一种塔式太阳能高低温混合吸热发电系统的制作方法

1.本发明涉及太阳能热利用，尤其涉及一种塔式太阳能高低温混合吸热发电系统。


背景技术：

2.随着传统化石能源的巨大消耗，人们面对日益严峻的能源与环境问题。新的能源技术革命要从提高能源利用效率以及优化能源消费结构着手。提高非化石能源比例，特别是可再生能源比例对于未来的能源和环境有着重要的意义。目前可再生能源仅占12%左右，可再生能源已经被作为新一代能源技术的战略制高点。可再生能源包括了水能、风能、太阳能、生物质能、地热能和海洋能等。其中太阳能分布广泛，安全清洁，总量巨大，取之不尽用之不竭，受到了广泛关注，是可再生能源中的重要组成部分。
3.太阳能热发电的原理是利用吸收器吸收太阳光作为高温热源，热工质吸收热，进入下一步动力循环，产生机械能，带动发电机组发电，常见形式有碟式、槽式和塔式系统等。太阳能光热发电可结合廉价储能，输出稳定，可承担基础负荷，调节迅速，又可作为调峰电源，可进一步提高其他非稳定可再生能源的上网消纳能力，在未来发展前景巨大。
4.目前塔式热发电系统主要采用熔盐作为吸热和储热介质，熔盐吸热器多为裸露式，其外壁面同时为聚光接收面和大气交界面。熔盐吸热器上的聚光能流密度与塔式系统定日镜场布置方式和控制等直接相关。由于定日镜距离集热塔顶的吸热器距离较远，聚焦光斑位置存在一定误差。一般的，熔盐吸热器上的聚光能流密度分布呈现中间高（最高能流密度可大1000kw/m2以上），逐渐向两端降低的分布。熔盐吸热器要求温度高，因而只能利用中间高强度聚光部分，两端溢出的聚光能量没有被吸收利用，造成“溢光”损失。该“溢光”损失可达10%左右。为防止吸热器两端溢出的聚光对附件设备的损坏，在熔盐吸热器上下两侧有隔热防护装置，一般采用白色的耐温隔热材料。同时为了尽可能减少溢出损失，吸热器上的聚光能流又必须集中，更加容易造成吸热器局部超温，减少寿命，甚至发生安全事故。
5.当发生云遮挡时，熔盐吸热器接受太阳辐射能量急剧减少，此时吸热器对外会一直散热，因此吸热器壁面温度将急剧下降，严重时可以导致吸热器中熔盐工质的凝固，对吸热器造成致命的损伤。
6.综上，熔盐吸热器工作环境较恶劣，其温度高，温度梯度大，热应力敏感；正常运行时每天至少启停一次，热疲劳影响严重。为了保证熔盐吸热器在太阳能辐射变化时能够及时调控，定日镜数目的设计留有一定余量。当太阳能光充足时，有部分定日镜的聚光焦点并没有投在熔盐吸热器上，而是在熔盐吸热器附近，随时准备。当熔盐吸热器温度过高时，则撤出部分定日聚光，作为预备；当吸热器温度降低时，投入预备的定日镜，使得吸热器温度稳定。这部分预备的定日镜聚光造成了“弃光”损失，可达10%以上。
7.综上，“溢光”损失以及“弃光”损失总共可达20%以上，造成了巨大损失，降低了效率，大幅提高了系统成本。


技术实现要素：

8.本发明针以上塔式太阳能熔盐发电系统的“溢光”以及“弃光”损失，提出了一种塔式太阳能高低温混合吸热发电系统，将“溢光”以及“弃光”采用低温吸热器来吸收，并将所吸收的热量耦合进蒸汽朗肯循环发电系统，从而降低损失，提高输出功率，可将系统效率提高十分百分点。本发明的具体方案如下：一种塔式太阳能高低温混合吸热发电系统，包括高温熔盐吸热器、低温吸热器、给水加热器，其特征在于所述给水加热器的热侧出口与所述低温吸热器进口相连，低温吸热器出口与给水加热器的热侧进口相连，即给水加热器的热侧与低温吸热器串联；所述低温吸热器分为上低温吸热器与下低温吸热器，所述上低温吸热器位于所述高温熔盐吸热器上端，下低温吸热器位于高温熔盐吸热器下端，即所述高温熔盐吸热器位于上低温吸热器与下低温吸热器的中间。
9.所述高温熔盐吸热器吸收塔式系统中定日镜场聚光的高强度部分能量，产生高温熔盐。所述上低温吸热器与下低温吸热器吸收塔式系统定日镜在熔盐吸热器两端的“溢光”，并可将预备状态的定日镜“弃光”投射在低温吸热器上，低温吸热工质进入低温吸热器进口，被“溢光”以及“弃光”加热，加热后的低温吸热工质进入所述给水加热器，用于加热水蒸汽朗肯循环中的给水。所述低温吸热器的低温吸热工质为水、导热油、低温熔盐中的任一种。
