CN107989760B - 光热发电*** - Google Patents

Abstract

本申请公开一种光热发电***，包括汽轮机，以水/蒸汽为介质的光热集热器和固体储热装置；光热集热器的蒸汽出口与汽轮机的进口由管道连通，汽轮机的出口与光热集热器的回水入口由管道连通，以形成直接蒸汽驱动回路；固体储热装置包括固体储热基体、设置在固体储热基体内的换热管道和汽水分离器；换热管道的一端口连接于光热集热器的蒸汽出口和汽轮机进口之间的管道上，换热管道的另一端口连接于汽轮机的出口与光热集热器的回水入口之间的管道上；光热集热器与固体储热装置形成热能存储回路；固体储热装置与汽轮机形成储能驱动回路。上述方案能解决光热发电***利用水工质作为传热介质匹配液态储热***时效率低下的问题。

Description

光热发电***

技术领域

本申请涉及太阳能利用技术领域，尤其涉及一种光热发电***。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭及环保意识的逐渐加强，清洁能源的利用越来越普遍。太阳能由于具有资源丰富、无污染、利用技术门槛低等优点，已经被普遍应用在多个领域，例如光电领域。

利用太阳光产生的热能进行发电是发展较为迅速的技术，光热电站是利用太阳光产生的热能完成发电的场所。在白天，太阳光的照射能够实现对水的加热，进而直接产生蒸汽，直接产生的蒸汽推动发电汽轮机进行发电运转。

虽然太阳能是比较理想的清洁能源，但是太阳能的获取具有时效性，上述直接产生蒸汽的过程只能发生在白天，无法持续到黑夜。为了确保太阳光产生的热能能够在黑夜持续进行发电，光热电站需要对白天太阳光产生的热能进行存储，待到黑夜来临后这些被存储的热能被释放来继续发电。如何对太阳光产生的热能进行有效存储，以实现光热发电在日落后持续进行，是目前研究的重要方向。

目前，光热发电***利用导热油或熔盐(升温后会变成液相)实现对太阳光产生的热能进行存储。在工作的过程中，导热油和熔盐为液态储热工质，只能被加热到蒸汽的饱和温度附近，而这些液态储热工质温度均匀性较好，整体温度下降较快，再用这些温度已经下降的液态储热工质产生过热蒸汽，只能大幅度降低所产生的蒸汽品质。很显然，目前光热发电***利用导热油或熔盐实现热能存储，无法产生较高品质的蒸汽。可见，采用导热油或熔盐对太阳光产生的热能进行存储，进而采用这些热能实施发电存在发电效率较差的问题。目前，光热发电***存在利用水工质作为传热介质匹配液态储热***的方式，但是存在发电效率低下的问题。

发明内容

本申请实施例提供一种光电发热***，以解决光热发电***利用水工质作为传热介质匹配液态储热***时效率低下的问题。

为了解决上述问题，本申请实施例采用下述技术方案：

光热发电***，包括汽轮机，还包括以水/蒸汽为介质的光热集热器和固体储热装置；其中：

所述光热集热器的蒸汽出口与所述汽轮机的进口由管道连通，所述汽轮机的出口与所述光热集热器的回水入口由管道连通，以形成直接蒸汽驱动回路；

所述固体储热装置包括固体储热基体、设置在所述固体储热基体内的换热管道和汽水分离器；所述换热管道的一端口连接于所述光热集热器的蒸汽出口和所述汽轮机进口之间的管道上，所述换热管道的另一端口连接于所述汽轮机的出口与所述光热集热器的回水入口之间的管道上；所述光热集热器与所述固体储热装置形成热能存储回路；所述固体储热装置与所述汽轮机形成储能驱动回路。

优选的，上述光热发电***中，所述固体储热装置的过热区包括高温段和中温段，所述高温段的一端与所述光热集热器的蒸汽出口和所述汽轮机进口之间的管道连接，所述中温段的一端与所述汽轮机的出口与所述光热集热器的回水入口之间的管道连接，所述高温段的换热管路与所述中温段的换热管路通过所述汽水分离器连接。

