一种基于有机朗肯循环的生物质能-塔式太阳能耦合发电系统的制作方法

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种基于有机朗肯循环的生物质能-塔式太阳能耦合发电系统。

背景技术：

我国燃煤发电现如今一直占据全国发电总量的一半以上，我国政府承诺到2030年二氧化碳排放达到峰值，2060年实现碳中和，随着减排指标与环境保护的要求，太阳能和生物质能等可再生的清洁能源的实用技术越来越重要。

太阳能是可再生、丰富的清洁能源，但是太阳能的能量密度较低，需要利用聚光或集热装置将辐射能汇聚，现有的聚光技术主要包括塔式、碟式、槽式和线性菲涅尔式，其中塔式装置是利用独立跟踪太阳光的定日镜群将太阳辐射聚焦至中心高塔处的接收器，集热温度可达200～2000℃。但是塔式太阳能发电受到天气、地域、昼夜变化的影响比较大，而且建设成本高，场地面积需求大，小规模装机不够灵活，所以使用太阳能与耦合其它新能源发电是解决这一问题的路径之一。

生物质能属于可再生能源，生物质利用光合作用将大气中的转化为含碳组分燃料，因此生物质燃烧的净排量基本为零，而且生物质能在使用过程中几乎不排放任何有害气体。在我国广大农村，生物质能以农作物秸秆、农村山柴等生物质为燃料拥有巨大优势，用生物质能发电一方面可以避免农村秸秆燃烧带来的污染，一方面可以变废为宝，提高农村可再生能源利用比例。但是生物质本身热值较低，单纯生物质能发电原料需求量很大，而生物质资源收集、运输和储存成本较高，所以可以通过生物质能与太阳能耦合解决这一问题。

将太阳能与生物质能耦合发电还需要合适的热力循环系统，尤其是小型的发电系统使用传统的蒸气朗肯循环系统存在饱和蒸汽在湿蒸汽轮机中膨胀时，产生水滴，水滴会侵蚀汽轮机叶片，导致叶片振动和强度特性发生变化，为了降低液滴的不利影响，湿蒸汽轮机一般需要采用复杂的级内除湿结构以及昂贵的耐侵蚀材料，导致工艺难度较大、制造成本较高，而有机朗肯循环采用低沸点有机物作为热力工质，在100～300℃的中低温热源下可以获得适宜的蒸发压力，具有良好的热力循环特性.考虑到太阳辐照分散性强、能流密度低、生物质能能量密度低易于获得中低温热源的特点，有机朗肯循环在太阳能光热与生物质能耦合发电领域的应用前景广阔。

本发明利用太阳能与生物质能耦合发电，降低整体的发电成本，同时太阳能与生物质能互补利用，解决太阳能受地域、天气、昼夜等变化及生物质能发电能量密度低等问题，充分利用可再生能用形成一套简单、灵活、应用地域广阔的发电系统。

技术实现要素：

本发明针对太阳能发电地域、天气、昼夜等变化及生物质能发电能量密度低等问题，提出了一种基于有机朗肯循环的生物质能-塔式太阳能耦合发电系统。此系统易实施、方便灵活，尤其适用于北方广大农村地域。解决了秸秆燃烧和煤炭发电带来的环境，整体发电稳定，清洁无污染。

本发明公开了一种基于有机朗肯循环的生物质-塔式太阳能耦合发电系统，其包括太阳能集热系统、生物质能系统、有机朗肯循环发电系统。

所述塔式太阳能系统包括设有若干定日镜的定日镜场、能够吸收所述定日镜场反射的太阳光线并产生热能的太阳能塔、收集太阳能塔产生的热能的集热器。

所述生物质能系统包括设有生物质锅炉、用于生物质锅炉加热的储水箱。

所述有机朗肯循环发电系统包括设有热交换器、膨胀机、发电机、冷凝器、工质泵。

所述太阳能集热器、生物质能加热的储水箱与高温水箱相连，高温水箱与换热器相连进行热交换。热交换结束后水温变低，低温水流回到低温水箱内。水泵从低温水箱把水通过控制阀分别按需求运送到太阳能集热器、生物质能系统的储水箱内。完成热量交换与存储。

