷凝与储液器15的出液口及乏汽-orc换热器7的第二入口端，乏汽-orc换热器7的第二出口端与orc再热器6的orc工质入口连接；
24.所述的冷却水系统包括冷却塔9、冷却水泵10以及阀门v7、v8，冷却水/10的入水口连接冷却塔9的出水口，其出水口通过三通连接2个阀v7、v8的入口端，其中一个阀门v7的出水口连接蒸汽循环发电系统中的凝汽冷却器8的进水口，另一个阀门v8的出水口连接orc发电系统中的orc工质冷凝与储液器15的入水口，冷却塔9的入水口则分别连接蒸汽循环发电系统中的凝汽冷却器的出水口及orc发电系统中的orc工质冷凝与储液器的出水口。
25.所述的凝水箱11的下部通过阀门v9与外部的进水管道连接。
26.所述的控制系统控制阀门v 1～v9的开、关动作。
27.所述的阀门v 1～v9为电动阀或电磁阀。
28.应用本实用新型时的发电工作模式：
29.1）单独水蒸汽发电：阀门v5、v6、v8关闭，阀门v2、v4、v7开启，导热油经集热循环油泵17进入槽式集热器1加热并进入高位油箱3。当导热油油温达到发电要求时，开启换热循环油泵16，让高温导热油进入蒸汽锅炉4加热其中的水，产生满足水蒸汽发电需要的压力的水蒸汽，水蒸汽进入并驱动膨胀发电机5发电，发电后的水蒸汽（或蒸汽与热水的混合物）经乏汽-orc换热器7的第一入口端和第一出口端，流进凝汽冷却器8，并在8中由冷却水降温全部冷却为液态水，液态水随后流入凝水箱11，锅炉给水泵12将凝水箱11中的液态水循环输送到蒸汽锅炉4中进入下一循环。从蒸汽锅炉4放热后的导热油则经过阀门v4流回到高位油箱3，与槽式集热器1产生的高温导热油混合，混合后的导热油一部分由换热循环油泵16驱动参与换热与蒸汽发电循环，另一部分由集热循环油泵17驱动进入槽式集热器1继续获取
热量并被加热，形成连续的集热-换热-蒸汽发电循环。凝水箱11带有液位控制功能，当其液位低于设定值时，阀门v9开启，利用外接自来水对凝水箱11进行补水。该运行模式下，阀门v8关闭、阀门v7开启，冷却水由冷却塔9、冷却水泵10流向凝汽冷却器8，然后返回到冷却塔9。
30.当太阳能充足时，满足光热发电使用之余，还可以把多余的热能通过导热油储存在低位油箱2中。此时，阀门v1和v3部分开启，让低位油箱2中的导热油以一定流量与高位油箱3中的油混合后进入槽式集热器1加热，经过若干循环后逐渐将低位油箱2中的导热油升温到一定温度，当低位油箱2中的导热油温度达到设定的上限温度后，可停止槽式集热器1对太阳的跟踪，以免油温过高。
31.2）单独orc发电：此时，集热部分运行与单独蒸汽发电相同，换热部分阀门v4关闭，阀门v6、v5开启，高位油箱3的导热油进入orc再热器6直接加热orc工质。orc再热器6中产生的气体orc工质进入orc膨胀发电机14中发电，发电后的orc工质进入orc工质冷凝与储液器15中，被冷却水冷却液化并储存在下部空间，液体orc工质进一步由orc工质增压泵13增压后经乏汽-orc换热器7的第二入口端和第二出口端（无蒸汽供应）进入orc再热器6加热，进入下一循环。而从orc再热器6放热后的导热油则经过阀门v5返回到高位油箱3与槽式集热器1来的高温导热油混合，混合后的导热油再分两路分别参与下一循环（与单独蒸汽发电循环相同）。该运行模式下，阀门v7关闭、阀门v8开启，冷却水由冷却塔9、冷却水10泵流向orc工质冷凝与储液器15，然后返回到冷却塔9。
32.3）水蒸汽—orc共同发电：此时，集热部分与前两种运行模式相同。换热部分按以下方式运行：从高位油箱3泵送的导热油先经过蒸汽锅炉4加热水产生蒸汽，蒸汽进入水蒸汽膨胀发电机5发电后，再进入乏汽-orc换热器7把orc工质加热而自身降温冷却，随后进入凝汽冷却器8中被冷却水全部冷却冷凝位液态水，随后流入凝水箱11，经锅炉给水泵12增压后供给到蒸汽锅炉4进入下一蒸汽发电循环。在乏汽-orc换热器7中被加热的orc工质，在流进orc再热器6之前先检测其温度和压力，如果其温度和压力能满足orc发电的参数要求，则阀门v6和阀门v5阀无需开启（无需利用导热油再次加热orc工质），orc工质直接流过orc再热器6进入orc膨胀发电机14发电；如果进入orc再热器6之前的orc工质参数不能满足发电要求，则在受控状态下开启阀门v6和阀门v5，将部分高温导热油同时泵送到orc再热器6中进一步加热orc工质，使其参数满足发电要求；从orc再热器6中出来的orc蒸气进入orc膨胀发电机14发电，随后经orc工质冷凝和储液器15、orc工质增压泵13进入-orc换热器7的第二入口端和第二出口端，参与下一orc工质发电循环。在orc再热器6中放热后的导热油经阀门v5和从蒸汽锅炉4中放热后的导热油混合，并一同返回到高位油箱3，参与下一导热油循环。该运行模式下，阀门v7、v8均开启，冷却水由冷却塔9、冷却水泵10分别流向orc工质冷凝与储液器15及凝汽冷却器8，然后分别返回到冷却塔9。
33.本实用新型具有：
34.1）在小型太阳能光热发电应用中提出二级发电系统，提高发电量和系统效率，减少热量损耗；
35.2）设置低位导热油箱，同时作为储热设备，可供无阳光时继续供热发电。
36.3）新的太阳能光热发电系统运行模式，可以多模式运行，还可包括日间和夜间运行模式，使系统运行更为稳定、发电运行时间更长。