CN106337789B - 一种集光放大太阳能光热发电系统及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种集光放大太阳能光热发电系统，低功率红外光束通过光放大器放大后进入液体直接蒸发器形成高能量光分布场，介质液体在光分布场内瞬间汽化，蒸汽压缩机接收液体直接蒸发器通过管道输送的蒸汽，直至使蒸汽达到超临界状态，再将蒸汽压入超临界蒸汽储能系统进行储存，通过降压调节满足汽轮发动机的入口参数压入主蒸汽储能系统，主蒸汽储能系统带动汽轮机做功发电；做功发电过程中产生的中间态蒸汽输出到次级蒸汽储能系统中再次加压加热，然后返回到主蒸汽储能系统，形成循环；系统提高发电效率；系统占地规模小，可直接替代传统的火力发电汽轮机前部部分，为传统火电落后产能的换代升级提供了一种低成本、高效率的方式。

Description

一种集光放大太阳能光热发电系统及发电方法

技术领域

本发明涉及太阳能光热发电领域，尤其涉及一种集光放大太阳能光热发电系统及发电方法。

背景技术

随着全球工业化的迅速发展，能源的消耗量不断增长，能源紧缺，能源产生过程中的污染物排放过量等问题与日俱增，人类急需寻找新型能源解决需求矛盾。在可再生能源中，太阳能具有取之不尽，用之不竭，绿色环保的优越性，因而大力发展太阳能资源利用具有十分重要的意义。

在太阳能热利用领域，目前应用较为广泛的是槽式、碟式及塔式太阳能聚光集热系统，通过聚焦增强太阳光能量密度，再通过光热材料吸收光完成换热，驱动斯特林、布雷顿等高效动力循环，具有十分可观的应用前景。但目前集热系统基本上都是采用聚焦的方式加强太阳光的能量密度，此种方式对光的能量密度提高能力有限，而且基本上都是采用二次热交换的形式产生蒸汽推动汽轮机做功发电，在热效率利用方面存在较大的利用换热系统，经过两次换热之后，系统转换效率有一定的下降。

发明内容

为了克服上述现有技术中的不足，本发明的目的在于，提供集光放大太阳能光热发电系统，包括：光放大器，液体蒸发器，蒸汽压缩机，三级蒸汽储能系统，汽轮机，自动控制装置，冷凝器；

光放大器用于将太阳光作为主要能量泵浦源，然后经过谐振强化后将低功率红外光束放大1000倍到2000倍，并输入到液体蒸发器内形成高能量光分布场，实现液体蒸发器内部的介质液体的瞬间蒸发，形成高温高压饱和蒸汽；

液体蒸发器通过管道与蒸汽压缩机连接，蒸汽压缩机用于接收液体蒸发器通过管道输送的蒸汽，蒸汽压缩机通过压缩作用，提高蒸汽的温度和压力，并进一步压缩蒸汽，提高蒸汽的热焓值，直至使蒸汽超临界状态，再将蒸汽压入三级蒸汽储能系统；

三级蒸汽储能系统包括：超临界蒸汽储能子系统、主蒸汽储能子系统、次级蒸汽储能子系统；

超临界蒸汽储能子系统与蒸汽压缩机连通，超临界蒸汽储能子系统用于将蒸汽压缩机输入的蒸汽进行储存并降压调节满足汽轮机的入口参数，之后通入主蒸汽储能子系统储存，再由主蒸汽储能子系统持续稳定的输入给汽轮机做功；

做功发电过程中产生的中间态蒸汽输出到次级蒸汽储能子系统中再次加压加热，然后返回到主蒸汽储能子系统，形成循环；

冷凝器与汽轮机下部的排汽口连通，冷凝器用于承接汽轮机释放出热势能的蒸汽，并冷却凝结成液体，通过泵送入低压加热器内；

自动控制装置用于控制集光放大太阳能光热发电系统全部控制过程。

优选地，所述液体蒸发器包括罐体，罐体顶部有蒸汽出口，罐体底部设有液体介质喷射口，罐体壁上设有多个透光孔，透光孔沿着罐体周向均匀布设，形成光转换装置环，放大后的红外光束穿过透光孔，形成均匀的高能量光分布场及热能量场，对罐体内部的液体介质进行加热。

优选地，所述蒸汽压缩机包括：壳体，壳体内部设有主轴，主轴上连接有叶轮，壳体上设有进气口和出气口，进气口和出气口分别连接气室，气室设有扩压器和蜗室。

优选地，汽轮机包括：汽轮机主轴，汽轮机主轴上设有汽轮机叶轮，汽轮机叶轮上设有动叶，汽轮机动叶的一侧设有蒸汽入口，与蒸汽入口连接的蒸气室，蒸气室的端部设有蒸汽出口，蒸气室内部设有喷气室，喷气室设有喷嘴，喷嘴的喷口部设有气缸。

