雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統的製作方法
2023-06-02 11:16:06
專利名稱：雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及太陽能熱發電技術領域，尤其涉及一種雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統。
背景技術：
太陽能熱發電技術在世界上得到了高度關注，發展較為迅速。太陽能熱發電技術主要分為槽式、塔式和碟式三類。槽式太陽能熱發電系統在美國SEGS電站以及西班牙 AndaSol電站已經具有商業化運行的經驗，相比其他技術而言，槽式太陽能熱發電系統技術相對比較成熟，商業化程度最高。槽式太陽能熱發電系統的主要障礙是集熱工質溫度不高，發電子系統的熱效率較低；蓄熱子系統主要以價格昂貴的高溫導熱油為作為集熱、蓄熱工質，投資較大。目前對槽式太陽能熱發電系統的研究大多致力於改善系統關鍵技術部件的性能，如提高集熱器的光學效率、降低吸熱管的散熱損失等。發電成本居高不下是限制太陽能熱發電技術發展的重要原因，因此，如何降低發電成本成為槽式太陽能熱發電系統研究的一個重要方向。當前以導熱油為工質的槽式太陽能電站系統，其典型的系統流程為槽式太陽能集熱場採用導熱油一次通過方式，蓄熱子系統採用雙罐式，然而這種系統設計方式的缺點在於整個槽式太陽能集熱場平均工作溫度較高，集熱效率較低，而且導熱油耐溫要求達到 400°C左右，如若以導熱油為蓄熱工質，耐高溫的導熱油用量很大，這兩方面的不足均增加了系統投資。專利(US，No. 4283914)提出了一種太陽能能量轉化系統，它的集熱系統由平板、 槽式等多種集熱器組成，用來匯集太陽能，蓄能系統與集熱器構成模塊化迴路，每個模塊迴路工作溫度相同，動力循環工質為熱氣體，發電裝置難以大規模，發電效率低。專利(CN 101000043A)涉及一種太陽能熱發電機組，以水為工作介質，集熱分為太陽能低、中、高溫加熱器，其中低、中溫太陽能加熱器是固定式的，高溫加熱器的聚光器有一維跟蹤裝置，螺杆機發電，另外還設置了一個蓄熱水罐，使水變為180°C的蒸汽，驅動螺杆發電機發電，該系統產生的蒸汽溫度低，發電裝置效率低，蓄能困難，難以解決適應太陽能不穩定而用能需求相對穩定的矛盾。專利(JP6012^65A)涉及一個雙鏡場雙級蓄熱的太陽能熱發電系統，低溫鏡場用於生產飽和蒸汽高溫鏡場用於加熱傳熱工質，傳熱工質再將低溫鏡場產生的飽和蒸汽過熱，然後進入汽輪機做功，主要缺點是飽和蒸汽蓄能困難，完全依靠蓄能系統發電難以實現。本發明基於現有已商業化槽式太陽能發電電站系統基礎上，從改進系統流程及集成方式上出發，針對以導熱油為吸熱工質的槽式太陽能熱發電系統，提出了工作溫度不同的雙級槽式太陽能集熱場，與傳統槽式太陽能集熱場相比，降低了集熱場的平均工作溫度， 提高了雙級槽式太陽能集熱場的總體集熱效率，減小了鏡場面積，降低了槽式太陽能集熱場的投資成本；提出了雙級蓄熱子系統，應用了耐溫性能不同的導熱油，改善了蓄能利用方式，降低了蓄能子系統的投資成本。在相同功率輸出時，與傳統槽式太陽能發電系統相比，成本下降明顯，對槽式太陽能熱發電系統發展具有重要作用。
發明內容
(一)要解決的技術問題有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統， 以解決鏡場平均吸熱溫度高帶來的集熱效率降低問題，並解決鏡場對導熱油耐高溫性能高、導熱油投資大和發電成本高的問題。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，該系統至少包括雙級槽式太陽能集熱場、雙級蓄熱子系統和發電子系統，其中雙級槽式太陽能集熱場包括高溫槽式太陽能集熱場和低溫槽式太陽能集熱場，用於接收並會聚太陽輻射能量，高溫槽式太陽能集熱場將太陽輻射能轉化成高溫導熱油熱量，低溫槽式太陽能集熱場將太陽輻射能轉化成低溫導熱油熱量；雙級蓄熱子系統包括高溫蓄熱器和低溫蓄熱器，高溫蓄熱器與高溫太陽能集熱場相連，構成高溫導熱油循環迴路；低溫蓄熱器與低溫太陽能集熱場相連，構成低溫導熱油循環迴路；發電子系統，用於將雙級蓄熱子系統存儲的能量轉化成蒸汽，再將蒸汽轉化為電能，並輸出電能。