CN105888996A - 多模式塔式太阳能热发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明多模式塔式太阳能热发电装置在传统流沙或固体颗粒塔式太阳能热发电技术的基础上，采用创新的陶瓷型砖构建太阳能接收墙体，使用固体颗粒和粉末混合后的流沙做传热储热介质，在继续应用闭式布雷顿热循环发电装置的同时，增加了使用开式布雷顿热发电装置或固体氧化物燃料电池实现互补，尽可能利用生物质燃料等可再生能源，在降低成本、延长发电时数、扩大使用范围上均有较大技术突破。该装置属太阳能热发电技术领域。

Description

多模式塔式太阳能热发电装置

技术领域

本发明多模式塔式太阳能热发电装置在传统流沙或固体颗粒塔式太阳能热发电技术的基础上，采用创新的陶瓷型砖构建太阳能接收墙体，使用固体颗粒和粉末混合后的流沙做传热储热介质，在继续应用闭式布雷顿热循环发电装置的同时，增加了使用开式布雷顿热发电装置或固体氧化物燃料电池实现互补，尽可能利用生物质燃料等可再生能源，在降低成本、延长发电时数、扩大使用范围上均有较大技术突破。该装置属太阳能热发电技术领域。

背景技术

布雷顿循环热发电技术最突出的优点是系统热电转换效率高，主要采用空气、氦气、二氧化碳气为动力工质，以及由燃油、燃气、核能、太阳能提供高温热能运行。很明显，该技术不仅在燃气发电、核电领域而且在太阳能热发电领域也有很好的应用前景。美国专利US7685820“超临界二氧化碳聚光太阳能发电系统装置”详述了通过熔盐换热并采用超临界二氧化碳气体作为动力工质的装置构造，该专利是在传统太阳能熔盐储热换热基础上将郎肯循环蒸汽热发电技术简单替换为超临界布雷顿循环动力发电，该专利的中国同族专利为200710306179.3。与此专利完全相同的美国专利申请US2012216536A1则改双罐储热为单罐储热。美国专利US4479353A利用固体颗粒储热和传热实现郎肯蒸汽循环发电，与其相同的是专利US8109265B1，试图通过固体颗粒获得高温空气再换热驱动布雷顿循环热发电装置，与该专利类似的是中国专利200910090284.7“太阳能热发电用固体球流吸热器”，其缺陷是定制的固体颗粒在光辐射环境中成自由落体下降，热吸收率明显低。2005年在中国南京江宁开发区采用布雷顿循环原理建立的中国第一个塔式太阳能热发电站。该电站通过太阳能空腔式接收器以空气作传热工质，辅之以天然气和小型燃气轮机率先实现了利用太阳能和布雷顿循环技术结合的热发电装置，由于腔式太阳能接收器入口太小，进气温度难于和燃气配套致使实验失败。以色列和澳大利亚实施的“郁金香”小型塔式太阳能热发电试验项目实际是该技术的继续。中国专利201210418099.8“采用流沙储热传热的一体化塔式太阳能热发电装置”选择的管式太阳能接收器与传统直接蒸汽和熔盐介质接收器在结构上并无大的区别，与WO2013006630A2专利几近相同。它们存在的共同缺陷是太阳能接收器都是采用金属排管直接吸热，与传统的熔盐太阳能吸热器有类似之处。塔式太阳能热发电的固有缺陷是抗风荷性能差，定日镜的风荷载与面积成正比，面积越大风载也越大，因此定日镜抖动越严重，由此直接导致太阳能接收器表面能流密度大幅下降，传热介质温度也会随之出现大幅波动。因此，为克服塔式太阳能热发电装置存在的固有缺陷，必须创新太阳能接收器，只有扬长避短，才能充分发挥塔式太阳能聚光比高、温度高的优势，为采用效率更高的布雷顿循环动力发电模式奠定基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为传统的流沙传热储热塔式太阳能热发电装置选择一个适应性较强的塔式接收器；其次通过闭式和开式两种不同模式的布雷顿动力循环技术互补实现光、热、电利用效率最大化；三是与生物质气发生装置互补，实现太阳能和生物质能利用效率最大化。

