一種太陽能熱發電機組的製作方法
2023-12-11 22:23:07
本發明涉及發電領域，尤其涉及一種太陽能熱發電設備。
背景技術：
太陽能熱發電是一種清潔的可再生能源發電技術。相比於風力發電和光伏發電，太陽能熱發電系統可通過配置儲熱和常規能源補燃裝置使得電能輸出保持穩定，提高發電質量。在當今能源日益短缺的情況下，太陽能熱發電是最有可能逐步替代火電、承擔基礎電力負荷的新能源技術。
太陽能熱發電按照技術類型劃分包括槽式、塔式、碟式和線性菲涅爾式四種技術類型。其中，塔式技術聚光比高、工作溫度高，因此其發電效率較高，成本下降潛力大。與其它技術類型的太陽能熱發電相比，塔式太陽能熱發電將是太陽能熱發電發展的重要方向。
常規的塔式太陽能熱發電系統，主要由定日鏡陣列、高塔、吸熱器、傳熱介質、換熱器、蓄熱系統、控制系統及汽輪發電機組等部分組成。塔式太陽能熱發電系統中，定日鏡群以高塔為中心，呈扇形或圓周狀分布，將太陽光聚焦到位於高塔之上的吸熱器，加熱吸熱器中的傳熱介質(工質)。常規的塔式太陽能熱發電系統的動力部分與燃煤電站類似，高溫傳熱介質用於加熱水產生蒸汽，蒸汽進入汽輪機組發電，汽輪機乏汽經冷凝器冷凝後循環使用。
塔式太陽能熱發電技術的主要優勢在於其聚光比高，通常在200～700之間，因此其工質可被加熱到1000℃以上。但是，在常規的塔式太陽能熱發電系統配置下，採用汽輪機發電，工質工作溫度較低。聚光比高所帶來的優勢並未得到充分利用。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明提供一種太陽能熱發電機組，能夠更充分地利用塔式太 陽能熱發電技術的聚光比高的優勢。
基於上述目的本發明提供的太陽能熱發電機組，包括，太陽能集熱單元：用於收集太陽能，並將太陽能轉化為工質的熱能；還包括：
燃機單元：與所述太陽能集熱單元連接，包括燃氣輪機，用於將所述工質的熱能轉化為動能驅動發電機進行發電；
所述工質為空氣。
可選的，所述太陽能熱發電機組還包括：
工質溫度控制單元：與太陽能集熱單元連接，用於在第一設定條件下冷卻所述空氣進入所述太陽能熱發電機組時的溫度，使得所述空氣進入太陽能發電系統的工質接收機構時的溫度接近工質接收機構額定工況下的工質溫度。
可選的，所述工質接收機構為壓氣機；所述燃機單元包括壓氣機、空氣透平、發電機；其中，
壓氣機：與所述太陽能集熱單元連接，用於將環境中的空氣輸入所述太陽能集熱單元；
空氣透平：與所述太陽能集熱單元和所述發電機連接，用於利用太陽能集熱單元輸出的空氣產生用於驅動所述發電機的機械能。
可選的，所述燃機單元還包括：
換熱器：設置於所述壓氣機和太陽能集熱單元之間，與壓氣機和太陽能集熱單元連接，用於在所述環境中的空氣輸入所述太陽能集熱單元之前，實現所述空氣透平排放的廢氣與所述壓氣機輸送的空氣的熱交換。
可選的，所述燃機單元的功率小於10MW。
可選的，所述太陽能集熱單元包括：太陽能吸熱器、定日鏡場和高塔；其中：
太陽能吸熱器：設置於所述高塔頂部，用於吸收太陽能熱，使得能夠利用所述太陽能熱加熱所述工質；
定日鏡場：設置於所述高塔下方並圍繞所述高塔，用於將太陽能熱集中到所述太陽能吸熱器。
可選的，所述定日鏡場中的定日鏡距離所述太陽能吸熱器的最大距離小於設定值。
可選的，所述工質溫度控制單元包括吸收式冷溫水機和進氣冷卻器；其中：
吸收式冷溫水機：與所述進氣冷卻器連接，用於令製冷工質產生製冷所需的冷量；
