一种太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统及使用方法与流程

1.本发明涉及新能源发电技术领域，具体为一种太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统及使用方法。


背景技术：

2.目前，太阳能发电与风力发电已经成为新能源发电领域的主力军，并在将来会扮演更重要的角色。但新能源发电仍面临弃光弃风等研究问题，太阳能等新能源的波动性与不连续性给新能源发电带来严峻挑战。储能系统的出现能够有效地解决这一难题，使得光热发电的稳定、连续、可控运行成为可能，光热发电的发展对于能源的高效利用与转型、实现可持续发展、稳定经济发展具有重要意义。
3.相关研究学者就太阳能发电系统的设计展开研究，但迄今为止，太阳能储能系统与循环发电系统的联合设计尚不完善，能源的梯度利用尚不合理，太阳能储能系统的运行模式与可调性仍需进一步探究。本专利旨在解决上述问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在太阳能等新能源的波动性与不连续性的问题，本发明提供一种太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统及使用方法，该系统结构接单，操作方便，使得能源的梯度得到合理利用，降低了太阳能等新能源的波动性，保证了太阳能等新能源的连续性。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.一种太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统，包括有机朗肯循环发电系统、太阳能系统和地热能系统；
7.所述有机朗肯循环发电系统包括能量转移组件、汽轮机、回热器、第一增压泵和冷却组件；所述能量转移组件的冷端出口连接至汽轮机入口，汽轮机的出口连接至回热器的热端入口，回热器的热端出口连接至冷却组件的热端入口，冷却组件的热端出口连接至第一增压泵入口，第一增压泵的出口连接至回热器的冷端入口，回热器的冷端出口连接至能量转移组件的冷端入口；
8.所述太阳能系统包括地热换热器、冷罐、储热热罐、第二增压泵和太阳能集热场；所述热换热器的冷端出口连接第二增压泵的入口，第二增压泵的出口连接至太阳能集热场的入口；太阳能集热场的出口、储热热罐和能量转移组件的热端入口相连通，能量转移组件的热端出口与地热换热器的冷端入口和冷罐相连通；
9.所述地热能系统包括地热泵和软化水装置，地热泵的出口连接软化水装置的入口，软化水装置的出口连接至地热换热器的热端入口。
10.优选的，能量转移组件包括预热器、蒸发器和过热器；
11.在有机朗肯循环发电系统内，预热器冷端出口连接至蒸发器冷端入口，蒸发器冷端出口连接至过热器冷端入口，过热器冷端出口连接至汽轮机入口；
12.在太阳能系统内预热器热端出口与地热换热器的冷端入口端和冷罐相连接；太阳能集热场的出口与储热热罐以及过热器的热端入口相连接，过热器的热端出口连接蒸发器的热端入口，蒸发器的热端出口连接预热器的热端入口。
13.优选的，冷却组件包括冷凝器；所述冷凝器的热端入口连接回热器的热端出口；冷凝器的热端出口连接加压泵的入口，第一增压泵的出口连接至回热器的热端入口。
14.进一步的，冷却组件还包括冷却塔，所述冷却塔的出口连接至冷凝器的冷端入口，冷凝器的冷端输出口连接冷却塔的入口。
15.一种太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统的使用方法，基于上述所述的一种太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统，包括如下步骤：
16.当太阳能系统的能源充足时，冷罐中的低温工质流出，经地热换热器、太阳能集热场加热后，一路进入储热热罐进行储能，另一路进入有机朗肯循环发电系统放热，对有机工质进行加热；
17.当太阳能系统的能源充足时，太阳能系统可通过调节来分配进入储热热罐与有机朗肯循环发电系统的工质流量，以匹配发电系统的实时负荷需求，多余的太阳能进入储热热罐储存；
18.当太阳能系统无太阳能能源时，储热热罐中的高温工质流出，进入有机朗肯循环发电系统放热，加热有机工质，换热完成后回到冷罐储存；
19.当太阳能系统无太阳能能源时，太阳能系统可通过调节来控制进入有机朗肯循环发电系统的工质流量，以匹配发电系统的实时负荷需求。
20.优选的，太阳能集热场采用ls-3型聚光集热器。
21.优选的，太阳能系统的所吸收的热能与太阳能集热场的面积大小成正比，其中太阳能集热场的面积通过储热热罐的额定功率与有机朗肯循环发电系统的汽轮机的额定输入功率计算得到。
22.优选的，有机朗肯循环发电系统中蒸发器所吸收的工质能量大小与蒸发器总换热面积f成正比。
23.优选的，蒸发器总换热面积f根据换热器设计换热量q与换热器总传热系数k得到，其中换热器总传热系数k为210w/(m2·
℃)。
24.优选的，有机朗肯循环发电系统的工质为五氟丙烷r245fa；所述太阳能系统工质为高温油vp-1；所述地热能系统工质为水。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
