CN106968903B - 混合式太阳能热发电系统及其方法 - Google Patents

混合式太阳能热发电系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合式太阳能热发电系统，包括太阳能集热循环、直接蒸发发电循环和间接蒸发发电循环。太阳能集热循环包括由连接管路与太阳能集热器的工质高温出口依次相连的高温集热箱、第一蓄热工质泵、换热器、低温集热箱和第二蓄热工质泵，第二蓄热工质泵连接至太阳能集热器低温工质进口；直接蒸发发电循环包括与冷凝器出口依次相连的循环工质泵、太阳能直接蒸发器、膨胀机和发电机，膨胀机两端设截止阀作为并联旁路，两端与换热器高温级出口和低温级进口相连，系统的连接管路设有相关阀门。本发明系统与常见太阳能光热发电系统相比，效率高，成本低；与常见光伏发电系统相比，产电质量高，可与其他用能方式结合，经济效益好。

Description

混合式太阳能热发电系统及其方法
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，尤其涉及一种混合式太阳能热发电系统。
背景技术
由于太阳能本身周期性的特点，各种太阳能发电技术均面临发电不稳定的问题。光伏发电技术直接将光转化为电能，这一缺陷更加明显，目前广泛采用的解决方案为加蓄电池储能，但蓄电池储能成本高，这也就增加了太阳能光伏电站的整体成本。与光伏发电相比，光热发电技术添加储热模块，更容易实现长时间稳定发电，而且储热成本明显低于储电成本。
在太阳能光热发电技术中，无论是聚焦式、塔式、平板式，广泛采用双回路发电系统，即通过高温熔盐、水蒸气等获取太阳投射的热量，作为蒸汽发电循环中锅炉部分，取热介质与动力循环介质分离。也有不少研究人员研究直接蒸气发电(DSG)，这种发电方式与双回路发电方式相比，取热介质就是动力循环介质，减少了一次换热，同等情况下太阳能转化为电能效率必然提高，同时可以减少换热器投资和运行费用。然而直接蒸气发电(DSG)也要面临与光伏发电同样的问题，即发电量直接与太阳光照强度相关联。
因此，更低成本、更高效率且更稳定的太阳能热发电技术是目前研究的热点。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种低成本稳定高效的混合式太阳能热发电系统，该系统与常见太阳能光热发电系统相比，效率更高，成本更低；与常见光伏发电系统相比，产电质量更高，与其他用能方式结合，经济效益更好。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种混合式太阳能热发电系统，包括太阳能集热循环子系统、直接蒸发发电循环子系统和间接蒸发发电循环子系统。所述太阳能集热循环子系统包括由连接管路与太阳能集热器的工质高温出口依次相连的高温集热箱、第一蓄热工质泵、换热器、低温集热箱和第二蓄热工质泵，所述第二蓄热工质泵连接至所述太阳能集热器低温工质进口；自所述第一蓄热工质泵至所述换热器之间的连接管段上依次设有第一单向阀和第一截止阀，所述低温集热箱与所述第二蓄热工质泵之间的连接管段上设有第二截止阀，所述第二蓄热工质泵与所述太阳能集热器之间的连接管段上设有第二单向阀；所述高温集热箱的下游、且位于所述第一单向阀和第一截止阀之间的连接管段连接出第一支路，所述第一支路上设有第四截止阀；自所述低温集热箱上连接出第二支路，所述第二支路上设有第三截止阀，所述直接蒸发发电循环子系统包括与冷凝器的出口依次相连的循环工质泵、太阳能直接蒸发器、膨胀机和发电机，自所述循环工质泵至所述太阳能直接蒸发器之间的连接管段上依次依次设有第三单向阀和第五截止阀；所述太阳能直接蒸发器与所述膨胀机之间的连接管段上设有第一三通，所述第三单向阀与所述第五截止阀之间的连接管段上设有第二三通，所述换热器的高温级出口连接至所述第一三通，所述换热器的低温级进口通过第六截止阀连接至所述第二三通；所述冷凝器、循环工质泵、太阳能直接蒸发器、膨胀机、发电机、第三单向阀和第六截止阀构成了所述间接蒸发发电循环子系统；所述膨胀机的两端连接有并联旁路，所述并联旁路上连接有第七截止阀。