所述有机朗肯循环发电系统热交换器从高温水箱内吸热，使由工质泵送过来的有机工质加热蒸发，通过膨胀机推动发电机运转对外输出电能，通过膨胀机的工质温度降低经过冷凝器恢复到液体工质，由工质泵继续输送到热交换器中，完成循环发电。

所述太阳能集热器与生物质能加热的过饱和水蒸气由高温水箱存储，有利于能量储存的稳定性，当太阳能呢辐射强的时候，利用太阳能集热产生的高温水输送到高温水箱内，当太阳能辐射减弱，高温水箱内的水温降低时，灵活点燃生物质锅炉，继续向高温水箱提供稳定的过饱和水蒸气，有利于有机朗肯循环发电系统稳定输出电能。

所述有机朗肯循环系统采用有机工质运行，高温水箱温度设定在180℃-230℃，可以有效减少塔式太阳能集热系统的定日镜片数，降低成本，提高系统的灵活性，又可以兼顾生物质燃烧产生的热能能量密度低的情况，同时有机朗肯循环在低温循环领域内有不可比拟的优势。

本发明的优点在于兼顾了少量定日镜的塔式太阳能集热系统、生物质能系统、有机朗肯循环系统的优势，发明了一种灵活、可操作性、应用范围广的无污染发电系统，尤其在广大农村，生物质能丰富的地区具有巨大优势。

附图说明

图1为本发明原理结构示意图。

具体实施方式

一种基于有机朗肯循环的生物质-塔式太阳能耦合发电系统，其包括太阳能集热系统、生物质能系统、有机朗肯循环发电系统。

塔式太阳能集热系统包括太阳1、定日镜场2、太阳能塔3、太阳能集热器4、阀5、高温水箱6、热交换器14、低温水箱13、阀15、水泵10。当太阳辐射强的时候，阀一5、阀二15打开，水泵从低温水箱13中把水运送到太阳能集热器4中，工质水通过定日镜场2吸收太阳能，升温通过阀5流向高温水箱6，高温水箱6通过热交换器14进行热交换，加热有机朗肯循环系统中的有机工质，通过换热器后水温降低，流回到低温水箱13中，完成太阳能转换为热能。

有机朗肯循环发电系统包括热交换器14、膨胀机19、发电机18、冷凝器17、工质泵16。通过热交换器14，有机工质吸热膨胀，推动膨胀机19运转，膨胀机19带动发电机18工作产生电能，工质做功后经过泠凝器17转化为液态工质，由工质泵16继续运送到热交换器14中进行热交换，完成有机朗肯循环系统发电。

生物质能系统包括生物质锅炉9、储水箱8、阀7、高温水箱6、热交换器14、低温水箱13、阀12、水泵11。当太阳辐射强度减弱，高温水箱6温度降低到180℃时，打开阀7、阀12，关闭阀5、阀15，水泵11工作，从低温水箱13中把水送到储水箱8中，生物质锅炉开始工作，加热储水箱8中的水，水升温后通过阀7进入到高温水箱6中，维持高温水箱6中水温高于180℃，高温水箱与热交换器14持续换热，加热有机朗肯循环系统中的有机工质，通过换热器后水温降低，流回到低温水箱13中，完成生物质能转换为热能。