26.本发明提供了一种太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统，该系统包括太阳能系统、地热能系统以及有机朗肯循环发电系统，太阳能系统作为有机朗肯循环发电系统的热源，地热能系统为太阳能系统的预热装置，太阳能系统可实现太阳能的储存与释放，通过有机朗肯循环发电系统内的能量转移组件，可以有效将太阳能系统的高温工质与地热能系统中工质在有机朗肯循环发电系统中进行放热，使得有机朗肯循环发电系统能够循环放电；本发明在太阳能系统中设有冷罐和储热热罐，不仅仅在有太阳的时候可以提供能力，同时可以进行储存能量，并在没有太阳的时候，继续对有机朗肯循环发电系统提供热能。
27.进一步的，能量转移组件包括预热器、蒸发器和过热器，可以有效的将太阳能系统的高温工质在有机朗肯循环发电系统内进行放热，使得有机朗肯循环发电系统可以循环发
电。
28.进一步的，冷却组件将已释放完能量的工质进行冷却，便于工质在回流到能量转移组件可以有效得到太阳能系统转换的能量，便于循环发电。
29.一种太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统的使用方法，太阳能系统在能源充足时，可以有效的调节进入有机朗肯循环发电系统的工质流量，在无太阳能能源时，可通过存储在储热热罐中的高温工质流出，进入有机朗肯循环发电系统放热，有效的保证了有机朗肯循环发电系统的循环放电工作。
30.进一步的，太阳能系统的所吸收的热能与太阳能集热场的面积大小成正比，太阳能集热场的面积越大，太阳能系统的所吸收的热能就越多，同时太阳能集热场的面积可通过计算得到，因此太阳能系统的所吸收的热能的大小可以得到有效掌控。
附图说明
31.图1为本发明中太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统结构示意图。
32.图2为本发明中集热器示意图；
33.图3为本发明中集热场镜场面积计算流程图。
34.图中：1-预热器；2-蒸发器；3-过热器；4-汽轮机；5-回热器；6-冷凝器；7-第一增压泵；8-冷却塔；9-地热换热器；10-冷罐；11-储热热罐；12-第二增压泵；13-太阳能集热场；14-地热泵；15-软化水装置；16-有机朗肯循环发电系统；17-太阳能系统；18-地热能系统。
具体实施方式
35.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
36.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
37.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
38.参见图1，本发明一个实施例中，提供了一种太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统，该系统结构接单，操作方便，使得能源的梯度得到合理利用，降低了太阳能等新能源的波动性，保证了太阳能等新能源的连续性。
39.具体的，该太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统，包括有机朗肯循环发电系统16、太阳能系统17和地热能系统18；
40.所述有机朗肯循环发电系统16包括能量转移组件、汽轮机4、回热器5、第一增压泵
7和冷却组件；所述能量转移组件的冷端出口连接至汽轮机4入口，汽轮机4的出口连接至回热器5的热端入口，回热器5的热端出口连接至冷却组件的热端入口，冷却组件的热端出口连接至第一增压泵7入口，第一增压泵7的出口连接至回热器5的冷端入口，回热器5的冷端出口连接至能量转移组件的冷端入口；
41.所述太阳能系统17包括地热换热器9、冷罐10、储热热罐11、第二增压泵12和太阳能集热场13；所述热换热器9的冷端出口连接第二增压泵12的入口，第二增压泵12的出口连接至太阳能集热场13的入口；太阳能集热场13的出口、储热热罐11和能量转移组件的热端入口相连通，能量转移组件的热端出口与地热换热器9的冷端入口和冷罐10相连通；
42.所述地热能系统18包括地热泵14和软化水装置15，地热泵14的出口连接软化水装置15的入口，软化水装置15的出口连接至地热换热器9的热端入口。
43.具体的，能量转移组件包括预热器1、蒸发器2和过热器3；
44.在有机朗肯循环发电系统16内，预热器1冷端出口连接至蒸发器2冷端入口，蒸发器2冷端出口连接至过热器3冷端入口，过热器3冷端出口连接至汽轮机4入口；
45.在太阳能系统17内预热器1热端出口与地热换热器9的冷端入口端和冷罐10相连接；太阳能集热场13的出口与储热热罐11以及过热器3的热端入口相连接，过热器3的热端出口连接蒸发器2的热端入口，蒸发器2的热端出口连接预热器1的热端入口。
46.具体的，冷却组件包括冷凝器6；所述冷凝器6的热端入口连接回热器5的热端出口，冷凝器6的热端出口连接第一增压泵7的入口，第一增压泵7的出口连接至回热器5的热端入口。
