本發(fā)明屬于碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)技術領域，具體涉及一種基于分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術：

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

在碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，采用的熱動力發(fā)電裝置主要有兩種形式：一類是太陽能斯特林循環(huán)熱動力發(fā)電，即將熱氣發(fā)電機組配置在旋轉拋物面聚光器的焦點處，直接接收聚焦后的太陽輻射能，加熱汽缸內的工質，推動斯特林機組發(fā)電；另一類是太陽能蒸汽朗肯循環(huán)熱動力發(fā)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(fā)電機組發(fā)電。目前對于碟式太陽能熱發(fā)電的研究主要集中在太陽能斯特林循環(huán)熱動力發(fā)電，但是斯特林循環(huán)不能耦合蓄熱系統(tǒng)，這使得碟式太陽能斯特林循環(huán)熱發(fā)電一直以來都受到很多限制，發(fā)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(fā)電示范電站、沙特50kw的蝶式太陽能斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)eurodish等。國內對于蝶式太陽能熱發(fā)電的研究起步較晚，也主要集中在太陽能斯特林循環(huán)熱動力發(fā)電,如：中科院1kw碟式太陽能斯特林發(fā)動機發(fā)電系統(tǒng)、寧夏11kw級蝶式聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)等。而碟式太陽能蒸汽朗肯循環(huán)熱發(fā)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后通過油-水換熱器加熱水/蒸汽，繼而推動汽輪機做功發(fā)電，完成一次循環(huán)；這類碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可以配置相應的蓄熱系統(tǒng)，提高太陽能利用率。但是這種傳統(tǒng)的碟式太陽能蒸汽朗肯循環(huán)熱發(fā)電系統(tǒng)復雜，并且轉換效率低下，所以一直被擱置。

總體上來說，研究大規(guī)模、高能量利用效率的蝶式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是目前蝶式太陽能光熱發(fā)電的重點方向。槽式和塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的一個主要的優(yōu)勢就是具有儲熱能力，這對蝶式熱發(fā)電系統(tǒng)更為重要，增加儲熱系統(tǒng)有助于減小太陽輻射對系統(tǒng)的直接影響。因此，研究并發(fā)展高效率的具有蓄熱功能的碟式太陽能蒸汽朗肯循環(huán)熱發(fā)電系統(tǒng)十分必要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)結構設計合理，能夠有效解決目前碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)無法配置蓄熱系統(tǒng)及光熱轉換效率較低的問題。

本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)：

本發(fā)明公開的一種基于分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)，包括給水單元、聚光集熱單元、蓄熱單元、發(fā)電單元以及汽包；

聚光集熱單元分為蒸發(fā)段和過熱段，蒸發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)段，另一端與發(fā)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(fā)電單元。

聚光集熱單元蒸發(fā)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(fā)段，且在該管路上設有第二閥門和第一循環(huán)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(fā)電單元能夠實現(xiàn)朗肯循環(huán)，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(huán)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，該支路并聯(lián)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(huán)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，面積大于100m²，聚光比大于1000，光學效率大于90％，跟蹤精度高于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，高溫顯熱蓄熱罐用于為過熱段蓄熱，相變蓄熱罐用于為蒸發(fā)段蓄熱。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果：

本發(fā)明公開的基于分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)，包括給水單元、聚光集熱單元、蓄熱單元、發(fā)電單元；首先，系統(tǒng)基于直接蒸汽朗肯循環(huán)，能夠耦合蓄熱系統(tǒng)，提高太陽能利用率；從利用方式上根本性解決采用斯特林熱機難以實現(xiàn)的有效蓄能問題；其次，聚光集熱單元分為蒸發(fā)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(fā)段組能夠實現(xiàn)15mpa額定壓力條件下氣液兩相流流動狀態(tài)，過熱段則能夠保證水蒸氣達到用于發(fā)電的過熱狀態(tài)，腔式吸熱器的出口連接發(fā)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于發(fā)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。最后，該系統(tǒng)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)，如果僅僅采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(xiàn)嚴重偏差，從而造成系統(tǒng)損增大，系統(tǒng)能量利用效率下降。從損最小熱力學原理出發(fā)，本發(fā)明采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(tǒng)損，提高系統(tǒng)效率。本發(fā)明的系統(tǒng)中的聚光、吸熱、蓄熱等模塊之間可以集成規(guī)模化，既能滿足分布式的需要，又能實現(xiàn)規(guī)?；囊?。適應于百mw級熱發(fā)電裝置。

