CN114034027B - 一种光伏协同温排水降温系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温排水处理技术领域，公开了一种光伏协同温排水降温系统及方法，包括：减压蒸发器，其管程内流通温排水，其壳程内流通冷却水且处于负压，并通过蒸汽出口排出冷却水的高温水蒸气；光伏发电板，其设置于水库的水面；矿化混合器，所述矿化混合器内设置有混合喷淋装置；所述排水管道的出口和抽水管道的入口位于水库不同位置。本发明具有以下优点和效果：本申请的光伏协同温排水降温系统，将温排水冷却部分和水库相隔离，使得水库无需像现有技术中直排的冷却池那样考虑热量平衡，增大热量会提高水库和环境的温差，增强水库蒸腾效果，也增大落在光伏发电板上的水量，提高了光伏发电板的冷却效果。

Description

一种光伏协同温排水降温系统及方法

技术领域

本申请涉及温排水处理技术领域，具体涉及一种光伏协同温排水降温系统及方法。

背景技术

目前，国内核电机组众多，已在运行的核电机组需要用到大量的海水作为冷却水给机组冷却，然后再排入海中，排水温升为6～11℃。这种形式的废热随着冷却水排入环境中形成温排水。温排水改变了水域的环境温度，会使水体生物量减少，物种多样性下降，严重危害生态环境，威胁人类生存与发展。

温排水热量大，温升低，极难利用，目前尚无很好的处理办法。仅有以下处理方法：①使用热泵技术，用于生活区供暖供热。但此技术依然耗能，且核电厂离生活区较远工程量巨大；②结合环境生态工程，利用温排水进行冬季水产养殖，温室蔬菜种植等。但都无法根本解决温排水问题。

目前为止最广泛使用的是冷却塔技术，即通过闭式循环冷却将废热通过冷却塔排入大气。大型冷却塔技术在火电厂已成功应用多年。但冷却塔技术并没有对废热进行有效利用，仍然是向大气排放废热，本质上是将对海域的热污染转移给大气，并带来了诸如盐雾、飘滴、噪声、视觉等环境影响。此外，冷却塔的建造费用较高，每平米造价达13000元，单台百万千瓦级核电机组一次投资约为2.6亿元才能满足冷却需求。

为适应国内最新的环保政策，在核电“超大型冷却塔”技术不成熟、投资较高的情况下，现有项目开始采用水库作为冷却池方案。通过将自然水库的水作为冷却水给机组冷却，然后再排回水库中。因为温排水的水量巨大，冷却水库的面积需要特别大才能以蒸腾作用完全冷却温排水，通常冷却池的面积为主厂区的12倍以上，同时还要补充大量的水才能维持水池水位稳定。并且该方案仍旧没有对废热加以利用，只是利用水库作为中间散热手段将废热排往大气。

此外，采用水池进行散热，其散热性能受到大面积辐照的影响、尤其是在天气炎热的夏季，阳光直接强度达到500W/m²,水池水温会升高，使得水池的冷却核电机组的效果大打折扣。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本申请的目的在于提供一种光伏协同温排水降温系统及方法，可以利用废热加热水库来降低光伏发电板的温度，同时极大的缩小了温排水冷却水库的面积。

为达到以上目的，一方面，采取的技术方案是：

本申请提供一种光伏协同温排水降温系统，包括：

减压蒸发器，其管程内流通温排水，其壳程内流通冷却水且处于负压，并通过蒸汽出口排出冷却水的高温水蒸气；

光伏发电板，其设置于水库的水面；

矿化混合器，其通过蒸汽管道连接于蒸汽出口，所述矿化混合器内设置有混合喷淋装置，所述混合喷淋装置通过抽水管道抽取水库的低温水，所述矿化混合器底部和水库之间还通过排水管道相连；

