CN104067067A - 在具有塔的集聚式太阳能电厂中的接收器的配置 - Google Patents

在具有塔的集聚式太阳能电厂中的接收器的配置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在具有塔的集聚式太阳能电厂中的接收器的配置，包括至少一个中温接收器(3)和一个高温接收器(4)，每个高温接收器(4)被设置在每个中温接收器(3)的上方并稍微靠前，使得中温接收器(3)反射的一部分光线加热所述高温接收器(4)的后面部分，并且高温接收器(4)被定位成使得其大部分表面与腔体(2)的内壁相对，只有接收器(4)的底部部分是保持自由的。

Description

在具有塔的集聚式太阳能电厂中的接收器的配置
技术领域
本发明属于太阳能集聚技术领域，用于生产过热蒸汽，更具体地属于应用在发电中的基于具有塔和定日镜的中央接收器的技术领域。
背景技术
虽然太阳辐射是来自高能量源的高温热源，在实际上到达地球表面的流动条件下的使用，由于可用温度的大幅下降破坏了其转变为功的所有潜力。出于这个原因才使用太阳能热电厂(STPP)和光学集聚系统，以使得获得更高的流密度和较高的温度。
目前，已经开发出三种不同的在太阳能发电厂中使用的技术，即，中央接收器，抛物面槽接收器和斯特林盘。所有这些技术只使用太阳辐射的直射分量，迫使它们具有太阳跟踪装置。
所要求保护的发明涉及塔式或中央接收器系统(3D)。这些系统使用大面积(40-125平方米每单位)的反射镜，被称作定日镜(heliostat)，定日镜配置有控制系统以将直接太阳辐射反射到放置在塔的顶部的中央接收器上。在该技术中，集中的太阳能辐射将接收器中的流体加热到高达1000℃的温度，该热能可以随后被用于发电。
目前，有不同类型的具有不同配置的接收器。除其他之外，有中温接收器和高温接收器。如果载热流体是水，则中温接收器也称为饱和蒸汽接收器或蒸发器，高温接收器被称为过热蒸汽接收器。锅炉安装在它们之间。
具有塔的太阳能集聚接收器可以在位于塔的顶部的腔体的外部，或设置在在腔体中以减少热损失。这种配置必须使得入射功率在量值上超过辐射和对流损失。在过热蒸汽接收器中，在表面处所达到的温度高于在饱和蒸汽接收器处所达到的温度，这就是为什么辐射损失也更大；但是，它们具有提高热力循环的效率的优点，这些损失因此被抵销。
专利文献WO2009121030A2提出了不同的板和管的配置，目的是吸收入射的集聚式太阳辐射。包括具有透明部分的管或板的大多数配置与本专利中提出的结构非常不同，目的和优点将在下面的章节进行说明。
专利文献US20080078378提出了一种板的配置，包括将过热蒸汽接收器的板设置在饱和蒸汽接收器的上面。
专利文献WO2011030331A2要求保护若干锅炉和饱和和过热蒸汽接收器配置。具有以中心的方式定位的两种接收器的配置和饱和蒸汽接收器与过热蒸汽接收器物理地分离的配置。
由于前述的内容，本发明的目的是设计一种接收器配置，通过化解存在的风险，组合使用高温蒸汽的优点，因此实现电厂的更好的控制，并因此有利于电厂及其组件的稳定性和耐久性。
发明内容
本发明涉及具有塔的太阳能集聚式发电厂的接收器的配置，具有中温接收器和高温接收器之间的物理分离。
在载热流体是水的情况下，中温接收器是载热流体发生蒸发的地方，因此得到输出饱和蒸汽。所述蒸汽的过热发生在高温接收器中。锅炉或相分离器被安装在两种接收器之间，确保只有蒸汽进入高温接收器。
过热相与蒸发相的分离减小了技术风险，假设因为在接收器中没有相变，从与两相不同的膜系数产生的高的温度梯度相关的问题也不存在了。此外，与太阳能资源的可变性有关的控制问题也大幅度减少了。
本发明的系统与现有技术不同，不是把中温接收器和高温接收器的模块设置为彼此远离，而是，本发明所提出的配置包括一个或多个单独的中温接收器，或一个或多个高温接收器，被设置成使得高温接收器物理地位于中温接收器的上方并且较之中温接收器稍微靠前。
一系列锅炉或分离器被设置在这些中温接收器和高温接收器之间，确保两相流体仅作为蒸汽离开中温接收器进入高温接收器。
无论是否在腔体内，本发明的接收器和板的配置是有效的。如果使用腔体内的接收器的设计，则相对于接收器被分离在不同腔体中的腔体内接收器的其他配置，符合本发明的配置，即高温接收器在中温接收器的上方，减少了接收器中的热损失。
前述结果是由于下述的事实，即在本申请要求保护的配置中，接收器在腔体内，腔体的开口(入射辐射通过其进入)的中心位于高温接收器的下限的下方，使得高温接收器的大多数表面与腔体的内壁相对。该内壁通常涂上一层反射绝热材料。假设接收器位于塔的顶部，被定日镜反射的太阳光容易地撞击接收器的整个表面，因为它们从下面进入，具有确定的轨迹，即使高温接收器没有面对腔体的开口，辐射通过该开口进入，到达高温接收器，而不碰撞腔体的外壁。
