CN206309538U - 太阳能多能互补热发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型太阳能多能互补热发电装置选择包括可再生能源和化石能源在内的多种能源与太阳能热发电储热装置结合并实现互补供能发电；采用高温液体传热介质和固体储热介质混合储热以及两罐或单罐储热新技术；通过风力发电为储热系统补热；选择不同类型动力机进行有机组合，在简化结构、降低成本、延长发电时数、扩大使用范围，提高发电设备利用率，减少硬件投资上提出了全新的技术路线。该装置属太阳能热发电技术领域。

Description

太阳能多能互补热发电装置

技术领域

本实用新型太阳能多能互补热发电装置选择包括可再生能源和化石能源在内的多种能源与太阳能热发电储热装置结合并实现互补供能发电；采用高温液体传热介质和固体储热介质混合储热以及两罐或单罐储热新技术；通过风力发电为储热系统补热；选择不同类型动力机进行有机组合，在简化结构、降低成本、延长发电时数、扩大使用范围，提高发电设备利用率，减少硬件投资上提出了全新的技术路线。该装置属太阳能热发电技术领域。

背景技术

2016年7月中国政府决定加快推进多能互补集成优化示范工程建设，而传统槽式太阳能热发电在设计中已经包括使用了燃气或燃油等互补技术，确保无光照或光照不稳定时继续发电。太阳能燃气联合发电也具有此特征，不过太阳能在那里仅起辅助作用。近几年太阳能多能互补技术有了新进展，例如美国专利US20140223906虽然沿用传统技术，但采用燃气轮机替代传统的燃气燃油锅炉，表面似乎与太阳能燃气联合循环技术如US8863493等专利文献无本质区别，但太阳能已经改变其从属地位，类似的如WO2015187423也是如此。从这些专利文献可以透视，太阳能互补热发电逐步进入以太阳能为主、其它能源技术为辅的多能互补新阶段，明显具有技术进步特征。其实美国桑迪亚实验室早在2011年提出用燃气轮机余热为熔盐罐补热，专利US20120102950对该技术做了详细阐述。而发明人最早在专利201110262876.X中提出将补热锅炉与热储存相结合。国内如专利CN201210520274.4则利用熔盐储热罐做中介与生物质燃气锅炉互补；CN201310049680.1用生物质流化床锅炉直接替代燃油燃气锅炉与太阳能循环系统并联；CN201620652337.5则简单把带储热的太阳能发电和生物质能发电系统组合。众所周知，太阳能热发电的技术优势是储热，因此多能互补的研究核心应以充分发挥其储热优势为主，包括接纳过剩风电、光伏以及生物质等可再生能源，亦或是与燃油、燃气、燃煤等化石能源互补，都应实现与太阳能热发电储热系统的互补，力争以最少的成本代价实现最大经济效益。最近欧盟组织相关院校和企业完成了HYSOL沼气燃气与熔盐储热实验，尽管没有透露燃气轮机技术，但该实验采用的技术路线与美国专利US20120102950的技术方案几近相同。目前该技术暴露的主要问题在于燃气轮机价格高昂，相对于光热发电要求降低初始投资和造价的迫切性而言更应选择可替代品。总之，使用多种能源与太阳能热发电实现互补发电，并选择低成本构建全新的储热循环系统已经成为太阳能热发电技术发展的新趋势。同样的，发明人也曾试图选择更简洁的技术，特别在储热装置构造和互补储能上力求有新的突破，并与其它能源技术建立良好互动，争取在降低初始投资，提高效率、延长发电时数，扩大地域使用范围上有所作为。

发明内容

本实用新型是在中国专利201110262876.X、201110343277.0、201310180460.2、201410123275.X、201510033477.4、201610512003.2和201610856317.4的基础上进行的技术改进，通过构造全新的储热装置、采用多能互补新方法，在简化系统硬件、提升发电效率和延长发电时数，增强系统环境适应性和生存能力中实现太阳能热发电效率及成本最优化。上述专利内容作为本实用新型的一部分适用本实用新型。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

