太陽能梯級開發熱利用系統的製作方法

2023-05-30 19:09:21

專利名稱：太陽能梯級開發熱利用系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能熱利用系統，特別涉及一種梯級開發的太陽能熱利用 系統。
背景技術：
在太陽能轉化利用的諸多途徑中，中高溫太陽能熱利用是非常重要的技術， 即採用聚焦集熱技術，產生足以驅動熱力才幾械的高溫氣體或蒸汽，最終可驅動發 電機發電，這就是太陽能熱發電技術。
在本發明之前，太陽能熱發電所採用的技術類型主要為塔式、槽式和碟式。 塔式具有發電容量大、技術路線簡單的優點，但也存在著接收器龐大，製造困難， 系統初投資大等缺陷。而槽式和碟式則仍處在試驗研究階段，不具備商業化的條 件。究其原因，主要是關鍵部件的技術瓶頸限制了其進一步發展。槽式和碟式所 代表的是兩種不同的集熱原理，前者為線聚焦，後者則為點聚焦。
線聚焦式的太陽能採集主要有兩種方式，即複合拋物面式和拋物面槽式。
複合拋物面聚光器一般開口較小，所以其聚光比較小，從而只能實現較低的 集熱溫度， 一般用於提供生活用熱水，其好處是不需跟蹤機構，使得系統的初投 資很小。
拋物面槽式聚光器由於開口尺寸可以更大，使得其聚光比更高，可實現較高 的集熱溫度，可用於太陽能熱發電，即拋物面槽式聚光器將入射的太陽光聚集至 處於其焦線上的管式接收器，從而產生400。C左右的高壓蒸汽推動汽輪機運轉用 於發電。由於採用的是線聚焦，需要在其接收器的表面覆蓋選擇性吸收塗層用以 提高接收器的集熱效率，而該塗層的耐溫性仍然無法解決，即溫度越高，其可靠 性也越差；同樣由於線聚焦，在運行時接收器的熱應力矩隨著接收器的長度增加 而不斷增大，特別是溫^14交高時，將使得接收器因為受熱不均而出現明顯的彎曲， 從而造成接收器玻璃套管的破裂，從而影響了系統長期運行的可靠性；另外，拋 物面槽式太陽能熱發電系統只採用拋物面槽式聚光器進行集熱，鏡場入口處較低 溫度的水也由其進行加熱，這時的槽式聚光器就顯得大材小用，無形之中增加了
系統的成本和複雜性。
因此，槽式太陽能熱發電系統的可靠性受到溫度的顯著影響，溫度越高，其 可靠性越差。然而，朗肯循環的效率與循環最高溫度息息相關，溫度越高其循環 效率就越高。這樣，就出現了可靠性和效率的矛盾，使得槽式太陽能熱發電技術 的深入研究及推廣應用仍受到了極大限制。
在碟式太陽能熱發電系統中，採用了旋轉拋物面碟式聚光器以點聚焦的形式 將太陽光聚集到置於其焦點處的接收器上，產生高溫高壓工質推動熱力機械用於 發電。由於這種聚光方式能夠實現比槽式聚光器高出幾十倍的聚光比，從而可以 得到更高的集熱溫度。採用斯特林循環的技術，循環工質採用氦氣或氫氣，斯特 林循環的最高理論效率接近於卡諾效率，因此碟式太陽能熱發電技術具有了推廣 應用的理論條件。但是在實際應用中，由於斯特林發動機的研發與製造仍不成熟， 運行可靠性根本不能保證，同時造價過高，這就使這項技術的實際應用與推廣陷 入困境。
在太陽能系統中，每種集熱器結構在工作時只適用於產生某種特定參數的工 作介質，這是由集熱器本身的結構特點和工作特性決定的。線聚焦式集熱器所適 合的集熱溫度一般不能過高。若一味地追求高溫高壓，則會引起接收器上的溫差 應力，勢必犧牲掉集熱器及其系統的可靠性。

發明內容
本發明的目的就在於克服上述槽式和碟式太陽能熱發電技術的缺陷，設計一 種可以梯級開發的太陽能熱利用系統。
本發明的技術方案是
太陽能梯級開發熱利用系統，其主要技術特徵在於由低溫段、中溫段、高溫 段串聯構成；低溫段中複合拋物面聚光器與常溫接收器匹配，常溫接收器輸出至 中溫段；中溫段中拋物面槽式聚光器與中溫接收器匹配，中溫接收器經汽水分離 器輸出至高溫段；高溫段中碟式聚光器與高溫接收器匹配，高溫接收器輸出至汽 輪機。