高温接收器的大部分表面面对腔体的内部以及开口的一小部分，其结果是使得被高温接收器以辐射损失的形式散发的能量的大部分到达腔体内部的绝热材料并被反射，随后被高温接收器本身或中温接收器再吸收，因此减少损失，提高了电厂的效率。
这种配置的另一个特点是，相对于中温接收器，把高温接收器安装得稍微靠前。由于这种配置，在中温接收器中被反射的光线的一部分到达高温接收器的后面。迄今为止，已成功测试了饱和蒸汽在板中的生产，其中辐射仅撞击板的表面之一。在这些情况下，饱和再循环液体的巨大流量的对流系数和相对低的通过中温接收器循环的流体的温度防止具有过高的金属温度。但是，在辐射仅撞击板表面之一和蒸汽在非常高的温度下循环的高温接收器中，在某些区域中预期在600℃以上的金属温度，从而导致材料应力的产生。
在本发明的高温接收器的情况中，在接收器最关键的区域处(该区域峰值流量更大并且具有最高的金属温度)在两个表面接收辐射，假设从前面吸收来自定日镜的辐射，并且假设也在较低的部分接收来自后方的辐射，因为安置在后方的中温接收器的顶部反射的能量的大部分撞击该区域。
本文所描述的配置因此允许高温接收器的下部区域的金属温度均匀化，这意味着具有技术的优点：低得多的存在应力和在高温接收器的最关键的区域上的更加均衡的变形，因此实现了材料的使用寿命的延长。
在如在本申请中提出的一种配置中，便于具有较小的斑点或投影的定日镜(例如更靠近塔的定日镜)被朝向高温板聚光，以具有更低的溢出损耗(假设需要有最小数量的定日镜朝向这些板聚光从而为接收器提供一定的电力)，以及在高温接收器中的更好的峰值流量控制。更靠近塔的定日镜然后比其他的定日镜朝向更高的点(高温接收器的中心)聚光，因此它们能够反射的平均每年的能量会比高温接收器没有定位在中温接收器的上方的其它配置更高(由于余弦效应，障碍物和阴影)。因此，在这种类型的配置中，到达太阳能接收器的总能量也增加了。
当所述载热流体是水/蒸汽时或是在油、盐或任何其他流体的情况下，上述的优点是有效的。
这样的配置使得其允许简化电厂的控制，减少其需要的功率流(通过增加接收器的效率)和提高其抵抗瞬态事件或在启动和停止期间的性能。过热蒸汽以有效和可控的方式获得，以保证持久的耐用性和太阳能电厂在不同应用中的正常运作；发电，工艺用热的生产，太阳能燃料的生产和热化学工艺的应用。
附图说明
为了补充前述的描述和为了帮助更好地理解本发明的特征的目的，优选实施例的详细描述将基于一组附于本说明书的附图做出，以示意而不是限制的方式表达以下内容：
图1示出了具有三个腔体的塔的示意图，每个腔体包括中温接收器和高温接收器。
图2示出了所提出的配置的二维图，和在腔体内的中温和高温接收器的基本布局图。
在上面的图中，参考标记对应于以下部件和元件：
1-中心塔。
2-腔体
3-中温接收器(饱和蒸汽接收器或蒸发器)
4-高温接收器(过热器)
5-绝热
6-开口
具体实施方式
为了便于理解本发明，优选实施例在下面以详细的方式并基于附图公开。
在本优选实施例中，通过装置循环的载热流体是水，因此中温接收器(3)也称为饱和蒸汽接收器或蒸发器，高温接收器(4)被称为过热蒸汽接收器。
如图1所示，在优选实施例中，在塔(1)的顶部的接收器(3，4)的配置或位置的设计如下：3个饱和蒸汽接收器(3)和3个过热蒸汽接收器(4)，两个一组地设置在三个不同的腔体(2)内。过热蒸汽接收器(4)设置在饱和蒸汽接收器(3)的上方并且比饱和蒸汽接收器(3)略微靠前。
在优选实施例中，饱和蒸汽接收器(3)由垂直管形成，过热蒸汽接收器(4)由水平或垂直管形成且在这两种情况下都在接收器的流体入口和出口处具有集热器。每种类型的接收器被设置在每个腔体(2)中，对每个饱和蒸汽接收器(3)和过热蒸汽接收器(4)具有若干板(也就是说，相对于给定的方向这些板形成不同的角度)。
若干腔体(2)也被考虑在同一个塔(1)中，朝向不同的位置，锅炉设置在位于每个建造的腔体中的过热蒸汽接收器(4)的上方。
利用这种配置，太阳能接收器的总效率被提高，由于过热蒸汽接收器(4)(具有更高的壁温度)的位置面对腔体(2)的壁的大部分和由于如图2所示的所述壁的绝热(5)，热损失被降低了。
辐射从每个方向到达接收器，只要辐射只撞击饱和接收器(3)的表面之一，因为被饱和蒸汽接收器(3)反射的部分辐射撞击后表面的较低区域，过热接收器(4)的两个表面受辐射照射。这个区域，即较低区域，是关键区域，因为峰值流量更高；因此，从两个表面接收热量有助于降低材料的应力。
此外，由接收器接收到的每年总能量增加了，因为一些定日镜具有比其它配置的估计值更高的聚光点。

