CN106288435A - 一种太阳能热发电机组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能热发电机组，包括，太阳能集热单元：用于收集太阳能，并将太阳能转化为工质的热能；还包括：燃机单元：包括燃气轮机，用于将所述工质的热能转化为动能驱动发电机进行发电；所述工质为空气。本发明提供的太阳能热发电机组，能够更充分地利用塔式太阳能热发电技术的聚光比高的优势。

Description

一种太阳能热发电机组

技术领域

本发明涉及发电领域，尤其涉及一种太阳能热发电设备。

背景技术

太阳能热发电是一种清洁的可再生能源发电技术。相比于风力发电和光伏发电，太阳能热发电***可通过配置储热和常规能源补燃装置使得电能输出保持稳定，提高发电质量。在当今能源日益短缺的情况下，太阳能热发电是最有可能逐步替代火电、承担基础电力负荷的新能源技术。

太阳能热发电按照技术类型划分包括槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式四种技术类型。其中，塔式技术聚光比高、工作温度高，因此其发电效率较高，成本下降潜力大。与其它技术类型的太阳能热发电相比，塔式太阳能热发电将是太阳能热发电发展的重要方向。

常规的塔式太阳能热发电***，主要由定日镜阵列、高塔、吸热器、传热介质、换热器、蓄热***、控制***及汽轮发电机组等部分组成。塔式太阳能热发电***中，定日镜群以高塔为中心，呈扇形或圆周状分布，将太阳光聚焦到位于高塔之上的吸热器，加热吸热器中的传热介质(工质)。常规的塔式太阳能热发电***的动力部分与燃煤电站类似，高温传热介质用于加热水产生蒸汽，蒸汽进入汽轮机组发电，汽轮机乏汽经冷凝器冷凝后循环使用。

塔式太阳能热发电技术的主要优势在于其聚光比高，通常在200～700之间，因此其工质可被加热到1000℃以上。但是，在常规的塔式太阳能热发电***配置下，采用汽轮机发电，工质工作温度较低。聚光比高所带来的优势并未得到充分利用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种太阳能热发电机组，能够更充分地利用塔式太阳能热发电技术的聚光比高的优势。

基于上述目的本发明提供的太阳能热发电机组，包括，太阳能集热单元：用于收集太阳能，并将太阳能转化为工质的热能；还包括：

燃机单元：与所述太阳能集热单元连接，包括燃气轮机，用于将所述工质的热能转化为动能驱动发电机进行发电；

所述工质为空气。

可选的，所述太阳能热发电机组还包括：

工质温度控制单元：与太阳能集热单元连接，用于在第一设定条件下冷却所述空气进入所述太阳能热发电机组时的温度，使得所述空气进入太阳能发电***的工质接收机构时的温度接近工质接收机构额定工况下的工质温度。

可选的，所述工质接收机构为压气机；所述燃机单元包括压气机、空气透平、发电机；其中，

压气机：与所述太阳能集热单元连接，用于将环境中的空气输入所述太阳能集热单元；

空气透平：与所述太阳能集热单元和所述发电机连接，用于利用太阳能集热单元输出的空气产生用于驱动所述发电机的机械能。

可选的，所述燃机单元还包括：

换热器：设置于所述压气机和太阳能集热单元之间，与压气机和太阳能集热单元连接，用于在所述环境中的空气输入所述太阳能集热单元之前，实现所述空气透平排放的废气与所述压气机输送的空气的热交换。

可选的，所述燃机单元的功率小于10MW。

可选的，所述太阳能集热单元包括：太阳能吸热器、定日镜场和高塔；其中：

太阳能吸热器：设置于所述高塔顶部，用于吸收太阳能热，使得能够利用所述太阳能热加热所述工质；

定日镜场：设置于所述高塔下方并围绕所述高塔，用于将太阳能热集中到所述太阳能吸热器。

可选的，所述定日镜场中的定日镜距离所述太阳能吸热器的最大距离小于设定值。

可选的，所述工质温度控制单元包括吸收式冷温水机和进气冷却器；其中：

吸收式冷温水机：与所述进气冷却器连接，用于令制冷工质产生制冷所需的冷量；

进气冷却器：设置于压气机的空气入口位置处，用于利用吸收式冷温水机产生的冷量对将进入工质接收机构的空气进行冷却，使得所述空气进入工质接收机构时的温度接近工质接收机构额定工况下的进气温度。

