TWI776683B - 噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置及使用其的發電設備 - Google Patents
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Abstract
一種噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置包含：一保溫爐；一蒸汽反應爐，設置於保溫爐中；一再加熱管路，將蒸汽反應爐連通至保溫爐外部，其中一高熱容材料容納於保溫爐中，並且包圍蒸汽反應爐及再加熱管路；一加熱器，用於加熱高熱容材料；一噴灑器，設置於蒸汽反應爐中；以及一液體供應管，通過保溫爐的一結構壁及蒸汽反應爐的一結構壁而連通至噴灑器，用於將一液體從外界供應至噴灑器，使噴灑器將液體噴灑成霧狀並吸收高熱容材料的熱能而產生低溫蒸汽，低溫蒸汽進入再加熱管路而被加熱成高溫蒸汽而輸出。一種發電設備亦一併提供。
Description
本發明是有關於一種蒸汽反應裝置及使用其的發電設備，且特別是有關於一種噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置及使用其的發電設備。
太陽能發電是一種節能減碳的技術。透過太陽能電池可以將光能轉換成電能，但是太陽能發電受限於太陽的照射時間。在夜晚時，太陽能發電起不了任何作用。由於太陽能電池的蓬勃發展，各地區設置的太陽能發電設備也越來越多，可以在白天提供相當的電力給整個市電供應系統。因此，在不久的未來，白天由太陽能發電設備所產生的電力可能會過剩。此時，雖然可以利用電池來儲存電能，但是這些電池不是價格昂貴就是效率過低，且會造成環境污染。
此外，傳統的鍋爐利用火力來加熱鍋爐中的水而產生水蒸氣來推動蒸汽發電機進行發電。但是，在沒有對鍋爐監控好的情況下，容易產生鍋爐***的危險。
因此，如何提供一種安全、穩定的儲能方式及能量轉換的方式，實為本案所欲解決的問題。本發明是針對本案申請人於US 10,256,636 B2所揭露的一種噴灑式保溫型蒸汽供應裝置及使用其之發電設備進行進一步改良，以進一步提供更穩定的高溫蒸汽給蒸汽發電機發電用。
因此，本發明的一個目的是提供一種噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置及使用其的發電設備，藉由噴灑霧狀液體及對液體進行多階段的加熱方式，產生高溫蒸汽來提供給蒸汽發電機進行發電。
為達上述目的，本發明提供一種噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置，包含：一保溫爐；一蒸汽反應爐，設置於保溫爐中；一再加熱管路，將蒸汽反應爐連通至保溫爐外部，其中一高熱容材料容納於保溫爐中，並且包圍蒸汽反應爐及再加熱管路；一加熱器，用於加熱高熱容材料；一噴灑器，設置於蒸汽反應爐中；以及一液體供應管，通過保溫爐的一結構壁及蒸汽反應爐的一結構壁而連通至噴灑器，用於將一液體從外界供應至噴灑器，使噴灑器將液體噴灑成霧狀並吸收高熱容材料的熱能而產生低溫蒸汽，低溫蒸汽進入再加熱管路而被加熱成高溫蒸汽而輸出。
本發明亦提供一種發電設備，包含：一太陽能發電裝置，將太陽能轉換成電能；上述噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置，其中加熱器將電能轉換成熱能，以加熱高熱容材料；以及一蒸汽發電機，連通至再加熱管路，並接收高溫蒸汽來進行發電後產生一回收蒸汽。
藉由上述的實施例，通過保溫爐的汽化加上再加熱管路的再加熱，可以有效且穩定的提供接近高熱容材料的溫度的高溫蒸汽給蒸汽發電機使用，提高發電效率及高熱容材料的熱效率。
為讓本發明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
CL:冷凝液體
HV:高溫蒸汽
LQ:液體
LV:低溫蒸汽
RV:回收蒸汽
10:噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置
11:保溫爐
11A:結構壁
11B:膨脹空間
12:蒸汽反應爐
12A:口徑漸縮通道
12B:結構壁
12C:中腔體
12D:下腔體
12E:錐形面
13:再加熱管路
13A:第一端部
13B:第二端部
13C:螺旋轉彎部
14:噴灑器
15:液體供應管
16:加熱器
16A:範圍
17:高熱容材料
18:安全閥
19:蒸汽回收管路
20:蒸汽儲存裝置
30:蒸汽發電機
40:蒸汽冷凝裝置
50:生產裝置
60:太陽能發電裝置
70:電力管理裝置
80:液體供應源
90:水力管理裝置
100:發電設備
200:電網
〔圖1〕顯示依據本發明較佳實施例的發電設備的示意圖。
〔圖2〕顯示〔圖1〕的噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置的示意圖。