本發明的優點和效果在於將太陽能熱發電系統分為3個集熱段進行集熱，3 個集熱段分別為低溫段、中溫^殳和高溫段，低溫段採用複合拋物面集熱器，中溫 段採用拋物面槽式集熱器，高溫段則採用旋轉拋物面碟式集熱器，上述3個集熱
段串聯起來，按工質流動方向從前到後為低溫段、中溫段和高溫段。分別利用它 們各自的優點，同時避開它們各自的缺陷，使三者之間有機結合，產生協同效果。 本發明中將複合拋物面集熱器、拋物面槽式集熱器、碟式集熱器串聯使用， 前兩種集熱器用於生產飽和蒸汽，碟式集熱器則用於對飽和蒸汽進行過熱。在系 統中溫度比較低的部分，利用複合拋物面集熱器完成集熱過程，由於複合拋物面 集熱器不需要跟蹤機構，且支架相較於拋物面槽式集熱器更加簡單，因此可以顯
著降低成本；而在中溫4殳，集熱溫度被嚴格控制在一定的範圍內，與常規槽式太 陽能熱發電系統相比，具有更低的溫度，從而減小了中溫段接收器可能產生的熱 應力，使中溫段的可靠性大幅提高，在中溫段出口溫度以上的溫度區間，則全部 由碟式集熱器來完成集熱，由於碟式集熱器及接收器可以達到並承受更高的溫度 和壓力，這樣就在很大程度上提高了系統可靠性。
本發明依據太陽能採集過程的溫度特性，提出了梯級式的集熱方式，減小了 低溫段的投資，降低了槽式集熱技術中高溫熱應力帶來的影響，在碟式集熱器當 中，因中溫段已經產生了飽和蒸汽，工質為單相流體即蒸汽，這樣就避免了兩相 流體帶來的不穩定性；而從發電方案上，與常規的碟式太陽能熱發電技術相比， 則從斯特林循環轉入到了朗肯循環，有效地避開了斯特林發動機這一技術瓶頸， 採用技術成熟的汽輪機作為熱力機械，使太陽能的高效可靠開發更加易於實現。 總而言之，正是由於3個集熱段分別發揮了各自的優勢，使得本發明的太陽能梯 級開發熱利用系統具有低成本、高效率和高可靠性的特點。


圖1一一本發明的系統原理示意圖。
圖2—一本發明中的高溫段集熱器示意圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明包括三種類型的集熱器系統組成的三個集熱段，分別是 低溫段、中溫段和高溫段。低溫段設有複合拋物面聚光器1和常溫接收器2, 二 者匹配，即複合拋物面聚光器1聚光至常溫接收器2內的工質，本發明中工質為 水；常溫接收器2吸收了聚焦後的太陽輻射，將熱量傳遞給管內的工質，使其溫 度升高，形成低溫熱水，之後常溫接收器2內的工質便進入中溫段。中溫段設有 拋物面槽式聚光器3和中溫接收器4，也是匹配的，(循環)工質進入中溫接收
器4後吸收了由拋物面槽式聚光器3聚集的太陽輻射，並將熱量傳遞給工質，使 其成為飽和蒸汽，然後進入汽水分離器15,由汽水分離器15分離出的飽和蒸汽 再進入高溫段。高溫段設有旋轉拋物面碟式聚光器5和高溫接收器6， 二者也是 匹配的，由中溫段產生的飽和蒸汽進入到高溫接收器6之後，吸收了經旋轉拋 物面碟式聚光器5聚焦後的太陽輻射，形成較高溫度的過熱蒸汽，過熱蒸汽則根 據需要進入汽輪機7進行發電；從汽輪機7排出的乏汽進入凝汽器8,將熱量放 出，餘熱經過吸收式制冷機9可以實現製冷，而吸收式制冷機9所排出的大量熱 能可用於供熱水。由凝汽器8凝結後的水則與給水泵10輸送的補充水一起進入 給水緩沖罐11,給水緩衝罐11的前端設有增壓水泵12,增壓水泵12將水壓提 高到一定壓力並輸送到^f氐溫-敬的常溫^接收器2當中作為工質。至此，本發明的太 陽能梯級開發熱利用系統完成了一個循環。
本發明為每一個集熱段設置了輔助能源補充裝置，用於在太陽輻射不足時對 系統熱量輸入進行補充。在低溫段的常溫接收器2出口處，設有水加熱器13, 採用燃燒的方式加熱通過其中的水，當太陽輻射不足時開啟；在中溫段的中溫接 收器4出口處設置蒸汽鍋爐14,用於太陽輻射不足時產生既定參數的飽和蒸汽； 如圖2所示，在高溫段中，在每個高溫接收器6的下方設有燃燒器16,當太陽 輻射不足，高溫接收器6的出口蒸汽參數達不到系統需求時燃燒器16自動伸縮， 將燒嘴伸至高溫接收器6當中，此時，燃燒器16自動點火進行加熱。通過以上 方案，則可以實現太陽能梯級開發熱利用系統的全天候運行。
