CN108223318B - 一种基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统，其主要由集热机构、蓄热机构、换热机构、蒸汽轮机机构和发电机构构成。集热机构、蓄热机构、换热机构、蒸汽轮机机构和发电机构构成两个闭式循环结构，同时蓄热机构中各个热储罐、换热机构中的各个换热器、蒸汽发生器及蒸汽轮机机构对太阳能、联合储能流体和蒸汽的热能、蒸汽轮机机械能与电能的转移和转换，并实现冷、联合储能流体的循环使用，提高了能量利用率，同时也减少了设备材料的损耗。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能热发电技术领域，具体涉及一种基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统。
背景技术
近年来，随着全球工业的不断发展，人类对于各类能源的需求量也日益上升。2016年我国火电、水电、核电、风电和太阳能发电量分别占70.4％、21.7％、3.7％、3.5％和0.7％。众所周知，化石原料有限，且易导致严重的环境与气候问题，如全球变暖、臭氧层空洞等；而核电站发电风险性较大，目前在处理反应堆废弃物、泄漏危险及预防潜在的事故等问题上还未得到较好地解决。可再生能源发电对环境影响小，成本低且资源分布广泛，根据国家能源发展战略，到2020年我国可再生能源比例将达到小水电、风力发电、生物质发电、地热发电和太阳能发电系统装机容量的总目标达1.37亿kW。我国是太阳能资源最丰富的国家之一，全国总面积2/3以上的地区年日照时数超过2000小时，年辐射量在5000MJ/m2，总体分布呈现南低北高，东低西高。
与光伏发电相比，太阳能光热发电在经济性能、技术及环保等众多方面具有较大的优势。据国际原子能机构预测，到2020年太阳能热发电的成本有望降到6美分下。太阳能光热电站的本质是热能转换与储存，在无需发电时可将太阳能以热能形式存储起来；当没有太阳辐射时，再把存储的热能释放并产生电能，维持系统持续稳定运行。近年来，我国在光热发电的投入和技术积累也比较显著，成立了太阳能光热产业技术创新战略联盟，优化整合了光热发电产业链中的各环节力量，并在聚光方法及设备、高温传热蓄热、系统集成以及控制优化等诸多方面取得了实质性进展。
太阳能热发电系统主要有两大类，即聚焦式和非聚焦式。其中聚焦式系统根据太阳能聚集器的不同可分为槽式、塔式和碟式三种，非聚焦式系统主要有太阳能热气流发电和太阳能池热发电两种。利用聚光器将太阳光聚集，通过太阳能吸热器把太阳能传给换热工质，最终通过工质热动力装置可实现太阳能热发电。中国，尤其是西部地区，拥有较丰富的太阳能资源，青藏等地的年日照时间高达3千小时以上。因而，太阳能利用在中国具有广阔的发展前景。
现代火力发电厂在卡诺循环的基础上，进一步改进，使汽轮机排汽在冷凝器中全部凝结成水，将其发展成水泵来代替压缩机而组成蒸汽动力设备的基本循环-朗肯循环，工质在热力设备中不断地进行吸热、膨胀、放热、压缩等四个过程，使热能不断地转变为机械能。良好的储能系统在能源转换、分配和使用等方面，对提高能源安全和能源效率也起到关键作用。然而，在实际应用中，由于太阳能具有间歇性、低密度和不稳定性、难以持续供应、利用率低等缺点，太阳能热发电的广泛应用仍有许多问题亟待解决。如何实现太阳能热发电持续、高效进行已成为目前太阳能热发电技术的研究关键。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统。此基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统具闭式循环结构，提高能量利用率，同时解决了太阳能的间歇性及持续供应的问题。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：本基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统，包括集热机构、蓄热机构、换热机构、蒸汽轮机机构和发电机构，所述换热机构包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、蒸汽发生器和冷罐，所述蒸汽轮机机构包括高压缸、中压缸、低压缸、第一疏水器、第二疏水器、第三疏水器、第四疏水器和除氧器；
