CN110986392A - 一种太阳能吸热储热塔及太阳能光热发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能吸热储热塔及太阳能光热发电系统，创造性地将塔架、吸热器、熔盐储罐集成为一体，大大简化了整个发电系统，极大降低了整个发电系统的初投资。和传统的塔式太阳能光热发电技术相比，本技术吸热效率高，尤其是结合了超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组，是实现太阳能光热发电升级换代的主要技术路径，具备安全性、经济性、灵活性，还具备建设周期短、选址要求低和建设规模灵活等特点，为太阳能光热发电开启了下一代全新的技术应用。
Description
技术领域
本发明公开了一种太阳能吸热储热塔及太阳能光热发电系统，属于太阳能塔式熔盐吸热储热光热发电技术领域，尤其是结合了超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组的塔式太阳能光热发电系统。
背景技术
现有的塔式太阳能光热发电技术都是采用传统的汽轮发电机组，储能采用双储罐熔盐储热技术路径。
现有的双储罐熔盐储热技术路径对熔盐使用的温度上限有过多的限制，一旦提高熔盐使用温度，那么，相应的熔盐泵、熔盐阀以及熔盐管路的伴热保温都将面临一个量级的技术提升，而目前的跟熔盐输送相配套的设备都不具备该方面的技术提升空间。
现有的塔式熔盐吸热器技术也无法满足第四代太阳能光热发电系统的要求。
二氧化碳有一个很独特的物理性质：当温度达到30.98℃，压力达到7.38MPa时，其物理状态介于液体和气体之间，密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数约为液体的100倍。这种状态，称为“超临界”状态。处于超临界状态下的二氧化碳，密度比气体大，粘性比液体小，具有流动性强、传热效率高、可压缩性小等特点。二氧化碳的临界条件容易达到，化学性质不活泼，无色无味无毒，安全，价格便宜，纯度高，易获得。这些特性，使得它很适合用于作为热力循环工质。
2019年初，美国西南研究院联合GE研发的10MW超临界二氧化碳涡轮机顺利通过测试；经过测试证明，S-CO2作为工质的发电系统在600到700℃的温度范围内运行都可以有良好表现，可以在500℃以上、20MPa的大气压下实现高效率的热能利用，热效率可以达到45%以上，甚至超越50%的热效率。可以预见，在国内科研单位的努力下，我国研制出具有自主知识产权的超临界二氧化碳布雷顿循环系统将指日可待。
鉴于超临界二氧化碳涡轮机的优异热效率性能，必将成为第四代塔式太阳能光热发电技术的核心。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能吸热储热塔及太阳能光热发电系统，创造性地将塔架、吸热器、熔盐储罐集成为一体，大大简化了整个发电系统，极大降低了整个发电系统的初投资。和传统的塔式太阳能光热发电技术相比，本技术吸热效率高，尤其是结合了超临界二氧化碳布雷顿循环发电机组，是实现太阳能光热发电升级换代的主要技术路径，具备安全性、经济性、灵活性，还具备建设周期短、选址要求低和建设规模灵活等特点，为太阳能光热发电开启了下一代全新的技术应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种太阳能吸热储热塔，包括吸热储热塔本体，该吸热储热塔本体包括吸热部和储热部，其特征在于，该吸热部包含呈圆柱体状的容器、保温盖、流体导流器和流体电动推送装置，该保温盖设置在该容器的顶部，在该容器的外表面上设置有太阳能吸热涂料，在其内部则设置有流体导流器，该流体导流器的中心流道呈漏斗状，其尾部的导流直管贯穿所述的容器的底板，该流体电动推送装置设置在流体导流器的中轴线上，该流体电