CN108915791B - 基于真空吸热管的直接吸热式储能发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于真空吸热管的直接吸热式储能发电系统，包括集热系统、储热系统、发电系统；集热系统包括定日镜和竖直吸热管阵列；储热系统包括储热罐；发电系统包括热输出导体、热开关、蒸汽轮机、发电机；竖直吸热管阵列下部延伸至储热罐内，定日镜通过双轴跟踪调节支架围绕储热罐设置；热输出导体一端延伸至储热介质内，另一端通过热开关与蒸汽轮机的蒸汽发生器换热管道相接触，蒸汽轮机输出端与发电机连接。本发明采用光热电站吸热、导热模式，通过吸热管直接吸收太阳光并将热量传递给地面储热罐中的储热介质，不需要将储热介质送至塔顶，避免了现有熔盐泵的使用和储热介质的流动，大幅度降低成本，提高系统的安全可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及储能发电系统，尤其是涉及基于真空吸热管的直接吸热式储能发电系统。
背景技术
随着能源供应日趋紧张和全球碳排放限制，太阳能作为取之不尽的清洁能源其应用领域日趋扩大，太阳能光伏发电和太阳能光热发电是太阳能应用的主流发展方向。太阳能光热发电利用高精度聚光器将低密度的太阳能汇聚成高密度热能，通过加热工质来驱动发电机，实现光电转化。
以熔盐作为传热介质的塔式光热发电系统具有功率大，效率高，储热能力强，运行稳定等优点，是已商业化稳定运行的常规光热发电系统之一。典型的熔盐塔式太阳能光热发电系统工作原理为：熔盐泵将低温熔盐从低温熔盐罐送至塔顶的熔盐吸热器；定日镜将太阳光反射至吸热器，吸热器将吸收的热量传递给内部的熔盐；被加热的熔盐通过管道流入设在地面的高温熔盐罐中被储存起来；当需要发电时，高温熔盐罐中的熔盐与水换热产生过热蒸汽驱动汽轮机发电。
现有熔盐塔式太阳能光热发电系统存在的问题：
1、传统塔式光热发电系统为实现高温，塔顶的熔盐吸热器体积较小，造成定日镜的控制精度要求极高；且由于每个定日镜相对于中心塔的距离和朝向不同，每个定日镜的跟踪都需要单独的二维控制，使得定日镜的跟踪器制造难度大、成本高、跟踪调节难度大、在野外应用环境中不易维护。
2、系统工作时要将熔盐从地面的储罐送至塔顶吸热器，需要高扬程的熔盐泵；高扬程熔盐泵造价高，维护和检修成本高，且熔盐泵工作自耗电量大。
3、熔盐升温、储热、发电环节都需要在管路中流通，由于熔盐熔点较高，易低温凝固，在早晚、阴天、多云等光照强度弱的状况下，熔盐温度过低而凝固，造成管路堵冻，导致整体系统的稳定可靠性降低，维护检修成本升高。
4、在早晚、阴天、多云等光照强度弱的时段，光热电站的熔盐吸热器不再工作，定日镜系统闲置，造成资源浪费。
中国专利CN 104776615 B公开了一种基于二次反射聚光系统的直接吸热式太阳能集热装置，采用二次反射技术，将太阳光直接反射至地面的熔盐储罐中，不需要使用熔盐泵将熔盐送至塔顶，提高安全性和经济性。但是，二次反射镜系统受其自身结构影响和野外大风等恶劣天气影响，面积不宜做大，这就要求定日镜的跟踪精度要求很高，跟踪难度大、成本高，不利于推广应用。同时二次反射镜和石英玻璃窗在野外应用时易受大风等天气影响造成镜面沉积灰尘杂物，清洁度难以保证，影响太阳光的反射和吸收；且镜面工作时处于高温状态，清洁维护难度大。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于真空吸热管的直接吸热式储能发电系统。