CN112833572A - 一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统及方法，所述系统包括吸热系统和储热系统，吸热系统包括吸热介质供应回收罐和吸热介质循环回路，吸热介质循环回路包括上塔管道、吸热器、出口缓存罐、下塔管道和储热换热器，吸热器和出口缓存罐均设置在吸热塔的顶端；储热换热器包括吸热介质通道和储热介质通道，上塔管道、吸热器、出口缓存罐、下塔管道和吸热介质通道依次循环连通；吸热介质供应回收罐通过阀门与上塔管道相连；吸热介质供应回收罐设有泄压阀；吸热介质供应回收罐通过加压机构加压；储热系统包括设置在地面的低温储热罐和高温储热罐，低温储热罐通过储热泵与储热介质通道的入口连接，储热介质通道的出口与高温储热罐连接。

Description

一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统及方法

技术领域

本发明涉及太阳能热发电技术领域，特别涉及一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统及方法。

背景技术

太阳能热发电技术使用太阳能来产生电力，是太阳能大规模利用的一个重要方向，其最具竞争力的优点是易于与储热系统结合在一起，通过储热系统，可以摆脱太阳能不稳定带来的影响。熔融盐有使用温度高、温度范围宽、流动特性好、热容量大等特性，可用于太阳能光热电站的大规模储热，是目前应用最广的太阳能吸热和储热介质。

塔式光热发电技术作为应用前景最为广泛的太阳能发电技术之一，具有集热倍数高、效率高等特点。但是由于其吸热塔高度较高，需要采用高扬程、高流量的熔盐泵将熔融盐输送至塔顶的吸热器中。目前采用安装于储罐罐顶的立式长轴液下熔盐泵作为输送泵，但是由于立式长轴液下熔盐泵的使用局限性，导致以下两个问题：(1)立式长轴液下熔盐泵的设计、制造难度大，尤其是高扬程、高流量的长轴熔盐泵，目前世界上能生产用于塔式太阳能电站使用的长轴熔盐泵的厂家屈指可数，且价格昂贵、供货周期长，同时由于该泵工程应用时间较短，设备的可靠性需进一步验证。(2)由于吸热塔高度较高，将熔融盐输送至塔顶吸热器的熔盐泵一般功率都较大，导致系统在运行过程中厂用电消耗较大，对电站运行的经济性会产生较大影响。

因此，如何解决立式长轴熔盐泵带来的成本上升、可靠性较差、厂用电消耗较大的问题，是目前塔式光热电站亟需的一大难题之一。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统，包括吸热系统和储热系统，所述吸热系统包括吸热介质供应回收罐和吸热介质循环回路，所述吸热介质循环回路包括上塔管道、吸热器、出口缓存罐、下塔管道和储热换热器，所述吸热器和出口缓存罐均设置在吸热塔的顶端；所述储热换热器包括吸热介质通道和储热介质通道，所述上塔管道、吸热器、出口缓存罐、下塔管道和吸热介质通道依次循环连接，所述吸热介质循环回路上设有为吸热介质循环提供动力的吸热泵；

所述吸热介质供应回收罐为吸热介质的存储容器，其通过第一管道与所述上塔管道相连，所述第一管道上设有第一阀门；所述吸热介质供应回收罐通过第二管道与加压机构相连，所述第二管道上设有第二阀门；所述吸热介质供应回收罐上还设有泄压阀；

所述储热系统包括设置在地面的低温储热罐和高温储热罐，所述低温储热罐和高温储热罐分别与所述储热介质通道的入口和出口相通，在运行时，所述低温储热罐通过储热泵将其内的低温储热介质输送至所述储热介质通道。