本发明一种混合式太阳能热发电方法，利用上述混合式太阳能热发电系统，所述太阳能集热循环子系统实现太阳能集热，以满足直接蒸发发电循环和间接发电循环的要求，所述直接蒸发发电循环子系统实现直接蒸发发电循环，所述间接蒸发发电循环子系统实现间接蒸发发电循环；太阳能集热包括集热阶段和放热阶段，其中，集热阶段的过程是：第一截止阀、第三截止阀、第四截止阀和第一蓄热工质泵关闭，所述第二截止阀打开，第二蓄热工质泵启动；所述低温集热箱中的工质经第二蓄热工质泵加压、通过第二单向阀进入太阳能集热器吸热变为高温工质，最终汇集到高温集热箱，待放热阶段使用；放热阶段的过程是：第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀和第二蓄热工质泵关闭，第一截止阀打开，第一蓄热工质泵启动；高温集热箱中的高温工质经由第二蓄热工质泵加压、通过第一单向阀进入换热器与发电循环工质进行换热，放热降温后成为低温工质，并进入低温集热箱，待下次集热阶段使用；
直接蒸发发电循环过程是：关闭第六截止阀和第七截止阀，打开第五截止阀，循环工质泵运行，与此同时，太阳能集热子系统是处于集热阶段；所述冷凝器中的低温液态工质由循环工质泵加压后依次经第三单向阀、第五截止阀进入太阳能直接蒸发器吸收太阳能辐射热蒸发为高温高压的干饱和蒸气，并进入膨胀机，所述膨胀机输出的轴功带动所述发电机发电，与此同时，产生的低温低压气态工质则回到所述冷凝器冷凝为低温低压液态工质，至此完成一个直接蒸发发电循环；
间接蒸发发电循环过程是：关闭第五截止阀和第七截止阀，打开第六截止阀，循环工质泵运行，与此同时，太阳能集热子系统是处于放热阶段；所述冷凝器中的低温液态工质由循环工质泵加压后依次经第三单向阀、第六截止阀进入换热器，发电循环工质与高温集热工质进行换热后变为高温高压的干饱和蒸气，进入膨胀机，膨胀机输出的轴功带动发电机发电，产生的低温低压气态工质则回到冷凝器冷凝为低温低压液态工质，此时完成一个间接蒸发发电循环。
进一步讲，在太阳能集热子系统中将集热阶段中汇集到的高温集热箱的高温工质提供给系统外时，关闭第一截止阀、第二截止阀和第三截止阀，第二蓄热工质泵关闭，打开第四截止阀，启动第一蓄热工质泵，从而将所述高温集热箱中的高温工质经第一蓄热工质泵加压后经过第一单向阀排至系统外。当需要向所述低温集热箱中补充集热工质时，仅打开第三截止阀由系统外向所述低温集热箱中补充集热工质。
在直接蒸发发电循环或是间接蒸发发电循环过程中，如果需要太阳能直接蒸发器紧急泄压时，打开第七截止阀，使工质从太阳能直接蒸发器直接进入冷凝器冷凝。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出的混合式太阳能热发电系统，综合了太阳能直接蒸发发电循环和太阳能间接蒸发发电循环两种方式，两者共用部分设备，在日照变动的情况下可实现稳定发电，同时保证效率。其主要有益效果如下：
(1)与目前常见单纯间接换热太阳能热发电循环相比，在日照充足时，通过直接蒸发发电，减少一次换热，降低了不可逆热损失，结构简单、性能良好，提高了能源转化效率；同时，相对间接蒸发式系统，太阳能集热温度降低，而系统蒸发温度升高，这就使得集热器效率升高、投入面积减少，系统成本降低。
(2)单纯直接蒸发太阳能热发电循环相比和光伏发电，为了保障电能稳定，需要设储电设备，而储电成本明显高于储热成本，因此该系统经济性更优。
(3)系统设计时，共用共用循环工质泵、冷凝器、膨胀机部分，精简了系统，大幅降低了成本。当然，如此设计要求储热循环工质和发电循环工质匹配，这也是该系统的关键部分。
(4)系统中的储热循环预留有向外供热的支路，在有供热需求时可以直接提供热量，进一步提高经济效益。
附图说明
图1是本发明混合式太阳能热发电系统示意图；
图2是实施例中日内太阳辐射强度变化曲线。
图中：
1-太阳能集热器 2-高温集热箱 3-第一蓄热工质泵 4-换热器
5-低温集热箱 6-第二蓄热工质泵 7-冷凝器 8-循环工质泵
