CN102072115B - 槽式太阳能聚热发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用气体或气汽混合气体作为传热工质的太阳能聚热发电(CSP)装置，该装置充分利用线聚焦高温集热管对管内气体进行的扰动，在强化换热的同时有控制的混合雾化水汽，充分利用气汽混合工质传输高温热气流，在蒸发锅炉内与雾化水汽通过闪蒸产生饱和蒸汽和过热蒸汽，最终驱动热动力机组完成太阳能聚热发电的系统装置。

Description

槽式太阳能聚热发电装置
技术领域
本发明涉及一种采用气体或气汽混合气体作为传热工质的槽式太阳能聚热发电(CSP)装置，该装置充分利用线聚焦高温集热管对管内气体进行扰动，在强化换热的同时有控制的混合雾化水汽，充分利用气汽混合工质传输高温热气流，在蒸发锅炉内与雾化水汽闪蒸产生饱和蒸汽和过热蒸汽，最终驱动热动力机组完成太阳能聚热发电的系统装置。该技术属太阳能热利用领域。
背景技术
随着太阳能等可再生能源利用在全世界蓬勃发展，太阳能聚热发电(CSP)逐步为人们所认识。太阳能聚热发电(CSP)相比光伏太阳能发电(PV)有规模大、集中度高、效率高等突出特点，但是面临的共同问题是如何降低投资成本以及如何提高发电效率进而降低发电成本，尤其是降低投资成本和提高发电效率就成为两种太阳能发电技术竞争的焦点。太阳能聚热发电(CSP)主要有槽式、塔式、菲涅尔以及碟式等四种热发电模式，其中槽式太阳能聚热发电(CSP)已经实现商业化。该技术主要采用导热油为传热工质，经导热油换热后驱动常规蒸汽轮机带动发电机组发电。由于目前的导热油工作温度必须控制在400度左右，超出这一温度将会导致导热油裂解、粘度提高以及传热效率降低等问题，因此限制了槽式太阳能聚热发电的工作温度。同时，导热油使用成本很高，因此迫切需要有新的传热工质取代导热油，以提高工作温度，并降低装置造价和运行成本。目前国际太阳能聚热发电(CSP)领域正在研究的替代方法主要有熔盐以及用水做传热工质的DSG(direct steam generation)两种技术。前者一般采用硝酸类熔盐，结晶点较高，大多在230至260℃左右，因此直接拿来替换还有诸多困难，当前熔盐主要用于热储能。美国桑迪亚实验室正在研究结晶点在100度以下的熔盐，如果成功将有希望取代导热油。用水直接做传热工质的DSG技术已经试验多年，由于该技术存在的主要问题是压力难以控制，以及水在集热管内传输和汽化等方面都存在很多困难，因此这一普遍被看好的技术仍停留在试验阶段。但是，只要这一问题被解决，那么DSG技术就是成本最低、效率最高的太阳能热发电技术。
发明内容
本发明就是为提高槽式太阳能聚热发电效率，进一步解决DSG关键技术难题而提出的一种能够以强化换热技术和替代导热油以及适应气体或气汽混合气体工质为核心的槽式太阳能聚热发电装置。
本发明槽式太阳能聚热发电装置由抛物槽聚光装置、线聚焦集热管、导热油、气体工质、传输管线、汽化罐、射流泵、气压泵、水泵、压力控制阀、换热器、雾化蒸发锅炉、热动力机、储热罐、冷却装置等组成，其主要特征在于：在抛物槽聚光装置阵列中配置汽化罐或射流泵，以及压力控制阀，并通过传输管线连接雾化闪蒸锅炉和换热器；雾化闪蒸锅炉连接热动力机，热动力机连接冷却装置；冷却装置连接水泵、气压泵；水泵、气压泵连接抛物槽聚光装置；换热器连接储热罐。
