CN105756873A - 一种带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统 - Google Patents

一种带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，包括集热子系统、蓄热子系统及发电子系统。白天有辐照条件下，高温高压饱和蒸汽进入套管式线聚焦太阳能集热器内管侧，低温熔盐进入套管侧。聚焦太阳能首先加热熔盐，熔盐升温后再加热蒸汽至过热状态。部分过热蒸汽进入高压储罐将热量储存，其余过热蒸汽进入发电子系统发电。同时，熔盐进入高温熔盐罐进行热量储存。夜晚无辐照条件下，高温熔盐罐内熔盐经过热器放热后进入低温熔盐罐，高压饱和蒸汽由高压储罐流出经过热器加热成为过热蒸汽进入发电子系统发电。本发明将水/蒸汽既作为工质又作为主要蓄热介质，配合少量熔盐作为辅助蓄热介质，实现了太阳能直接蒸汽发电技术的全天候发电。

Description

一种带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统
技术领域
本发明属于太阳能直接蒸汽发电技术领域，具体涉及一种带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统。
背景技术
太阳能热发电是太阳能热利用的主要形式之一，其中又以抛物槽式热发电技术商业化程度最高，应用最广泛。目前，槽式太阳能热发电系统中的集热子系统普遍以导热油为传热介质，通过热交换产生蒸汽进而推动汽轮机发电。由于导热油的分解温度限制了蒸汽参数的提高，导致汽轮机发电效率无法进一步提升。另一方面，导热油价格昂贵，对环境存在潜在污染，且易燃、有毒。鉴于以上不足，采用太阳能直接加热工质水产生蒸汽进行发电的新技术，即太阳能直接蒸汽发电技术，迅速发展起来。
太阳能直接蒸汽发电技术以工质水/蒸汽代替了传热介质导热油，使得系统简化、成本降低、环境压力减小、安全性提高的优点得以体现。由于太阳辐照的日间周期性规律，为保证发电子系统昼夜连续运行则必须配备相应的蓄热系统。然而，水/蒸汽工质在整个集热回路中发生从过冷水、饱和水、饱和水/蒸汽、饱和蒸汽及过热蒸汽的连续状态变化，采用间接蓄热介质和装置不易进行温度匹配，采用多级蓄热又会出现在含有蒸汽的换热段换热效率底下的问题。另一方面，在过热蒸汽段，由于聚焦太阳能对集热器吸收管周向加热不均匀，并且管内气固换热系数低，极易造成吸收管壁周向温度分布不均，产生周向热应力分布不均，导致吸收管发生变形甚至断裂。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明提供了一种带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，以解决太阳能直接蒸汽发电技术中的高效低成本蓄热问题以及吸收管周向热应力分布不均问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，该太阳能直接蒸汽发电系统包括集热子系统，蓄热子系统和发电子系统，其中：集热子系统，用于收集太阳能热量，并将收集的太阳能热量一部分供给发电子系统进行发电，一部分输送到蓄热子系统中储存；蓄热子系统，用于储存集热子系统收集的太阳能热量，并在无辐照条件下供给发电子系统进行发电；发电子系统，用于将集热子系统或蓄热子系统提供的热量转化为电能。
上述方案中，所述集热子系统包括单管式线聚焦太阳能集热器1、套管式线聚焦太阳能集热器2、汽-水分离器3、再循环泵4和加压循环泵5，其中：加压循环泵5用于将工质水加压循环进入单管式线聚焦太阳能集热器1；单管式线聚焦太阳能集热器1作为集热子系统的预热段与蒸发段，用于加热工质水产生高温高压饱和水/蒸汽混合物；汽-水分离器3用于分离单管式线聚焦太阳能集热器1产生的高温高压饱和水/蒸汽混合物，得到饱和水和饱和蒸汽；再循环泵4用于将分离后的饱和水经再循环重新进入单管式线聚焦太阳能集热器1，并将分离后的饱和蒸汽进入套管式线聚焦太阳能集热器2的内管侧；套管式线聚焦太阳能集热器2作为集热子系统的过热段，用于加热饱和蒸汽至过热状态。
