CN101907075B - 多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统 - Google Patents

多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种多级蓄热式太阳能热电联供系统,包括塔式吸热蓄热传热子系统、槽式吸热蓄热传热子系统、平板式吸热蓄热传热子系统、热电联供子系统,通过中温耦合蓄热器与低温耦合蓄热器,塔式吸热蓄热传热子系统、槽式吸热蓄热传热子系统与平板式吸热蓄热传热子系统形成耦合,热电联供子系统包括供电模式、供热模式、热电联供模式,与三种吸热蓄热传热子系统联合运行。本发明有机结合太阳能塔式、槽式与平板式集热系统,形成高温、中温与低温三级蓄热器,能较好地满足工业上规模化太阳能中高温热利用的要求,并有利于能源的综合梯级利用。

Description

多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统

技术领域

[0001] 本发明涉及太阳能热利用领域,特别涉及一种多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统。

背景技术

[0002] 能源短缺和环境问题已经成为制约全球经济和社会发展的重大瓶颈,未来将影响到人类的生存状态。太阳能在我国以及全世界都是最丰富和可广泛获取的可再生能源形式,并由于其清洁无污染的特点,对解决能源危机和环境问题有着特别重要的作用。太阳能热利用是太阳能利用的基本方式,依照能源品位和工作温度主要分为:太阳能高温热利用、中温热利用与低温热利用。太阳能中高温热利用主要包括太阳能热发电、太阳能产蒸汽、太阳能制氢、太阳能海水淡化、太阳能锅炉等。太阳能低温热利用主要包括建筑采暖、高温热水、太阳能空调等。

[0003]目前,按照太阳采集系统的差异,聚光太阳能热发电主要分为四种形式:槽式、线式(菲涅尔式)、碟式和塔式。槽式太阳能热发电系统利用槽式抛物面进行聚光发电,通常采用导热油作传热蓄热介质,聚光比、集热温度与发电效率不高,但技术比较成熟,早在上世纪八十年代就开始商业化运行;塔式太阳能热发电系统利用定日镜汇聚太阳辐射能进行发电,聚光比、集热温度与发电效率较高,通常采用熔融盐与过热蒸汽作传热蓄热介质,世界范围内已建立和运行许多示范或商业化电站;碟式太阳能热发电系统利用抛物面反射镜进行聚光发电,规模较小,可用于分布式能源系统;线式太阳能热发电系统主要利用菲涅尔镜聚光发电,目前处于研发阶段。

[0004] 太阳能热发电系统主要由聚光系统、吸热系统、蓄热系统以及发电系统构成,目前国内外已有众多相关发明专利。槽塔结合的双级蓄热太阳能热发电系统(200810102204.0)提出了槽式热发电与塔式热发电相结合的装置,并使用低温蓄热子系统与高温蓄热子系统进行蓄热传热,但两个蓄热子系统间缺乏直接传热耦合,也不能进行热电联供。太阳能低温热发电及冷热联供系统(200810024294.6)提出基于复合抛物面集热器的冷热电联供装置,除使用温度较低外,该系统的热发电、蓄热、采暖、制冷子系统均为并行结构,不能形成能源的梯级利用。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足,为满足规模化太阳能热电联供的需要,同时使不同温度段蓄热系统实现耦合关联,特提供一种多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统,该系统能较好地满足工业上规模化太阳能中高温热利用的要求。

[0006] 本发明通过以下技术方案实现:一种多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统,塔式吸热蓄热传热子系统、槽式吸热蓄热传热子系统、平板式吸热蓄热传热子系统与热电联供子系统,塔式吸热蓄热传热子系统、槽式吸热蓄热传热子系统、平板式吸热蓄热传热子系统依次顺序耦合,且分别与热电联供子系统连接。[0007] 塔式吸热蓄热传热子系统包括定日镜场、聚光塔、吸热器、高温泵、高温蓄热器与管道,定日镜场与聚光塔置与同一平面,吸热器安装在聚光塔的塔顶,吸热器通过管道分别与高温泵和高温蓄热器连接。高温蓄热器的壳体为圆柱形,壳体表面覆盖预热与保温层,其上设置外壳,壳体上成45 °对称设置高温传热蓄热进口与高温传热蓄热出口,高温传热蓄热进口靠近顶部,高温传热蓄热出口靠近底部,各凸出于相应外壳。

