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    • 专利摘要:
    本实用新型涉及利用联苯‑联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统，属于太阳能热发电技术领域。包括一次循环回路和二次循环回路。一次循环回路的工质为联苯‑联苯醚混合物，功能为太阳能收集储存、热能释放和顶部朗肯循环发电，主要包括太阳能集热场，顶部朗肯循环膨胀机，工质泵，阀门，高温蓄热罐，低温蓄热罐和相变材料。其中相变材料放置于高温蓄热罐中。二次循环回路功能为底部朗肯循环发电，主要包括底部朗肯循环膨胀机，底部朗肯循环工质泵，蒸发器，冷凝器和回热器。本实用新型将具有高蒸发温度和低蒸发压力特性的联苯‑联苯醚混合物与复叠朗肯循环相结合，同时利用相变储热，从而提高了热发电效率和蓄热能力，具有强的应用潜力。
    公开号:CN214330816U
    申请号:CN202120170934.5U
    申请日:2021-01-21
    公开日:2021-10-01
    发明作者:李晶；高广涛；裴刚；杨洪伦；李鹏程
    申请人:University of Science and Technology of China USTC；
    IPC主号:F03G6-06
    专利说明:
    [n0001] 本实用新型属于太阳能热发电技术领域，具体涉及一种利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统。
    [n0002] 直接膨胀式太阳能热发电是一种重要的聚光发电技术。水蒸汽直接在集热场中产生，并推动汽轮机做功，不需要中间换热流体。水的汽化潜热大，低廉环保，安全性好，是目前商业化直接膨胀式聚光热发电系统唯一采用的介质。然而该类型的太阳能热发电系统具有两个亟待解决的难题：第一，缺乏长周期低成本的蓄热方案；第二，系统的热功转换效率不高。第一个难题在于高温水罐在放热过程中，温度和压力不稳定，为了防止热力循环严重偏离设计工况，高温水罐的温降一般小于50℃。如果要长周期蓄热，则高压蓄热罐的容积巨大，成本高，而且压力的周期波动会降低容器的使用寿命。第二个难题在于，水的饱和压力随着温度提升而急剧升高，当温度为270℃时，饱和压力达到了5.5 MPa, 此时集热管和蓄热罐的技术要求高，造价高。如果温度进一步提升，那么系统的造价指数提升，而系统的热效率上升则相对缓慢。特别地，当温度高于270℃时，水的饱和蒸汽焓值随温度的升高而降低，水蒸气在膨胀过程中的湿度会增大，湿汽轮机的技术要求增加。所以已经建立的直接膨胀式电站的设计温度不高，如Planta Solar 10 和Planta Solar 20的设计温度为250℃。由于运行温度不高，相比于采用熔盐和导热油的聚光热发电系统，直接膨胀式太阳能热发电系统的效率偏低。
    [n0003] 如果采用导热油替代水介质，理论上可解决传统直接膨胀式太阳能热发电系统蓄热罐压力高，蒸汽温度和热功转换效率低的难题。导热油直接在集热场中吸热热量并产生蒸气，蒸气用于驱动热力循环发电，其工作原理跟水介质类似。由于导热油的沸点高（比如大于200℃），相同温度下，其饱和蒸气压明显低于水介质，当运行温度接近400℃时，饱和压力可维持在1MPa以下。同时导热油一般为苯类工质，属于干有机工质，膨胀过程中不会进入气液两相区，所以膨胀机的技术要求低。值得指出，尽管导热油具有以上优点，但基于导热油的直接膨胀式太阳能热发电系统尚未见示范或商业化应用。其潜在的问题主要为，导热油比热和汽化潜热低，成本高。相同温度下，导热油的比热不到水的50%，而汽化潜热不到水的20%。若要获得长时间的蓄热容量，则导热油成本高。比如，假设系统设计温度为370℃，为了保证放热发电过程热力循环不严重偏离设计工况，高温罐导热油的最低温度为340℃，热力循环设计效率为31%，蓄热时长为12小时。基于以上假设，那么每kW系统需要的导热油质量约为170kg，考虑到导热油需定期更换，蓄热成本将高于4000元/kW。因此简单地将导热油替代水介质，不能降低直接膨胀式热发电系统的投资回收期。
