CN102242699A - 双级蓄热的槽式太阳能热发电系统 - Google Patents

双级蓄热的槽式太阳能热发电系统 Download PDF

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韩巍
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Abstract

本发明公开了一种双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，包括双级槽式太阳能集热场、双级蓄热子系统和发电子系统。双级槽式太阳能集热场包括高温集热场和低温集热场，接收聚集太阳辐射能量，高温集热场将聚集的太阳辐射能量转化成高温导热油热量，低温集热场将太阳辐射能量转化成低温导热油热量；双级蓄热子系统包括高温蓄热器和低温蓄热器，高温蓄热器存储高温集热场输出的高温导热油，低温蓄热器存储低温集热场输出的低温导热油；发电子系统，用于将导热油热量转化成蒸汽，将蒸汽转化为电能，并输出电能。利用本发明，不但解决了镜场平均吸热温度高带来的集热效率降低的问题，而且解决镜场对导热油耐高温性能高，导热油投资大，发电成本高的问题。

Description

双级蓄热的槽式太阳能热发电系统
技术领域
本发明涉及太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种双级蓄热的槽式太阳能热发电系统。
背景技术
太阳能热发电技术在世界上得到了高度关注，发展较为迅速。太阳能热发电技术主要分为槽式、塔式和碟式三类。槽式太阳能热发电系统在美国SEGS电站以及西班牙AndaSol电站已经具有商业化运行的经验，相比其他技术而言，槽式太阳能热发电系统技术相对比较成熟，商业化程度最高。
槽式太阳能热发电系统的主要障碍是集热工质温度不高，发电子系统的热效率较低；蓄热子系统主要以价格昂贵的高温导热油为作为集热、蓄热工质，投资较大。目前对槽式太阳能热发电系统的研究大多致力于改善系统关键技术部件的性能，如提高集热器的光学效率、降低吸热管的散热损失等。发电成本居高不下是限制太阳能热发电技术发展的重要原因，因此，如何降低发电成本成为槽式太阳能热发电系统研究的一个重要方向。
当前以导热油为工质的槽式太阳能电站系统，其典型的系统流程为槽式太阳能集热场采用导热油一次通过方式，蓄热子系统采用双罐式，然而这种系统设计方式的缺点在于整个槽式太阳能集热场平均工作温度较高，集热效率较低，而且导热油耐温要求达到400℃左右，如若以导热油为蓄热工质，耐高温的导热油用量很大，这两方面的不足均增加了系统投资。
专利(US，No.4283914)提出了一种太阳能能量转化系统，它的集热系统由平板、槽式等多种集热器组成，用来汇集太阳能，蓄能系统与集热器构成模块化回路，每个模块回路工作温度相同，动力循环工质为热气体，发电装置难以大规模，发电效率低。专利(CN 101000043A)涉及一种太阳能热发电机组，以水为工作介质，集热分为太阳能低、中、高温加热器，其中低、中温太阳能加热器是固定式的，高温加热器的聚光器有一维跟踪装置，螺杆机发电，另外还设置了一个蓄热水罐，使水变为180℃的蒸汽，驱动螺杆发电机发电，该系统产生的蒸汽温度低，发电装置效率低，蓄能困难，难以解决适应太阳能不稳定而用能需求相对稳定的矛盾。专利(JP60122865A)涉及一个双镜场双级蓄热的太阳能热发电系统，低温镜场用于生产饱和蒸汽高温镜场用于加热传热工质，传热工质再将低温镜场产生的饱和蒸汽过热，然后进入汽轮机做功，主要缺点是饱和蒸汽蓄能困难，完全依靠蓄能系统发电难以实现。
本发明基于现有已商业化槽式太阳能发电电站系统基础上，从改进系统流程及集成方式上出发，针对以导热油为吸热工质的槽式太阳能热发电系统，提出了工作温度不同的双级槽式太阳能集热场，与传统槽式太阳能集热场相比，降低了集热场的平均工作温度，提高了双级槽式太阳能集热场的总体集热效率，减小了镜场面积，降低了槽式太阳能集热场的投资成本；提出了双级蓄热子系统，应用了耐温性能不同的导热油，改善了蓄能利用方式，降低了蓄能子系统的投资成本。在相同功率输出时，与传统槽式太阳能发电系统相比，成本下降明显，对槽式太阳能热发电系统发展具有重要作用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，以解决镜场平均吸热温度高带来的集热效率降低问题，并解决镜场对导热油耐高温性能高、导热油投资大和发电成本高的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，该系统至少包括双级槽式太阳能集热场、双级蓄热子系统和发电子系统，其中：