47.本发明中，冷却组件还包括冷却塔8，所述冷却塔8的出口连接至冷凝器6的冷端入口，冷凝器6的冷端出口连接冷却塔8的入口。
48.本发明还提供了一种太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统的使用方法，基于上述所述的一种太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统，包括如下步骤：
49.当太阳能系统17的能源充足时，冷罐10中的低温工质流出，经地热换热器9、太阳能集热场13加热后，一路进入储热热罐11进行储能，另一路进入有机朗肯循环发电系统16放热，对有机工质进行加热；
50.当太阳能系统17的能源充足时，太阳能系统17可通过调节来分配进入储热热罐11与有机朗肯循环发电系统16的工质流量，以匹配发电系统的实时负荷需求，多余的太阳能进入储热热罐11储存；
51.当太阳能系统17无太阳能能源时，储热热罐11中的高温工质流出，进入有机朗肯循环发电系统16放热，加热有机工质，换热完成后回到冷罐10储存；
52.当太阳能系统17无太阳能能源时，太阳能系统17可通过调节来控制进入有机朗肯循环发电系统16的工质流量，以匹配发电系统的实时负荷需求。
53.本发明中额定工况下系统中的状态点如表1所示；
[0054][0055]
表1额定工况下系统中的状态
[0056]
本发明中太阳能集热场13采用ls-3型聚光集热器，结构如图2所示，基本参数如表2所示；
[0057]
[0058][0059]
表2 ls-3型聚光集热器基本参数
[0060]
具体的，太阳能系统17的所吸收的热能与太阳能集热场13的面积大小成正比，其中太阳能集热场13的面积通过储热热罐11的额定功率与有机朗肯循环发电系统16的汽轮机4的额定输入功率计算得到。
[0061]
太阳能集热场的镜场面积计算流程如图3所示，集热场设计点输出功率计算公式如下：
[0062]
qm＝hs×
p
x
；
[0063][0064]
ps＝pc+p
x
；
[0065]
其中，p
x
为循环发电系统汽轮机额定输入功率；hs为储热量保证发电时长；qm为每日需要储热量；hm为每日储热时长；pc为每日储热功率；ps为集热场设计输出功率。
[0066]
根据经验公式计算设计点集热器效率：
[0067][0068]
p
sr
＝ps÷
η
coll
；
[0069]
其中，η
col
为太阳能集热器效率；t
avcoll
为集热场进出口均温；t
amb
为环境温度；dni为太阳辐照度；p
sr
为集热场设计输入效率。
[0070]
太阳能集热场13的面积公式：
[0071][0072]
其中，a
coll
为太阳能集热场的面积；dni为太阳辐照度；p
sr
为集热场设计输入效率。
[0073]
具体的，有机朗肯循环发电系统16中蒸发器2所吸收的工质能量大小与蒸发器2总换热面积f成正比；其中，蒸发器总换热面积f根据换热器设计换热量q与换热器总传热系数k得到，换热器总传热系数k为210w/(m2·
℃)。
[0074]
蒸发器总换热面积f：
[0075]
f＝q/(δt
×
210)；
[0076]
其中，q为蒸发器设计换热量；δt为平均换热温差；f为蒸发器总换热面积。
[0077]
单管程换热器的管侧流通截面积为：
[0078]at
＝m
t
/ρ
twt
[0079]
其中：a
t
为管侧流通截面积；m
t
为管侧质量流量；ρ
t
为管侧流体密度；w
t
[0080]
为管侧流体设计流速。
[0081]
所需的管数为：
[0082]
n＝4a
t
/πd2[0083]
其中：d为管直径；n为管数量。
[0084]
根据初定的蒸发器换热面积，得到管束的长度为：
[0085]
l＝f/(πdn)
[0086]
其中：l为管束长度，f为蒸发器总换热面积，d为管直径；n为管数量。
[0087]
所需的管程数：
[0088]zt
＝l/l
[0089]
式中：l为换热器单程设计长度；z
t
为管程数；l为管束长度。
[0090]
换热器相关参数如表3所示；
[0091]
[0092][0093]
表3换热器相关参数
[0094]
本发明中有机朗肯循环发电系统16的工质为五氟丙烷r245fa；所述太阳能系统17工质为高温油vp-1；所述地热能系统18工质为水。
[0095]
综上所述，本发明提供了一种太阳能-地热能有机朗肯循环发电系统及使用方法，该系统包括太阳能系统、地热能系统以及有机朗肯循环发电系统，太阳能系统作为有机朗肯循环发电系统的热源，地热能系统为太阳能系统的预热装置，通过换热器能量转移组件可以使太阳能系统的高温工质在有机朗肯循环发电系统中进行放热，使得有机朗肯循环发电系统能够运转；本发明在太阳能系统中设有冷罐和储热热罐，因此该系统不仅仅在太阳能充足时为有机朗肯循环提供能量，也可以将过剩的太阳能储存，在太阳能缺乏时，利用储热热罐储存的能量发电。
[0096]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽
管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。