進氣冷卻器：設置於壓氣機的空氣入口位置處，用於利用吸收式冷溫水機產生的冷量對將進入工質接收機構的空氣進行冷卻，使得所述空氣進入工質接收機構時的溫度接近工質接收機構額定工況下的進氣溫度。
可選的，所述的製冷工質為水；所述的吸收式冷溫水機具體包括：吸收器、溶液泵、發生器、冷凝器、節流閥、蒸發器；其中：
溶液泵：與吸收器和發生器連接，用於將吸收器內的溴化鋰溶液增壓後送入發生器；
發生器：與所述燃機單元連接，用於利用燃機單元的廢氣所攜帶的熱量加熱溴化鋰稀溶液，從而析出水蒸氣；
冷凝器：與所述發生器連接，用於對所述發生器產生的水蒸氣進行冷凝，產生液體水；
節流閥：與所述冷凝器連接，用於對從所述冷凝器輸出、經過該節流閥的液體水進行降壓；
蒸發器：與所述節流閥連接，用於將所述節流閥輸送的、降壓後的液體水蒸發，產生水蒸氣，蒸發的同時產生冷量，使得製冷工質能夠攜帶所述冷量進入進氣冷卻器。
吸收器：與蒸發器連接，用於吸收蒸發器產生的水蒸氣，與發生器產生的溴化鋰濃溶液混合，，使得溴化鋰溶液濃度降低。
從上面所述可以看出，本發明提供的太陽能熱發電機組，採用空氣作為工質，以Brayton(勃朗登)循環替代現有技術中太陽能發電的Rankine(朗肯)循環，突破溫度限制。根據熱力學基本原理，熱力系統的熱功轉換效率主要取決於高低溫熱源。常規的塔式太陽能熱電站利用水蒸氣為工質，其工質的循環為Rankine循環。目前，由於受到材料和技術方面的制約，超超臨界火電機組的最高工質溫度在600℃左右。本發明以Brayton循環替代Rankine循環，突破溫度限制，可以有效發揮塔式太陽能高聚光比的優勢。
其次，本發明實施例的太陽能熱發電機組採用輸出功率較小的燃機單元， 實現塔式太陽能熱電的分布式利用。燃機單元輸出功率的降低使得光熱電站可以模塊化的方式建設和運行。模塊化設計可以實現快速的設計、安裝，可擴展性強。各個集熱塔可分別維護，能提高整個電站的可用率。由於模塊化塔式系統單塔的裝機規模較小，最遠的定日鏡距離集熱塔的距離很近，因而對定日鏡的控制要求較低，可以避免塔式太陽能定日鏡場的光斑發散問題，使工質溫度的提升更有保障。
本發明實施例的太陽能熱發電機組通過工質溫度控制單元在設定條件下降低工質進入太陽能熱發電機組時的溫度，從而能夠提高空氣接收機構的工作效率。在具體實施例中，所述工質溫度控制單元利用燃機單元所排廢氣的餘熱進行製冷，提高了能源利用率。
附圖說明
圖1為本發明實施例的太陽能熱發電機組結構示意圖。
具體實施方式
為了給出有效的實現方案，本發明提供了下述實施例，以下結合說明書附圖對本發明實施例進行說明。
本發明首先提供一種太陽能熱發電機組，結構如圖1所示，包括，太陽能集熱單元101：用於收集太陽能，並將太陽能轉化為工質的熱能；還包括：
燃機單元102：包括氣輪機，用於將所述工質的熱能轉化為動能驅動發電機進行發電；
所述工質為空氣。
現有技術中，常規的塔式太陽能熱電站採用Rankine循環作為其動力系統，工質為水蒸氣。根據熱力學基本原理，熱力系統的熱功轉換效率主要取決於高低溫熱源。目前，由於受到材料和技術方面的制約，採用水蒸氣作為工質的燃機單元的最高工質溫度在600℃左右。本發明採用空氣作為工質，在燃機單元102和太陽能集熱單元101之間形成Brayton循環，由於空氣與水蒸氣相比能夠在燃機單元中被加熱到更高的溫度，因此本發明所提供的太陽能發電機組能夠將工質的溫度大幅度提高，從而能夠將塔式技術太陽能發電機組的高聚光比 優勢更為充分地發揮出來。
在具體實施例中，所述空氣包括一般環境中的空氣。
