CN104948400A - 采用独立循环储热蓄电和梯级换热蒸发的太阳能热发电站 - Google Patents

Abstract

本发明采用独立的循环储热蓄电和梯级换热蒸发技术，使用熔盐或硫以及流沙作为储热传热流体，同槽式、塔式等太阳能聚光器相结合组成规模化的太阳能热发电站；该装置在兼顾储热蓄电一体化设计的同时采用全新的梯级蒸发技术，既有利太阳能发电设备制造的标准化和规模化，也有利于降低电站投资成本，提高自身供电能力和降低运行费用，大幅增加发电时数，提高同化石能源发电竞争的能力。该装置属太阳能热发电技术领域。

Description

采用独立循环储热蓄电和梯级换热蒸发的太阳能热发电站

技术领域

本发明采用独立的循环储热蓄电和梯级换热蒸发技术，使用熔盐或硫以及流沙作为储热传热流体，同槽式、塔式等太阳能聚光器相结合组成规模化的太阳能热发电站；该装置在兼顾储热蓄电一体化设计的同时采用全新的梯级蒸发技术，既有利太阳能发电设备制造的标准化和规模化，也有利于降低电站投资成本，提高自身供电能力和降低运行费用，大幅增加发电时数，提高同化石能源发电竞争的能力。该装置属太阳能热发电技术领域。

背景技术

目前太阳能热发电技术难与燃煤发电、燃气发电甚至光伏发电竞争的主要因素是设备制造成本高，运行费用高，且技术本身受自然条件限制较多，因此阻碍了太阳能热发电技术的推广。为充分发挥太阳能热发电自身的技术优势，欧盟在第七框架科技计划中实施了HITECO项目，旨在开发和测试全新的抛物槽技术，以确保槽式聚光器具有最大的光学、机械和热效能，使抛物槽系统工作温度达到或接近600℃。而由美国能源部制定的Sunshot计划也在稳步推进，创新的超临界二氧化碳太阳能布雷顿热发电技术取得阶段成果，全新的高温熔盐流体已经开发完成。2013年美国能源部继续投资支持太阳能热化学储能等新项目，其目标是存储温度达到或超过650℃，每千瓦时热存储成本在15美元以下，最终实现平准化发电，度电成本达到6美分。这些新的具有突破性的研发项目无疑给太阳能热发电带来希望。但是仔细分析会发现，这些创新项目仍然是基础性的，多是在传统设计范围内进行的单项改进，还没有突破传统的系统设计理念。总之，太阳能热发电技术面临颠覆性革命和全新的技术突破。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是改变现有太阳能热发电站聚光传热、储热、换热、蒸发的传统设计模式，采用独立的储热蓄电和梯级换热蒸发技术，以熔盐或硫以及流沙为储热传热流体，结合槽式、菲涅尔以及塔式等聚光装置组成规模化的太阳能热发电站，所采取的主要技术手段是将聚光、接收、传热和储热以及蒸发等功能集合为独立的热循环单元，并将每一个热循环单元的蒸发器顺序连接，借鉴DSG即直接蒸汽模式形成梯级换热蒸发，直至驱动动力发电装置发电，同时将储热和蓄电相结合，实现储热蓄电一体化。

