一種基於分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發電系統的製作方法

2023-12-10 12:10:37

本發明屬於碟式太陽能發電系統技術領域，具體涉及一種基於分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發電系統。

背景技術：

隨著化石能源的消耗所帶來的環境影響，太陽能熱發電因其儲量豐富性、環境友好性已經成為能源供給側的一個重要部分。目前聚光太陽能熱發電技術(csp)主要有塔式、槽式和碟式熱發電三種，其中碟式太陽能熱發電系統具有高聚光比、高的光學效率、低熱損、很強的環境適應性等其他聚光式熱發電無法比擬的優勢，並且能耦合蓄熱系統，既可以作為分布式能源，也可以集成大規模熱發電站，非常適合在太陽能資源豐富的國家和地區開發與部署。碟式太陽能熱發電系統的基本原理是利用旋轉拋物面聚光鏡將太陽能聚焦到置於焦點的腔式吸熱器或熱動力發電機組，加熱工質，推動熱動力發電機組發電，從而將太陽能轉換為電能。

在碟式太陽能熱發電系統中，採用的熱動力發電裝置主要有兩種形式：一類是太陽能斯特林循環熱動力發電，即將熱氣發電機組配置在旋轉拋物面聚光器的焦點處，直接接收聚焦後的太陽輻射能，加熱汽缸內的工質，推動斯特林機組發電；另一類是太陽能蒸汽朗肯循環熱動力發電，即將小型腔式吸熱器配置在旋轉拋物面聚光器的焦點處，直接或間接產生高溫高壓蒸汽，驅動汽輪發電機組發電。目前對於碟式太陽能熱發電的研究主要集中在太陽能斯特林循環熱動力發電，但是斯特林循環不能耦合蓄熱系統，這使得碟式太陽能斯特林循環熱發電一直以來都受到很多限制，發電機組的功率也較小，都集中在幾kw至幾十kw之間，例如美國亞利桑那州1.5mw的碟式太陽能斯特林熱發電示範電站、沙特50kw的蝶式太陽能斯特林熱發電系統eurodish等。國內對於蝶式太陽能熱發電的研究起步較晚，也主要集中在太陽能斯特林循環熱動力發電,如：中科院1kw碟式太陽能斯特林發動機發電系統、寧夏11kw級蝶式聚光太陽能熱發電系統等。而碟式太陽能蒸汽朗肯循環熱發電之前多以高溫油作為傳熱工質，吸收聚光器聚焦的太陽能後通過油-水換熱器加熱水/蒸汽，繼而推動汽輪機做功發電，完成一次循環；這類碟式太陽能熱發電系統可以配置相應的蓄熱系統，提高太陽能利用率。但是這種傳統的碟式太陽能蒸汽朗肯循環熱發電系統複雜，並且轉換效率低下，所以一直被擱置。

總體上來說，研究大規模、高能量利用效率的蝶式太陽能熱發電系統是目前蝶式太陽能光熱發電的重點方向。槽式和塔式熱發電系統的一個主要的優勢就是具有儲熱能力，這對蝶式熱發電系統更為重要，增加儲熱系統有助於減小太陽輻射對系統的直接影響。因此，研究並發展高效率的具有蓄熱功能的碟式太陽能蒸汽朗肯循環熱發電系統十分必要。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發電系統，該系統結構設計合理，能夠有效解決目前碟式太陽能熱發電系統無法配置蓄熱系統及光熱轉換效率較低的問題。

本發明是通過以下技術方案來實現：

本發明公開的一種基於分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發電系統，包括給水單元、聚光集熱單元、蓄熱單元、發電單元以及汽包；

聚光集熱單元分為蒸發段和過熱段，蒸發段和過熱段均設有若干個碟式聚光鏡及腔式吸熱器，腔式吸熱器設置在碟式聚光鏡的焦點處；蒸發段的工質出口通過管路與汽包相連，汽包的氣體出口與過熱段的氣體進口端相連，過熱段的出口分為兩路，一路與發電單元相連，另一路與蓄熱單元相連；

