CN101825072A

CN101825072A - 焦点固定的槽碟结合太阳能热发电系统

Info

Publication number: CN101825072A
Application number: CN 201010153131
Authority: CN
Inventors: 黄树红; 潘垣; 张燕平; 高伟
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2010-09-08

Abstract

本发明公开了一种焦点固定的槽碟结合太阳能热发电系统，涉及一种太阳能热发电技术。本发明包括槽式集热及蓄热子系统、碟式集热及蓄热子系统和发电子系统；槽式集热及蓄热子系统和碟式集热及蓄热子系统分别与发电子系统连接；槽式集热及蓄热子系统的低温换热器和碟式集热及蓄热子系统的高温换热器相互连接。抛物碟反射镜是一种单轴自动跟踪的单碟或双碟，其焦点(即接收器)固定，便于大流量高温流体的加热和保温。本发明采用了投资成本较低的槽式太阳能集热场进行工质的低温段加热、投资成本较高的碟式集热场则作为高温段的工质加热，因而可在保证较高的发电效率的同时，减少电厂的投资。

Description

焦点固定的槽碟结合太阳能热发电系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能热发电技术，尤其涉及一种焦点固定的槽碟结合太阳能热发电系统。

背景技术

根据聚焦镜与聚焦点的位置及能量转换方式的不同，目前能够实现规模化发电的太阳能热发电技术可分为槽式、碟式和塔式系统三种。

1、槽式太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电系统的全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统。槽式抛物面反射镜对太阳进行一维跟踪，其聚光比在40至80之间，集热温度一般不超过400℃，其集热焦线固定，因而容易构建实现规模化的发电系统。该发电系统的工作原理是：采用只向一个方向弯曲的抛物面槽形镜面集热器将太阳光聚焦到位于焦线的中心集热管上，将管内的传热介质加热到390℃左右，再将被加热的传热介质经热交换器产生370℃左右的过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮机中做功，带动发电机发电，此为双回路的槽式太阳能发电系统。也有直接采用水在集热管的吸热介质的DSG(直接产生蒸汽)系统，与双回路系统相比，DSG系统省去了中间换热环节，提高了系统的转换效率，并减少了投资，但DSG系统也存在集热管会由于压力问题发生变形并会引起永久性变形或者会造成玻璃管破裂问题，故应用较少。

槽式太阳能发电是目前最成熟、成本最低的太阳能热发电技术，在美国和欧洲均有多家商业化运行的槽式电站。目前的主要问题是当系统集热温度高于400℃后，峰值集热效率急剧下降。由于其几何聚光比低及集热温度不高等条件的制约，使得抛物槽式太阳能热发电系统中动力子系统的热转功效率偏低，通常在35％左右，光电转换效率通常低于16％。因此，单纯的抛物槽式太阳能热发电系统在进一步提高热效率、降低发电成本方面的难度较大。

2、碟式太阳能热发电系统

碟式太阳能热发电系统是利用双轴自动跟踪太阳光的旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在焦点上，放置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能，加热工质，接收器后部可安装小型发电机。太阳光被聚焦至太阳能接收器上，加热其中流体至800℃左右，推动小型电机发电。此外，还可将多个碟组成一个大系统，受热流体通过管网被集中在一起，推动常规汽轮发电机组发电。

由于聚焦方式不同，碟式太阳能热发电的聚焦比可以达到3000，从而运行温度达到900～1200℃。在三种太阳能热发电方式中，蝶式太阳能热发电可以达到最高的热机效率，光电转换效率可高达29％。

目前已有多台碟式太阳能示范电站及试验电站投入运行，其类型主要是小型发电机系统。虽然碟式系统具有较高的发电效率，但由于投资成本较高，其推广应用受到极大的限制。特别是现有的碟式发电系统一般配置焦点移动的双轴自动跟踪太阳光的旋转抛物面反射镜，因而很难向规模化发电方向发展。