本发明是通过以下技术方案实现的：

1、采用独立循环储热蓄电和梯级换热蒸发的太阳能热发电站包括太阳能接收器，蒸发器及其蒸发器阵列、储热池或储热蓄电池、传热储热介质或传热储热蓄电介质、绝缘法兰、高温动力泵、动力工质、动力发电装置、冷凝器、雾化室、换热器、凝结水罐、整流器、逆变器，其主要特征在于：将聚光、接收、传热和储热池或储热蓄电池以及蒸发器共同组成独立的热循环单元，其中太阳能接收器采用串联或并联方式组成聚光阵列，每一个聚光阵列的太阳能接收器出口连接蒸发器传热储热介质进口，蒸发器出口通向储热池或储热蓄电池，储热池或储热蓄电池出口连接高温动力泵，高温动力泵出口连接相对应的太阳能接收器聚光阵列进口，由此构成由聚光、接收、传热、储热、换热蒸发功能一体化的，且独立完整的热循环单元；每个热循环单元的蒸发器另一侧的传输动力工质端，其进出口顺序连接，组成蒸发器阵列，终端出口连接动力发电装置进口；采用水做动力工质时选择雾化DSG直接蒸汽模式，在蒸汽饱和段和过热段其间设置凝结水罐，以及在梯级蒸发器阵列进口处设置雾化室；动力工质经蒸发器阵列梯级换热后最终进入动力发电装置膨胀做功；动力发电装置出口连接冷凝器进口，冷凝器出口经高温动力泵连接雾化室进口或直接连接蒸发器阵列第一级进口，由此完成动力工质的梯级蒸发换能做功循环；储热蓄电池正负电极分别连接整流器、逆变器，整流器、逆变器连接电网，承担电站用电、储电和送电任务；为串联储热蓄电池组成高压电池堆，在梯级蒸发器之间使用绝缘法兰隔离各热循环单元；

1)所述太阳能接收器为抛物槽式聚光接收器、或塔式聚光接收器、或菲涅尔式聚光接收器、或碟式聚光接收器；或流沙塔式太阳能接收器；

2)所述储热池由储热室、耐腐蚀壁、氮气或氦气室、储沙保温层、隔热层组成；

3)所述储热蓄电池包括储热和蓄电两部分，其中储热部分包括储热室、耐腐蚀壁、氮气或氦气室、储沙保温层、中间隔离板、隔热层；中间隔离板另一侧为蓄电池，包括必备的正极集流器、负极集流器，以及正负电极固定装置；储热蓄电池选择钠镍、或钠硫、或锂硫，或分别为镁、锌、铅、铝、铁的金属化合物或混合物为正负电极的高温化学蓄电池；储热池和蓄电池由中间隔离板分隔，中间隔离板底部贯通，保证储热介质在储热和蓄电之间流通；

4)所述传热储热介质为熔盐、或硫及硫的化合物或混合物；

5)所述传热储热蓄电介质包括共熔硝酸类盐、或氯化类盐、或氟化类盐、或溴化物盐、或有机类熔盐及其各类混合物熔盐；或四氯铝酸钠盐；或硫及硫的化合物或混合物；

6)所述动力发电装置是指朗肯蒸汽动力热发电装置、或有机朗肯动力热发电装置、或布雷顿循环动力热发电装置；

7)所述动力工质为水及雾化后形成的水汽、或二氧化碳气、或一氧化氮气、或氦气、或氨气、或烷烃类有机溶剂和冷凝剂；

8)所述冷凝器为水或空气冷凝器；

9)所述绝缘法兰是指在金属法兰之间使用陶瓷、或岩棉、或石棉做绝缘材料隔离每一个热循环单元。

2、采用独立循环储热蓄电和梯级换热蒸发的太阳能热发电站也可以选择流沙塔式太阳能接收器，其特征在于：所述流沙塔式太阳能接收器包括太阳能接收塔、太阳能接收器、流沙注入口、流沙储热室、控制阀、流沙热交换器、储沙池、流沙输送装置以及由流沙构成的传热储热介质；其中流沙由设置在太阳能接收塔顶部的太阳能接收器流沙进口注入，太阳能接收器的垂直出口出口经流沙储热室、控制阀将流沙注入热交换器，流沙经热交换器进入储沙室，流沙输送装置将储存在储沙室的流沙提升至位于塔身顶部的流沙注入口，最终形成独立的热循环单元；每一个热循环单元的流沙热交换器的动力工质进出口顺序连接，构成梯级换热和蒸发器阵列，直至驱动动力发电装置发电；