上述方案中，所述套管式线聚焦太阳能集热器2的吸收管为套管结构，包括玻璃管16、真空层17、选择吸收性涂层18、金属套管19及金属内管20；正常工作时，内管侧为蒸汽，套管侧为熔盐，利用聚焦太阳能先后加热熔盐与蒸汽，借助熔盐的流动性改善线聚焦太阳能对蒸汽加热的周向均匀性，缓解周向温差带来的热应力问题，提升系统的安全性与稳定性。
上述方案中，所述蓄热子系统包括第一阀门6、高压储罐7、第二阀门8、低温熔盐罐9、低温熔盐泵10、高温熔盐罐11、高温熔盐泵12、过热器13、控制阀14和低压储罐15，其中：高压储罐7及低压储罐15用于储存水/蒸汽；低温熔盐罐9及高温熔盐罐11用于储存熔盐蓄热介质；第一阀门6、第二阀门8及控制阀14用于改变管路流程；低温熔盐泵10用于将低温熔盐由低温熔盐罐9泵入套管式线聚焦太阳能集热器2的套管侧；过热器13用于通过熔盐释放热量加热饱和蒸汽至过热状态；高温熔盐泵12用于将熔盐由高温熔盐罐11泵出经过热器13后进入低温熔盐罐9。
上述方案中，所述高压储罐7始终存在汽、液两相，以保证蓄热温度与内部饱和状态稳定。
上述方案中，所述发电子系统包括汽轮机、发电机组及冷凝器，利用过热蒸汽推动汽轮机做功，进而带动发电机发电。
上述方案中，该太阳能直接蒸汽发电系统将水/蒸汽既作为工质又作为主要蓄热介质，配合熔盐作为辅助蓄热介质，实现昼夜不间断连续发电；在白天有辐照条件下，该太阳能直接蒸汽发电系统通过集热子系统吸收太阳能热量加热工质水产生过热蒸汽，过热蒸汽部分进入发电子系统进行发电，其余部分进入蓄热子系统进行热量储存；在夜晚无辐照条件下，该太阳能直接蒸汽发电系统通过蓄热子系统产生过热蒸汽，过热蒸汽进入发电子系统进行发电。
上述方案中，在白天有辐照条件下，工质水经加压循环泵5进入单管式线聚焦太阳能集热器1，由聚焦太阳能产生的高温高压饱和水/蒸汽混合物，后进入汽-水分离器3进行分离汽、水分离；分离后的饱和水经再循环泵4重新进入单管式线聚焦太阳能集热器1；分离后的饱和蒸汽进入套管式线聚焦太阳能集热器2的内管侧，同时，低温熔盐由低温熔盐罐9流出经低温熔盐泵10后进入套管式线聚焦太阳能集热器2的套管侧；聚焦太阳能通过吸收管吸热首先加热熔盐，熔盐升温后再通过内管加热蒸汽使蒸汽过热；第一阀门6打开，第二阀门8关闭，控制阀14保证集热器回路通路，储罐回路断路；部分过热蒸汽进入高压储罐7将热量储存，其余过热蒸汽进入发电子系统进行发电；同时，经聚焦太阳能加热后的高温熔盐进入高温熔盐罐11进行热量储存。
上述方案中，在夜晚无辐照条件下，第一阀门6关闭，第二阀门8打开，控制阀14保证储罐回路通路，集热器回路断路；高压饱和蒸汽由高压储罐7流出经过热器13加热成为过热蒸汽，进入发电子系统进行发电，所产生乏汽经冷凝后进入低压储罐15；过热器13的加热量由熔盐提供，熔盐由高温熔盐罐11流出经高温熔盐泵12及过热器13后进入低温熔盐罐9。
(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、本发明提供的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，将水/蒸汽既作为工质又作为主要蓄热介质，既保证了其作为工质高参数所带来热力循环效率提升，又利用其作为蓄热介质热容大、相变潜热大的特点高效存储热量，可显著减少蓄热系统辅助设备投入。配合少量价格低廉的熔盐作为辅助蓄热介质，以低成本实现了太阳能直接蒸汽发电技术的昼夜不间断连续发电，具有显著的性价比优势和广阔的市场应用前景。
2、本发明提供的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，将循环工质水/蒸汽作为蓄热介质直接存储热量，解决了蒸汽换热效率低，难以将热量存储于其他蓄热介质的难题。配合少量熔盐蓄热进行过热加热，保证了在放热过程可获得高参数过热蒸汽，避免了汽轮机叶片被饱和液滴击伤的风险。
