CN114046606B - 移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统，包括热管反应堆、半导体温差发电装置、以及太阳能集热器；所述太阳能集热器对所述半导体温差发电装置的热端提供第一热源；所述热管反应堆的结构包括反应堆堆芯和用于与其换热的换热管，所述换热管内充有相变冷却剂，换热管的进、出口分别与所述热端连接形成一回路，将热管反应堆工作时产生的热量作为第二热源供给所述热端。本发明将太阳能与核反应堆进行耦合发电并供热，实现了两种能源的互补，提高了太阳能的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及热管反应堆发电技术领域，尤其是一种移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统。
背景技术
可移动小型反应堆具有容量小、安全性高、模块化安装、适用性广等特点，可作为传统核电站的补充，以满足小电网地区、边远地区和极地岛屿的电力需求，也可以实现电源的可移动化，为极端天气或极端地貌情况提供稳定的电力来源。
现有技术中，热管冷却反应堆利用热管本身的物理性质进行导热，具有很高的热容量以及稳定性，对于可移动式小型反应堆来说，传统蒸汽轮机发电汽轮机将占据很大一部分体积，因此不适合作与可移动小堆匹配的发电装置。目前对于小型模块化热管冷却反应堆的研究主要集中在对热管换热的研究、对热管反应堆安全性的分析以及其水力特性的分析，尚缺少将其与其他发电设备进行联合供电、供热的研究，因此缺少能够实现可移动式的小型模块化热管冷却反应堆的发电能力和稳定性提升的技术方案。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统，目的是实现可移动式的小型模块化热管冷却反应堆发电能力和稳定性的提升。
本发明采用的技术方案如下：
一种移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统，包括热管反应堆、半导体温差发电装置、以及太阳能集热器；
所述太阳能集热器对所述半导体温差发电装置的热端提供第一热源；
所述热管反应堆的结构包括反应堆堆芯和用于与其换热的换热管，所述换热管内充有相变冷却剂，换热管的进、出口分别与所述热端连接形成一回路，用于将热管反应堆工作时产生的热量作为第二热源供给所述热端，所述一回路上于所述换热管的出口处设置控制阀。
进一步技术方案为：
所述热管反应堆的结构还包括压力容器，所述换热管呈螺旋状连接于在所述反应堆堆芯外部热管上，并一体式设置在所述压力容器中，压力容器内部装有导热介质，所述换热管通过所述导热介质与反应堆堆芯换热。
所述一回路上靠近换热管进口处设有凝汽器和循环水泵。
还包括储热装置，所述储热装置与所述太阳能集热器通过导热管连接，所述储热装置内设有蓄热介质；所述换热管的进、出口与所述储热装置连接形成二回路。
所述二回路上靠近换热管进口处串联连接热阱装置，靠近储热装置出口、热阱装置进口、换热管出口处分别设有控制阀。
所述一回路和所述二回路上的控制阀由控制系统调控，所述控制系统通过神经网络学习控制参数经验，进行大数据存储，实现两个回路的温度、流量参数调整及模式切换。
还包括非能动安注箱，其出口与所述换热管的进口连接。
所述储热装置与供热负载连接，用于对供热负载提供热源。
所述导热管内充有导热油，导热管上靠近储热装置进口处设有变频泵。
所述发电系统整体安装在载具上，所述半导体温差发电装置的冷端放置在载具外部，通过自然对流或强制对流进行换热。
本发明的有益效果如下：
将太阳能与核反应堆进行耦合发电并供热，实现了两种能源的互补，弥补了太阳能受天气影响的不稳定性，提高了太阳能的利用率。
利用太阳能多余的热量，增强了小型反应堆余热排出的自然循环能力，提高了热管反应堆停堆的安全性。
非能动安注箱设置在二回路上，保证事故状态下二回路中有充足的冷却剂，提升换热性能。
整个系统的体积小，可以更方便可靠的实现移动。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1、太阳能集热器；2、导热管；3、非能动安注箱；4、阀门三；5、管路四；6、储热装置；7、阀门五；9、供热负载；11、阀门二；12、阀门一；13、管路三；14、管路一；15、压力容器；16、换热管；17、变频泵；18、反应堆堆芯；19、循环水泵；20、凝汽器；21、管路二；22、热阱装置；23、热端；24、阀门四；25、管路五；26、出口端；27、入口端。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例的移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统，如图1所示，包括热管反应堆、半导体温差发电装置、以及太阳能集热器1；
太阳能集热器1对半导体温差发电装置的热端23提供第一热源；
