CN107218185A - 一种基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明一种基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，属于碟式太阳能发电系统技术领域，聚光集热单元分为蒸发段和过热段，蒸发段工质出口通过管路与汽包相连，汽包液体出口并入给水管路，汽包气体出口与过热段的气体进口端相连，过热段出口分为两路，一路与发电单元相连，另一路与蓄热单元相连；蓄热单元包括高温显热蓄热罐和相变蓄热罐，相变蓄热罐与给水单元通过管路相连通，给水单元一端通过管路连接至聚光集热单元的蒸发段，另一端与发电单元相连；相变蓄热罐与汽包相连，汽包通过管路与高温显热蓄热罐相连，高温显热蓄热罐通过管路连接至发电单元。该系统结构设计合理，能够有效解决目前碟式太阳能热发电系统无法配置蓄热系统及光热转换效率较低的问题。

Description

一种基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统
技术领域
本发明属于碟式太阳能发电系统技术领域，具体涉及一种基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统。
背景技术
随着化石能源的消耗所带来的环境影响，太阳能热发电因其储量丰富性、环境友好性已经成为能源供给侧的一个重要部分。目前聚光太阳能热发电技术(CSP)主要有塔式、槽式和碟式热发电三种，其中碟式太阳能热发电系统具有高聚光比、高的光学效率、低热损、很强的环境适应性等其他聚光式热发电无法比拟的优势，并且能耦合蓄热系统，既可以作为分布式能源，也可以集成大规模热发电站，非常适合在太阳能资源丰富的国家和地区开发与部署。碟式太阳能热发电系统的基本原理是利用旋转抛物面聚光镜将太阳能聚焦到置于焦点的腔式吸热器或热动力发电机组，加热工质，推动热动力发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。
在碟式太阳能热发电系统中，采用的热动力发电装置主要有两种形式：一类是太阳能斯特林循环热动力发电，即将热气发电机组配置在旋转抛物面聚光器的焦点处，直接接收聚焦后的太阳辐射能，加热汽缸内的工质，推动斯特林机组发电；另一类是太阳能蒸汽朗肯循环热动力发电，即将小型腔式吸热器配置在旋转抛物面聚光器的焦点处，直接或间接产生高温高压蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。目前对于碟式太阳能热发电的研究主要集中在太阳能斯特林循环热动力发电，但是斯特林循环不能耦合蓄热系统，这使得碟式太阳能斯特林循环热发电一直以来都受到很多限制，发电机组的功率也较小，都集中在几KW至几十KW之间，例如美国亚利桑那州1.5MW的碟式太阳能斯特林热发电示范电站、沙特50KW的蝶式太阳能斯特林热发电系统Eurodish等。国内对于蝶式太阳能热发电的研究起步较晚，也主要集中在太阳能斯特林循环热动力发电,如：中科院1KW碟式太阳能斯特林发动机发电系统、宁夏11KW级蝶式聚光太阳能热发电系统等。而碟式太阳能蒸汽朗肯循环热发电之前多以高温油作为传热工质，吸收聚光器聚焦的太阳能后通过油-水换热器加热水/蒸汽，继而推动汽轮机做功发电，完成一次循环；这类碟式太阳能热发电系统可以配置相应的蓄热系统，提高太阳能利用率。但是这种传统的碟式太阳能蒸汽朗肯循环热发电系统复杂，并且转换效率低下，所以一直被搁置。
总体上来说，研究大规模、高能量利用效率的蝶式太阳能热发电系统是目前蝶式太阳能光热发电的重点方向。槽式和塔式热发电系统的一个主要的优势就是具有储热能力，这对蝶式热发电系统更为重要，增加储热系统有助于减小太阳辐射对系统的直接影响。因此，研究并发展高效率的具有蓄热功能的碟式太阳能蒸汽朗肯循环热发电系统十分必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，该系统结构设计合理，能够有效解决目前碟式太阳能热发电系统无法配置蓄热系统及光热转换效率较低的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开的一种基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，包括给水单元、聚光集热单元、蓄热单元、发电单元以及汽包；
聚光集热单元分为蒸发段和过热段，蒸发段和过热段均设有若干个碟式聚光镜及腔式吸热器，腔式吸热器设置在碟式聚光镜的焦点处；蒸发段的工质出口通过管路与汽包相连，汽包的气体出口与过热段的气体进口端相连，过热段的出口分为两路，一路与发电单元相连，另一路与蓄热单元相连；
