CN108061395B - 光热发电系统及光热电站 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种光热电站及光热发电系统，系统中：镜场包括依次连接的蒸发段和过热段，过热段与储热装置之间设有蒸汽管路；储热装置包括低温储热区和高温储热区；集热循环水箱的出口设有集热循环水泵，蒸发段连接有给水管路，给水管路通过第一支管和第二支管分别连通低温储热区和集热循环水泵的出口；集热循环水泵的出口通过第三支管连通低温储热区，蒸汽管路通过第四支管和第五支管分别连通高温储热区连通和低温储热区；汽水分离器设在过热段与蒸发段之间，汽水分离器的出水口与集热循环水箱连接有返回水管路；过热段的出口与集热循环水箱连接有疏水管路，低温储热区与集热循环水箱连通。该方案能解决光热发电系统镜场启动存在耗能较大的问题。

Description

光热发电系统及光热电站

技术领域

本申请涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种光热发电系统及光热电站。

背景技术

目前，利用太阳光产生的热能进行发电是发展较为迅速的技术。光热电站是实现光热发电的场所。在具体的发电过程中，太阳光照射镜场，镜场反射太阳光并将太阳光聚集到镜场中的集热器上,集热器吸收太阳光产生的热量并使其内部的传热介质吸热，吸热的传热介质通过传输管路输送至储热装置或汽轮发电机组侧,传热介质中的热量用于存储或直接驱动汽轮机运转。

利用镜场中集热器吸收的热量直接加热汽轮发电机组中的水工质,由于太阳光在夜间或受云彩等遮挡时,集热器获得的太阳能并不稳定,导致汽轮机发电机组的运行亦不稳定。为了使汽轮机发电机组的热源能够稳定，目前的光热发电系统通常设置有储热装置。储热装置将镜场吸收的热量进行存储并为汽轮发电机组提供持续的热源。

目前的光热发电系统中，储热装置的储热介质多为熔盐，镜场集热管中的传热介质多为熔盐或导热油。以导热油为传热介质的系统中，由于导热油在高温情况下化学性质不稳地，温度超过400℃容易碳化，不能给储热装置提供较高品位的能量，影响储热装置的效率。以熔盐为传热介质的系统，在夜间，镜场停运，由于熔盐的熔点较高，熔盐的熔点为220℃(二元盐)，在镜场中正常运行温度为290℃，镜场中传热介质的传输管路在经过一夜的散热后，其温度降低，导致熔盐或导热油凝固，进而导致镜场在再次启动时无法快速启动。

为了避免熔盐凝固，通常光热发电系统中会采用加热设备对镜场中的传输管路进行加热，以防止传输管路内的传热介质凝固。由于熔盐的熔点较高，因此当镜场停运时，则需要大量的热量来维持熔盐在熔点以上。

同时，以熔盐为储热介质的储热装置，当遇到连续阴雨天，由于熔盐工作运行温度高，为保证熔盐储热装置在工作运行温度以上，储热装置此时必须依靠外来电能对其加热，其消耗的外来电能也十分巨大。

由以上分析可知，采用导热油或熔盐作为传热介质和储热介质的光热电站具有耗能大、造价高等问题。

发明内容

本申请提供一种光热发电系统，以解决目前光热发电系统采用导热油或熔盐作为传热介质和储热介质存在的耗能大、造价高的问题。

为了解决上述问题，本申请实施例采用下述技术方案：

光热发电系统，包括镜场、储热装置、集热循环水箱和汽水分离器；其中，

所述镜场包括依次连接的蒸发段和过热段，所述过热段与所述储热装置之间设置有蒸汽管路；所述储热装置包括依次连接的高温储热区和低温储热区，所述低温储热区与所述集热循环水箱连通；所述集热循环水箱的出口设置有集热循环水泵，所述蒸发段连接有给水管路，所述给水管路通过第一支管与所述低温储热区连通，所述给水管路通过第二支管与所述集热循环水泵的出口连通；所述集热循环水泵的出口通过第三支管与所述低温储热区连通，所述蒸汽管路远离所述过热段的一端包括第四支管和第五支管，所述第四支管与所述高温储热区连通，所述第五支管与所述低温储热区连通；

