CN106499601B - 带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，包括：塔式太阳能集热***、蓄热***和动力***，所述塔式太阳能集热***与所述动力***组成第一热功循环***，所述塔式太阳能集热***与所述蓄热***组成储热循环***，所述蓄热***与所述动力***组成第二热功循环***，所述塔式太阳能集热***采用氦气作为吸热工质，所述动力***采用氦气作为动力工质。本发明通过高温、高效、结构紧凑的闭式氦气轮机动力***的应用，结合高效氦气吸热器设计、新型蓄热***设计实现了塔式太阳能***经济性的提高。

Description

带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***
技术领域
本发明涉及一种塔式太阳能热发电***装置，特别是涉及一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***。
背景技术
太阳能资源丰富，但能流密度低，应运而生了聚光太阳能技术，聚光太阳发电***耦合储能技术可克服太阳辐射呈间歇性的缺陷，实现连续发电并具备基本负荷特征，使其明显优于其他可再生能源技术，成为当前新能源和可再生能源开发与利用的最热门研究方向。
根据聚光方式的不同，聚光太阳能热发电技术(CSP)主要有槽式、塔式、碟式和菲涅尔式，前两者已进入商业化运行阶段，后两者处于示范和试验阶段。槽式发电技术最为成熟，商业化最为广泛，约占全球商业化运行太阳能热电站的85％。该技术只对太阳能辐射进行一维跟踪，聚光比低，运行温度基本在50-400℃，热效率较低；与塔式、碟式***相比，抗风***差。碟式***聚光比高达数百到数千，也可使换热工质达到高温，且其***可单独运行。但***功率小，主要连接斯特林发电装置。菲涅尔***聚光效率高，但工作效率低，目前处于示范工程阶段。塔式热发电***通常利用大量定日镜将太阳辐射聚集在高塔顶端的集热接收器上，使热转换工质(蒸汽、熔盐、空气等)获得高温，并驱动动力***发电或进入蓄热***放热。定日镜采用双轴跟踪方式，聚光比可达150-2000倍，聚光效果高，工质温度最高可达1600℃，该特点使得目前一些高效先进的动力***的应用成为可能，从而提高热功转换效率，同时适合大规模发电。但其定日镜需高精度跟踪***，且吸热器需达到的温度更高，因而镜场及吸热器造价高，导致发电成本高。相比与其他***，塔式太阳能发电技术最具发展潜能。当前美国、西班牙、印度、南非、墨西哥、澳大利亚、中国等多国均对塔式太阳能***投入大量研究，包括概念设计、部件研究、示范工程等，以提高塔式太阳能发电效率，降低投资成本，使塔式太阳能发电技术可与当前传统发电型式发电成本相竞争。本发明涉及塔式太阳能新型换热工质，新型蓄热技术及新型动力***，因而就这几项对塔式太阳能热发电***现有技术进行说明。
1)吸热、传热工质：塔式太阳能吸热器传热工质多样化，可以为水/蒸汽、熔盐、常压空气、加压空气、超临界蒸汽以及其他气体。当前商业电站中主要采用水/蒸汽和熔盐，其他介质处于示范、部件研究或概念设计阶段。水/蒸汽是较成熟的吸热工质，冷凝水被送至塔顶的吸热器，依次被加热、蒸发甚至过热，该吸热器技术成熟，换热系数高，且输送不可压水至塔顶的水泵耗功少。饱和或过热蒸气可直接驱动成熟的汽轮机机组，或将热量存储于蓄热***中。但由于高温蒸汽对应的压力高，当前蒸汽温度范围为400-500℃，压力范围为5-12MPa，若蒸汽参数向火电装置的超临界参数发展，对应的压力将超过20MPa。高压环境要求吸热器中管子厚度增加，管子应力也相应加大，会一定程度上降低吸收太阳辐射热的换热系数，限制了太阳的辐射通量。且吸热器中产生过热蒸汽存在不同区域换热系数差异控制的问题，相比较而言饱和蒸汽对吸热板寿命及吸热控制更有利，因而商业化机组中通常偏向饱和蒸汽。目前世界上采用水/水蒸气作为吸热工质的塔式发电站主要有意大利的EURELIOS，日本的SUNSHINE，美国的Solar One，西班牙的CESA-1，俄罗斯的SPP-5，以及中国的八达岭。
