CN103352814A - 抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，包括抛物槽式集热单元、化学热泵升温与储能单元和动力发电单元。抛物槽式集热单元用于接收汇聚太阳辐射能量，通过传热工质将接收的太阳辐射能量转化为380℃左右的中温热能，然后该热能作为中温热源输送给化学热泵升温与储能单元。化学热泵升温与储能单元以中温热能作为热源驱动吸热的化学反应，利用物质的化学变化进行吸热和放热，将中温热能转变为化学能储存或使之产生500℃以上的高温热能，输送给动力发电单元；动力发电单元，通过汽轮机与发电机组等动力设备，将接收的热能转化并输出为电能。本发明解决了槽式太阳能单独热发电系统蒸汽参数低导致动力循环效率低的问题，实现了太阳能的高效利用，适合规模化太阳能热发电技术。

Description

抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统
技术领域
本发明涉及可再生能源应用技术领域，尤其是一种抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统。
背景技术
太阳能热发电技术是利用太阳能聚光技术将太阳辐射能转换成高温热能，然后通过热力循环进行发电。根据聚光技术的不同将太阳能热发电系统分为槽式、塔式和碟式三类，目前槽式太阳能热发电技术较为成熟，已有商业化电站运行。但传热工质，通常为导热油，气化点较低，从而高温工作条件下导致变质，目前使用的导热油的最高工作温度不宜高于400℃，汽轮机入口主蒸汽参数最高约为370℃至380℃，主蒸汽参数较低严重制约了系统发电效率的提升，很大程度影响了槽式太阳能热发电技术的发展。
化学热泵是将热能转变为化学能的装置，它依靠化学反应，利用物质的状态变化进行吸热和放热。例如Ca(OH)2-H2O-CaO体系的无机化学热泵，是由日本名古屋大学学者架谷昌信和松田仁树提出，日本日立机械研究所和中电电力技术研究所共同试验完成。把常温水作为冷源，中温热源为400℃左右，使之产生500℃以上的热能。这是一种升温型化学热泵。400℃的中温热源可以通过聚光太阳能技术获得；H.Ogura等提出以Ca(OH)2/H2O/CaO体系无机化学热泵除湿系统，并通过实验研究，计算了Ca(OH)2/H2O/CaO体系无机化学热泵的制冷、供热效率；Wereko-Brobby等对CaO/Ca(OH)2工质对组成的太阳能储能单元应用于太阳能热发电系统的可行性进行了研究，结果表明，闭式循环储能子系统适合用于太阳能热发电系统，其热效率可达45％。
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出一种抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，以解决目前槽式太阳能单独热发电系统主蒸汽参数低的难题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，包括：
抛物槽式集热单元，用于接收汇聚的太阳辐射能，通过传热工质将接收的太阳辐射能量转化为中温热能，该中温热能作为中温热源输送给化学热泵升温与储能单元；
化学热泵升温与储能单元，以该中温热能作为热源驱动吸热的化学反应，利用物质的化学变化进行吸热和放热，将该中温热能转变为化学能储存或使之产生500℃以上的热能，输送给动力发电单元；
动力发电单元，用于将化学热泵升温与储能单元的500℃以上的热能加热工质水，转换为高温高压蒸汽，通过汽轮机与发电机组将接收的热能转化为电能并输出。
上述方案中，所述抛物槽式集热单元包括抛物槽式集热场1、吸热器2和传热工质泵4，其中抛物槽式集热场1接收并汇聚太阳能辐射能量，并将该太阳能辐射能量传递给吸热器2，加热吸热器2中的传热工质产生中温传热工质，将太阳辐射能量转化为热能，然后将产生的中温传热工质输给化学热泵升温与储能单元。
上述方案中，所述传热工质泵4用于将化学热泵升温与储能单元中的传热工质泵出给吸热器2，实现传热工质的循环利用。所述中温传热工质为380℃的导热油。
上述方案中，所述化学热泵升温与储能单元包括第一热交换器3、吸热反应器5、冷凝器6、放热反应器7和第二热交换器8，其中：第一热交换器3将吸热器2中的传热工质的热量传递给吸热反应器5，驱动吸热反应器5中的物质发生吸热化学反应，将热能转化为反应生成产物的化学能；反应生成产物被输送到放热反应器7中，与其他物质一起在放热反应器7内发生放热化学反应，释放的热量通过第二热交换器8加热工质水，使之成为500℃以上的高温高压蒸汽并输出给动力发电单元，从而物质的化学能转化成工质水的热能。