進一步地，本發(fā)明采用大面積、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(fā)明的裝置示意圖；

圖2為采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(huán)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(huán)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(huán)泵。

具體實施方式

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

參見圖1，本發(fā)明公開的基于分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)，包括給水單元、聚光集熱單元、蓄熱單元、發(fā)電單元以及汽包4；

聚光集熱單元分為蒸發(fā)段和過熱段，蒸發(fā)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(fā)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(fā)電單元相連，另一路與蓄熱單元相連；聚光集熱單元蒸發(fā)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(fā)段，且在該管路上設有第二閥門5和第一循環(huán)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(fā)段；

發(fā)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(fā)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(fā)電單元能夠實現(xiàn)朗肯循環(huán)，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(huán)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，該支路并聯(lián)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(huán)泵15。

優(yōu)選地，本發(fā)明的碟式聚光鏡面積大于100m²，聚光比為1000，光學效率為90％，跟蹤精度優(yōu)于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(tǒng)采用熔融鹽作為蓄熱工質，相變蓄熱用于蒸發(fā)段，顯熱蓄熱用于過熱段；蓄熱系統(tǒng)容量3mwh，產生10mpa、400℃過熱蒸汽。

本發(fā)明基于分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)的工作過程為：

1、聚光集熱、發(fā)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(fā)段，水工質在腔式吸熱器2內被加熱后經(jīng)過第一閥門3進入汽包4內進行氣液分離，分離后的水工質經(jīng)過第一循環(huán)泵6繼續(xù)進入蒸發(fā)段的腔式吸熱器2進行吸熱，汽包4分離后的蒸汽經(jīng)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后一部分進入發(fā)電單元推動汽輪機19發(fā)電，完成一次循環(huán)。

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(fā)電單元推動汽輪機19發(fā)電，另一部分經(jīng)過第四閥門9進入高溫顯熱蓄熱罐10進行放熱，變?yōu)闈裾羝蠼?jīng)過第八閥門12進入相變蓄熱罐13放熱，然后經(jīng)過蓄熱閥門18與一級給水泵22過來的給水進行混合，余熱用于加熱給水，再經(jīng)由水/水換熱器23、二級給水泵24，第五閥門25、強制循環(huán)泵26后進入聚光集熱單元，完成一次循環(huán)。

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(tǒng)儲存的能量時，從冷凝器20出來的工質水經(jīng)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出口的濕蒸汽經(jīng)過第七閥門11進入汽包4進行氣液分離，分離后的水工質經(jīng)過第二循環(huán)泵15和第六閥門16后繼續(xù)在相變蓄熱罐13中吸熱，分離后的蒸汽經(jīng)過第九閥門14進入顯熱蓄熱罐10吸熱變成過熱蒸汽，經(jīng)過第四閥門9進入發(fā)電單元推動汽輪機19發(fā)電，完成一次循環(huán)。

圖2為本發(fā)明系統(tǒng)采用分級蓄熱時工質的溫-焓特性結果。由圖中可以看出，當采用分級蓄熱時，在過熱蒸汽部分采用顯熱蓄熱，在濕蒸汽部分采用相變蓄熱，可以降低兩種工質之間的傳熱溫差，有效的減少系統(tǒng)的損。

綜上所述，本發(fā)明的基于分級蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)，由面積不小于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(fā)電子模塊組成。系統(tǒng)基于直接蒸汽朗肯循環(huán)，碟式高溫聚光鏡與腔式吸熱器(組)分為蒸發(fā)段與過熱段，蒸發(fā)段組實現(xiàn)15mpa額定壓力條件下氣液兩相流流動狀態(tài)，過熱段保證水蒸氣達到用于發(fā)電的過熱狀態(tài)；采用相變蓄熱和顯熱蓄熱相結合的分級蓄熱裝置，降低系統(tǒng)損；發(fā)電子模塊部分采用汽輪機機組發(fā)電裝置。各子系統(tǒng)可進行模塊化集成，適應于百mw級熱發(fā)電裝置。