10.所述的上低温吸热器与下低温吸热器采用并联或者串联的方式连接。串联方式为低温吸热工质依次通过下低温吸热器再通过上低温吸热器或者低温吸热工质依次通过上低温吸热器再通过下低温吸热器。并联方式为低温吸热工质分成两路，分别通过上低温吸热器和下低温吸热器，低温吸热工质各自出来后又并成一路。进一步的，上低温吸热器与下低温吸热器各自分成至少两部分，每部分通过串联或者并联的方式连接。
11.进一步，该系统还包括回热加热器与调节阀，所述调节阀进口与所述回热加热器的给水进口相连，所述调节阀出口与所述给水加热器的冷侧进口相连，给水加热器的冷侧出口与回热加热器的给水出口相连，即所述回热加热器与给水加热器并联。通过调节所述调节阀的开度，分配进入回热加热器以及给水加热器的给水量。当太阳能光照充足，低温吸热器所吸收的热量增多，调节所述调节阀，使得进入给水加热器的给水量增多，进入回热加热器的给水量减小。由于进入回热加热器的给水量减少，回热加热器所需的从蒸汽透平出来的蒸汽抽汽量减少，从而提高了蒸汽透平的做功功率。当没有太阳光时，关闭调节阀，使得给水全部进入回热加热器，与传统的发电流程一致。
12.相对于回热加热器与给水加热器并联的方式，两者还可以采用串联方式。由于回热加热器与给水加热器的先后顺序关系，存在两种连接方式：所述回热加热器的给水出口与所述给水加热器的冷侧进口相连，即给水先经过回热加热器，再经过给水加热器；或者所述给水加热器的冷侧出口与回热加热器的给水进口相连，即给水先经过给水加热器，再经过回热加热器。
13.所述回热加热器分为至少为2级回热加热器，各级回热加热器以串联方式连接。多级回热加热器可合理利用从蒸汽透平出来的蒸汽抽汽，保证加热效果的同时，提高蒸汽透平的做功能力。
14.该系统还包括蒸汽发生器，所述的高温熔盐吸热器出口与所述蒸汽发生器的热侧
进口相连，所述蒸汽发生器的热侧出口与高温熔盐吸热器进口相连。作为优选，增设高温熔盐罐和低温熔盐罐，所述高温熔盐吸热器出口与所述高温熔盐罐进口相连，高温熔盐罐出口与所述蒸汽发生器的热侧进口相连，所述蒸汽发生器的热侧出口与低温熔盐罐进口相连，低温熔盐罐出口与所述熔盐吸热器进口相连。高温熔盐储罐所存储的高温熔盐能够根据需求在蒸汽发生器中产生相应量的蒸汽，缓解太阳光的波动影响。
15.进一步增设低温吸热工质储热罐，所述低温吸热器出口与所述低温吸热工质储罐进口相连，低温吸热工质储罐出口与给水加热器的热侧进口相连。低温吸热工质进入低温吸热器加热后，再进入低温吸热工质储罐，由于储罐的存储作用，缓解了太阳光的波动影响。
16.该塔式太阳能高低温混合吸热发电系统还包括蒸汽发生器、蒸汽透平、凝汽器，给水泵，所述高温熔盐吸热器出口与所述蒸汽发生器的热侧进口相连，所述蒸汽发生器的热侧出口与高温熔盐吸热器进口相连；所述蒸汽发生器的冷侧进口与给水加热器的冷侧出口和/或回热加热器的给水出口相连，所述蒸汽发生器的冷侧出口与所述蒸汽透平进口相连，蒸汽透平出口与所述凝汽器进口相连，凝汽器出口与所述给水泵的进口相连，给水泵的出口与给水加热器的冷侧进口和/或回热加热器的给水进口相连。高温熔盐吸热器利用定日镜场的高倍聚光加热熔盐，高温熔盐再进入蒸汽发生器的热侧，作为热源加热蒸汽发生器冷侧的给水，产生高温高压蒸汽；高温高压蒸汽再进入所述蒸汽透平并膨胀做功，从蒸汽透平出来的排汽进入所述凝汽器，被凝结成液态的水，液态水经过给水泵升压，进入所述回热加热器和/或给水加热器，再进入蒸汽发生器的冷侧。低温吸热工质经过低温吸热工质吸热器的加热，作为热源进入给水加热器的热侧，加热给水，减少了回热加热器的所需的蒸汽抽汽量，从而提高了蒸汽透平的输出功率。