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述基于真空吸热管的直接吸热式储能发电系统，包括太阳能光热发电系统；所述太阳能光热发电系统包括用于收集太阳热能的集热系统、用于储存热能的储热系统、用于将热能转换成电能的发电系统；所述集热系统包括多个定日镜和多个真空吸热管；所述储热系统包括盛有储热介质的储热罐；所述发电系统包括热输出导体、热开关、斯特林发动机或蒸汽轮机、发电机；多个所述真空吸热管顺序排列构成竖直吸热管阵列，所述竖直吸热管阵列下部延伸至所述储热罐内的储热介质中，多个所述定日镜分别通过双轴跟踪调节支架围绕储热罐设置；所述热输出导体一端延伸至储热介质内，另一端通过热开关与所述斯特林发动机的热端或蒸汽轮机的蒸汽发生器换热管道相接触，斯特林发动机或蒸汽轮机输出端与所述发电机连接。
还包括太阳能光伏发电系统；所述太阳能光伏发电系统由多个光伏板和设置在所述竖直吸热管阵列顶端的菲涅尔反光板组成；多个所述光伏板分别通过双轴跟踪调节支架围绕所述储热罐设置；多个所述光伏板通过汇流箱汇流后，通过逆变器和变压器与电网连接；或通过汇流箱汇流后与MPPT管理器输入端连接，管理器输出端与绕置在所述真空吸热管上的加热线圈连接。
所述储热罐的罐壁从里到外依次为内层、保温层、外层三层结构；所述内层为抗高温高压耐腐蚀的不锈钢或钼岩棉保温层、硅酸铝纤维保温棉层或冶金保温层；所述外层为钢筋混凝土层或钢架外壁支撑构件；储热罐的内腔为上、下两腔室结构，所述上、下两腔室之间通过绝热板隔开，储热介质盛装在下腔室内，位于上腔室内的每个所述真空吸热管上分别设置有热开关。
所述真空吸热管由内部吸热管、外部双层真空玻璃管和设置在两者之间的弹性定位夹组成；所述内部吸热管下端密封穿过所述储热罐的顶壁和所述绝热板延伸到所述储热罐下腔室内的储热介质中；内部吸热管的材料为黑色金属铬、锰、镍、铁、铟或其合金材料，或为石墨高温黑色材料，或为宽谱谐振微纳米功能结构体；所述外部双层真空玻璃管顶端为半球形结构，其下端密封延伸至储热罐的顶壁。
本发明优点主要体现在以下方面：
1、采用高效光热真空吸热管结构，吸热面积大，降低定日镜的跟踪精度要求，与中国专利CN207573293U、CN207214491U、CN207039530U、CN206249106U提供的双轴跟踪调节支架结合使用，可大幅度降低定日镜的跟踪调节难度和成本，有利于光热电站的推广应用。
2、光热电站建设时，定日镜场占地面积极大，采用中国专利CN207573293U、CN207214491U、CN207039530U、CN206249106U提供的高空高架式双轴跟踪调节支架，大面积的定日镜场安装区域可不破坏地表植被，一般山地也可安装。
3、本发明采用的光热电站吸热、导热模式，通过高效吸热材料制成的吸热管直接吸收太阳光并将热量传递给地面储热罐中的储热介质，不需要将储热介质送至塔顶，避免了现有熔盐泵的使用和储热介质的流动，大幅度降低成本，提高系统的安全可靠性。
4、光热与光伏相结合，通过简单的菲涅尔反光镜结构，利用闲置时期的定日镜，最大限度地利用现有资源，提高光伏发电系统的发电时长，增加发电量和收益。
附图说明
图1是本发明所述定日镜将光照反射至所述竖直吸热管阵列的原理图。
图2是本发明所述定日镜将光照反射至所述光伏板的原理图。
图3是本发明所述太阳能光热发电系统独立应用时的原理图。
图4是本发明所述储热罐及所述竖直吸热管阵列的结构图。
图5是本发明所述真空吸热管的结构示意图。
图6是本发明所述竖直吸热管阵列的固定机构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
本发明所述的所述基于真空吸热管的直接吸热式储能发电系统，包括太阳能光热发电系统和太阳能光伏发电系统。