所述排水管道的出口和抽水管道的入口位于水库不同位置。

优选的，所述减压蒸发器的壳程入口的上游还设置有预热器；预热器和减压蒸发器之间还设置有磁力屏蔽泵。

优选的，所述减压蒸发器还包括：

蒸发喷淋装置，其设置在减压蒸发器壳程的顶部，连通于减压蒸发器壳程入口，所述蒸发喷淋装置与减压蒸发器最顶部的换热管之间的距离至少为120mm。

优选的，所述矿化混合器底部距离水库表面之间的距离为至少10m。

优选的，所述蒸汽管道内设置有用以加压高温水蒸气的压缩机。

本申请还提供一种光伏协同温排水降温方法，包括以下步骤：

将冷却水在减压状态下与温排水换热，产生高温水蒸气；

将高温水蒸气与水库中低温水进行充分混合，产生中温水；

中温水排入水库中提高水库表层水的温度；

水库表层水的蒸腾作用加剧，湿空气在空中遇冷形成水滴落在光伏发电板表面；

水滴在光伏发电板表面，再蒸发降低光伏发电板的温度。

优选的，所述冷却水减压至绝对压力小于3kPa。

优选的，所述冷却水在减压前需要预热至至少26℃，同时压力提升至1Mpa。

优选的，将高温水蒸气与水库中低温水进行充分混合时，将低温水被分散成平均粒径为500μm的液滴后再与高温水蒸气混合。

优选的，所述冷却水为海水。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请的光伏协同温排水降温方法，利用了减压蒸馏，将大流量低余热的温排水转换成小流量高余热的水蒸气，极大的降低了进入冷却池的水量，相应的也仅需较小面积冷却池的蒸腾效果就可以平衡进出冷却池的水量，本申请所需的水库相当于较小面积的冷却池，只需要现有技术中冷却池面积的一半左右，往水库中补水的量也有极大幅度的降低，大大提高了核电站的选址空间。

本申请的光伏协同温排水降温系统，将温排水冷却部分和水库相隔离，使得水库无需像现有技术中直排的冷却池那样考虑热量平衡，增大热量会提高水库和环境的温差，增强水库蒸腾效果，也增大落在光伏发电板上的水量，提高了光伏发电板的冷却效果。

光伏发电板的表面温度通常远高于环境和水库，一般在70℃左右，而蒸腾冷却的水滴温度通常在10-20℃左右，能有效带走光伏发电板表面的热量，通过本申请的光伏协同温排水降温系统和方法，可以将光伏发电板的温度降低到约50℃左右，同时提高大约5％的发电效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请中一个实施例的管路示意图。

附图标记：

1、减压蒸发器；11、预热器；12、磁力屏蔽泵；13、蒸发喷淋装置；2、水库；21、光伏发电板；3、矿化混合器；31、混合喷淋装置；4、蒸汽管线；41、压缩机；5、排水管道；6、抽水管道。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本申请提供一种光伏协同温排水降温系统的实施例，包括减压蒸发器1、光伏发电板21和矿化混合器3。

其中减压蒸发器1为管式换热装置，其管程流通的是温排水，壳程流通的是冷却书。具体的，管程里一般承载的是核电站排放的温排水，水流量巨大，但是温度很低，所携带的有效能也很低，难以利用，而壳程内流通的是冷却水，一般为净化处理过的海水，同时在壳程内设置负压，使得壳程的冷却水在较低温度下就可以蒸发，形成相对高温的高温水蒸气，从蒸汽出口排出，同时将大量热量从温排水中进入到高温水蒸气中，温排水的温度就可以降到与环境温度大致相同的程度，直排入水中不会造成环境问题。

光伏发电板21设置在水库2的水面上，一般而言合适建立核电站的位置没有天然水库2，可以现场开掘一个合适的水库2，在具有合适的天然水库2时，也可以利用天然水库2当做光伏发电板21的水库2。

矿化混合器3其通过蒸汽管道连接到蒸汽出口，用以接受高温水蒸气，其另一端通过抽水管道6从水库2中抽取低温水，将低温水和高温水蒸气混合形成中温水从底部的排水管道5排出。

同时，为了防止将抽取到刚排出的中温水，排水管道5的出口和抽水管道6的入口位于不同位置。

一般而言，稳定状态下水库2是表面温度最高，越往底层越低，到一定深度后温度稳定在一个较低的数值不再大幅变化。排水管道5为了增大蒸发效果，位置比较靠近水面，避免深层的冷水消耗了中温水热量。而抽水管道6为了增强混合冷却效果，一般从温度较低的中层和底层抽取较冷的水。

上述的减压蒸发器1已经将大流量的温排水转换成小流量的高温水蒸气，使得传统水库2需要同时考虑的流量和热量平衡问题相分离。

小流量的高温水蒸气使得本申请仅需很小的面积就可以完全消耗掉进入的水量，维持水流量平衡，所以无需考虑通过扩大面积加剧蒸发来消耗掉进入水库2的大量温排水，因此所需要的水库2面积大大减小。

水库2的实际环境一般是光伏发电板21温度最高，水面温度其次，两者都远高于空气温度。在不使用本实施例时，通常情况下光伏发电板21温度一般稳定在70℃左右，水面温度在20-40℃左右，而空气温度可能仅在10-20℃附近。