所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的冷程通道的入口均与蓄热机构连接，所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的冷程通道的出口与集热机构连接，所述集热机构与蓄热机构连接；
所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的热程通道的入口均与蒸汽发生器连接，所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的热程通道的出口分别与高压缸、中压缸和低压缸的入口连接，所述蒸汽发生器通过冷液泵与冷罐的出口连接；
所述高压缸的第一个高压出口通过第一疏水器的冷程通道与中压缸连接，而所述第一换热器的出口还与第一疏水器的热程通道连接，所述高压缸的第二个高压出口通过第二疏水器的冷程通道与除氧器的入口连接；所述中压缸的第一个中压出口直接与低压缸连接，所述中压缸的第二个中压出口直接与除氧器的入口连接，而所述中压缸的第三个中压出口通过第三疏水器的冷程通道与除氧器的入口连接；所述低压缸的第一个低压出口与发电机构的发电机连接，所述低压缸的第二个低压出口通过发电机构的冷凝器与第四疏水器的冷程通道连接，而所述低压缸的第三低压出口直接与第四疏水器的冷程通道连接；所述除氧器的出口依次通过第三疏水器的冷程通道、第二疏水器的冷程通道和第四换热器的冷程通道后与冷罐连接。
优选的，所述集热机构包括双抛面碟式太阳能聚光器组、三热复合容积式太阳能吸热器组、真空泵和联合储能流体罐，所述双抛面碟式太阳能聚光器组和三热复合容积式太阳能吸热器组连接，所述三热复合容积式太阳能吸热器组连接的出口与蓄热机构连接，所述三热复合容积式太阳能吸热器组连接的入口通过真空泵与联合储能流体罐的出口连接，所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的冷程通道的出口均与联合储能流体罐的入口连接。
优选的，所述联合储能流体罐中的联合储能热流体主要由重油和相变微胶囊组成；所述相变微胶囊采用脲醛树脂、密胺树脂和三聚氰胺一甲醛树脂中的任意一种制成。
优选的，所述真空泵具有两个，此两个真空泵并联设置。
优选的，所述三热复合容积式太阳能吸热器组由多个三热复合容积式太阳能吸热器构成，而所述双抛面碟式太阳能聚光器组由与三热复合容积式太阳能吸热器数量相等的双抛面碟式太阳能聚光器构成。
优选的，所述蓄热机构包括高温热储罐、中温热储罐和低温热储罐，所述高温热储罐、中温热储罐和低温热储罐的入口与三热复合容积式太阳能吸热器组连接的出口连接，所述高温热储罐、中温热储罐和低温热储罐的出口分别与第一换热器、第二换热器和第三换热器的热程通道的入口连接。
优选的，所述发电机构包括发电机、变压器、输电线和冷凝器，所述发电机通过变压器与输电线连接，所述冷凝器的冷程通道的出口通过冷凝泵与第四疏水器的冷程通道连接，所述冷凝器的冷程通道的入口与低压缸的另一个低压出口连接。
优选的，所述冷液泵具有两个，此两个冷液泵并联设置。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
1、本发明有效利用闭式循环结构，采用三种温度换热器(即第一换热器、第二换热器和第三换热器)、蒸汽发生器以及冷罐实现对太阳能、联合储能流体热能、三种压力蒸汽热能、蒸汽轮机机械能与电能的转移和转换，并实现冷、联合储能流体的循环使用，提高了能量利用率。
2、本发明采用蓄热机构对集热机构采集的太阳能进行储存，而蓄热机构可为换热器提供持续的热能，解决了太阳能具有间歇性、低密度和不稳定性及难以持续供应等问题。
3、本发明可与现有的三压蒸汽轮机发电技术相配，能更好地与现有的热力发电系统衔接，无需大范围改造现有设备装置。
4、本发明通过重油显热及相变微胶囊潜热进一步保证实现太阳能热稳定、高效的储存，且释热时可得到高、中、低三种不同温度的联合储能热流体。热交换过程中，实现冷流体的循环利用，减小了冷罐容积。
5、本发明中集热机构获得高、中、低三种温度的热能，通过热交换转化为高、中、低三种温度的蒸汽，用于三压蒸汽轮机的发电，充分利用朗肯循环技术在高、中、低三种温度范围内的良好热学性能与不同等级温度太阳能集热技术有机结合，通过系统内部控制实现多种模式运行，能有效地降低热量损失，提高光热转换效率。
附图说明
图1是本发明的基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统的结构示意图。
图2是本发明的集热机构的结构示意图。