熔盐因其高热容密度、高传热系数及价格低廉成为当前最具潜力及广泛应用的传热介质。熔盐作为吸热工质的同时还可兼做蓄热工质，同时其运行***压力低，***工作相对安全，吸热器设计更紧凑，制造成本降低，热损失降低。但熔盐介质仍有一些明显的缺点：1)熔盐作为吸热工质，在整个管路中流动，夜间没有太阳能输入的情况下，吸热器管路中的熔盐在温度降低后会凝固，如现常用的40％KNO3/60％NaNO3二元盐熔点温度为220℃，***需要较好的保温措施并增设防止熔盐凝固的伴热设备；3)若***停机，需用高压氮气将吸热器中的残余熔盐吹出，以避免熔盐凝固；4)高温熔盐对熔盐泵的腐蚀性导致***安全运行的隐患，高温熔盐对吸热器换热管子的腐蚀也导致集热器效率降低，导致安全隐患，运行时间短；5)不适合大功率塔式太阳能发电***，塔高增加和循环熔盐流量的增加都会导致熔盐泵功耗和造价的提高，熔盐泵耗功明显高于水泵。世界上采用熔盐作为吸热、换热介质的塔式太阳能电站主要有美国的MSEE、Solar Two，法国的THEMIS，西班牙的Solar Tres。当前针对换热介质熔盐的主要研究方向为开发低熔点高可靠性的新型熔盐，以期降低***成本并提高***安全性。
空气介质因其低成本，高安全性，最重要的是可达到更高工作温度开始备受关注。采用空气作为吸热介质时分为常压空气和加压空气，常压空气作为吸热介质时通过中间换热器耦合汽轮机发电***，如德国的试验电站Jülich。由于采用低压空气，且气体传热能力低，导致吸热器体积庞大，且蒸汽朗肯循环机组最高温度受限与目前的材料技术(一般不超过625℃)，使得空气换得的高温不能被充分利用。吸热介质为高压空气时主要耦合开式燃机循环或联合循环，该方式可充分基于现有的成熟燃机机组技术。目前该项技术处于部件研究和概念设计阶段。空气吸热器主要有容积式和腔体式结构，以色列的Weizmann研究院、德国航空航天中心DLR等实验室开展了多种高温空气吸热器研究，并对其换热性能和流动特性进行了深入研究。相比于液体，空气比热小，大流量高温空气输送到高空难度较大，且当空气输送压力较高体积流量较大时，***自用电比例增大，降低***的净发电效率。
2)蓄热***：太阳能资源虽取之不尽用之不竭，但太阳辐射能是一种不稳定的随机自然能源，且呈现间歇性，为了满足连续的电力负荷需求，同时避免动力***的频繁起停，亟需高效的蓄热***。当太阳辐射能不足或夜间时，启动蓄热***，从而保证动力***的连续运行。
蓄热方式有显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热。
显热蓄热介质包括固态和液态，固态蓄热介质有砂石、耐火砖、混凝土、蜂窝陶瓷、复相陶瓷等，液态蓄热介质主要为熔盐，由于熔融盐具备如下特性，使其成为最广泛应用的显热蓄热介质：使用温度范围广，且具有相对的热稳定性；熔融盐导热性能良好；蒸气压低，特别是混合熔融盐；热容量大；黏度低且化学稳定性好。目前商用化塔式***中基本采用熔盐蓄热，蓄热时间可设计长达15小时，实现了动力***的不间断供电。
相变蓄热可实现恒温蓄热和放热，输出的温度和能量稳定，且蓄热密度大，单位容积蓄热量明显高于显热存储，发展潜力大。目前已实现了采用蒸汽作为相变介质的中低温蓄热，采用高温相变介质的蓄热还处于研究阶段，未有应用于示范项目报道。目前最具潜力的高温蓄热相变蓄热介质主要有高温熔盐和金属合金。高温熔盐的应用瓶颈在于导热系数低，从而影响蓄热***的充放热速率。金属合金导热系数非常高，且蓄热密度大，具备较高的相变潜热，热循环稳定性好。但明显缺陷是液态金属合金腐蚀性强，对相应容器材料要求高，且金属合金相变材料在蓄热领域的研究很不充分。蓄热材料的温度和相态随***充发热的过程而变化，相应物性参数也会发生改变，并影响***蓄热和传热性能，而相关的数据积累少。高温液态金属合金与容器材料相容性研究缺乏***性和规律性。进一步开发相变蓄热技术的关键是相变蓄热材料热物性强化的研究，并解决不均匀传热、气穴、热应力、侵蚀及材料等问题。
3)动力***：当前聚光太阳能技术主要配备技术成熟的蒸汽轮机作为动力***，塔式太阳能***由于其可提供的高温传热介质的特性可配套基于布雷顿循环或联合循环的高温高效动力***。目前商业应用中所配备的汽轮机动力装置的蒸汽温度基本处于亚临界范围，蒸汽参数可以向超临界和超超临界参数发展，但限于当前材料和工艺水平，汽轮机朗肯循环***的效率进一步提升的空间很小，且***造价高，装备尺寸大。
