【新技术】分布式太阳能光热电站 - 太阳能

艾科尔新能源科技有限公司周和泉

摘要：

双碳目标下，构建以新能源为主体的新型电力系统已成为必然趋势，催生了光伏产业的迅猛发展，但是，大规摸高比例的不稳定电源接网给国家电网的安全平稳运行带来了冲击，使光伏发电的电力消纳成了一个严重问题。

本课题研究具备蓄热储能特性的太阳能光热发电，发电时间随意调控，产生电力无须逆变，满足电网调峰调频的需求，与电网的接入具备支好性，可以作为国家规划新能源电力高占比电网的重要支撑。该研究基于有机朗肯循环（ORC）原理的底层逻辑，创建了一种乏气回热型新的循环（ERORC).使热电效率由常规ORC的7-12%，提升到了21%，技术已申报了发明专利（202210993914.7）.该研究循环热力计再建模结果：机组输出功率4.25kw，机组发电功率3.86kW。热源热水温度68℃，机组热能消耗17.9kw，热水流量3.1m3/n；风冷方式.蒸发冷却冷凝温度35℃，冷凝散热量15.54Kw，有机工质采用R152a。由此可见，机组热功效率为23.1%，机组热电效率达到了21%。结论：效率的提升.同样功率的发电机组所消耗的热能大幅降低，同时机组换热设备与体积也大幅减小.成本也相应降低，该技术成果产品68℃热源水易取。PCM相变蓄热储能易匹配.使分布式太阳能热发电成为现实，不仅如此，还可适用于地热能、生物质、工业余热等其他清洁能源的应用场景，实现普众型推广应用。

社会背景：

1.火力发电的燃媒碳排放接近社会碳排放总量的50%。因此，构建以新能源为主体的新型电力系统势在必行.成为今后发展的必然趋势。

2.电网对波动性不稳定电源的接纳比例为15%，大规模高比例的风、光电并网给电网的安全平稳运行带来了挑战。

3.光伏发电面临着电网难以消纳的问题，出现容量限额及强制配储的难题。

4.光伏发电每天中最大出力的时段被设为谷段及负电价等等的情形，严重影响了光优发电的收益，回本的周期增长，挫伤了推广装机积极性。

5.发展自带蓄热储能的太阳能光热发电，对新型电力系统的构建将发生重要作用。

技术背景：

1.目前，热能发电（包括太阳能热发电）较为普遍的应用为水方质朗肯循环（WRC)，需要热源：温度至少37%℃以上，系统庞大，属于资本，技术密集型产业，不便于大众普及应用。

2.利用低品位热源的发电方式主要是有机朗肯循环（ORC)可以使用热源水100℃及以下的热水驱动，但目前ORC机组普遍存在着热电转换效率低的问题，导致设备成本较高，限制了它的发展。

3.在储能方面，目前蓄热储能技术比储电储能技术成熟的多，成本也具有优势。

课题任务：

寻求一种利用间歇性的风、光清洁自然能源，廉价高效的产生电力，并能与电网友好对接的电源，来承担国家规划中新能源电力高占比电网的重任，构建可持续发展的新型电力系统.将是本课题的主要任务。根据任务诉求确定研发技术路线，太阳能集热的热水通过相变材料PCM蓄热储能，将间歇性能源转化为稳定热源提供给机组产生可控时的或是持续的电力输出，机组采用有机朗肯(ORC)循环原理，热电效率低的问题通过创新优化循环过程来解决。

课题研究：

有机朗肯循环是利用有机工质的低沸点特性，低品位热源的温度就能够使它产生较高的压力。比如68℃的热源水就可将R152a介质在发生器中达到1.8MPa的压力，高遇高压气体进入膨胀机，气体膨胀做功，转化为机械能带动发电机实现发电的目的。气体膨胀做功后内能减少，压力和温度都降低，在膨胀机排出形成低温低压气体(俗称乏气）。要完成闭合循环就需要将这些乏气再回到发生器中。继续加热产生高温高压气体，周而复始。在向机朗肯循环(ORC)的过程中，是将乏气冷凝成液体。再通过工质泵加压将液体介质输送到发生器中，在冷凝过程中要释放大量的热量，而这些热量在循环中排出了系统，系统内能量保持守恒，就需要在发生器中重新补充，这样就增加了系统的热力能耗，使整个系统循环的热功效率降低，这就是有机朗背循环（ORC）热效率低的关键原因。

以建模计算中的同一工况分析：热源水温68℃，冷凝温度35℃，机组动力功率4.25kw，工质R152a，在有机朗肯循环中，膨胀机等熵效率85%计算乏气焓值为520.75k5/kg，冷凝至35℃液体的焓值为262k5kg，对应动力功率4.25kw的工作介质流量为0.2kg/s.可以得出系统排放冷凝热为51.8KJ/s保持系统的循坏在发生器中就要补充这些热量，达到68℃饱和气体的含值542kJ/kg.所消耗的热能也增加到56kJ/s。这样，计算系统循环的热功效率η=(动力输出功率4.25kW-工质泵消耗功率0.2W)/消耗热能56kw=7.2%，达不到较高的能效。由此可见，减少循环向系统外排放的热量是提高系统能放的关键。