其中，1为集热机构，1-1为双抛面碟式太阳能聚光器组，1-1-1为双抛面碟式太阳能聚光器，1-2为三热复合容积式太阳能吸热器组，1-2-1为三热复合容积式太阳能吸热器，1-3为真空泵，1-4为联合储能流体罐，2为蓄热机构，2-1为高温热储罐，2-2为中温热储罐，2-3为低温热储罐，3为换热机构，3-1为第一换热器，3-2为第二换热器，3-3为第三换热器，3-4为第四换热器，3-5为蒸汽发生器，3-6为冷罐，3-7为冷液泵，4为蒸汽轮机机构，4-1为高压缸，4-2为中压缸，4-3为低压缸，4-4为第一疏水器，4-5为第二疏水器，4-6为第三疏水器，4-7为第四疏水器，4-8为除氧器，5为发电机构，5-1为发电机，5-2变压器，5-3输电线，5-4冷凝器，5-5为冷凝泵，D1～D36为截止阀，此截止管用于控制整个系统中管道的通闭，TIC1～TIC5为温度显示仪表，用于检测各个罐体(联合储能流体罐、高温热储罐、中温热储罐、低温热储罐和冷罐)内的温度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示的基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统，包括集热机构、蓄热机构、换热机构、蒸汽轮机机构和发电机构，所述换热机构包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、蒸汽发生器和冷罐，所述蒸汽轮机机构包括高压缸、中压缸、低压缸、第一疏水器、第二疏水器、第三疏水器、第四疏水器和除氧器；
所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的冷程通道的入口均与蓄热机构连接，所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的冷程通道的出口与集热机构连接，所述集热机构与蓄热机构连接；
所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的热程通道的入口均与蒸汽发生器连接，所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的热程通道的出口分别与高压缸、中压缸和低压缸的入口连接，所述蒸汽发生器通过冷液泵与冷罐的出口连接；
所述高压缸的第一个高压出口通过第一疏水器的冷程通道与中压缸连接，而所述第一换热器的出口还与第一疏水器的热程通道连接，所述高压缸的第二个高压出口通过第二疏水器的冷程通道与除氧器的入口连接；所述中压缸的第一个中压出口直接与低压缸连接，所述中压缸的第二个中压出口直接与除氧器的入口连接，而所述中压缸的第三个中压出口通过第三疏水器的冷程通道与除氧器的入口连接；所述低压缸的第一个低压出口与发电机构的发电机连接，所述低压缸的第二个低压出口通过发电机构的冷凝器与第四疏水器的冷程通道连接，而所述低压缸的第三低压出口直接与第四疏水器的冷程通道连接；；所述除氧器的出口依次通过第三疏水器的冷程通道、第二疏水器的冷程通道和第四换热器的冷程通道后与冷罐连接。
其中，所述第一换热器的冷程通道、第二换热器的冷程通道、第三换热、集热机构和蓄热机构构成其中一个闭式循环结构，即联合储能热流体在第一换热器的冷程通道、第二换热器的冷程通道、第三换热、集热机构和蓄热机构构成闭式循环结构中流动，则联合储能热流体可循环利用，减少了材料的损耗；而第一换热器的热程通道、第二换热器的热程通道和第三换热器、蒸汽发生器、高压缸、中压缸、低压缸和冷罐等构成另一闭式循环结构，这使冷罐产生的蒸汽在第一换热器、第二换热器和第三换热器中吸收热量后，吸收热量的蒸汽再进入蒸汽轮机机构中的高压缸、中压缸和低压缸做功，蒸汽做功释放热能后变成液态的水，这些水再通过各个疏水器(即第一疏水器、第二疏水器、第三疏水器和第四疏水器)和除氧器后回流冷罐，而冷液泵再抽取这些水进入蒸汽发生器，以使液态的水再变成蒸汽进入第一换热器、第二换热器和第三换热器。水在这闭式循环结构内进行液态至汽态，再从汽态变成液态，即水在这闭式循环中进行液汽态转换，使蒸汽轮机机构中的高压缸、中压缸和低压缸做功，也使水可循环使用。
本发明采用了两个闭式循环结构，采用三种温度换热器、蒸汽发生器以及输水系统实现对系统中太阳能、联合储能流体热能、三种压力蒸汽热能、蒸汽轮机机械能与电能的转移和转换，并实现冷、联合储能流体的循环使用，提高了能量利用率。