圖1顯示依據本發明較佳實施例的發電設備的示意圖。如圖1所示，本實施例提供一種發電設備100，其包含一太陽能發電裝置60、一噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置10以及一蒸汽發電機30。
圖2顯示圖1的噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置10的示意圖。如圖2與圖1所示，噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置10包含一保溫爐11、一蒸汽反應爐12、一再加熱管路13、一噴灑器14、一液體供應管15及一加熱器16。
保溫爐11較佳是包含隔熱或絕熱材料，可以設置在保溫爐11的一結構壁11A中以減少保溫爐11內的熱能散發至外部環境中。絕熱材料可以阻滯熱流傳遞，譬如是玻璃纖維、石棉、岩棉、矽酸鹽、如氣凝膠氈、真空板等。
蒸汽反應爐12設置於保溫爐11中。再加熱管路13為熱交換管，將蒸汽反應爐12連通至保溫爐11外部，譬如是太陽能發電裝置60。高熱容材料17容納於保溫爐11中，並且包圍蒸汽反應爐12及再加熱管路13。於一例中，蒸汽反應爐12包含不鏽鋼製的槽體。
加熱器16用於加熱高熱容材料17，可以設置保溫爐11的內部或外部。噴灑器14設置於蒸汽反應爐12中。液體供應管15通過保溫爐11的結構壁11A及蒸汽反應爐12的一結構壁12B而連通至噴灑器14，用於將一液體LQ從外界供應至噴灑器14。噴灑器14將液體LQ噴灑成霧狀並吸收高熱容材料17的熱能而產生低溫蒸汽LV。低溫蒸汽LV進入再加
熱管路13而被加熱成高溫蒸汽HV而輸出。
於一例子中，高熱容材料17包含硝酸鹽，譬如是硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鋰或亞硝酸鈉。於另一例子中，高熱容材料17是多元混合的硝酸鹽，譬如是硝酸鈉、硝酸鉀、硝酸鋰以及亞硝酸鈉四元混合硝酸鹽，當樣品質量配比NaNO3：KNO3：LiNO3：NaNO2=0.23：0.407：0.106：0.257時，四元混合鹽類的熔點低至92℃，沸點達到559.3℃。藉由調整質量比及種類(二元或三元)，可以製備出不同熔點及沸點的多元混合的硝酸鹽，熔點範圍在87至97℃之間，沸點範圍在540至580℃之間。
於本例中，採用電磁加熱的方式來對高熱容材料17加熱，故保溫爐11的全部或部分結構壁11A可以採用導磁性材料(譬如鐵)所製成，或者在電磁加熱的範圍16A內的結構壁11A的部分可以不使用絕熱材料，以提高加熱效率，故於此情況下的結構壁11A具有多個不同材質的部分。電磁加熱的方式可以在不貫穿結構壁11A的情況下對高熱容材料17提供非接觸式加熱，且加熱的溫度不受限於實體加熱管的工作溫度。例如，可以控制加熱器16的加熱功率而將高熱容材料17加熱成液態狀，且溫度介於450至580℃之間，特別是介於500至600℃之間。於另一例中，加熱器16連接至保溫爐11來對高熱容材料17加熱。高熱容材料17的熱能通過蒸汽反應爐12的結構壁12B傳輸到蒸汽反應爐12中。加熱器16採用不銹鋼電加熱管，其是以金屬管為外殼，沿管內中心軸向均布螺旋電熱合金絲(鎳鉻、鐵鉻合金)，其空隙填充壓實具有良好絕緣導熱性能的氧化鎂砂，管口兩端用矽膠或陶瓷密封。不銹鋼電加熱管的熱效率高，使用方便，安裝簡單，無污染，被廣泛使用在各種加熱場合。
於一例中，可使用標準貨櫃當作保溫爐11的主要部分，將絕熱材料附著於標準貨櫃的內殼體及外殼體，或者填充於標準貨櫃的殼體
中，提供保溫的效果。蒸汽反應爐12靠近保溫爐11內部的右側，而再加熱管路13靠近保溫爐11內部的左側，因此，可以將蒸汽反應爐12設計成具有一偏向一側(於本例是從右下側偏向左上側)的口徑漸縮通道12A，提供一個讓蒸汽向左上方行進的噴嘴通道，連通至再加熱管路13的一第一端部13A，用於將低溫蒸汽LV導引到再加熱管路13。
再加熱管路13可以被設計成螺旋狀管路，具有多個螺旋轉彎部13C，此些螺旋轉彎部13C全部沒入(沈浸)於高熱容材料17中，使低溫蒸汽LV在再加熱管路13中繼續吸收高熱容材料17的熱能而變成高溫蒸汽HV。於本例中，高熱容材料17的熱能通過上下環繞且朝左側延伸的螺旋狀管路可以提供給蒸汽加熱及加速的管道。此外，再加熱管路13局部設於保溫爐11中，並且具有第一端部13A及一第二端部13B，其中第一端部13A連通至蒸汽反應爐12，第二端部13B穿過保溫爐11的結構壁11A而到達保溫爐11的外部。此外，高熱容材料17的上方餘留有一膨脹空間11B，膨脹空間11B可以提供給高熱容材料17膨脹用，也可以讓再加熱管路13的第二端部13B從膨脹空間11B穿過保溫爐11的結構壁11A而到達保溫爐11的外部，讓高熱容材料17不會提供壓力給第二端部13B或讓高熱容材料17不會從第二端部13B與保溫爐11的連接處滲漏出的風險。