所述汽水分离器布置在所述过热段与所述蒸发段之间，所述汽水分离器的出水口与所述集热循环水箱之间连接有返回水管路；所述过热段的出口与所述集热循环水箱之间设置有疏水管路。

优选的，上述光热发电系统中，还包括第一换热器，所述第一换热器用于实现所述给水管路内的给水与所述返回水管路内的返回水之间的换热。

优选的，上述光热发电系统中，还包括喷水降温装置，所述喷水降温装置用于对所述蒸发段与所述过热段之间的蒸汽实施喷水降温。

优选的，上述光热发电系统中，所述喷水降温装置包括喷水部和检测控制部，所述检测控制部设置在所述过热段的出口，所述喷水部设置在所述汽水分离器与所述过热段之间的管路上，所述检测控制部根据所述过热段排出的蒸汽的参数控制所述喷水部的喷水操作。

优选的，上述光热发电系统中，还包括第六支管，所述第六支管的一端连接在所述给水管路上，另一端与所述喷水降温装置连接。

优选的，上述光热发电系统中，还包括第一换热器，所述第一换热器用于实现所述给水管路内的给水与所述返回水管路内的返回水之间的换热；所述第六支管的一端连接在所述第一换热器的入口，另一端连接所述喷水降温装置。

优选的，上述光热发电系统中，还包括第二换热器，所述第二换热器用于实现所述给水管路中的给水与汽轮机的乏汽管道中的乏汽之间的换热。

优选的，上述光热发电系统中，所述储热装置包括多个固体储热模块，所述固体储热模块包括固体储热基体及换热管道，所述换热管道设置在所述固体储热基体中，多个所述固体储热模块构成储热区域，所述储热区域包括所述高温储热区和所述低温储热区。

优选的，上述光热发电系统中，所述固体储热基体为混凝土基体，所述换热管道为预埋在所述固体储热基体中的钢管，所述换热管道的外侧设置有换热翅片。

光热电站，包括如上任一项所述的光热发电系统。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本申请实施例公开的光热发电系统采用水作为储热介质，水的熔点较低，化学性质较为稳定，在高压工况下能够达到较高温度，比热容较大，而却无毒，几乎没有成本。相比于导热油或熔盐作为传热介质和储热介质而言，本申请实施例公开的光热发电系统能够降低成本，不存在环境污染问题。基于水作为储热介质，无需专门加热到导热油或熔盐的熔点，同时能利用光热发电系统的存储装置中存储的热能及太阳光强度逐渐增大的特点，逐步经过给水管路暖管模式、蒸汽管路暖管模式和低温储热模式后实现镜场的启动，即镜场能够产出满足发电要求的蒸汽。可见，本申请实施例公开的光热发电系统能够降低镜场启动的能耗。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例公开的光热发电系统的结构示意图；

图2为从图1中提取的与给水管路暖管过程相关的局部结构示意图；

图3为从图1中提取的与蒸汽管路暖管相关的局部结构示意图；

图4为从图1中提取的与镜场低温储热相关的局部结构示意图；

图5为从图1中提取与镜场处于平衡模式相关的局部结构示意图；

图6为从图1中提取的与镜场处于夜间防冻模式相关的局部结构示意图；

图7为从图1中提取的与镜场处于连续阴雨天模式相关的局部结构示意图；

图8和图9为本申请实施例公开的光热发电系统中固体储热模块的结构示意图。

附图标记说明：

100-镜场、110-蒸发段、120-过热段、130-蒸汽管路、131-第四支管、132-第五支管、140-给水管路、141-第一支管、142-第二支管、143-第六支管、150-返回水管路、151-调节阀、160-疏水管路、161-开关阀、200-储热装置、210-高温储热区、220-低温储热区、230-固体储热模块、231-固体储热基体、232-换热管道、300-集热循环水箱、400-汽水分离器、500-第一换热器、600-喷水降温装置、700-第二换热器、800-集热循环水泵、810-第三支管、811-高压上水取热阀门。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