双级槽式太阳能集热场包括高温槽式太阳能集热场和低温槽式太阳能集热场，用于接收并会聚太阳辐射能量，高温槽式太阳能集热场将太阳辐射能转化成高温导热油热量，低温槽式太阳能集热场将太阳辐射能转化成低温导热油热量；
双级蓄热子系统包括高温蓄热器和低温蓄热器，高温蓄热器与高温太阳能集热场相连，构成高温导热油循环回路；低温蓄热器与低温太阳能集热场相连，构成低温导热油循环回路；
发电子系统，用于将双级蓄热子系统存储的能量转化成蒸汽，再将蒸汽转化为电能，并输出电能。
上述方案中，所述的双级槽式太阳能集热场是两个工作温度不同的槽式太阳能集热场，其中，高温太阳能集热场工作温度较高，温度范围为330～390℃，集热效率较低；低温太阳能集热场工作温度较低，温度范围为150～350℃，集热效率较高。
上述方案中，所述双级蓄热子系统在蓄热时，来自高温太阳能集热场出口的高温导热油的热量存储在高温蓄热器中，来自低温太阳能集热场的低温导热油的热量存储在低温蓄热器中；所述双级蓄热子系统在放热时，高温导热油释放热量，将饱和蒸汽或再热蒸汽过热，温度降低后，经油泵循环返回给高温太阳能集热场，低温导热油释放热量，将过冷水加热成饱和蒸汽，温度降低后，经油泵循环返回给低温太阳能集热场。
上述方案中，所述双级蓄热子系统在放热时，发电子系统输出的凝结水首先进入低温蓄热器，吸收热量后转化为饱和蒸汽，饱和蒸汽然后进入高温蓄热器被进一步加热转化为过热蒸汽，进入发电子系统。
上述方案中，所述高温太阳能集热场输出的高温导热油进入高温蓄热器，将高温热量存储其中；低温太阳能集热场输出的低温导热油进入低温蓄热器，将低温热量存储其中，这种蓄热方式实现了不同品位能量的分级蓄存。
上述方案中，所述高温太阳能集热场和高温蓄热器的工质为高温导热油，能承受400℃左右的高温，低温太阳能集热场和低温蓄热器的工质为低温导热油，能承受350℃的高温。
上述方案中，所述发电子系统将双级蓄热子系统蓄存的热量转化成高压过热蒸汽，并将高压过热蒸汽的热能转化为电能，并输出电能。
上述方案中，所述发电子系统为汽轮机发电装置或螺杆机发电装置。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，采用了不同工作温度的双级槽式太阳能集热场，降低了双级槽式太阳能集热场的平均工作温度，提高了总体集热效率，减小太阳能集热场的镜场面积，降低太阳能集热场的投资成本。
2、本发明提供的这种双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，高温太阳能集热场和高温蓄热器的工质为高温导热油，能承受400℃左右的高温，低温太阳能集热场和低温蓄热器的工质为低温导热油，能承受350℃左右的高温，因两种导热油工作温度不同，性能不同，价格差异也有很大，通过采用工作温度低价格便宜的低温导热油，减少工作温度高价格昂贵的高温导热油，降低蓄热系统的投资成本。
3、本发明提供的这种双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，高温蓄热器和低温蓄热器相互独立，高温太阳能集热场输出的高温导热油进入高温蓄热器，将高温热量存储其中；低温太阳能集热场输出的低温导热油进入低温蓄热器，将低温热量存储其中，实现了不同品位能量的分级蓄存，提高了蓄能系统的利用率和整体性能，降低了蓄能系统投资和发电成本，克服了传统的槽式太阳能热发电方案中的汽轮机运行受太阳辐射不稳定、不连续影响的问题。
4、本发明提供的这种双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，蓄热系统在释放蓄存的能量时，低温蓄热器用于蒸汽的发生过程，高温蓄热器用于饱和蒸汽的过热过程。