1)所述流沙为不同粒径的石英砂粒、或玻璃微珠、或玻璃砂粒、或陶瓷砂粒、或金属珠粒、或陶粒砂、或石墨颗粒、或玄武岩砂粒，或氧化铝导热球珠粒，或混合石墨的玻璃微珠；

2)所述流沙热交换器为管式、或板式、或碳化硅陶瓷换热器；

3)所述太阳能接收器采用碳化硅陶瓷换热管、或由碳化硅陶瓷型砖组合构筑的太阳能接收墙体，上端为流沙注入口，下端为流沙出口及控制阀；

4)在储沙室边缘一侧设置储热蓄电池，依托高温落砂或增设电加热器保证储热介质处于熔融态和高温化学电池正常充放电。

本发明新颖之处在于，采用相对独立的循环储热蓄电和梯级蒸发技术可灵活组建规模不等的太阳能热发电站，即可建立大型的蒸汽电站，也可选择建立超临界布雷顿电站。充分发挥熔盐的优势，既作为传热储热介质，同时也作为高温蓄电池的电解质，特别是充分利用了高温蓄电池放电时产生的热能来保证储热需要，可谓一举多得。储热蓄电池结构简单，成本低且易于安装，即解决电站自身用电，又降低了运行费用，还可有效降低熔盐在系统中凝固的风险。如果采用流沙塔式太阳能聚热装置更简化了电站构造。总之，由于该技术彻底颠覆了传统太阳能热发电站的设计理念，为低成本发电奠定了可靠的技术基础。既有利于实现装备制造标准化，更有利于规模化生产和降低电站投资成本，在提高发电效率和增加发电时数的同时增强同化石能源竞争的能力。

附图说明

图1是本发明传统塔式热发电站使用储热蓄电池示意图

图2是本发明储热蓄电池内部结构示意图

图3是本发明槽式储热蓄电和梯级蒸发太阳能热发电站示意图

图4是本发明槽式超临界二氧化碳布雷顿太阳能热发电站示意图

图5是本发明蒸发器梯级连接和储热池及储热蓄电池示意图

图6是本发明一体化储热蓄电池和蒸发器组装示意图

图7是本发明流沙塔式太阳能聚热装置热循环示意图

图8是本发明雾化DSG直接蒸气模式示意图

图9是本发明槽式太阳能热发电站平面布置示意图

图10是本发明塔式太阳能热发电站平面布置示意图

其中：1槽式聚光器、2太阳能接收塔、3太阳能接收器、4定日镜、5流沙、6流沙注入口、7控制阀、8流沙储热室、9储沙室、10流沙输送装置、11流沙热交换器、12储热室、13耐腐蚀壁、14氮气或氦气室、15储沙保温层、16中间隔离板、17隔热层；18正极集流器、19负极集流器、20蒸发器、21储热池、22储热蓄电池、23高温动力泵、24动力发电装置、25冷凝器、26雾化室、27换热器、28凝结水罐、29整流器、30逆变器、31绝缘法兰

具体实施方式

方案1

槽式储热蓄电和梯级蒸发热发电采用串联方式将槽式聚光器1连接，与现有太阳能光热电站一样形成聚光阵列，以“欧洲槽”为例，聚光阵列一般由4个或6个独立驱动的聚光单列组成一个循环，其进出口连接导热油主管道，而该方案所不同的是，其中太阳能接收器采用串联或并联方式组成聚光阵列，聚光阵列的太阳能接收器3出口连接蒸发器20进口，蒸发器3出口通向储热池21或储热蓄电池22，储热池21或储热蓄电池22出口连接高温动力泵23，高温动力泵23出口连接聚光阵列太阳能接收器3进口，由此构成由聚光、接收、传热、储热、换热蒸发功能一体化的，且独立完整的热循环单元；每个热循环单元的蒸发器3另一侧传输动力工质，其进出口顺序连接，形成梯级蒸发模式；在采用水做动力工质时，梯级蒸发模式选择雾化DSG直接蒸汽模式，在蒸汽饱和段和过热段其间设置凝结水罐28，以及在梯级蒸发器3阵列进口处设置雾化室26；在使用超临界布雷顿动力发电装置时则选择二氧化碳等气体做动力工质，经蒸发器3梯级阵列换热蒸发后最终进入动力发电装置24膨胀做功；动力发电装置24出口连接冷凝器25进口，冷凝器25出口经高温动力泵23连接雾化室26进口或直接连接蒸发器3阵列第一级进口，由此完成动力工质的梯级蒸发换能做功循环；储热蓄电池22正负电极分别连接整流器29、逆变器30，整流器29、逆变器30连接电网，承担电站用电、储电和送电任务。