9-太阳能直接蒸发器 10-膨胀机 11-发电机 V1～V7均为截止阀
C1～C3均为单向阀
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明的设计思路是：综合了直接蒸发发电循环与双回路发电循环两种循环系统。其中，直接蒸发发电循环在直接蒸发器部分，循环工质直接吸收太阳投射辐射，蒸发变为高压气体，进入膨胀机膨胀做功变为低压气体，进入冷凝器冷凝变为低压液体，再经循环泵回到直接蒸发器完成循环。双回路发电循环则将直接蒸发器替换气液换热器，高温热源由太阳能集热循环汇集而来。两个循环共用循环工质泵、冷凝器、膨胀机部分，通过连接管路上设置的截止阀切换循环环路可以实现长时稳定运行。
如图1所示，本发明提出的一种混合式太阳能热发电系统，包括太阳能集热循环子系统、直接蒸发发电循环子系统和间接蒸发发电循环子系统。
所述太阳能集热循环子系统包括由连接管路与太阳能集热器1的工质高温出口依次相连的高温集热箱2、第一蓄热工质泵3、换热器4、低温集热箱5和第二蓄热工质泵6，所述第二蓄热工质泵6连接至所述太阳能集热器1低温工质进口；自所述第一蓄热工质泵3至所述换热器4之间的连接管段上依次设有第一单向阀C1和第一截止阀V1，所述低温集热箱5与所述第二蓄热工质泵6之间的连接管段上设有第二截止阀V2，所述第二蓄热工质泵6与所述太阳能集热器1之间的连接管段上设有第二单向阀C2。
所述高温集热箱2的下游、且位于所述第一单向阀C1和第一截止阀V1之间的连接管段连接出第一支路，所述第一支路上设有第四截止阀V4；自所述低温集热箱5上连接出第二支路，所述第二支路上设有第三截止阀V3。
所述直接蒸发发电循环子系统包括与冷凝器7的出口依次相连的循环工质泵8、太阳能直接蒸发器9、膨胀机10和发电机11，自所述循环工质泵8至所述太阳能直接蒸发器9之间的连接管段上依次依次设有第三单向阀C3和第五截止阀V5。
所述太阳能直接蒸发器9与所述膨胀机10之间的连接管段上设有第一三通A，所述换热器4的高温级出口连接至所述第一三通A，所述第三单向阀C3与所述第五截止阀V5之间的连接管段上设有第二三通B，所述换热器4的低温级进口通过第六截止阀V6连接至所述第二三通B。
所述冷凝器7、循环工质泵8、太阳能直接蒸发器9、膨胀机10、发电机11、第三单向阀C3和第六截止阀V6构成了所述间接蒸发发电循环子系统。
所述膨胀机10的两端连接有并联旁路，所述并联旁路上连接有第七截止阀V7。
本发明混合式太阳能热发电系统实现的方法，利用太阳能集热循环子系统实现太阳能集热，以满足直接蒸发发电循环和间接发电循环的要求，利用直接蒸发发电循环子系统实现直接蒸发发电循环，利用间接蒸发发电循环子系统实现间接蒸发发电循环。具体过程如下
太阳能集热包括集热阶段和放热阶段。
集热阶段的过程是：第一截止阀V1、第三截止阀V3、第四截止阀V4和第一蓄热工质泵3关闭，所述第二截止阀V2打开，第二蓄热工质泵6启动；所述低温集热箱5中的工质经第二蓄热工质泵6加压、通过第二单向阀C2进入太阳能集热器1吸热变为高温工质，最终汇集到高温集热箱2，待放热阶段使用。
在太阳能集热循环子系统中设有第一支路，该第一支路上设有第四截止阀V4，在太阳能集热和放热过程中将集热阶段中汇集到的高温集热箱2的高温工质提供给系统外时，关闭第一截止阀V1、第二截止阀V2和第三截止阀V3，第二蓄热工质泵6关闭，打开第四截止阀V4，启动第一蓄热工质泵3，从而将所述高温集热箱2中的高温工质经第一蓄热工质泵3加压后经过第一单向阀C1排至系统外。在向系统外提供热能的同时，系统内的集热工质随之减少，同样，在太阳能集热循环子系统中设有第二支路，该第二支路上设有第三截止阀V3，当需要向所述低温集热箱5中补充集热工质时，仅打开第三截止阀V3由系统外向所述低温集热箱5中补充集热工质。
放热阶段的过程是：第二截止阀V2、第三截止阀V3、第四截止阀V4和第二蓄热工质泵6关闭，第一截止阀V1打开，第一蓄热工质泵3启动；高温集热箱2中的高温工质经由第二蓄热工质泵6加压、通过第一单向阀C1进入换热器4与工质进行换热，放热降温后成为低温工质，并进入低温集热箱5，待下次集热阶段使用。