优选的，上述光热发电***中，还包括水泵，所述水泵用于驱动所述直接蒸汽驱动回路和所述热能存储回路的回水流动。

优选的，上述光热发电***中，还包括集热循环水箱，所述集热循环水箱用于存储所述直接蒸汽驱动回路和所述热能存储回路的回水。

优选的，上述光热发电***中，所述光热集热器为菲涅耳式光热集热器、塔式光热集热器和槽式光热集热器中的至少一种。

优选的，上述光热发电***中，所述固体储热装置为多个，多个所述固体储热装置在竖直方向逐个叠置。

优选的，上述光热发电***中，多个所述固体储热装置并联布置或串联布置；

并联布置时，多个所述固体储热装置形成过热区和再热区，以分别对取热过程中取出的对应品质的过热蒸汽和再热蒸汽。

优选的，上述光热发电***中，多个所述固体储热装置并联连接时，多个所述固体储热装置分为多个单元，每个单元包括至少一个所述固体储热装置，多个单元逐个进行储取热。

优选的，上述光热发电***中，相邻的两个所述固体储热装置在竖直方向上直接贴合；或者在竖直方向上，设置有隔离件。

优选的，上述光热发电***中，所述固体储热基体为混凝土基体，所述换热管道为预埋在所述固体储热基体中的钢管。

优选的，上述光热发电***中，所述换热管道的外侧布设有换热翅片。

优选的，上述光热发电***中，每个所述固体储热装置包括多层换热管道组，每一层所述换热管道组包括并排的多根所述换热管道。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本申请实施例公开的光热发电***中，相比于采用导热油或熔盐等液态储热工质而言，固体储热装置的储热温度能够在其储热入口至储热出口的方向上逐渐降低，而固体储热基体各个部位之间的传热性能较差，因此能够维持其各个部位所存储热量的品质。此种情况在，在汽轮机所产生的回水经过固体储热装置的取热过程中，固体储热装置的储热出口成为取热入口，固体储热装置的储热入口成为取热出口，在取热的过程中，汽轮机所产生回水从取热入口向着取热出口移动，从而逐渐形成品质越来越高的蒸汽，最终能确保汽轮机利用较高品质的蒸汽进行高效的发电。可见，本申请公开的光热转换***能够解决目前的光热发电***利用导热油或熔盐进行热能存储，所导致的热能的后续发电效率较低的问题，也能解决光热发电***利用水工质作为传热介质匹配液态储热***时效率低下的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例公开的光热发电***的结构示意图；

图2为从图1中抽离的直接蒸汽驱动回路的结构示意图；

图3为从图1中抽离的热能存储回路的结构示意图；

图4为从图1中抽离的储能驱动回路的结构示意图；

图5为本申请实施例公开的固体储热装置的结构示意图；

图6为本申请实施例公开的固体储热装置的内部部分结构示意图；

图7为本申请实施例公开的多个固体储热装置的一种叠置状态示意图；

图8为本申请实施例公开的多个固体储热装置的另一种叠置状态示意图；

图9为本申请实施例公开的多个固体储热装置的串联示意图。

附图标记说明：

100-光热集热器、200-固体储热装置、210-固体储热基体、220-换热管道、300-汽轮机、400-循环水箱、500-水泵、600-隔离件、a-过热区、a1-高温段、a2-低温段、b-再热区、c-蓄热入口、d-蓄热出口。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

请参考图1-9，本申请实施例公开一种光热发电***，所公开的光热发电***包括汽轮机300和以水/蒸汽为介质的光热集热器100和固体储热装置200。

光热集热器100用于将太阳光的光能转换为热能，光热集热器100通常为菲涅耳式光热集热器、塔式光热集热器或槽式光热集热器中的至少一种。光热集热器100的蒸汽出口与汽轮机300的进口由管道连通，汽轮机300的出口与光热集热器100的回水入口由管道连通，以形成直接蒸汽驱动回路，如图2所示。