动推送装置包含变频电机、转动轴和桨叶，该转动轴的上端连接该变频电机且该变频电机置于该保温盖之上，其下端则连接该桨叶且该桨叶处于该导流直管内，该桨叶旋转时能形成向下推送力；在所述的容器的底板上以该导流直管为中心的周边设置有若干冷流体引流管；该容器至少半圆以上的内壁和该流体导流器至少半圆以上的外壁间形成一流体流道，所述的冷流体引流管连通该流体流道，使得从该冷流体引流管进入的流体向上流经该流体流道后，流体溢流进所述的流体导流器内，在所述的桨叶的推送下，从该导流直管流出；所述的储热部为一敞口圆柱体状储罐，其顶部的敞口和所述的吸热部的底部固接，其上部的外侧面上开设有若干热流体出入口，其近底部的外侧面上开设有若干冷流体进出口，所述的冷流体引流管的底端引流口靠近该储热部的内底部。
在上述的一种太阳能吸热储热塔，其特征在于：为便于安装运输，所述的冷流体引流管拆分为两段，即贯通吸热部底板的短接管和长接管，两者通过法兰连接固定，且该冷流体引流管至少上半段上设置有隔热层；该容器的底板也设置有隔热层。在冷流体引流管外设置隔热层主要防止冷熔盐向上引流的过程中和已有的管外热熔盐产生热交换。
在上述的一种太阳能吸热储热塔，其特征在于：所述的容器、保温盖、流体导流器和流体电动推送装置共有一中轴线，该容器的内壁和该流体导流器的外壁间保持等间距，形成一个圆环状的流体流道。通常，这样的设计结构比较适合赤道附近地区的太阳能光热发电，因为南北太阳光照射比较均匀。
在上述的一种太阳能吸热储热塔，其特征在于：所述的容器、保温盖、流体导流器和流体电动推送装置共有一中轴线，该容器的内壁和该流体导流器的外壁间保持等间距，形成一个圆环状的流体流道，该流体流道被两块轴向设置的挡板分隔成大分流道和小分流道，其中，该小分流道是总流道的三分之一左右，该小分流道的顶部焊焊接有盖板，该盖板上均匀设置有若干溢流口，每个溢流口的顶部匹配有相应的流量调节装置。通常，这样的结构设计，防止南北照射的太阳光强度不均匀，北边照射来的太阳光比较弱，造成南北方向流体流道内的流体温度差比较大，对于太阳光比较弱的一侧流体流道实行一定措施的熔盐流量调节，以尽量平衡流道内的熔盐温度平衡。
在上述的一种太阳能吸热储热塔，其特征在于：所述的容器、保温盖、流体导流器和流体电动推送装置共有一中轴线，所述的流体流道只有所述的圆环状流体流道的三分之二左右，对应余下的三分之一左右部位设置为隔热层。通常，这样的设计用于纬度高的地方，因为来自北方的太阳光照射的强度可以不考虑，以减少吸热部裸露在高空中的面积。
在上述的一种太阳能吸热储热塔，其特征在于：在流体流道内的容器内壁上设置有若干导热凸体，该导热凸体的外端和流体导流器的外壁贴合。通常，该导热凸体可以呈翅片状，或者圆柱体状，这些导热凸体用于增加热交换面积。
在上述的一种太阳能吸热储热塔，其特征在于：所述的吸热部的顶部设置有能上下升降的保温套，该保温套下降后能和吸热部的外部匹配。通常，在没有阳关的时候，该保温盖下降把吸热部包裹住。
一种太阳能光热发电系统，包括发电机组、吸热储热塔本体、定日镜、镜场控制系统、换热器、熔盐、熔盐泵，其特征在于，所述的吸热储热塔本体包括吸热部和储热部，所述的熔盐设置在该吸热储热塔本体内，该储热部上部的外侧面上开设有若干热流体出入口，其近底部的外侧面上开设有若干冷流体进出口，该定日镜受该镜场控制系统的控制，使得来自该定日镜的太阳反射光聚焦到该吸热储热塔本体顶部的吸热部外表面上；所述的换热器为一种熔盐换热器，其中的热熔盐进口和该热流体出入口连通，其中的冷熔盐出口和该冷流体进出口连通，且在冷熔盐出口和该冷流体进出口连通的管路上设置有熔盐泵，该换热器上的热交换介质出口和进口分别和所述的发电机组连接，形成一个完整的太阳能光热发电系统。通常，熔盐为经过活性金属处理过的高纯氯化物熔盐，其中，所述的活性金属包括锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌和铁中的至少一种，所述的高纯氯化物熔盐包括NaCl、KCl、MgCl2和CaCl2 中的至少一种。由于超临界二氧化碳工质的温度越高，热效率就越高，当超临界二氧化碳工质的温度达到700摄氏度时，热效率就会达到50%以上，现有的硝酸盐熔盐的使用温度上限一般控制在550摄氏度以下，而高纯氯化物熔盐可使用的温度上限接近800摄氏度左右，是一种超高温熔盐。通常，熔盐为高纯碳酸盐或碳酸盐混合物。