2008年，印度可再生能源部的一个示范工程成功地构建了一种焦点固定的碟式太阳能利用系统，用于生产650℃的蒸汽供给厨房使用，每天的蒸汽供应能力达到3500kg～4000kg。与常规抛物面碟相比，该碟式集热系统采用焦点固定的双碟系统，因而无转动部件，反射镜与接收器采用不同的支撑系统，因而容易实现大型化的能量利用；反射镜只需进行单轴旋转。该碟式厨房系统为碟式太阳能发电的大型化奠定了良好的基础。

3、塔式太阳能热发电系统

塔式系统又称为集中型系统，其聚光装置由许多安装在场地上的大型反射镜组成，这些反射镜通常称为定日镜。每台定日镜都配有太阳跟踪机构，对太阳进行双轴跟踪，准确地将太阳光反射集中到一个高塔顶部的吸热器。塔式太阳能热发电系统的工作原理是：经定日镜反射的太阳能聚集到塔顶的吸热器上，传热工质在吸热器中吸热太阳能后，被送入蒸汽产生装置，所产生的过热蒸汽进入动力子系统后实现热功转换，完成电能输出。塔式系统的聚光比通常在200～1000之间，系统最高运行温度可达到1500℃。

目前，塔式太阳能热发电系统的主要障碍是当定日镜场的集热功率增大时，即单塔的太阳能热发电系统大型化后，定日镜场的集热效率随之降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焦点固定的槽碟结合太阳能热发电系统，以克服单独槽式发电系统集热温度不高、发电效率低及单独碟式发电系统投资高、不易大型化的缺陷，充分发挥槽式发电系统投资成本低及碟式系统的发电效率高的优势，实现传热介质的梯级加热，降低发电系统的投资和占地面积。碟式系统采用焦点(接收器)固定的单碟或双碟系统，便于实现大流量高温流体的加热和保温，为规模化发电创造条件。

本发明的目的是这样实现的：

将投资成本最低的槽式太阳能场与发电效率最高的碟式太阳能场串联连接，实现对传热介质的梯级加热，使槽式发电与碟式发电优势互补。

本发明由三个子系统构成，即槽式集热及蓄热子系统、碟式集热及蓄热子系统和发电子系统。

槽式集热及蓄热子系统至少包括模块化的槽式集热场、低温换热器和低温蓄热器；槽式集热及蓄热子系统的作用是实现低温段加热，低温段传热介质在槽式集热场中吸收太阳辐射能量，提高温度后进入低温换热器中加热工质，生产饱和蒸汽或带一定过热度的蒸汽，也可进入低温蓄热器进行低温蓄能。

碟式集热及蓄热子系统至少包括模块化的碟式集热场、高温换热器和高温蓄热场；碟式集热及蓄热子系统的作用是实现高温段加热，高温段传热介质在碟式集热场中吸收太阳辐射能量，提高温度后进入高温换热器中加热工质，生产过热蒸汽，也可进入高温蓄热器进行高温蓄能。

发电子系统至少包括汽轮机、发电机、凝汽器、除氧器和给水泵。发电子系统的作用是利用高温换热器中产生的过热蒸汽在汽轮机中作功，并带动发电机发电，输出电能。

本发明的特征在于：

1、槽式集热场采用模块化的槽式整体集热装置拼装组成；碟式集热场采用模块化的碟式整体集热装置拼装组成。

2、槽式集热场采用二回路方案，利用导热介质吸收太阳能的辐射能量，再利用导热介质在低温换热器中加热工质；导热介质可采用导热油或熔盐。

3、槽式太阳能场的低温蓄热器可用于在太阳能辐射能量充足时储存多余的能量，当太阳能辐射能量不足时，蓄热器放出热量，弥补太阳能辐射能量的不足；低温蓄热器中的蓄热介质可选用石英岩与硅质沙等多孔介质填料+熔盐。

4、碟式集热场采用二回路方案，利用导热介质吸收太阳能的辐射能量，再利用导热介质在高温换热器中加热工质；导热介质可采用导热油或熔盐。

5、碟式太阳能场的高温蓄热器可用于在太阳能辐射能量充足时储存多余的能量，当太阳能辐射能量不足时，蓄热器放出热量，弥补太阳能辐射能量的不足；高温蓄热器中的蓄热介质可选用熔盐、相变蓄热材料或金属蓄热材料等。