[0008] 槽式吸热蓄热传热子系统包括抛物槽镜场、真空管吸热器、中温泵、中温耦合蓄热器与管道,抛物槽镜场设置在真空管吸热器上,真空管吸热器通过管道分别与中温泵和中温耦合蓄热器连接。中温耦合蓄热器的壳体为圆柱形,两封头侧均开口,壳体表面覆盖预热与保温层,其上设置外壳,壳体两封头侧均固定管板,壳体两封头侧的管板分别固定顶部管箱和底部管箱,顶部管箱和底部管箱的截面均为与壳体封头两侧截面相应的圆形;壳体靠近顶部管箱处设置高温传热蓄热介质进口,壳体靠近底部管箱处设置高温传热蓄热介质出口,中温传热蓄热介质进口与中温传热蓄热介质出口分别设置在顶部管箱和底部管箱上,均凸出于相应外壳;管束固定在管板之间。

[0009] 平板式吸热蓄热传热子系统包括平板式集热器、低温泵、低温耦合蓄热器与管道,平板式集热器与低温耦合蓄热器通过管道形成封闭回路,在管道上设置低温泵。低温耦合蓄热器的中温传热蓄热介质壳体与低温传热蓄热介质壳体均为圆柱形,一封头侧开口,一封头侧封闭相连且开有小孔,壳体表面覆盖预热与保温层,其上设置外壳,两壳体开口封头侧均固定管板,管板上分别设置顶部管箱和底部管箱,顶部管箱和底部管箱的截面均为与壳体封头两侧截面相应的圆形;中温传热蓄热介质进口设置在中温传热蓄热介质壳体靠近顶部管箱处,中温传热蓄热介质出口设置在中温传热蓄热介质壳体靠近低温传热蓄热介质壳体处,低温传热蓄热介质进口设置在低温传热蓄热介质壳体靠近中温传热蓄热介质壳体处,中温传热蓄热介质出口设置在中温传热蓄热介质壳体靠近底部底箱处,水与蒸汽进口与水与蒸汽出口分别设置在顶部管箱和底部管箱上,各进口与出口均凸出于外壳,管束经封闭封头侧的小孔固定在管板之间。

[0010] 管束中间有孔且两端开口,数量为5-500根,管板开有相应小孔,管束通过管板的小孔与顶部管箱和底部管箱相通。

[0011 ] 热电联供子系统的水与水蒸气进口与低温供热出口之间的管道上设置有泵,低温供热出口与中温供热出口之间的管道上设置中温热交换器,并与槽式吸热蓄热传热子系统连接,中温供热出口与汽轮机之间的管道上设置高温热交换器,并与塔式吸热蓄热传热子系统相连,汽轮机的一个端口与发电机相连,另一端与水与水蒸气进口处的管道连接,在两者之间的管道上设置冷凝器。

[0012] 高温传热蓄热介质工作温度为300°C -700°C,为高温混合熔融盐或液态金属,中温传热蓄热介质工作温度为100°c _40(TC,为耐高温导热油,低温传热蓄热介质工作温度为20°C _150°C,为导热油或水。

[0013] 本发明工作原理如下:包括吸热蓄热传热循环与热电联供两部分,定日镜场汇聚太阳辐射到聚光塔上方的吸热器,吸热器内高温传热蓄热介质由中温耦合蓄热器流入,经加热后储存于高温蓄热器,而后经高温热交换器后流回中温耦合蓄热器。抛物槽镜场汇聚太阳辐射到真空管吸热器,吸热器内中温传热蓄热介质由低温耦合蓄热器流入,经加热后储存于中温耦合蓄热器,而后经中温热交换器后流回低温耦合蓄热系统。中温耦合蓄热器内,壳体内为高温传热蓄热介质,管箱与管内为中温传热蓄热介质,两种传热蓄热介质进行充分热交换,使塔式吸热蓄热传热子系统与槽式吸热蓄热传热子系统形成耦合。平板式集热器直接吸收太阳辐射,集热器内低温传热蓄热介质由低温耦合蓄热器流入,经加热后流回低温耦合蓄热器。低温耦合蓄热器内,壳体内分别为中温与低温传热蓄热介质,管箱与管内为水与水蒸器,三种介质进行充分热交换,使槽式吸热蓄热传热子系统与平板式吸热蓄热传热子系统形成耦合,同时可以预热水与蒸汽。

