一種太陽能梯級集熱和梯級發電系統及其發電方法
【專利摘要】本發明公開了一種太陽能梯級集熱和梯級發電系統及其發電方法，屬于太陽能光熱利用領域。本系統主要由太陽能梯級集熱系統和梯級發電系統組成，梯級發電系統包括梯級布置的斯特林機發電循環子系統和有機工質汽輪機發電循環子系統，梯級集熱系統包括梯級布置的槽式聚光集熱裝置和碟式聚光集熱裝置，梯級集熱系統生產的高溫氣體作為梯級布置的斯特林機和有機工質汽輪機的熱源。梯級集熱系統中，送風裝置將氣體依次送往槽式聚光集熱裝置和碟式聚光集熱裝置中進行加熱，生產出高溫空氣。梯級發電系統利用集熱系統生產的高溫氣體先實現斯特林發電循環，然后利用氣體余熱加熱有機工質汽輪機的有機工質，實現朗肯發電循環。
【專利說明】
-種太陽能梯級集熱和梯級發電系統及其發電方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種太陽能發電系統及發電方法，更具體地，設及一種太陽能梯級集 熱和梯級發電系統及其發電方法。
【背景技術】
[0002] 槽式太陽能發電系統使用拋物線型槽式聚光集熱裝置將太陽光聚在一條直線上， 受限于槽式聚光集熱裝置較低的聚光能力，最高溫度一般低于400°C。技術成熟，但熱源溫 度低，導致能量品位低，效率較低，年平均效率只有10%左右。
[0003] 碟式太陽能發電系統利用碟式聚光集熱裝置將太陽光聚于一點，溫度可達iooor W上。而斯特林機由于其自身特性，可W在高溫工況下W高效率做功。在太陽能熱利用領 域，斯特林機可W利用高品位的太陽能發電，效率最高可達30%，遠高于其他太陽能發電方 式，而且整個過程無需耗水，特別適用于缺水干旱地區。
[0004] 但是，碟式太陽能發電系統中，斯特林機的加熱器采用腔式吸熱器，內部多用鋼鐘 溶液及其產生的蒸汽作為熱源換熱，結構復雜，建設成本高，且鋼鐘溶液屬于高危化工用 品，運行風險大。也有其他熱源換熱方式，比如在外燃式發熱電系統中，使用燃燒產生的煙 氣作為熱源換熱，需要額外的燃燒設備，也存在建設成本高，無法大規模推廣應用，技術復 雜，不便與太陽能發熱結合等問題。

【發明內容】

[0005] 針對現有技術的W上缺陷或改進需求，本發明提供了一種太陽能梯級集熱和梯級 發電系統及其發電方法，其結構簡單、建設成本低、綜合效率高。
[0006] 為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種太陽能梯級集熱和梯級發 電系統，其特征在于，包括:太陽能梯級集熱系統，W及梯級發電系統;所述梯級發電系統包 括梯級布置的斯特林機發電循環子系統和有機工質汽輪機發電循環子系統;所述斯特林機 發電循環子系統包括斯特林機，所述斯特林機包括斯特林機換熱器;所述有機工質汽輪機 發電循環子系統中，有機工質換熱器、有機工質汽輪機、凝汽器、有機工質累和有機工質換 熱器依次連接成有機工質汽輪機發電循環子系統;所述太陽能梯級集熱系統包括梯級布置 的槽式聚光集熱裝置和碟式聚光集熱裝置;所述太陽能梯級集熱系統中，送風裝置將氣體 依次送往所述槽式聚光集熱裝置和所述碟式聚光集熱裝置中進行加熱，生產出的高溫氣體 送入所述梯級發電系統，先經過所述斯特林機發電循環子系統實現斯特林發電循環，后經 過所述有機工質汽輪機發電循環子系統，利用氣體余熱加熱所述有機工質汽輪機內部的有 機工質實現朗肯發電循環;所述高溫氣體依次經過所述斯特林機換熱器和所述有機工質換 熱器換熱后，降溫并進入所述送風裝置。
[0007] 進一步地，加熱斯特林發電循環子系統后，從所述斯特林發電循環子系統出來的 被吸熱后的高溫氣體與所述有機汽輪機發電循環子系統中的有機工質在所述有機工質換 熱器中逆向換熱。進一步地，所述斯特林發電循環子系統包括一個或多個槽式聚光集熱裝 置，相互并聯或串聯或混聯。
[0008] 進一步地，所述斯特林發電循環子系統包括一個或多個碟式聚光集熱裝置，相互 并聯或串聯或混聯。