17.此外，本发明提出一种塔式太阳能高低温混合吸热发电方法，其特征在于包括高温熔盐吸热器、低温吸热器，所述低温吸热器分为上低温吸热器与下低温吸热器，所述上低温吸热器位于所述高温熔盐吸热器上端，下低温吸热器位于高温熔盐吸热器下端，即所述高温熔盐吸热器位于上低温吸热器与下低温吸热器的中间；所述高温熔盐吸热器吸收塔式系统中定日镜场聚光的高强度部分能量，产生高温熔盐，所述上低温吸热器与下低温吸热器吸收塔式系统定日镜在高温熔盐吸热器两端的低强度溢光，提高低温吸热工质温度，提高了定日镜场聚光的吸收效率；所述高温熔盐用于加热水蒸汽朗肯循环中的给水，产生高温高压水蒸气；所述低温吸热工质用于加热提高水蒸汽朗肯循环中的给水温度，减少水蒸汽朗肯循环中回热抽汽量。当低温吸热工质为水工质时，直接利用水蒸汽朗肯循环中的给水作为低温吸热工质，低温吸热器与回热加热器并联，即一部分给水进入低温吸热器，另一部分给水进入回热加热器，根据太阳光强变化分配进入低温吸热器和回热加热器的给水量。当太阳能光充足时，增大进入低温吸热器的给水流量，减少进入回热加热器的给水流量；反之，当太阳光不足时，减小进入低温吸热器的给水流量，增加进入回热加热器的给水流量。低温吸热器利用定日镜场聚光的在高温熔盐吸热器两端的溢光加热给水，回热加热器利用蒸汽透平的抽汽加热给水，由于部分给水被低温吸热器加热，因而减少了回热加热器加热给水所需的回热抽汽量，提高了蒸汽透平的输出功率。
18.本发明将定日镜聚光的高强度聚光和溢出的低强度聚光能量进行梯级利用，利用高强度聚光产生高温熔盐，并利用高温熔盐加热给水产生高温高压水蒸气；利用溢出的低
强度聚光进行加热给水温度，减少回热抽汽量。从太阳能聚光能量的品位出发，合理利用不同温区的热量，提高了系统发电效率。
19.所述高温熔盐吸热器是指利用聚光太阳能提高熔盐工质温度的装置，出口熔盐可达550℃以上；所述低温吸热器是指利用聚光太阳能提高低温吸热工质温度的装置，该低温是相对于高温熔盐吸热器的温度而言，其温度可达300℃；所述给水加热器为利用低温吸热工质作为热源加热朗肯循环给水的装置；所述蒸汽透平是指利用高温高压水蒸气做功的装置，又称为蒸汽轮机；所述回热加热器是指利用蒸汽透平中的抽汽加热给水的装置；所述蒸汽发生器是利用高温热源将液态水加热蒸发及过热的装置，一般包括预热器、蒸发器、汽包、过热器等。
20.本发明利用高温熔盐吸热器两端设置的低温吸热器，吸收“溢光”以及“弃光”，用于提高给水温度，并与回热加热器并联或者串联，降低了从蒸汽透平的抽汽量，提高了蒸汽透平的输出功率及系统效率。此外，本发明可以基于原有的塔式熔盐系统进行相应的升级改造，对原有系统影响小，降低了改造成本，系统效率有望提高10%以上。
附图说明
21.图1是具体实施例1的示意图；图2是具体实施例2的示意图；图3是具体实施例3的示意图；图4是具体实施例4的示意图；图5是具体实施例5的示意图；图6是具体实施例6的示意图。
22.图中：1-上低温吸热器；2-高温熔盐吸热器；3-下低温吸热器；4-给水加热器；5-调节阀；6-回热加热器；7-低温吸热工质储罐；8-低温吸热工质泵；9-蒸汽发生器；10-蒸汽透平；11-凝汽器；12-给水泵；13-发电机。
具体实施方式
23.实施例1本发明提出一种塔式太阳能高低温混合吸热发电系统，如图1所示，包括上低温吸热器1、高温熔盐吸热器2、下低温吸热器3、给水加热器4。上低温吸热器1位于高温熔盐吸热器2的上端，下低温吸热器3位于高温熔盐吸热器2的下端，即高温熔盐吸热器2位于上低温吸热器1与下低温吸热器3的中间。上低温吸热器1与下低温吸热器3通过串联方式连接，组成低温吸热器。上低温吸热器1出口连接给水加热器4的热侧进口，给水加热器4的热侧出口连接下低温吸热器3进口，下低温吸热器3的出口连接上低温吸热器2进口。低温吸热器用于吸收定日镜场聚光的“溢光”以及“弃光”，加热其中流过的低温吸热工质，温度可达300℃，被加热后的低温吸热工质进入给水加热器4的热侧，加热给水加热器4的冷侧给水，提高给水温度。所述低温吸热器的低温吸热工质为水、导热油、低温熔盐中的任一种。高温熔盐吸热器吸收定日境场聚光的高强度部分能量，平均聚光比可达300以上，用于加热高温熔盐，温度可达550℃以上。
