一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统[实用新型专利]

(10)授权公告号 (45)授权公告日 2014.03.12
C N 203476624
U (21)申请号 201320429000.4
(22)申请日 2013.07.17
F03G 6/06(2006.01)
F01K 27/00(2006.01)
(73)专利权人南京美晟新能源科技有限公司
地址211100 江苏省南京市江宁区东麒路
33号东山国际企业研发园A505
(72)发明人孟宁
(74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所
(普通合伙) 32204
代理人
沈振涛
(54)实用新型名称
一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统
(57)摘要
本实用新型提供了一种低温型有机朗肯循环
太阳热发电系统，由导热工质回路、冷却回路和有
机工质回路组成；所述导热工质回路包括燃料互
补锅炉以及依次连接成环的蓄热器、导热工质泵、
集热器和蒸发器，所述燃料互补锅炉的两端分别
与集热器的两端连接；所述冷却回路包括依次连
接成环的冷却塔、水泵和冷凝器；所述有机朗肯
循环的工质回路包括依次连接成环的工质罐、工
质泵、蒸发器、热功转换装置、冷凝器。

该太阳能有
机朗肯循环低温发电系统结构简单、使用方便、成
本低廉，针对低温热发电的特点，从众多有机物中
选择最佳的低沸点工质，利用低温热通过低温工
质实现发电，发电效率高、成本低。

该系统的低温
热发电的温度为100℃左右，其效率与太阳热高
温发电的效率相近。

(51)Int.Cl.
权利要求书1页 说明书4页 附图1页
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利权利要求书1页 说明书4页 附图1页(10)授权公告号CN 203476624 U
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1.一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统，其特征在于：由导热工质回路（1）、冷却回路（2）和有机工质回路（3）组成；所述导热工质回路（1）包括燃料互补锅炉（15）以及依次连接成环的蓄热器（11）、导热工质泵（12）、集热器(13)和蒸发器（14），所述燃料互补锅炉（15）的两端分别与集热器(13)的两端连接；所述冷却回路（2）包括依次连接成环的冷却塔（22）、水泵（21）和冷凝器（34）；所述有机朗肯循环的有机工质回路（3）包括依次连接成环的工质罐（31）、工质泵（32）、蒸发器（14）、热功转换装置（33）、冷凝器（34）。

2.根据权利要求1所述的一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统，其特征在于：所述导热工质回路（1）内采用导热油、乙二醇或水作为导热工质。

3.根据权利要求1所述的一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统，其特征在于：所述集热器(13)为平板式太阳能集热器、真空管式太阳能集热器或热管式太阳能集热器。

4.根据权利要求3所述的一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统，其特征在于：所述真空管式太阳能集热器为U 型管式真空管集热器、热管式真空管集热器或直流式真空管集热器。

5.根据权利要求1所述的一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统，其特征在于：所述集热器（13）由一组串联的集热管组成。

6.根据权利要求1所述的一种低温型有机朗肯循环工业余热发电系统，其特征在于：所述蒸发器（14）的蒸发温度为30℃－100℃之间。

7.根据权利要求1所述的一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统，其特征在于：所述的燃料互补锅炉（15）采用天然气、煤气、石油液化气、沼气或秸秆作为生物质燃料。

8.根据权利要求1所述的一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统，其特征在于：所述的冷却回路（2）为水冷回路或风冷回路。

9.根据权利要求1所述的一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统，其特征在于：所述有机工质回路（3）内采用的有机工质为临界温度80℃以下、沸点在-40℃以下的介质作为工质。

10.根据权利要求1所述的一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统，其特征在于：所述热功转换装置（33）为汽轮机或膨胀机。

权 利 要 求 书CN 203476624 U
一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统
技术领域
[0001] 本实用新型属于太阳能发电技术领域，具体涉及一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统。