[0009] 進一步地，所述碟式聚光集熱裝置和所述槽式聚光集熱裝置包括對日追蹤系統， 所述對日追蹤系統連接電子控制裝置。
[0010] -種基于所述太陽能梯級集熱和梯級發電系統的發電方法，其特征在于：
[0011] 所述太陽能梯級集熱和梯級發電系統的熱源介質為氣體，所述有機汽輪機發電循 環子系統的做功介質為有機工質，
[0012] 所述太陽能梯級集熱和梯級發電系統的循環過程為，
[0013] (1)所述氣體經由所述槽式聚光集熱裝置進行第一次加熱；
[0014] (2)所述氣體經第一次加熱后繼續通過所述碟式聚光集熱裝置進行第二次加熱；
[0015] (3)所述氣體經第二次加熱后，進入所述斯特林機換熱器并放熱，所述氣體第一次 降溫；
[0016] (4)所述氣體第一次降溫后，進入所述有機工質換熱器加熱所述有機汽輪機發電 循環子系統中的有機工質，所述氣體第二次降溫；
[0017] (5)所述氣體在第二次降溫后，通入所述送風裝置加壓，然后返回步驟(1);
[001引（6)所述有機工質在步驟(4)中吸收熱量產生相變成為蒸汽；
[0019] (7)所述蒸汽進入所述有機工質汽輪機做功；
[0020] (8)所述蒸汽做工結束后經過所述凝汽器，重新冷卻成為所述有機工質；
[0021] (9)所述有機工質進入所述有機工質累加壓后返回步驟(6)
[0022] 總體而言，本發明所構思的W上技術方案與現有技術相比，具有W下有益效果:通 過槽式聚光集熱裝置和碟式聚光集熱裝置的梯級集熱實現了太陽能資源的高效收集，提升 了氣體加熱能力，減小了加熱過程中的福射熱損;通過斯特林發電循環子系統和有機汽輪 機發電循環子系統的梯級發電實現了不同品位太陽能的全面利用，提高了熱機輸出功率和 效率，提升了太陽能的利用效率。在斯特林發電循環子系統中采用氣體熱源，擴展了斯特林 發電循環子系統的熱循環范圍，使得斯特林發電循環子系統能通過有機工質換熱器將發電 余熱共享給有機工質汽輪機發電循環子系統，簡化了設備，降低了成本，提升了系統的整體 穩定性及安全性。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發明第一實施例的系統結構及能量循環示意圖。
[0024] 在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-槽式聚光集 熱裝置、2-碟式聚光集熱裝置、3-斯特林機換熱器、4-斯特林機、5-有機工質換熱器、6-有機 工質汽輪機、7-凝汽器、8-有機工質累、9-送風裝置。
【具體實施方式】
[0025] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，W下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所設及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可W相互組合。
[0026] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明進行整體的描述。基于本發明中的 實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都 屬于本發明的保護范圍。
[0027] 請參照圖1，為本發明第一實施例的系統結構及能量循環示意圖。該系統包括太陽 能梯級集熱系統，W及梯級發電系統。在所述太陽能梯級集熱系統中，所述槽式聚光集熱裝 置1和所述碟式聚光集熱裝置2依次連接構成所述太陽能梯級集熱系統，在所述梯級發電系 統中，斯特林發電循環子系統和有機朗肯發電循環子系統梯級布置構成所述梯級發電系 統，其中所述斯特林發電循環子系統包括所述斯特林發電循環子系統包括斯特林機4,所述 斯特林機4包括斯特林機換熱器3。有機工質換熱器5、有機工質汽輪機6、凝汽器7、有機工質 累8依次連接，且所述有機工質累8連接至所述有機工質換熱器5，構成所述有機汽輪機發電 循環子系統。