[0014] 热电联供子系统与塔式吸热蓄热传热子系统、槽式吸热蓄热传热子系统、平板式吸热蓄热传热子系统联合运行,水由进口管道进入,经低温耦合蓄热器加热形成高温热水、经中温热交换器加热形成中温饱和蒸汽、经高温热交换器加热形成高温过热蒸汽,而后进行蒸汽发电或供热。

[0015] 热电联供子系统运行模式包括供电模式、供热模式、热电联供模式。供电模式下,进口管道关闭,水与蒸汽循环运行,平板集热器吸收的热量可以提高低温耦合蓄热器内介质温度,而槽式吸热器吸收的热量可以储存于中温耦合蓄热器,利用低温与中温耦合蓄热器的传热耦合可以显著增加高温蓄热器的蓄热量,进而提高发电量。供热模式下,发电系统关闭,中温与低温供热出口打开,进口管道打开,塔式吸热器吸收的热量通过高温蓄热传热子系统存储于中温耦合蓄热器,可以直接增加对外供热量和供热温度。热电联供模式下,进口管道开放,输入流量取决于供热量;平板式吸热蓄热传热子系统主要提供低温供热,并提高低温耦合蓄热器内介质温度;塔式吸热蓄热传热子系统与槽式吸热蓄热传热子系统通过中温耦合蓄热器进行耦合,可以通过调节中温蓄热器温度与蓄热传热工质流量来满足热电供应。

[0016] 与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:

[0017] 1、本发明了中温耦合蓄热器与低温耦合蓄热器,使塔式吸热蓄热传热子系统、槽式吸热蓄热传热子系统与平板式吸热蓄热传热子系统相互耦合,中温与高温热交换器内的温度连续变化,大大提高了能源的使用效能。

[0018] 2、本发明将太阳能塔式热发电系统、槽式吸热系统与平板式集热系统耦合连接,形成高温、中温与低温三级蓄热器,有利于能源的综合梯级利用。

[0019] 3、利用高温、中温与低温三级蓄热器实现热电联供,使高温用于发电,中低温用于高温蒸汽、制冷,而且可以通过调控中温耦合蓄热器与低温耦合蓄热器来实现供热与供电的工况调节。

[0020] 4、中温耦合蓄热器与低温耦合蓄热器等核心组件结构简单,易于加工,便于大规模生产和推广应用。

[0021] 5、塔式吸热蓄热传热子系统、槽式吸热蓄热传热子系统与平板式吸热蓄热传热子系统的联合,充分利用熔盐由于具有热容大、稳定性高、工作温度范围广、导热油具有热容量大,流动性好、中低温度段使用温度宽的优点和水与水蒸气作为传热蓄热介质,可广泛应用于各种温度段的太阳能热发电系统。