如图1-4所示，所述太阳能光热发电系统包括用于收集太阳热能的集热系统、用于储存热能的储热系统、用于将热能转换成电能的发电系统；集热系统包括多个定日镜1和多个真空吸热管2；储热系统包括盛有储热介质3的储热罐4。发电系统包括热输出导体5、热开关6、斯特林发动机或蒸汽轮机7、交流发电机24。多个真空吸热管2顺序排列构成竖直吸热管阵列，竖直吸热管阵列下部延伸至储热罐4内的储热介质3中。多个定日镜1分别通过双轴跟踪调节支架围绕储热罐4设置；热输出导体5一端延伸至储热介质3内，热输出导体5另一端通过热开关6与斯特林发动机的热端或蒸汽轮机的蒸汽发生器换热管道相接触，为斯特林发动机或蒸汽轮机7供热，斯特林发动机或蒸汽轮机7驱动交流发电机24发电。
双轴跟踪调节支架采用中国专利CN207573293U、CN207214491U、CN207039530U、CN206249106U提供的双轴跟踪调节支架来实现定日镜1的低成本双轴跟踪功能，也可采用常规塔式光热电站的定日镜跟踪方案。
如图6所示，竖直吸热管阵列的多个真空吸热管2按圆周向顺序排列插装在开设于限位圆环8环面的定位孔9内，若干斜拉支撑10一端与限位圆环8连接而另一端锚接在地面，起到稳固竖直吸热管阵列的作用，防止其受大风等外界因素影响而倾倒。
如图1-4所示，所述太阳能光伏发电系统由多个光伏板11和设置在竖直吸热管阵列顶端的菲涅尔反光板12组成；多个光伏板分别通过双轴跟踪调节支架围绕储热罐4设置；多个所述光伏板11通过汇流箱25汇流后，依次连接逆变器22和变压器23接入电网，或通过汇流箱25汇流后与MPPT（最大功率点跟踪器）管理器26连接后再与绕置在所述真空吸热管2上的加热线圈13连接，对真空吸热管2进行加热。
如图4所示，储热罐4的罐壁从里到外依次为内层、保温层、外层三层结构；内层为抗高温高压耐腐蚀的不锈钢或钼钨合金层、陶瓷层或磷酸盐型高温水泥层；保温层为泡沫玻璃保温层、岩棉保温层、硅酸铝纤维保温棉层或冶金保温层；外层为混凝土层或钢架外壁支撑构件；储热罐4的内腔为上、下两腔室14、15结构，上、下两腔室14、15之间通过绝热板16隔开，储热介质3盛装在下腔室内，位于上腔室14内的每个真空吸热管2上分别设置有热开关17。储热介质3可以为水、导热油、砂石-油混合物、熔盐、高温混凝土、陶瓷以及低熔点金属Na、Al、低温铝合金、低温铅锡合金。热开关17选用单向导热管；在真空吸热管2吸热时，打开热开关，热量通过真空吸热管2自上而下传递给储热介质3；在夜晚等真空吸热管2不能吸热的时段，关闭热开关，防止热量从储热介质2向上反传递给真空吸热管2，进而防止热量通过真空吸热管2散失。
如图4、5所示，真空吸热管由内部吸热管18、外部双层真空玻璃管19和设置在两者之间的弹性定位夹20组成；内部吸热管18下端密封穿过储热罐4的顶壁和绝热板16延伸到储热罐下腔室内的储热介质3中；内部吸热管18的材料为黑色金属铬、锰、镍、铁、铟或其合金材料，或为石墨高温黑色材料，或为宽谱谐振微纳米功能结构体；外部双层真空玻璃管19顶端为半球形21结构，其下端密封延伸至储热罐4的顶壁。弹性定位夹20用于稳固内部吸热管18，防止其摆动且不影响内部吸热管18热胀冷缩带来的长度伸缩变化。
如图1-3所示，热输出导体5一端延伸至储热介质3内，另一端延伸至储热罐外与斯特林发动机的热端或蒸汽轮机的蒸汽发生器换热管道相接触，为斯特林发动机或蒸汽轮机7供热；斯特林发动机或蒸汽轮机7驱动交流发电机24发电。在热输出导体5与所述斯特林发电机热端或蒸汽轮机的蒸汽发生器换热管道之间设置有热开关6，用于控制热量从热输出导体5的单向传递和隔断。所述热输出导体5位于储热罐外的部分做保温处理，热开关6选用单向导热管。
斯特林发动机或蒸汽轮机7也可以驱动直流发电机24.1发电，直流发电机24.1发出的直流电通过逆变器22逆变为符合要求的交流电输出给变压器23并网。