蓄热单元包括通过管路相连的高温显热蓄热罐和相变蓄热罐，相变蓄热罐与给水单元通过管路相连通，给水单元一端通过管路连接至聚光集热单元的蒸发段，另一端与发电单元相连；
相变蓄热罐与汽包相连，汽包通过管路与高温显热蓄热罐相连，高温显热蓄热罐通过管路连接至发电单元。
聚光集热单元蒸发段的工质出口与汽包相连的管路上设有第一阀门，汽包的液体出口通过管路连通至聚光集热单元蒸发段，且在该管路上设有第二阀门和第一循环泵，汽包的气体出口与聚光集热单元过热段相连的管路上设有第三阀门。
聚光集热单元过热段的蒸汽出口与蓄热单元相连的管路上设有第四阀门。
所述发电单元能够实现朗肯循环，包括汽轮机以及与其相连的冷凝器，冷凝器与给水单元相连；聚光集热单元过热段的蒸汽出口通过管路与汽轮机相连，在该管路上还设有过热蒸汽阀门。
给水单元包括通过管路依次相连的除氧器、一级给水泵、水/水换热器及二级给水泵，冷凝器与除氧器相连，二级给水泵与聚光集热单元相连，且在相连的管路上设有第五阀门和强制循环泵。
水/水换热器与第五阀门之间设有一条支路，支路上设有放热阀门及蓄热阀门，放热阀门和蓄热阀门之间还设有一条支路，该支路并联出两条管路，一条通向汽包，另一条通向相变蓄热罐，通向汽包的管路上依次设有第六阀门和第二循环泵。
相变蓄热罐与汽包相连的管路上设有第七阀门，相变蓄热罐与高温显热蓄热罐相连的管路上设有第八阀门，汽包与高温显热蓄热罐相连的管路上设有第九阀门。
所述碟式聚光镜为抛物面型聚光镜，面积大于100m2，聚光比大于1000，光学效率大于90％，跟踪精度高于1.7mrad。
腔式吸热器为圆柱型腔式吸热气，能够产出15MPa、550℃的过热蒸汽。
蓄热单元所用工质为熔融盐，高温显热蓄热罐用于为过热段蓄热，相变蓄热罐用于为蒸发段蓄热。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，包括给水单元、聚光集热单元、蓄热单元、发电单元；首先，系统基于直接蒸汽朗肯循环，能够耦合蓄热系统，提高太阳能利用率；从利用方式上根本性解决采用斯特林热机难以实现的有效蓄能问题；其次，聚光集热单元分为蒸发段和过热段，通过设置若干碟式聚光镜与腔式吸热器，使得蒸发段组能够实现15MPa额定压力条件下气液两相流流动状态，过热段则能够保证水蒸气达到用于发电的过热状态，腔式吸热器的出口连接发电单元的入口和蓄热单元的入口。聚光集热单元能够产生高温、高压的过热蒸汽，这些过热蒸汽一部分直接用于发电单元，一部分通过蓄热单元储存起来，在需要的时候再释放出去。最后，该系统的蓄热单元由两部分组成，显热蓄热罐的出口(入口)连接相变蓄热罐的入口(出口)，如果仅仅采用显热蓄热材料进行蓄热，会使工质与吸热材料之间的热力学温度-焓值曲线出现严重偏差，从而造成系统损增大，系统能量利用效率下降。从损最小热力学原理出发，本发明采用相变蓄热和显热蓄热相结合的分级蓄热方式，能够较好的降低系统损，提高系统效率。本发明的系统中的聚光、吸热、蓄热等模块之间可以集成规模化，既能满足分布式的需要，又能实现规模化的要求。适应于百MW级热发电装置。
进一步地，本发明采用大面积、高聚光比、高光学效率的碟式抛物面型聚光镜，能够有效提高传热工质(HTF)的品质。
附图说明
图1为本发明的装置示意图；
图2为采用分级蓄热时工质的温-焓特性。
其中：1.碟式聚光镜；2.腔式吸热器；3.第一阀门；4.汽包；5.第二阀门；6.第一循环泵；7.第三阀门；8.蒸汽阀门；9.第四阀门；10.高温显热蓄热罐；11.第七阀门；12.第八阀门；13.相变蓄热罐；14.第九阀门；15.第二循环泵；16.第六阀门；17.放热阀门；18.蓄热阀门；19.汽轮机；20.冷凝器；21.除氧器；22.一级给水泵；23.水/水换热器；24.二级给水泵；25.第五阀门；26.强制循环泵。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，本发明公开的基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，包括给水单元、聚光集热单元、蓄热单元、发电单元以及汽包4；
聚光集热单元分为蒸发段和过热段，蒸发段和过热段均设有若干个碟式聚光镜1及腔式吸热器2，腔式吸热器2设置在碟式聚光镜1的焦点处；蒸发段的工质出口通过管路与汽包4相连，汽包4的气体出口与过热段的气体进口端相连，过热段的蒸汽出口分为两路，一路与发电单元相连，另一路与蓄热单元相连；聚光集热单元蒸发段的工质出口与汽包4相连的管路上设有第一阀门3，汽包4的液体出口通过管路连通至聚光集热单元蒸发段，且在该管路上设有第二阀门5和第一循环泵6，汽包4的气体出口与聚光集热单元过热段相连的管路上设有第三阀门7。过热段的蒸汽出口与蓄热单元相连的管路上设有第四阀门9。