高温水蒸气带入水库2的热量会加热水库2，增加水库2的蒸发效果，极大增加环境湿度，而空气温度的变化主要受天气影响，同时相对较冷，水库2温度的影响相对较小，因此当水库2蒸腾的湿热空气遇到相对较冷的环境空气时会增大凝结的水分量，最终落在高温的太阳能面板上，再次蒸发降低太阳能面板的温度。

同时因为本实施例无需从水库2提取核电站的冷却水，所以也无需考虑像现有技术一般考虑热量平衡，反而较多的积热有利于增强光伏发电板21的降温效果。

通常情况下，核电站温排水的排放量和温度是相当稳定的，因此通常仅需要考虑调整冷却水的参数就可以控制减压蒸发器1的运转效果。因此在一些优选的实施例中，所述减压蒸发器1的壳程出口上游还设置有预热器11，预热器11和蒸发器之间还设置有磁力屏蔽泵12。

预热器11用于调整冷却水的入口参数，使得系统运行稳定，避免偶然情况下冷却水过冷导致减压蒸发器1内爆发式沸腾导致器件损坏，比如本实施例中利用海水作为冷却水，在抽取海水的管道遇到冷水流时，其温度可能接近0℃，而减压蒸发器1所利用的冷却水的设定温度一般在20℃左右，直接利用这类冷却水极容易造成减压蒸发器1损坏。而磁力屏蔽泵12用于防止冷却水回流，同时用于调整压力。

考虑到温排水的排放量、温度以及换热条件，在减压蒸发器1内利用蒸发喷淋装置13将冷却水喷淋在减压蒸发器1的换热管上，可以有效提高换热效果。具体的，蒸发喷淋装置13中喷淋管的管径为DN25，喷淋管上安装有喷嘴、喷嘴相互间距为200mm、喷嘴的出水后距离减压蒸发器1中最上层换热管的上端面的距离为120mm，有些实施例中会设置得更远，使得冷却水液滴尺寸更小，更早的进入相变换热过程，提高换热效果。

进一步的，所述矿化混合器3底部距离水库2表面之间的距离为至少10m，具体的，在本申请中为10m，在其他实施例中也可以更高。设置较高的间距可以有效提高降低水库2温度对矿化混合器3的干扰，同时提高混合后的中温水的的出口速度，加快中温水与水面的混合效率，避免出现排水管道5附近水温升高而其他水面的温度变化不大的情况。

进一步的，所述蒸汽管道内设置有用以加压高温水蒸气的压缩机41，压缩机41一方面用于隔绝减压蒸发器1的低压环境，同时将高温水蒸气恢复到大气压力，避免高温水蒸气在矿化混合器3内因恢复常压而导致大量析水，对矿化混合器3造成损害。

本申请还提供一种光伏协同温排水降温方法的实施例，包括以下步骤：

将冷却水在减压状态下与温排水换热，产生高温水蒸气；

将高温水蒸气与从水库2中抽取的低温水进行充分混合，产生中温水；

中温水排入水库2中提高水库2表层水的温度；

水库2表层水的蒸腾作用加剧，湿空气在空中遇冷形成水滴落在光伏发电板21表面；

水滴落在光伏发电板21表面，再蒸发降低光伏发电板21的温度。

利用本实施例提供的方法，在光伏发电板21和高处冷空气之间形成类似于热管的往复过程，水库2表层水加剧蒸腾，形成湿热空气团，部分湿热空气团在高空遇到冷空气凝结成水滴，其中一部分水滴落在光伏发电板21表面再次蒸发带走热量，形成湿热空气融入湿热空气团，形成往复过程。不同于现有技术中主要依靠空气对流降温的过程，根据天气情况，本实施例可以降低约20℃左右，同时即使将本申请所有的耗电一并算入损耗，本实施例所提供的方法也提高了总发电效率约5％。

一般而言，为了足够的的换热效率，所述冷却水需要减压至绝对压力小于3kPa。

而因为温排水的流量大，单位体积的温排水传热时间较短，为了能有效的提高换热效率，在一些优选的实施例中，所述冷却水在减压前需要预热至26℃，同时压力提升至1Mpa。

更优选的，为了提高混合效率，一般将从水库2中抽取的低温水分散至平均粒径为500μm的液滴后再与高温水蒸气混合。

并且为了节约成本和提高温排水余热利用效率，一般选择海水作为冷却水，并且可以利用换热后的浓盐水进行盐类的生产，或者直排入海水，不会造成生态污染。

本申请还提供一种基于上述光伏协同温排水降温系统的光伏协同温排水降温方法的实施例，包括以下步骤：

将海水通过预热器11加热至26℃，并通过磁力屏蔽泵12送入减压蒸发器1的壳程内，在壳程内通过管径为DN25的蒸发喷淋装置13分散成水雾喷射至减压蒸发器1的换热管表面；而压力为0.2MPa、温度为28℃的温排水流入减压蒸发器1的管内、温排水在管内的流速为1.5m/s。