在本發明具體實施例中，仍然參照圖1，所述太陽能熱發電機組還包括：
工質溫度控制單元103：用於在第一設定條件下冷卻所述空氣進入所述太陽能熱發電機組時的溫度，使得所述空氣進入太陽能發電機組的工質接收機構時的溫度接近空氣接收機構額定工況下的工質溫度。
本發明的太陽能熱發電機組所採用的工質為空氣，空氣可以從環境中獲取，在使用之後將廢氣排入環境中，形成循環；所述工質接收機構，應當為環境中的空氣進入太陽能熱發電機組時對空氣進行壓縮等處理的機構。由於在大多數情況下，太陽能發電系統的空氣接收機構為壓氣機，而當進入壓氣機的空氣溫度過高時，會對諸如壓氣機之類的空氣接收機構的工作效率造成顯著影響，以單軸氣輪機為例，環境溫度即為壓氣機入口溫度，當溫度從15℃降低到-20℃時，系統輸出功和效率分別增加25％～35％和6％～10％左右；當壓氣機入口溫度由15℃升高到40℃時，系統輸出功和效率分別降低17％～23％和5％～8％左右。氣輪機進氣冷卻是最有成效、可靠、安全、簡單的效率提升措施。
在本發明具體實施例中，所述第一設定條件可以為時間條件，例如，每年三月至十月；所述第一條件還可以為溫度條件，例如，溫度大於等於15℃。
在本發明具體實施例中，仍然參照圖1，所述工質接收機構為壓氣機1021，所述燃機單元102包括壓氣機1021、空氣透平1022、發電機1023；其中，
壓氣機1021：與所述太陽能集熱單元101連接，用於將環境中的空氣輸入所述太陽能集熱單元101；
空氣透平1022：與所述太陽能集熱單元101連接，用於利用太陽能集熱單元輸出的空氣產生用於驅動所述發電機1023的機械能。
在上述實施例中，空氣經壓氣機1021提升壓力後，首先進入太陽能集熱單元101被加熱為高溫空氣，高溫空氣隨後進入空氣透平1022做功，使得空氣透平1022驅動發電機1023輸出電能。
在本發明具體實施例中，所述燃機單元102還包括：
換熱器1024：設置於所述壓氣機1021和太陽能集熱單元101之間，與壓氣機1021、換熱器1024和太陽能集熱單元101連接，用於在所述環境中的空 氣輸入所述太陽能集熱單元101之前，實現所述空氣透平1022排放的廢氣與所述壓氣機1021輸送的空氣的熱交換。
空氣經壓氣機1021提升壓力後，首先進入換熱器1024，吸收空氣透平1022出口的煙氣中的餘熱。經初步升溫的空氣通入太陽能集熱單元101，使空氣溫度得到進一步提升。高溫空氣隨後進入空氣透平1022做功，其排氣進入換熱器1024與壓氣機1021出口煙氣進行換熱。
在本發明一些實施例中，所述燃機單元102的功率小於10MW。
在本發明具體實施例中，所述燃機單元102為小燃機裝置或微燃機裝置。由於燃機單元採用小燃機裝置或微燃機裝置，其輸出功率小，從而能夠降低整個太陽能熱發電機組的規模，實現塔式太陽能熱電的分布式利用。機組規模的降低能夠使得太陽能熱發電機組的太陽能集熱單元避免光斑發散問題，並可以模塊化的方式建設和運行，即在不同的模塊中各設置一個太陽能集熱單元，電站通過設置多個模塊來實現更多的電能輸出。模塊化設計可以實現快速的設計、安裝，可擴展性強。各個集熱塔可分別維護，能提高整個電站的可用率。由於模塊化塔式系統單個高塔的裝機規模較小，最遠的定日鏡距離高塔的距離很近，因而對定日鏡的控制要求較低，可以避免塔式太陽能定日鏡場的光斑發散問題，使工質溫度的提升更有保障。
在本發明一些實施例中，所述太陽能集熱單元101包括：太陽能吸熱器1011、定日鏡場1012和高塔1013；其中：