如图2所示，所述集热机构包括双抛面碟式太阳能聚光器组、三热复合容积式太阳能吸热器组、真空泵和联合储能流体罐，所述双抛面碟式太阳能聚光器组和三热复合容积式太阳能吸热器组连接，所述三热复合容积式太阳能吸热器组连接的出口与蓄热机构连接，所述三热复合容积式太阳能吸热器组连接的入口通过真空泵与联合储能流体罐的出口连接，所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的冷程通道的出口均与联合储能流体罐的入口连接。所述三热复合容积式太阳能吸热器组由多个三热复合容积式太阳能吸热器构成，而所述双抛面碟式太阳能聚光器组由与三热复合容积式太阳能吸热器数量相等的双抛面碟式太阳能聚光器构成。联合储能热流体通过真空泵从联合储能流体罐各个三热复合容积式太阳能吸热器，此三热复合容积式太阳能吸热器吸收由双抛面碟式太阳能聚光器汇集过来的太阳能，从而对位于三热复合容积式太阳能吸热器的联合储能热流体进行加热，以使联合储能热流体具有三种不同的温度，这三种不同温度的联合储能热流体分别进入高温热储罐、中温热储罐和低温热储罐，然后分别为第一换热器、第二换热器和第三换热器提供相应的热能，从而对蒸汽发生器产生的蒸汽进行加热。
所述联合储能流体罐中的联合储能热流体主要由重油和相变微胶囊组成；所述相变微胶囊采用脲醛树脂、密胺树脂和三聚氰胺-甲醛树脂中的任意一种制成。
所述真空泵具有两个，此两个真空泵并联设置。两个真空泵可进行备一用一的操作，即使其中一个真空泵损坏，进行维护时，另一个真空泵还可继续使用，不影响整系统的运行。
所述蓄热机构包括高温热储罐、中温热储罐和低温热储罐，所述高温热储罐、中温热储罐和低温热储罐的入口与三热复合容积式太阳能吸热器组连接的出口连接，所述高温热储罐、中温热储罐和低温热储罐的出口分别与第一换热器、第二换热器和第三换热器的热程通道的入口连接。
所述发电机构包括发电机、变压器、输电线和冷凝器，所述发电机通过变压器与输电线连接，所述冷凝器的冷程通道的出口通过冷凝泵与第四疏水器的冷程通道连接，所述冷凝器的冷程通道的入口与低压缸的另一个低压出口连接。
所述冷液泵具有两个，此两个冷液泵并联设置。两个冷液泵可进行备一用一的操作，即使其中一个冷液泵损坏，进行维护时，另一个冷液泵还可继续使用，不影响整系统的运行。
本基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统的工作过程如下所述：
蓄热过程：联合储能流体罐中存储的联合储能流体通过真空泵输送到三热复合容积式太阳能吸热器组中，经三热复合容积式太阳能吸热器组获得的高、中、低三种温度联合储能热流体分别进入对应的高温热储罐、中温热储罐、低温热储罐中，以重油显热及相变微胶囊潜热形式进行热量的暂时储存。
释热过程：高、中、低三种温度联合储能热流体先进入高温热储罐、中温热储罐和低温热储罐储存，再进入换热机构。换热机构中，联合储能热流体根据温度分别进入第一换热器、第二换热器和第三换热器中；通过冷液泵将冷罐中的冷液抽取到蒸汽发生器，蒸汽发生器将冷液转换成蒸汽，这些蒸汽再进入第一换热器、第二换热器和第三换热器；则第一换热器、第二换热器和第三换热器中的蒸汽分别与高温热储罐、中温热储罐、低温热储罐中的联合储能热流体进行热量交换，获得高、中、低三种温度的蒸汽。
与高温换热器的联合储能热流体换热后的高温蒸汽分为两支：一支直接进入高压缸做功，另一支进入第一疏水器的热程通道。当其中进入高压缸的高温蒸汽做完功后，这做完功的高温蒸汽也分为两支：其中一支进入第一疏水器的冷程通道，则这做完功的高温蒸汽与之前进入第一疏水器热程通道的高温蒸汽换热后再进入中压缸；而另一支做完功的高温蒸汽进入第二疏水器的冷程通道，变成液态后再流到除氧器。
而来自第二换热器中的中温蒸汽与从第一疏水器中冷程通道换热后的蒸汽混合后一起进入中压缸，这些混合后的蒸汽在中压缸中做完功后分为三支，其中一支直接进入除氧器，为除氧器供水；第二支与第三换热器的低温蒸汽混合进入低压缸；第三支通过第三疏水器的冷程通道，降温后再进入除氧器。
来自第三换热器中的低温蒸汽与在中压缸中做完功的一支中温蒸汽混合后进入低压缸，这些混合的蒸汽做完功后分为两支，其中一支进入发电机构中的发电机，为以保证发电机进行发电；而另一支进入发电机构中的冷凝器换热器再通过第四疏水器后进入除氧器。
