本發(fā)明屬于太陽能利用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種混合式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

由于太陽能本身周期性的特點，各種太陽能發(fā)電技術(shù)均面臨發(fā)電不穩(wěn)定的問題。光伏發(fā)電技術(shù)直接將光轉(zhuǎn)化為電能，這一缺陷更加明顯，目前廣泛采用的解決方案為加蓄電池儲能，但蓄電池儲能成本高，這也就增加了太陽能光伏電站的整體成本。與光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電技術(shù)添加儲熱模塊，更容易實現(xiàn)長時間穩(wěn)定發(fā)電，而且儲熱成本明顯低于儲電成本。

在太陽能光熱發(fā)電技術(shù)中，無論是聚焦式、塔式、平板式，廣泛采用雙回路發(fā)電系統(tǒng)，即通過高溫熔鹽、水蒸氣等獲取太陽投射的熱量，作為蒸汽發(fā)電循環(huán)中鍋爐部分，取熱介質(zhì)與動力循環(huán)介質(zhì)分離。也有不少研究人員研究直接蒸氣發(fā)電(dsg)，這種發(fā)電方式與雙回路發(fā)電方式相比，取熱介質(zhì)就是動力循環(huán)介質(zhì)，減少了一次換熱，同等情況下太陽能轉(zhuǎn)化為電能效率必然提高，同時可以減少換熱器投資和運行費用。然而直接蒸氣發(fā)電(dsg)也要面臨與光伏發(fā)電同樣的問題，即發(fā)電量直接與太陽光照強度相關(guān)聯(lián)。

因此，更低成本、更高效率且更穩(wěn)定的太陽能熱發(fā)電技術(shù)是目前研究的熱點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種低成本穩(wěn)定高效的混合式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)與常見太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)相比，效率更高，成本更低；與常見光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，產(chǎn)電質(zhì)量更高，與其他用能方式結(jié)合，經(jīng)濟效益更好。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種混合式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，包括太陽能集熱循環(huán)子系統(tǒng)、直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)子系統(tǒng)和間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)子系統(tǒng)。所述太陽能集熱循環(huán)子系統(tǒng)包括由連接管路與太陽能集熱器的工質(zhì)高溫出口依次相連的高溫集熱箱、第一蓄熱工質(zhì)泵、換熱器、低溫集熱箱和第二蓄熱工質(zhì)泵，所述第二蓄熱工質(zhì)泵連接至所述太陽能集熱器低溫工質(zhì)進口；自所述第一蓄熱工質(zhì)泵至所述換熱器之間的連接管段上依次設(shè)有第一單向閥和第一截止閥，所述低溫集熱箱與所述第二蓄熱工質(zhì)泵之間的連接管段上設(shè)有第二截止閥，所述第二蓄熱工質(zhì)泵與所述太陽能集熱器之間的連接管段上設(shè)有第二單向閥；所述高溫集熱箱的下游、且位于所述第一單向閥和第一截止閥之間的連接管段連接出第一支路，所述第一支路上設(shè)有第四截止閥；自所述低溫集熱箱上連接出第二支路，所述第二支路上設(shè)有第三截止閥，所述直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)子系統(tǒng)包括與冷凝器的出口依次相連的循環(huán)工質(zhì)泵、太陽能直接蒸發(fā)器、膨脹機和發(fā)電機，自所述循環(huán)工質(zhì)泵至所述太陽能直接蒸發(fā)器之間的連接管段上依次依次設(shè)有第三單向閥和第五截止閥；所述太陽能直接蒸發(fā)器與所述膨脹機之間的連接管段上設(shè)有第一三通，所述第三單向閥與所述第五截止閥之間的連接管段上設(shè)有第二三通，所述換熱器的高溫級出口連接至所述第一三通，所述換熱器的低溫級進口通過第六截止閥連接至所述第二三通；所述冷凝器、循環(huán)工質(zhì)泵、太陽能直接蒸發(fā)器、膨脹機、發(fā)電機、第三單向閥和第六截止閥構(gòu)成了所述間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)子系統(tǒng)；所述膨脹機的兩端連接有并聯(lián)旁路，所述并聯(lián)旁路上連接有第七截止閥。