本发明是通过以下技术方案实现的：

1、多模式塔式太阳能热发电装置包括定日镜聚光阵列，太阳能接收塔，太阳能接收器，陶瓷换热管、储热保温材料，闭式和开式燃气布雷顿循环热发电装置、动力工质、储气罐；流沙传热储热介质；流沙热交换器、流沙储热室、流沙控制器、储沙室、流沙提升装置、流沙导流器；用来固定太阳能接收器的金属框架，聚光阵列和发电控制装置；储热装置、空气冷却器、生物质发生装置、互补供热发电系统，其特征在于：塔式太阳能接收器位于太阳能接收塔顶部；其中流沙导流器、太阳能接收器、流沙储热室、流沙热交换器、储沙室、流沙提升装置安装于太阳能接收塔塔身内；流沙热交换器出口连接闭式布雷顿循环热发电装置进口；闭式布雷顿循环动热发电装置通过涡轮动力机、乏气换热器、冷凝散热器、压气机经补热器与流沙热交换器进口连接，完成闭式布雷顿热循环发电；在无光照时启动互补供热发电系统为闭式布雷顿热发电机组和储热装置提供互补储热发电；定日镜聚光阵列围绕太阳能接收塔布置；

1)所述太阳能接收器是由陶瓷型砖构筑的太阳能接收墙体，该陶瓷型砖太阳能接收墙体光照一面涂覆耐高温热吸收涂料，另一面加装涂覆耐高温隔热涂料的储热保温材料；或陶瓷换热管安装在陶瓷型砖墙体预留的墙孔内；以及用来固定太阳能接收器的金属框架；控制流沙进出口量和速度的控制端口组成；由陶瓷型砖构筑的太阳能受热墙体可高效率吸收光热辐照并转化成热能，同时兼具受热储热以及缓冲保温作用；

2)所述陶瓷型砖是指由导热性能优异的特种陶瓷如碳化硅类陶瓷、或氮化硅类陶瓷、或氧化硅类陶瓷、或氧化铝类陶瓷、或氮化铝类陶瓷材料制作的成长方体的型砖；陶瓷型砖面对定日镜光辐照一侧外表面沉积涂覆耐高温热吸收涂层；陶瓷型砖中心制作流沙管道；流沙管道为垂直、或倾斜的圆筒状；或为长方形流沙管道，管道内壁设置导热翅板，或垂直、或倾斜排列；圆筒型流沙管道上下连接后成“之”字状，其作用是在流沙下降时减缓流沙降落速度，用以增加流沙受热辐射量；为便于墙体组装，陶瓷型砖左右、上下两端均设立便于整体插装固定的连接隼和隼槽；

3)所述陶瓷换热管是由导热性能优异的碳化硅、或氮化硅、或氧化硅、或氧化铝、或氮化铝、或氮化硼制作的陶瓷管，安装在陶瓷型砖预留的孔道内；为便于陶瓷换热管吸热和装配，在陶瓷型砖面对定日镜光辐照面开口，其宽度或等于、或小于陶瓷换热管外径；陶瓷换热管外涂覆热吸收涂层；陶瓷换热管是直管、或“之”字状弯曲管；陶瓷换热管内壁设置若干突起或凹进的螺旋槽线、或若干翅片；在组装太阳能接收器时将陶瓷换热管顺序插装在陶瓷型砖预留的管道内；陶瓷换热管两端设置可对应连接的螺旋槽口或卡口；

4)所述流沙传热储热介质是指石英砂粒、或玻璃微珠、或碎玻璃砂粒、或碎陶瓷砂粒、或金属珠粒、或陶粒砂、或石墨颗粒、或玄武岩砂粒，或导热球形氧化铝珠粒，或混合了石墨的玻璃、陶瓷砂粒及其上述物质粉末的混合体；或按比例调配的混凝土粉末熟料、燃煤电厂废弃物粉煤灰；

5)所述流沙热交换器是管壳式、或板式金属热交换器、或碳化硅陶瓷热交换器；或使用改型的流化床锅炉直接替代；

6)所述闭式布雷顿循环热发电装置包括流沙热交换器、补热器、涡轮机、燃烧室、乏气换热器、压气机、发电机、冷凝散热器、气体储罐；动力工质；优选地，在光照充足时，经压缩的动力工质气体经流沙热交换器升温成超临界气体进入涡轮机膨胀做功，排出的高温乏气进入补热器，经补热器进入冷凝散热器，冷凝后的动力工质气体经压气机进入补热器补热，经压缩和补热的动力工质气体再次进入流沙热交换器实现布雷顿热循环发电；无光照或光照不足时动力工质气体转换进入储热装置继续保持发电状态；所述开式布雷顿循环热发电装置包括生物质气或燃气、燃油储罐，生物质气阀门和空气进口，涡轮机和压气机、补热器、燃烧室，开式布雷顿循环热发电装置使用燃气或燃油运行，排出的高温乏气进入流沙热交换器补热、或为储热装置补热后排至大气，实现布雷顿热循环发电双模式互补高效运行；