较佳地，所述吸热泵设置在所述出口缓存罐上，用于将所述出口缓冲罐内的吸热介质输送至所述下塔管道。

较佳地，所述出口缓存罐的底部还开设有出口，此出口通过第三管道与所述下塔管道连通，所述第三管道上还设有第三阀门。

本发明对以上阀门的结构不做具体限制，各阀门设置在相应管道上以调节各管道的通断、流量大小、流速或流向等。

较佳地，所述吸热介质通道的出口处还设有吸热止回阀。

较佳地，所述加压机构为气体加压机构。

较佳地，所述气体加压机构包括气体压缩机和压缩气体储罐，所述气体压缩机通过所述压缩气体储罐向所述吸热介质供应回收罐供气。

较佳地，所述吸热介质供应回收罐的存储容积不小于其与所述吸热介质循环回路相连的管道以及所述吸热介质循环回路的容积总和；

在所述吸热泵出现故障的情况下，所述吸热介质供应回收罐的存储容积不小于所述吸热器正常运行预设时间所需的吸热介质的总量。

较佳地，在所述吸热泵出现故障的情况下，所述吸热介质供应回收罐的存储容积不小于所述吸热器正常运行1min的吸热介质的总量。

较佳地，所述吸热介质供应回收罐、出口缓存罐、低温储热罐和高温储热罐均安装至少一液位计。

较佳地，所述系统中的所有设备和管道上均安装有防凝加热装置和温度测量装置。

本发明还提供一种塔式太阳能电站的吸热和储热方法，采用上述实施例所述的系统，包括：

S1：泄压阀、第二阀门、储热泵关闭，第一阀门开启，吸热泵开启，待所述吸热介质供应回收罐液位达到一定高度后，打开第二阀门；

S2：所述吸热介质供应回收罐内的压力不断增加，液位不断降低，最终维持在一定的高度，吸热介质通过上塔管道进入吸热器中；

S3：吸热介质经吸热器吸热后，高温吸热介质从吸热器出口管道依次进入出口缓存罐、下塔管道、储热换热器的吸热介质通道内，依次循环；

S4：待吸热介质温度升到一定值时，启动储热泵，低温储热介质从低温储热罐进入储热换热器的储热介质通道中换热，换热后的储热介质经管道进入高温储热罐中，储热介质依次流动。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

(1)本系统采用储热介质与吸热介质换热的方式，将吸热系统的上塔管道和下塔管道连通，充分利用下塔管道中自身储热介质的重力，极大地降低了储热泵的扬程，不仅可以增加了储热泵的设备可靠性，还可以降低储热泵的运行功率，降低厂用电消耗，提供系统的经济性；

(2)本系统采用吸热介质供应回收罐存储足够吸热器正常运行预约时间(如1min)的吸热介质的方式，一旦吸热泵故障，可以通过吸热介质源(如压缩空气源)驱动吸热介质继续在吸热系统中循环，防止吸热器烧毁，保证设备运行的安全性；

(3)本系统无论在吸热或者不吸热的过程中，吸热介质均在吸热系统内部，上塔管道和下塔管道不存在充、放吸热介质的过程，相较于传统的塔式光热发电技术，本系统具有启动时间短、放空时间短的特点，可以提高整个系统的经济性。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，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。附图中：

图1为本发明的优选实施例提供的一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合图1对本发明提供的一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统进行详细的描述，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的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

请参考图1，一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统，包括吸热系统和储热系统，所述吸热系统包括吸热介质供应回收罐1和吸热介质循环回路：

所述吸热介质循环回路包括上塔管道12、吸热器4、出口缓存罐5、下塔管道11和储热换热器7，所述吸热器4和出口缓存罐5均设置在所述吸热塔的顶端；所述储热换热器7包括吸热介质通道和储热介质通道，所述上塔管道12、吸热器4、出口缓存罐5、下塔管道11和吸热介质通道依次循环连通，所述吸热介质循环回路上设有为吸热循环提供动力的吸热泵6。

本发明对吸热泵6设置在吸热介质循环回路的哪个位置不做具体限制，优选设置在出口缓存罐5上或出口缓存罐5内，具体根据吸热介质决定，如果吸热介质温度比较高，则将吸热泵6设置在出口缓存罐5上，其入口伸入至所述出口缓存罐内，其出口与所述下塔管道连通。

在本实施例中，所述出口缓存罐5的进口通过管道与所述吸热器4的出口连通，所述吸热器4的进口与上塔管道12的上端相连。所述出口缓存罐5的出口设置在所述出口缓存罐5的底部，此出口通过第三管道与所述下塔管道11连通，所述第三管道上还设有泄放阀501。