本發(fā)明一種混合式太陽能熱發(fā)電方法，利用上述混合式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，所述太陽能集熱循環(huán)子系統(tǒng)實現(xiàn)太陽能集熱，以滿足直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)和間接發(fā)電循環(huán)的要求，所述直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)子系統(tǒng)實現(xiàn)直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)，所述間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)子系統(tǒng)實現(xiàn)間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)；太陽能集熱包括集熱階段和放熱階段，其中，集熱階段的過程是：第一截止閥、第三截止閥、第四截止閥和第一蓄熱工質(zhì)泵關(guān)閉，所述第二截止閥打開，第二蓄熱工質(zhì)泵啟動；所述低溫集熱箱中的工質(zhì)經(jīng)第二蓄熱工質(zhì)泵加壓、通過第二單向閥進入太陽能集熱器吸熱變?yōu)楦邷毓べ|(zhì)，最終匯集到高溫集熱箱，待放熱階段使用；放熱階段的過程是：第二截止閥、第三截止閥、第四截止閥和第二蓄熱工質(zhì)泵關(guān)閉，第一截止閥打開，第一蓄熱工質(zhì)泵啟動；高溫集熱箱中的高溫工質(zhì)經(jīng)由第二蓄熱工質(zhì)泵加壓、通過第一單向閥進入換熱器與發(fā)電循環(huán)工質(zhì)進行換熱，放熱降溫后成為低溫工質(zhì)，并進入低溫集熱箱，待下次集熱階段使用；

直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)過程是：關(guān)閉第六截止閥和第七截止閥，打開第五截止閥，循環(huán)工質(zhì)泵運行，與此同時，太陽能集熱子系統(tǒng)是處于集熱階段；所述冷凝器中的低溫液態(tài)工質(zhì)由循環(huán)工質(zhì)泵加壓后依次經(jīng)第三單向閥、第五截止閥進入太陽能直接蒸發(fā)器吸收太陽能輻射熱蒸發(fā)為高溫高壓的干飽和蒸氣，并進入膨脹機，所述膨脹機輸出的軸功帶動所述發(fā)電機發(fā)電，與此同時，產(chǎn)生的低溫低壓氣態(tài)工質(zhì)則回到所述冷凝器冷凝為低溫低壓液態(tài)工質(zhì)，至此完成一個直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)；

間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)過程是：關(guān)閉第五截止閥和第七截止閥，打開第六截止閥，循環(huán)工質(zhì)泵運行，與此同時，太陽能集熱子系統(tǒng)是處于放熱階段；所述冷凝器中的低溫液態(tài)工質(zhì)由循環(huán)工質(zhì)泵加壓后依次經(jīng)第三單向閥、第六截止閥進入換熱器，發(fā)電循環(huán)工質(zhì)與高溫集熱工質(zhì)進行換熱后變?yōu)楦邷馗邏旱母娠柡驼魵?，進入膨脹機，膨脹機輸出的軸功帶動發(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生的低溫低壓氣態(tài)工質(zhì)則回到冷凝器冷凝為低溫低壓液態(tài)工質(zhì)，此時完成一個間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)。

進一步講，在太陽能集熱子系統(tǒng)中將集熱階段中匯集到的高溫集熱箱的高溫工質(zhì)提供給系統(tǒng)外時，關(guān)閉第一截止閥、第二截止閥和第三截止閥，第二蓄熱工質(zhì)泵關(guān)閉，打開第四截止閥，啟動第一蓄熱工質(zhì)泵，從而將所述高溫集熱箱中的高溫工質(zhì)經(jīng)第一蓄熱工質(zhì)泵加壓后經(jīng)過第一單向閥排至系統(tǒng)外。當(dāng)需要向所述低溫集熱箱中補充集熱工質(zhì)時，僅打開第三截止閥由系統(tǒng)外向所述低溫集熱箱中補充集熱工質(zhì)。