背景技术
[0002] 目前使用太阳能发电的技术可分为两类，一类是光伏发电技术，另一类则是光热发电技术。

前者利用光电效应直接将太阳光中的部分光谱转换为电力。

而后者则是通过汽轮机将太阳光聚焦后产生的高温热量转换为机械运动，再由发电机产生电能。

从物理原理上，光伏技术更为直接，也就引导人们首先关注了这个路径。

但在多年的实践尝试中，由于受自然界中材料的基本性质限制，一直无法实现高效率且低成本的转换，同时制造工程中存在高能耗和高污染使得光伏技术在大规模推广中困难重重。

更为严峻的问题是，光伏电池所产生的电力受天气与昼夜的影响而非常不稳定，不利于电网吸纳输送。

尽管从原理上可以通过蓄电或其他形式的蓄能平抑这些波动，但都因为高昂的成本无法大规模使用，人们因此逐渐认识到光伏技术难以成为未来太阳能发电的主力技术。

[0003] 为了寻找适合于大规模的电力生产所要求的太阳能发电技术，人们又想到了火力发电技术所采用的蒸汽轮机。

将太阳光聚焦产生高温，进而通过锅炉（蒸汽发生器）产生高温高压蒸汽，代替火力发电的燃烧锅炉或核反应堆，成为今天已经开始进入商业应用的聚焦太阳能发电（CSP，Concentrating Solar Power）的主要形式。

太阳能热发电正在从萌芽期开始转为起步及快速发展期。

经过美国及欧洲等一些发达国家的持续研究，目前已开发出多种形式的太阳能高温热发电系统，单机容量从千瓦级发展到兆瓦级。

按集热器类型的不同，聚光式太阳能热发电系统可分为槽式系统、塔式系统和碟式系统。

但是，目前在运行的太阳能热发电系统普遍采用传统热电厂的水蒸气朗肯循环（SRC）方式，水蒸气的热物理特性，要求热源温度一般要达到400℃以上时，汽轮机才能达到15%的发电效率。

而且对于太阳能热发电系统，要获取这样的高温热源，集热装置必须采用大面积、高聚焦比、复杂跟踪太阳的聚焦集热方式，导致整个系统的控制繁琐、规模庞大、安装及运行管理、维护复杂，成本高且发电效率只有15%左右（因集热损失为50％）。

因此造成太阳热高温发电系统的制造及运行成本远高于煤炭的火力发电，而至今未能实现大规模的产业化。

目前塔式与槽式CSP系统所普遍采用的蒸汽轮机是传统火力发电技术的惯性延伸。

由于这种蒸气轮机只有在大功率（数十甚至数百兆瓦）时才能获得较低的成本及较高的效率，所以一台蒸汽轮机所对应的槽式集热器面积往往是数平方公里至数十平方公里。

要么需要精密的定日镜在数公里外将太阳光投射到塔顶的吸热头（塔式），要么需要数十公里长的吸热管和传热管道传送热能（槽式），这都在实际中存在热传输损失大、设备造价高等问题。

同时，这些发电系统需要较为平坦的土地，并需要一定的水源，这都与期望在荒漠地带大规模利用太阳能的实际情况相矛盾。

实用新型内容
[0004] 实用新型目的：本实用新型的目的是克服上述塔式与槽式CSP系统及斯特林发动机的上述缺点及技术的不足，提供一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统。

[0005] 技术方案：本实用新型提供的一种低温型有机朗肯循环太阳热发电系统，由导热工质回路、冷却回路和有机工质回路组成；所述导热工质回路包括燃料互补锅炉以及依次连接成环的蓄热器、导热工质泵、集热器()和蒸发器，所述燃料互补锅炉的两端分别与集热器()的两端连接；所述冷却回路包括依次连接成环的冷却塔、水泵和冷凝器；所述有机朗肯循环的有机工质回路包括依次连接成环的工质罐、工质泵、蒸发器、热功转换装置、冷凝器。

[0006] 作为优选，所述导热工质回路内采用导热油、乙二醇或水作为导热工质。

[0007] 作为另一种优选，所述的蓄热器为盛装导热工质的容器或带有换热管道的固体相变储热容器，蓄热器外部用保温材料包裹保温。

[0008] 作为另一种优选，所述集热器()为平板式太阳能集热器、真空管式太阳能集热器或热管式太阳能集热器。

[0009] 作为另一种优选，所述真空管式太阳能集热器为U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器或直流式真空管集热器。