将高温水蒸气通过蒸汽管道送到压缩机41内，压缩机41将高温水蒸气恢复成常压送入矿化混合器3内，矿化混合器3内装填有尺寸为100mm陶瓷环填料。林一方面，通过多级离心泵将水库2中温度约为19℃的低温水引入到矿化混合器3的进水管，经顶部混合喷淋装置31的喷嘴喷射进入矿化混合器3，喷射形成的水滴大小为500μm左右。高温水蒸气和液滴状饿低温水陶瓷环填料的表面直接接触，全部冷凝成温度为22℃液态水排入水库2表面。

在吸收了蒸发取热装置的蒸汽后，回到水库2的混合水温度会有上升，产生的湿蒸汽在空中接触冷空气后形成水滴落入光伏发电站的太阳能光伏板表面并吸热蒸发，太阳能光伏板为目前常用的商业太阳能光伏板，其中硅衬底厚度设置为180μm、绒面设置为3μm高度的随机分布的正金字塔绒面、抗反层为80nm厚度的SiNx，在未使用本实施例时常态温度为70℃，在使用本实施例的方法及装置后，使得表面为70℃太阳能板的温度下降到55℃，光伏发电效率提高5.5％。

本申请不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光伏协同温排水降温系统，其特征在于，包括：

减压蒸发器（1），其管程内流通温排水，其壳程内流通冷却水且处于负压，并通过蒸汽出口排出冷却水的高温水蒸气；

光伏发电板（21），其设置于水库（2）的水面；

矿化混合器（3），其通过蒸汽管线（4）连接于蒸汽出口，所述矿化混合器（3）内设置有混合喷淋装置（31），所述混合喷淋装置（31）通过抽水管道（6）抽取水库（2）的低温水，所述矿化混合器（3）底部和水库（2）之间还通过排水管道（5）相连；

所述排水管道（5）的出口和抽水管道（6）的入口位于水库（2）不同位置。

2.根据权利要求1所述的一种光伏协同温排水降温系统，其特征在于：所述减压蒸发器（1）的壳程入口的上游还设置有预热器（11）；预热器（11）和减压蒸发器（1）之间还设置有磁力屏蔽泵（12）。

3.根据权利要求1所述的一种光伏协同温排水降温系统，其特征在于，所述减压蒸发器（1）还包括：

蒸发喷淋装置（13），其设置在减压蒸发器（1）壳程的顶部，连通于减压蒸发器（1）壳程入口，所述蒸发喷淋装置（13）与减压蒸发器（1）最顶部的换热管之间的距离至少为120mm。

4.根据权利要求1所述的一种光伏协同温排水降温系统，其特征在于：所述矿化混合器（3）底部距离水库（2）表面之间的距离为至少10m。

5.根据权利要求1所述的一种光伏协同温排水降温系统，其特征在于：所述蒸汽管线（4）内设置有用以加压高温水蒸气的压缩机（41）。

6.一种光伏协同温排水降温方法，其特征在于，利用如权利要求1-5任一所述的光伏协同温排水降温系统实施，包括以下步骤：

将冷却水在减压状态下与温排水换热，产生高温水蒸气；

将高温水蒸气与水库（2）中低温水进行充分混合，产生中温水；

中温水排入水库（2）中提高水库（2）表层水的温度；

水库（2）表层水的蒸腾作用加剧，湿空气在空中遇冷形成水滴落在光伏发电板（21）表面；

水滴在光伏发电板（21）表面，再蒸发降低光伏发电板（21）的温度。

7.根据权利要求6所述的一种光伏协同温排水降温方法，其特征在于：所述冷却水减压至绝对压力小于3 kPa。

8.根据权利要求7所述的一种光伏协同温排水降温方法，其特征在于：所述冷却水在减压前需要预热至至少26℃，同时压力提升至1Mpa。

9.根据权利要求7所述的一种光伏协同温排水降温方法，其特征在于：将高温水蒸气与水库（2）中低温水进行充分混合时，将低温水被分散成平均粒径为500μm的液滴后再与高温水蒸气混合。

10.根据权利要求7所述的一种光伏协同温排水降温方法，其特征在于：所述冷却水为海水。