上述方案中，所述放热反应器7中产物被输送到吸热反应器5，继续发生吸热反应，完成化学热泵的循环过程。所述放热反应器7同时作为蓄热器，实现太阳能的化学储能。
上述方案中，所述动力发电单元包括汽轮机9、发电机组10、凝汽器11和凝结水泵12，其中，第二热交换器8产生的高参数蒸汽进入汽轮机9与发电机组10中放热，输出电能。
上述方案中，所述发电后水蒸汽在凝汽器11中冷凝，由凝结水泵12升压，经给水加热器13预热进入第二热交换器8，产生高参数蒸汽，完成动力发电单元的循环过程。
上述方案中，所述抛物槽式集热单元、化学热泵升温与储能单元以及动力发电单元联合运行，抛物槽式集热单元产生中温热能；化学热泵升温与储能单元采用升温型化学热泵，通过物质的化学变化进行吸热和放热反应，实现将中温热能转化为高温热能；动力发电单元将高温热能转化为电能。
(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：
传统的槽式太阳能单独热发电系统汽轮机入口蒸汽温度只有370℃左右，因此汽轮机发电效率低，导致整个槽式太阳能单独热发电系统效率较低。本发明提供的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，通过传热工质接收中低温太阳能，作为中温热源输送给化学热泵升温与储能单元，驱动物质的化学反应，将中温热能转变为化学能储存或使之产生高温热能，将汽轮机入口蒸汽温度提高到500℃以上，较之于传统的槽式太阳能单独热发电，汽轮机入口蒸汽温度370℃左右，可得到较高的动力循环效率，实现太阳能的高质转化。因此，本发明提供的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，解决了槽式太阳能单独热发电系统蒸汽参数低导致动力循环效率低的问题，实现了太阳能的高效利用，适合规模化太阳能热发电技术。
附图说明
图1为本发明提供的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统的结构示意图；
图2为依照本发明实施例的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统的结构示意图；
图3为化学热泵原理图；
图1中各部件及相应的标记为：1-抛物槽式集热场；2-吸热器；3-第一热交换器；4-导热油泵；5-吸热反应器；6-冷凝器；7-放热反应器；8-第二热交换器；9-汽轮机；10-发电机组；11-凝汽器；12-凝结水泵；13-给水加热器；14-储能罐
图2中各部件及相应的标记为：1-抛物槽式集热场；2-吸热器；3-热交换器；4-导热油泵；5-吸热反应器；6-冷凝器；7-放热反应器；8-热交换器；9-汽轮机；10-发电机组；11-凝汽器；12-凝结水泵；13-给水加热器；14-循环水泵；15-加热器；16-储能罐。
图3中各部件及相应的标记为：1-吸热反应器；2-放热反应器；3-冷凝器；4-蒸发器。
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为本发明提供的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统的结构示意图，该系统包括抛物槽式集热单元、化学热泵升温与储能单元和动力发电单元，其中：抛物槽式集热单元，用于接收汇聚的太阳辐射能，通过传热工质将接收的太阳辐射能量转化为380℃左右的中温热能，该热能作为中温热源输送给化学热泵升温与储能单元；化学热泵升温与储能单元，以中温热能作为热源驱动吸热的化学反应，利用物质的化学变化进行吸热和放热，将热能转变为化学能储存或使之产生500℃以上的热能，输送给动力发电单元；动力发电单元，用于将化学热泵升温与储能单元的500℃以上的热能加热工质水，转换为高温高压蒸汽，通过汽轮机与发电机组等动力设备，将接收的热能转化为电能并输出。
在图1中，抛物槽式集热单元包括抛物槽式集热场1、吸热器2和传热工质泵4；抛物槽式集热场1接收并汇聚太阳能辐射能量，并将接收的能量传递给吸热器2，加热吸热器2中的导热油或其他类型的传热工质，将太阳辐射能量转化为热能，然后将产生的380℃左右的导热油或中温传热工质输给化学热泵升温与储能单元。传热工质泵4用于将化学热泵升温与储能单元中的传热工质泵出给吸热器2，实现传热工质的循环利用。