热管反应堆的结构包括反应堆堆芯18和用于与其换热的换热管16，换热管16内充有相变冷却剂，换热管16的进、出口分别与热端23连接形成一回路，用于将热管反应堆工作时产生的热量作为第二热源供给热端23，一回路于所述换热管16的出口处设置控制阀。
其中，太阳能集热器1采用聚光式集热器，其聚集的热量直接加热半导体温差发电系统的热端23。
其中，热管反应堆的结构还包括压力容器15，换热管16呈螺旋状连接于在反应堆堆芯18外部热管上，一体式设置在压力容器15中，压力容器15内部装有导热介质，换热管16通过导热介质与反应堆堆芯18换热。
其中，一回路上靠近换热管16进口处设有凝汽器20和循环水泵19。
具体的，一回路包括管路一14和管路二21，管路一14上设有阀门一12，管路一14接换热管16的出口端26与半导体温差发电装置的热端23一侧，管路二21连接热端23另一侧与换热管16的入口端27。凝汽器20和循环水泵19串联在管路二21上。
反应堆堆芯18为热管冷却反应堆堆芯，采用热管传热元件冷却堆芯，热管利用热管内工质(可采用液态金属钠、铅铋合金等)的气化吸收堆芯释放的大量热量，并在放热段凝结释放热量给压力容器15内的导热介质，导热介质将热量传递给换热管16，换热管16内的相变冷却剂吸热形成饱和蒸气，从换热管16的出口端26流出，由管路一14输出经过热端23放热后，经过管路二21流入凝汽器20冷凝，并通过循环水泵19输送回换热管16的入口端27，形成循环回路。
由此，可通过一回路将热管反应堆工作时产生的热量给热端23，为半导体温差发电装置发电提供动力。
导热介质可采用水。
换热管16内的相变冷却剂可采用水或其他相变介质。
换热管16除了可采用螺旋管，还可采用直管、U形管等，直接与反应堆堆芯18的热管的接触，有利于提高导热效率。且由于热管冷却反应堆一次换热可通过热管内工质相变进行导热，自然循环能力强，对堆芯热量的排出提供了有力保障。热管冷却反应堆依靠其自身物理性质进行传热，不需要额外提供能量，因此其安全性较高。
本实施例的移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统，还包括储热装置6，储热装置6与太阳能集热器1通过导热管2连接，储热装置6内设有蓄热介质。
导热管2内充有导热油，导热管2上靠近储热装置6进口处设有变频泵17。导热管2上也设有阀门，可用于控制流量。
其中，导热管2内的导热油流经太阳能集热器1吸收热量，再将热量储存至储热装置6中。导热油流向如图中箭头所示。
储热装置6与供热负载9连接，用于对供热负载9提供热源。
储热装置6可以在阳光充足时将多余热量储存起来防止能量损失，在夜间或阳光不足时能够持续稳定的向供热负载9输出热量。
供热负载9可以为太阳能制冰系统等。
储热装置6与供热负载9连接的管路上设有阀门五7。储热装置6中蓄热介质流向可参考图中箭头方向。
储热装置6可采用位显热式储热，其中的显热蓄热介质可采用液体介质，包括各种盐、矿物油、合成油、液态金属和水等。
而由于太阳辐射的不稳定性，需要通过变频泵17来实时改变导热管2中的导热油流量，以保证有足够的导热油来传输太阳辐射热量且不产生由于导热油流量过大而造成的能量损失。其次，也可以通过变频泵17来控制太阳能集热器1收集的太阳能供给储热装置6和供给热端23用于发电的比例。
换热管16的进、出口与储热装置6连接形成二回路。
二回路上靠近换热管16进口处串联连接热阱装置22，靠近储热装置6出口、热阱装置22进口、换热管16出口处分别设有控制阀。
一回路和二回路上的控制阀由控制系统调控，其中控制系统通过神经网络学习控制参数经验，进行大数据存储，实现两个回路的温度、流量等参数调整及模式切换的智能操作。
其中，二回路包括管路三13、管路四5、管路五25，管路三13连接换热管16的出口端26与储热装置6入口，管路四5连接储热装置6出口与热阱装置22入口，管路五25连接热阱装置22出口与换热管16的入口端27。管路三13上设有阀门二11、管路四5上设有阀门三4。
二回路的一方面作用是，在热管反应堆停堆时，反应堆余热将通过换热管16的出口端26、经管路三13进入储热装置6，吸收热量后从储热装置6流出、经管路四5流至热阱装置22，然后经管路五25流回至换热管16的入口端27。
通过储热装置6加热，增大冷热端(入口端27、出口端26)流体的密度差，增强余热排出的自然循环能力，有助于加速余热的排出，提高安全性。
其中，通过储热装置6储存太阳能，缓解太阳辐射的波动以及不稳定性造成的蒸汽出口温度的剧烈波动。
二回路的另一方面作用是，热管反应堆工作时，分流流经一回路的蒸汽量，将一部分热量储存在储热装置6中，控制供给热端23的热量，从而调节发电功率。
还包括非能动安注箱3，其出口与换热管16的进口连接，连接管路上设置阀门四24。
发电系统整体安装在载具上，其中，半导体温差发电装置的热端23可由聚光式集热器以及反应堆热量加热，冷端可放置于载具外部进行自然对流换热或强制对流进行换热。
本实施例的移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统的工作流程：