布雷顿循环包括开式和闭式循环。采用空气作为吸热介质时，直接将高压空气加热到1000℃左右推动燃机，而后将蒸汽朗肯循环作为底循环实现热能的梯级利用，提高热效率，该动力循环即基于开式布雷顿+朗肯的联合循环。当前国内外该项动力***的应用还处于研究阶段。
基于闭式布雷顿循环的动力***应用于塔式太阳能***基本处于概念设计阶段。基于闭式布雷顿循环的动力***工质可以多样化，包括空气、氦气、超临界CO2以及其他惰性气体混合气。目前研究最广泛的闭式布雷顿循环工质为超临界CO2，空气闭式循环应用于塔式太阳能热发电***在80年代有提出过详细的概念设计，但无后续试验推进。相比较于蒸汽朗肯循环和开式燃机布雷顿循环，基于闭式布雷顿循环的动力***优势明显：1)循环效率高，如SCO2工质在温度为600℃时即可达到45％的动力***热功转换效率，氦气工质在温度为850℃时热功转换效率亦高达45-48％；2)尺寸小，布局紧凑。以氦气工质为例，相同功率水平下动力***占地空间仅为蒸汽轮机动力***的1/5；3)可同时保证基本负荷和变负荷情况下***高效运行：变负荷调节方式多样，且可最大化的维持机组不偏离设计工作点高效运行；4)装置冷却***冷却源既可为风冷，也可为水冷，即满足无水运行条件。
美国专利US7685820“超临界二氧化碳聚光太阳能发电***装置”中提出了采用超临界二氧化碳涡轮替换塔式太阳能动力***中的蒸汽轮机装置，熔盐仍作为吸热、换热和蓄热介质，保证压气机进口二氧化碳参数略高于超临界态，即7.38MPa，30.98℃。该专利的中国同族专利为200710306179.3。后续中国专利201010277740.1亦提出了一种带蓄热的超临界二氧化碳太阳能热发电***，不同的是循环中二氧化碳的最低温度低于临界点，即压缩机由二氧化碳增压液泵替代，实现跨临界压缩，进一步提高循环效率。超临界二氧化碳动力装置效率高、装置紧凑，但其工作环境高，达20MPa左右，且超临界二氧化碳叶轮机械设计成熟度低，控制***较复杂，目前仍处于部件和***的实验阶段。近期中国专利201510068135.6中提出了一种采用闭式循环布雷顿循环的塔式太阳能热发电方法及***，该***中采用水蒸气作为吸热工质，即在吸热器中实现再热过程，整个水蒸气循环不同于传统的蒸汽朗肯循环的高压高温蒸汽做功，而是采用低压高温蒸汽推动汽轮机做功，同时耦合燃气轮机装置和底部朗肯循环，利用燃机循环透平的高温尾气加热进入吸热器前的水，使其蒸发为水蒸气；底部朗肯循环作为冷凝器的冷源进一步利用余热，实现热量的梯级利用，提高循环效率。该循环欲充分利用水泵耗功少的优势及热量的梯级利用，但实现起来较困难，且高温低压水蒸气(700-1500℃)做功能力差，密度低(导致设备尺寸大)，同时仍存在水蒸气腐蚀问题，对材料要求高。
当前塔式太阳能发电***广泛商业化面临的关键问题即为降低投资成本，使其形成与传统发电成本的竞争能力。降低投资成本主要着力于增大***装机容量、优化镜场及吸热器设计、开发高效经济的蓄热***以及配套经济高效热功转换***。过去统计表明不同吸热工质下***成本影响因子先后顺序略有差异，如采用熔盐换热介质时依次为增大***功率、优化定日镜尺寸和结构设计、采用先进的镜场设计、先进的蓄热***；采用蒸汽换热介质时依次为增大***功率、优化定日镜尺寸和结构设计、采用超临界蒸汽、先进蓄热、镜场；采用常压空气换热介质依次为增大***功率、优化定日镜尺寸和结构设计、先进蓄热、提高吸热器性能、先进镜场设计。
本发明的目的在于充分利用塔式太阳能高聚光比，寻求有利于高温吸热器设计的传热气体-新型换热工质，匹配高效且极具功率放大潜力的动力***-基于闭式布雷顿循环，同时耦合新的高效蓄热***-高温相变蓄热，以提高降低塔式太阳能发电***发电效率，降低发电成本。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，以期通过高温、高效、结构紧凑的闭式氦气轮机动力***的应用，结合高效氦气吸热器设计、新型蓄热***设计实现塔式太阳能***经济性的提高。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，包括：塔式太阳能集热***、蓄热***和动力***，所述塔式太阳能集热***与所述动力***组成第一热功循环***，所述塔式太阳能集热***与所述蓄热***组成储热循环***，所述蓄热***与所述动力***组成第二热功循环***，所述塔式太阳能集热***采用氦气作为吸热工质，所述动力***采用氦气作为动力工质。