    [n0004] 针对以上问题，本实用新型提出一种利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统。该系统有望获得接近400℃的饱和蒸气，大幅度提高热力循环效率，同时通过显热蓄热和潜热蓄热相结合的方案，降低系统的蓄热成本。
    [n0005] 为了克服常规直接膨胀式太阳能热发电系统中水的饱和蒸汽温度低 (<280℃)，蓄热水罐压力大(>4MPa)的问题，本实用新型提出利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统。系统包括一次循环回路以及二次循环回路，系统结构如图1所示。
    [n0006] 利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统包括一次循环回路和二次循环回路；
    [n0007] 所述一次循环回路包括太阳能集热场1、高温蓄热罐 2、顶部朗肯循环膨胀机4、低温蓄热罐7、第一工质泵8和第二工质泵9；所述高温蓄热罐 2内填装有相变材料3，相变材料3的体积占高温蓄热罐2体积的10%～80%，相变材料3的相变温度为250～400℃；一次循环回路中的工质为联苯-联苯醚混合物；
    [n0008] 所述二次循环回路包括底部朗肯循环膨胀机10、回热器20、冷凝器21、第三工质泵22、第一蒸发器6和第二蒸发器5；二次循环回路中的工质为底部朗肯循环工质，底部朗肯循环工质为沸点低于200℃的工质；
    [n0009] 所述第一蒸发器6、第二蒸发器5结构相同，均包括并列的顶部朗肯循环工质一侧和底部朗肯循环工质一侧，所述回热器20的两侧均为底部朗肯循环工质；
    [n0010] 所述高温蓄热罐2中联苯-联苯醚混合物的工作温度为250～400℃，低温蓄热罐7中联苯-联苯醚混合物的工作温度为30～240℃；
    [n0011] 所述太阳能集热场1出口的联苯-联苯醚混合物的气态质量分数为5%～95%；
    [n0012] 所述高温蓄热罐 2和低温蓄热罐7构成双罐导热油蓄热单元；
    [n0013] 所述太阳能热发电系统具有4种工作模式，分别如下：
    [n0014] 太阳能集热发电模式时，太阳能集热场1、高温蓄热罐2、顶部朗肯循环膨胀机4、低温蓄热罐 7、第一工质泵8、第二工质泵9、底部朗肯循环膨胀机10、回热器20、冷凝器21、第三工质泵22、第一蒸发器6和第二蒸发器5参与工作；
    [n0015] 一级放热发电模式时，高温蓄热罐 2、顶部朗肯循环膨胀机4、第二工质泵9、底部朗肯循环膨胀机10、回热器20、冷凝器21、第三工质泵22、第一蒸发器6和第二蒸发器5参与工作；
    [n0016] 二级放热发电模式时，高温蓄热罐 2、顶部朗肯循环膨胀机4、低温蓄热罐 7、第二工质泵9、底部朗肯循环膨胀机10、回热器20、冷凝器21、第三工质泵22、第一蒸发器6和第二蒸发器5参与工作；
    [n0017] 三级放热发电模式时，高温蓄热罐 2、低温蓄热罐7、底部朗肯循环膨胀机10、回热器20、冷凝器21、第三工质泵22、第一蒸发器6和第二蒸发器5参与工作。
    [n0018] 进一步限定的技术方案如下：
    [n0019] 所述一次循环回路和二次循环回路的具体连接关系如下：
    [n0020] 所述高温蓄热罐2的底部出口通过三通管一侧连通着顶部朗肯循环膨胀机4的出口，另一侧依次串联着第四阀门14、第一蒸发器6的顶部朗肯循环工质一侧、第七阀门17和低温蓄热罐7的顶部进口；高温蓄热罐2的顶部一侧出口通过第一阀门11连通着顶部朗肯循环膨胀机4的进口；低温蓄热罐7的底部出口通过串联的第一工质泵8和第八阀门18连通着太阳能集热场1的进口，太阳能集热场1的出口连通着高温蓄热罐2的顶部另一侧进口，第八阀门18的进口和太阳能集热场1的出口之间并联着第九阀门19；所述第七阀门17的进口和第一工质泵8的出口之间并联着第六阀门16和第二工质泵9，第六阀门16和第二工质泵9串联，第二工质泵9的出口和第一工质泵8的出口并联；
    [n0021] 所述顶部朗肯循环膨胀机4的出口依次串联着第三阀门13、第二蒸发器5的顶部朗肯循环工质一侧和第五阀门15，第五阀门15的出口通过三通管分别连通着第一蒸发器6的顶部朗肯循环工质一侧进口和第四阀门14的出口；