附图说明

[0022] 图1为本发明一具体实施例的结构示意图。

[0023] 图2为中温耦合蓄热器的结构示意图。[0024] 图3为中温耦合蓄热器的截面示意图。

[0025] 图4为低温耦合蓄热器的结构示意图。

[0026] 图5为低温耦合蓄热器的截面示意图。

具体实施方式

[0027] 下面结合实施例及附图,对本发明作进一步的详细说明,但本发明的实施方式不限于此。

[0028] 实施例1

[0029] 一种多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统,其结构如图1所示,塔式吸热蓄热传热子系统包括定日镜场8、聚光塔9、吸热器10、耐高温泵7、高温蓄热器11与管路。高温传热蓄热介质工作温度为300°C -700°C,通常为高温混合熔融盐、液态金属等。槽式吸热蓄热传热子系统包括抛物槽镜场与真空管吸热器5、泵4、中温耦合蓄热器6与管路。中温传热蓄热介质工作温度为10(TC _40(TC,通常为耐高温导热油等。平板式吸热蓄热传热子系统包括平板式集热器1、泵2、低温耦合蓄热器3与管路。低温传热蓄热介质工作温度为20°C-150°C,通常为导热油与水等。热电联供子系统包括进口管道12、泵13、低温供热出口14、中温热交换器15、中温供热出口 16、高温热交换器17、汽轮机18、发电机与电输出19、冷凝器20、管路以及控制系统。

[0030] 图2与图3为中温I禹合蓄热器不意图,包括壳体23、保温层29、顶部管箱26、底部管箱22、管体30、管板31、高温传热蓄热介质进口 28与出口 25、中温传热蓄热介质进口 21与出口 32。中温耦合蓄热器为圆筒结构23,外部覆盖保温层29;顶部管箱26和底部管箱22均为圆柱形封头管箱;顶部管箱26和底部管箱22分别通过法兰与管体30固定连接;管束30与管板31之间通过焊接形成密封、固定的一体式结构。

[0031 ] 图4与图5为低温耦合蓄热器,包括中温传热蓄热介质壳体35、低温传热蓄热介质壳体37、保温层48、顶部管箱40、底部管箱34、管体45、管板39、中温传热蓄热介质进口 42与出口 36、低温传热蓄热介质进口 44与出口 38、水与蒸汽进口 33与出口 47。中温传热蓄热介质壳体35与低温传热蓄热介质壳体37分别为相邻的圆柱体,外部覆盖保温层40 ;顶部管箱40和底部管箱34均为圆柱形封头管箱;顶部管箱40和底部管箱34分别通过法兰与管体固定连接;管束45与管板39之间通过焊接形成密封、固定的一体式结构。

[0032] 本发明的多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统工作时,其工作原理包括吸热蓄热传热循环与热电联供两部分。定日镜场8汇聚太阳辐射到聚光塔9上方的吸热器10,吸热器内高温传热蓄热介质24由中温耦合蓄热器6流入,经加热后储存于高温蓄热器11,而后经高温热交换器17后流回中温耦合蓄热器6。抛物槽镜场汇聚太阳辐射到真空管吸热器5,吸热器内中温传热蓄热介质27由低温耦合蓄热器3流入,经加热后储存于中温耦合蓄热器6,而后经中温热交换器15后流回低温耦合蓄热器3。平板式集热器I直接吸收太阳辐射,集热器I内低温传热蓄热介质46由低温耦合蓄热器3流入,经加热后流回低温耦合蓄热器3。通过中温耦合蓄热器6与低温耦合蓄热器3,塔式吸热蓄热传热子系统、槽式吸热蓄热传热子系统与平板式吸热蓄热传热子系统形成耦合。

[0033] 热电联供子系统中,水由进口管道12进入,经低温耦合蓄热器3加热形成高温热水、经中温热交换器16加热形成中温饱和蒸汽、经高温热交换器17加热形成高温过热蒸汽,而后进行蒸汽发电18或供热。热电联供子系统运行模式包括供电模式、供热模式、热电联供模式。供电模式下,进口管道12关闭,水与蒸汽循环运行,平板集热器I吸收的热量可以提高低温耦合蓄热器3内介质温度,而槽式吸热器5吸收的热量可以储存于中温耦合蓄热器6,利用低温耦合蓄热器3与中温耦合蓄热器6的传热耦合可以显著增加高温蓄热器11的蓄热量,进而提高发电量。供热模式下,发电系统18关闭,中温供热出口 16与低温供热出口 14打开,进口管道12打开,塔式吸热器10吸收的热量通过高温蓄热传热子系统存储于中温耦合蓄热器6,可以直接增加对外供热量和供热温度。热电联供模式下,进口管道12开放,输入流量取决于供热量;平板式吸热蓄热传热子系统主要提供低温供热,并提高低温耦合蓄热器3内介质温度;塔式吸热蓄热传热子系统与槽式吸热蓄热传热子系统通过中温耦合蓄热器6进行耦合,可以通过调节中温蓄热器6温度与蓄热传热工质流量来满足热电供应。