请参考图1，本申请实施例公开一种光热发电系统，所公开的光热发电系统包括镜场100、储热装置200和集热循环水箱300和汽水分离器400。

镜场100为光热转换设备，能将太阳光的光能转换为热能。镜场100包括依次连接的蒸发段110和过热段120。在镜场100发电运行的过程中，蒸发段110用于将水由液态加热到饱和蒸汽，汽水分离器400用于将汽水混合物分离，过热段120用于将饱和蒸汽加热到过热蒸汽。过热段120与储热装置200之间通过蒸汽管路130连通，过热段120能够产生过热蒸汽，过热蒸汽通过蒸汽管路130被输送到储热装置200中实现存储。

储热装置200包括依次连接的高温储热区210和低温储热区220，过热蒸汽可以依次经过高温储热区210和低温储热区220实现热能的存储。在具体的储热过程中，过热蒸汽最先经过高温储热区210实现换热，经过与高温储热区210换热后的蒸汽温度会降低，进而与低温储热区220实现再次换热，由此可知，高温储热区210与低温储热区220之间具有一定的温度差。

集热循环水箱300的出口设置有集热循环水泵800，蒸发段110连接有给水管路140，给水管路140与蒸发段110相背离的另一端设置有两个支管，两个支管分别为第一支管141和第二支管142。给水管路140通过第一支管141与低温储热区220连通，给水管路140通过第二支管142与集热循环水泵800的出口连接。当然，第一支管141与第二支管142上均可以设置开关阀，以实现第一支管141与第二支管142的工作状态调整。在储热过程中，集热循环水泵800能够将集热循环水箱300中的水通过第二支管142输送到给水管路140中，进而通过给水管路140实现向镜场100输送水，水依次经过蒸发段110和过热段120成为过热蒸汽。

集热循环水泵800的出口通过第三支管810与低温储热区220连通，同理，第三支管810上也可以设置开关阀，以实现第三支管810的通闭。过热段120通过蒸汽管路130与高温储热区210和低温储热区220均连通。具体的，蒸汽管路130与储热装置200相连的一端(即蒸汽管路130远离过热段120的一端)包括两个支管，分别为第四支管131和第五支管132。蒸汽管路130通过第四支管131与高温储热区210连通，蒸汽管路130通过第五支管132与低温储热区220连通。同理，第四支管131和第五支管132上也设置有开关阀，以分别控制第四支管131和第五支管132的通闭。

汽水分离器400设置在过热段120与蒸发段110之间，用于对经过蒸发段120形成的饱和蒸汽实施汽水分离，确保进入过热段120的介质全部为蒸汽(当然在蒸发段110产出蒸汽时)，汽水分离器400能够增加过热段120的稳定性。返回水管路150的一端连接在汽水分离器400的出水口，另一端与集热循环水箱300连通，返回水管路150能够将汽水分离器400分离得到的返回水输送到集热循环水箱300中。疏水管路160的一端连接在过热段120的出口，另一端与集热循环水箱300连通。疏水管路160用于将过热段120产生的疏水输送到集热循环水箱300中。如图3所示，返回水管路150上设置有调节阀151，以实现返回水管路150的调节控制，疏水管路160上设置有开关阀161，以实现疏水管路160的通闭控制。

本申请实施例公开的光热发电系统中，镜场启动模式需要依次经过给水管路暖管模式、蒸汽管路暖管模式和低温储热模式，经过上述三个模式即可实现镜场的启动。下面具体结合说明书附图详细介绍镜场启动所需要经历的三个模式。

请参考图2，图2为从图1中提取的涉及到给水管路暖管模式的局部结构示意图。在给水管路暖管模式下，启动集热循环水泵800，打开第三支管810上的高压上水取热阀门811，集热循环水箱300内的给水会进入到低温储热区220中被加热，然后通过第一支管141进入到给水管路140中。经过低温储热区220加热的水通过给水管路140进入蒸发段110。经过蒸发段110加热的水从蒸发段110排出后经过汽水分离器400处理，并通过两路继续移动。其中，一路通过返回水管路150将回水输送到集热循环水箱300中，另一路经过过热段120后通过疏水管路160将回水输送至集热循环水箱300中。当给水参数达到镜场启动要求时，给水管路暖管结束。经过给水管路暖管模式后，给水管路140的温度能够达到镜场启动的要求。