优选地，自动控制装置采用PLC控制，自动控制装置设有急停模块，汽轮机转速控制模块，主蒸汽压力获取模块，三级蒸汽储能系统压力获取模块，三级蒸汽储能系统温度获取模块，蒸汽流动速度获取模块，冷凝器真空度获取模块，蒸汽压缩机真空度获取模块，汽轮机内部压力获取模块。

优选地，所述主蒸汽系统与汽轮机之间设有与自动控制装置连接的高压主汽阀，高压主汽阀用于当汽轮机内部压力超出预警值时，高压主汽阀根据自动控制装置的控制指令，截断汽轮机的进汽，同时，自动控制装置调节汽轮机转速；高压主汽阀在汽轮机正常工况下，自动控制装置控制高压主汽阀保持全开状态；当汽轮机发电机组正常运行时，自动控制装置通过调节高压主汽阀的开度，改变进汽流量，达到速度和负荷控制的目的。

集光放大太阳能光热发电方法，方法包括：

光放大器将太阳光作为主要能量泵浦源，然后经过谐振强化后将低功率红外光束放大1000倍到2000倍，对液体蒸发器内部的介质进行加热；

液体蒸发器通过管道将蒸汽输送至蒸汽压缩机，蒸汽压缩机通过压缩作用，提高蒸汽温度和蒸汽压力，并进一步压缩蒸汽，提高蒸汽的温度和压力，并进一步压缩蒸汽，提高蒸汽的热焓值，直至使蒸汽超临界状态，再将蒸汽压入超临界蒸汽储能子系统；

超临界蒸汽储能子系统将蒸汽压缩机输入的蒸汽进行储存并降压调节满足汽轮机的入口参数，之后通入主蒸汽储能子系统储存，再由主蒸汽储能子系统持续稳定的输入给汽轮机做功；

汽轮机做功发电过程中产生的中间态蒸汽输出到次级蒸汽储能子系统中再次加压加热，然后返回到主蒸汽储能子系统，形成循环；

冷凝器承接汽轮机释放出热势能的蒸汽，并冷却凝结成液体，通过泵送入低压加热器内。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

集光放大太阳能光热发电系统提高光热发电太阳能系统的发电效率；系统占地规模小，可直接替代传统的火力发电汽轮机前部部分，为传统火电落后产能的换代升级提供了一种低成本、高效率的方式。

集光放大太阳能光热发电系统解决当前光热发电系统中光能量集中效率差以及蒸汽储能效果差的问题，通过采用光放大器，改变目前的光能量聚集方式，解决当前系统大面积的占地问题，同时通过采用三级蒸汽储能系统解决当前蒸汽储能存在的储能少、发电时间短的问题。通过应用本套系统，可以全面代替传统的火力发电，达到彻底节能减排的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为集光放大太阳能光热发电系统的整体示意图；

图2为光放大器和液体蒸发器的示意图；

图3为光放大器的示意图；

图4为液体蒸发器的结构图；

图5为蒸汽压缩机的结构图；

图6为汽轮机的结构图；

图7为集光放大太阳能光热发电方法流程图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将运用具体的实施例及附图，对本发明保护的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。

本实施例提供一种集光放大太阳能光热发电系统，如图1、图2所示，包括：光放大器1，液体蒸发器2，蒸汽压缩机3，三级蒸汽储能系统，汽轮机7，自动控制装置，冷凝器；

光放大器1用于将太阳光作为主要能量泵浦源，然后经过谐振强化后将低功率红外光束放大1000倍到2000倍，对液体蒸发器内部的介质进行加热；

液体蒸发器2通过管道与蒸汽压缩机3连接，蒸汽压缩机3用于接收液体蒸发器2通过管道输送的蒸汽，蒸汽压缩机3通过压缩作用，提高蒸汽的温度和压力，并进一步压缩蒸汽，提高蒸汽的热焓值，直至使蒸汽超临界状态，再将蒸汽压入三级蒸汽储能系统；

三级蒸汽储能系统包括：超临界蒸汽储能子系统4、主蒸汽储能子系统5和次级蒸汽储能子系统6；超临界蒸汽储能子系统4与蒸汽压缩机3连通，超临界蒸汽储能子系统4用于将蒸汽压缩机3输入的蒸汽进行储存并降压调节满足汽轮机的入口参数，之后通入主蒸汽储能子系统5储存，再由主蒸汽储能子系统5持续稳定的输入给汽轮机7做功；汽轮机7做功发电过程中产生的中间态蒸汽输出到次级蒸汽储能子系统6中再次加压加热，然后返回到主蒸汽储能子系统5，形成循环；