6、碟式太阳能场为反射碟单轴自动跟踪而接收器固定的单碟或双碟系统。

7、低温蓄热器采用单罐蓄热系统，高温蓄热器采用双罐蓄热系统。

8、发电子系统的蒸汽循环采用朗肯循环。

具体地说，本发明包括包括槽式集热及蓄热子系统、碟式集热及蓄热子系统和发电子系统；

槽式集热及蓄热子系统和碟式集热及蓄热子系统分别与发电子系统连接；

槽式集热及蓄热子系统的低温换热器和碟式集热及蓄热子系统的高温换热器相互连接。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、本发明适合于建设大型的太阳能热发电系统，充分利用了槽式发电系统和碟式发电系统的优势，同时克服各自的缺点，利用槽式集热场进行工质的低温段加热，利用集热温度较高的碟式集热场进行工质的高温段加热，实现了太阳能对工质的梯级加热，可获得温度较高的作功工质，提高了发电系统的发电效率。

2、本发明采用了投资成本较低的槽式太阳能集热场进行工质的低温段加热，投资成本较高的碟式集热场则作为高温段的工质加热，因而可在保证较高的发电效率的同时，减少电厂的投资和占地面积。

3、本发明其碟式集热及蓄热子系统中的碟式反射镜采用焦点固定的单碟或双碟，其单轴跟踪的特点增大了系统的可靠性，接收器(即焦点)固定的特点则使系统的大型化成为可能，为太阳能热利用系统的大型化奠定了基础。

4、本发明其槽式集热场和碟式集热场均采用模块化的方案进行拼装组建而成，该处理方案既便于集热场的初期安装，又便于集热场的扩建及维修替换工作的实施。

5、本发明其槽式集热及蓄热子系统的低温蓄热器和碟式集热及蓄热子系统的高温蓄热器分别实现对低温热能和高温热能的储存，高温蓄热器用于对工质进行高温段的加热，低温蓄热器用于对工质进行低温段的加热，既实现了对太阳能的分级储存与梯级利用，又可分别对低温蓄热器和高温蓄热器的蓄热材料进行优化选取，达到降低蓄热系统的投资的目的。

6、本发明根据蓄热器温度水平的差异，低温蓄热器采用单罐式蓄热系统，可大大减小蓄热投资；高温蓄热器采用双罐式蓄热系统，以满足高温蓄热的目的。

7、本发明成功地实现了槽式系统与碟式系统的优势互补，既克服了单独槽式发电系统发电效率低的缺点，又克服了单独碟式发电系统不易于大型化的缺点，充分利用了槽式系统投资成本低的优点及焦点固定的碟式系统易于大型化、集热温度高的优点，实现了较高的发电效率，同时有效地降低了单位发电量的投资成本，是一种很有发展前景的太阳能大型化热发电系统。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

其中：

10-槽式集热及蓄热子系统，

11-抛物槽反射镜，12-吸热管， 13-蓄热加热器，

14-低温蓄热器， 15-低温换热器，16-第1油泵，

17-第1阀门；

20-碟式集热及蓄热子系统

21-抛物碟反射镜，22-接收器， 23-高温蓄热器的热罐，

24-第2油泵， 25-高温换热器，26-高温蓄热器的冷罐，

27-第3油泵， 28-第2阀门；

30-发电子系统，

31-减温减压器， 32-汽轮机， 33-发电机，

34-凝汽器， 35-凝结水泵， 36-低压加热器，

37-除氧器，38-给水泵，39-高压加热器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明。

一、系统

如图1，本发明包括槽式集热及蓄热子系统10、碟式集热及蓄热子系统20和发电子系统30；

槽式集热及蓄热子系统10和碟式集热及蓄热子系统20分别与发电子系统30连接；

槽式集热及蓄热子系统10的低温换热器15和碟式集热及蓄热子系统20的高温换热器25相互连接。

二、子系统

1、槽式集热及蓄热子系统10

槽式集热及蓄热子系统10包括前后依次闭环连接的抛物槽反射镜11、吸热管12、蓄热加热器13、低温蓄热器14、低温换热器15、低温蓄热器14、蓄热加热器13、第1油泵16、第1阀门17和吸热管12。