直接蒸汽驱动回路主要在有太阳光的作用下，光热集热器100接收太阳光产生的热能将光热集热器100内的水加热直接形成蒸汽，蒸汽通过汽轮机300的进口进入到汽轮机300内，驱动汽轮机300运转，进而实现发电。蒸汽经过汽轮机300做功后，冷凝成凝结水，从而回流到光热集热器100中，最终在光热集热器100内被再次蒸发而进行下一循环的发电。通过上述过程可知，直接蒸汽驱动回路用于在具有太阳光的情况下直接用太阳光产生的热能来驱动汽轮机发电。

固体储热装置200包括固体储热基体210、设置在固体储热基体210内的换热管道220和汽水分离器230。换热管道220的一端口连通光热集热器100的蒸汽出口与汽轮机300的进口之间的管道上。换热管道220的另一端口连通在汽轮机300的出口与光热集热器100的回水入口之间的管道上。光热集热器100与固体储热装置200形成热能存储回路，如图3所示。固体储热装置200与汽轮机300形成储能驱动回路，如图4所示。

固体储热装置200包括过热区a和再热区b。过热区a包括高温段a1和中温段a2，高温段a1的一端与光热集热器100的蒸汽出口与汽轮机300的进口之间的管道连接。中温段a2的一端与汽轮机300的出口与光热集热器100的回水入口之间的管道连接。高温段a1另一端的换热管路与中温段a2另一端的换热管路通过汽水分离器230连接，如图5所示，固体储热装置200的过热区a的高温段a1和中温段a2中的换热管道同时和外接管路连接。

在有太阳光的环境中，光热集热器100将太阳光产生的热能将光热集热器100内的水加热形成蒸汽，蒸汽进入固体储热装置200的换热管道中，从而将热能通过换热管道存储到固体储热基体210中，最终实现热能的存储。在实际的工作过程中，光热集热器100产生的蒸汽可以分两部分，一部分在直接蒸汽驱动回路中直接进行发电，另一部分将热能存储到固体储热装置200中，从而实现热能的存储，以备在没有太阳光的环境下，作为发电的能量来源。

在没有太阳光时，例如阴天或黑夜，此种情况下，汽轮机300产生的回水直接进入到固体储热装置200中与固体储热装置200换热，从而实现被固体储热装置200加热而变成蒸汽，再次进入汽轮机300中以驱动汽轮机300发电。

本申请实施例公开的光热发电***中，光热集热器100、固体储热装置200和汽轮机300能构成直接蒸汽驱动回路、热能存储回路和储能驱动回路，直接蒸汽驱动回路能实现太阳光产生的热能直接来发电，热能存储回路实现对太阳光所产热能的存储，从而通过储能驱动回路实现在无太阳光的情况下的持续发电。本申请实施例所公开的光热发电***通过固体储热装置200实现热能的存储，在工作的过程中，太阳光产生的热能直接通过换热管道220的换热而存储到固体储热基体210中，固体储热基体210也能通过换热管道220将其存储的热能加热汽轮机300产生的回水，从而使得回水再次形成蒸汽来驱动汽轮机300发电。

相比于采用导热油或熔盐等液态储热工质存储热能而言，固体储热装置200的储热温度能够在其储热入口至储热出口的方向上逐渐降低，而固体储热基体210各个部位之间的传热性能较差，因此能够维持其各个部位所存储热量的品质。此种情况在，在汽轮机300所产生的回水经过固体储热装置200的取热过程中，固体储热装置200的储热出口成为取热入口，固体储热装置200的储热入口成为取热出口，在取热的过程中，汽轮机300所产生回水从取热入口向着取热出口移动，从而逐渐形成品质越来越高的蒸汽，最终能确保汽轮机300利用较高品质的蒸汽进行高效的发电。可见，本申请实施例公开的光热转换***能够解决目前的光热发电***利用导热油或熔盐进行热能存储，所导致的热能的后续发电效率较低的问题。，也能解决光热发电***利用水工质作为传热介质匹配液态储热***时效率低下的问题。

本申请实施例公开的光热发电***充分利用固体储热介质固定不流动的特性，能够保证固体储热介质在其储热入口至储热出口方向可以保持较大的温度差，从而使得在取热过程中取热回水能够变成更高品质的蒸汽，也能提高热能利用率。