上述方案中，所述的雙級槽式太陽能集熱場是兩個工作溫度不同的槽式太陽能集熱場，其中，高溫太陽能集熱場工作溫度較高，溫度範圍為330 390°C，集熱效率較低；低溫太陽能集熱場工作溫度較低，溫度範圍為150 350°C，集熱效率較高。上述方案中，所述雙級蓄熱子系統在蓄熱時，來自高溫太陽能集熱場出口的高溫導熱油的熱量存儲在高溫蓄熱器中，來自低溫太陽能集熱場的低溫導熱油的熱量存儲在低溫蓄熱器中；所述雙級蓄熱子系統在放熱時，高溫導熱油釋放熱量，將飽和蒸汽或再熱蒸汽過熱，溫度降低後，經油泵循環返回給高溫太陽能集熱場，低溫導熱油釋放熱量，將過冷水加熱成飽和蒸汽，溫度降低後，經油泵循環返回給低溫太陽能集熱場。上述方案中，所述雙級蓄熱子系統在放熱時，發電子系統輸出的凝結水首先進入低溫蓄熱器，吸收熱量後轉化為飽和蒸汽，飽和蒸汽然後進入高溫蓄熱器被進一步加熱轉化為過熱蒸汽，進入發電子系統。上述方案中，所述高溫太陽能集熱場輸出的高溫導熱油進入高溫蓄熱器，將高溫熱量存儲其中；低溫太陽能集熱場輸出的低溫導熱油進入低溫蓄熱器，將低溫熱量存儲其中，這種蓄熱方式實現了不同品位能量的分級蓄存。上述方案中，所述高溫太陽能集熱場和高溫蓄熱器的工質為高溫導熱油，能承受 400°C左右的高溫，低溫太陽能集熱場和低溫蓄熱器的工質為低溫導熱油，能承受350°C的尚溫。上述方案中，所述發電子系統將雙級蓄熱子系統蓄存的熱量轉化成高壓過熱蒸汽，並將高壓過熱蒸汽的熱能轉化為電能，並輸出電能。上述方案中，所述發電子系統為汽輪機發電裝置或螺杆機發電裝置。(三)有益效果
從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果1、本發明提供的這種雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，採用了不同工作溫度的雙級槽式太陽能集熱場，降低了雙級槽式太陽能集熱場的平均工作溫度，提高了總體集熱效率，減小太陽能集熱場的鏡場面積，降低太陽能集熱場的投資成本。2、本發明提供的這種雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，高溫太陽能集熱場和高溫蓄熱器的工質為高溫導熱油，能承受400°C左右的高溫，低溫太陽能集熱場和低溫蓄熱器的工質為低溫導熱油，能承受350°C左右的高溫，因兩種導熱油工作溫度不同，性能不同，價格差異也有很大，通過採用工作溫度低價格便宜的低溫導熱油，減少工作溫度高價格昂貴的高溫導熱油，降低蓄熱系統的投資成本。3、本發明提供的這種雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，高溫蓄熱器和低溫蓄熱器相互獨立，高溫太陽能集熱場輸出的高溫導熱油進入高溫蓄熱器，將高溫熱量存儲其中； 低溫太陽能集熱場輸出的低溫導熱油進入低溫蓄熱器，將低溫熱量存儲其中，實現了不同品位能量的分級蓄存，提高了蓄能系統的利用率和整體性能，降低了蓄能系統投資和發電成本，克服了傳統的槽式太陽能熱發電方案中的汽輪機運行受太陽輻射不穩定、不連續影響的問題。4、本發明提供的這種雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，蓄熱系統在釋放蓄存的能量時，低溫蓄熱器用於蒸汽的發生過程，高溫蓄熱器用於飽和蒸汽的過熱過程。5、本發明提供的這種雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，槽式太陽能熱發電系統的運行方式更加靈活，雙級槽式太陽能集熱場與發電子系統採用完全解耦的方式運行。