作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***的一种优选方案，太阳辐射充足时，塔式太阳能集热***与动力***耦合工作，蓄热***和动力***解耦工作；太阳辐射不足时，塔式太阳能集热***与动力***解耦工作，蓄热***和动力***耦合工作，且蓄热***作为热源。
作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***的一种优选方案，所述耦合工作及解耦工作的动作切换由阀门的启闭实现。
作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***的一种优选方案，所述第一热功循环***采用氦气作为传热工质，采用氦气作为塔式太阳能集热***的吸热工质，并采用氦气作为动力***的动力工质。
作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***的一种优选方案，所述第二热功循环***采用氦气作为传热工质，采用氦气作为蓄热***的吸热工质，并采用氦气作为动力***的动力工质。
作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***的一种优选方案，所述储热循环***采用氦气作为传热工质，采用氦气作为塔式太阳能集热***的吸热工质，采用高温相变材料作为蓄热***的蓄热工质。
优选地，所述高温相变材料包括高温熔盐，其熔点温度为不低于750℃。
作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***的一种优选方案，所述蓄热***还包括循环风机，用于为冷却后的氦气提供压头，回送至塔式太阳能集热***，实现循环。
作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***的一种优选方案，所述动力***采用闭式循环的氦气轮机***。
作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***的一种优选方案，所述氦气轮机***基于闭式循环工作，包括氦气透平、回热器、预冷器、低压压气机、间冷器、高压压气机和电机，所述氦气透平的入口与所述塔式太阳能集热***及蓄热***连接，所述电机与所述氦气透平的第一出口连接，所述氦气透平的第二出口及第三出口分别与所述高压压气机的第一入口及回热器的第一入口连接，所述高压压气机的第一出口及第二出口分别与所述回热器的第二入口及所述低压压气机的第一入口连接，所述间冷器的入口与所述低压压气机的出口连接，间冷器的出口与所述高压压气机的第二入口连接，所述回热器的第一出口与所述预冷器的入口连接，出口与所述塔式太阳能集热***及蓄热***连接，所述预冷器的出口与所述低压压气机的第二入口连接。
优选地，所述预冷器和间冷器至少将氦气温度冷却至30℃以下。
优选地，所述冷却器的冷却源包括大气及水中的一种。
优选地，所述冷却器为低温余热回收装置，以实现热量的梯级利用。
优选地，所述动力***设计的压力不小于太阳辐射充足时动力***的负荷压力确定，并与所述第一热功循环***或第二热功循环***的氦气流量成正比关系。
优选地，所述蓄热***在蓄热回路的设计压力不小于蓄热***作为放热热源时动力***回路的工作压力。
优选地，所述蓄热***的蓄热容量为足以保证太阳辐射不足时，蓄热***和动力***耦合工作的时长。
如上所述，本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，具有以下有益效果：
采用氦气作为吸热工质，可实现高效紧凑的吸热器设计。氦气为惰性气体，与材料相容性好，***运行安全性更高，传热介质可达更高的工作温度。氦气热物性良好，比热容约为水蒸气的2.4倍，空气的4.7倍；导热系数约为空气的5.6倍，且氦气的运动粘性小。在温度相同和阻力系数相等时，空气在管道中的流速允许在25-45m/s范围内变化，而氦气的流速允许值则为55-100m/s，这将有利于强化换热。因此设计所得的吸热器温差小、压力损失小、热损失小，结构紧凑。
在其他条件相同时，氦气在管道中的压力损失比空气小2.2倍，蓄热回路所需风机耗功少。