1、太阳能多能互补热发电装置包括太阳能聚光装置、储热装置、补热锅炉、转换阀、压力泵、蒸发器或换热器；传热介质补热器；传热介质、储热介质；电力加热器、电力电缆、动力工质；冷凝器或空气冷却装置，动力发电机组，聚光阵列跟踪和发电控制装置，风电机，主要特征在于：太阳能聚光装置通过传输管线和转换阀连接设置在补热锅炉内的传热介质补热器进口；转换阀另一端和补热锅炉内的传热介质补热器出口同时连接储热装置热罐进口，储热装置热罐出口连接蒸发器或换热器进口，蒸发器或换热器出口连接储热冷罐进口，出口连接压力泵，压力泵出口连接太阳能聚光装置进口，构成太阳能热循环系统；动力侧的换热器或蒸发器出口连接动力发电机组涡轮机进气口；涡轮机出气口连接冷凝器，冷凝器出口连接压力泵，或经汽水分离装置连接压力泵，压力泵输出端连接换热器或蒸发器进口，构成完整的热发电循环；补热锅炉中的传热介质补热器或者并联在储热装置热罐进口和冷罐出口之间；采用单罐储热则将补热锅炉中的传热介质补热器进出口与储热装置进出口并联；电力加热器设置在储热装置的热罐或单罐储热罐底部，均匀排列；动力侧选择超临界二氧化碳布雷顿热发电则蒸发器出口连接涡轮机进气口，涡轮机出气口连接补热器进口，对应的出口连接冷凝器进口，冷凝器出口连接压气机进口，压气机出口连接补热器另一端进口，对应的出口连接蒸发器进口，完成布雷顿动力循环；

1)所述动力发电机组为蒸汽朗肯、卡琳娜循环或有机朗肯热发电机组；或超临界二氧化碳布雷顿热发电机组；

2)所述冷凝器选择空气冷却装置，或采用水冷设备；

3)所述补热锅炉包括燃气锅炉、燃油锅炉、电力锅炉以及燃煤生物质直燃锅炉；或燃煤、生物质流化床锅炉；根据原料来源难易和经济性选择其中一种锅炉；传热介质补热器设置在补热锅炉内；或选择固体燃料电池如固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，或开式燃气布雷顿热发电机组替代补热锅炉，利用其排出的高温余热为储热装置补热，所发电力主要供电站自身使用，同时也为电力加热器提供电力；

4)所述补热锅炉使用的气体燃料可选择烷烃类气体如生物质气化气、沼气、煤制气、天然气、可燃冰气、液化石油气；或选择醇类燃料如甲醇、乙醇、二甲醚液态燃料；或选择燃油如柴油、汽油、煤油、重油；或选择电网过剩电力如低谷电、无负载过剩电力；或选择风电、光伏丢弃电力；

5)所述储热装置是指两罐包括热罐或冷罐以及单罐储热罐的储热容器，其热罐内部或设置陶瓷、石墨蜂窝固体储热装置；固体储热介质及容器可占用储热空间，减少导热油或熔盐传热介质的使用量，并提高储热效率；固体储热介质或选择玻璃、陶瓷、石墨、水泥块、花岗岩、玄武岩、火成岩、石英岩、金属冶炼废渣，回收废旧铝、硅制品或经上述混合兼具比热容和导热系数良好的固体储热介质，放置在固体储热容器内；固体储热容器采用特种陶瓷或耐腐蚀金属材料制作，为圆柱体、长方体、环形体，固体储热容器外壁设传热介质流通孔洞或网口，孔洞或网口的直径以所选择的最小固体储热介质体积为限；为降低造价，储热装置冷罐为液体储罐，其容积仅保证传热介质热循环需要，体积明显小于储热罐；上述构造适用单罐储热罐；

6)所述电力加热器设置在储热装置热罐或单罐储热罐底部，均匀布置，保证高温传热介质熔盐或导热油温度达到发电工况要求；

7)所述传热介质选择高温无压液体如导热油、或熔盐、或高温硅油；熔盐选择二元熔盐、或低结晶点如60-140度、高气化点560-650度低腐蚀的三元、四元熔盐，或在其中添加微量粉体石墨烯材料、或添加石墨纳米材料以提高导热特性；