化学热泵升温与储能单元包括第一热交换器3、吸热反应器5、冷凝器6、放热反应器7和水蒸汽循环间第二热交换器8；通过第一热交换器3将吸热器2中的导热油或其他传热工质的热量传递给吸热反应器5，驱动吸热反应器5中的物质发生吸热化学反应，将热能转化为反应生成产物的化学能；反应生成产物被输送到放热反应器7中，与其他物质一起在放热反应器7内发生放热化学反应，释放的热量通过第二热交换器8加热水等工质，使之成为500℃以上的高温高压蒸汽并输出给动力发电单元，从而物质的化学能转化成水等工质的热能；放热反应器7中产物被输送到吸热反应器5，继续发生吸热反应，完成化学热泵的循环过程。
动力发电单元包括汽轮机9、发电机组10、凝汽器11、凝结水泵12等，用于将高温热能转化为电能。经第二热交换器8产生的高参数蒸汽进入汽轮机9与发电机组10中放热，输出电能。发电后水蒸汽在凝汽器11中冷凝，由凝结水泵12升压，经给水加热器13预热进入第二热交换器8，产生高参数蒸汽，完成动力发电单元的循环过程。
在图1中，太阳辐射经抛物槽式集热场1反射后聚集到吸热器2，传热工质流经吸热器2，将抛物槽式集热场1收集到的太阳辐射能量带走，通过第一热交换器3将传热工质的热量传递给吸热反应器5，驱动吸热反应器5中的物质发生吸热化学反应，将热能转化为化学能；反应生成产物被输送到放热反应器7中，在放热反应器7内发生放热化学反应，释放的热量通过第二热交换器8加热水等工质，使之成为500℃以上的高温高压蒸汽，从而物质的化学能转化成水等工质的热能；放热反应器7中产物被输送到吸热反应器5继续发生吸热反应，完成化学热泵的循环过程；经第二热交换器8产生的高参数蒸汽进入汽轮机9与发电机组10中放热，输出电能。发电后水蒸汽在凝汽器11中冷凝，由凝结水泵12升压，经给水加热器13预热进入第二热交换器8，产生高参数蒸汽，完成动力发电单元的循环过程。
抛物槽式集热单元、化学热泵升温与储能单元与动力发电单元联合运行。抛物槽式集热单元用于产生中温热能；化学热泵升温与储能单元采用升温型化学热泵，通过物质的化学变化进行吸热和放热反应，实现将中温热能转化为高温热能；动力发电单元用于将高温热能转化为电能。并且，化学热泵升温与储能单元的放热反应器可同时作为蓄热器，实现了太阳能的化学储能。
再参照图1，抛物槽式集热场1用于聚集太阳辐射，并将其投射到吸热器2中，吸热器2以导热油为吸热工质，中温导热油流经第一热交换器3，所放出的热能提供吸热反应器5中化学反应所需的热量，在吸热反应器5中经过化学反应热能转化为化学能；反应生成物被送到放热反应器7中发生放热反应，放出500℃的热量通过第二热交换器8提供蒸汽发电所需的热量；经第二热交换器8产生的高参数蒸汽进入汽轮机9与发电机组10中放热，输出电能。发电后水蒸汽在凝汽器11中冷凝，由凝结水泵12升压，经给水加热器预热进入第二热交换器8，产生高参数蒸汽，完成动力发电单元的循环过程。
图2为依照本发明一个实施例的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统的结构示意图，在本实施中，太阳能经抛物槽式集热场1，聚集到吸热器2中，吸热器2以导热油为传热工质，将太阳辐射能转变为380℃热能。导热油经热交换器3，为吸热反应器5中Ca(OH)2分解提供所需热量，Ca(OH)2在9.8kPa，370℃的环境下，吸热分解生成400℃的CaO和低压水蒸汽，将中温热能转化为化学能；370℃低压水蒸汽在冷凝器6中冷凝，释放低温热能，冷凝到25℃。再经循环泵加压到500kPa，然后输送到加热器15(可以利用太阳能等)中被加热成为150℃左右水蒸汽，进入放热反应器7；吸热反应器5中生成产物CaO输送到放热反应器7中，与水蒸汽发生放热反应生成Ca(OH)2(化学热泵原理图见图3)，反应释放的热量通过热交换器8将167bar的给水加热到540℃，进入汽轮机9与发电机组10中，输出电能。生成的Ca(OH)2输送到吸热反应器5继续发生吸热分解反应，完成化学反应的循环过程。经热交换器8产生的高参数蒸汽发电后水蒸汽在凝汽器11中冷凝，由凝结水泵12升压，经给水加热器13预热进入热交换器8，产生高参数蒸汽，完成动力发电单元的循环过程。当辐照强度超过设计辐照强度时，产生的过量CaO输送到储能罐16，实现太阳能的储存。
图3为化学热泵原理图，为近一步解释说明Ca(OH)2/H2O/CaO体系无机化学热泵运行原理。蓄热过程中，Ca(OH)2在吸热反应器1中吸收中温热量QM生成CaO和低压水蒸汽，低压水蒸汽在冷凝器2中冷凝成水，向外界提供低温热量QL。放热过程中，高压水在蒸发器4中吸收中温热量QM蒸发为高压水蒸汽，进入放热反应器2与CaO发生放热反应，释放高温热量QH。