7)所述动力工质根据动力模式确定，其中闭式布雷顿循环热发电装置使用的动力工质为空气、或二氧化碳气、或氮气、或一氧化氮气、或氦气；固体燃料电池和开式布雷顿循环热发电装置使用的动力工质为生物质气化气、沼气；或天然气、可燃冰气或液化石油气；或烷烃类气体；或醇类燃料如甲醇、乙醇、二甲醚；或燃油如柴汽油、煤油、重油。

8)所述储气罐是用来储存二氧化碳气、或氮气、或一氧化氮气、或氦气、或烷烃类气体；生物质气化气、沼气、天然气、可燃冰气的储气容器；或改为储液罐，储存醇类燃料或燃油；

9)所述生物质气发生装置是指生物质气化发生装置，或沼气发生装置；或用天然气、液化石油气供气装置替代；

10)所述互补供热发电系统包括采用固体燃料电池如固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、或开式布雷顿热发电装置，其效率远高于直接燃气或燃油锅炉，因此作为互补供热发电系统首选。光照充足时选择太阳能超临界布雷顿循环发电；无光照或储热温度低于一定值时选择互补供热发电系统使用生物质燃料提供外燃高温热源；

11)在低纬度地区，太阳能接收器在塔身顶部呈圆周布置，用于圆周安装的陶瓷型砖具有一定弧度；在纬度稍高的地区，太阳能接收器设置在塔身顶部一侧太阳能辐照窗口内；涂覆耐高温隔热涂料的保温材料紧贴陶瓷型砖墙体储热体背面，防止内外空气对流起隔热保温作用；用来固定太阳能接收器的金属框架安装在太阳能接收塔的塔顶；

本发明新颖之处在于，采用流沙作为储热传热介质其原料来源广泛，具有储热温度高、热阻小的特点，比专门制作球状颗粒成本要低，更不存在类似于DSG直接蒸汽、导热油、熔盐等传热工质存在的体积膨胀、高温气化、压力大、热损失大和凝固点高等弊端；首创的太阳能接收器采用特种陶瓷制作成型砖，或砖体自身预设流沙管道或专用的陶瓷强化传热管道，或包覆金属换热管道等措施，进一步适应了塔式太阳能所特有的高聚光比、高能流密度，光照不稳定不均匀的客观要求。这一改进是对传统塔式太阳能“腔式”接收器、碳化硅泡沫空气吸热器、金属排管式蒸汽或熔盐接收器，以及窗式颗粒自由落体吸热器等技术的突破；其次是采用特种陶瓷构筑太阳能接收器受热墙体，可增大热辐射吸收面积，减少对流热损失，有利于克服现有固体颗粒自由落体接收器存在的弊端；总之，通过对太阳能接收器的改进以及应用互补和储热等新技术，可有效延长发电时数，为实现平价发电，替代化石能源发电创造条件。本装置可实现模块化设计和布局，即可建立小型太阳能热发电站，也可建立规模化太阳能热发电站。本发明塔式太阳能接收器同样适用熔盐为传热介质的塔式太阳能郎肯循环蒸汽动力发电装置。互补气体除生物质气外也适用天然气。

附图说明

图1是传统塔式太阳能流沙热发电新型陶瓷接收墙体示意图

图2是本发明流沙塔式太阳能闭式布雷顿循环热发电示意图

图3是本发明陶瓷型砖示意图

图4是本发明陶瓷型砖之字形流沙管道示意图

图5是本发明陶瓷型砖开口示意图

图6是本发明陶瓷型砖方形流道示意图

图7是本发明陶瓷太阳能接收器示意图

图8是本发明一体化双模式布雷顿循环热发电示意图

其中：1定日镜聚光阵列、2太阳能接收塔、3太阳能接收器、4流沙、5流沙导流器、6流沙储热室、7流沙管道、8储沙室、9流沙提升装置、10金属换热管、11陶瓷型砖、12陶瓷换热管、13布雷顿循环热发电装置、14压气机、15补热器、16流沙热交换器、17冷凝散热器、18有机朗肯发电机、19空气冷却器、20保温材料、21流沙端盖、22太阳能辐照窗、23金属框架、24涡轮机、26生物质气发生装置、27储气罐、28隼槽、29乏气换热器、30储热装置、31陶瓷流沙端盖、32流沙控制器、33陶瓷型砖翅片、34燃气燃油锅炉、35燃烧室