经过给水管路暖管模式后进入蒸汽管路暖管模式，请参考图3，图3为从图1中提取的涉及到蒸汽管路暖管模式的局部结构示意图。在蒸汽管路暖管模式下，关闭集热循环水泵800和第三支管810上的高压上水取热阀门811，镜场开始对光，镜场100的蒸发段110和过热段120内的水变为有干度的饱和水，随着加热的进行，蒸发段110和过热段120内的压力升高。此种情况下，可以打开调节阀151和开关阀161，进而通过返回水管路150和疏水管路160实现排水泄压，当过热段120充满蒸汽时，打开集热循环水泵800和蒸汽管路130上的开关阀，从而使得过热段120产生的蒸汽对蒸汽管路130进行暖管，当蒸汽管路130的温度达到要求时，蒸汽管路暖管模式结束。

经过蒸汽管路暖管模式后进入低温储热模式，请参考图4，给水管路140和蒸汽管路130的温度上升，镜场100的启动通常发生在太阳光较弱的早晨，此时由于DNI(DirectNormal Irradiance，阳光从太阳盘面直接照射到与光路正交的表面，称为直接辐射)值较低，过热段120产生的蒸汽的参数也较低，无法直接存储到储热装置200的高温储热区210(此时过热段120产生的蒸汽低于高温储热区210处的温度)，此时应该关闭第四支管131，使得蒸汽通过第五支管132进入到低温储热区220中实现低温储热，截止到此，镜场100被启动。

通过上述镜场启动过程可以看出，本申请实施例公开的光热发电系统采用水作为传热介质，水的熔点较低，化学性质较为稳定，在高压工况下能够达到较高温度，比热容较大，而却无毒，几乎没有成本。相比于导热油或熔盐作为储热介质而言，本申请实施例公开的光热发电系统能够降低成本，不存在环境污染问题。基于水作为储热介质，无需专门加热到导热油或熔盐的熔点，同时能利用光热发电系统的存储装置中存储的热能及太阳光强度逐渐增大的特点，逐步经过给水管路暖管模式、蒸汽管路暖管模式和低温储热模式后实现镜场的启动，即镜场能够产出满足发电要求的蒸汽。可见，本申请实施例公开的光热发电系统能够降低镜场启动的能耗。

为了提高热能利用率，本申请实施例公开的光热发电系统还可以包括第一换热器500。第一换热器500用于实现给水管路140内的给水与返回水管150内的返回水之间的换热。经过汽水分离器400分离的返回水具有一定的温度，返回水能够加热即将进入蒸发段110中的给水，从而能实现对返回水的热能再次利用。第一换热器500能够加热给水，降低返回水温度，避免进入返回水管道的返回水出现闪蒸现象。

随着DNI值的增加，过热段120产生的蒸汽的参数也会越来越高，用户可以通过调节给水管路140提供的给水流量实现对蒸汽参数的调节，进而使得过热段120产生的蒸汽满足要求，此种情况下，镜场100处于平衡模式，打开储热装置200的第四支管131，关闭第五支管132，实现储热装置200的正常储热(如图5所示)，直至储热装置200的底部流出饱和水为止，即储热装置200已经充满。

请再次参考图5，本申请实施例公开的光热发电系统还可以包括喷水降温装置600。喷水降温装置600能够对蒸发段110与过热段120之间的蒸汽实施喷水降温，从而使得过热段120产生的蒸汽的参数满足要求，同时能够防止过热段120的集热管超温。具体的，喷水降温装置600可以包括喷水部和检测控制部，检测控制部设置在过热段120的出口，用于检测过热段120出口的蒸汽的参数。喷水部设置在汽水分离器400与过热段120之间的管路上。检测控制部根据过热段120排出的蒸汽的参数控制喷水部的喷水操作。该优选方案中，将检测控制部设置在过热段120的出口，能够较为准确地检测镜场100所产生的蒸汽的参数，进而使得后续的喷水调节更加准确。