    [n0022] 所述底部朗肯循环膨胀机10的进口依次串联着第二蒸发器5的底部朗肯循环工质一侧、第一蒸发器6的底部朗肯循环工质一侧、回热器20的一侧和第三工质泵22的出口，底部朗肯循环膨胀机10的出口依次串联着回热器20的另一侧、冷凝器21一侧和第三工质泵22的进口；
    [n0023] 第二蒸发器5的顶部朗肯循环工质一侧出口并联着第二工质泵9的进口。
    [n0024] 所述太阳能集热场1为抛物面槽式集热场、线性菲涅尔集热场、塔式集热场中的一种。
    [n0025] 所述相变材料3为无机盐相变材料，所述无机盐相变材料为氢氧化钾无机盐、氯化锂-氯化钾二元混合无机盐、氯化锂-氯化钠-氯化钾三元混合无机盐中的一种。
    [n0026] 所述底部朗肯循环工质为甲苯或苯或戊烷或水中的一种。
    [n0027] 所述联苯-联苯醚混合物中联苯的结构式为C12H10，联苯-联苯醚混合物中联苯的浓度为26.5%；联苯醚的结构式为C12H10O，联苯-联苯醚混合物中联苯醚的的浓度为73.5%。
    [n0028] 所述顶部朗肯循环膨胀机4和底部朗肯循环膨胀机10均为汽轮机或螺杆膨胀机中的一种。
    [n0029] 本实用新型与现有技术相比的有益技术效果主要体现在以下方面：
    [n0030] 1. 首次将联苯-联苯醚混合物同时作为太阳能集热场工质，蓄热工质和热力循环工质。联苯一联苯醚混合物也称为道生，是73.5%联苯醚和26.5%联苯的共溶共沸混合物，是一种广泛使用的优质导热油。其主要优点包括：（1）优异的热稳定性。联苯-联苯醚混合物的热稳定性是其它热载体无法相比的, 可以应用于气液两相场合而不造成组分浓度失衡，可在400℃的条件下使用，寿命为6-10年。（2）较低的蒸气压。与水相比，联苯-联苯醚混合物在高温时的蒸气压相当低。在400℃时饱和蒸气压约为1MPa。（3）液相粘度较低，利于减少集热场功耗。（4）安全性较好，不属于燃物范围且蒸气的爆炸极限范围很小。（5）对设备无腐蚀。
    [n0031] 已有文献表明，联苯-联苯醚混合物作为太阳能传热介质和蓄热介质的技术方案已见报道。联苯-联苯醚混合物是目前已建设太阳能电站中广泛使用的太阳能传热介质和蓄热介质。联苯-联苯醚混合物作为热力循环工质的技术方案也有报道。如在2017年的一个专利文件中，联苯-联苯醚混合物也被用于高温有机朗肯循环的工质（WO2017199170A1，Cogenerative organic Rankine cycle system）。然而，同时将联苯-联苯醚混合物作为太阳能集热场工质，蓄热工质和热力循环工质的技术方案，尚未见报道。
    [n0032] 相比于采用水的直接膨胀式太阳能热发电系统，本实用新型提出的系统可获得接近400℃的饱和蒸气温度，热功转换效率大幅度提高，而且蓄热罐设计压力显著降低。
    [n0033] 2. 将基于高温蓄热罐2和低温蓄热罐7的双罐导热油蓄热单元与复叠朗肯循环相结合，创新性地应用于直接膨胀式太阳能热发电技术领域。双罐导热油蓄热单元在太阳能热发电系统中较为常见，但导热油仅仅为传热和蓄热介质，不是热力循环工质。双罐水蓄热单元在直接膨胀式太阳能热发电系统也已有报道，如发明申请CN201710608229.7，但集热，蓄热和热力循环工质为水。本实用新型提出的双罐导热油蓄热单元与复叠朗肯循环相结合，蓄热罐中的导热油蒸气直接进入顶部朗肯循环做功的技术方案，尚未见报道。
    [n0034] 这种创新性结合可以有效应对太阳能的不稳定问题。白天有太阳辐照时，低温蓄热罐7的液态联苯-联苯醚混合物通过第一工质泵8加压，进入太阳能集热场1，然后流入高温蓄热罐2。第一工质泵8的流量可根据太阳辐照强度的变化而改变，从而保证高温蓄热罐2的温度和压力稳定，进而确保复叠朗肯循环发电稳定。夜间或阴天时，高温蓄热罐2可通过第一蒸发器6和第二蒸发器5流回低温蓄热罐7，释放的显热热量可用于加热底部朗肯循环。