具体实施方式

方案1

本发明的关键是制作太阳能接收器3，太阳能接收器3基体由陶瓷制作成带管道的型砖11，为便于太阳能接收器整体安装，在陶瓷型砖11左右以及上下两端均设立便于整体插装固定的连接隼和隼槽；在陶瓷型砖11中心设置流沙管道7；流沙管道7有两种，一种是流沙管道7设置在陶瓷型砖11中间；流沙管道7或垂直、或倾斜设置；上下相邻的陶瓷型砖11的管道口对应设置，陶瓷型砖上下连接后流沙管道成“之”字状；第二种是在陶瓷型砖11预留的管道内安装陶瓷换热管12或金属换热管10；为有利于陶瓷换热管12吸热，在陶瓷型砖11面对定日镜光辐照受热的一端开口，让换热管适当暴露，开口宽度或等于、或小于陶瓷换热管12、或金属换热管10外径；在陶瓷换热管12或金属换热管10管外涂覆热吸收涂层；在组装太阳能接收器3时将陶瓷换热管12或金属换热管10顺序、垂直插装在陶瓷型砖11的流沙管道7内；陶瓷换热管12或金属换热管10制作成与“之”字状对应的弯曲形状；陶瓷换热管12两端设置连接螺旋槽口或卡口；陶瓷换热管12或金属换热管10内壁设置若干突起或凹进的螺旋槽线或翅片。在低纬度地区，太阳能接收器3在塔身顶部呈圆周设置，用于圆周安装的陶瓷型砖11具有一定弧度；在纬度稍高的地区，太阳能接收器3设置在塔身顶部一侧太阳能辐照窗22内；涂覆耐高温隔热涂料的保温材料20紧贴固定陶瓷型砖11墙体背面，防止内外空气对流起隔热保温作用；用来固定太阳能接收器3的金属框架安装在太阳能接收塔2的塔顶。

方案2

闭式布雷顿循环热发电装置13经压缩的动力工质气体经流沙热交换器16升温成超临界气体进入涡轮机膨胀做功，排出的高温乏气进入补热器15，经补热器15进入冷凝散热器17，冷凝散热器17冷凝一侧的进出口连接空气冷却器25；冷凝后的动力工质气体经压气机14进入补热器15另一端补热，经压缩和补热的动力工质气体再次进入流沙热交换器16实现布雷顿热循环发电；无光照或光照不足时动力工质气体转换进入储热装置继续保持发电状态；同时开启互补开式布雷顿循环热发电装置，排出的高温乏气进入流沙热交换器16补热、或为储热装置30补热后排至大气，实现布雷顿热循环发电双模式互补高效运行。

Claims (2)

1.多模式塔式太阳能热发电装置包括定日镜聚光阵列，太阳能接收塔，太阳能接收器，陶瓷换热管、储热保温材料，闭式和开式燃气布雷顿循环热发电装置、动力工质、储气罐；流沙传热储热介质；流沙热交换器、流沙储热室、流沙控制器、储沙室、流沙提升装置、流沙导流器；用来固定太阳能接收器的金属框架，聚光阵列和发电控制装置；储热装置、空气冷却器、生物质发生装置，互补供热发电系统，其特征在于：塔式太阳能接收器位于太阳能接收塔顶部；其中流沙导流器、太阳能接收器、流沙储热室、流沙热交换器、储沙室、流沙提升装置安装于太阳能接收塔塔身内；流沙热交换器出口连接闭式布雷顿循环热发电装置进口；闭式布雷顿循环动热发电装置通过涡轮动力机、乏气换热器、冷凝散热器、压气机经补热器与流沙热交换器进口连接，完成闭式布雷顿热循环发电；在无光照时启动互补供热发电系统为闭式布雷顿热发电机组和储热装置提供互补储热发电；定日镜聚光阵列围绕太阳能接收塔布置；

1)所述太阳能接收器是由陶瓷型砖构筑的太阳能接收墙体，该陶瓷型砖太阳能接收墙体光照一面涂覆耐高温热吸收涂料，另一面加装涂覆耐高温隔热涂料的储热保温材料；或陶瓷换热管安装在陶瓷型砖墙体预留的墙孔内；以及用来固定太阳能接收器的金属框架；控制流沙进出口量和速度的控制端口组成；由陶瓷型砖构筑的太阳能受热墙体可高效率吸收光热辐照并转化成热能，同时兼具受热储热以及缓冲保温作用；