蓄熱單元包括通過管路相連的高溫顯熱蓄熱罐和相變蓄熱罐，相變蓄熱罐與給水單元通過管路相連通，給水單元一端通過管路連接至聚光集熱單元的蒸發段，另一端與發電單元相連；

相變蓄熱罐與汽包相連，汽包通過管路與高溫顯熱蓄熱罐相連，高溫顯熱蓄熱罐通過管路連接至發電單元。

聚光集熱單元蒸發段的工質出口與汽包相連的管路上設有第一閥門，汽包的液體出口通過管路連通至聚光集熱單元蒸發段，且在該管路上設有第二閥門和第一循環泵，汽包的氣體出口與聚光集熱單元過熱段相連的管路上設有第三閥門。

聚光集熱單元過熱段的蒸汽出口與蓄熱單元相連的管路上設有第四閥門。

所述發電單元能夠實現朗肯循環，包括汽輪機以及與其相連的冷凝器，冷凝器與給水單元相連；聚光集熱單元過熱段的蒸汽出口通過管路與汽輪機相連，在該管路上還設有過熱蒸汽閥門。

給水單元包括通過管路依次相連的除氧器、一級給水泵、水/水換熱器及二級給水泵，冷凝器與除氧器相連，二級給水泵與聚光集熱單元相連，且在相連的管路上設有第五閥門和強制循環泵。

水/水換熱器與第五閥門之間設有一條支路，支路上設有放熱閥門及蓄熱閥門，放熱閥門和蓄熱閥門之間還設有一條支路，該支路並聯出兩條管路，一條通向汽包，另一條通向相變蓄熱罐，通向汽包的管路上依次設有第六閥門和第二循環泵。

相變蓄熱罐與汽包相連的管路上設有第七閥門，相變蓄熱罐與高溫顯熱蓄熱罐相連的管路上設有第八閥門，汽包與高溫顯熱蓄熱罐相連的管路上設有第九閥門。

所述碟式聚光鏡為拋物面型聚光鏡，面積大於100m2，聚光比大於1000，光學效率大於90％，跟蹤精度高於1.7mrad。

腔式吸熱器為圓柱型腔式吸熱氣，能夠產出15mpa、550℃的過熱蒸汽。

蓄熱單元所用工質為熔融鹽，高溫顯熱蓄熱罐用於為過熱段蓄熱，相變蓄熱罐用於為蒸發段蓄熱。

與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：

本發明公開的基於分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發電系統，包括給水單元、聚光集熱單元、蓄熱單元、發電單元；首先，系統基於直接蒸汽朗肯循環，能夠耦合蓄熱系統，提高太陽能利用率；從利用方式上根本性解決採用斯特林熱機難以實現的有效蓄能問題；其次，聚光集熱單元分為蒸發段和過熱段，通過設置若干碟式聚光鏡與腔式吸熱器，使得蒸發段組能夠實現15mpa額定壓力條件下氣液兩相流流動狀態，過熱段則能夠保證水蒸氣達到用於發電的過熱狀態，腔式吸熱器的出口連接發電單元的入口和蓄熱單元的入口。聚光集熱單元能夠產生高溫、高壓的過熱蒸汽，這些過熱蒸汽一部分直接用於發電單元，一部分通過蓄熱單元儲存起來，在需要的時候再釋放出去。最後，該系統的蓄熱單元由兩部分組成，顯熱蓄熱罐的出口(入口)連接相變蓄熱罐的入口(出口)，如果僅僅採用顯熱蓄熱材料進行蓄熱，會使工質與吸熱材料之間的熱力學溫度-焓值曲線出現嚴重偏差，從而造成系統損增大，系統能量利用效率下降。從損最小熱力學原理出發，本發明採用相變蓄熱和顯熱蓄熱相結合的分級蓄熱方式，能夠較好的降低系統損，提高系統效率。本發明的系統中的聚光、吸熱、蓄熱等模塊之間可以集成規模化，既能滿足分布式的需要，又能實現規模化的要求。適應於百mw級熱發電裝置。