24.实施例2
在实施方式1的基础上增加回热加热器6以及调节阀5，如图2所示，调节阀5的进口与回热加热器6的给水进口相连，调节阀5的出口与给水加热器4的冷侧进口相连，给水加热器4的冷侧出口与回热加热器6的给水出口相连，即给水加热器4与回热加热器6并联。回热加热器6利用蒸汽透平的抽汽加热给水，从而减少热源的热量输入，提高发电效率。根据太阳光照强度，调整调节阀5的开度，分配进入给水加热器4以及回热加热器6的给水量。当太阳能光充足时，低温吸热工质从低温吸热器吸收的热量增加，增大调节阀5的开度，增加进入给水加热器4冷侧的给水量，减少进入回热加热器6的给水量，保证回热加热器6的给水出口温度以及给水加热器4的出口温度稳定，从而减少了回热加热器6所需的从蒸汽透平的抽汽量，提高了蒸汽透平的输出功率。当太阳光变弱或者没有时，关闭调节阀5，给水全部通过回热加热器6，依靠蒸汽透平的抽汽进行回热加热，即变为传统的回热发电模式。
25.实施例3基于实施方式1，如图3所示，回热加热器6与给水加热器4采用串联的方式，即回热加热器6的给水出口与给水加热器4的冷侧进口相连。给水先经过回热加热器6的加热，再经过给水加热器4加热，大幅提高给水温度。
26.实施例4基于实施方式1，如图4所示，回热加热器6与给水加热器4采用串联的方式，即给水加热器4的冷侧出口与回热加热器6的给水进口相连。给水先经过给水加热器4加热，再经过回热加热器6。被聚光太阳能加热的低温吸热工质流经给水加热器4的热侧，加热给水加热器4的冷侧给水，提高了进入回热加热器6的给水温度，减少了回热加热器6所需的蒸汽透平抽汽量，从而提高了蒸汽透平的功率。
27.实施例5如图5所示，对实施方式2进一步改进，增设低温吸热工质储罐7、低温工质泵8以及蒸汽发生器9。上低温吸热器1出口与低温吸热工质储罐7进口相连，低温吸热工质储罐7出口与低温工质泵8进口相连，低温工质泵8出口与给水加热器4的热侧进口相连。高温熔盐吸热器2出口与蒸汽发生器9的热侧进口相连，蒸汽发生器9的热侧出口与高温熔盐吸热器2进口相连。高温熔盐吸热器吸收定日境场的高强度聚光能量加热熔盐，加热后的高温熔盐进入蒸汽发生器9的热侧，作为热源加热给水，产生高温蒸汽。通过调节阀5，可分配进入回热加热器6以及给水加热器4的给水量。低温吸热工质在低温吸热器中吸收定日镜场的“溢光”以及“弃光”，被加热后的低温吸热工质进入低温工质储罐7中存储，再经过低温工质泵8进入给水加热器4的热侧，作为热源加热给水，从而减少了回热加热器6所需的蒸汽透平抽汽量。
28.实施例6如图6所示，在实施方式5的基础上增设蒸汽透平10、凝汽器11、给水泵12、发电机13。回热加热器6的给水出口与给水加热器4的冷侧出口连接后与蒸汽发生器9的冷侧进口相连，蒸汽发生器9的冷侧出口与蒸汽透平10的进口连接，蒸汽透平10的排气出口与凝汽器11进口相连，凝汽器11出口与给水泵12进口相连，给水泵12出口与回热加热器6的给水进口、调节阀5的进口相连。回热加热器6的抽汽进口与蒸汽透平10的抽汽口相连。经过回热加热器6以及给水加热器4加热后的给水进入蒸汽发生器9的冷侧，被高温熔盐加热产生高温高压水蒸汽，水蒸汽再进入蒸汽透平10膨胀做功，蒸汽透平10与发电机13相连，带动发电机13发电，对外输出电力。从蒸汽透平10排出的乏汽进入凝汽器11中冷凝成液态水，再进入给水泵
12，经过给水泵12升压后进入回热加热器6或者给水加热器4中。当太阳光充足时，低温吸热工质吸收的热量增加，开大调节阀5，使得进入给水加热器4中的给水量增大，减小进入回热加热器6中的给水量，保持蒸汽发生器9的冷侧进口温度稳定，因而减少了回热器加热器6所需的蒸汽透平抽汽量，提高了蒸汽透平10的功率。