    [n0035] 这种创新性结合还可以提高导热油的蓄热能力。相比于常规的用于驱动水蒸气朗肯循环的双罐导热油单元，在相同蓄热罐容积下，本实用新型的双罐导热油单元具有更高的蓄热能力。水工质是一种典型的湿工质，汽化潜热大，如在310 ℃时其汽化潜热仍有1400kJ/kg。为了保证循环效率，水的蒸发温度较高。水的物性使得双罐导热油单元中，低温罐的温度很难降低，因为大部分热量需要用于水的蒸发，蒸发过程中油的温度要高于水的蒸发温度。对于已运行的双罐导热油太阳能热发电站，低温罐的温度通常高于280℃, 高温罐和低温罐的导热油温差为100℃左右。相比之下，本实用新型中联苯-联苯醚混合物以及底部朗肯循环的工质的汽化潜热明显要低，且膨胀机入口工质不需要处于过热状态，即使底部朗肯循环采用水工质，水的蒸发温度也低于常规太阳能热发电站水的蒸发温度。这使得低温蓄热罐7的温度可降低为100℃或更低，从而使得高温蓄热罐2和低温蓄热罐7之间的温差达到250℃或更大。这一明显增大的温差一方面利于减少太阳能集热场1中联苯-联苯醚混合物的流量，降低第一工质泵8的功耗。另一方面，由于高温蓄热罐2和低温蓄热罐7温差大(如大于250℃),单位质量的联苯-联苯醚混合物释放的显热热量大，比常规双罐导热油技术的单位质量显热热量高出1-2倍，极大地提高了系统的蓄热能力。
    [n0036] 3. 将基于高温蓄热罐2和低温蓄热罐7与相变材料有机结合，创新性地应用于直接膨胀式太阳能热发电技术领域。导热油蓄热单元与相变材料相结合，用于间接太阳能热发电系统的技术方案，已见报道。但两者相结合，用于直接膨胀式太阳能热发电系统的技术方案，尚未见报道。本实用新型技术方案中，双罐导热油单元与相变材料协同工作，分别弥补了各自的不足。如前所述，在放热过程中，如果依靠导热油驱动整个复叠朗肯循环，那么由于导热油的比热低，温度和压力会随着放热量的增加而快速降低，蒸气的运行参数随之降低，不易于整个复叠朗肯循环稳定工作。虽然导热油可以从高温蓄热罐2流入低温蓄热罐7，驱动底部朗肯循环稳定发电，但单一底部朗肯循环的效率低于整个复叠朗肯循环的效率。采用相变材料3可以解决这一问题，提高放热过程中系统的热功转换效率，维持复叠朗肯循环高效发电。相变材料放热过程中，温度相对恒定，单位质量蓄热密度大，且材料本身(如复合盐)比导热油便宜。但相变材料的不足在于导热系数低，放热过程中固态介质会附着在换热表面，增加传热热阻。相变材料的这一不足可以通过导热油弥补。当相变单元的热阻增大，放热功率降低时，导热油从高温蓄热罐2通过第一蒸发器6流向低温蓄热罐7，释放的显热热量提供给底部朗肯循环，导热油的流量根据相变材料3的放热速率进行调整，相变材料3的放热速率越小，则导热油的流量越大，从而保证了整个复叠朗肯循环一直保持较高的功率输出。
    [n0037] 基于高温蓄热罐2和低温蓄热罐7的双罐导热油蓄热单元与相变材料3的有机结合，使得本实用新型提出的系统具有独特的三级放热发电模式，分别为：（一）依靠相变材料3释放的热量驱动复叠朗肯循环；（二）依靠相变材料3的相变潜热和导热油的显热热量驱动复叠朗肯循环；（三）依靠导热油的显热热量驱动底部朗肯循环。同时具有以上三级放热发电模式的直接膨胀式太阳能热发电系统，尚未见报道。
    [n0038] 这种独特的放热发电模式，有效提高了系统的蓄热发电能力，可降低导热油的使用量和成本，同时克服了单一相变材料蓄热的不足。
    [n0039] 图1为本实用新型结构示意图。
    [n0040] 图2为太阳能集热发电模式流程图。
    [n0041] 图3为第一级放热发电模式流程图。
    [n0042] 图4为第二级放热发电模式流程图。
    [n0043] 图5为第三级放热发电模式流程图。
    [n0044] 图6为联苯-联苯醚混合物的饱和温度-熵曲线图。
    [n0045] 图1-5中序号：太阳能集热场1，高温蓄热罐2、相变材料3，顶部朗肯循环膨胀机4，第二蒸发器5，第一蒸发器6，低温蓄热罐7，第一工质泵8，第二工质泵9，底部朗肯循环膨胀机10，第一阀门11，第二阀门12，第三阀门13，第四阀门14，第五阀门15，第六阀门16，第七阀门17，第八阀门18，第九阀门19，回热器20，冷凝器21，第三工质泵22。
    [n0046] 下面结合附图，通过实施例对本实用新型作进一步地描述。
    [n0047] 参见图1，利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统包括一次循环回路和二次循环回路。