超临界蒸汽储能子系统4、主蒸汽储能子系统5和次级蒸汽储能子系统6采用储气罐结构，包括筒体、封头、法兰、接管、密封元件和支座等组成。高压储气罐罐体用优质高强度钢板焊接成圆筒形，圆筒形罐的两端采用椭圆型或半球形封头。压缩储能阶段：通过电机驱动压缩机，将电能转换为高压空气的分子内势能和储热介质的热能，将产生的初级蒸汽压缩至高压，压缩机的排气温度可以达到超临界温度存储于超临界蒸汽储能子系统4，储能过程结束时，储气罐中的压力为超临界压值。释能做功阶段：超高温高压蒸汽由超临界蒸汽储能子系统4释放出来通过降压调节满足汽轮机的入口参数（典型值为温度350℃，压力3.5Mpa）,然后进入主蒸汽储能子系统5储存，主蒸汽储能子系统5将蒸汽持续稳定的输入汽轮机做功。

蒸汽再热阶段：再热系统将汽轮机内膨胀至预设压力的蒸汽全部引出，进入到次级蒸汽储能子系统6中再次加热，然后返回到主蒸汽储能子系统5。通常一次再热可使循环热效率提高2～3 %。

冷凝器与汽轮机7下部的排汽口连通，冷凝器用于承接汽轮机7释放出热势能的蒸汽，并冷却凝结成液体，通过泵送入低压加热器内；自动控制装置用于控制集光放大太阳能光热发电系统全部控制过程。

本实施例中，如图3所示，光放大器1采用特殊材料烧结制成的物体作为介质，太阳光作为主要能量泵浦源，通过泵浦模块16放大能量光束，经过谐振腔15强化后光束功率被放大1000倍至2000倍，再进入液体蒸发器2对介质液体进行加热。

本实施例中，如图4所示，液体蒸发器2包括罐体11，罐体11顶部有蒸汽出口，罐体底部设有液体介质喷射口，罐体壁上设有多个透光孔12，透光孔12沿着罐体周向均匀布设，形成光转换装置环13，放大后的红外光束穿过透光孔12，形成均匀的高能量光分布场及热能量场，对罐体内部的液体介质进行加热。液体介质喷射到罐体内，形成雾状进入热能量场，在热能量场内瞬间汽化。

本实施例中，如图5所示，所述蒸汽压缩机3包括：壳体22，壳体22内部设有主轴21，主轴21上连接有叶轮23，壳体22上设有进气口26和出气口，进气口26和出气口分别连接气室，气室设有扩压器23和蜗室24。

蒸汽压缩机3采用离心式压缩机，蒸汽压缩机3是一种叶片旋转式压缩机。电动机带动压缩机主轴叶轮转动，在离心力作用下，气体被甩到工作轮后面的扩压器中去。而在工作轮中间形成稀薄地带，前面的气体从工作轮中间的进气部份进入叶轮，由于工作轮不断旋转，气体能连续不断地被甩出去，从而保持了气压机中气体的连续流动。气体因离心作用增加了压力，还可以很大的速度离开工作轮，气体经扩压器逐渐降低了速度，动能转变为静压能，进一步增加了压力。如果一个工作叶轮得到的压力还不够，可通过使多级叶轮串联起来工作的办法来达到对出口压力的要求。级间的串联通过弯通，回流器来实现。蒸汽压缩机是通过压缩作用而提高蒸汽的温度和压力的关键设备，利用高能效蒸汽压缩机压缩液体蒸发器蒸发产生的蒸汽，提高蒸汽的热焓致超临界状态，压入超临界蒸汽储能子系统4储存。

蒸汽压缩机3还包括：转子及定子， 转子包括转轴，固定在轴上的叶轮、轴套、平衡盘、推力盘及联轴节等零部件。定子则有气缸，定位于缸体上的各种隔板以及轴承等零部件。在转子与定子之间需要密封气体之处还设有密封元件。

本实施例中，如图6所示，汽轮机7包括：汽轮机主轴31，汽轮机主轴31上设有汽轮机叶轮32，汽轮机叶轮32上设有动叶33，汽轮机动叶33的一侧设有蒸汽入口36，与蒸汽入口36连接的蒸气室，蒸气室的端部设有蒸汽出口，蒸气室内部设有喷气室，喷气室34设有喷嘴，喷嘴的喷口部设有气缸35。