直接蒸发发电循环过程是：关闭第六截止阀V6和第七截止阀V7，打开第五截止阀V5，循环工质泵8运行，与此同时，太阳能集热循环子系统的模式是处于集热阶段；所述冷凝器7中的低温液态工质由循环工质泵8加压后依次经第三单向阀C3、第五截止阀V5进入太阳能直接蒸发器9吸收太阳能辐射热蒸发为高温高压的干饱和蒸气，并进入膨胀机10，所述膨胀机10输出的轴功带动所述发电机11发电，与此同时，产生的低温低压气态工质则回到所述冷凝器7冷凝为低温低压液态工质，至此完成一个直接蒸发发电循环。
间接蒸发发电循环过程是：关闭第五截止阀V5和第七截止阀V7，打开第六截止阀V6，循环工质泵8运行，与此同时，太阳能集热循环子系统的模式是处于放热阶段；所述冷凝器7中的低温液态工质由循环工质泵8加压后依次经第三单向阀C3、第六截止阀V6进入换热器4，工质与高温集热工质进行换热后变为高温高压的干饱和蒸气，进入膨胀机10，膨胀机10输出的轴功带动发电机11发电，产生的低温低压气态工质则回到冷凝器7冷凝为低温低压液态工质，此时完成一个间接蒸发发电循环。
在上述直接蒸发发电循环或是间接蒸发发电循环过程中，为了保护整个系统的稳定(即保护膨胀机10)，如果有特殊情况需要太阳能直接蒸发器9紧急泄压时，可以打开与膨胀机10并联旁路上的第七截止阀V7，使工质从太阳能直接蒸发器9直接从并联旁路进入冷凝器7冷凝。
实施例：
地面接收到太阳能投射辐射不稳定，但有一定规律。以一日内最理想状况(即日照良好，无云层雾霾等遮挡)来说明本发明混合式太阳能热发电系统的运行状况。
如图2所示，该日太阳日出在6时，日落在18时。8时，达到直接蒸发发电循环可以运行的条件，第一、第三和第四截止阀V1、V3、V4关闭，第一蓄热工质泵3不工作，同时第二截止阀V2打开，第二蓄热工质泵6启动；关闭第六、第七截止阀V6、V7，同时打开第五截止阀V5，循环工质泵8运行，集热循环进入集热阶段，直接蒸发发电循环运转。
到16时，太阳辐射强度不能满足直接蒸发发电循环的需求，第二、第三和第四截止阀V2、V3、V4关闭，第二蓄热工质泵6不工作，同时第一截止阀V1打开，第一蓄热工质泵3启动；关闭第五和第七截止阀V5、V7，同时打开第六截止阀V6，循环工质泵8运行，集热循环进入放热阶段，间接蒸发发电循环运转，直到第二日启动直接蒸发发电循环。
如上所述，以上运转情况为理想情况，实际运行中应根据实际日照条件和需要保障的运行时长来设定两种发电循环的容量。此外，如果周边有供热需求，可以利用本发明系统将热量直接利用(即将热能提供给系统外利用)是更有经济价值的方式。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种混合式太阳能热发电方法，其特征在于，采用的混合式太阳能热发电系统包括太阳能集热循环子系统、直接蒸发发电循环子系统和间接蒸发发电循环子系统；
所述太阳能集热循环子系统包括由连接管路与太阳能集热器(1)的工质高温出口依次相连的高温集热箱(2)、第一蓄热工质泵(3)、换热器(4)、低温集热箱(5)和第二蓄热工质泵(6)，所述第二蓄热工质泵(6)连接至所述太阳能集热器(1)低温工质进口；自所述第一蓄热工质泵(3)至所述换热器(4)之间的连接管段上依次设有第一单向阀(C1)和第一截止阀(V1)，所述低温集热箱(5)与所述第二蓄热工质泵(6)之间的连接管段上设有第二截止阀(V2)，所述第二蓄热工质泵(6)与所述太阳能集热器(1)之间的连接管段上设有第二单向阀(C2)；所述高温集热箱(2)的下游、且位于所述第一单向阀(C1)和第一截止阀(V1)之间的连接管段连接出第一支路，所述第一支路上设有第四截止阀(V4)；自所述低温集热箱(5)上连接出第二支路，所述第二支路上设有第三截止阀(V3)；