[0010] 作为另一种优选，所述集热器由一组串联的集热管组成。

串联集热管能够获得更高的集热温度及效率，并实现满足集热要求的大面积集热。

[0011] 作为另一种优选，所述蒸发器的蒸发温度为30℃－100℃之间。

[0012] 作为另一种优选，所述的燃料互补锅炉采用天然气、煤气、石油液化气、沼气或秸秆作为生物质燃料。

[0013] 作为另一种优选，所述的冷却回路为水冷回路或风冷回路。

[0014] 作为另一种优选，所述有机工质回路内采用的有机工质为临界温度80℃以下、沸点在-40℃以下任何的适合低温型有机朗肯循环的单一工质、混合工质、跨临界工质作为循
环工质。

优选地，采用丙烷(C
3H
8
)、或二氧化碳(CO
2
)、或丙烷和二氧化碳的混合物作为工质。

采用这样的工质具有不破坏臭氧层、化学性稳定的优点，同时，这样的工质其凝固温度小于系统循环中所有回路中的工质最低凝固温度。

[0015] 作为另一种优选，所述热功转换装置为汽轮机或膨胀机，其中，所述膨胀机包括但不限于涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机和活塞式膨胀机。

[0016] 有益效果：本实用新型提供的太阳能有机朗肯循环低温发电系统结构简单、使用方便、成本低廉，针对低温热发电的特点，从众多有机物中选择最佳的低沸点工质，利用低温热通过低温工质实现发电，发电效率高、成本低。

该系统的低温热发电的温度为100℃左右，其效率与太阳热高温发电的效率相近。

[0017] 具体而言，本实用新型的太阳能有机朗肯循环低温发电系统相对于现有技术具有以下突出的优点：
[0018] (1)本实用新型将成熟的太阳能热水器集热技术和工质低温发电技术进行完美的结合，以实现高效率且低成本的新型太阳热能低温发电，能将低密度的太阳能产生的100℃及更低的热量高效转化为高品位的电能，发电温度低、效率高。

[0019] (2)该系统使用的工质安全、环保、无害，全过程实现了清洁发电，由于采用的工质安全环保，因此该系统耐腐蚀，寿命长。

[0020] (3)以往的工质发电系统发电一般采用R245fa作为循环工质，其沸点为15.1℃,临界温度为154℃，100℃时循环效率为11.9%；本实用新型以有机朗肯循环代替了传统的水蒸气朗肯循环，采用的工质由于采用了沸点在-40℃以下、临界温度在80℃以下的工质,其采用了低沸点工质的特性，即使在低温条件下可以获得较高的蒸气压力，推动汽轮机或膨胀机做工；可以在超临界压力和超临界温度下得到较高的循环效率，100℃时循环效率为17%，适合于低温热源的做工发电。

[0021] (4)该系统无贵重材料，太阳能集热器及汽轮机均采用常规机械制造工艺生产，制造成本低，价格与同类发电系统相比低。

[0022] (5)该系统还通过引入蓄热器进行蓄能，从而可24小时发电，满足全天候的发电需求。

[0023] (6)该系统环境适应性强，不需要平坦土地，可利用山坡、屋顶及荒地，同时该系统可灵活组合，既可建立大中型规模电站，亦可建立分散式家庭用小规模用电系统，使用灵活方便。

该装置无需聚光及跟踪太阳，只需要使用普通的平板型太阳能集热器、全玻璃真空管集热器、U型管式真空管集热器、热管式真空管集热器和直流式真空管集热器加以改造即可发电。

[0024] (7)阳光充足的地方一般缺水，本系统不需要水冷却，可采用空冷的方式冷凝。

[0025] (8)除太阳能外，本实用新型可利用各种热源来发电，包括地热能源、工业余热、地表的土壤热、河流的热、海水表面物质的热源、电厂冷凝余热等作为热源。

[0026] (9)本实用新型应用范围广，可供1千瓦到1000兆瓦的发电厂发电，还可用于商业电厂和居民住宅，可用于住宅、办公楼、生产设施、公寓楼、学校、医院、远程通信、遥测设备、海上平台、抽水站、海水淡化系统、消毒系统、野外露营、总部设施、远程医疗设施、制冷系统场和农场、偏远的村庄、气象站、空调系统等。