8)所述动力工质为水蒸气、氨气、二氧化碳气、一氧化氮气、冷凝剂；

9)所述太阳能聚光装置选择槽式、塔式、菲涅耳和蝶式聚光装置中的一种，或选择不同聚光装置进行组合；所述槽式、菲涅耳聚光阵列配置线聚焦太阳能强化集热管，进一步提高传热效率，降低热损耗；

10)所述风电机作为太阳能热发电站专用配置为补热锅炉和电力加热器提供电力，多余电力直接进入电网；

11)所述电力电缆连接补热锅炉和设置在储热装置热罐或单罐储热罐中的电力加热器以及风电机组。

本实用新型新颖之处在于，可根据自然环境充分发挥太阳能热发电技术优势，从根本上解决传统太阳能热发电技术构造复杂，初始投资成本高、环境适应性差的问题，特别是通过多能互补可延长发电时数，通过传热和储热介质各司其职以及引入低成本固体储热介质，明显提高太阳能热发电技术的生存能力和环境适应性；本实用新型还适于投资人根据地方特点和比较优势选择其中一种或对不同模式进行优化组合；特别是在太阳能热发电站配置风力发电机组利用风电进行互补可实现真正意义上的无碳排放发电。

附图说明

图1是本实用新型太阳能燃气互补双罐储热布雷顿热发电示意图

图2是本实用新型太阳能并联电力补热双罐储热朗肯热发电示意图

图3是本实用新型太阳能并联互补单罐储热有机朗肯发电示意图

图4是本实用新型太阳能混合互补单罐储热卡琳娜发电示意图

其中：1太阳能聚光装置、2储热装置、3布雷顿热发电机、4转换阀、5压力泵、6蒸发器或换热器、7补热锅炉、8传热介质补热器、9冷凝器、10涡轮机、11风电机、12压气机、13补热器、14汽水或气液分离装置、15有机郎肯或卡琳娜热发电机、16蒸汽朗肯热发电机、17电力加热器

具体实施方式

方案1

太阳能聚光装置1通过传输管线和转换阀4连接设置在补热锅炉19内的传热介质补热器7进口；转换阀4另一端和补热锅炉7内的传热介质补热器8出口同时连接储热装置2热罐进口，储热罐2出口连接蒸发器或换热器6进口，蒸发器或换热器6出口连接储热装置2冷罐进口，出口连接压力泵5，压力泵5出口连接太阳能聚光装置1进口，构成太阳能热循环系统；动力侧的换热器或蒸发器6出口连接动力发电机组涡轮机10进气口；涡轮机10出气口连接冷凝器9，冷凝器9出口连接压力泵5，或经汽水或气液分离装置14连接压力泵5，压力泵5输出端连接换热器或蒸发器6进口，构成完整的蒸汽朗肯、有机郎肯或卡琳娜热发电循环；电力加热器17设置在储热装置2热罐或单罐储热罐底部，均匀排列；

方案2

采用单罐储热技术，将太阳能聚光装置1通过传输管线和转换阀4连接设置在补热锅炉7内的传热介质补热器8进口和储热装置2热罐进口；补热锅炉7进出口与储热装置2冷罐出口并联；电力加热器17设置在储热装置2热罐或单罐储热罐底部，均匀排列；风电机11通过电力电缆连接补热锅炉7和设置在储热装置2的电力加热器17；动力侧选择布雷顿热发电机3则蒸发器6出口连接涡轮机10进气口，涡轮机10出气口连接补热器13进口，对应的出口连接冷凝器9进口，冷凝器9出口连接压气机12进口，其出口连接补热器13另一端进口，对应的出口连接蒸发器6进口，完成布雷顿热发电动力循环。

Claims (1)