蓄热单元包括高温显热蓄热罐10和相变蓄热罐13，高温显热蓄热罐10的出口与相变蓄热罐13的入口相连，相变蓄热罐13的出口与给水单元的入水口相连，给水单元通过管路连接至聚光集热单元的蒸发段；
发电单元的工质出水口与给水单元相连，给水单元通过管路连接至相变蓄热罐13，相变蓄热罐13与汽包4相连，汽包4通过管路与高温显热蓄热罐10相连，高温显热蓄热罐10通过管路连接至发电单元。相变蓄热罐13与汽包4相连的管路上设有第七阀门11，相变蓄热罐13与高温显热蓄热罐10相连的管路上设有第八阀门12，汽包4与高温显热蓄热罐10相连的管路上设有第九阀门14。
发电单元能够实现朗肯循环，包括汽轮机19以及与其相连的冷凝器20，冷凝器20与给水单元相连；聚光集热单元过热段的蒸汽出口通过管路与汽轮机19相连，在该管路上还设有过热蒸汽阀门8。
给水单元包括通过管路依次相连的除氧器21、一级给水泵22、水/水换热器23及二级给水泵24，冷凝器20与除氧器21相连，二级给水泵24与聚光集热单元相连，且在相连的管路上设有第五阀门25和强制循环泵26。水/水换热器23与第五阀门25之间设有一条支路，支路上设有放热阀门17及蓄热阀门18，放热阀门17和蓄热阀门18之间还设有一条支路，该支路并联出两条管路，一条通向汽包4，另一条通向相变蓄热罐13，通向汽包4的管路上依次设有第六阀门16和第二循环泵15。
优选地，本发明的碟式聚光镜面积大于100m2，聚光比为1000，光学效率为90％，跟踪精度优于1.7mrad。所述腔式吸热器能产出15MPa、550℃过热蒸汽。所述分级蓄热系统采用熔融盐作为蓄热工质，相变蓄热用于蒸发段，显热蓄热用于过热段；蓄热系统容量3MWh，产生10MPa、400℃过热蒸汽。
本发明基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统的工作过程为：
1、聚光集热、发电过程
在日照充足的情况下，太阳光通过碟式聚光镜1聚焦到腔式吸热器2内部，将水工质逐步加热成饱和蒸汽、过热蒸汽。在聚光集热单元的蒸发段，水工质在腔式吸热器2内被加热后经过第一阀门3进入汽包4内进行气液分离，分离后的水工质经过第一循环泵6继续进入蒸发段的腔式吸热器2进行吸热，汽包4分离后的蒸汽经过第三阀门7进入过热段的腔式吸热器2，进一步被加热成过热蒸汽；过热蒸汽通过蒸汽阀门8后一部分进入发电单元推动汽轮机19发电，完成一次循环。
2、蓄热过程：
首先要关闭放热过程的相关阀门，分别是第七阀门11、第九阀门14、第六阀门16、放热阀门17；从蒸汽阀门8出来的过热蒸汽分成两部分，一部分进入发电单元推动汽轮机19发电，另一部分经过第四阀门9进入高温显热蓄热罐10进行放热，变为湿蒸汽，之后经过第八阀门12进入相变蓄热罐13放热，然后经过蓄热阀门18与一级给水泵22过来的给水进行混合，余热用于加热给水，再经由水/水换热器23、二级给水泵24，第五阀门25、强制循环泵26后进入聚光集热单元，完成一次循环。
3、放热过程
首先要关闭蓄热过程的相关阀门，分别为蒸汽阀门8、第二阀门5、第八阀门12、蓄热阀门18、第五阀门25；在需要蓄热系统储存的能量时，从冷凝器20出来的工质水经过除氧器21、一级给水泵22、水/水换热器23、二级给水泵24、放热阀门17进入相变蓄热罐13吸热，相变蓄热罐13出口的湿蒸汽经过第七阀门11进入汽包4进行气液分离，分离后的水工质经过第二循环泵15和第六阀门16后继续在相变蓄热罐13中吸热，分离后的蒸汽经过第九阀门14进入显热蓄热罐10吸热变成过热蒸汽，经过第四阀门9进入发电单元推动汽轮机19发电，完成一次循环。
图2为本发明系统采用分级蓄热时工质的温-焓特性结果。由图中可以看出，当采用分级蓄热时，在过热蒸汽部分采用显热蓄热，在湿蒸汽部分采用相变蓄热，可以降低两种工质之间的传热温差，有效的减少系统的损。
综上所述，本发明的基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，由面积不小于100m2的碟式高温聚光镜、与之相匹配的高温水/水蒸气腔式吸热器，相变蓄热(PCM)与显热蓄热结合的分级蓄热装置及发电子模块组成。系统基于直接蒸汽朗肯循环，碟式高温聚光镜与腔式吸热器(组)分为蒸发段与过热段，蒸发段组实现15MPa额定压力条件下气液两相流流动状态，过热段保证水蒸气达到用于发电的过热状态；采用相变蓄热和显热蓄热相结合的分级蓄热装置，降低系统损；发电子模块部分采用汽轮机机组发电装置。各子系统可进行模块化集成，适应于百MW级热发电装置。