附图说明
[0027] 图1为本实用新型的低温型有机朗肯循环太阳热低温发电系统结构示意图。

具体实施方式
[0028] 下面结合附图对本实用新型太阳能有机朗肯循环低温发电系统做出进一步说明。

[0029] 低温型有机朗肯循环太阳热发电系统，见图1，由导热工质回路1、冷却回路2和有机工质回路3组成；导热工质回路1包括燃料互补锅炉15以及依次连接成环的蓄热器11、导热工质泵12、集热器13和蒸发器14，燃料互补锅炉15的两端分别与集热器13的两端连接；冷却回路2包括依次连接成环的冷却塔22、水泵21和冷凝器34；有机朗肯循环的有机工质回路3包括依次连接成环的工质罐31、工质泵32、蒸发器14、热功转换装置33、冷凝器34。

导热工质泵12和集热器13之间设有第一阀门16，集热器13和蒸发器14之间设有第二阀门17，燃料互补锅炉15与集热器13连接的两端管路上分别设有第三阀门18和第四阀门19。

[0030] 本实用新型中，蓄热器11为盛装导热工质的容器，可选地，其也可以为带有换热管道的固体相变储热容器，其外部采用保温材料包裹保温。

[0031] 本实用新型中，集热器13为U型管式真空管集热器，集热管内不走导热工质，利用
U型管式真空管集热器的U型管直接对导热工质进行加热，真空管的U型管相互串联，进行梯级加热，运行温度高、很易达到低温发电所要求的温度150℃以上，同时还有承压能力强和耐热冲击性能好等性能优势。

可选地，集热器也可以为平板式太阳能集热器、真空管式太阳能集热器或热管式太阳能集热器，或者热管式真空管集热器或直流式真空管集热器。

[0032] 本实用新型中，蒸发器14的蒸发温度通过工质的选择和设计控制在30℃－100℃之间的低温区域；燃料互补锅炉15采用天然气、煤气、石油液化气、沼气或秸秆作为生物质燃料。

[0033] 本实用新型中，热功转换装置33为汽轮机，可选地，也可以采用其他能够实现热功转换的装置，如膨胀机，可以为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机等。

[0034] 其中，导热工质回路1内采用导热油、乙二醇或水作为导热工质；冷却回路2为水
冷回路，在缺乏水源的地区，也可以选用风冷回路；有机工质回路3选用丙烷(C
3H
8
)、或二氧
化碳(CO
2
)、或丙烷和二氧化碳的混合物作为工质，可选地，有机工质回路3内采用的有机工质包括但不限于临界温度80℃以下、沸点在-40℃以下任何的适合低温型有机朗肯循环的单一工质、混合工质、跨临界工质作为循环工质均可实现本实用新型的目的。

[0035] 其工作原理为：
[0036] 导热工质回路1中的导热工质泵12将蓄热器11里的导热工质送至集热器13，集热器13吸收太阳热能将导热油加热，加热后的导热工质经管路进入蒸发器14，在蒸发器14内将热量传递给有机工质回路3中的低沸点工质，再经过管路流回蓄热器11。

如果太阳能或蓄热器无法提供足够的热量时，启动燃料互补锅炉15以补充热量，可使用天然气、煤气、石油液化气、沼气、秸秆等生物质燃料来发电，以满足24小时的供电需求。

蓄热器11还可以对导热工质回路1中的热量进行蓄存，在需要的时候蓄热器11又可以转换到放热运行模式。

[0037] 有机工质回路3中的工质泵32将工质罐31内的工质送入蒸发器14，工质在蒸发器14内吸收了导热工质回路1中的导热工质的热量汽化为饱和蒸汽后，经过管路进入热功转换装置33的入气孔，在热功转换装置33内，工质的饱和蒸汽迅速膨胀加速，驱动热功转换装置33叶轮旋转，完成热功转换，热功转换装置33的叶轮通过转轴与发电机35的转子相连，因此同时驱动发电机35旋转，实现电能输出，完成机械能与电能的转换；做功后的工质蒸汽经过管路进入冷凝器34，在冷凝器34内完成热量交换，冷却后的工质经管路流回工质罐31。

[0038] 冷却回路2中的水泵21将冷却塔22里的水经由管路送进冷凝器34，在冷凝器34中吸收有机工质回路3中的工质的热量并使工质冷却，得到热量的热水经过管路流回冷却塔22。

图1。