汽轮机7是将蒸汽的热能转换成机械能的蜗轮式机械。在汽轮机7中，蒸汽在喷嘴中发生膨胀，压力降低，速度增加，热能转变为动能。高速汽流流经动叶片时，由于汽流方向改变，产生了对叶片的冲动力，推动叶轮旋转做功，将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。

汽轮机7还包括：转动部分和固定部分。转动部分包括叶栅、叶轮或转子、主轴和联轴器及紧固件等旋转部件。固定部件包括气缸、蒸汽室、喷嘴室、隔板、隔板套(或静叶持环)、汽封、轴承、轴承座、机座、滑销系统以及有关紧固零件等。

本实施例中，自动控制装置采用PLC控制，自动控制装置设有急停模块，汽轮机转速控制模块，主蒸汽压力获取模块，三级蒸汽储能系统压力获取模块，三级蒸汽储能系统温度获取模块，蒸汽流动速度获取模块，冷凝器真空度获取模块，蒸汽压缩机真空度获取模块，汽轮机内部压力获取模块。

所述主蒸汽储能子系统与汽轮机之间设有与自动控制装置连接的高压主汽阀，高压主汽阀用于当汽轮机内部压力超出预警值时，高压主汽阀根据自动控制装置的控制指令，截断汽轮机的进汽，同时，自动控制装置调节汽轮机转速；高压主汽阀在汽轮机正常工况下，自动控制装置控制高压主汽阀保持全开状态；当汽轮机发电机组正常运行时，自动控制装置通过调节高压主汽阀的开度，改变进汽流量，达到速度和负荷控制的目的。

本发明还提供集光放大太阳能光热发电方法如图7所示，方法包括：

S1：光放大器将太阳光作为主要能量泵浦源，然后经过谐振强化后将低功率红外光束放大1000倍到2000倍，对液体蒸发器内部的介质进行加热；

S2：液体蒸发器通过管道将蒸汽输送至蒸汽压缩机，蒸汽压缩机通过压缩作用，提高蒸汽温度和蒸汽压力，并进一步压缩蒸汽，提高蒸汽的温度和压力，并进一步压缩蒸汽，提高蒸汽的热焓值，直至使蒸汽超临界状态，再将蒸汽压入超临界蒸汽储能子系统；

S3：超临界蒸汽储能子系统将蒸汽压缩机输入的蒸汽进行储存并降压调节满足汽轮机的入口参数，之后通入主蒸汽储能子系统储存，再由主蒸汽储能子系统持续稳定的输入给汽轮机做功；

S4：汽轮机做功发电过程中产生的中间态蒸汽输出到次级蒸汽储能子系统中再次加压加热，然后返回到主蒸汽储能子系统，形成循环；

S5：冷凝器承接汽轮机释放出热势能的蒸汽，并冷却凝结成液体，通过泵送入低压加热器内。

系统采用三级蒸汽储能系统，将发生蒸汽通过压缩机提升到超临界状态，提升了蒸汽的储存效率，同时通过高压蒸汽储热系统将高温高压蒸汽稳定的输入到汽轮机，保证发电的稳定性，采用次级蒸汽储能子系统循环利用汽轮机高压部分产生的中间压力蒸汽，提高了蒸汽的热利用率。

系统及方法提出应用新的方式替代聚光集热方式，能够在进一步提高光能量密度的基础上提高光能量的利用率。减少热量传递二次损失，避免了热量的二次传导，有效的提高了热量的利用效率。提高气体发生效率，大大缩短了介质的汽化时间，使介质能够瞬间汽化并达到高温饱和蒸汽状态。

系统提高储能效率，通过采用超临界压缩空气技术，提升蒸汽储能的效率，从而进一步提升系统的热转换效率。通过采用三级储能系统的再热装置，使汽轮机高压部分的部分中间压力蒸汽进行再热升压并进行二次利用，从而提升其循环效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参考即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种集光放大太阳能光热发电系统，其特征在于，包括：光放大器，液体蒸发器，蒸汽压缩机，三级蒸汽储能系统，汽轮机，自动控制装置，冷凝器；

光放大器将太阳光作为主要能量泵浦源，然后经过谐振强化后将低功率红外光束放大1000倍到2000倍，对液体蒸发器内部的介质进行加热；液体蒸发器通过管道与蒸汽压缩机连接，蒸汽压缩机用于接收液体蒸发器通过管道输送的蒸汽，蒸汽压缩机通过压缩作用，提高蒸汽的温度和压力，并进一步压缩蒸汽，提高蒸汽的热焓值，直至使蒸汽超临界状态，再将蒸汽压入三级蒸汽储能系统；