在直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)或是間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)過程中，如果需要太陽能直接蒸發(fā)器緊急泄壓時，打開第七截止閥，使工質(zhì)從太陽能直接蒸發(fā)器直接進入冷凝器冷凝。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提出的混合式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，綜合了太陽能直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)和太陽能間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)兩種方式，兩者共用部分設(shè)備，在日照變動的情況下可實現(xiàn)穩(wěn)定發(fā)電，同時保證效率。其主要有益效果如下：

(1)與目前常見單純間接換熱太陽能熱發(fā)電循環(huán)相比，在日照充足時，通過直接蒸發(fā)發(fā)電，減少一次換熱，降低了不可逆熱損失，結(jié)構(gòu)簡單、性能良好，提高了能源轉(zhuǎn)化效率；同時，相對間接蒸發(fā)式系統(tǒng)，太陽能集熱溫度降低，而系統(tǒng)蒸發(fā)溫度升高，這就使得集熱器效率升高、投入面積減少，系統(tǒng)成本降低。

(2)單純直接蒸發(fā)太陽能熱發(fā)電循環(huán)相比和光伏發(fā)電，為了保障電能穩(wěn)定，需要設(shè)儲電設(shè)備，而儲電成本明顯高于儲熱成本，因此該系統(tǒng)經(jīng)濟性更優(yōu)。

(3)系統(tǒng)設(shè)計時，共用共用循環(huán)工質(zhì)泵、冷凝器、膨脹機部分，精簡了系統(tǒng)，大幅降低了成本。當(dāng)然，如此設(shè)計要求儲熱循環(huán)工質(zhì)和發(fā)電循環(huán)工質(zhì)匹配，這也是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

(4)系統(tǒng)中的儲熱循環(huán)預(yù)留有向外供熱的支路，在有供熱需求時可以直接提供熱量，進一步提高經(jīng)濟效益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明混合式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖；

圖2是實施例中日內(nèi)太陽輻射強度變化曲線。

圖中：

1-太陽能集熱器2-高溫集熱箱3、6蓄熱工質(zhì)泵4-換熱器

5-低溫集熱箱7-冷凝器8-循環(huán)工質(zhì)泵9-太陽能直接蒸發(fā)器

10-膨脹機11-發(fā)電機v1～v7均為截止閥c1～c3均為單向閥

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明技術(shù)方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發(fā)明進行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。

本發(fā)明的設(shè)計思路是：綜合了直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)與雙回路發(fā)電循環(huán)兩種循環(huán)系統(tǒng)。其中，直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)在直接蒸發(fā)器部分，循環(huán)工質(zhì)直接吸收太陽投射輻射，蒸發(fā)變?yōu)楦邏簹怏w，進入膨脹機膨脹做功變?yōu)榈蛪簹怏w，進入冷凝器冷凝變?yōu)榈蛪阂后w，再經(jīng)循環(huán)泵回到直接蒸發(fā)器完成循環(huán)。雙回路發(fā)電循環(huán)則將直接蒸發(fā)器替換氣液換熱器，高溫?zé)嵩从商柲芗療嵫h(huán)匯集而來。兩個循環(huán)共用循環(huán)工質(zhì)泵、冷凝器、膨脹機部分，通過連接管路上設(shè)置的截止閥切換循環(huán)環(huán)路可以實現(xiàn)長時穩(wěn)定運行。

如圖1所示，本發(fā)明提出的一種混合式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，包括太陽能集熱循環(huán)子系統(tǒng)、直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)子系統(tǒng)和間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)子系統(tǒng)。

所述太陽能集熱循環(huán)子系統(tǒng)包括由連接管路與太陽能集熱器1的工質(zhì)高溫出口依次相連的高溫集熱箱2、第一蓄熱工質(zhì)泵3、換熱器4、低溫集熱箱5和第二蓄熱工質(zhì)泵6，所述第二蓄熱工質(zhì)泵6連接至所述太陽能集熱器1低溫工質(zhì)進口；自所述第一蓄熱工質(zhì)泵3至所述換熱器4之間的連接管段上依次設(shè)有第一單向閥c1和第一截止閥v1，所述低溫集熱箱5與所述第二蓄熱工質(zhì)泵6之間的連接管段上設(shè)有第二截止閥v2，所述第二蓄熱工質(zhì)泵6與所述太陽能集熱器1之間的連接管段上設(shè)有第二單向閥c2。