高溫集熱場產生的高溫導熱油的能量完全儲存在高溫蓄熱器、低溫集熱場產生的低溫導熱油熱量儲存在低溫蓄熱器中，發電子系統所需蒸汽的能量全部由高、低溫蓄熱器提供。聚光集熱子系統不與發電子系統直接接觸，提高了對太陽輻射不穩定、不連續的適應性。6、本發明提供的這種雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，其好處還有①槽式太陽能集熱系統根據工作溫度的不同採用了高溫槽式太陽能集熱場和低溫槽式太陽能集熱場，與傳統槽式太陽能集熱場相比，降低了集熱場的平均工作溫度，提高了集熱場的總體集熱效率，相同功率條件下減小了集熱面積，降低了投資成本。同時，對集熱場關鍵部件的選擇更加靈活，性能要求也有所下降，不以追求較高的集熱效率為目標，尤其是低溫集熱場，可以根據系統的熱力性能和經濟性權衡後採用相應的技術。②實現了不同品位能量的分級蓄存，高溫太陽能集熱場輸出的高溫導熱油進入高溫蓄熱器，將高溫熱量存儲其中，低溫太陽能集熱場輸出的低溫導熱油進入低溫蓄熱器， 將低溫熱量存儲其中，這樣可以大幅減小价格昂貴的高溫導熱油的使用量，減小高溫蓄熱裝置的體積，降低蓄熱子系統的投資成本；高溫蓄熱器、低溫蓄熱器功能獨立，工作條件穩定； ③技術風險小，低溫槽式太陽能集熱場運行溫度較低，運行可靠程度高；高溫蓄熱器的熱容量僅為低溫蓄熱器的18%左右，可以降低高溫集熱和蓄熱技術給系統帶來的風險。
圖1為本發明提供的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統的結構示意圖2為依照本發明第一個實施例的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統的工作流程示意圖；圖3為依照本發明第二個實施例的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統的工作流程示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。圖1為本發明提供的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統的結構示意圖，該系統至少包括雙級槽式太陽能集熱場、雙級蓄熱子系統和發電子系統。其中，雙級槽式太陽能集熱場包括高溫集熱場和低溫集熱場，接收聚集太陽輻射能量，高溫集熱場將聚集的太陽輻射能量轉化成高溫導熱油熱量，低溫集熱場將太陽輻射能量轉化成低溫導熱油熱量；雙級蓄熱子系統包括高溫蓄熱器和低溫蓄熱器，高溫蓄熱器存儲高溫集熱場輸出的高溫導熱油， 低溫蓄熱器存儲低溫集熱場輸出的低溫導熱油；發電子系統，用於將導熱油熱量轉化成蒸汽，將蒸汽轉化為電能，並輸出電能。其中，所述的雙級槽式太陽能集熱場，是兩個工作溫度不同的槽式太陽能集熱場， 高溫太陽能集熱場工作溫度較高，約330 390°C，集熱效率較低，低溫太陽能集熱場工作溫度較低，約150 350°C，集熱效率較高，與傳統槽式太陽能集熱場相比，降低了集熱場的平均工作溫度，使得雙級槽式太陽能集熱場的總體集熱效率有所提高。所述的雙級蓄熱子系統，蓄熱時，來自高溫太陽能集熱場出口的高溫導熱油的熱量存儲在高溫蓄熱器中，來自低溫太陽能集熱場的低溫導熱油的熱量存儲在低溫蓄熱器中；放熱時，高溫導熱油釋放熱量，將飽和蒸汽或再熱蒸汽過熱，溫度降低後，經油泵循環返回給高溫太陽能集熱場，低溫導熱油釋放熱量，將過冷水加熱成飽和蒸汽，溫度降低後，經油泵循環返回給低溫太陽能集熱場。所述雙級蓄熱子系統，放熱時，發電子系統輸出的凝結水首先進入低溫蓄熱器，吸收熱量後轉化為飽和蒸汽，飽和蒸汽然後進入高溫蓄熱器被進一步加熱轉化為過熱蒸汽，進入發電子系統。所述的高溫太陽能集熱場和高溫蓄熱器的工質為高溫導熱油，能承受400°C左右的高溫，低溫太陽能集熱場和低溫蓄熱器的工質為低溫導熱油，能承受350°C左右的高溫。所述的發電子系統將雙級蓄熱子系統蓄存的熱量轉化成高壓過熱蒸汽，並將高壓過熱蒸汽的熱能轉化為電能，並輸出電能。