[发明专利]热管式太阳能有机朗肯循环低温热发电系统

说明书

技术领域

本发明属于太阳能发电技术领域，具体涉及太阳能有机朗肯循环低温热发电系统。 

背景技术

我国地域辽阔，人口众多，能源短缺，开发利用太阳能对国计民生具有重大意义。热管由于本身具有的众多特点，使其在太阳能的利用中具有极为广泛的应用前景。热管依靠自身内部工作液体相变实现传热，有以下基本特性： 

(1)很高的导热性热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻很小，与银、铜、铝等金属相比，单位重量的热管可多传递几个量级的热量[1]。 

(2)优良的等温性热管内腔的蒸汽处于饱和状态，饱和蒸汽由蒸发段流向冷凝段的压力差很小，因而热管具有优良的等温性。 

(3)热二极管与热开关性能热管可做成热二极管或热开关，实现热流的单向传递，因此，由辐照强度或者环境因素等导致热管加热段温度低于冷凝端温度时，热量也不会散失到环境中去。 

热管作为高效传热元件，已经在太阳能高温热发电系统中得到了应用。1996年欧盟启动了DISS(Direct Solar Steam)项目，研制用于槽式太阳能电站的直接产蒸汽系统(DirectSteam Generation，DSG)。DSG系统省去了导热油回路，预计可使槽式太阳能电站成本降低26％[2]。直接用水作工质产生蒸汽的DSG技术是槽式太阳能热发电未来发展的一个方向，具有效率高、成本低等优点，但也存在因系统承压带来的不稳定等问题。在DSG技术中采用热管集热器可有效地解决系统的承压问题。采用热管式真空集热管的DSG系统承压问题只局限于热管式真空集热管的冷凝段。而冷凝段与夹套管间为焊接结构，密封可靠，整体支撑、固定也相对容易。即使其中一支热管的冷凝段损坏，承压系统仍处于密封状态，不会发生安全事故[3]。热管除了应用于槽式太阳能热发电系统外，也已应用于碟式系统。采用热管式太阳能接收器的碟式太阳能-斯特林机热发电系统(Dish-Stirling)可克服太阳能接收器由于热应力导致寿命短的问题。钠热管接收器通过工质的汽化热量供给斯特林发电机的加热管，结构简单、便宜且容易装配。第二代钠热管接收器由两个同心圆柱体构成，圆柱体的两端被两个圆环密封，外圆柱体刻有沟槽，槽中埋有斯特林换热器，内圆柱体为吸热面。 

尽管热管应用于高温太阳能热发电具有良好的前景，且高温热管的研究也渐渐深入， 但目前热管与太阳能低温热发电相结合的技术尚未有相关报道，也未发现相关专利。 

高温太阳能热发电必须采用大面积、高聚焦比、复杂跟踪的聚焦集热方式，导致整个系统的控制繁琐、规模庞大、安装和运行维护复杂。而太阳能低温热发电可克服上述缺点。太阳能低温热发电的可行性之一在于以有机工质朗肯循环代替了传统的水蒸气朗肯循环。有机工质由于其低沸点特性，在低温条件下可以获得较高的蒸汽压力，推动涡轮机做功，适合于低温热源做功发电。与水蒸汽工质朗肯循环相比，有机工质朗肯循环(OrganicRankine Cycle，ORC)的主要优点在于它具有中低温度运行的良好性能。ORC适合小规模发电站，在较低的环境温度下效率比水蒸气发电效率高，冬季夜里能够防冻，且系统内部压力易保持在大气压力之上，且适合半自动或自动运行[4]。GaiaM通过实验指出ORC循环可以有效地利用温度在100℃附近的地热资源发电，涡轮式发电机运行平稳，基本无需额外的人力投入[5].G.H.Martinus等对目前实际运行的ORC地热电厂进行分析，指出选择合适的循环工质可以获得最大的发电效率[6]。Enrico Barbier指出ORC循环是将低温地热源转换为电能最为经济且可靠的方式[7]。Takahisa Yamanoto等对ORC系统进行了设计和测试，认为ORC能够应用于低品味热源且R123可以有效地提高ORC系统性能[8]。