本发明工作模式简述如下：
1、在天气良好的白天光照强度强的时段，如图1所示，光热发电系统和光伏发电系统同时工作。控制定日镜1将太阳光反射至竖直吸热管阵列上，竖直吸热管阵列吸收的热量直接传递给储热罐4中的储热介质3使储热介质3温度升高或发生相变储存能量。光伏发电系统将发出的电能通过逆变器22、变压器23并网，或通过电加热线圈13将热能经真空吸热管2储存在储热介质3中。储热罐4中储存的能量可即时发电也可暂时储存，有需求时发电。
2、如图2所示，在早晚、阴天、多云等光照强度弱的时段，光热发电系统的竖直吸热管阵列不再吸收太阳光，这时控制定日镜1将太阳光反射至菲涅尔反光板12再二次反射至光伏板11受光面上，大量的定日镜1反射太阳光产生聚光增强的效果，使得光伏板11接收到比自然光照更强的太阳光进而在早晚、阴天、多云等光照强度弱的时段也能发电，充分利用资源，增加整体系统的发电量。
3、在夜晚时段电网负荷处于低谷时，将电网中的低价电能转换为热能储存起来，在有需求时进行发电。利用峰谷电价，实现削峰填谷，增加收益。
4、也可以暂时储存电网无法接收的外部光伏、风电等波动性新能源电站的电能，将电能转换为热能储存起来，在有需求时进行发电。
5、热输出导体输出的热量可直接用于供热或通过热电池发电。
6、斯特林发动机工作时产生的高温废水可用于供热。
7、如图3所示，根据建设需求和施工现场条件要求，上述的光热发电系统也可独立建设，不与光伏发电系统结合应用。
Claims (2)
1.一种基于真空吸热管的直接吸热式储能发电系统，包括太阳能光热发电系统；其特征在于：所述太阳能光热发电系统包括用于收集太阳热能的集热系统、用于储存热能的储热系统、用于将热能转换成电能的发电系统；所述集热系统包括多个定日镜和多个真空吸热管；所述储热系统包括盛有储热介质的储热罐；所述发电系统包括热输出导体、热开关、斯特林发动机或蒸汽轮机、发电机；多个所述真空吸热管顺序排列构成竖直吸热管阵列，所述竖直吸热管阵列下部延伸至所述储热罐内的储热介质中，多个所述定日镜分别通过双轴跟踪调节支架围绕储热罐设置；所述热输出导体一端延伸至储热介质内，另一端通过热开关与所述斯特林发动机的热端或蒸汽轮机的蒸汽发生器换热管道相接触，斯特林发动机或蒸汽轮机输出端与所述发电机连接；所述储热罐的罐壁从里到外依次为内层、保温层、外层三层结构；所述内层为抗高温高压耐腐蚀的不锈钢或钼岩棉保温层、硅酸铝纤维保温棉层或冶金保温层；所述外层为钢筋混凝土层或钢架外壁支撑构件；储热罐的内腔为上、下两腔室结构，所述上、下两腔室之间通过绝热板隔开，储热介质盛装在下腔室内，位于上腔室内的每个所述真空吸热管上分别设置有热开关；
所述真空吸热管由内部吸热管、外部双层真空玻璃管和设置在两者之间的弹性定位夹组成；所述内部吸热管下端密封穿过所述储热罐的顶壁和所述绝热板延伸到所述储热罐下腔室内的储热介质中；所述外部双层真空玻璃管顶端为半球形结构，其下端密封延伸至储热罐的顶壁；
所述基于真空吸热管的直接吸热式储能发电系统还包括太阳能光伏发电系统；所述太阳能光伏发电系统由多个光伏板和设置在所述竖直吸热管阵列顶端的菲涅尔反光板组成；多个所述光伏板分别通过双轴跟踪调节支架围绕所述储热罐设置；多个所述光伏板通过汇流箱汇流后，通过逆变器和变压器与电网连接；或通过汇流箱汇流后与MPPT管理器输入端连接，管理器输出端与绕置在所述真空吸热管上的加热线圈连接。
2.根据权利要求1所述基于真空吸热管的直接吸热式储能发电系统，其特征在于：内部吸热管的材料为黑色金属铬、锰、镍、铁、铟，或为石墨高温黑色材料，或为宽谱谐振微纳米功能结构体。
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