在上述的一种太阳能光热发电系统，其特征在于：所述的超临界CO2布雷顿循环发电机组包括发电机、透平、二级压缩机、一级压缩机、预冷或冷凝器、低温回热器、高温回热器及超临界CO2输送管道。对于闭环超临界CO2布雷顿循环发电系统，主要包括压缩系统、预冷系统、换热系统、热源、透平和发电机等系统组成。低温低压的气体经压气机升压，再经回热器高温侧预热后进入热源，吸收大量热量后直接进入透平做功，透平带动发电机系统进行发电，做功后的乏气经回热器低温侧流体冷却后，再由冷却器冷却至所需的压缩机入口温度，进入压缩机形成闭式循环。
在上述的一种太阳能光热发电系统，其特征在于：该太阳能光热发电系统还包括一熔盐电加热器，该熔盐电加热器的热熔盐出口和所述的热流体出入口其中一个连通，其冷熔盐进口和所述的冷流体进出口其中一个连通，且在冷熔盐进口和该冷流体进出口连通的管路上设置有熔盐泵。通常，该熔盐电加热器作为熔盐的辅助加热用，以防熔盐的温度过低时启动加热，保持熔盐温度不低于凝固点；同时，也可以消纳部分来自光伏发电的多余电能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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。附图仅提供参考和说明用，并非用来对本发明加以限制。
图1是本发明提供的一种太阳能吸热储热塔的结构示意图；
图2是本发明提供的一种吸热部的结构示意图；
图3是本发明提供的图2中标示的A-A截面图；
图4是本发明提供的图2中标示的B-B截面图；
图5是本发明提供的图2中标示的C-C截面图；
图6是本发明提供的另一种吸热部的结构示意图；
图7是本发明提供的图6中标示的D-D截面图；
图8是本发明提供的图6中标示的F-F截面图；
图9是本发明提供的另一种吸热部的结构示意图；
图10是本发明提供的图9中标示的E-E截面图；
图11是本发明提供的图9中标示的F-F截面图；
图12是本发明提供的图9中标示的G-G截面图；
图13是本发明提供的图6中标示的H局部放大图；
图14是本发明提供的一种太阳能光热发电系统的示意图；
图15是本发明提供的超临界CO2布雷顿循环发电机组的组成图。
图中：发电机组1、吸热储热塔本体2、吸热部3、储热部4、定日镜5、镜场控制系统6、换热器7、熔盐8、熔盐泵9、发电机10、透平11、二级压缩机12、一级压缩机13、预冷或冷凝器14、低温回热器15、高温回热器16、熔盐电加热器17、容器30、太阳能吸热涂料30a、冷流体引流管30b、短接管30c、长接管30d、导热凸体30e、保温盖31、流体导流器32、导流直管32a、流体电动推送装置33、变频电机33a、转动轴33b、桨叶33c、流体流道34、大分流道34a、小分流道34b、挡板35、盖板36、溢流口37、流量调节装置38、保温套39、热流体出入口40、冷流体进出口41。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1：