    [n0048] 一次循环回路包括太阳能集热场1、高温蓄热罐 2、顶部朗肯循环膨胀机4、低温蓄热罐7、第一工质泵8和第二工质泵9。高温蓄热罐 2内填装有相变材料3，相变材料3的体积占高温蓄热罐2体积的50%，相变材料为氢氧化钾，相变温度为360 ℃。一次循环回路中的工质为联苯-联苯醚混合物。联苯-联苯醚混合物中联苯的结构式为C12H10，联苯-联苯醚混合物中联苯的浓度为26.5%；联苯醚的结构式为C12H10O，联苯-联苯醚混合物中联苯醚的的浓度为73.5%。
    [n0049] 二次循环回路包括底部朗肯循环膨胀机10、回热器20、冷凝器21、第三工质泵22、第一蒸发器6和第二蒸发器5；二次循环回路中的工质为底部朗肯循环工质，底部朗肯循环工质为甲苯，沸点为110.6℃。
    [n0050] 第一蒸发器6、第二蒸发器5结构相同，均包括并列的顶部朗肯循环工质一侧和底部朗肯循环工质一侧，回热器20的两侧均为底部朗肯循环工质。
    [n0051] 高温蓄热罐2中联苯-联苯醚混合物的工作温度为350℃，低温蓄热罐7中联苯-联苯醚混合物的工作温度为90℃。
    [n0052] 太阳能集热场1出口的联苯-联苯醚混合物的气态质量分数为50%。
    [n0053] 高温蓄热罐 2和低温蓄热罐7构成双罐导热油蓄热单元。
    [n0054] 顶部朗肯循环膨胀机4和底部朗肯循环膨胀机10均为汽轮机。
    [n0055] 太阳能集热场1为抛物面槽式集热场。
    [n0056] 一次循环回路和二次循环回路的具体连接关系如下：
    [n0057] 高温蓄热罐2的底部出口通过三通管一侧连通着顶部朗肯循环膨胀机4的出口，另一侧依次串联着第四阀门14、第一蒸发器6的顶部朗肯循环工质一侧、第七阀门17和低温蓄热罐7的顶部进口；高温蓄热罐2的顶部一侧出口通过第一阀门11连通着顶部朗肯循环膨胀机4的进口；低温蓄热罐7的底部出口通过串联的第一工质泵8和第八阀门18连通着太阳能集热场1的进口，太阳能集热场1的出口连通着高温蓄热罐2的顶部另一侧进口，第八阀门18的进口和太阳能集热场1的出口之间并联着第九阀门19；所述第七阀门17的进口和第一工质泵8的出口之间并联着第六阀门16和第二工质泵9，第六阀门16和第二工质泵9串联，第二工质泵9的出口和第一工质泵8的出口并联。
    [n0058] 顶部朗肯循环膨胀机4的出口依次串联着第三阀门13、第二蒸发器5的顶部朗肯循环工质一侧和第五阀门15，第五阀门15的出口通过三通管分别连通着第一蒸发器6的顶部朗肯循环工质一侧进口和第四阀门14的出口。
    [n0059] 底部朗肯循环膨胀机10的进口依次串联着第二蒸发器5的底部朗肯循环工质一侧、第一蒸发器6的底部朗肯循环工质一侧、回热器20的一侧和第三工质泵22的出口，底部朗肯循环膨胀机10的出口依次串联着回热器20的另一侧、冷凝器21一侧和第三工质泵22的进口。
    [n0060] 第二蒸发器5的顶部朗肯循环工质一侧出口并联着第二工质泵9的进口。
    [n0061] 本实用新型提出的太阳能热发电系统主要有4种工作模式，分别为太阳能集热发电模式和三级放热发电模式，具体工作原理说明如下：
    [n0062] （1）太阳能集热发电模式，如附图2所示，加黑实线表示该模式流程。太阳能集热发电模式时，太阳能集热场1、高温蓄热罐2、顶部朗肯循环膨胀机4、低温蓄热罐 7、第一工质泵8、第二工质泵9、底部朗肯循环膨胀机10、回热器20、冷凝器21、第三工质泵22、第一蒸发器6和第二蒸发器5参与工作。
    [n0063] 本实用新型系统一般运行在太阳能集热发电模式下。在太阳辐照充足的条件下，太阳集热、蓄热和热力循环发电同时进行。第一工质泵8、第二工质泵9和第三工质泵22均运行。第二阀门12，第四阀门14，第七阀门17和第九阀门19处于关闭状态，其余阀门处于开通状态。在第一工质泵8和第二工质泵9的作用下，液态联苯-联苯醚混合物从低温蓄热罐7和第一蒸发器6的顶部朗肯循环工质一侧出口进入太阳能集热场1中。第一工质泵8的流量可根据太阳辐照强弱进行调节，目标是保证高温蓄热罐2中联苯-联苯醚混合物的温度和压力稳定，同时充分收集太阳能。正常情况下太阳能集热场1出口的联苯-联苯醚混合物处于气液两相状态。