1.太阳能多能互补热发电装置包括太阳能聚光装置、储热装置、补热锅炉、转换阀、压力泵、蒸发器或换热器；传热介质补热器；传热介质、储热介质；电力加热器；电力电缆、动力工质；冷凝器或空气冷却装置，动力发电机组，聚光阵列跟踪和发电控制装置，风电机，主要特征在于：太阳能聚光装置通过传输管线和转换阀连接设置在补热锅炉内的传热介质补热器进口；转换阀另一端和补热锅炉内的传热介质补热器出口同时连接储热装置热罐进口，储热装置热罐出口连接蒸发器或换热器进口，蒸发器或换热器出口连接储热冷罐进口，出口连接压力泵，压力泵出口连接太阳能聚光装置进口，构成太阳能热循环系统；动力侧的换热器或蒸发器出口连接动力发电机组涡轮机进气口；涡轮机出气口连接冷凝器，冷凝器出口连接压力泵，或经汽水分离装置连接压力泵，压力泵输出端连接换热器或蒸发器进口，构成完整的热发电循环；补热锅炉中的传热介质补热器或者并联在储热装置热罐进口和冷罐出口之间；采用单罐储热则将补热锅炉中传热介质补热器进出口与储热装置进出口并联；电力加热器设置在储热装置的热罐或单罐储热罐底部，均匀排列；动力侧选择超临界二氧化碳布雷顿热发电则蒸发器出口连接涡轮机进气口，涡轮机出气口连接补热器进口，对应的出口连接冷凝器进口，冷凝器出口连接压气机进口，压气机出口连接补热器另一端进口，对应的出口连接蒸发器进口，完成布雷顿动力循环；

1)所述动力发电机组为蒸汽朗肯、卡琳娜循环或有机朗肯热发电机组；或超临界二氧化碳布雷顿热发电机组；

2)所述冷凝器选择空气冷却装置，或采用水冷设备；

3)所述补热锅炉包括燃气锅炉、燃油锅炉、电力锅炉以及燃煤生物质直燃锅炉；或燃煤、生物质流化床锅炉；根据原料来源难易和经济性选择其中一种锅炉；传热介质补热器设置在补热锅炉内；或选择固体燃料电池如固体氧化物燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，或开式燃气布雷顿热发电机组替代补热锅炉，利用其排出的高温余热为储热装置补热，所发电力主要供电站自身使用，同时也为电力加热器提供电力；

4)所述补热锅炉使用的气体燃料可选择烷烃类气体如生物质气化气、沼气、煤制气、天然气、可燃冰气、液化石油气；或选择醇类燃料如甲醇、乙醇、二甲醚液态燃料；或选择燃油如柴油、汽油、煤油、重油；或电力锅炉选择电网过剩电力如低谷电、无负载过剩电力；或选择风电、光伏丢弃电力；

5)所述储热装置是指两罐包括热罐和冷罐以及单罐储热罐的储热容器，其热罐内部或设置陶瓷、石墨蜂窝固体储热装置；固体储热介质及容器可占用储热空间，减少导热油或熔盐传热介质的使用量，并提高储热效率；固体储热介质或选择玻璃、陶瓷、石墨、水泥块、花岗岩、玄武岩、火成岩、石英岩、金属冶炼废渣，回收废旧铝、硅制品或经上述混合兼具比热容和导热系数良好的固体储热介质，放置在固体储热容器内；固体储热容器采用特种陶瓷或耐腐蚀金属材料制作，为圆柱体、长方体、环形体，固体储热容器外壁设传热介质流通孔洞或网口，孔洞或网口的直径以所选择的最小固体储热介质体积为限；为降低造价，储热装置冷罐为液体储罐，其容积仅保证传热介质热循环需要，体积明显小于储热罐；上述构造适用单罐储热罐；

6)所述电力加热器设置在储热装置热罐或单罐储热罐底部，均匀布置，保证高温传热介质熔盐或导热油温度达到发电工况要求；

7)所述传热介质选择高温无压液体如导热油或熔盐以及高温硅油；熔盐选择二元熔盐、或低结晶点如60-140度、高气化点560-650度具有低腐蚀的三元、四元熔盐，或在其中添加微量粉体石墨烯材料、或添加石墨纳米材料以提高导热特性；

8)所述动力工质为水蒸气、氨气、二氧化碳气、一氧化氮气、冷凝剂；

9)所述太阳能聚光装置选择槽式、塔式、菲涅耳和蝶式聚光装置中的一种，或选择不同聚光装置进行组合；所述槽式、菲涅耳聚光阵列配置线聚焦太阳能强化集热管，进一步提高传热效率，降低热损耗；

10)所述风电机作为太阳能热发电站专用配置为补热锅炉和电力加热器提供电力，多余电力直接进入电网；

11)所述电力电缆连接补热锅炉和设置在储热装置热罐或单罐储热罐中的电力加热器以及风电机组。