进一步优选的方案中，本申请实施例公开的光热发电系统还可以包括第六支管143。第六支管143的一端连接在给水管路140上，另一端与喷水降温装置600连接。此种情况下，喷水降温装置600直接引用给水管路140上的给水实现喷水降温。

如上文所述，本申请实施例公开的光热发电系统可以包括第一换热器500，所述第一换热器500用于实现给水管路140内的给水与返回水管路150内的返回水之间的换热。在此基础上，优选的，上述第六支管143可以一端连接在第一换热器500的入口，另一端连接喷水降温装置600。此种情况下，喷水降温装置600引用的给水未经过第一换热器500加热，因此温度较低，进而能够提高喷水降温装置600的喷水降温效果。

请再次参考图4，当太阳光逐渐消失，DNI值逐渐减小，过热段120产出的蒸汽参数越来越低，不足以达到储热装置200的高温储热区210的储热要求(高温储热区210的温度比过热段120产生的蒸汽温度还高)，此时关闭第四支管131，打开第五支管132实施低温储热，直至过热段120没有蒸汽产出为止，镜场100处于偏光状态，上述过程即为镜场100的停运模式。

镜场100停运后，由于夜晚或者没有太阳光的白天的温度较低，例如有时夜晚的温度低至零下，而镜场100的集热器却没有保温措施，此种情况下，低温会导致蒸发段110的集热器和过热段120的集热器发生冻裂，由此，需要对集热器进行保温防护。由于本申请实施例公开的光热发电系统所采用的储热介质为水，因此确保集热器的温度达到零度以上即可。

请参考图6，图6为镜场处于夜间防冻模式下的工作示意图。基于此，本申请实施例公开的光热发电系统还可以包括第二换热器700。第二换热器700用于实现给水管路140中的给水与汽轮机的乏汽管道中的乏汽之间的换热。经过乏汽加热的给水通过给水管路140被输送到蒸发段110和过热段120中，进而能够避免这两段的集热器被冻裂，达到防冻的目的。经过汽轮机的乏汽加热的给水进入到蒸发段110实现蒸发段110的保温，从蒸发段110排出的给水一路经过汽水分离器400后通过返回水管路150被输送到集热循环水箱300，另一路经过汽水分离器400后到达过热段120，再经过疏水管路160被输送到集热循环水箱300中，最终实现防冻。当然，乏汽管路上可以设置乏汽开关阀，以确保镜场100在无需防冻状态下，不引进乏汽。本申请实施例公开的光热发现系统在夏天不需要对管道内的水加热，冬天只需要保持管道内的水在零度以上即可。防冻过程能充分利用发电系统的余热，这能够进一步提高能量的利用率。

请参考图7，图7为镜场处于连续阴雨天运行模式下的工作示意图。当天气连续阴雨天时，温度低于零摄氏度以下，为了防止管道、集热器冻裂，储热装置200的基础热量不足以提供汽轮机运行，并高于环境温度的热量。此时，打开集热循环水泵800(此种情况下，集热循环水泵800作为镜场防冻水泵)，将被储热装置200基础热量加热的水送至给水管道140、蒸发段110、汽水分离器400、过热段120、蒸汽管路130等管道和设备进行防冻保温，最后将水工质返回储热装置200中。储热装置200通常为储热塔。

请参考图8和9，本申请实施例所公开的光热发电系统中，储热装置200可以包括多个固体储热模块230，每个固体储热模块230包括固体储热基体231和换热管道232。换热管道232设置在固体储热基体231中。多个固体储热模块构成储热区域，储热区域包括上文所述的高温储热区210和低温储热区220。由于固态储热的特性，高温储热区210至低温储热区220的方向即为整个储热装置200的储热方向，在储热方向上，储热装置200各个部位之间导热性较差，因此能够维持各个部位所存储热能的品质，确保各个部位之间具有较为稳定的温度差，即温度越来越低，从而使得在取热的过程中，能够从温度较低的一端向温度较高的一端取热(即取热方向与储热方向相反)，最终能从温度较高的一端形成较高品质的蒸汽来驱动汽轮机，进而能提高发电效率。