采用高温相变材料作为蓄热介质，可保持充、放热过程温度稳定，从而保证启动蓄热***时动力***运行稳定。
采用熔点温度不低于750℃的高温相变材料，保证了启动蓄热***的动力***工作的高效性。
采用氦气闭式布雷顿循环，当透平进口温度达到850℃以上的高温范畴时，其热功转换效率达45％及以上，相比于蒸汽朗肯循环优势明显。
采用氦气闭式布雷顿循环，***循环最大压力明显低于蒸汽朗肯循环和超临界二氧化碳循环，提高了***安全性，降低了管路及设备的材料及工艺制造要求。
简而言之，新型换热介质氦气的优良物性保证了高效紧凑吸热器设计的可行性，同时可充分借鉴现有的空气吸热器设计和试验经验。高效且经济的蓄热***克服了太阳能辐射呈现间歇性的缺陷，满足了连续的电力负荷需求，同时避免了动力***的频繁起停，且维持了动力***的高效运行。基于闭式循环的氦气轮机动力***保证了设计工况及宽的变工况范围内高的热功转换效率。最终实现***总体效率和经济性的提高。
附图说明
图1显示为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***的架构示意图。
图2显示为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***的一个实施方式结构示意图。
元件标号说明
10 塔式太阳能集热***
101 镜场
102 吸热器
20 蓄热***
201 高温蓄热罐
202 循环风机
30 动力***
301 氦气透平
302 电机
303 高压压气机
304 低压压气机
305 间冷器
306 回热器
307 预冷器
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本发明提供一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，包括：塔式太阳能集热***10、蓄热***20和动力***30，所述塔式太阳能集热***10与所述动力***30组成第一热功循环***，所述塔式太阳能集热***10与所述蓄热***20组成储热循环***，所述蓄热***20与所述动力***30组成第二热功循环***，所述塔式太阳能集热***10采用氦气作为吸热工质，所述动力***30采用氦气作为动力工质。
作为示例，太阳辐射充足时，塔式太阳能集热***10与动力***30耦合工作，蓄热***20和动力***30解耦工作；太阳辐射不足时，塔式太阳能集热***10与动力***30解耦工作，蓄热***20和动力***30耦合工作，且蓄热***20作为热源。
所述带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***24小时内包含三个工作循环过程，如图1所示：
1)白天太阳辐射充足时，氦气通过塔式太阳能集热***10的吸热器吸收太阳辐射热，使其温度达到850℃甚至更高，高温氦气直接驱动动力***30，而后回到吸热器，构成第一热功循环***。循环***压力根据所定的基本负荷功率定，如50MWe时，第一热功循环***最大循环压力约2.5-3.5MPa。
2)白天太阳辐射充足时，氦气通过吸热器吸收太阳辐射热，使其温度达到850℃甚至更高，高温氦气进入蓄热***20，氦气与蓄热介质换热，放热后，氦气重新回到吸热器吸热，构成蓄热循环***。循环***压力根据第三热功循环***的最大压力确定。
3)太阳辐射不足时，包括阴雨天气和夜里，蓄热***20进入放热模式，氦气在蓄热***20中与蓄热介质换热获得高温后驱动动力***30，而后回到蓄热***20进行吸热，构成第二热功循环***。循环压力根据此时动力***30功率负荷确定，如5MWe时，循环最大压力约0.3-0.4MPa。
作为示例，所述耦合工作及解耦工作的动作切换由阀门的启闭实现。
作为示例，所述第一热功循环***采用氦气作为传热工质，采用氦气作为塔式太阳能集热***10的吸热工质，并采用氦气作为动力***30的动力工质。
作为示例，所述第二热功循环***采用氦气作为传热工质，采用氦气作为蓄热***20的吸热工质，并采用氦气作为动力***30的动力工质。
作为示例，所述储热循环***采用氦气作为传热工质，采用氦气作为塔式太阳能集热***10的吸热工质，采用高温相变材料作为蓄热***20的蓄热工质。优选地，所述高温相变材料包括高温熔盐，其熔点温度为不低于750℃。