5、本发明提供的这种双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，槽式太阳能热发电系统的运行方式更加灵活，双级槽式太阳能集热场与发电子系统采用完全解耦的方式运行。高温集热场产生的高温导热油的能量完全储存在高温蓄热器、低温集热场产生的低温导热油热量储存在低温蓄热器中，发电子系统所需蒸汽的能量全部由高、低温蓄热器提供。聚光集热子系统不与发电子系统直接接触，提高了对太阳辐射不稳定、不连续的适应性。
6、本发明提供的这种双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，其好处还有：
①槽式太阳能集热系统根据工作温度的不同采用了高温槽式太阳能集热场和低温槽式太阳能集热场，与传统槽式太阳能集热场相比，降低了集热场的平均工作温度，提高了集热场的总体集热效率，相同功率条件下减小了集热面积，降低了投资成本。同时，对集热场关键部件的选择更加灵活，性能要求也有所下降，不以追求较高的集热效率为目标，尤其是低温集热场，可以根据系统的热力性能和经济性权衡后采用相应的技术。
②实现了不同品位能量的分级蓄存，高温太阳能集热场输出的高温导热油进入高温蓄热器，将高温热量存储其中，低温太阳能集热场输出的低温导热油进入低温蓄热器，将低温热量存储其中，这样可以大幅减小价格昂贵的高温导热油的使用量，减小高温蓄热装置的体积，降低蓄热子系统的投资成本；高温蓄热器、低温蓄热器功能独立，工作条件稳定；
③技术风险小，低温槽式太阳能集热场运行温度较低，运行可靠程度高；高温蓄热器的热容量仅为低温蓄热器的18％左右，可以降低高温集热和蓄热技术给系统带来的风险。
附图说明
图1为本发明提供的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统的结构示意图；
图2为依照本发明第一个实施例的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统的工作流程示意图；
图3为依照本发明第二个实施例的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统的工作流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1为本发明提供的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统的结构示意图，该系统至少包括双级槽式太阳能集热场、双级蓄热子系统和发电子系统。其中，双级槽式太阳能集热场包括高温集热场和低温集热场，接收聚集太阳辐射能量，高温集热场将聚集的太阳辐射能量转化成高温导热油热量，低温集热场将太阳辐射能量转化成低温导热油热量；双级蓄热子系统包括高温蓄热器和低温蓄热器，高温蓄热器存储高温集热场输出的高温导热油，低温蓄热器存储低温集热场输出的低温导热油；发电子系统，用于将导热油热量转化成蒸汽，将蒸汽转化为电能，并输出电能。
其中，所述的双级槽式太阳能集热场，是两个工作温度不同的槽式太阳能集热场，高温太阳能集热场工作温度较高，约330～390℃，集热效率较低，低温太阳能集热场工作温度较低，约150～350℃，集热效率较高，与传统槽式太阳能集热场相比，降低了集热场的平均工作温度，使得双级槽式太阳能集热场的总体集热效率有所提高。
所述的双级蓄热子系统，蓄热时，来自高温太阳能集热场出口的高温导热油的热量存储在高温蓄热器中，来自低温太阳能集热场的低温导热油的热量存储在低温蓄热器中；放热时，高温导热油释放热量，将饱和蒸汽或再热蒸汽过热，温度降低后，经油泵循环返回给高温太阳能集热场，低温导热油释放热量，将过冷水加热成饱和蒸汽，温度降低后，经油泵循环返回给低温太阳能集热场。所述双级蓄热子系统，放热时，发电子系统输出的凝结水首先进入低温蓄热器，吸收热量后转化为饱和蒸汽，饱和蒸汽然后进入高温蓄热器被进一步加热转化为过热蒸汽，进入发电子系统。
所述的高温太阳能集热场和高温蓄热器的工质为高温导热油，能承受400℃左右的高温，低温太阳能集热场和低温蓄热器的工质为低温导热油，能承受350℃左右的高温。
所述的发电子系统将双级蓄热子系统蓄存的热量转化成高压过热蒸汽，并将高压过热蒸汽的热能转化为电能，并输出电能。发电子系统可以为汽轮机发电装置或螺杆机发电装置。
再参照图1，本发明提供的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统包括高温太阳能集热场1、低温太阳能集热场2、高温蓄热器3、低温蓄热器4、及发电装置5。