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 (10)

1.一种抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，其特征在于，包括：
抛物槽式集热单元，用于接收汇聚的太阳辐射能，通过传热工质将接收的太阳辐射能量转化为中温热能，该中温热能作为中温热源输送给化学热泵升温与储能单元；
化学热泵升温与储能单元，以该中温热能作为热源驱动吸热的化学反应，利用物质的化学变化进行吸热和放热，将该中温热能转变为化学能储存或使之产生500℃以上的热能，输送给动力发电单元；
动力发电单元，用于将化学热泵升温与储能单元的500℃以上的热能加热工质水，转换为高温高压蒸汽，通过汽轮机与发电机组将接收的热能转化为电能并输出。
2.根据权利要求1所述的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，其特征在于，所述抛物槽式集热单元包括抛物槽式集热场(1)、吸热器(2)和传热工质泵(4)，其中抛物槽式集热场(1)接收并汇聚太阳能辐射能量，并将该太阳能辐射能量传递给吸热器(2)，加热吸热器(2)中的传热工质产生中温传热工质，将太阳辐射能量转化为热能，然后将产生的中温传热工质输给化学热泵升温与储能单元。
3.根据权利要求2所述的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，其特征在于，所述传热工质泵(4)用于将化学热泵升温与储能单元中的传热工质泵出给吸热器(2)，实现传热工质的循环利用。
4.根据权利要求2所述的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，其特征在于，所述中温传热工质为380℃的导热油。
5.根据权利要求2所述的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，其特征在于，所述化学热泵升温与储能单元包括第一热交换器(3)、吸热反应器(5)、冷凝器(6)、放热反应器(7)和第二热交换器(8)，其中：第一热交换器(3)将吸热器(2)中的传热工质的热量传递给吸热反应器(5)，驱动吸热反应器(5)中的物质发生吸热化学反应，将热能转化为反应生成产物的化学能；反应生成产物被输送到放热反应器(7)中，与其他物质一起在放热反应器(7)内发生放热化学反应，释放的热量通过第二热交换器(8)加热工质水，使之成为500℃以上的高温高压蒸汽并输出给动力发电单元，从而物质的化学能转化成工质水的热能。
6.根据权利要求5所述的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，其特征在于，所述放热反应器(7)中产物被输送到吸热反应器(5)，继续发生吸热反应，完成化学热泵的循环过程。
7.根据权利要求6所述的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，其特征在于，所述放热反应器(7)同时作为蓄热器，实现太阳能的化学储能。
8.根据权利要求5所述的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，其特征在于，所述动力发电单元包括汽轮机(9)、发电机组(10)、凝汽器(11)和凝结水泵(12)，其中，第二热交换器(8)产生的高参数蒸汽进入汽轮机(9)与发电机组(10)中放热，输出电能。
9.根据权利要求8所述的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，其特征在于，所述发电后水蒸汽在凝汽器(11)中冷凝，由凝结水泵(12)升压，经给水加热器13预热进入第二热交换器(8)，产生高参数蒸汽，完成动力发电单元的循环过程。
10.根据权利要求1所述的抛物槽式太阳能集热与化学热泵结合的复合发电系统，其特征在于，所述抛物槽式集热单元、化学热泵升温与储能单元以及动力发电单元联合运行，抛物槽式集热单元产生中温热能；化学热泵升温与储能单元采用升温型化学热泵，通过物质的化学变化进行吸热和放热反应，实现将中温热能转化为高温热能；动力发电单元将高温热能转化为电能。
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