Claims (6)

1.一种在具有塔的集聚式太阳能电厂中的接收器的配置，所述塔围绕其基部具有一系列定日镜，用于把太阳辐射反射到安装在腔体(2)中的至少一个中温接收器(3)和一个高温接收器(4)，所述配置的特征在于：每个高温接收器(4)被设置在每个中温接收器(3)的上方并且较之该中温接收器(3)稍微靠前，使得该中温接收器(3)反射的一部分光线加热该高温接收器的后面部分。
2.根据权利要求1的在具有塔的集聚式太阳能电厂中的接收器的配置，其特征在于，所述高温接收器(4)被定位成使得安装有该高温接收器(4)的腔体(2)的开口(6)的中心位于该高温接收器(4)的下限的下方，以使该接收器(4)的大部分表面与该腔体(2)的内壁相对。
3.根据权利要求1的在具有塔的集聚式太阳能电厂中的接收器的配置，其特征在于，载热流体是水，并且所述中温接收器(3)是蒸发器或饱和蒸汽接收器，并且所述高温接收器(4)是过热器。
4.根据权利要求3的在具有塔的集聚式太阳能电厂中的接收器的配置，其特征在于，所述饱和蒸汽接收器(3)由垂直管形成，所述过热蒸汽接收器(4)由水平或垂直管形成且两种情况下在接收器的流体入口和出口处都具有集热器。
5.根据权利要求1的在具有塔的集聚式太阳能电厂中的接收器的配置，其特征在于，所述塔包括三个饱和蒸汽接收器(3)和三个过热蒸汽接收器(4)，两个一组地位于三个不同的腔体(2)中的。
6.根据权利要求1的在具有塔的集聚式太阳能电厂中的接收器的配置，其特征在于，具有较小斑点或投影的所述定日镜(例如更靠近所述塔的定日镜)较之其他的定日镜朝更高的点聚光，因为它们瞄向所述高温接收器(4)的板。
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