2、碟式集热及蓄热子系统20

碟式集热及蓄热子系统20包括前后依次闭环连接的抛物碟反射镜21、接收器22、高温蓄热器的热罐23、油泵24、高温换热器25、高温蓄热器的冷罐26、第2油泵27、第2阀门28和接收器22。

3、发电子系统30

发电子系统30包括减温减压器31、汽轮机32、发电机33、凝汽器34、凝结水泵35、低压加热器36、除氧器37、给水泵38和高压加热器39；

高温换热器25、减温减压器31、汽轮机32、凝汽器34、凝结水泵35、低压加热器36、除氧器37、给水泵38、高压加热器39、低温换热器15和高温换热器25前后依次闭环连接；

汽轮机32和发电机33连接。

4、功能部件说明

(1)上述三个子系统中的各功能部件均为常用部件，均有上市产品，可根据需要选用。

(2)具体要求

*低温蓄热器14

低温蓄热器14采用斜温层单罐蓄热系统。

低温蓄热器14在太阳能辐射能量充足时储存多余的能量；当太阳能辐射能量不足时放出热量，弥补太阳能辐射能量的不足。

低温蓄热器14中的低温蓄热介质选用石英岩与硅质沙等多孔介质填料+熔盐。

*吸热管12、接收器22

吸热管11和接收器22的导热工质采用导热油或熔盐。

*高温蓄热器的热罐23和高温蓄热器的冷罐26

高温蓄热器的热罐23和高温蓄热器的冷罐26组成双罐式蓄热系统，其蓄热介质选用导热油、熔盐、相变蓄热材料或金属蓄热材料等。

*抛物碟反射镜21和接收器22

抛物碟反射镜21和接收器22分别采用不同的支撑系统；

抛物碟反射镜21是一种单轴自动跟踪的单碟或双碟，其焦点固定无转动，与双轴跟踪方案比，驱动机构较简单；

接收器22即抛物碟反射镜21的焦点，焦点固定特征便于大流量高温流体的加热和保温。

三、工作原理

三个子系统联合运行，实现太阳能与电能的转换，输出电能。

其中，槽式集热及蓄热子系统10与碟式集热及蓄热子系统20相对独立。

槽式集热及蓄热子系统10中的吸热介质将所吸收的太阳能热量在低温换热器15中传递给工质，在太阳能辐射强度充足时储存在低温蓄热器14中；

碟式集热及蓄热子系统20中的吸热介质将所吸收的太阳能热量在高温换热器25中传递给工质，在太阳能辐射强度充足时储存在高温蓄热器的热罐23。

工质以串联方式依次进入低温换热器15和高温换热器25中吸热，变成过热蒸汽后进入汽轮机32作功，带动发电机33发电。

槽式集热及蓄热子系统10用于对作功工质进行低温段加热，生产饱和蒸汽或过热蒸汽，也可进入低温蓄热器14进行低温蓄能。在太阳能辐射能量充足时利用低温蓄热器储存多余的能量，在太阳能辐射能量不足时，低温蓄热器放出热量，弥补太阳能辐射能量的不足。

碟式集热及蓄热子系统20用于对作功工质进行高温段加热，生产过热蒸汽并输出到发电子系统，也可进入高温蓄热器进行高温蓄能。在太阳能辐射能量充足时利用高温蓄热器的热罐23储存多余的能量，在太阳能辐射能量不足时，高温蓄热器的热罐23放出热量，弥补太阳能辐射能量的不足。

发电子系统30用于实现热功转换，生产电能。工质在低温换热器中进行初步加热，变成饱和蒸汽或过热蒸汽后，继续进入高温换热器中吸收热量，变成合乎品质的过热蒸汽后，即可引入汽轮机32中作功，带动发动机33发电。汽轮机32的排汽经凝汽器18凝结，并经低压加热器36、除氧器37、高压加热器39逐级加热后，又进入低温换热器15，完成发电子系统30的一次工质循环。