3、本发明提供的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，采用具有套管式吸收管的线聚焦太阳能集热器，利用聚焦太阳能先后加热熔盐与蒸汽，借助熔盐的流动性改善线聚焦太阳能集热器对蒸汽加热的周向均匀性，大大缓解了周向温差带来的热应力问题，可显著提升系统的安全性与稳定性。
4、本发明提供的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，采用具有套管式吸收管的线聚焦太阳能集热器，主要蓄热工质水/蒸汽与辅助蓄热工质熔盐分别流经套管式吸收管的内管侧与套管侧，同时进行热量吸收，显著提高了装置的紧凑型，简化了系统结构。
附图说明
图1为依照本发明实施例的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统示意图。
其中，各部件及相应标记为：1-单管式线聚焦太阳能集热器、2-套管式线聚焦太阳能集热器、3-汽-水分离器；4-再循环泵；5-加压循环泵；6-阀门、7-高压储罐、8-阀门、9-低温熔盐罐、10-低温熔盐泵、11-高温熔盐罐、12-高温熔盐泵、13-过热器、14-控制阀及15-低压储罐。
图2为依照本发明实施例的蓄热子系统中套管式线聚焦太阳能集热器结构示意图；
其中，各部件及相应标记为：16-玻璃管；17-真空层；18-选择吸收性涂层；19-金属套管；20-金属内管。
图3为依照本发明实施例的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统在有辐照条件下的运行示意图。
图4为依照本发明实施例的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统在无辐照条件下的运行示意图。
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为依照本发明实施例的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统的示意图，该太阳能直接蒸汽发电系统包括集热子系统，蓄热子系统和发电子系统，其中，集热子系统用于收集太阳能热量，并将收集的太阳能热量一部分供给发电子系统进行发电，一部分输送到蓄热子系统中储存；蓄热子系统用于储存集热子系统收集的太阳能热量，并在无辐照条件下供给发电子系统进行发电；发电子系统用于将集热子系统或蓄热子系统提供的热量转化为电能。
参照图1，集热子系统包括单管式线聚焦太阳能集热器1、套管式线聚焦太阳能集热器2、汽-水分离器3、再循环泵4和加压循环泵5。其中，加压循环泵5用于将工质水加压循环进入单管式线聚焦太阳能集热器1；单管式线聚焦太阳能集热器1作为集热子系统的预热段与蒸发段，用于加热工质水产生高温高压饱和水/蒸汽混合物。汽-水分离器3用于分离单管式线聚焦太阳能集热器1产生的高温高压饱和水/蒸汽混合物，得到饱和水和饱和蒸汽。再循环泵4用于将分离后的饱和水经再循环重新进入单管式线聚焦太阳能集热器1，并将分离后的饱和蒸汽进入套管式线聚焦太阳能集热器2的内管侧。套管式线聚焦太阳能集热器2作为集热子系统的过热段用于加热饱和蒸汽至过热状态。
参照图2，该套管式线聚焦太阳能集热器2的吸收管为套管结构，包括玻璃管16、真空层17、选择吸收性涂层18、金属套管19及金属内管20。正常工作时，内管侧为蒸汽，套管侧为熔盐，利用聚焦太阳能先后加热熔盐与蒸汽，借助熔盐的流动性改善线聚焦太阳能对蒸汽加热的周向均匀性，大大缓解了周向温差带来的热应力问题，可显著提升系统的安全性与稳定性。
参照图1，蓄热子系统包括第一阀门6、高压储罐7、第二阀门8、低温熔盐罐9、低温熔盐泵10、高温熔盐罐11、高温熔盐泵12、过热器13、控制阀14和低压储罐15。其中，高压储罐7及低压储罐15用于储存水/蒸汽。高压储罐7始终存在汽、液两相，以保证蓄热温度与状态稳定。低温熔盐罐9及高温熔盐罐11用于储存熔盐蓄热介质。第一阀门6、第二阀门8及控制阀14用于改变管路流程。低温熔盐泵10用于将低温熔盐由低温熔盐罐9泵入套管式线聚焦太阳能集热器2的套管侧。过热器13用于通过熔盐释放热量加热饱和蒸汽至过热状态。过热器13的加热量由熔盐提供，高温熔盐泵12用于将熔盐由高温熔盐罐11泵出经高温熔盐泵12及过热器13后进入低温熔盐罐9。