所述直接蒸发发电循环子系统包括与冷凝器(7)的出口依次相连的循环工质泵(8)、太阳能直接蒸发器(9)、膨胀机(10)和发电机(11)，自所述循环工质泵(8)至所述太阳能直接蒸发器(9)之间的连接管段上依次设有第三单向阀(C3)和第五截止阀(V5)；所述太阳能直接蒸发器(9)与所述膨胀机(10)之间的连接管段上设有第一三通(A)，所述第三单向阀(C3)与所述第五截止阀(V5)之间的连接管段上设有第二三通(B)，所述换热器(4)的高温级出口连接至所述第一三通(A)，所述换热器(4)的低温级进口通过第六截止阀(V6)连接至所述第二三通(B)；
所述冷凝器(7)、循环工质泵(8)、太阳能直接蒸发器(9)、膨胀机(10)、发电机(11)、第三单向阀(C3)和第六截止阀(V6)构成了所述间接蒸发发电循环子系统；所述膨胀机(10)的两端连接有并联旁路，所述并联旁路上连接有第七截止阀(V7)；
所述太阳能集热循环子系统实现太阳能集热，以满足直接蒸发发电循环和间接发电循环的要求，所述直接蒸发发电循环子系统实现直接蒸发发电循环，所述间接蒸发发电循环子系统实现间接蒸发发电循环；
太阳能集热包括集热阶段和放热阶段，其中，集热阶段的过程是：第一截止阀(V1)、第三截止阀(V3)、第四截止阀(V4)和第一蓄热工质泵(3)关闭，所述第二截止阀(V2)打开，第二蓄热工质泵(6)启动；所述低温集热箱(5)中的工质经第二蓄热工质泵(6)加压、通过第二单向阀(C2)进入太阳能集热器(1)吸热变为高温工质，最终汇集到高温集热箱(2)，待放热阶段使用；放热阶段的过程是：第二截止阀(V2)、第三截止阀(V3)、第四截止阀(V4)和第二蓄热工质泵(6)关闭，第一截止阀(V1)打开，第一蓄热工质泵(3)启动；高温集热箱(2)中的高温工质经由第二蓄热工质泵(6)加压、通过第一单向阀(C1)进入换热器(4)与循环工质进行换热，放热降温后成为低温工质，并进入低温集热箱(5)，待下次集热阶段使用；
直接蒸发发电循环过程是：关闭第六截止阀(V6)和第七截止阀(V7)，打开第五截止阀(V5)，循环工质泵(8)运行，与此同时，太阳能集热循环子系统是处于集热阶段；所述冷凝器(7)中的低温液态工质由循环工质泵(8)加压后依次经第三单向阀(C3)、第五截止阀(V5)进入太阳能直接蒸发器(9)吸收太阳能辐射热蒸发为高温高压的干饱和蒸气，并进入膨胀机(10)，所述膨胀机(10)输出的轴功带动所述发电机(11)发电，与此同时，产生的低温低压气态工质则回到所述冷凝器(7)冷凝为低温低压液态工质，至此完成一个直接蒸发发电循环；
间接蒸发发电循环过程是：关闭第五截止阀(V5)和第七截止阀(V7)，打开第六截止阀(V6)，循环工质泵(8)运行，与此同时，太阳能集热循环子系统是处于放热阶段；所述冷凝器(7)中的低温液态工质由循环工质泵(8)加压后依次经第三单向阀(C3)、第六截止阀(V6)进入换热器(4)，循环工质与高温集热工质进行换热后变为高温高压的干饱和蒸气，进入膨胀机(10)，膨胀机(10)输出的轴功带动发电机(11)发电，产生的低温低压气态工质则回到冷凝器(7)冷凝为低温低压液态工质，此时完成一个间接蒸发发电循环。
2.根据权利要求1所述混合式太阳能热发电方法，其特征在于，在太阳能集热子系统中将集热阶段中汇集到的高温集热箱(2)的高温工质提供给系统外时，关闭第一截止阀(V1)、第二截止阀(V2)和第三截止阀(V3)，第二蓄热工质泵(6)关闭，打开第四截止阀(V4)，启动第一蓄热工质泵(3)，从而将所述高温集热箱(2)中的高温工质经第一蓄热工质泵(3)加压后经过第一单向阀(C1)排至系统外。
3.根据权利要求2所述混合式太阳能热发电方法，其特征在于，当需要向所述低温集热箱(5)中补充集热工质时，仅打开第三截止阀(V3)由系统外向所述低温集热箱(5)中补充集热工质。
4.根据权利要求1所述混合式太阳能热发电方法，其特征在于，在直接蒸发发电循环或是间接蒸发发电循环过程中，如果需要太阳能直接蒸发器(9)紧急泄压时，打开第七截止阀(V7)，使工质从太阳能直接蒸发器(9)直接进入冷凝器(7)冷凝。
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