上述中进入除氧器的蒸汽变液态后，再被水中含有的氧气、二氧化碳等非冷凝气体，防止因给水中溶解氧气，使与水接触的金属被腐蚀，同时除去在热交换器中聚积的气体，减小传热的热阻，提高设备的传热效果。这些从除氧器出来的水再依次通过第三疏水器、第二疏水器和第四换热器后回到冷罐中，从而再次为第一换热器、第二换热器和第三换热器提供换热介质。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统，其特征在于：包括集热机构、蓄热机构、换热机构、蒸汽轮机机构和发电机构，所述换热机构包括第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、蒸汽发生器和冷罐，所述蒸汽轮机机构包括高压缸、中压缸、低压缸、第一疏水器、第二疏水器、第三疏水器、第四疏水器和除氧器；
所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的冷程通道的入口均与蓄热机构连接，所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的冷程通道的出口均与集热机构连接，所述集热机构与蓄热机构连接；
所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的热程通道的入口均与蒸汽发生器连接，所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的热程通道的出口分别与高压缸、中压缸和低压缸的入口连接，所述蒸汽发生器通过冷液泵与冷罐的出口连接；
所述高压缸的第一个高压出口通过第一疏水器的冷程通道与中压缸连接，而所述第一换热器的出口还与第一疏水器的热程通道连接，所述高压缸的第二个高压出口通过第二疏水器的冷程通道与除氧器的入口连接；所述中压缸的第一个中压出口直接与低压缸连接，所述中压缸的第二个中压出口直接与除氧器的入口连接，而所述中压缸的第三个中压出口通过第三疏水器的冷程通道与除氧器的入口连接；所述低压缸的第一个低压出口与发电机构的发电机连接，所述低压缸的第二个低压出口通过发电机构的冷凝器与第四疏水器的冷程通道连接，而所述低压缸的第三低压出口直接与第四疏水器的冷程通道连接；所述除氧器的出口依次通过第三疏水器的冷程通道、第二疏水器的冷程通道和第四换热器的冷程通道后与冷罐连接；
所述集热机构包括双抛面碟式太阳能聚光器组、三热复合容积式太阳能吸热器组、真空泵和联合储能流体罐，所述双抛面碟式太阳能聚光器组和三热复合容积式太阳能吸热器组连接，所述三热复合容积式太阳能吸热器组连接的出口与蓄热机构连接，所述三热复合容积式太阳能吸热器组连接的入口通过真空泵与联合储能流体罐的出口连接，所述第一换热器、第二换热器和第三换热器的冷程通道的出口均与联合储能流体罐的入口连接；
所述发电机构包括发电机、变压器、输电线和冷凝器，所述发电机通过变压器与输电线连接，所述冷凝器的冷程通道的出口通过冷凝泵与第四疏水器的冷程通道连接，所述冷凝器的冷程通道的入口与低压缸的第二个低压出口连接。
2.根据权利要求1所述的基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统，其特征在于：所述联合储能流体罐中的联合储能热流体主要由重油和相变微胶囊组成；所述相变微胶囊采用脲醛树脂、密胺树脂和三聚氰胺—甲醛树脂中的任意一种制成。
3.根据权利要求1所述的基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统，其特征在于：所述真空泵具有两个，此两个真空泵并联设置。
4.根据权利要求1所述的基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统，其特征在于：所述三热复合容积式太阳能吸热器组由多个三热复合容积式太阳能吸热器构成，而所述双抛面碟式太阳能聚光器组由与三热复合容积式太阳能吸热器数量相等的双抛面碟式太阳能聚光器构成。
5.根据权利要求1所述的基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统，其特征在于：所述蓄热机构包括高温热储罐、中温热储罐和低温热储罐，所述高温热储罐、中温热储罐和低温热储罐的入口与三热复合容积式太阳能吸热器组连接的出口连接，所述高温热储罐、中温热储罐和低温热储罐的出口分别与第一换热器、第二换热器和第三换热器的热程通道的入口连接。
6.根据权利要求1所述的基于联合储能的三压三热太阳能热发电系统，其特征在于：所述冷液泵具有两个，此两个冷液泵并联设置。
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