发电子系统通常包括汽轮机、发电机组及冷凝器等，利用过热蒸汽推动汽轮机做功，进而带动发电机发电。
该系统在白天有辐照条件下通过集热子系统吸收太阳能热量加热工质水产生过热蒸汽，过热蒸汽部分进入发电子系统进行发电，其余部分进入蓄热子系统进行热量储存；在夜晚无辐照条件下通过蓄热子系统产生过热蒸汽，过热蒸汽进入发电子系统进行发电。该系统将水/蒸汽既作为工质又作为主要蓄热介质，配合少量熔盐作为辅助蓄热介质，实现昼夜不间断连续发电。具体过程如下：
如图3所示，在白天有辐照条件下，工质水经加压循环泵5进入单管式线聚焦太阳能集热器1，由聚焦太阳能产生的高温高压饱和水/蒸汽混合物，后进入汽-水分离器3进行分离汽、水分离。分离后的饱和水经再循环泵4重新进入单管式线聚焦太阳能集热器1。分离后的饱和蒸汽进入套管式线聚焦太阳能集热器2的内管侧，同时，低温熔盐由低温熔盐罐9流出经低温熔盐泵10后进入套管式线聚焦太阳能集热器2的套管侧。聚焦太阳能通过吸收管吸热首先加热熔盐，熔盐升温后再通过内管加热蒸汽使蒸汽过热。第一阀门6打开，第二阀门8关闭，控制阀14保证集热器回路通路，储罐回路断路。部分过热蒸汽进入高压储罐7将热量储存，其余过热蒸汽进入发电子系统进行发电。同时，经聚焦太阳能加热后的高温熔盐进入高温熔盐罐11进行热量储存。高温熔盐罐11的温度高于高压储罐7的温度。高压储罐7始终存在汽、液两相，以保证蓄热温度与内部饱和状态稳定。
如图4所示，在夜晚无辐照条件下，第一阀门6关闭，第二阀门8打开，控制阀14保证储罐回路通路，集热器回路断路。高压饱和蒸汽由高压储罐7流出经过热器13加热成为过热蒸汽，进入发电子系统进行发电，所产生乏汽经冷凝后进入低压储罐15。高压储罐7始终存在汽、液两相，以保证蓄热温度与内部饱和状态稳定。过热器13的加热量由熔盐提供，熔盐由高温熔盐罐11流出经高温熔盐泵12及过热器13后进入低温熔盐罐9。
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 (9)

1.一种带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，其特征在于，该太阳能直接蒸汽发电系统包括集热子系统，蓄热子系统和发电子系统，其中：
集热子系统，用于收集太阳能热量，并将收集的太阳能热量一部分供给发电子系统进行发电，一部分输送到蓄热子系统中储存；
蓄热子系统，用于储存集热子系统收集的太阳能热量，并在无辐照条件下供给发电子系统进行发电；
发电子系统，用于将集热子系统或蓄热子系统提供的热能转化为电能。
2.根据权利要求1所述的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，其特征在于，所述集热子系统包括单管式线聚焦太阳能集热器(1)、套管式线聚焦太阳能集热器(2)、汽-水分离器(3)、再循环泵(4)和加压循环泵(5)，其中：
加压循环泵(5)，用于将工质水加压循环进入单管式线聚焦太阳能集热器(1)；
单管式线聚焦太阳能集热器(1)，作为集热子系统的预热段与蒸发段，用于加热工质水产生高温高压饱和水/蒸汽混合物；
汽-水分离器(3)，用于分离单管式线聚焦太阳能集热器(1)产生的高温高压饱和水/蒸汽混合物，分别得到饱和水和饱和蒸汽；
再循环泵(4)，用于将分离后的饱和水经再循环重新进入单管式线聚焦太阳能集热器(1)，并将分离后的饱和蒸汽进入套管式线聚焦太阳能集热器(2)的内管侧；
套管式线聚焦太阳能集热器(2)，作为集热子系统的过热段，用于加热饱和蒸汽至过热状态。
3.根据权利要求2所述的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，其特征在于，所述套管式线聚焦太阳能集热器(2)的吸收管为套管结构，包括玻璃管(16)、真空层(17)、选择吸收性涂层(18)、金属套管(19)及金属内管(20)；