如背景技术所述，目前采用熔盐或导热油实施导热。导热油易发生结焦，热裂解反应、氧化反应等，进而会降低导热油的热传导效率，导热油易导致管路堵塞，局部过热变形炸裂。很显然，导热油还容易造成严重的污染问题。熔盐的凝固点过高，约207℃，因此，维持熔盐处于液相的能源消耗过高。而且，熔盐的腐蚀对采用熔盐作为储热工质的储热***的要求较高，很显然储热***的成本较高。本申请实施例公开的光热发电***采用固体储热装置200不存在上述熔盐或导热油作为储热工质存在的问题。

本申请实施例公开的光热发电***该可以集热循环水箱400，集热循环水箱400用于存储直接蒸汽驱动回路与热能存储回路的回水。具体的，集热循环水箱400可以设置在光热集热器100与固体储热装置200之间，固体储热装置200的换热管道200的另一端口连接于汽轮机300出口与集热循环水箱400入口之间的管路上。

集热循环水箱400上设置有排气装置，液位检测装置和补水装置，当存储过程中出现光热集热器100中提供的热功率大于固体储热装置200的最大储热功率时或固体储热装置200完成储热时在固体储热装置200储热出口会出现未凝结的水蒸气，通过监测水箱的液位判断水蒸气的产生能够通过控制光热集热器降低提供的热功率或固体储热装置不同模块之间进行切换。当存储回路出现泄露或其他原因导致的***缺水也可以通过液位监测装置检测得知，另外通过集热循环水箱400的补水装置及时为***补水。

如上文所述，固体储热装置200可以包括设置在换热管道220中的汽水分离器230，汽水分离器230能够对取热过程中形成的蒸汽实施汽水分离，进而能够确保取热过程形成的蒸汽的干度要求，达到提高蒸汽品质的目的。

在工作的过程中，直接蒸汽驱动回路、热能存储回路和储能驱动回路均能产生回水，从而使得蒸汽形成回水。为了便于回水的迅速回流，本申请实施例公开的光热发电***还可以包括水泵500。水泵500用于驱动直接蒸汽驱动回路、热能存储回路的回水流动。

本申请实施例公开的光热发电***还可以包括冷却塔。冷却塔设置在汽轮机300的出口，以辅助经过汽轮机300的蒸汽冷凝，使得回水成为过冷水，过冷水能够在后续的换热过程中吸收更多的热能。冷却塔的设置能够使得经过汽轮机300的蒸汽能够较好地冷凝，进而便于冷凝形成的回水在固体储热装置200或光热集热器100中吸收更多的热。

本申请实施例公开的光热发电***中，固体储热装置200为多个，多个固体储热装置200可以在竖直方向逐个叠置。这能够降低多个固体储热装置200的占地面积。具体的，多个固体储热装置200可以并排布置或串联布置，如图9所示，并联布置时，多个固体储热装置200形成过热区a和再热区b，以分别对应取热过程中取出对应品质的过热蒸汽和再热蒸汽。并联的各个固体储热装置200在储热时，再完成储热过程切换。在竖直方向叠置的多个固体储热装置200中，相邻的两个固体储热装置200可以直接贴合布置，如图8所示。相邻的两个固体储热装置200之间可以通过隔离件600隔离，如图6所示。

本申请实施例公开的光热发电***中，多个固体储热装置200并联连接时，多个固体储热装置200分为多个单元，每个单元包括至少一个固体储热装置200，多个单元逐个进行储热取热。

本申请实施例公开的固体储热基体210可以为混凝土基体，换热管道220可以为预埋在固体储热基体210中的钢管。换热管道220通过混凝土基体210筑造实现预埋。优选的，换热管道220的外侧布设有换热翅片，换热翅片能够提高换热管道220与固体储热基体210之间的换热效率。