可选的，所述的制冷工质为水；所述的吸收式冷温水机具体包括：吸收器、溶液泵、发生器、冷凝器、节流阀、蒸发器；其中：

溶液泵：与吸收器和发生器连接，用于将吸收器内的溴化锂溶液增压后送入发生器；

发生器：与所述燃机单元连接，用于利用燃机单元的废气所携带的热量加热溴化锂稀溶液，从而析出水蒸气；

冷凝器：与所述发生器连接，用于对所述发生器产生的水蒸气进行冷凝，产生液体水；

节流阀：与所述冷凝器连接，用于对从所述冷凝器输出、经过该节流阀的液体水进行降压；

蒸发器：与所述节流阀连接，用于将所述节流阀输送的、降压后的液体水蒸发，产生水蒸气，蒸发的同时产生冷量，使得制冷工质能够携带所述冷量进入进气冷却器。

吸收器：与蒸发器连接，用于吸收蒸发器产生的水蒸气，与发生器产生的溴化锂浓溶液混合，，使得溴化锂溶液浓度降低。

从上面所述可以看出，本发明提供的太阳能热发电机组，采用空气作为工质，以Brayton(勃朗登)循环替代现有技术中太阳能发电的Rankine(朗肯)循环，突破温度限制。根据热力学基本原理，热力***的热功转换效率主要取决于高低温热源。常规的塔式太阳能热电站利用水蒸气为工质，其工质的循环为Rankine循环。目前，由于受到材料和技术方面的制约，超超临界火电机组的最高工质温度在600℃左右。本发明以Brayton循环替代Rankine循环，突破温度限制，可以有效发挥塔式太阳能高聚光比的优势。

其次，本发明实施例的太阳能热发电机组采用输出功率较小的燃机单元，实现塔式太阳能热电的分布式利用。燃机单元输出功率的降低使得光热电站可以模块化的方式建设和运行。模块化设计可以实现快速的设计、安装，可扩展性强。各个集热塔可分别维护，能提高整个电站的可用率。由于模块化塔式***单塔的装机规模较小，最远的定日镜距离集热塔的距离很近，因而对定日镜的控制要求较低，可以避免塔式太阳能定日镜场的光斑发散问题，使工质温度的提升更有保障。

本发明实施例的太阳能热发电机组通过工质温度控制单元在设定条件下降低工质进入太阳能热发电机组时的温度，从而能够提高空气接收机构的工作效率。在具体实施例中，所述工质温度控制单元利用燃机单元所排废气的余热进行制冷，提高了能源利用率。

附图说明

图1为本发明实施例的太阳能热发电机组结构示意图。

具体实施方式

为了给出有效的实现方案，本发明提供了下述实施例，以下结合说明书附图对本发明实施例进行说明。

本发明首先提供一种太阳能热发电机组，结构如图1所示，包括，太阳能集热单元101：用于收集太阳能，并将太阳能转化为工质的热能；还包括：

燃机单元102：包括气轮机，用于将所述工质的热能转化为动能驱动发电机进行发电；

所述工质为空气。

现有技术中，常规的塔式太阳能热电站采用Rankine循环作为其动力***，工质为水蒸气。根据热力学基本原理，热力***的热功转换效率主要取决于高低温热源。目前，由于受到材料和技术方面的制约，采用水蒸气作为工质的燃机单元的最高工质温度在600℃左右。本发明采用空气作为工质，在燃机单元102和太阳能集热单元101之间形成Brayton循环，由于空气与水蒸气相比能够在燃机单元中被加热到更高的温度，因此本发明所提供的太阳能发电机组能够将工质的温度大幅度提高，从而能够将塔式技术太阳能发电机组的高聚光比优势更为充分地发挥出来。

在具体实施例中，所述空气包括一般环境中的空气。

在本发明具体实施例中，仍然参照图1，所述太阳能热发电机组还包括：

工质温度控制单元103：用于在第一设定条件下冷却所述空气进入所述太阳能热发电机组时的温度，使得所述空气进入太阳能发电机组的工质接收机构时的温度接近空气接收机构额定工况下的工质温度。

本发明的太阳能热发电机组所采用的工质为空气，空气可以从环境中获取，在使用之后将废气排入环境中，形成循环；所述工质接收机构，应当为环境中的空气进入太阳能热发电机组时对空气进行压缩等处理的机构。由于在大多数情况下，太阳能发电***的空气接收机构为压气机，而当进入压气机的空气温度过高时，会对诸如压气机之类的空气接收机构的工作效率造成显著影响，以单轴气轮机为例，环境温度即为压气机入口温度，当温度从15℃降低到-20℃时，***输出功和效率分别增加25％～35％和6％～10％左右；当压气机入口温度由15℃升高到40℃时，***输出功和效率分别降低17％～23％和5％～8％左右。气轮机进气冷却是最有成效、可靠、安全、简单的效率提升措施。