所述吸热介质供应回收罐1设置地面，为吸热介质的存储容器，其通过第一管道与所述上塔管道12的下端连通，所述第一管道上设有控制阀103；所述吸热介质供应回收罐1通过第二管道与加压机构相连，所述第二管道上设有冲压阀101；所述吸热介质供应回收罐1上还设有泄压阀102，当需要回收吸热介质时，开启泄压阀102，以降低吸热介质供应回收罐1的压力；在控制阀103开启的情况下，吸热介质便可通过重力回到吸热介质供应回收罐1中。

本发明对加压机构不做具体限制，如可采用气体对吸热介质供应回收罐1加压，即此加压机构为气体加压机构，气源可以是空气，但并不局限于空气，任何不与吸热介质发生化学反应的气体都是可以的，如氮气、氩气、氦气等。具体的，所述气体加压机构包括气体压缩机3和压缩气体储罐2，所述气体压缩机3通过所述压缩气体储罐2向所述吸热介质供应回收罐1供气。

所述吸热介质通道的出口处还设有吸热止回阀13，具体的，所述吸热止回阀13设置在上塔管道12上，且位于控制阀103与吸热介质通道出口之间。

在本实施例中，当吸热介质供应回收罐1需要向外输出吸热介质时，开启冲压阀101，关闭泄压阀102，提升吸热介质供应回收罐1的压力，在控制阀103开启的情况下便可向外输出吸热介质。

所述储热系统包括设置在地面的低温储热罐8和高温储热罐10，所述低温储热罐8和高温储热罐10分别与所述储热介质通道的入口和出口相通，在运行时，所述低温储热罐8通过储热泵9将其内的低温储热介质输送至所述储热介质通道。储热泵9可以设置在低温储热罐8内或低温储热罐8上，具体根据储热介质决定，当储热介质为熔盐时，由于熔盐温度比较高，因此，将储热泵9设置在低温储热罐8上，其入口伸入至低温储热罐8内，其出口与储热介质通道的入口连通。

在本实施例中，储热泵9将低温储热罐8内的低温储热介质输送至储热换热器7的储热介质通道中，通过与吸热介质通道内的吸热介质换热，使低温储热介质成为高温储热介质返回高温储热罐10中，来实现热量的存储。本发明对储热介质的类型不做具体限制，如熔融金属、熔融盐等，本实施例以熔融盐为例，本系统采用储热介质与吸热介质换热的方式，将吸热系统的上塔管道12和下塔管道11连通，充分利用下塔管道11中熔盐自身的重力，极大地降低了熔盐泵的扬程，不仅可以增加熔盐泵的设备可靠性，还可以降低熔盐泵的运行功率，降低厂用电消耗，提供系统的经济性。

所述吸热介质供应回收罐1为吸热介质的存储容器，其存储容积需要同时不小于(优选大于)：

(1)所述吸热介质供应回收罐1与所述吸热介质循环回路之间的连接管道的容积以及整个所述吸热介质循环回路的容积之和；

(2)在所述吸热泵6出现故障的情况下，保证所述吸热器4正常运行1min的吸热介质的总量。

在本实施例中，所述吸热介质供应回收罐1、出口缓存罐5、低温储热罐8和高温储热罐10均安装至少一液位计。

所述系统中的所有设备和管道上均安装有防凝加热装置和温度测量装置。

本发明还提供一种塔式太阳能电站的吸热和储热方法，采用上述实施例所述的系统，包括：

S1：泄压阀102、冲压阀101、储热泵9关闭，控制阀103开启，吸热泵6开启，待所述吸热介质供应回收罐1液位达到一定高度后，打开冲压阀101；

S2：所述吸热介质供应回收罐1内的压力不断增加，液位不断降低，最终维持在一定的高度，吸热介质通过上塔管道12进入吸热器4中；

S3：吸热介质经吸热器4吸热后，高温吸热介质从吸热器4出口管道依次进入出口缓存罐5、下塔管道11、储热换热器7的吸热介质通道内，依次循环；

S4：待吸热介质温度升到一定值时，启动储热泵9，低温储热介质从低温储热罐8进入储热换热器7的储热介质通道中换热，换热后的储热介质经管道进入高温储热罐10中，储热介质依次流动。