三级蒸汽储能系统包括：超临界蒸汽储能子系统、主蒸汽储能子系统和次级蒸汽储能子系统；

超临界蒸汽储能子系统与蒸汽压缩机连通，超临界蒸汽储能子系统用于将蒸汽压缩机输入的蒸汽进行储存并降压调节满足汽轮机的入口参数，之后通入主蒸汽储能子系统储存，再由主蒸汽储能子系统持续稳定的输入给汽轮机做功；

汽轮机做功发电过程中产生的中间态蒸汽输出到次级蒸汽储能子系统中再次加压加热，然后返回到主蒸汽储能子系统，形成循环；

冷凝器与汽轮机下部的排汽口连通，冷凝器用于承接汽轮机释放出热势能的蒸汽，并冷却凝结成液体，通过泵送入低压加热器内；

自动控制装置用于控制集光放大太阳能光热发电系统全部控制过程。

2.根据权利要求1所述的集光放大太阳能光热发电系统，其特征在于，

所述液体蒸发器包括罐体，罐体顶部有蒸汽出口，罐体底部设有液体介质喷射口，罐体壁上设有多个透光孔，透光孔沿着罐体周向均匀布设，形成光转换装置环，放大后的红外光束穿过透光孔，形成均匀的高能量光分布场及热能量场，对罐体内部的液体介质进行加热。

3.根据权利要求1所述的集光放大太阳能光热发电系统，其特征在于，

所述蒸汽压缩机包括：壳体，壳体内部设有主轴，主轴上连接有叶轮，壳体上设有进气口和出气口，进气口和出气口分别连接气室，气室设有扩压器和蜗室。

4.根据权利要求1所述的集光放大太阳能光热发电系统，其特征在于，

汽轮机包括：汽轮机主轴，汽轮机主轴上设有汽轮机叶轮，汽轮机叶轮上设有动叶，汽轮机动叶的一侧设有蒸汽入口，与蒸汽入口连接的蒸气室，蒸气室的端部设有蒸汽出口，蒸气室内部设有喷气室，喷气室设有喷嘴，喷嘴的喷口部设有气缸。

5.根据权利要求1所述的集光放大太阳能光热发电系统，其特征在于，

自动控制装置采用PLC控制，自动控制装置设有急停模块，汽轮机转速控制模块，主蒸汽压力获取模块，三级蒸汽储能系统压力获取模块，三级蒸汽储能系统温度获取模块，蒸汽流动速度获取模块，冷凝器真空度获取模块，蒸汽压缩机真空度获取模块，汽轮机内部压力获取模块。

6.根据权利要求1所述的集光放大太阳能光热发电系统，其特征在于，

所述主蒸汽储能子系统与汽轮机之间设有与自动控制装置连接的高压主汽阀，高压主汽阀用于当汽轮机内部压力超出预警值时，高压主汽阀根据自动控制装置的控制指令，截断汽轮机的进汽，同时，自动控制装置调节汽轮机转速；高压主汽阀在汽轮机正常工况下，自动控制装置控制高压主汽阀保持全开状态；当汽轮机发电机组正常运行时，自动控制装置通过调节高压主汽阀的开度，改变进汽流量，达到速度和负荷控制的目的。

7.一种集光放大太阳能光热发电方法，其特征在于，方法包括：

光放大器将太阳光作为主要能量泵浦源，然后经过谐振强化后将低功率红外光束放大1000倍到2000倍，对液体蒸发器内部的介质进行加热；

液体蒸发器通过管道将蒸汽输送至蒸汽压缩机，蒸汽压缩机通过压缩作用，提高蒸汽温度和蒸汽压力，并进一步压缩蒸汽，提高蒸汽的温度和压力，并进一步压缩蒸汽，提高蒸汽的热焓值，直至使蒸汽超临界状态，再将蒸汽压入超临界蒸汽储能子系统；

超临界蒸汽储能子系统将蒸汽压缩机输入的蒸汽进行储存并降压调节满足汽轮机的入口参数，之后通入主蒸汽储能子系统储存，再由主蒸汽储能子系统持续稳定的输入给汽轮机做功；

汽轮机做功发电过程中产生的中间态蒸汽输出到次级蒸汽储能子系统中再次加压加热，然后返回到主蒸汽储能子系统，形成循环；

冷凝器承接汽轮机释放出热势能的蒸汽，并冷却凝结成液体，通过泵送入低压加热器内。