[0028] 具體地，第一實施例包括太陽能梯級集熱系統，W及梯級發電系統;所述梯級發電 系統包括梯級布置的斯特林機發電循環子系統和有機工質汽輪機發電循環所述斯特林發 電循環子系統包括斯特林機4,所述斯特林機4包括斯特林機換熱器3;所述有機工質汽輪機 發電循環子系統中，有機工質換熱器5、有機工質汽輪機6、凝汽器7和有機工質累8依次連 接，且所述有機工質累8連接至所述有機工質換熱器5,構成所述有機工質汽輪機發電循環 回路;所述太陽能梯級集熱系統包括梯級布置的槽式聚光集熱裝置1和碟式聚光集熱裝置 2;所述太陽能梯級集熱系統中，送風裝置9將氣體依次送往所述槽式聚光集熱裝置1和所述 碟式聚光集熱裝置2中進行加熱，生產出的高溫氣體送入所述梯級發電系統，先經過所述斯 特林機發電循環子系統實現斯特林發電循環，后經過所述有機工質汽輪機發電循環子系 統，利用氣體余熱加熱所述有機工質汽輪機內部的有機工質實現朗肯發電循環;所述高溫 氣體依次經過所述斯特林機換熱器和所述有機工質換熱器換熱后，降溫并進入所述送風裝 置9。在本實施例中，作為熱源的氣體為空氣。
[0029] 如圖1所示，所述斯特林發電循環子系統中的高溫空氣與所述有機朗肯發電循環 子系統中的有機工質在所述有機工質換熱器5中逆向換熱，即所述高溫空氣和所述有機工 質在所述有機工質換熱器5中的流向相反，W提高換熱能力。所述碟式聚光集熱裝置1和所 述槽式聚光集熱裝置2包括對日追蹤系統（未圖示），所述對日追蹤系統連接電子控制裝置 (未圖示），W實現對太陽方位的追蹤，提高集熱能力。
[0030] 所述斯特林機4和所述有機工質汽輪機6后接發電機(未圖示），并與蓄電裝置(未 圖示)相連。
[0031 ]第一實施例的具體集熱及發電循環過程如下：
[0032] 所述太陽能梯級集熱和梯級發電系統的循環過程為，
[0033] (1)所述空氣經由所述槽式聚光集熱裝置1進行第一次加熱；
[0034] (2)所述空氣經第一次加熱后繼續通過所述碟式聚光集熱裝置2進行第二次加熱；
[0035] (3)所述氣體經第二次加熱后，進入所述斯特林機換熱器3并放熱，所述氣體第一 次降溫;其中，放出的熱能通過所述斯特林機換熱器巧日熱所述斯特林機4內部工作介質氮 氣，所述氮氣膨脹做功，所述斯特林機4帶動發電機發電；
[0036] (4)所述氣體第一次降溫后，進入所述有機工質換熱器巧日熱所述有機汽輪機發電 循環子系統中的有機工質，所述氣體第二次降溫；
[0037] (5)所述氣體在第二次降溫后，通入所述送風裝置9加壓后返回步驟(1);
[003引（6)所述有機工質在步驟(4)中吸收熱量產生相變成為蒸汽；
[0039] (7)所述蒸汽進入所述有機工質汽輪機6做功，所述有機工質汽輪機6帶動發電機 發電；
[0040] (8)所述蒸汽做工結束后經過所述凝汽器7,重新冷卻成為所述有機工質；
[0041] (9)所述有機工質進入所述有機工質累8加壓后返回步驟(6)
[0042] 下面結合二個實驗來對本發明第一實施例進行說明，W下實驗中用到的實驗設備 及實驗環境相同（接收的太陽能福射強度均為E = O.6kW/m2)，且使用的是最高加熱溫度為 30(TC的槽式聚光集熱裝置1，碟式聚光集熱裝置2面積為Si,槽式聚光集熱裝置1面積為S2， Si+S2 = 50m2。
[0043] 【實驗一】第一實施例的太陽能梯級集熱和梯級發電系統
[0044] 空氣經由面積為Si的所述槽式聚光集熱裝置1加熱到300°C，再通過面積為S2的所 述碟式聚光集熱裝置2加熱至70(TC，后直接送入所述斯特林機換熱器3加熱所述斯特林機4 內部的氮氣做功。經過氮氣吸熱后，空氣溫度降為400°C，進入所述有機工質換熱器5與有機 工質換熱，經有機工質汽輪機發電循環子系統發電后，溫度從400°C降為150°C。