正常工作时，内管侧为蒸汽，套管侧为熔盐，利用聚焦太阳能先后加热熔盐与蒸汽，借助熔盐的流动性改善线聚焦太阳能对蒸汽加热的周向均匀性，缓解周向温差带来的热应力问题，提升系统的安全性与稳定性。
4.根据权利要求1所述的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，其特征在于，所述蓄热子系统包括第一阀门(6)、高压储罐(7)、第二阀门(8)、低温熔盐罐(9)、低温熔盐泵(10)、高温熔盐罐(11)、高温熔盐泵(12)、过热器(13)、控制阀(14)和低压储罐(15)，其中：
高压储罐(7)及低压储罐(15)用于储存水/蒸汽；
低温熔盐罐(9)及高温熔盐罐(11)用于储存熔盐蓄热介质；
第一阀门(6)、第二阀门(8)及控制阀(14)用于改变管路流程；
低温熔盐泵(10)用于将低温熔盐由低温熔盐罐(9)泵入套管式线聚焦太阳能集热器(2)的套管侧；
过热器(13)用于通过熔盐释放热量加热饱和蒸汽至过热状态；
高温熔盐泵(12)用于将熔盐由高温熔盐罐(11)泵出，经过热器(13)后进入低温熔盐罐(9)。
5.根据权利要求4所述的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，其特征在于，所述高压储罐(7)始终存在汽、液两相，以保证蓄热温度及内部饱和状态稳定。
6.根据权利要求1所述的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，其特征在于，所述发电子系统包括汽轮机、发电机组及冷凝器，利用过热蒸汽推动汽轮机做功，进而带动发电机发电；汽轮机出口乏汽经冷凝器冷凝为过冷水。
7.根据权利要求1所述的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，其特征在于，该系统将水/蒸汽既作为工质又作为主要蓄热介质，配合少量熔盐作为辅助蓄热介质，实现昼夜不间断连续发电；
在白天有辐照条件下，该太阳能直接蒸汽发电系统通过集热子系统吸收太阳能热量加热工质水产生过热蒸汽，过热蒸汽部分进入发电子系统进行发电，其余部分进入蓄热子系统进行储存；
在夜晚无辐照条件下，该太阳能直接蒸汽发电系统通过蓄热子系统产生过热蒸汽，过热蒸汽进入发电子系统进行发电。
8.根据权利要求7所述的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，其特征在于，在白天有辐照条件下，工质水经加压循环泵(5)进入单管式线聚焦太阳能集热器(1)，由聚焦太阳能加热产生高温高压饱和水/蒸汽混合物，后进入汽-水分离器(3)进行分离汽、水分离；分离后的饱和水经再循环泵(4)重新进入单管式线聚焦太阳能集热器(1)；分离后的饱和蒸汽进入套管式线聚焦太阳能集热器(2)的内管侧，同时，低温熔盐由低温熔盐罐(9)流出经低温熔盐泵(10)后进入套管式线聚焦太阳能集热器(2)的套管侧；聚焦太阳能通过吸收管吸热首先加热熔盐，熔盐升温后再通过内管加热蒸汽至过热状态；第一阀门(6)打开，第二阀门(8)关闭，调节控制阀(14)保证集热器回路通路，储罐回路断路；部分过热蒸汽进入发电子系统进行发电，其余过热蒸汽进入高压储罐(7)进行热量储存；同时，经聚焦太阳能加热后的高温熔盐进入高温熔盐罐(11)进行热量储存。
9.根据权利要求7所述的带蓄热的太阳能直接蒸汽发电系统，其特征在于，在夜晚无辐照条件下，第一阀门(6)关闭，第二阀门(8)打开，调节控制阀(14)保证储罐回路通路，集热器回路断路；高压饱和蒸汽由高压储罐(7)流出经过热器(13)加热成为过热蒸汽，进入发电子系统进行发电，所产生乏汽经冷凝后进入低压储罐(15)储存；过热器(13)对饱和蒸汽的加热量由熔盐放热提供，熔盐由高温熔盐罐(11)流出经高温熔盐泵(12)及过热器(13)放热后进入低温熔盐罐(9)。
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