如图2所示，作为示例，所述蓄热***20还包括循环风机，用于为冷却后的氦气提供压头，回送至塔式太阳能集热***10，实现循环。优选地，所述蓄热***20在蓄热回路的设计压力不小于蓄热***20作为放热热源时动力***30回路的工作压力。优选地，所述蓄热***20的蓄热容量为足以保证太阳辐射不足时，蓄热***20和动力***30耦合工作的时长。具体地，所述蓄热***20蓄热容量以保证放热时长内动力***30维持高效工作，并综合考虑蓄热***20尺寸、造价最终确定。
作为示例，所述动力***30采用闭式循环的氦气轮机***。
如图2所示，所述氦气轮机***基于闭式循环工作，包括氦气透平、回热器、预冷器、低压压气机、间冷器、高压压气机和电机，所述氦气透平的入口与所述塔式太阳能集热***10及蓄热***20连接，所述电机与所述氦气透平的第一出口连接，所述氦气透平的第二出口及第三出口分别与所述高压压气机的第一入口及回热器的第一入口连接，所述高压压气机的第一出口及第二出口分别与所述回热器的第二入口及所述低压压气机的第一入口连接，所述间冷器的入口与所述低压压气机的出口连接，间冷器的出口与所述高压压气机的第二入口连接，所述回热器的第一出口与所述预冷器的入口连接，出口与所述塔式太阳能集热***10及蓄热***20连接，所述预冷器的出口与所述低压压气机的第二入口连接。
优选地，所述预冷器和间冷器至少将氦气温度冷却至30℃以下。
优选地，所述的压气机压比由吸热器提供稳定温度(如850℃)、及动力***30中各部件性能优化计算确定。
优选地，所述冷却器的冷却源包括大气及水中的一种。另外，所述冷却器也可以为低温余热回收装置，以实现热量的梯级利用。
优选地，所述动力***30设计的压力不小于太阳辐射充足时动力***30的负荷压力确定，并与所述第一热功循环***或第二热功循环***的氦气流量成正比关系。
如图2所示，所述动力***30工作流程为：
1)高温高压氦气进入氦气透平膨胀做功，带动发电机发电；
2)膨胀后氦气进入回热器低压侧回收部分热量；
3)随后进入预冷器冷却；
4)冷却后氦气进去低压压气机压缩至一定压力；
5)随后进去中间冷却器再度冷却；
6)冷却后氦气进入高压压气机继续压缩增压；
7)高压氦气进去回热器高压侧升温；
8)最后进入吸热器吸收太阳辐射能或进入蓄热***20吸收蓄热介质放热，为进入透平做功做好准备，并完成一个循环。
以下对本实施例的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***进一步说明。
如图1所示，本实施例的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，包括塔式太阳能集热***10，蓄热***20和动力***30。
如图2所示，所述塔式太阳能集热***10主要包括镜场101和吸热器102，蓄热***20包括高温蓄热罐201和循环风机202，热功转换***主要包括氦气透平301，氦气回热器306，预冷器307，氦气低压压气机304，间冷器305，氦气高压压气机303和电机302。
白天太阳辐射充足时，阀门e和f关闭，阀门a、b、c、d打开。蓄热***20蓄热过程和动力***30工作过程启动，且互不影响。
1)动力***30工作过程—吸热器102加热吸热工质，稳定温度后进入动力***30驱动氦气透平301，带动发电机302发电，工作介质经透平膨胀后经回热器306低压侧释放余热，而后进入预冷器307冷却，随后进入低压压气机304压缩，高压工作介质进入间冷器305再度被冷却，后进入高压压气机303进一步压缩，此时工作介质压力为循环最大压力，高压传热介质进入回热器306吸收低压侧传热介质的余热，而后回到吸热器102吸收太阳辐射热，完成一个循环。
2)蓄热***20蓄热过程—吸热器1加热吸热工质，高温传热介质进入高温储能***，将热量释放给蓄热介质，被冷却后的传热介质通过循环风机202提供压头，回到吸热器102再次被加热，完成一个循环。
太阳辐射不足时或夜间，吸热器停止加热吸热工质，阀门a、b、c、d关闭，阀门e和f开启，蓄热***20放热直接驱动动力***30做功。高温蓄热***20的蓄热介质释放潜热加热工作介质，而后驱动透平301，带动发电机302发电，工作介质经透平膨胀后经回热器306低压侧释放余热，而后进入预冷器307冷却，随后进入低压压气机304压缩，高压工作介质进入间冷器305再度被冷却，后进入高压压气机303进一步压缩，此时工作介质压力为该动力循环下最大压力，高压工作介质进入回热器306吸收低压侧传热介质的余热，而后回到蓄热***20被继续加热，完成一个循环。