進一步地，本發明採用大面積、高聚光比、高光學效率的碟式拋物面型聚光鏡，能夠有效提高傳熱工質(htf)的品質。

附圖說明

圖1為本發明的裝置示意圖；

圖2為採用分級蓄熱時工質的溫-焓特性。

其中：1.碟式聚光鏡；2.腔式吸熱器；3.第一閥門；4.汽包；5.第二閥門；6.第一循環泵；7.第三閥門；8.蒸汽閥門；9.第四閥門；10.高溫顯熱蓄熱罐；11.第七閥門；12.第八閥門；13.相變蓄熱罐；14.第九閥門；15.第二循環泵；16.第六閥門；17.放熱閥門；18.蓄熱閥門；19.汽輪機；20.冷凝器；21.除氧器；22.一級給水泵；23.水/水換熱器；24.二級給水泵；25.第五閥門；26.強制循環泵。

具體實施方式

下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。

參見圖1，本發明公開的基於分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發電系統，包括給水單元、聚光集熱單元、蓄熱單元、發電單元以及汽包4；

聚光集熱單元分為蒸發段和過熱段，蒸發段和過熱段均設有若干個碟式聚光鏡1及腔式吸熱器2，腔式吸熱器2設置在碟式聚光鏡1的焦點處；蒸發段的工質出口通過管路與汽包4相連，汽包4的氣體出口與過熱段的氣體進口端相連，過熱段的蒸汽出口分為兩路，一路與發電單元相連，另一路與蓄熱單元相連；聚光集熱單元蒸發段的工質出口與汽包4相連的管路上設有第一閥門3，汽包4的液體出口通過管路連通至聚光集熱單元蒸發段，且在該管路上設有第二閥門5和第一循環泵6，汽包4的氣體出口與聚光集熱單元過熱段相連的管路上設有第三閥門7。過熱段的蒸汽出口與蓄熱單元相連的管路上設有第四閥門9。

蓄熱單元包括高溫顯熱蓄熱罐10和相變蓄熱罐13，高溫顯熱蓄熱罐10的出口與相變蓄熱罐13的入口相連，相變蓄熱罐13的出口與給水單元的入水口相連，給水單元通過管路連接至聚光集熱單元的蒸發段；

發電單元的工質出水口與給水單元相連，給水單元通過管路連接至相變蓄熱罐13，相變蓄熱罐13與汽包4相連，汽包4通過管路與高溫顯熱蓄熱罐10相連，高溫顯熱蓄熱罐10通過管路連接至發電單元。相變蓄熱罐13與汽包4相連的管路上設有第七閥門11，相變蓄熱罐13與高溫顯熱蓄熱罐10相連的管路上設有第八閥門12，汽包4與高溫顯熱蓄熱罐10相連的管路上設有第九閥門14。

發電單元能夠實現朗肯循環，包括汽輪機19以及與其相連的冷凝器20，冷凝器20與給水單元相連；聚光集熱單元過熱段的蒸汽出口通過管路與汽輪機19相連，在該管路上還設有過熱蒸汽閥門8。

給水單元包括通過管路依次相連的除氧器21、一級給水泵22、水/水換熱器23及二級給水泵24，冷凝器20與除氧器21相連，二級給水泵24與聚光集熱單元相連，且在相連的管路上設有第五閥門25和強制循環泵26。水/水換熱器23與第五閥門25之間設有一條支路，支路上設有放熱閥門17及蓄熱閥門18，放熱閥門17和蓄熱閥門18之間還設有一條支路，該支路並聯出兩條管路，一條通向汽包4，另一條通向相變蓄熱罐13，通向汽包4的管路上依次設有第六閥門16和第二循環泵15。