四、试验和计算结果

为了更详细地阐述以上实施例的实施过程，以输出电功率为12MW、汽轮机采用水冷时，对本实施例的相关参数进行了模拟，计算结果见表1。

表1

为进一步了解本发明图1所述实施例的投资效益情况，将其与单独槽式太阳能发电及单独碟式发电方案进行了相关参数的对比。可比条件是：发电功率相同；太阳能辐射功率相同；动力系统输出的给水温度相同；槽碟结合发电系统的过热蒸汽参数与单独碟式发电系统的过热蒸汽参数相同；单独槽式发电系统的过热蒸汽参数受槽式集热温度的限制，低于槽碟结合发电系统的过热蒸汽参数，因而新蒸汽流量有所增加。模拟计算结果见表2。

表2

由表2可见，在发电功率相同的可比条件下，采用本发明在三种发电方案中投资成本最低。未考虑占地投资费用时，单独碟式发电方案的投资成本最大，若考虑占地投资费用，则单独槽式发电方案的投资成本略高于单独碟式发电方案。可见，本发明融合了槽式发电系统与碟式发电系统的优点，能够有效地降低单位投资成本，并具有较高的发电效率。

Claims

1.一种焦点固定的槽碟结合太阳能热发电系统，其特征在于：

包括槽式集热及蓄热子系统(10)、碟式集热及蓄热子系统(20)和发电子系统(30)；

槽式集热及蓄热子系统(10)和碟式集热及蓄热子系统(20)分别与发电子系统(30)连接；

槽式集热及蓄热子系统(10)的低温换热器(15)和碟式集热及蓄热子系统(20)的高温换热器(25)相互连接。

2.按权利要求1所述的槽碟结合太阳能热发电系统，其特征在于：

所述的槽式集热及蓄热子系统(10)包括前后依次闭环连接的抛物槽反射镜(11)、吸热管(12)、蓄热加热器(13)、低温蓄热器(14)、低温换热器(15)、低温蓄热器(14)、蓄热加热器(13)、第1油泵(16)、第1阀门(17)和吸热管(12)。

3.按权利要求1所述的槽碟结合太阳能热发电系统，其特征在于：

所述的碟式集热及蓄热子系统(20)包括前后依次闭环连接的抛物碟反射镜(21)、接收器(22)、高温蓄热器的热罐(23)、油泵(24)、高温换热器(25)、高温蓄热器的冷罐(26)、第2油泵(27)、第2阀门(28)和接收器(22)。

4.按权利要求1所述的槽碟结合太阳能热发电系统，其特征在于：

所述的发电子系统(30)包括减温减压器(31)、汽轮机(32)、发电机(33)、凝汽器(34)、凝结水泵(35)、低压加热器(36)、除氧器(37)、给水泵(38)和高压加热器(39)；

高温换热器(25)、减温减压器(31)、汽轮机(32)、凝汽器(34)、凝结水泵(35)、低压加热器(36)、除氧器(37)、给水泵(38)、高压加热器(39)、低温换热器(15)和高温换热器(25)前后依次闭环连接；

汽轮机(32)和发电机(33)连接。

5.按权利要求1所述的槽碟结合太阳能热发电系统，其特征在于：

低温蓄热器(14)选用斜温层单罐蓄热系统；

低温蓄热器(14)中的低温蓄热介质选用石英岩与硅质沙多孔介质填料+熔盐。

6.按权利要求1所述的槽碟结合太阳能热发电系统，其特征在于：

吸热管(12)及接收器(22)的导热介质选用导热油或熔盐。

7.按权利要求1所述的槽碟结合太阳能热发电系统，其特征在于：

高温蓄热器的热罐(23)和高温蓄热器的冷罐(26)组成双罐式蓄热系统，其蓄热介质选用导热油、熔盐、相变蓄热材料或金属蓄热材料。

8.按权利要求1所述的槽碟结合太阳能热发电系统，其特征在于：

抛物碟反射镜(21)是一种单轴自动跟踪的单碟或双碟，其焦点固定；

接收器(22)即抛物碟反射镜(21)的焦点。