如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种太阳能吸热储热塔，包括吸热储热塔本体2，该吸热储热塔本体2包括吸热部3和储热部4，该吸热部3包含呈圆柱体状的容器30、保温盖31、流体导流器32和流体电动推送装置33，该保温盖31设置在该容器30的顶部，在该容器30的外表面上设置有太阳能吸热涂料30a，在其内部则设置有流体导流器32，该流体导流器32的中部流道呈漏斗状，其尾部的导流直管32a贯穿容器30的底板，该流体电动推送装置33设置在流体导流器32的中轴线上，该流体电动推送装置33包含变频电机33a、转动轴33b和桨叶33c，该转动轴33b的上端连接该变频电机33a且该变频电机33a置于该保温盖31之上，其下端则连接该桨叶33c且该桨叶33c处于该导流直管32a内，该桨叶33c旋转时能形成向下推送力；在容器30的底板上以该导流直管32a为中心的周边设置有若干冷流体引流管30b；该容器30至少半圆以上的内壁和该流体导流器32至少半圆以上的外壁间形成一流体流道34，该冷流体引流管30b连通该流体流道34，使得从该冷流体引流管30b进入的流体向上流经该流体流道34后，流体溢流进所述的流体导流器32内，在桨叶33c的推送下，从该导流直管32a流出；该储热部4为一敞口圆柱体状储罐，其顶部的敞口和吸热部3的底部固接，其上部的外侧面上开设有若干热流体出入口40，其近底部的外侧面上开设有若干冷流体进出口41，冷流体引流管30b的底端引流口靠近该储热部4的内底部。
本实施例中，为便于安装运输，冷流体引流管30b拆分为两段，即贯通吸热部底板的短接管30c和长接管30d，两者通过法兰连接固定，且该冷流体引流管30b至少上半段上设置有隔热层；该容器30的底板也设置有隔热层。
本实施例中，容器30、保温盖31、流体导流器32和流体电动推送装置33共有一中轴线，该容器30的内壁和该流体导流器32的外壁间保持等间距，形成一个圆环状的流体流道34。
本实施例中，在流体流道34内的容器30内壁上设置有若干导热凸体30e，该导热凸体30e的外端和流体导流器32的外壁贴合。
本实施例中，吸热部3的顶部设置有能上下升降的保温套39，该保温套39下降后能和吸热部3的外部匹配。
实施例2：
如图5、图6、图7、图8和图13所示，容器30、保温盖31、流体导流器32和流体电动推送装置33共有一中轴线，该容器30的内壁和该流体导流器32的外壁间保持等间距，形成一个圆环状的流体流道34，该流体流道34被两块轴向设置的挡板35分隔成大分流道34a和小分流道34b，其中，该小分流道34b是总流道的三分之一左右，该小分流道34b的顶部焊焊接有盖板36，该盖板36上均匀设置有若干溢流口37，每个溢流口37的顶部匹配有相应的流量调节装置38。图8中在流体流道34内没有标注出导热突体30e，是为了更清晰看到大分流道34a和小分流道34b的位置。
其他的和实施例1一样，在此不再一一赘述。
实施例3：
如图9、图10、图11和图12所示，容器30、保温盖31、流体导流器32和流体电动推送装置33共有一中轴线，流体流道34实施例一中的圆环状流体流道34的三分之二左右，对应余下的三分之一左右部位设置为隔热层。
其他的和实施例1一样，在此不再一一赘述。
实施例4：
如图1、图14和图15所示，一种太阳能光热发电系统，包括发电机组1、实施例1中的吸热储热塔本体2、定日镜5、镜场控制系统6、换热器7、熔盐8、熔盐泵9。
该吸热储热塔本体2包括吸热部3和储热部4，熔盐8设置在该吸热储热塔本体2内，该储热部4上部的外侧面上开设有若干热流体出入口40，其近底部的外侧面上开设有若干冷流体进出口41，该定日镜5受该镜场控制系统6的控制，使得来自该定日镜5的太阳反射光聚焦到该吸热储热塔本体2顶部的吸热部3外表面上；换热器7为一种熔盐换热器，其中的热熔盐进口和该热流体出入口40连通，其中的冷熔盐出口和该冷流体进出口41连通，且在冷熔盐出口和该冷流体进出口41连通的管路上设置有熔盐泵9，该换热器7上的热交换介质出口和进口分别和发电机组1连接，形成一个完整的太阳能光热发电系统。