在本发明具体实施例中，所述第一设定条件可以为时间条件，例如，每年三月至十月；所述第一条件还可以为温度条件，例如，温度大于等于15℃。

在本发明具体实施例中，仍然参照图1，所述工质接收机构为压气机1021，所述燃机单元102包括压气机1021、空气透平1022、发电机1023；其中，

压气机1021：与所述太阳能集热单元101连接，用于将环境中的空气输入所述太阳能集热单元101；

空气透平1022：与所述太阳能集热单元101连接，用于利用太阳能集热单元输出的空气产生用于驱动所述发电机1023的机械能。

在上述实施例中，空气经压气机1021提升压力后，首先进入太阳能集热单元101被加热为高温空气，高温空气随后进入空气透平1022做功，使得空气透平1022驱动发电机1023输出电能。

在本发明具体实施例中，所述燃机单元102还包括：

换热器1024：设置于所述压气机1021和太阳能集热单元101之间，与压气机1021、换热器1024和太阳能集热单元101连接，用于在所述环境中的空气输入所述太阳能集热单元101之前，实现所述空气透平1022排放的废气与所述压气机1021输送的空气的热交换。

空气经压气机1021提升压力后，首先进入换热器1024，吸收空气透平1022出口的烟气中的余热。经初步升温的空气通入太阳能集热单元101，使空气温度得到进一步提升。高温空气随后进入空气透平1022做功，其排气进入换热器1024与压气机1021出口烟气进行换热。

在本发明一些实施例中，所述燃机单元102的功率小于10MW。

在本发明具体实施例中，所述燃机单元102为小燃机装置或微燃机装置。由于燃机单元采用小燃机装置或微燃机装置，其输出功率小，从而能够降低整个太阳能热发电机组的规模，实现塔式太阳能热电的分布式利用。机组规模的降低能够使得太阳能热发电机组的太阳能集热单元避免光斑发散问题，并可以模块化的方式建设和运行，即在不同的模块中各设置一个太阳能集热单元，电站通过设置多个模块来实现更多的电能输出。模块化设计可以实现快速的设计、安装，可扩展性强。各个集热塔可分别维护，能提高整个电站的可用率。由于模块化塔式***单个高塔的装机规模较小，最远的定日镜距离高塔的距离很近，因而对定日镜的控制要求较低，可以避免塔式太阳能定日镜场的光斑发散问题，使工质温度的提升更有保障。

在本发明一些实施例中，所述太阳能集热单元101包括：太阳能吸热器1011、定日镜场1012和高塔1013；其中：

太阳能吸热器1011：设置于所述高塔1013顶部，用于吸收太阳能热并加热所述工质；

定日镜场1012：设置于所述高塔下方并围绕所述高塔1013，用于将太阳能热集中到所述太阳能吸热器1011。

其中，太阳能吸热器1011为以空气为工质的吸热器，位于所述高塔1013之上，接收来自定日镜场1012汇聚的太阳光。

在本发明一些实施例中，所述定日镜场1012距离所述太阳能吸热器1011的最大距离小于设定值。

所述定日镜场1012距离所述太阳能吸热器1011的最大距离为定日镜场1012中，距离太阳能吸热器1011最远的定日镜与太阳能吸热器1011之间的距离。

现有技术中的常规塔式太阳能热发电机组的定日镜场分布面积很大，一个100MW的大规模单塔塔式太阳能热电站，最远的定日镜距离高塔可能在1公里以上。远距离聚光会导致光斑发散严重，聚焦困难，因而对定日镜的精度有很高的要求。若塔式太阳能电站无法准确聚焦，工质的温度提高仍然存在限制。而本发明实施例的太阳能热发电机组的燃机单元输出功率不超过10MW，从而定日镜场1012的分布面积无需做得很大，在具体实施例中，可以令定日镜场1012中的定日镜与太阳能吸热器距离值处于一个较小的范围内，避免聚光时光斑发散、聚焦困难的问题。

在本发明一些实施例中，所述工质温度控制单元103包括吸收式冷温水机和进气冷却器1037：其中：

吸收式冷温水机：与所述进气冷却器连接，用于令制冷工质产生制冷所需的冷量；

进气冷却器1037：设置于压气机1021的空气入口位置处，用于利用吸收式冷温水机产生的冷量对将进入工质接收机构的空气进行冷却，使得所述空气进入工质接收机构时的温度降低并接近工质接收机构额定工况下接收的空气的温度。在本发明具体实施例中，进气冷却器1037设置于压气机1021的空气入口位置处，或者进气冷却器1037的有效冷却部件设置在压气机1021的空气入口位置处；