其中，高温太阳能集热场1与高温蓄热器3相连，构成高温导热油循环回路，低温太阳能集热场2与低温蓄热器4相连，构成低温导热油循环回路，高温太阳能集热场1、低温太阳能集热场2用于聚集太阳辐射能，高温太阳能集热场将太阳辐射能转化成高温导热油热量，并将高温热量存储在高温蓄热器3中，低温太阳能集热场将太阳辐射能转化成低温导热油热量，并将低温热量存储在低温蓄热器4中。蓄热系统释能时，来自发电装置的凝结水经泵c首先进入低温蓄热器完成预热蒸发过程，然后进入高温蓄热器实现蒸汽过热，最后进入发电装置进行发电。
参照图2，图2为依照本发明第一个实施例的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统的工作流程示意图。图2中各部件及相应的标记为：1-高温太阳能集热场；2-低温太阳能集热场；3-高温热罐；4-高温冷罐；5-低温热罐；6-低温冷罐；7-过热器；8-蒸发器；9-预热器；10-再热过热器；11-再热蒸汽发生器；12-高压缸；13-低压缸；14-冷凝器；15-凝结水泵；16-低压加热器组；17-除氧器；18-高压加热器组。
在图2中，双级太阳能集热场1和2聚集太阳辐射能量加热工作介质，产生高温导热油。高温蓄热器由高温热罐3和高温冷罐4组成，低温蓄热器由低温热罐5和低温冷罐6组成，实现了能量按品位分级蓄存；发电装置的给水先进入预热器9和蒸发器8，吸收低温蓄热器中的能量后产生饱和蒸汽，饱和蒸汽进入蒸汽过热器10，吸收高温蓄热器中的能量后变成过热蒸汽，之后进入汽轮机，汽轮机由高压缸和低压缸组成，采用一次再热方式，过热蒸汽由高压缸12膨胀做功后经再热蒸汽发生器11和再热蒸汽过热器10后进入低压缸13继续膨胀做功，乏汽进入冷凝器14冷凝，凝结水经凝结水泵15和低压加热器组16、除氧器17和高压加热器组18完成动力循环。
参照图3，图3为依照本发明第二个实施例的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统的工作流程示意图。图3中各部件及相应的标记为：1-高温太阳能集热场；2-低温太阳能集热场；3-高温热罐；4-高温冷罐；5-低温热罐；6-低温冷罐；7-过热器；8-蒸发器；9-预热器；10-再热过热器；11-再热蒸汽发生器；12-高压缸；13-低压缸；14-冷凝器；15-凝结水泵；16-低压加热器组；17-除氧器。
在图3中，与第一个实施例相比，不同的是第二个实施例去掉了高压加热器组，其他装置相同。
本发明还分别对上述第一个实施例和第二个实施例进行了分析，对于第一个实施例，系统中的主要参数如表1所示，其热力性能如表3所示。对于第二个实施例，系统中的主要参数如表2所示，其热力性能如表3所示。与传统太阳能槽式电站相比，实施例1和2系统比投资分别降低12.3％和11.9％，发电成本分别降低9％和8％，因此可以看出本发明中提出新流程的优越性。
  物流序号   温度(℃)  压力(bar)   物流序号   温度(℃)  压力(bar)
  S1   391  13   S6   371  100
  S2   350  20   S7   209  19
  S3   350  12   S8   371  17
  S4   306  20   S9   42  0.08
  S5   235  104   S10   42  0.08
表1
  物流序号   温度(℃)  压力(bar)   物流序号   温度(℃)  压力(bar)
  S1   391  13   S6   371  100
  S2   350  20   S7   209  19
  S3   330  11   S8   371  17
  S4   298  20   S9   42  0.08
  S5   170  104   S10   42  0.08
表2
  电站容量(MW)   集热场面积(万m2)   蓄热容量(h)   镜场效率   蓄热效率   热功转换效率   设计点效率   比投资(万/kW   发电成本(￥/kWh
  实施例1   36.7   15.91   0.5   0.6400   0.99   0.4048   0.2564   13968   1.00