[0045] 此過程中，經過實測，斯特林發電循環子系統的發電功率Pi = 6.95kW，有機工質汽 輪機發電循環子系統的發電功率P2=1.56kW，
[0046] 總輸出功率 P = Pi+P2 = 6.95+1.56 = 8.51kW，
[0047] 整體效率
[004引
[0049] 【實驗二】單獨W面積為Si的所述碟式聚光集熱裝置2供能的斯特林發電循環子系 統、單獨W面積為S2的所述槽式聚光集熱裝置1供能的有機工質汽輪機發電循環子系統
[0050] 所述碟式聚光集熱裝置2將空氣從常溫加熱到700°C，經所述斯特林發電循環子系 統吸熱發電后空氣降溫至400°C，實測此時斯特林發電循環子系統的發電功率Pi' = 6.95kW。
[0051] 由于本實驗采用的面積為S2的槽式聚光集熱裝置I最高加熱溫度為300°C，空氣經 過所述有機工質汽輪機發電循環子系統后，溫度從300度降到150度，實測發電功率P2' = 0.83kW
[0化2] 二個相互獨立的系統總發電量P' =Pi'+P2' =7.78Kw
[00日3] 一水化Tf加古6句香綾估由就磊
[00日4]
[00對通過二個實驗結果的比較可知，111礎^1 = 口1'瓜化'；即采用本發明的太陽能梯 級集熱及梯級發電系統，雖然梯級集熱效率比純碟式聚光集熱裝置的集熱效率降低，但是 斯特林發電循環的功率未降低，而有機工質汽輪機發電循環的功率卻得到了提高，除發電 功率外，整體發電效率也大于兩者分別獨立發電的效率。
[0056]在其他實施例中（未圖示），所述氣體也可W是氮氣、氮氣等。
[0057] 在其他實施例中（未圖示），所述的槽式聚光集熱裝置I設置為多個，多個槽式聚光 集熱裝置1之間采用串聯、并聯或者混聯方式連接，并聯可W增大氣體流量，串聯可W延長 氣體加熱路徑，提升加熱能力。
[0058] 在其他實施例中（未圖示），所述的碟式聚光集熱裝置2設置為多個，多個碟式聚光 集熱裝置2之間采用串聯、并聯或者混聯方式連接。
[0059] 未說明的設備、儀表、閥口、管路、保溫裝置等可采用公知的成熟技術進行配套。
[0060] 和現有技術相比，本發明具有如下有益效果：
[0061] 1、本發明實現了碟式太陽能發電技術與槽式太陽能發電技術的結合，通過槽式聚 光集熱裝置和碟式聚光集熱裝置的梯級集熱實現了太陽能資源的高效收集，避免利用太陽 能將介質從低溫直接加熱到高溫的功率不足問題，減小了加熱過程中的福射熱損；
[0062] 2、本發明通過斯特林發電循環子系統和有機工質汽輪機發電循環子系統的梯級 發電實現了不同品位太陽能的全面利用，高品位太陽能用于斯特林發電循環子系統進行發 電，低品位太陽能用于有機工質汽輪機發電循環子系統進行發電，提高了熱機整體輸出功 率和效率，提升了太陽能的整體利用效率，在太陽能電熱發電中具有廣闊的應用和推廣前 景；
[0063] 3、本發明通過氣體作為梯級集熱系統及斯特林發電循環子系統的熱源，簡化了斯 特林機原本復雜、昂貴、危險的加熱器結構，簡化了設備，降低了斯特林機內部換熱成本，提 升了系統的整體穩定性及安全性，并且擴展了單獨的斯特林發電循環子系統的熱源循環范 圍，使得斯特林發電循環子系統內的斯特林機和碟式聚光集熱裝置能分離設置，且能通過 有機工質換熱器將熱源共享給有機朗肯發電循環子系統；
[0064] 4、碟式聚光集熱裝置雖然太陽能集熱效率高，但技術不成熟，成本高，槽式聚光集 熱裝置雖然太陽能集熱效率低、最高溫度也低，但是相應地成本也低。因此，本發明把兩種 聚光集熱裝置梯級整合，雖然降低了聚光集熱裝置整體的集熱效率，斯特林機發電效率卻 基本不受影響，而通過斯特林循環換熱后的氣體，熱能高于槽式聚光集熱裝置單獨聚熱所 能達到的熱能，提升了有機工質汽輪機發電循環獲得的初始熱能，使得有機工質汽輪機循 環的熱能利用效率和發電功率均有所提高，從而整體的光能利用率和發電功率也得到提 局。