Claims (11)

1.一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统，其特征在于，包括吸热系统和储热系统，所述吸热系统包括吸热介质供应回收罐和吸热介质循环回路，所述吸热介质循环回路包括上塔管道、吸热器、出口缓存罐、下塔管道和储热换热器，所述吸热器和出口缓存罐均设置在吸热塔的顶端；所述储热换热器包括吸热介质通道和储热介质通道，所述上塔管道、吸热器、出口缓存罐、下塔管道和吸热介质通道依次循环连通，所述吸热介质循环回路上设有为吸热介质循环提供动力的吸热泵；

所述吸热介质供应回收罐为吸热介质的存储容器，其通过第一管道与所述上塔管道相连，所述第一管道上设有第一阀门；所述吸热介质供应回收罐通过第二管道与加压机构相连，所述第二管道上设有第二阀门；所述吸热介质供应回收罐上还设有泄压阀；

所述储热系统包括设置在地面的低温储热罐和高温储热罐，所述低温储热罐和高温储热罐分别与所述储热介质通道的入口和出口相通，在运行时，所述低温储热罐通过储热泵将其内的低温储热介质输送至所述储热介质通道。

2.如权利要求1所述的一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统，其特征在于，所述吸热泵设置在所述出口缓存罐上，用于将所述出口缓冲罐内的吸热介质输送至所述下塔管道。

3.如权利要求1所述的一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统，其特征在于，所述出口缓存罐的底部还开设有出口，此出口通过第三管道与所述下塔管道连通，所述第三管道上还设有第三阀门。

4.如权利要求1所述的一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统，其特征在于，所述吸热介质通道的出口处还设有吸热止回阀。

5.如权利要求1所述的一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统，其特征在于，所述加压机构为气体加压机构。

6.如权利要求5所述的一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统，其特征在于，所述气体加压机构包括气体压缩机和压缩气体储罐，所述气体压缩机通过所述压缩气体储罐向所述吸热介质供应回收罐供气。

7.如权利要求1所述的一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统，其特征在于，所述吸热介质供应回收罐的存储容积不小于其与所述吸热介质循环回路相连的管道以及所述吸热介质循环回路的容积总和；

在所述吸热泵出现故障的情况下，所述吸热介质供应回收罐的存储容积不小于所述吸热器正常运行预设时间所需的吸热介质的总量。

8.如权利要求7所述的一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统，其特征在于，在所述吸热泵出现故障的情况下，所述吸热介质供应回收罐的存储容积不小于所述吸热器正常运行1min的吸热介质的总量。

9.如权利要求1所述的一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统，其特征在于，所述吸热介质供应回收罐、出口缓存罐、低温储热罐和高温储热罐均安装至少一液位计。

10.如权利要求1所述的一种塔式太阳能电站的吸热和储热系统，其特征在于，所述系统中的所有设备和管道上均安装有防凝加热装置和温度测量装置。

11.一种塔式太阳能电站的吸热和储热方法，采用上述权利要求1至10任一项所述的系统，其特征在于，包括：

S1：泄压阀、第二阀门、储热泵关闭，第一阀门开启，吸热泵开启，待所述吸热介质供应回收罐液位达到一定高度后，打开第二阀门；

S2：所述吸热介质供应回收罐内的压力不断增加，液位不断降低，最终维持在一定的高度，吸热介质通过上塔管道进入吸热器中；

S3：吸热介质经吸热器吸热后，高温吸热介质从吸热器出口管道依次进入出口缓存罐、下塔管道、储热换热器的吸热介质通道内，依次循环；

S4：待吸热介质温度升到一定值时，启动储热泵，低温储热介质从低温储热罐进入储热换热器的储热介质通道中换热，换热后的储热介质经管道进入高温储热罐中，储热介质依次流动。

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