请再次参考图9，图9所示结构由15块固体储热装置200串联构成的整体储热结构，串联过程中，相邻的两块固体储热装置200的换热管道依次首尾连通。蓄热时蒸汽从图9所示结构的蓄热入口c进入固体储热装置200中，蓄热完成时相邻的两个固体储热装置200的进出口平均温差可以达到10-40℃，则最终由15块固体储热装置200串联构成的整体储热结构的蓄热入口c的一端与蓄热出口d的一端温差达到150-600℃。在蓄热的过程中，相邻的固体储热装置200之间会导热，但是由于温差相对较小，导热系数较低，因此能够保证上述整体结构的入口端与出口端之间温差保持不变。在取热过程中，回水在取热入口进入，沿着换热管道逐渐升温，直至在出口解禁混凝土温度成为过热蒸汽，此过程中，固体储热基体200的沿其储热方向逐渐降温，但是固体储热基体200的进出口温差基本保持不变，这能够维持固体储热基体200继续保持较高的热品位。

一种具体的实施方式中，每个固体储热装置200可以包括多层换热管组，每一层换热管组包括并排的多根换热管道。具体的，换热管道组为9层，每一层换热管道组包括18根换热管道。具体的，固体储热装置200的长可以是27.5m，宽为6m，高为1.5m。在每层换热管组中，多跟换热管组的两端可以设置起到汇集和分散作用的母管，确保流体的快速汇合与分流，达到提高换热效率的目的。

本文中，各个优选方案仅仅重点描述的是与其它优选方案的不同，各个优选方案只要不冲突，都可以任意组合，组合后所形成的实施例也在本说明书所公开的范畴之内，考虑到文本简洁，本文就不再对组合所形成的实施例进行单独描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.光热发电***，包括汽轮机，其特征在于，还包括以水/蒸汽为介质的光热集热器和固体储热装置；其中：

所述光热集热器的蒸汽出口与所述汽轮机的进口由管道连通，所述汽轮机的出口与所述光热集热器的回水入口由管道连通，以形成直接蒸汽驱动回路；

所述固体储热装置包括固体储热基体、设置在所述固体储热基体内的换热管道和汽水分离器；所述换热管道的一端口连接于所述光热集热器的蒸汽出口和所述汽轮机进口之间的管道上，所述换热管道的另一端口连接于所述汽轮机的出口与所述光热集热器的回水入口之间的管道上；所述光热集热器与所述固体储热装置形成热能存储回路；所述固体储热装置与所述汽轮机形成储能驱动回路；

所述固体储热装置的过热区包括高温段和中温段，所述高温段的一端与所述光热集热器的蒸汽出口和所述汽轮机进口之间的管道连接，所述中温段的一端与所述汽轮机的出口与所述光热集热器的回水入口之间的管道连接，所述高温段的换热管路与所述中温段的换热管路通过所述汽水分离器连接；

所述固体储热装置为多个，多个所述固体储热装置在竖直方向逐个叠置； 多个所述固体储热装置并联布置或串联布置；

并联布置时，多个所述固体储热装置形成过热区和再热区，以分别对取热过程中取出的对应品质的过热蒸汽和再热蒸汽。

2.根据权利要求1所述的光热发电***，其特征在于，还包括水泵，所述水泵用于驱动所述直接蒸汽驱动回路和所述热能存储回路的回水流动。

3.根据权利要求2所述的光热发电***，其特征在于，还包括集热循环水箱，所述集热循环水箱用于存储所述直接蒸汽驱动回路和所述热能存储回路的回水。

4.根据权利要求1所述的光热发电***，其特征在于，所述光热集热器为菲涅耳式光热集热器、塔式光热集热器和槽式光热集热器中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的光热发电***，其特征在于，多个所述固体储热装置并联连接时，多个所述固体储热装置分为多个单元，每个单元包括至少一个所述固体储热装置，多个单元逐个进行储取热。

6.根据权利要求1所述的光热发电***，其特征在于，相邻的两个所述固体储热装置在竖直方向上直接贴合；或者在竖直方向上，设置有隔离件。

7.根据权利要求1所述的光热发电***，其特征在于，所述固体储热基体为混凝土基体，所述换热管道为预埋在所述固体储热基体中的钢管。

8.根据权利要求7所述的光热发电***，其特征在于，所述换热管道的外侧布设有换热翅片。

9.根据权利要求6所述的光热发电***，其特征在于，每个所述固体储热装置包括多层换热管道组，每一层所述换热管道组包括并排的多根所述换热管道。

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