基于上述分析得出的结论为指导思想，我们提出了一种乏气回热型有机朗肯循环（ERORC）的理论概念，以此展开深入研究，得到了很好的结果。核心技术是将膨胀做功后的大部分乏气（Exhaust)以一种创新的技术手段再生(Regener)成为中压气体，首先返回(Return)到发生器实现循环回热；另外一小部分乏气进行冷凝成为液体，经工质泵加压后再返回到发生器，对已进入发生器的中压气体继续增压，获得高温高压的工作气体，工作气体进入膨胀机中做功发电，膨胀后的乏气再排出，形成整个闭合循环。其优越性在于循环中只有一小部分乏气参与了冷凝过程，循环向系统外释放的热量大幅度减小，乏气中的热量大部分被再生利用，减小了发生器中对热源热能的消耗，提高了系统能放。

循环热力建模计算中发现回热的气体状态质量和冷激的液体状态质量的比例，与设计的工况有关，同一工况下二者的比值δ存在着一个最佳值，理论计算和实验结果均证实，本课题所研究的工况条件下，δ=233，可以得出ERORC循环中，系统排放冷凝热15.S4KJ/s，系统消耗热源的热能17.9KI/s，工质泵耗能0.1kw。计算系统循环的热功效率ɳ=（动力输出功率4.25kW-工质泵消费功率0.1KW）消耗热能17.9kw=23.1%比较常规ORC循环的热功效率7.2%提升了很多，达到了课题研究的预期。

成果优势及应用：

1.轻量化，易普及

创新循环的机理可以使产品机组做到小型化，单机可以设计小型机组3KW-10kW的装机容量，适合户用分布式应用场景，在村镇级千千万万个家庭中推广普及，形成一个庞大的新型电力系统，有效解决新能源发电装机容量的占比目标问题。

2.安装简单，使用方便

易复制，机组只需接入68℃以上温度的热水即可工作，无需冷却水系统及附属设备，开停自如。可以按当地峰谷段时间设置储能与供电两种摸式的自动切换，全自动运行无需值守。

3.配备蓄热储能，增加电站收益

不同于光伏发电，在中午出力最多的时段被列为谷段或深谷段，甚至交易负电价，降低收益。光热发电机组可以把阳光最强时热量储存，选择在峰段和尖峰段把电发出去，逐渐拉大的峰谷电差使光热发电获得较高的收益，还与电网友好融合，起到给电网削峰填谷的作用。

4.成本低，易推广

创新循环的高效性具有双重的积极意义，第一，同样发电功率的机组设备需要的热能减少，系统所需要配套的太阳能集热装置也相应减小，无论从占地和安装成本造价，都要减少很多；第二，循环过程的排热量和消耗热量显著降低，因此，机组冷凝器及发生器等换热部伴的尺寸及成本造价也相应降低，使整发电系统的装配具有经济性。另外，创新循环的压力特性使匹配的热源水温度低至68℃，这就给太阳能集热系统及PCM蓄热装量的配套减小了安装难度，也能使整个发电机组的年运行时间得到提高而增加经济效益。

5.与光代发电互补应用，实现效益增收。

①现有的光伏发电系统+光热发电机组形式

如果不能很好的解决风光不稳定电源的消纳问题，或是电力配储无法降本得不到普及。随着大规模的装机容量增加，对光伏发电出力最多时段的并网限制必然会越来越加剧，收益也会越来越差。现有光伏发电配接光热发电机组，可以在这一时段的电力变为热量储存，错时段再用光热发电机组发给电网，获得高的售价来维护收益的稳定。

②光伏板PV/T组件+光热发电机组形式。

这种形式应该是不错的互补方式，具有以下优点：

a.省去光伏发电的逆变装置，也无须装配太阳能集热水装置，降低整个系统的成本造价。

b.PV/T组件一方面在背面提取热量，提高太阳能源利用率，另一方面降低光伏板温度，发电量增加。

c.光伏板产生的电力，自用部分采用直驱家用电器：余电上网部分采用电磁感应转化为热量，热转换效率更高。转化的热量对背面组件提取的热量升品位叠加，叠加后蓄存。

d.光热发电机组将蓄存的热量任意选择时段并入电网获取高大收益。

e.光热发电机组以交流形式输出，无逆变谐波，以高质量电力满足电网调峰调频的需求。

6.适应更多清洁能源

太阳能源是普遍存在的清洁能源，有利于光热发电机组的广泛普及，但不限于只使用太阳能，其他能源如地热能、废热、生物质能等，只要能够制备68℃以上温度的热水都属于它的应用范畴。

7.其他应用

有机朗肯（ORC)发电机组也已形成了一个产业，主要应用在电厂余热，工业余热及地热的热源领域，对低成本或不计成本的热量进行回收。ERORC的热力系数比常规ORC提升了近3倍，无论从能效、体积所占安装空间及价格上都具有优势，市场前景不言而喻。

目前，课题研究进入样机制作及小试阶段，产品装配适合空调、热泵及ORC装备的生产工艺和设备，现诚证具有结构设计，装配检测、批量生产能力的上述领域企业进行合作，共同发展。

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