太陽能吸熱器1011：設置於所述高塔1013頂部，用於吸收太陽能熱並加熱所述工質；
定日鏡場1012：設置於所述高塔下方並圍繞所述高塔1013，用於將太陽能熱集中到所述太陽能吸熱器1011。
其中，太陽能吸熱器1011為以空氣為工質的吸熱器，位於所述高塔1013之上，接收來自定日鏡場1012匯聚的太陽光。
在本發明一些實施例中，所述定日鏡場1012距離所述太陽能吸熱器1011的最大距離小於設定值。
所述定日鏡場1012距離所述太陽能吸熱器1011的最大距離為定日鏡場1012中，距離太陽能吸熱器1011最遠的定日鏡與太陽能吸熱器1011之間的 距離。
現有技術中的常規塔式太陽能熱發電機組的定日鏡場分布面積很大，一個100MW的大規模單塔塔式太陽能熱電站，最遠的定日鏡距離高塔可能在1公裡以上。遠距離聚光會導致光斑發散嚴重，聚焦困難，因而對定日鏡的精度有很高的要求。若塔式太陽能電站無法準確聚焦，工質的溫度提高仍然存在限制。而本發明實施例的太陽能熱發電機組的燃機單元輸出功率不超過10MW，從而定日鏡場1012的分布面積無需做得很大，在具體實施例中，可以令定日鏡場1012中的定日鏡與太陽能吸熱器距離值處於一個較小的範圍內，避免聚光時光斑發散、聚焦困難的問題。
在本發明一些實施例中，所述工質溫度控制單元103包括吸收式冷溫水機和進氣冷卻器1037：其中：
吸收式冷溫水機：與所述進氣冷卻器連接，用於令製冷工質產生製冷所需的冷量；
進氣冷卻器1037：設置於壓氣機1021的空氣入口位置處，用於利用吸收式冷溫水機產生的冷量對將進入工質接收機構的空氣進行冷卻，使得所述空氣進入工質接收機構時的溫度降低並接近工質接收機構額定工況下接收的空氣的溫度。在本發明具體實施例中，進氣冷卻器1037設置於壓氣機1021的空氣入口位置處，或者進氣冷卻器1037的有效冷卻部件設置在壓氣機1021的空氣入口位置處；
所述的製冷工質為水；所述的吸收式冷溫水機具體包括：發生器1031、冷凝器1032、溶液泵1033、吸收器1034、節流閥1035、蒸發器1036。
溶液泵1033：與吸收器1034和發生器1031連接，用於將吸收器1034中的溴化鋰溶液增壓後送入發生器1031。
發生器1031：與所述燃機單元102連接，用於利用燃機單元102的廢氣中的熱量，加熱溴化鋰稀溶液，從而析出水蒸氣。水蒸氣析出後，發生器1031中的溴化鋰溶液濃度標高，通過相應的閥門和管道送回吸收器1034。在具體實施例中，如圖1所示，發生器1031與燃機單元102的換熱器1024連接，從而進一步利用換熱器1024排放的廢氣中的熱量；由於燃機單元102中的空氣透平1022所排放的空氣經換熱器1024換熱後，仍存在一定的餘熱，所以排放 的空氣進一步進入工質溫度控制單元103，工質溫度控制單元103利用燃機單元102所排廢氣的餘熱，可產生冷卻源，從而進一步提高太陽能熱的利用率；在具體實施例中，燃機單元102所排廢氣可直接排放到周圍環境中，由於排放物是空氣，不會造成環境汙染；
冷凝器1032：與所述發生器1031連接，用於對所述發生器1031產生的水蒸氣進行冷凝，產生液體水。具體的，冷凝器1032內部設置有傳熱管，傳熱管內通入冷卻水，所述發生器1031產生的水蒸氣從傳熱管外部流過，傳熱管內的冷凝水將發生器1031產生的高壓水蒸氣冷凝形成高壓液體水；
節流閥1035：與所述冷凝器1032連接，用於對經過該節流閥1035的高壓液體水的進行降壓；