所述高溫集熱箱2的下游、且位于所述第一單向閥c1和第一截止閥v1之間的連接管段連接出第一支路，所述第一支路上設(shè)有第四截止閥v4；自所述低溫集熱箱5上連接出第二支路，所述第二支路上設(shè)有第三截止閥v3。

所述直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)子系統(tǒng)包括與冷凝器7的出口依次相連的循環(huán)工質(zhì)泵8、太陽能直接蒸發(fā)器9、膨脹機10和發(fā)電機11，自所述循環(huán)工質(zhì)泵8至所述太陽能直接蒸發(fā)器9之間的連接管段上依次依次設(shè)有第三單向閥c3和第五截止閥v5。

所述太陽能直接蒸發(fā)器9與所述膨脹機10之間的連接管段上設(shè)有第一三通a，所述換熱器4的高溫級出口連接至所述第一三通a，所述第三單向閥c3與所述第五截止閥v5之間的連接管段上設(shè)有第二三通b，所述換熱器4的低溫級進口通過第六截止閥v6連接至所述第二三通b。

所述冷凝器7、循環(huán)工質(zhì)泵8、太陽能直接蒸發(fā)器9、膨脹機10、發(fā)電機11、第三單向閥c3和第六截止閥v6構(gòu)成了所述間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)子系統(tǒng)。

所述膨脹機10的兩端連接有并聯(lián)旁路，所述并聯(lián)旁路上連接有第七截止閥v7。

本發(fā)明混合式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)的方法，利用太陽能集熱循環(huán)子系統(tǒng)實現(xiàn)太陽能集熱，以滿足直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)和間接發(fā)電循環(huán)的要求，利用直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)子系統(tǒng)實現(xiàn)直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)，利用間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)子系統(tǒng)實現(xiàn)間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)。具體過程如下

太陽能集熱包括集熱階段和放熱階段。

集熱階段的過程是：第一截止閥v1、第三截止閥v3、第四截止閥v4和第一蓄熱工質(zhì)泵3關(guān)閉，所述第二截止閥v2打開，第二蓄熱工質(zhì)泵6啟動；所述低溫集熱箱5中的工質(zhì)經(jīng)第二蓄熱工質(zhì)泵6加壓、通過第二單向閥c2進入太陽能集熱器1吸熱變?yōu)楦邷毓べ|(zhì)，最終匯集到高溫集熱箱2，待放熱階段使用。

在太陽能集熱循環(huán)子系統(tǒng)中設(shè)有第一支路，該第一支路上設(shè)有第四截止閥v4，在太陽能集熱和放熱過程中將集熱階段中匯集到的高溫集熱箱2的高溫工質(zhì)提供給系統(tǒng)外時，關(guān)閉第一截止閥v1、第二截止閥v2和第三截止閥v3，第二蓄熱工質(zhì)泵6關(guān)閉，打開第四截止閥v4，啟動第一蓄熱工質(zhì)泵3，從而將所述高溫集熱箱2中的高溫工質(zhì)經(jīng)第一蓄熱工質(zhì)泵6加壓后經(jīng)過第一單向閥c1排至系統(tǒng)外。在向系統(tǒng)外提供熱能的同時，系統(tǒng)內(nèi)的集熱工質(zhì)隨之減少，同樣，在太陽能集熱循環(huán)子系統(tǒng)中設(shè)有第二支路，該第二支路上設(shè)有第三截止閥v3，當(dāng)需要向所述低溫集熱箱5中補充集熱工質(zhì)時，僅打開第三截止閥v3由系統(tǒng)外向所述低溫集熱箱5中補充集熱工質(zhì)。

放熱階段的過程是：第二截止閥v2、第三截止閥v3、第四截止閥v4和第二蓄熱工質(zhì)泵6關(guān)閉，第一截止閥v1打開，第一蓄熱工質(zhì)泵3啟動；高溫集熱箱2中的高溫工質(zhì)經(jīng)由第二蓄熱工質(zhì)泵6加壓、通過第一單向閥c1進入換熱器4與工質(zhì)進行換熱，放熱降溫后成為低溫工質(zhì)，并進入低溫集熱箱5，待下次集熱階段使用。