为实现上述技术目标，线聚焦集热管采用具有强化换热功能的环形波节或螺旋波节金属内管。波节金属内管或螺旋波节金属内管是具有强化换热功能的换热元件，这两种金属内管能够提高换热效率的根本原因，在于它们充分利用了自身管体在轴线上的横截面周期性变化的结构设计优势，促使管内的热交换介质产生强烈扰动，变层流换热为涡流换热，加快管内工质热循环。经理论计算和实践检验证明，它的热交换效率比一般金属直管高两到三倍。
在上述技术方案的基础上，把传统槽式太阳能聚热发电装置使用的导热油工质替换为气体工质。
所述气体工质为空气，或氮气，或二氧化碳气，或其他潜热比高、密度高以及性能稳定的气体，或它们之间的混合气体，或这些气体以及混合气体与汽化的水分子混合后形成的混合气体；这些气体经抛物槽聚光和线聚焦集热管加热后能形成高温热气流，热气流温度在200至600℃。
为实现传热工质替代和避免水工质曾出现的气液两相流以及气压不均匀等问题，在抛物槽聚光装置阵列中配置数量不等的汽化罐或射流泵，所述汽化罐设置水雾喷头和高温气流进出口，其作用和功能是在传输过程中适量增加高温气体工质湿度，合理配置混合传热气体与气相水分子的比重，通过调整配置量来调整气体传输压力。所述射流泵设有高温气流喷口、引流端口和加速腔，同样安装在抛物槽聚光装置阵列中，主要实现气体流速加速和增加气体工质含汽比重的作用，同时减少和替代部份气压泵。
在上两种技术方案的基础上，在热动力机组前增加雾化闪蒸锅炉。所述雾化闪蒸锅炉由蒸发室、水雾喷头、高温气流喷头、压力控制阀、饱和蒸汽或过热蒸汽输出端口构成，主要实现在高温气流作用下将喷淋雾化的水雾通过闪蒸产生饱和蒸汽和过热蒸汽的功能。雾化闪蒸锅炉分为饱和雾化闪蒸锅炉和过热雾化闪蒸锅炉。
所述的气压泵为气体压力泵或风扇空气压力泵。主要提供初始气体传输压力，保证气体在线聚焦集热管内加速流动。
所述水泵是系统冷却水的循环泵。
所述压力控制阀是能够自动保持和控制气体压力的减压阀。
所述热动力机为蒸汽轮机或螺杆膨胀动力机。
所述换热器为盐汽换热器，这是在无光照的时候使用的换热装置。
所述储热罐是用于熔盐类物质储热的装置，分为冷罐和热罐。
该发明主要有三个创新点：
首先，是将传统金属直管替换成具有强化换热功能的环形波节或螺旋波节线聚焦集热管，充分发挥该集热管对传热工质的扰动作用，变层流加热为涡流加热；
其次，是把导热油直接替换成气体.为进一步提高传热效率，继承DSG技术优势，克服存在的直接加热水工质的弱点，在抛物槽聚热装置阵列中有选择的增加汽化罐或射流泵等气化装置，利用这些装置在高温气体工质中适量加入水蒸气，提高水分子在气体中的比重，增加气体工质的湿度，利用含“汽”气体完成热传导。不言而喻，这种技术方案即完成了对导热油的替代，节约了热发电运行成本，同时发挥了DSG技术的长处。
再次，在传输终端设置雾化闪蒸锅炉，在锅炉内将水直接雾化然后与高温气体闪蒸产生热发电需要的饱和蒸汽和过热蒸汽，此举不仅可以替代常规换热器组，同时可大幅减少换热损失。另由于该装置直接用雾化闪蒸锅炉完成水蒸汽的闪蒸气化，进一步降低了投资成本。
该发明除在抛物槽聚光热发电装置使用外，也可以应用在塔式热发电装置中，主要是将塔式热发电装置中的空腔集热器产生的高温热气流直接输入到雾化蒸发锅炉，确保雾化水汽在高温气流作用下闪蒸产生饱和蒸汽和过热蒸汽，驱动热动力机并带动发电机组发电。由于其结构类似、原理相同故不详述。
附图说明
图1是本发明气汽混合传热-雾化闪蒸热发电装置示意图
图2是本发明气汽射流混合传热-雾化闪蒸热发电装置示意图
图3是传统槽式太阳能聚热发电(CSP)装置示意图
其中