Claims (10)

1.一种基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，其特征在于，包括给水单元、聚光集热单元、蓄热单元、发电单元以及汽包(4)；
聚光集热单元分为蒸发段和过热段，蒸发段和过热段均设有若干个碟式聚光镜(1)及腔式吸热器(2)，腔式吸热器(2)设置在碟式聚光镜(1)的焦点处；蒸发段的工质出口通过管路与汽包(4)相连，汽包(4)的气体出口与过热段的气体进口端相连，过热段的出口分为两路，一路与发电单元相连，另一路与蓄热单元相连；
蓄热单元包括通过管路相连的高温显热蓄热罐(10)和相变蓄热罐(13)，相变蓄热罐(13)与给水单元通过管路相连通，给水单元一端通过管路连接至聚光集热单元的蒸发段，另一端与发电单元相连；
相变蓄热罐(13)与汽包(4)相连，汽包(4)通过管路与高温显热蓄热罐(10)相连，高温显热蓄热罐(10)通过管路连接至发电单元。
2.根据权利要求1所述的基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，其特征在于，聚光集热单元蒸发段的工质出口与汽包(4)相连的管路上设有第一阀门(3)，汽包(4)的液体出口通过管路连通至聚光集热单元蒸发段，且在该管路上设有第二阀门(5)和第一循环泵(6)，汽包(4)的气体出口与聚光集热单元过热段相连的管路上设有第三阀门(7)。
3.根据权利要求1所述的基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，其特征在于，聚光集热单元过热段的蒸汽出口与蓄热单元相连的管路上设有第四阀门(9)。
4.根据权利要求1所述的基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，其特征在于，所述发电单元能够实现朗肯循环，包括汽轮机(19)以及与其相连的冷凝器(20)，冷凝器(20)与给水单元相连；聚光集热单元过热段的蒸汽出口通过管路与汽轮机(19)相连，在该管路上还设有过热蒸汽阀门(8)。
5.根据权利要求4所述的基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，其特征在于，给水单元包括通过管路依次相连的除氧器(21)、一级给水泵(22)、水/水换热器(23)及二级给水泵(24)，冷凝器(20)与除氧器(21)相连，二级给水泵(24)与聚光集热单元相连，且在相连的管路上设有第五阀门(25)和强制循环泵(26)。
6.根据权利要求5所述的基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，其特征在于，水/水换热器(23)与第五阀门(25)之间设有一条支路，支路上设有放热阀门(17)及蓄热阀门(18)，放热阀门(17)和蓄热阀门(18)之间还设有一条支路，该支路并联出两条管路，一条通向汽包(4)，另一条通向相变蓄热罐(13)，通向汽包(4)的管路上依次设有第六阀门(16)和第二循环泵(15)。
7.根据权利要求1所述的基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，其特征在于，相变蓄热罐(13)与汽包(4)相连的管路上设有第七阀门(11)，相变蓄热罐(13)与高温显热蓄热罐(10)相连的管路上设有第八阀门(12)，汽包(4)与高温显热蓄热罐(10)相连的管路上设有第九阀门(14)。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，其特征在于，所述碟式聚光镜(1)为抛物面型聚光镜，面积大于100m2，聚光比大于1000，光学效率大于90％，跟踪精度高于1.7mrad。
9.根据权利要求1～7中任意一项所述的基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，其特征在于，腔式吸热器(2)为圆柱型腔式吸热器，能够产出15MPa、550℃的过热蒸汽。
10.根据权利要求1～7中任意一项所述的基于分级蓄热的碟式太阳能直接蒸汽热发电系统，其特征在于，蓄热单元所用工质为熔融盐，高温显热蓄热罐(10)用于为过热段蓄热，相变蓄热罐(13)用于为蒸发段蓄热。
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