  实施例2   36.7   16.26   0.5   0.6410   0.99   0.3955   0.2509   14036   1.01
  参考系统   36.7   16.10   0.5   0.6323   0.99   0.4078   0.2534   15930   1.10
表3
本发明所提出的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，高温太阳能集热场和高温蓄热器的工质为高温导热油，能承受400℃左右的高温，低温太阳能集热场和低温蓄热器的工质为低温导热油，能承受350℃左右的高温。本发明集成了双级太阳能集热场、双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，对于降低槽式太阳能热发电系统中的集热和蓄能投资方面具有无可比拟的优越性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，其特征在于，该系统至少包括双级槽式太阳能集热场、双级蓄热子系统和发电子系统，其中：
双级槽式太阳能集热场包括高温槽式太阳能集热场和低温槽式太阳能集热场，用于接收并会聚太阳辐射能量，高温槽式太阳能集热场将太阳辐射能转化成高温导热油热量，低温槽式太阳能集热场将太阳辐射能转化成低温导热油热量；
双级蓄热子系统包括高温蓄热器和低温蓄热器，高温蓄热器与高温太阳能集热场相连，构成高温导热油循环回路；低温蓄热器与低温太阳能集热场相连，构成低温导热油循环回路；
发电子系统，用于将双级蓄热子系统存储的能量转化成蒸汽，再将蒸汽转化为电能，并输出电能。
2.根据权利要求1所述的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，其特征在于，所述的双级槽式太阳能集热场是两个工作温度不同的槽式太阳能集热场，其中，高温太阳能集热场工作温度较高，温度范围为330～390℃，集热效率较低；低温太阳能集热场工作温度较低，温度范围为150～350℃，集热效率较高。
3.根据权利要求1所述的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，其特征在于，所述双级蓄热子系统在蓄热时，来自高温太阳能集热场出口的高温导热油的热量存储在高温蓄热器中，来自低温太阳能集热场的低温导热油的热量存储在低温蓄热器中；所述双级蓄热子系统在放热时，高温导热油释放热量，将饱和蒸汽或再热蒸汽过热，温度降低后，经油泵循环返回给高温太阳能集热场，低温导热油释放热量，将过冷水加热成饱和蒸汽，温度降低后，经油泵循环返回给低温太阳能集热场。
4.根据权利要求3所述的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，其特征在于，所述双级蓄热子系统在放热时，发电子系统输出的凝结水首先进入低温蓄热器，吸收热量后转化为饱和蒸汽，饱和蒸汽然后进入高温蓄热器被进一步加热转化为过热蒸汽，进入发电子系统。
5.根据权利要求1所述的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，其特征在于，所述高温太阳能集热场输出的高温导热油进入高温蓄热器，将高温热量存储其中；低温太阳能集热场输出的低温导热油进入低温蓄热器，将低温热量存储其中，这种蓄热方式实现了不同品位能量的分级蓄存。
6.根据权利要求1所述的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，其特征在于，所述高温太阳能集热场和高温蓄热器的工质为高温导热油，能承受400℃左右的高温，低温太阳能集热场和低温蓄热器的工质为低温导热油，能承受350℃的高温。
7.根据权利要求1所述的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，其特征在于，所述发电子系统将双级蓄热子系统蓄存的热量转化成高压过热蒸汽，并将高压过热蒸汽的热能转化为电能，并输出电能。
8.根据权利要求1所述的双级蓄热的槽式太阳能热发电系统，其特征在于，所述发电子系统为汽轮机发电装置或螺杆机发电装置。
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