發電子系統可以為汽輪機發電裝置或螺杆機發電裝置。再參照圖1，本發明提供的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統包括高溫太陽能集熱場1、低溫太陽能集熱場2、高溫蓄熱器3、低溫蓄熱器4、及發電裝置5。其中，高溫太陽能集熱場1與高溫蓄熱器3相連，構成高溫導熱油循環迴路，低溫太陽能集熱場2與低溫蓄熱器4相連，構成低溫導熱油循環迴路，高溫太陽能集熱場1、低溫太陽能集熱場2用於聚集太陽輻射能，高溫太陽能集熱場將太陽輻射能轉化成高溫導熱油熱量，並將高溫熱量存儲在高溫蓄熱器3中，低溫太陽能集熱場將太陽輻射能轉化成低溫導熱油熱量，並將低溫熱量存儲在低溫蓄熱器4中。蓄熱系統釋能時，來自發電裝置的凝結水經泵c首先進入低溫蓄熱器完成預熱蒸發過程，然後進入高溫蓄熱器實現蒸汽過熱，最後進入發電裝置進行發電。參照圖2，圖2為依照本發明第一個實施例的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統的工作流程示意圖。圖2中各部件及相應的標記為1-高溫太陽能集熱場；2-低溫太陽能集熱場；3-高溫熱罐；4-高溫冷罐；5-低溫熱罐；6-低溫冷罐；7-過熱器；8-蒸發器；9-預熱器；10-再熱過熱器；11-再熱蒸汽發生器；12-高壓缸；13-低壓缸；14-冷凝器；15-凝結水泵；16-低壓加熱器組；17-除氧器；18-高壓加熱器組。在圖2中，雙級太陽能集熱場1和2聚集太陽輻射能量加熱工作介質，產生高溫導熱油。高溫蓄熱器由高溫熱罐3和高溫冷罐4組成，低溫蓄熱器由低溫熱罐5和低溫冷罐 6組成，實現了能量按品位分級蓄存；發電裝置的給水先進入預熱器9和蒸發器8，吸收低溫蓄熱器中的能量後產生飽和蒸汽，飽和蒸汽進入蒸汽過熱器10，吸收高溫蓄熱器中的能量後變成過熱蒸汽，之後進入汽輪機，汽輪機由高壓缸和低壓缸組成，採用一次再熱方式，過熱蒸汽由高壓缸12膨脹做功後經再熱蒸汽發生器11和再熱蒸汽過熱器10後進入低壓缸 13繼續膨脹做功，乏汽進入冷凝器14冷凝，凝結水經凝結水泵15和低壓加熱器組16、除氧器17和高壓加熱器組18完成動力循環。參照圖3，圖3為依照本發明第二個實施例的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統的工作流程示意圖。圖3中各部件及相應的標記為1-高溫太陽能集熱場；2-低溫太陽能集熱場；3-高溫熱罐；4-高溫冷罐；5-低溫熱罐；6-低溫冷罐；7-過熱器；8-蒸發器；9-預熱器；10-再熱過熱器；11-再熱蒸汽發生器；12-高壓缸；13-低壓缸；14-冷凝器；15-凝結水泵；16-低壓加熱器組；17-除氧器。在圖3中，與第一個實施例相比，不同的是第二個實施例去掉了高壓加熱器組，其他裝置相同。本發明還分別對上述第一個實施例和第二個實施例進行了分析，對於第一個實施例，系統中的主要參數如表1所示，其熱力性能如表3所示。對於第二個實施例，系統中的主要參數如表2所示，其熱力性能如表3所示。與傳統太陽能槽式電站相比，實施例1和2 系統比投資分別降低12. 3%和11.9%，發電成本分別降低9%和8%，因此可以看出本發明中提出新流程的優越性。
物流序號溫度(°c)壓力(bar)物流序號溫度(°c)壓力(bar)Sl39113S6371100S235020S720919S335012S837117S430620S9420. 08S5235104SlO420. 08表權利要求
1.一種雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，其特徵在於，該系統至少包括雙級槽式太陽能集熱場、雙級蓄熱子系統和發電子系統，其中雙級槽式太陽能集熱場包括高溫槽式太陽能集熱場和低溫槽式太陽能集熱場，用於接收並會聚太陽輻射能量，高溫槽式太陽能集熱場將太陽輻射能轉化成高溫導熱油熱量，低溫槽式太陽能集熱場將太陽輻射能轉化成低溫導熱油熱量；雙級蓄熱子系統包括高溫蓄熱器和低溫蓄熱器，高溫蓄熱器與高溫太陽能集熱場相連，構成高溫導熱油循環迴路；低溫蓄熱器與低溫太陽能集熱場相連，構成低溫導熱油循環迴路；發電子系統，用於將雙級蓄熱子系統存儲的能量轉化成蒸汽，再將蒸汽轉化為電能，並輸出電能。