蓄热***20蓄热时，由高温氦气不断释放热量加热蓄热介质，并将热量以潜热型式储存。
蓄热***20作为放热热源时，稳定释放蓄热介质相变潜热，加热动力***30工作介质氦气使其达到接近相变材料的高温熔点温度。
动力***30循环压比由白天基本负荷下吸热器提供给氦气的平均温度及动力***30各部件性能确定，如850℃氦气透平前温时对应动力***30循环压比为2.86左右。
动力***30循环设计最大压力由基本设计负荷、部件设计需求和***紧凑性、经济性综合确定，如设计负荷为50MWe,该设计压力约2.5-3.5MPa左右。
动力***30循环实际工作压力由实际功率水平决定，并与闭式循环中工质的流量成正比关系。
蓄热***20设计压力由动力***30耦合蓄热***20作为热源时的实际工作压力确定。
蓄热***20热容量需同时保证维持无太阳能辐射时动力***30的高效运行及蓄热***20的经济性。
蓄热***20蓄热回路风机压头需足以克服途径管路、吸热器及蓄热***20造成的氦气压损。
如表1所示，本实施例对***循环进行了建模计算，确定动力***30基本负荷50MWe，透平前温850℃下动力***30最佳压比2.86，并给出最佳压比下***性能参数，如表1所示。所述效率均指热-电转换效率。所述ηcycle1为动力***30基本负荷下动力***30热效率，所述ηcycle3为蓄热***20作为热源时动力***30热效率，所述ηcycle1+cycle2为基本负荷下综合考虑动力***30和蓄热***20蓄热过程中耗能的***效率，所述ηcycle1+cycle2+cycle3为***运行24h后的平均热效率，其中cycle3以蓄热容量可维持动力***30工作14小时估算，其中，cycle1、cycle2、cycle3分别与图1中的第一热功循环***，蓄热循环***，第二热功循环***对应。
表1***性能参数
Figure GDA0004035442800000121
如上所述，本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，具有以下有益效果：
采用氦气作为吸热工质，可实现高效紧凑的吸热器设计。氦气为惰性气体，与材料相容性好，***运行安全性更高，传热介质可达更高的工作温度。氦气热物性良好，比热容约为水蒸气的2.4倍，空气的4.7倍；导热系数约为空气的5.6倍，且氦气的运动粘性小。在温度相同和阻力系数相等时，空气在管道中的流速允许在25-45m/s范围内变化，而氦气的流速允许值则为55-100m/s，这将有利于强化换热。因此设计所得的吸热器温差小、压力损失小、热损失小，结构紧凑。
在其他条件相同时，氦气在管道中的压力损失比空气小2.2倍，蓄热回路所需风机耗功少。
采用高温相变材料作为蓄热介质，可保持充、放热过程温度稳定，从而保证启动蓄热***20时动力***30运行稳定。
采用熔点温度不低于750℃的高温相变材料，保证了启动蓄热***20的动力***30工作的高效性。
采用氦气闭式布雷顿循环，当透平进口温度达到850℃以上的高温范畴时，其热功转换效率达45％及以上，相比于蒸汽朗肯循环优势明显。
采用氦气闭式布雷顿循环，***循环最大压力明显低于蒸汽朗肯循环和超临界二氧化碳循环，提高了***安全性，降低了管路及设备的材料及工艺制造要求。
简而言之，新型换热介质氦气的优良物性保证了高效紧凑吸热器设计的可行性，同时可充分借鉴现有的空气吸热器设计和试验经验。高效且经济的蓄热***20克服了太阳能辐射呈现间歇性的缺陷，满足了连续的电力负荷需求，同时避免了动力***30的频繁起停，且维持了动力***30的高效运行。基于闭式循环的氦气轮机动力***30保证了设计工况及宽的变工况范围内高的热功转换效率。最终实现***总体效率和经济性的提高。