所述的制冷工质为水；所述的吸收式冷温水机具体包括：发生器1031、冷凝器1032、溶液泵1033、吸收器1034、节流阀1035、蒸发器1036。

溶液泵1033：与吸收器1034和发生器1031连接，用于将吸收器1034中的溴化锂溶液增压后送入发生器1031。

发生器1031：与所述燃机单元102连接，用于利用燃机单元102的废气中的热量，加热溴化锂稀溶液，从而析出水蒸气。水蒸气析出后，发生器1031中的溴化锂溶液浓度标高，通过相应的阀门和管道送回吸收器1034。在具体实施例中，如图1所示，发生器1031与燃机单元102的换热器1024连接，从而进一步利用换热器1024排放的废气中的热量；由于燃机单元102中的空气透平1022所排放的空气经换热器1024换热后，仍存在一定的余热，所以排放的空气进一步进入工质温度控制单元103，工质温度控制单元103利用燃机单元102所排废气的余热，可产生冷却源，从而进一步提高太阳能热的利用率；在具体实施例中，燃机单元102所排废气可直接排放到周围环境中，由于排放物是空气，不会造成环境污染；

冷凝器1032：与所述发生器1031连接，用于对所述发生器1031产生的水蒸气进行冷凝，产生液体水。具体的，冷凝器1032内部设置有传热管，传热管内通入冷却水，所述发生器1031产生的水蒸气从传热管外部流过，传热管内的冷凝水将发生器1031产生的高压水蒸气冷凝形成高压液体水；

节流阀1035：与所述冷凝器1032连接，用于对经过该节流阀1035的高压液体水的进行降压；

蒸发器1036：与所述节流阀1035连接，用于将节流阀1035输送的、降压后的液体水蒸发，产生水蒸气，蒸发的同时产生冷量，使得制冷工质能够携带所述冷量进入进气冷却器1037；

吸收器1034：与蒸发器1036连接，用于收集蒸发器1036产生的水蒸气。具体实施例中，吸收器1034还与发生器1031连接，用于接收发生器产生的溴化锂浓溶液，浓溶液与水蒸气混合后，产生溴化锂稀溶液；

上述实施例中，工质温度控制单元103为一个吸收式制冷循环，生产的冷量用于冷却压气机1021的入口空气，提高燃机单元102的出力和效率。

在本发明其它实施例中，工质温度控制单元103可以是不依赖于燃机单元102所排废气的任意类型的独立制冷机构。

在本发明一些实施例中，在第二设定条件下，工质温度控制单元103关闭，燃机单元102所排废气中的余热可以收集用于供暖等。

在具体实施例中，夏季工况下，压气机1021入口的空气温度较高，为了降低压气机1021入口的空气温度、提高微燃机***的出力和效率，进入太阳能热发电机组的空气首先经过进气冷却器1037冷却，冷却冷源为工质温度控制单元103。经进气冷却器1037冷却后的空气温度能够低达10℃左右，进入压气机1021提升压力，压气机1021对空气的压缩比取决于燃机单元102的设备类型、输出功率等参数。升压后的空气进入换热器1024与空气透平1022排气出口的热空气换热。经初步升温后的热空气进入太阳能吸热器1011，将温度进一步提升到900℃左右，然后进入空气透平1022做功，驱动发电机1023发电输出电能。空气透平1022的排气出口的热空气进入换热器1024降温为中温空气，进入工质温度控制单元103制冷。

从上面所述可以看出，本发明提供的太阳能热发电机组，采用空气作为工质，以Brayton循环替代现有技术中太阳能发电的Rankine循环，突破温度限制，同时不会因为工质的变化而过多增加成本。根据热力学基本原理，热力***的热功转换效率主要取决于高低温热源。常规的塔式太阳能热电站利用水蒸气为工质，其工质的循环为Rankine循环。目前，由于受到材料和技术方面的制约，超超临界火电机组的最高工质温度在600℃左右。本发明以Brayton循环替代Rankine循环，突破温度限制，可以有效发挥塔式太阳能高聚光比的优势。