直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)過程是：關(guān)閉第六截止閥v6和第七截止閥v7，打開第五截止閥v5，循環(huán)工質(zhì)泵8運行，與此同時，太陽能集熱循環(huán)子系統(tǒng)的模式是處于集熱階段；所述冷凝器7中的低溫液態(tài)工質(zhì)由循環(huán)工質(zhì)泵8加壓后依次經(jīng)第三單向閥c3、第五截止閥v5進入太陽能直接蒸發(fā)器9吸收太陽能輻射熱蒸發(fā)為高溫高壓的干飽和蒸氣，并進入膨脹機10，所述膨脹機10輸出的軸功帶動所述發(fā)電機11發(fā)電，與此同時，產(chǎn)生的低溫低壓氣態(tài)工質(zhì)則回到所述冷凝器7冷凝為低溫低壓液態(tài)工質(zhì)，至此完成一個直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)。

間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)過程是：關(guān)閉第五截止閥v5和第七截止閥v7，打開第六截止閥v6，循環(huán)工質(zhì)泵8運行，與此同時，太陽能集熱循環(huán)子系統(tǒng)的模式是處于放熱階段；所述冷凝器7中的低溫液態(tài)工質(zhì)由循環(huán)工質(zhì)泵8加壓后依次經(jīng)第三單向閥c3、第六截止閥v6進入換熱器4，工質(zhì)與高溫集熱工質(zhì)進行換熱后變?yōu)楦邷馗邏旱母娠柡驼魵猓M入膨脹機10，膨脹機10輸出的軸功帶動發(fā)電機11發(fā)電，產(chǎn)生的低溫低壓氣態(tài)工質(zhì)則回到冷凝器7冷凝為低溫低壓液態(tài)工質(zhì)，此時完成一個間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)。

在上述直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)或是間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)過程中，為了保護整個系統(tǒng)的穩(wěn)定(即保護膨脹機10)，如果有特殊情況需要太陽能直接蒸發(fā)器9緊急泄壓時，可以打開與膨脹機10并聯(lián)旁路上的第七截止閥v7，使工質(zhì)從太陽能直接蒸發(fā)器9直接從并聯(lián)旁路進入冷凝器7冷凝。

實施例：

地面接收到太陽能投射輻射不穩(wěn)定，但有一定規(guī)律。以一日內(nèi)最理想狀況(即日照良好，無云層霧霾等遮擋)來說明本發(fā)明混合式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的運行狀況。

如圖2所示，該日太陽日出在6時，日落在18時。8時，達到直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)可以運行的條件，第一、第三和第四截止閥v1、v3、v4關(guān)閉，第一蓄熱工質(zhì)泵3不工作，同時第二截止閥v2打開，第二蓄熱工質(zhì)泵6啟動；關(guān)閉第六、第七截止閥v6、v7，同時打開第五截止閥v5，循環(huán)工質(zhì)泵8運行，集熱循環(huán)進入集熱階段，直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)運轉(zhuǎn)。

到16時，太陽輻射強度不能滿足直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)的需求，第二、第三和第四截止閥v2、v3、v4關(guān)閉，第二蓄熱工質(zhì)泵6不工作，同時第一截止閥v1打開，第一蓄熱工質(zhì)泵3啟動；關(guān)閉第五和第七截止閥v5、v7，同時打開第六截止閥v6，循環(huán)工質(zhì)泵8運行，集熱循環(huán)進入放熱階段，間接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)運轉(zhuǎn)，直到第二日啟動直接蒸發(fā)發(fā)電循環(huán)。

如上所述，以上運轉(zhuǎn)情況為理想情況，實際運行中應(yīng)根據(jù)實際日照條件和需要保障的運行時長來設(shè)定兩種發(fā)電循環(huán)的容量。此外，如果周邊有供熱需求，可以利用本發(fā)明系統(tǒng)將熱量直接利用(即將熱能提供給系統(tǒng)外利用)是更有經(jīng)濟價值的方式。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。