蒸發器1036：與所述節流閥1035連接，用於將節流閥1035輸送的、降壓後的液體水蒸發，產生水蒸氣，蒸發的同時產生冷量，使得製冷工質能夠攜帶所述冷量進入進氣冷卻器1037；
吸收器1034：與蒸發器1036連接，用於收集蒸發器1036產生的水蒸氣。具體實施例中，吸收器1034還與發生器1031連接，用於接收發生器產生的溴化鋰濃溶液，濃溶液與水蒸氣混合後，產生溴化鋰稀溶液；
上述實施例中，工質溫度控制單元103為一個吸收式製冷循環，生產的冷量用於冷卻壓氣機1021的入口空氣，提高燃機單元102的出力和效率。
在本發明其它實施例中，工質溫度控制單元103可以是不依賴於燃機單元102所排廢氣的任意類型的獨立制冷機構。
在本發明一些實施例中，在第二設定條件下，工質溫度控制單元103關閉，燃機單元102所排廢氣中的餘熱可以收集用於供暖等。
在具體實施例中，夏季工況下，壓氣機1021入口的空氣溫度較高，為了降低壓氣機1021入口的空氣溫度、提高微燃機系統的出力和效率，進入太陽能熱發電機組的空氣首先經過進氣冷卻器1037冷卻，冷卻冷源為工質溫度控制單元103。經進氣冷卻器1037冷卻後的空氣溫度能夠低達10℃左右，進入壓氣機1021提升壓力，壓氣機1021對空氣的壓縮比取決於燃機單元102的設備類型、輸出功率等參數。升壓後的空氣進入換熱器1024與空氣透平1022排氣出口的熱空氣換熱。經初步升溫後的熱空氣進入太陽能吸熱器1011，將 溫度進一步提升到900℃左右，然後進入空氣透平1022做功，驅動發電機1023發電輸出電能。空氣透平1022的排氣出口的熱空氣進入換熱器1024降溫為中溫空氣，進入工質溫度控制單元103製冷。
從上面所述可以看出，本發明提供的太陽能熱發電機組，採用空氣作為工質，以Brayton循環替代現有技術中太陽能發電的Rankine循環，突破溫度限制，同時不會因為工質的變化而過多增加成本。根據熱力學基本原理，熱力系統的熱功轉換效率主要取決於高低溫熱源。常規的塔式太陽能熱電站利用水蒸氣為工質，其工質的循環為Rankine循環。目前，由於受到材料和技術方面的制約，超超臨界火電機組的最高工質溫度在600℃左右。本發明以Brayton循環替代Rankine循環，突破溫度限制，可以有效發揮塔式太陽能高聚光比的優勢。
其次，本發明實施例的太陽能熱發電機組採用輸出功率較小的燃機單元，實現塔式太陽能熱電的分布式利用。燃機單元輸出功率的降低使得光熱電站可以模塊化的方式建設和運行。模塊化設計可以實現快速的設計、安裝，可擴展性強。各個集熱塔可分別維護，能提高整個電站的可用率。由於模塊化塔式系統單塔的裝機規模較小，最遠的定日鏡距離集熱塔的距離很近，因而對定日鏡的控制要求較低，可以避免塔式太陽能定日鏡場的光斑發散問題，使工質溫度的提升更有保障。
本發明實施例的太陽能熱發電機組通過工質溫度控制單元在設定條件下降低工質進入太陽能熱發電機組時的溫度，從而能夠提高空氣接收機構的工作效率。在具體實施例中，所述工質溫度控制單元利用燃機單元所排廢氣的餘熱進行製冷，提高了能源利用率。
應當理解，本說明書所描述的多個實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。並且在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。
顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。