太阳能集热场1出口的部分气态联苯-联苯醚混合物通过高温蓄热罐2进入顶部朗肯循环膨胀机4，部分气态联苯-联苯醚混合物在高温蓄热罐2中冷凝成液体，释放的热量传给相变材料3。高温高压气态联苯-联苯醚混合物进入顶部朗肯循环膨胀机4做功，然后通过第三阀门13进入第二蒸发器5的顶部朗肯循环工质一侧部分冷凝。部分冷凝后的联苯-联苯醚混合物通过第五阀门15进入第一蒸发器6的顶部朗肯循环工质一侧进一步冷凝成液态。液态联苯-联苯醚混合物通过第六阀门16进入第二工质泵9。低温蓄热罐7的液态联苯-联苯醚混合物通过第一工质泵8加压，第一工质泵8出口的工质和第二工质泵9出口的工质混合，然后通过第八阀门18进入太阳能集热场1。对于底部朗肯循环，高温高压的底部朗肯循环工质甲苯进入底部朗肯循环膨胀机10做功，做功后的气态甲苯进入回热器20初步冷却，冷却后的工质甲苯进入冷凝器21冷凝成液态，液态工质甲苯进入第三工质泵22加压，加压后的液态工质甲苯进入回热器20初步升温，升温后的工质甲苯依次通过第一蒸发器6的底部朗肯循环工质一侧和第二蒸发器5的底部朗肯循环工质一侧吸收热量并蒸发，高温高压的工质甲苯进入底部朗肯循环膨胀机10做功。底部朗肯循环工质甲苯不同于联苯-联苯醚混合物，底部朗肯循环工质甲苯的沸点更低。
    [n0064] 正常情况，当傍晚太阳能集热发电模式结束时，高温蓄热罐2中的相变材料将变为液态，同时低温蓄热罐7中的绝大部联苯-联苯醚混合物通过太阳能集热场1加热和转移至高温蓄热罐2中，为放热发电作准备。
    [n0065] （2）第一级放热发电模式，如附图3所示，加黑实线表示该模式流程。一级放热发电模式时，高温蓄热罐 2、顶部朗肯循环膨胀机4、第二工质泵9、底部朗肯循环膨胀机10、回热器20、冷凝器21、第三工质泵22、第一蒸发器6和第二蒸发器5参与工作。第一级放热发电模式下，复叠朗肯循环需要的热量通过相变材料的相变潜热获得。由于为放热的初始阶段，相变材料绝大部分处于液态，与壁面的热阻较小，在给定联苯-联苯醚混合物温度下，相变材料释放热量的速率较大，可满足整个复叠朗肯循环需要。该模式下太阳能集热场1、低温蓄热罐7和第一工质泵8不工作。高温高压气态联苯-联苯醚混合物进入顶部朗肯循环膨胀机4做功，然后通过第三阀门13进入第二蒸发器5的顶部朗肯循环工质一侧部分冷凝。部分冷凝后的联苯-联苯醚混合物通过第五阀门15进入第一蒸发器6的顶部朗肯循环工质一侧进一步冷凝成液态。液态联苯-联苯醚混合物通过第六阀门16进入第二工质泵9。第二工质泵9出口的联苯-联苯醚混合物通过第九阀门19重新回到高温蓄热罐2，液态联苯-联苯醚混合物从相变材料3吸收热量并蒸发。对于底部朗肯循环，高温高压的底部朗肯循环工质甲苯进入底部朗肯循环膨胀机10做功，做功后的气态工质甲苯进入回热器20初步冷却，冷却后的工质甲苯进入冷凝器21冷凝成液态，液态工质甲苯进入第三工质泵22加压，加压后的液态工质甲苯进入回热器20初步升温，升温后的工质甲苯依次通过第一蒸发器6的底部朗肯循环工质一侧和第二蒸发器5的主部朗肯循环工质一侧吸收热量并蒸发，高温高压的工质甲苯进入底部朗肯循环膨胀机10做功。底部朗肯循环工质甲苯不同于联苯-联苯醚混合物，底部朗肯循环工质甲苯的沸点更低。
    [n0066] （3）第二级放热发电模式，如附图4所示，加黑实线表示该模式流程。二级放热发电模式时，高温蓄热罐 2、顶部朗肯循环膨胀机4、低温蓄热罐 7、第二工质泵9、底部朗肯循环膨胀机10、回热器20、冷凝器21、第三工质泵22、第一蒸发器6和第二蒸发器5参与工作。第二级放热发电模式下，已经有较大比例的相变材料凝固，增加了与壁面的传热热阻，在给定联苯-联苯醚混合物温度下，相变材料释放热量的速率较小，难以满足整个复叠朗肯循环需要。此时需要依靠高温蓄热罐2中联苯-联苯醚混合物的显热热量进行补给。高温蓄热罐2的液态联苯-联苯醚混合物通过第四阀门14、第一蒸发器6和第七阀门17流入低温蓄热罐7中，释放的显热热量用于初步加热底部朗肯循环工质甲苯。高温高压气态联苯-联苯醚混合物进入顶部朗肯循环膨胀机4做功，然后通过第三阀门13进入第二蒸发器5的顶部朗肯循环工质一侧冷凝。冷凝后的联苯-联苯醚混合物进入第二工质泵9。第二工质泵9出口的联苯-联苯醚混合物通过第九阀门19重新回到高温蓄热罐2，液态联苯-联苯醚混合物从相变材料3吸收热量并蒸发。对于底部朗肯循环，其工作方式以及运行温度，压力和流量跟第一级放热发电模式相同，因此底部朗肯循环膨胀机10的功率输出也保持不变。第二级放热发电模式下，顶部朗肯循环的运行温度，压力和流量会低于第一级放热发电模式下的温度，压力和流量。尽管与第一级放热发电模式相比，第二级放热发电模式下顶部朗肯循环膨胀机4的功率输出有所降低，但由于底部朗肯循环膨胀机仍处于额定工况运行，所以整个复叠朗肯循环仍旧保持较高的功率输出。