[0065] 5、在相同采光總面積上發出的電量大于槽式和碟式單獨的系統分別發出的電量 之和，而且由于采用梯級集成，槽式聚光集熱裝置在中低溫段集熱成本低，碟式聚光集熱裝 置在高溫段集熱效率高，聚光成本和換熱成本均降低，因此，相比單獨的碟式聚光集熱裝置 式發電系統和槽式聚光集熱裝置式發電系統更有優勢，性價比更高，更適于大面積推廣。
[0066] 本領域的技術人員容易理解，W上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用W 限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含 在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種太陽能梯級集熱和梯級發電系統，其特征在于，包括:太陽能梯級集熱系統，以 及梯級發電系統;所述梯級發電系統包括梯級布置的斯特林機發電循環子系統和有機工質 汽輪機發電循環子系統;所述斯特林機發電循環子系統包括斯特林機，所述斯特林機包括 斯特林機換熱器;所述有機工質汽輪機發電循環子系統中，有機工質換熱器、有機工質汽輪 機、凝汽器、有機工質栗和有機工質換熱器依次連接成有機工質汽輪機發電循環子系統;所 述太陽能梯級集熱系統包括梯級布置的槽式聚光集熱裝置和碟式聚光集熱裝置;所述太陽 能梯級集熱系統中，送風裝置將氣體依次送往所述槽式聚光集熱裝置和所述碟式聚光集熱 裝置中進行加熱，生產出的高溫氣體送入所述梯級發電系統，先經過所述斯特林機發電循 環子系統實現斯特林發電循環，后經過所述有機工質汽輪機發電循環子系統，利用氣體余 熱加熱所述有機工質汽輪機內部的有機工質實現朗肯發電循環;所述高溫氣體依次經過所 述斯特林機換熱器和所述有機工質換熱器換熱后，降溫并進入所述送風裝置。2. 根據權利要求1所述的太陽能梯級集熱和梯級發電系統，其特征在于:加熱斯特林發 電循環子系統后，從所述斯特林發電循環子系統出來的被吸熱后的高溫氣體與所述有機工 質在所述有機工質換熱器中逆向換熱。3. 根據權利要求1所述的太陽能梯級集熱系統，其特征在于:所述太陽能梯級集熱系統 包括多個槽式聚光集熱裝置，相互并聯或串聯或混聯。4. 根據權利要求1所述的太陽能梯級集熱系統，其特征在于:所述太陽能梯級集熱系統 系統包括多個碟式聚光集熱裝置，相互并聯或串聯或混聯。5. 根據權利要求1所述的太陽能梯級集熱系統，其特征在于:所述碟式聚光集熱裝置和 所述槽式聚光集熱裝置包括對日追蹤系統，所述對日追蹤系統連接電子控制裝置。6. -種基于權利要求1所述系統的發電方法，其特征在于， 所述太陽能梯級集熱和梯級發電系統的傳熱介質為氣體，所述有機朗肯發電循環子系 統的做功介質為有機工質， 所述太陽能梯級集熱和梯級發電系統的循環過程為： (1) 所述氣體經由所述槽式聚光集熱裝置進行第一次加熱； (2) 所述氣體經第一次加熱后繼續通過所述碟式聚光集熱裝置進行第二次加熱； (3) 所述氣體經第二次加熱后，進入所述斯特林機換熱器并放熱，所述氣體第一次降 溫； (4) 所述氣體第一次降溫后，進入所述有機工質換熱器加熱所述有機汽輪機發電循環 子系統中的有機工質，所述氣體第二次降溫； (5) 所述氣體在第二次降溫后，通入所述送風裝置加壓，然后返回步驟（1); (6) 所述有機工質在步驟(4)中吸收熱量產生相變成為蒸汽； (7) 所述蒸汽進入所述有機工質汽輪機做功； (8) 所述蒸汽做工結束后經過所述凝汽器，重新冷卻成為所述有機工質； (9) 所述有機工質進入所述有機工質栗加壓后返回步驟(6)。
【文檔編號】F24J2/06GK105822513SQ201610317423
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月13日
【發明人】張燕平, 封華翼, 張 成, 黃樹紅
【申請人】華中科技大學