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，其特征在于，包括：塔式太阳能集热***、蓄热***和动力***，所述塔式太阳能集热***与所述动力***组成第一热功循环***，所述塔式太阳能集热***与所述蓄热***组成储热循环***，所述蓄热***与所述动力***组成第二热功循环***，所述塔式太阳能集热***采用氦气作为吸热工质，所述动力***采用氦气作为动力工质；太阳辐射充足时，塔式太阳能集热***与动力***耦合工作，蓄热***和动力***解耦工作；太阳辐射不足时，塔式太阳能集热***与动力***解耦工作，蓄热***和动力***耦合工作，且蓄热***作为热源；所述动力***采用闭式循环的氦气轮机***；所述氦气轮机***基于闭式循环工作，包括氦气透平、回热器、预冷器、低压压气机、间冷器、高压压气机和电机，所述氦气透平的入口与所述塔式太阳能集热***及蓄热***连接，所述电机与所述氦气透平的第一出口连接，所述氦气透平的第二出口及第三出口分别与所述高压压气机的第一入口及回热器的第一入口连接，所述高压压气机的第一出口及第二出口分别与所述回热器的第二入口及所述低压压气机的第一入口连接，所述间冷器的入口与所述低压压气机的出口连接，间冷器的出口与所述高压压气机的第二入口连接，所述回热器的第一出口与所述预冷器的入口连接，出口与所述塔式太阳能集热***及蓄热***连接，所述预冷器的出口与所述低压压气机的第二入口连接。
2.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，其特征在于：所述耦合工作及解耦工作的动作切换由阀门的启闭实现。
3.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，其特征在于：所述第一热功循环***采用氦气作为传热工质，采用氦气作为塔式太阳能集热***的吸热工质，并采用氦气作为动力***的动力工质。
4.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，其特征在于：所述第二热功循环***采用氦气作为传热工质，采用氦气作为蓄热***的吸热工质，并采用氦气作为动力***的动力工质。
5.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，其特征在于：所述储热循环***采用氦气作为传热工质，采用氦气作为塔式太阳能集热***的吸热工质，采用高温相变材料作为蓄热***的蓄热工质。
6.根据权利要求5所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，其特征在于：所述高温相变材料包括高温熔盐，其熔点温度为不低于750℃。
7.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，其特征在于：所述蓄热***还包括循环风机，用于为冷却后的氦气提供压头，回送至塔式太阳能集热***，实现循环。
8.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，其特征在于：所述预冷器和间冷器至少将氦气温度冷却至30℃以下。
9.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，其特征在于：所述预冷器的冷却源包括大气及水中的一种。
10.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，其特征在于：所述预冷器为低温余热回收装置，以实现热量的梯级利用。
11.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，其特征在于：所述动力***设计的压力不小于太阳辐射充足时动力***的负荷压力确定，并与所述第一热功循环***或第二热功循环***的氦气流量成正比关系。
12.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，其特征在于：所述蓄热***在蓄热回路的设计压力不小于蓄热***作为放热热源时动力***回路的工作压力。
13.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电***，其特征在于：所述蓄热***的蓄热容量为足以保证太阳辐射不足时，蓄热***和动力***耦合工作的时长。
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