優選地，本發明的碟式聚光鏡面積大於100m2，聚光比為1000，光學效率為90％，跟蹤精度優於1.7mrad。所述腔式吸熱器能產出15mpa、550℃過熱蒸汽。所述分級蓄熱系統採用熔融鹽作為蓄熱工質，相變蓄熱用於蒸發段，顯熱蓄熱用於過熱段；蓄熱系統容量3mwh，產生10mpa、400℃過熱蒸汽。

本發明基於分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發電系統的工作過程為：

1、聚光集熱、發電過程

在日照充足的情況下，太陽光通過碟式聚光鏡1聚焦到腔式吸熱器2內部，將水工質逐步加熱成飽和蒸汽、過熱蒸汽。在聚光集熱單元的蒸發段，水工質在腔式吸熱器2內被加熱後經過第一閥門3進入汽包4內進行氣液分離，分離後的水工質經過第一循環泵6繼續進入蒸發段的腔式吸熱器2進行吸熱，汽包4分離後的蒸汽經過第三閥門7進入過熱段的腔式吸熱器2，進一步被加熱成過熱蒸汽；過熱蒸汽通過蒸汽閥門8後一部分進入發電單元推動汽輪機19發電，完成一次循環。

2、蓄熱過程：

首先要關閉放熱過程的相關閥門，分別是第七閥門11、第九閥門14、第六閥門16、放熱閥門17；從蒸汽閥門8出來的過熱蒸汽分成兩部分，一部分進入發電單元推動汽輪機19發電，另一部分經過第四閥門9進入高溫顯熱蓄熱罐10進行放熱，變為溼蒸汽，之後經過第八閥門12進入相變蓄熱罐13放熱，然後經過蓄熱閥門18與一級給水泵22過來的給水進行混合，餘熱用於加熱給水，再經由水/水換熱器23、二級給水泵24，第五閥門25、強制循環泵26後進入聚光集熱單元，完成一次循環。

3、放熱過程

首先要關閉蓄熱過程的相關閥門，分別為蒸汽閥門8、第二閥門5、第八閥門12、蓄熱閥門18、第五閥門25；在需要蓄熱系統儲存的能量時，從冷凝器20出來的工質水經過除氧器21、一級給水泵22、水/水換熱器23、二級給水泵24、放熱閥門17進入相變蓄熱罐13吸熱，相變蓄熱罐13出口的溼蒸汽經過第七閥門11進入汽包4進行氣液分離，分離後的水工質經過第二循環泵15和第六閥門16後繼續在相變蓄熱罐13中吸熱，分離後的蒸汽經過第九閥門14進入顯熱蓄熱罐10吸熱變成過熱蒸汽，經過第四閥門9進入發電單元推動汽輪機19發電，完成一次循環。

圖2為本發明系統採用分級蓄熱時工質的溫-焓特性結果。由圖中可以看出，當採用分級蓄熱時，在過熱蒸汽部分採用顯熱蓄熱，在溼蒸汽部分採用相變蓄熱，可以降低兩種工質之間的傳熱溫差，有效的減少系統的損。

綜上所述，本發明的基於分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發電系統，由面積不小於100m2的碟式高溫聚光鏡、與之相匹配的高溫水/水蒸氣腔式吸熱器，相變蓄熱(pcm)與顯熱蓄熱結合的分級蓄熱裝置及發電子模塊組成。系統基於直接蒸汽朗肯循環，碟式高溫聚光鏡與腔式吸熱器(組)分為蒸發段與過熱段，蒸發段組實現15mpa額定壓力條件下氣液兩相流流動狀態，過熱段保證水蒸氣達到用於發電的過熱狀態；採用相變蓄熱和顯熱蓄熱相結合的分級蓄熱裝置，降低系統損；發電子模塊部分採用汽輪機機組發電裝置。各子系統可進行模塊化集成，適應於百mw級熱發電裝置。