技术特征：

1.一种有机朗肯循环的生物质能-塔式太阳能耦合发电系统，其特征在于，包括太阳能集热系统、生物质能集热系统、有机朗肯循环发电系统。

2.根据权利要求1所述的有机朗肯循环的生物质能-塔式太阳能耦合发电系统，其特征在于，所述的太阳能集热系统包括太阳(1)、定日镜场(2)、太阳能塔(3)、太阳能集热器(4)、阀(5)、高温水箱(6)、热交换器(14)、低温水箱(13)、阀(15)、水泵(10)；当太阳辐射强的时候，阀一(5)、阀二(15)打开，水泵从低温水箱(13)中把水运送到太阳能集热器(4)中，工质水通过定日镜场(2)吸收太阳能，升温通过阀一(5)流向高温水箱(6)，高温水箱(6)通过热交换器(14)进行热交换，加热有机朗肯循环发电系统中的有机工质，通过热交换器(14)后水温降低，流回到低温水箱(13)中，完成太阳能转换为热能。

3.根据权利要求1所述的有机朗肯循环的生物质能-塔式太阳能耦合发电系统、其特征在于，所述的生物质能集热系统包括生物质锅炉(9)、储水箱(8)、阀三(7)、阀四(12)、水泵(11)；当太阳辐射强度减弱，高温水箱(6)温度降低到180℃时，打开阀三(7)、阀四(12)，关闭阀一(5)、阀二(15)，水泵(11)工作，从低温水箱(13)中把水送到储水箱(8)中，生物质锅炉开始工作，加热储水箱(8)中的水，水升温后通过阀三(7)进入到高温水箱(6)中，维持高温水箱(6)中水温高于180℃，高温水箱与热交换器(14)持续换热，加热有机朗肯循环系统中的有机工质，通过热交换器(14)后水温降低，流回到低温水箱(13)中，完成生物质能转换为热能。

4.根据权利要求1所述的有机朗肯循环的生物质能-塔式太阳能耦合发电系统，其特征在于，所述的有机朗肯循环发电系统包括膨胀机(19)、发电机(18)、冷凝器(17)、工质泵(16)；通过热交换器(14)，有机工质吸热膨胀，推动膨胀机(19)运转，膨胀机(19)带动发电机(18)工作产生电能，工质做功后经过泠凝器(17)转化为液态工质，由工质泵(16)继续运送到热交换器(14)中进行热交换，完成有机朗肯循环系统发电。

5.根据权利要求1所述的有机朗肯循环的生物质能-塔式太阳能耦合发电系统，其特征在于，有机朗肯循环系统的有机工质为r123。

6.根据权利要求1所述的有机朗肯循环的生物质能-塔式太阳能耦合发电系统，其特征在于，太阳能集热系统、生物质能集热系统工质为水。

7.根据权利要求1所述的有机朗肯循环的生物质能-塔式太阳能耦合发电系统，其特征在于，太阳能集热系统包括若干定日镜、太阳能集热器、控制阀，太阳能集热器直接加热工质水，产生高温水蒸气，进入高温水箱。

8.根据权利要求1所述的太阳能光热、光伏和生物质联合发电系统，其特征在于，生物质能集热系统采用生物质直燃锅炉。

技术总结
本发明公开了一种基于有机朗肯循环的生物质能‑塔式太阳能耦合发电系统，包括太阳能集热系统、生物质能系统、有机朗肯循环发电系统。太阳能系统包括设有若干定日镜的定日镜场、能够吸收所述定日镜场反射的太阳光线并产生热能的太阳能塔、收集太阳能塔产生的热能的集热器。生物质能系统包括设有生物质锅炉、用于生物质锅炉加热的储水箱。有机朗肯循环发电系统包括设有热交换器、膨胀机、发电机、冷凝器、工质泵。本发明提供的有机朗肯循环发电系统通过塔式天阳能系统和生物质能系统的耦合，实现了生物质能与太阳能的互补结合，提高了中低温地热资源的利用率以及循环的热效率，解决太阳能受地域、天气、昼夜等变化及生物质能发电能量密度低等问题，充分利用可再生能用形成一套简单、灵活、应用地域广阔的发电系统。

技术研发人员：娄宗勇;李大伟;梅彦利
受保护的技术使用者：承德石油高等专科学校
技术研发日：2021.03.31
技术公布日：2021.07.06