热管反应堆工作时，阀门一12开启，阀门二11、阀门三4关闭，冷却剂(新蒸汽)从换热管16的出口端26进入一回路，经过半导体温差发电装置的热端23对其加热，加热后的蒸汽进入凝汽器20冷凝，回到换热管16的入口端27，继续下一换热循环，不断将热管反应堆的热量传递给热端23进行发电。冷却剂了流向可参考图中箭头所示。
太阳能集热器1也直接对热端23加热，为半导体温差发电装置发电提供能量。太阳能集热器1将太阳能储存在储热装置6中，可对用户负载供热。
热管反应堆工作时，也可以通过开启阀门二11控制部分新蒸汽流经储热装置6，将热量储存在储热装置6，从而控制新蒸汽流经阀门一12的量，以控制发电功率，提高整个系统的机动性。
热管反应堆停堆时，阀门一12关闭，阀门二11、阀门三4开启，余热下的剩余新蒸汽从换热管16的出口端26进入二回路，经过与储热装置6蓄热介质换热，新蒸汽温度升高，加快了循环速度，有助于余热快速排出，提高安全性。
事故状态下，阀门一12关闭，阀门二11、阀门三4开启，非能动安注箱3内储存的冷却剂进入换热管16的进口，从而向二回路中补充冷却剂，以加快余热排出反应堆。冷却剂补充量可由阀门四24控制。
具体的，本申请系统中的各阀门均由控制系统采用人工智能方式控制开度，控制系统通过神经网络学习控制参数经验，进行大数据存储，实现回路的温度、流量等参数调整及模式的切换的智能操作。
本申请在反应堆正常运行期间，实现太阳能与核能联合发电，并为外界系统供热；利用太阳能加热换热管的蒸发段，来增强冷却剂的换热能力，自然循环能力增强，提高反应堆停堆时的余热排出能力，保证反应堆在停堆时的安全性。反应堆采用热管冷却式反应堆，导热稳定性。发电装置采用半导体温差发电装置，减小整个系统的体积。本申请占地面积和体积很小，结构紧凑，使用灵活，可以安放于特定的车辆、轮船等载具上实现可移动化。
Claims (7)
1.一种移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统，其特征在于，包括热管反应堆、半导体温差发电装置、以及太阳能集热器（1）；
所述太阳能集热器（1）对所述半导体温差发电装置的热端（23）提供第一热源；
所述热管反应堆的结构包括反应堆堆芯（18）和用于与其换热的换热管（16），所述换热管（16）内充有相变冷却剂，换热管（16）的进、出口分别与所述热端（23）连接形成一回路，用于将热管反应堆工作时产生的热量作为第二热源供给所述热端（23），所述一回路上于所述换热管（16）的出口处设置控制阀；
还包括储热装置（6），所述储热装置（6）与所述太阳能集热器（1）通过导热管（2）连接，所述储热装置（6）内设有蓄热介质；所述换热管（16）的进、出口与所述储热装置（6）连接形成二回路；
所述二回路上靠近换热管（16）进口处串联连接热阱装置（22），靠近储热装置（6）出口、热阱装置（22）进口、换热管（16）出口处分别设有控制阀；
所述一回路和所述二回路上的控制阀由控制系统调控，所述控制系统通过神经网络学习控制参数经验，进行大数据存储，实现两个回路的温度、流量参数调整及模式切换。
2.根据权利要求1所述的移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统，其特征在于，所述热管反应堆的结构还包括压力容器（15），所述换热管（16）呈螺旋状连接于在所述反应堆堆芯（18）外部热管上，并一体式设置在所述压力容器（15）中，压力容器（15）内部装有导热介质，所述换热管（16）通过所述导热介质与反应堆堆芯（18）换热。
3.根据权利要求1所述的移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统，所述一回路上靠近换热管（16）进口处设有凝汽器（20）和循环水泵（19）。
4.根据权利要求1所述的移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统，还包括非能动安注箱（3），其出口与所述换热管（16）的进口连接。
5.根据权利要求1所述的移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统，所述储热装置（6）与供热负载（9）连接，用于对供热负载（9）提供热源。
6.根据权利要求1所述的移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统，所述导热管（2）内充有导热油，导热管（2）上靠近储热装置（6）进口处设有变频泵（17）。
7.根据权利要求1所述的移动式小型热管反应堆与太阳能耦合发电系统，其特征在于，所述发电系统整体安装在载具上，所述半导体温差发电装置的冷端放置在载具外部，通过自然对流或强制对流进行换热。
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- 2021-10-21 CN CN202111229884.4A patent/CN114046606B/zh active Active
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