2.根據權利要求1所述的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，其特徵在於，所述的雙級槽式太陽能集熱場是兩個工作溫度不同的槽式太陽能集熱場，其中，高溫太陽能集熱場工作溫度較高，溫度範圍為330 390°C，集熱效率較低；低溫太陽能集熱場工作溫度較低， 溫度範圍為150 350°C，集熱效率較高。
3.根據權利要求1所述的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，其特徵在於，所述雙級蓄熱子系統在蓄熱時，來自高溫太陽能集熱場出口的高溫導熱油的熱量存儲在高溫蓄熱器中，來自低溫太陽能集熱場的低溫導熱油的熱量存儲在低溫蓄熱器中；所述雙級蓄熱子系統在放熱時，高溫導熱油釋放熱量，將飽和蒸汽或再熱蒸汽過熱，溫度降低後，經油泵循環返回給高溫太陽能集熱場，低溫導熱油釋放熱量，將過冷水加熱成飽和蒸汽，溫度降低後， 經油泵循環返回給低溫太陽能集熱場。
4.根據權利要求3所述的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，其特徵在於，所述雙級蓄熱子系統在放熱時，發電子系統輸出的凝結水首先進入低溫蓄熱器，吸收熱量後轉化為飽和蒸汽，飽和蒸汽然後進入高溫蓄熱器被進一步加熱轉化為過熱蒸汽，進入發電子系統。
5.根據權利要求1所述的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，其特徵在於，所述高溫太陽能集熱場輸出的高溫導熱油進入高溫蓄熱器，將高溫熱量存儲其中；低溫太陽能集熱場輸出的低溫導熱油進入低溫蓄熱器，將低溫熱量存儲其中，這種蓄熱方式實現了不同品位能量的分級蓄存。
6.根據權利要求1所述的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，其特徵在於，所述高溫太陽能集熱場和高溫蓄熱器的工質為高溫導熱油，能承受400°C左右的高溫，低溫太陽能集熱場和低溫蓄熱器的工質為低溫導熱油，能承受350°C的高溫。
7.根據權利要求1所述的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，其特徵在於，所述發電子系統將雙級蓄熱子系統蓄存的熱量轉化成高壓過熱蒸汽，並將高壓過熱蒸汽的熱能轉化為電能，並輸出電能。
8.根據權利要求1所述的雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，其特徵在於，所述發電子系統為汽輪機發電裝置或螺杆機發電裝置。
全文摘要
本發明公開了一種雙級蓄熱的槽式太陽能熱發電系統，包括雙級槽式太陽能集熱場、雙級蓄熱子系統和發電子系統。雙級槽式太陽能集熱場包括高溫集熱場和低溫集熱場，接收聚集太陽輻射能量，高溫集熱場將聚集的太陽輻射能量轉化成高溫導熱油熱量，低溫集熱場將太陽輻射能量轉化成低溫導熱油熱量；雙級蓄熱子系統包括高溫蓄熱器和低溫蓄熱器，高溫蓄熱器存儲高溫集熱場輸出的高溫導熱油，低溫蓄熱器存儲低溫集熱場輸出的低溫導熱油；發電子系統，用於將導熱油熱量轉化成蒸汽，將蒸汽轉化為電能，並輸出電能。利用本發明，不但解決了鏡場平均吸熱溫度高帶來的集熱效率降低的問題，而且解決鏡場對導熱油耐高溫性能高，導熱油投資大，發電成本高的問題。
文檔編號F03G6/06GK102242699SQ201010175448
公開日2011年11月16日 申請日期2010年5月12日 優先權日2010年5月12日
發明者金紅光, 韓巍, 高志超 申請人:中國科學院工程熱物理研究所