该方案突出的特点有三点，一是太阳能热发电站由数量不等的独立的热循环单元组成；其次是将大型熔盐储热罐分解为规模不等的储热池21；三是将一部分储热池21改造成储热蓄电池22。由于高温化学蓄电池需要使用熔盐或硫作电解质，且工况温度在摄氏200度到600度不等，因此和太阳能热发电使用的熔盐储热技术完全相通。以钠镍熔盐蓄电池为例，其构造由钠金属负极、陶瓷管电解质隔膜、氯化镍电池正极、钠氯化物电解液组成，电池负极为不锈钢外壳，所需负极金属钠在首次充电中获得。为兼顾太阳能热发电需要，在将储热池21改造成储热蓄电池22时需将现有钠镍电池结构倒置，也即将电池负极集流器19置于陶瓷管电解质隔膜中心，正极集流器18围绕陶瓷管布置，钠氯化物熔盐电解液与储热传热介质合二而一，这样做的结果不仅简化电池结构，还有利于电池大型化。本方案拟将各个热循环单元的储热蓄电池22串联组成兆瓦级大型电池堆，即可保证电站自身用电，也可在储热的同时蓄电，更重要的是充分利用蓄电池放电产生的化学热为储热池21提供热源。

方案2

选择流沙塔式太阳能聚热装置为独立的热循环单元蒸发器20提供高温热源，流沙由设置太阳能接收器3的6流沙注入口进入，太阳能接收器3的垂直出口经流沙储热室8、控制阀7将流沙注入流沙热交换器11，流沙经流沙热交换器11进入储沙室9，流沙输送装置10将储存在储沙室9的流沙提升至位于太阳能接收塔2顶部的流沙注入口6，形成独具特色的不依赖于液体传热介质的，且独立的热循环单元；将每一个热循环单元的流沙热交换器11的动力工质进出口顺序连接，构成梯级换热直至驱动动力发电装置24发电；流沙输送装置10设置于太阳能接收塔2塔身内，也可设置在太阳能接收塔2的塔身外。

该方案的最突出特点是选择流沙等固体物作传热介质，特别是石英砂、陶瓷砂的储热温度可达上千度，而太阳能接收器3选择碳化硅材料制作，无论是寿命还是耐候性都要优于金属管接收器；其次是可以将太阳能接收塔2小型化，实现矩阵布置，缩短定目镜4反射距离，有效降低红外光损；三是可以更充分发挥塔式太阳能具有的高聚光比优势，提高光热吸收和光电转换效率；四是可以采用动力效率更高的布雷顿发电装置，提高发电效率；五是有利于降低投资成本，这一点明显优于其它光热发电技术。

Claims (2)

1.采用独立循环储热蓄电和梯级换热蒸发的太阳能热发电站包括太阳能接收器、蒸发器及其蒸发器阵列、储热池或储热蓄电池、传热储热介质或传热储热蓄电介质、绝缘法兰、高温动力泵、动力工质、动力发电装置、冷凝器、雾化室、换热器、凝结水罐、整流器、逆变器，其主要特征在于：将聚光、接收、传热和储热池或储热蓄电池以及蒸发器共同组成独立的热循环单元，其中太阳能接收器采用串联或并联方式组成聚光阵列，每一个聚光阵列的太阳能接收器出口连接蒸发器传热储热介质进口，蒸发器出口通向储热池或储热蓄电池，储热池或储热蓄电池出口连接高温动力泵，高温动力泵出口连接相对应的太阳能接收器阵列进口，由此构成由聚光、接收、传热、储热、换热蒸发功能一体化的，且独立完整的热循环单元；每个热循环单元的蒸发器另一侧的传输动力工质端，其进出口顺序连接，组成蒸发器阵列，终端出口连接动力发电装置进口；采用水做动力工质时选择雾化DSG直接蒸汽模式，在蒸汽饱和段和过热段其间设置凝结水罐，以及在梯级蒸发器阵列进口处设置雾化室；动力工质经蒸发器阵列梯级换热后最终进入动力发电装置膨胀做功；动力发电装置出口连接冷凝器进口，冷凝器出口经高温动力泵连接雾化室进口或直接连接蒸发器阵列第一级进口，由此完成动力工质的梯级蒸发换能做功循环；储热蓄电池正负电极分别连接整流器、逆变器，整流器、逆变器连接电网，承担电站用电、储电和送电任务；为串联储热蓄电池组成高压电池堆，在梯级蒸发器之间使用绝缘法兰隔离各热循环单元；