    [n0067] （4）第三级放热发电模式，如附图5所示，加黑实线表示该模式流程。三级放热发电模式时，高温蓄热罐 2、低温蓄热罐7、底部朗肯循环膨胀机10、回热器20、冷凝器21、第三工质泵22、第一蒸发器6和第二蒸发器5参与工作。第三级放热发电模式下，绝大部分相变材料已凝固，相变潜热已得到充分利用。此时需要完全依靠高温蓄热罐2中联苯-联苯醚混合物的显热热量进行发电。高温蓄热罐2的液态联苯-联苯醚混合物依次通过第二阀门12、第二蒸发器5的顶部朗肯循环工质一侧、第五阀门15、第一蒸发器6的顶部朗肯循环工质一侧和第七阀门17流入低温蓄热罐7中，释放的显热热量用于驱动底部朗肯循环发电。底部朗肯循环的工作方式以及运行温度，压力和流量跟第一级放热发电模式相同。
    [n0068]
    [n0069] 参见表1和图6，联苯-联苯醚混合物为干工质，膨胀过程中不会产生液滴，利于提高膨胀机效率，降低膨胀机技术难度。表1给出了三级放热模式下，每一级的热力循环参数。假设底部朗肯循环工质为甲苯(Teluene，沸点110.6℃，临界温度318.6℃)，顶部朗肯循环膨胀机4和底部朗肯循环膨胀机10的设计效率为85%，第一工质泵8、第二工质9和底部朗肯循环工质泵22的设计效率75%，相变材料为氢氧化钾，熔点为360 ℃。这一相变温度利于保证联苯-联苯醚混合物低于最高安全运行温度(400℃)，提高寿命。集热发电模式下顶部朗肯循环膨胀机4跟第一级放热模式下的运行参数相同。底部朗肯循环一直处于设计工况。由表中可以看出，第一级放热模式下，尽管高温蓄热罐2的温度仅仅为350℃，复叠朗肯循环的热效率仍比常规双罐导热油系统的热效率高，而后者的导热油运行温度约为400℃。主要原因在于，本实用新型的联苯-联苯醚混合物在离开高温蓄热罐2后处于气态而不是液态，从而提高了复叠朗肯循环的平均吸热温度。若高温蓄热罐2温度提升到400℃，那么复叠朗肯循环的效率有望进一步提高。
    权利要求:
    Claims (6)
    [0001] 1.利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统，其特征在于：包括一次循环回路和二次循环回路；
    所述一次循环回路包括太阳能集热场（1）、高温蓄热罐（2）、顶部朗肯循环膨胀机（4）、低温蓄热罐（7）、第一工质泵（8）和第二工质泵（9）；所述高温蓄热罐（2）内填装有相变材料（3），相变材料（3）的体积占高温蓄热罐（2）体积的10%～80%，相变材料（3）的相变温度为250～400℃；一次循环回路中的工质为联苯-联苯醚混合物；
    所述二次循环回路包括底部朗肯循环膨胀机（10）、回热器（20）、冷凝器（21）、第三工质泵（22）、第一蒸发器（6）和第二蒸发器（5）；二次循环回路中的工质为底部朗肯循环工质，底部朗肯循环工质为沸点低于200℃的工质；所述第一蒸发器（6）、第二蒸发器（5）结构相同，均包括并列的顶部朗肯循环工质一侧和底部朗肯循环工质一侧，所述回热器（20）的两侧均为底部朗肯循环工质；所述高温蓄热罐（2）中联苯-联苯醚混合物的工作温度为250～400℃，低温蓄热罐（7）中联苯-联苯醚混合物的工作温度为30～240℃；
    所述太阳能集热场（1）出口的联苯-联苯醚混合物的气态质量分数为5%～95%；
    所述高温蓄热罐（2）和低温蓄热罐（7）构成双罐导热油蓄热单元；
    所述太阳能热发电系统具有4种工作模式，分别如下：
    太阳能集热发电模式时，太阳能集热场（1）、高温蓄热罐（2）、顶部朗肯循环膨胀机（4）、低温蓄热罐（7）、第一工质泵（8）、第二工质泵（9）、底部朗肯循环膨胀机（10）、回热器（20）、冷凝器（21）、第三工质泵（22）、第一蒸发器（6）和第二蒸发器（5）参与工作；