本实施例中，发电机组1为超临界CO2布雷顿循环发电机组，包括发电机10、透平11、二级压缩机12、一级压缩机13、预冷或冷凝器14、低温回热器15、高温回热器16。
本实施例中，该太阳能光热发电系统还包括一熔盐电加热器17，该熔盐电加热器17的热熔盐出口和热流体出入口40其中一个连通，其冷熔盐进口和冷流体进出口41其中一个连通，且在冷熔盐进口和该冷流体进出口41连通的管路上设置有熔盐泵9。
本实施例中，在该吸热储热塔本体2内设置有温度探头。
本实施例中，熔盐8为经过活性金属处理过的高纯氯化物熔盐，其中，所述的活性金属包括锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌和铁中的至少一种，所述的高纯氯化物熔盐包括NaCl、KCl、MgCl2 和CaCl2 中的至少一种。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了发电机组、吸热储热塔本体、吸热部、储热部、定日镜、镜场控制系统、换热器、熔盐、熔盐泵、发电机、透平、二级压缩机、一级压缩机、预冷或冷凝器、低温回热器、高温回热器、熔盐电加热器、容器、太阳能吸热涂料、冷流体引流管、短接管、长接管、导热凸体、保温盖、流体导流器、导流直管、流体电动推送装置、变频电机、转动轴、桨叶、流体流道、大分流道、小分流道、挡板、盖板、溢流口、流量调节装置、保温套、热流体出入口、冷流体进出口等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。本技术中以熔盐作为蓄热材料，但并不局限于熔盐一种蓄热材料，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (10)
1.一种太阳能吸热储热塔，包括吸热储热塔本体（2），该吸热储热塔本体（2）包括吸热部（3）和储热部（4），其特征在于，该吸热部（3）包含呈圆柱体状的容器（30）、保温盖（31）、流体导流器（32）和流体电动推送装置（33），该保温盖（31）设置在该容器（30）的顶部，在该容器（30）的外表面上设置有太阳能吸热涂料（30a），在其内部则设置有流体导流器（32），该流体导流器（32）的中部流道呈漏斗状，其尾部的导流直管（32a）贯穿所述的容器（30）的底板，该流体电动推送装置（33）设置在流体导流器（32）的中轴线上，该流体电动推送装置（33）包含变频电机（33a）、转动轴（33b）和桨叶（33c），该转动轴（33b）的上端连接该变频电机（33a）且该变频电机（33a）置于该保温盖（31）之上，其下端则连接该桨叶（33c）且该桨叶（33c）处于该导流直管（32a）内，该桨叶（33c）旋转时能形成向下推送力；在所述的容器（30）的底板上以该导流直管（32a）为中心的周边设置有若干冷流体引流管（30b）；该容器（30）至少半圆以上的内壁和该流体导流器（32）至少半圆以上的外壁间形成一流体流道（34），所述的冷流体引流管（30b）连通该流体流道（34），使得从该冷流体引流管（30b）进入的流体向上流经该流体流道（34）后，流体溢流进所述的流体导流器（32）内，在所述的桨叶（33c）的推送下，从该导流直管（32a）流出；所述的储热部（4）为一敞口圆柱体状储罐，其顶部的敞口和所述的吸热部（3）的底部固接，其上部的外侧面上开设有若干热流体出入口（40），其近底部的外侧面上开设有若干冷流体进出口（41），所述的冷流体引流管（30b）的底端引流口靠近该储热部（4）的内底部。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能吸热储热塔，其特征在于，为便于安装运输，所述的冷流体引流管（30b）拆分为两段，即贯通吸热部底板的短接管（30c）和长接管（30d），两者通过法兰连接固定，且该冷流体引流管（30b）至少上半段上设置有隔热层；该容器（30）的底板也设置有隔热层。