在低溫段、中溫段和高溫段，分別有多個常溫接收器2、中溫接收器4和高 溫接收器6 ，均可串聯或並聯使用。其中常溫接收器2置於複合拋物面聚光器1 的焦線上，中溫接收器4置於拋物面槽式聚光器3的焦線上，而高溫接收器6則 置於旋轉拋物面碟式聚光器5的焦點處，上述接收器與聚光器嚴格匹配。系統運 行時，中溫接收器4與拋物面槽式聚光器3相對位置保持不變，高溫接收器6與 旋轉拋物面碟式聚光器5相對位置保持不變。
上述太陽能梯級開發熱利用系統的三個集熱段分別對應於不同的工作溫度， 對於本實施例來說，中溫段出口溫度被控制在250。C以內，這樣就可以使得中溫 接收器4上的熱應力保持在很小的範圍內，提高了中溫接收器4的可靠性。低溫 段採用複合拋物面聚光器1,使得系統初投資相較於常規的槽式太陽能熱發電站
顯著減小。高溫段採用旋轉拋物面碟式聚光器5和高溫接收器6,高溫接收器6 採用熱管式接收器，使得太陽能蒸汽發電技術更易於實現較高的運行參數，溫度 可達500'C以上，同時因為朗肯循環技術的成熟性，使得該系統比常規的碟式太 陽能熱發電技術更加可靠。
除以上實施例之外，本發明可有多種實施方式，凡在本發明基礎上實施的等 效替換或類似組合變換均落在本發明要求的保護範圍之內。
權利要求
1.太陽能梯級開發熱利用系統，其特徵在於由低溫段、中溫段、高溫段串聯構成；低溫段中複合拋物面聚光器與常溫接收器匹配，常溫接收器輸出至中溫段；中溫段中拋物面槽式聚光器與中溫接收器匹配，中溫接收器經汽水分離器輸出至高溫段；高溫段中碟式聚光器與高溫接收器匹配，高溫接收器輸出至汽輪機。
2. 根據權利要求1所述的太陽能梯級開發熱利用系統，其特徵在於工質依次從 低溫段、中溫段和高溫段的出口處分別產生低溫熱水、中溫飽和蒸汽、高溫 過熱蒸汽。
3. 根據權利要求1所述的太陽能梯級開發熱利用系統，其特徵在於汽輪機輸出 接凝汽器，凝汽器輸出分別連接制冷機、給水緩沖罐。
4. 根據權利要求1所述的太陽能梯級開發熱利用系統，其特徵在於低溫段常溫 接收器的出口處設有水加熱器。
5. 根據權利要求1所述的太陽能梯級開發熱利用系統，其特徵在於中溫段中溫 接收器出口處設有蒸汽鍋爐。
6. 根據權利要求1所述的太陽能梯級開發熱利用系統，其特徵在於高溫段高溫 接收器下方設有燃燒器。
7. 根據權利要求1所述的太陽能梯級開發熱利用系統，其特徵在於多個常溫接 收器串聯或並聯。
8. 根據權利要求1所述的太陽能梯級開發熱利用系統，其特徵在於多個中溫接 收器串聯或並聯。
9. 根據權利要求1所述的太陽能梯級開發熱利用系統，其特徵在於多個高溫接 收器串聯或並聯。
全文摘要
本發明涉及一種梯級開發的太陽能熱利用系統。本發明採用低溫段中複合拋物面聚光器與常溫接收器匹配，常溫接收器輸出至中溫段；中溫段中拋物面槽式聚光器與中溫接收器匹配，中溫接收器經汽水分離器輸出至高溫段；高溫段中碟式聚光器與高溫接收器匹配，高溫接收器輸出至汽輪機。本發明解決了碟式造價過高、槽式在溫度高時就出現了可靠性和效率的矛盾等缺陷。本發明效果在於將低溫段採用複合拋物面集熱器，中溫段採用拋物面槽式集熱器，高溫段則採用旋轉拋物面碟式集熱器，上述3個集熱段串聯起來，利用它們各自的優點，同時避開它們各自的缺陷，使三者之間有機結合，產生協同效果。
文檔編號F24J2/07GK101354191SQ20081015603
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月26日 優先權日2008年9月26日
發明者莉 丁, 駿 莊, 紅 張, 戰棟棟, 穜 白, 輝 許, 陳興元, 陶漢中 申請人:南京工業大學