其次，本发明实施例的太阳能热发电机组采用输出功率较小的燃机单元，实现塔式太阳能热电的分布式利用。燃机单元输出功率的降低使得光热电站可以模块化的方式建设和运行。模块化设计可以实现快速的设计、安装，可扩展性强。各个集热塔可分别维护，能提高整个电站的可用率。由于模块化塔式***单塔的装机规模较小，最远的定日镜距离集热塔的距离很近，因而对定日镜的控制要求较低，可以避免塔式太阳能定日镜场的光斑发散问题，使工质温度的提升更有保障。

本发明实施例的太阳能热发电机组通过工质温度控制单元在设定条件下降低工质进入太阳能热发电机组时的温度，从而能够提高空气接收机构的工作效率。在具体实施例中，所述工质温度控制单元利用燃机单元所排废气的余热进行制冷，提高了能源利用率。

应当理解，本说明书所描述的多个实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种太阳能热发电机组，包括，太阳能集热单元：用于收集太阳能，并将太阳能转化为工质的热能；其特征在于，还包括：

燃机单元：与所述太阳能集热单元连接，包括燃气轮机，用于将所述工质的热能转化为动能驱动发电机进行发电；

所述工质为空气。

2.根据权利要求1所述的太阳能热发电机组，其特征在于，还包括：

工质温度控制单元：与太阳能集热单元连接，用于在第一设定条件下在所述空气进入所述太阳能热发电机组时冷却所述空气的温度，使得所述空气进入太阳能发电机组的工质接收机构时的温度接近工质接收机构额定工况下所接收工质的额定温度。

3.根据权利要求2所述的太阳能热发电机组，其特征在于，所述工质接收机构为压气机；所述燃机单元包括压气机、空气透平、发电机；其中，

压气机：与所述太阳能集热单元和所述空气透平连接，用于将环境中的空气输入所述太阳能集热单元；

空气透平：与所述太阳能集热单元和所述发电机连接，用于利用太阳能集热单元输出的空气产生用于驱动所述发电机的机械能以及带动压气机。

4.根据权利要求3所述的太阳能热发电机组，其特征在于，所述燃机单元还包括：

换热器：设置于所述压气机和太阳能集热单元之间，与压气机和太阳能集热单元连接，用于在所述环境中的空气输入所述太阳能集热单元之前，实现所述空气透平排放的废气与所述压气机输送的空气的热交换。

5.根据权利要求1所述的太阳能热发电机组，其特征在于，所述燃机单元的功率小于10MW。

6.根据权利要求2所述的太阳能热发电机组，其特征在于，所述太阳能集热单元包括：太阳能吸热器、定日镜场和高塔；其中：

太阳能吸热器：设置于所述高塔顶部，用于吸收太阳能热，使得能够利用所述太阳能热加热所述工质；

定日镜场：设置于所述高塔下方并围绕所述高塔，用于将太阳能热集中到所述太阳能吸热器。

7.根据权利要求6所述的太阳能热发电机组，其特征在于，所述定日镜场中的定日镜距离所述太阳能吸热器的最大距离小于设定值。

8.根据权利要求2所述的太阳能热发电机组，其特征在于，所述工质温度控制单元包括吸收式冷温水机和进气冷却器；其中：

吸收式冷温水机：与所述进气冷却器连接，用于令制冷工质产生制冷所需的冷量；

进气冷却器：设置于压气机的空气入口位置处，用于利用吸收式冷温水机产生的冷量对将进入工质接收机构的空气进行冷却，使得所述空气进入工质接收机构时的温度接近工质接收机构额定工况下接收的空气的温度。

9.根据权利要求8所述的太阳能热发电机组，其特征在于，

所述的制冷工质为水；所述的吸收式冷温水机具体包括：吸收器、溶液泵、发生器、冷凝器、节流阀、蒸发器；其中：

溶液泵：与吸收器和发生器连接，用于将吸收器内的溴化锂溶液增压后送入发生器；

发生器：与所述燃机单元连接，用于利用燃机单元的废气所携带的热量加热溴化锂稀溶液，从而析出水蒸气；

冷凝器：与所述发生器连接，用于对所述发生器产生的水蒸气进行冷凝，产生液体水；

节流阀：与所述冷凝器连接，用于对从所述冷凝器输出、经过该节流阀的液体水进行降压；

蒸发器：与所述节流阀连接，用于将所述节流阀输送的、降压后的液体水蒸发，产生水蒸气，蒸发的同时产生冷量，使得制冷工质能够携带所述冷量进入进气冷却器；

吸收器：与蒸发器连接，用于吸收蒸发器产生的水蒸气，与发生器产生的溴化锂浓溶液混合，使得溴化锂溶液浓度降低。