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能吸热储热塔，其特征在于，所述的容器（30）、保温盖（31）、流体导流器（32）和流体电动推送装置（33）共有一中轴线，该容器（30）的内壁和该流体导流器（32）的外壁间保持等间距，形成一个圆环状的流体流道（34）。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能吸热储热塔，其特征在于，所述的容器（30）、保温盖（31）、流体导流器（32）和流体电动推送装置（33）共有一中轴线，该容器（30）的内壁和该流体导流器（32）的外壁间保持等间距，形成一个圆环状的流体流道（34），该流体流道（34）被两块轴向设置的挡板（35）分隔成大分流道（34a）和小分流道（34b），其中，该小分流道（34b）是总流道的三分之一左右，该小分流道（34b）的顶部焊焊接有盖板（36），该盖板（36）上均匀设置有若干溢流口（37），每个溢流口（37）的顶部匹配有相应的流量调节装置（38）。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能吸热储热塔，其特征在于，所述的容器（30）、保温盖（31）、流体导流器（32）和流体电动推送装置（33）共有一中轴线，所述的流体流道（34）只有权利要求3所述的圆环状流体流道（34）的三分之二左右，对应余下的三分之一左右部位设置为隔热层。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能吸热储热塔，其特征在于，在流体流道（34）内的容器（30）内壁上设置有若干导热凸体（30e），该导热凸体（30e）的外端和流体导流器（32）的外壁贴合。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能吸热储热塔，其特征在于，所述的吸热部（3）的顶部设置有能上下升降的保温套（39），该保温套（39）下降后能和吸热部（3）的外部匹配。
8.一种太阳能光热发电系统，包括发电机组（1）、权利要求1至7所述的吸热储热塔本体（2）、定日镜（5）、镜场控制系统（6）、换热器（7）、熔盐（8）、熔盐泵（9），其特征在于，所述的吸热储热塔本体（2）包括吸热部（3）和储热部（4），所述的熔盐（8）设置在该吸热储热塔本体（2）内，该储热部（4）上部的外侧面上开设有若干热流体出入口（40），其近底部的外侧面上开设有若干冷流体进出口（41），该定日镜（5）受该镜场控制系统（6）的控制，使得来自该定日镜（5）的太阳反射光聚焦到该吸热储热塔本体（2）顶部的吸热部（3）外表面上；所述的换热器（7）为一种熔盐换热器，其中的热熔盐进口和该热流体出入口（40）连通，其中的冷熔盐出口和该冷流体进出口（41）连通，且在冷熔盐出口和该冷流体进出口（41）连通的管路上设置有熔盐泵（9），该换热器（7）上的热交换介质出口和进口分别和所述的发电机组（1）连接，形成一个完整的太阳能光热发电系统。
9.根据权利要求8所述的一种太阳能光热发电系统，其特征在于，所述的发电机组（1）为超临界CO2布雷顿循环发电机组，包括发电机（10）、透平（11）、二级压缩机（12）、一级压缩机（13）、预冷或冷凝器（14）、低温回热器（15）、高温回热器（16）。
10.根据权利要求8所述的一种太阳能光热发电系统，其特征在于，该太阳能光热发电系统还包括一熔盐电加热器（17），该熔盐电加热器（17）的热熔盐出口和所述的热流体出入口（40）其中一个连通，其冷熔盐进口和所述的冷流体进出口（41）其中一个连通，且在冷熔盐进口和该冷流体进出口（41）连通的管路上设置有熔盐泵（9）。
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