[0034] 如上所述,便可较好地实现本发明,上述实施例仅为本发明的较佳实施例,并非用来限定本发明的实施范围;即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰,都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (6)

1.一种多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统,其特征在于,包括塔式吸热蓄热传热子系统、槽式吸热蓄热传热子系统、平板式吸热蓄热传热子系统与热电联供子系统,塔式吸热蓄热传热子系统、槽式吸热蓄热传热子系统、平板式吸热蓄热传热子系统依次顺序耦合,且分别与热电联供子系统连接; 所述塔式吸热蓄热传热子系统包括定日镜场、聚光塔、吸热器、高温泵、高温蓄热器与管道,定日镜场与聚光塔置与同一平面,吸热器安装在聚光塔的塔顶,吸热器通过管道分别与高温泵和高温蓄热器连接; 所述槽式吸热蓄热传热子系统包括抛物槽镜场、真空管吸热器、中温泵、中温耦合蓄热器与管道,抛物槽镜场设置在真空管吸热器上,真空管吸热器通过管道分别与中温泵和中温耦合蓄热器连接; 所述平板式吸热蓄热传热子系统包括平板式集热器、低温泵、低温耦合蓄热器与管道,平板式集热器与低温耦合蓄热器通过管道形成封闭回路,在管道上设置低温泵; 中温耦合蓄热器分别与高温蓄热器和低温耦合蓄热器相连接。
2.根据权利要求1所述的多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统,其特征在于,所述高温蓄热器的壳体为圆柱形,壳体表面覆盖预热与保温层,预热与保温层上设置外壳,壳体上成45°对称设置高温传热蓄热介质进口与高温传热蓄热介质出口,高温传热蓄热介质进口靠近顶部,高温传热蓄热介质出口靠近底部,各凸出于相应外壳。
3.根据权利要求1所述的多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统,其特征在于,所述中温耦合蓄热器的壳体为圆柱形,封头两侧均开口,壳体表面覆盖预热与保温层,预热与保温层上设置外壳,壳体封头两侧均固定管板,壳体封头两侧的管板分别固定顶部管箱和底部管箱,顶部管箱和底部管箱的截面均为与壳体封头两侧截面相应的圆形;壳体靠近顶部管箱处设置高温传热蓄热介质进口,壳体靠近底部管箱处设置高温传热蓄热介质出口,中温传热蓄热介质进口与中温传热蓄热介质出口分别设置在顶部管箱和底部管箱上,均凸出于相应外壳;管束固定在管板之间。
4.根据权利要求3所述的多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统,其特征在于,所述管束中间有孔且两端开口,数量为5-500根,管板开有相应小孔,管束通过管板的小孔与顶部管箱和底部管箱相通。
5.根据权利要求1所述的多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统,其特征在于,所述热电联供子系统的水与水蒸气进口与低温供热出口之间的管道上设置有泵,低温供热出口与中温供热出口之间的管道上设置中温热交换器,中温热交换器与槽式吸热蓄热传热子系统连接,中温供热出口与汽轮机之间的管道上设置高温热交换器,高温热交换器与塔式吸热蓄热传热子系统相连,汽轮机的一个端口与发电机相连,另一端与水与水蒸气进口处的管道连接,在两者之间的管道上设置冷凝器。
6.根据权利要求1、2、3或5任一项所述的多级耦合蓄热式太阳能热电联供系统,所述高温蓄热器内的高温传热蓄热介质工作温度为300°C _700°C,为高温混合熔融盐或液态金属,中温传热蓄热介质工作温度为100°C _40(TC,为耐高温导热油,低温传热蓄热介质工作温度为20°C _150°C,为导热油或水。
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