1、抛物槽聚光装置，2、线聚焦集热管，3、汽化罐，4、射流泵，5、气压泵，6、压力控制阀，[0001]7、雾化闪蒸锅炉，8、蒸汽轮机，9、冷却装置，10、储热罐，11、换热器，12、螺杆膨胀动力机
具体实施方式
首先，将传统金属直管替换成具有强化换热功能的环形波节或螺旋波节线聚焦集热管(2)，充分发挥该集热管对传热工质的扰动作用，变层流加热为涡流加热；
其次，是把导热油直接替换成气体，进一步提高传热效率。为继承DSG技术优势，克服存在的直接加热水工质的弱点，在抛物槽聚热装置阵列中有选择的增加汽化罐(3)或射流泵(4)等气化装置，利用这些装置在高温气体工质中适量加入水蒸气，提高水分子在气体中的比重，增加气体工质的湿度，利用含“汽”气体完成热传导。
再次，在传输终端设置雾化闪蒸锅炉(7)，在锅炉内将水直接雾化然后与高温气体闪蒸产生热发电需要的饱和蒸汽和过热蒸汽，此举不仅可以替代常规换热器组，同时可大幅减少换热损失。安装在雾化闪蒸锅炉顶部的水雾喷头负责将水雾化后直接喷入蒸发室内，高温气流喷头将集热装置加热的高温气流或气汽混合高温气流同时喷入蒸发室内，雾化水汽和高温气流在锅炉内通过闪蒸直接产生饱和蒸汽或过热蒸汽，压力控制阀保持锅炉内压力稳定，饱和蒸汽或过热蒸汽通过输出端口进入蒸汽轮机(8)或螺杆膨胀动力机(12)，带动发电机组发电。本装置采用成熟的熔盐储热技术，同时也利用储热预热进口气体，有利于第二天启动热发电装置。
在塔式热发电装置中，可以将塔式热发电装置中的空腔集热器产生的高温热气流直接输入到雾化闪蒸锅炉，水雾化喷头负责将水雾化并喷入蒸发室内；高温热气流喷嘴将高温气流或气汽混合高温气流喷入蒸发室内，确保在高温气流作用下通过闪蒸直接产生饱和蒸汽或过热蒸汽，驱动蒸汽轮机(8)或螺杆膨胀动力机(12)并带动发电机组发电。

Claims (2)

1.槽式太阳能聚热发电装置包括抛物槽聚光装置、线聚焦集热管、气体工质、传输管线、汽化罐、气压泵、水泵、压力控制阀、换热器、雾化闪蒸锅炉、热动力机、储热罐、冷却装置，其主要特征在于：
1)在抛物槽聚光装置阵列中配置汽化罐或射流泵，以及压力控制阀，并通过传输管线连接雾化闪蒸锅炉和换热器；雾化闪蒸锅炉连接热动力机，热动力机连接冷却装置；冷却装置连接水泵、气压泵；水泵、气压泵连接抛物槽聚光装置；换热器连接储热罐；
2)所述气体工质为空气，或氮气，或二氧化碳气，或其他潜热比高、密度高以及性能稳定的气体，或它们之间的混合气体，或这些气体以及混合气体与汽化的水分子混合后形成的混合气体；这些气体经抛物槽聚光和线聚焦集热管加热后能形成高温热气流，热气流温度在200至600℃；
3)所述气压泵为气体压力泵或风扇空气压力泵，主要提供初始气体传输压力，保证气体在线聚焦集热管内加速流动；
4)所述线聚焦集热管的金属内管是具有强化换热功能的环形波节或螺旋波节管；
5)所述汽化罐设置水雾喷头和高温气流进出口；
6)所述射流泵设有高温气流喷口、引流端口和加速腔；
7)所述水泵是系统冷却水的循环泵；
8)所述压力控制阀是能够自动保持和控制气体压力的减压阀；
9)所述热动力机为蒸汽轮机或螺杆膨胀动力机；
10)所述换热器为盐汽换热器，这是在无光照的时候使用的换热装置；
11)所述储热罐是用于熔盐类物质储热的装置，分为冷罐和热罐。
2.根据权利要求1所述的槽式太阳能聚热发电装置，其主要特征在于：所述雾化闪蒸锅炉由蒸发室、水雾喷头、高温气流喷头、压力控制阀、饱和蒸汽或过热蒸汽输出端口构成，分为饱和雾化闪蒸锅炉和过热雾化闪蒸锅炉。
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