一种具体的实施方式中，固体储热基体231可以是混凝土基体，换热管道232为预埋在固体储热基体231中的钢管。换热管道232的外侧可以设置换热翅片，换热翅片不但能提高换热管道232与固体储热基体231之间连接的稳定性，而且还能增加两者之间的换热面积，进而能提高换热效率。

基于本申请实施例所公开的光热发电系统，本申请实施例还公开一种光热电站，该光热电站包括上文实施例中任一项所述的光热发电系统。

本文中，各个优选方案仅仅重点描述的是与其它优选方案的不同，各个优选方案只要不冲突，都可以任意组合，组合后所形成的实施例也在本说明书所公开的范畴之内，考虑到文本简洁，本文就不再对组合所形成的实施例进行单独描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.光热发电系统，其特征在于，包括镜场、储热装置、集热循环水箱和汽水分离器；其中，

所述镜场包括依次连接的蒸发段和过热段，所述过热段与所述储热装置之间设置有蒸汽管路；所述储热装置包括依次连接的高温储热区和低温储热区，所述低温储热区与所述集热循环水箱连通；所述集热循环水箱的出口设置有集热循环水泵，所述蒸发段连接有给水管路，所述给水管路通过第一支管与所述低温储热区连通，所述给水管路通过第二支管与所述集热循环水泵的出口连通；所述集热循环水泵的出口通过第三支管与所述低温储热区连通，所述蒸汽管路远离所述过热段的一端包括第四支管和第五支管，所述第四支管与所述高温储热区连通，所述第五支管与所述低温储热区连通；

所述第一支管、第二支管、第三支管、第四支管和第五支管均设置开关阀；

所述汽水分离器布置在所述过热段与所述蒸发段之间，所述汽水分离器的出水口与所述集热循环水箱之间连接有返回水管路；所述过热段的出口与所述集热循环水箱之间设置有疏水管路。

2.根据权利要求1所述的光热发电系统，其特征在于，还包括第一换热器，所述第一换热器用于实现所述给水管路内的给水与所述返回水管路内的返回水之间的换热。

3.根据权利要求1所述的光热发电系统，其特征在于，还包括喷水降温装置，所述喷水降温装置用于对所述蒸发段与所述过热段之间的蒸汽实施喷水降温。

4.根据权利要求3所述的光热发电系统，其特征在于，所述喷水降温装置包括喷水部和检测控制部，所述检测控制部设置在所述过热段的出口，所述喷水部设置在所述汽水分离器与所述过热段之间的管路上，所述检测控制部根据所述过热段排出的蒸汽的参数控制所述喷水部的喷水操作。

5.根据权利要求3或4所述的光热发电系统，其特征在于，还包括第六支管，所述第六支管的一端连接在所述给水管路上，另一端与所述喷水降温装置连接。

6.根据权利要求5所述的光热发电系统，其特征在于，还包括第一换热器，所述第一换热器用于实现所述给水管路内的给水与所述返回水管路内的返回水之间的换热；所述第六支管的一端连接在所述第一换热器的入口，另一端连接所述喷水降温装置。

7.根据权利要求1所述的光热发电系统，其特征在于，还包括第二换热器，所述第二换热器用于实现所述给水管路中的给水与汽轮机的乏汽管道中的乏汽之间的换热。

8.根据权利要求1所述的光热发电系统，其特征在于，所述储热装置包括多个固体储热模块，所述固体储热模块包括固体储热基体及换热管道，所述换热管道设置在所述固体储热基体中，多个所述固体储热模块构成储热区域，所述储热区域包括所述高温储热区和所述低温储热区。

9.根据权利要求8所述的光热发电系统，其特征在于，所述固体储热基体为混凝土基体，所述换热管道为预埋在所述固体储热基体中的钢管，所述换热管道的外侧设置有换热翅片。

10.光热电站，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的光热发电系统。

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