1)所述太阳能接收器为抛物槽式聚光接收器、或塔式聚光接收器、或菲涅尔式聚光接收器、或碟式聚光接收器；或流沙塔式太阳能接收器；

2)所述储热池为单一的熔盐储热装置，由熔盐室、耐腐蚀壁、氮气或氦气室、储沙保温层、隔热层组成；

3)所述储热蓄电池包括储热和蓄电两部分，其中储热包括储热室、耐腐蚀壁、氮气或氦气室、储沙保温层、中间隔离板、隔热层；中间隔离板另一侧为蓄电池，包括必备的正极集流器、负极集流器，以及正负极固定装置；储热蓄电池选择钠镍、或钠硫、或锂硫高温化学蓄电池，或正负电极分别为镁、锌、铅、铝、铁的金属化合物或混合物的高温化学蓄电池；储热池和蓄电池由中间隔离板分隔，中间隔离板底部贯通，保证储热介质在储热和蓄电之间流通；

4)所述传热储热介质为熔盐、或硫及硫的化合物或混合物；

5)所述传热储热蓄电介质包括共熔硝酸类盐、或氯化类盐、或氟化类盐、或溴化物盐、或有机类熔盐及其各类混合物熔盐；或四氯铝酸钠盐；或硫及硫的化合物或混合物；

6)所述动力发电装置是指朗肯蒸汽动力热发电装置、或有机朗肯动力热发电装置、或布雷顿循环动力热发电装置；

7)所述动力工质为水及雾化后形成的水汽、或二氧化碳气、或一氧化氮气、或氦气、或氨气、或烷烃类有机溶剂和冷凝剂；

8)所述冷凝器为水或空气冷凝器；

9)所述绝缘法兰是指在金属法兰之间使用陶瓷、或岩棉、或石棉做绝缘材料隔离每一个热循环单元。

2.根据权利要求1采用独立循环储热蓄电和梯级换热蒸发的太阳能热发电站所述流沙塔式太阳能接收器，其特征在于：所述流沙塔式太阳能接收器包括太阳能接收塔、太阳能接收器、流沙注入口、流沙储热室、控制阀、流沙热交换器、储沙池、流沙输送装置以及由流沙构成的传热储热介质；其中流沙由设置在太阳能接收塔顶部的太阳能接收器流沙进口注入，太阳能接收器的垂直出口经流沙储热室、控制阀将流沙注入热交换器，流沙经热交换器进入储沙室，流沙输送装置将储存在储沙室的流沙提升至位于塔身顶部的流沙注入口，最终形成独立的热循环单元；每一个热循环单元的流沙热交换器的动力工质进出口顺序连接，构成梯级换热和蒸发器阵列，直至驱动动力发电装置发电；

1)所述流沙为不同粒径的石英砂粒、或玻璃微珠、或玻璃砂粒、或陶瓷砂粒、或金属珠粒、或陶粒砂、或石墨颗粒、或玄武岩砂粒，或氧化铝导热球珠粒，或混合石墨的玻璃微珠；

2)所述流沙热交换器为管式、或板式、或碳化硅陶瓷换热器；

3)所述太阳能接收器采用碳化硅陶瓷换热管、或由碳化硅陶瓷型砖组合构筑的太阳能接收墙体，上端为流沙注入口，下端为流沙出口及控制阀；

4)在储沙室边缘一侧设置储热蓄电池，依托高温落砂或增设电加热器保证储热介质处于熔融态。