2)所述陶瓷型砖是指由导热性能优异的特种陶瓷如碳化硅类陶瓷、或氮化硅类陶瓷、或氧化硅类陶瓷、或氧化铝类陶瓷、或氮化铝类陶瓷材料制作的成长方体的型砖；陶瓷型砖面对定日镜光辐照一侧外表面沉积涂覆耐高温热吸收涂层；陶瓷型砖中心制作流沙管道；流沙管道为垂直、或倾斜的圆筒状；或为长方形流沙管道，管道内壁设置导热翅板，或垂直、或倾斜排列；圆筒型流沙管道上下连接后成“之”字状，其作用是在流沙下降时减缓流沙降落速度，用以增加流沙受热辐射量；为便于墙体组装，陶瓷型砖左右、上下两端均设立便于整体插装固定的连接隼和隼槽；

3)所述陶瓷换热管是由导热性能优异的碳化硅、或氮化硅、或氧化硅、或氧化铝、或氮化铝、或氮化硼制作的陶瓷管，安装在陶瓷型砖预留的孔道内；为便于陶瓷换热管吸热和装配，在陶瓷型砖面对定日镜光辐照面开口，其宽度或等于、或小于陶瓷换热管外径；陶瓷换热管外涂覆热吸收涂层；陶瓷换热管是直管、或“之”字状弯曲管；陶瓷换热管内壁设置若干突起或凹进的螺旋槽线、或若干翅片；在组装太阳能接收器时将陶瓷换热管顺序插装在陶瓷型砖预留的管道内；陶瓷换热管两端设置可对应连接的螺旋槽口或卡口；

4)所述流沙传热储热介质是指石英砂粒、或玻璃微珠、或碎玻璃砂粒、或碎陶瓷砂粒、或金属珠粒、或陶粒砂、或石墨颗粒、或玄武岩砂粒，或导热球形氧化铝珠粒，或混合了石墨的玻璃、陶瓷砂粒及其上述物质粉末的混合体；或按比例调配的混凝土粉末熟料、燃煤电厂废弃物粉煤灰；

5)所述流沙热交换器是管壳式、或板式金属热交换器、或碳化硅陶瓷热交换器；或使用改型的流化床锅炉直接替代；

6)所述闭式布雷顿循环热发电装置包括流沙热交换器、补热器、涡轮机、燃烧室、乏气换热器、压气机、发电机、冷凝散热器、气体储罐；动力工质；优选地，在光照充足时，经压缩的动力工质气体经流沙热交换器升温成超临界气体进入涡轮机膨胀做功，排出的高温乏气进入补热器，经补热器进入冷凝散热器，冷凝后的动力工质气体经压气机进入补热器补热，经压缩和补热的动力工质气体再次进入流沙热交换器实现布雷顿热发电循环；无光照或光照不足时动力工质气体转换进入储热装置继续保持发电状态；所述开式布雷顿循环热发电装置包括生物质气或燃气、燃油储罐，生物质气阀门和空气进口，涡轮机和压气机、补热器、燃烧室，开式布雷顿循环热发电装置使用燃气或燃油运行，排出的高温乏气进入流沙热交换器补热、或为储热装置补热后排至大气，实现布雷顿热循环发电双模式互补高效运行；

7)所述动力工质根据动力模式确定，其中闭式布雷顿循环热发电装置使用的动力工质为二氧化碳气、或一氧化氮气、或氦气；固体燃料电池和开式布雷顿循环热发电装置使用的动力工质为生物质气化气、沼气；或天然气、可燃冰气或液化石油气；或烷烃类气体；或醇类燃料如甲醇、乙醇、二甲醚；或燃油如柴汽油、煤油、重油；

8)所述储气罐是用来储存二氧化碳气、或氮气、或一氧化氮气、或氦气、或烷烃类气体；生物质气化气、沼气、天然气、可燃冰气的储气容器；或改为储液罐，储存醇类燃料或燃油；

9))所述生物质气发生装置是指生物质气化发生装置，或沼气发生装置；或用天然气、液化石油气供气装置替代；

10)所述互补供热发电系统包括采用固体燃料电池如固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、或开式布雷顿热发电装置，光照充足时选择太阳能超临界布雷顿循环发电；无光照或储热温度低于一定值时选择互补供热发电系统使用生物质燃料提供外燃高温热源。

2.根据权利要求1所述多模式塔式太阳能热发电装置，其特征在于：在低纬度地区，太阳能接收器在塔身顶部呈圆周布置，用于圆周安装的陶瓷型砖具有一定弧度；在纬度稍高的地区，太阳能接收器设置在塔身顶部一侧太阳能辐照窗口内；涂覆耐高温隔热涂料的保温材料紧贴陶瓷型砖墙体储热体背面，防止内外空气对流起隔热保温作用；用来固定太阳能接收器的金属框架安装在太阳能接收塔的塔顶。