    一级放热发电模式时，高温蓄热罐（2）、顶部朗肯循环膨胀机（4）、第二工质泵（9）、底部朗肯循环膨胀机（10）、回热器（20）、冷凝器（21）、第三工质泵（22）、第一蒸发器（6）和第二蒸发器（5）参与工作；
    二级放热发电模式时，高温蓄热罐（2）、顶部朗肯循环膨胀机（4）、低温蓄热罐（7）、第二工质泵（9）、底部朗肯循环膨胀机（10）、回热器（20）、冷凝器（21）、第三工质泵（22）、第一蒸发器（6）和第二蒸发器（5）参与工作；
    三级放热发电模式时，高温蓄热罐（2）、低温蓄热罐（7）、底部朗肯循环膨胀机（10）、回热器（20）、冷凝器（21）、第三工质泵（22）、第一蒸发器（6）和第二蒸发器（5）参与工作。
    [0002] 2.根据权利要求1所述的利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统，其特征在于：所述一次循环回路和二次循环回路的具体连接关系如下：
    所述高温蓄热罐（2）的底部出口通过三通管一侧连通着顶部朗肯循环膨胀机（4）的出口，另一侧依次串联着第四阀门（14）、第一蒸发器（6）的顶部朗肯循环工质一侧、第七阀门（17）和低温蓄热罐（7）的顶部进口；高温蓄热罐（2）的顶部一侧出口通过第一阀门（11）连通着顶部朗肯循环膨胀机（4）的进口；低温蓄热罐（7）的底部出口通过串联的第一工质泵（8）和第八阀门（18）连通着太阳能集热场（1）的进口，太阳能集热场（1）的出口连通着高温蓄热罐（2）的顶部另一侧进口，第八阀门（18）的进口和太阳能集热场（1）的出口之间并联着第九阀门（19）；所述第七阀门（17）的进口和第一工质泵（8）的出口之间并联着第六阀门（16）和第二工质泵（9），第六阀门（16）和第二工质泵（9）串联，第二工质泵（9）的出口和第一工质泵（8）的出口并联；
    所述顶部朗肯循环膨胀机（4）的出口依次串联着第三阀门（13）、第二蒸发器（5）的顶部朗肯循环工质一侧和第五阀门（15），第五阀门（15）的出口通过三通管分别连通着第一蒸发器（6）的顶部朗肯循环工质一侧进口和第四阀门（14）的出口；所述底部朗肯循环膨胀机（10）的进口依次串联着第二蒸发器（5）的底部朗肯循环工质一侧、第一蒸发器（6）的底部朗肯循环工质一侧、回热器（20）的一侧和第三工质泵（22）的出口，底部朗肯循环膨胀机（10）的出口依次串联着回热器（20）的另一侧、冷凝器（21）一侧和第三工质泵（22）的进口；
    第二蒸发器（5）的顶部朗肯循环工质一侧出口并联着第二工质泵（9）的进口。
    [0003] 3.根据权利要求1所述的利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统，其特征在于：所述太阳能集热场（1）为抛物面槽式集热场、线性菲涅尔集热场、塔式集热场中的一种。
    [0004] 4.根据权利要求1所述的利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统，其特征在于：所述相变材料（3）为无机盐相变材料，所述无机盐相变材料为氢氧化钾无机盐、氯化锂-氯化钾二元混合无机盐、氯化锂-氯化钠-氯化钾三元混合无机盐中的一种。
    [0005] 5.根据权利要求1所述的利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统，其特征在于：所述底部朗肯循环工质为甲苯或苯或戊烷或水中的一种。
    [0006] 6.根据权利要求1所述的利用联苯-联苯醚混合物的直接膨胀式太阳能热发电系统，其特征在于：所述顶部朗肯循环膨胀机（4）和底部朗肯循环膨胀机（10）均为汽轮机或螺杆膨胀机中的一种。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
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    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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