於一非限制例中，將熔鹽(高熱容材料)加熱到大約560℃，將水(液體LQ)噴灑成霧狀進入蒸汽反應爐12中，產生100℃至120℃的低溫蒸汽LV，經過再加熱管路13的多個螺旋轉彎部13C，使得低溫蒸汽LV逐漸上升，譬如是上升至150℃、250℃、350℃、450℃，最後接近出口的第二端部13B的高溫蒸汽HV的溫度接近熔鹽的溫度560℃。水是以純水或接近純水的水為佳。於其他例子中，亦可使用其他液體來加熱。
可選的，噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置10更包含一安全閥
18，設置於保溫爐11上，用於選擇性地連通保溫爐11的內部與外部，以避免保溫爐11內的壓力過高。蒸汽反應爐12具有一下腔體12D、一中腔體12C及一上腔體(口徑漸縮通道12A)。下腔體12D為一錐形腔體，具有錐形面12E。液體供應管15通過下腔體12D進入到中腔體12C，噴灑器14位於中腔體12C中，噴出的水霧可以在下腔體12D、中腔體12C及/或上腔體中汽化，若有尚未汽化的水霧掉落在高溫的錐形面12E也會快速汽化。最終，水蒸氣會通過上腔體進入到再加熱管路13。
可選的，噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置10可以更包含蒸汽回收管路19，選擇性地連通至保溫爐11的內部，用於將一回收蒸汽RV回收至保溫爐11再加熱。蒸汽回收管路19可以位於中腔體12C中，也可以位於口徑漸縮通道12A中或下腔體12D中，且可以包含止逆閥以防止蒸汽逆行。再者，利用再加熱管路的再加熱效率，可以讓蒸汽反應爐的設計簡化，例如不需要US 10,256,636 B2所提供的縐摺狀的分隔層，蒸汽反應爐的結構壁都是相當簡單的構造。
於一非限制例中，蒸汽反應爐12不需設置壓力安全閥，因為當保溫爐內的壓力過大時，液體供應管的液體無法噴進去保溫爐中，因而具有自動切斷液體源的效果，只要液體不再進入蒸汽反應爐的內腔室膨脹，就不會有***的危險。因此，上述保溫爐及蒸汽反應爐是相當安全的。
液體供應管15的材質可以包含金屬或絕熱材料製作而成，且液體供應管15較佳是不與高熱容材料17直接接觸，以避免液體供應管15中的水在液體供應管15內就汽化而產生危險。
在發電設備100中，太陽能發電裝置60將太陽能轉換成電能，譬如是固定式太陽能電池模組或追日式太陽能電池模組。加熱器16將電能轉換成熱能，以加熱高熱容材料17。蒸汽發電機30譬如是蒸汽渦輪發
電機，連通至再加熱管路13，並接收高溫蒸汽HV來進行發電後產生回收蒸汽RV。回收蒸汽RV通過噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置10的蒸汽回收管路19而被回收至保溫爐11再加熱，重複循環。
可選的，發電設備100更包含一蒸汽儲存裝置20，譬如是蒸汽儲存槽，其中蒸汽發電機30通過蒸汽儲存裝置20連通至再加熱管路13。
可選的，發電設備100更包含一電力管理裝置70、一蒸汽冷凝裝置40、一液體供應源80及一水力管理裝置90。
電力管理裝置70電連接至太陽能發電裝置60、噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置10及一電網200，用於提供電力管理。譬如，電力管理裝置70包含控制器、逆變器等，可以在太陽能發電裝置60停止產生電能時，控制噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置10提供高溫蒸汽給蒸汽儲存裝置20進行發電，也可以控制太陽能發電裝置60送電至電網200或噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置10進行加熱。可以理解的，蒸汽發電機30可以電連接至電網200，也可以通過電力管理裝置70電連接至電網200。蒸汽冷凝裝置40連通至蒸汽發電機30，用於將回收蒸汽RV進行冷凝產生冷凝液體CL。液體供應源80用於提供液體LQ。水力管理裝置90包含控制器、控制閥等，並且連通至蒸汽冷凝裝置40及一生產裝置50，用於提供水力管理。
於本例中，太陽能發電裝置60設置於生產裝置50上方。生產裝置50譬如為一農作物生產裝置，水力管理裝置90選擇性地將冷凝液體CL提供至生產裝置50中，以提高生產裝置50的環境加溫效果，避免寒流帶給農作物的傷害。此外，水力管理裝置90可以包含逆滲透軟水機來對冷凝液體CL作軟化處理，以獲得軟水而提供給噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置10再利用。水力管理裝置90也可以包含止逆閥、三通閥等流體控制裝
置以提供選擇性的水力流動管理。
藉由上述實施例的噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置及使用其的發電設備，當有日照時的太陽能發電裝置產生的電力過剩時，電力管理裝置就控制將太陽能發電裝置的電力提供給加熱器來加熱高熱容材料。當無日照時，電力管理裝置就控制液體供應源提供液體至內腔室中以產生蒸汽，使蒸汽發電機可以利用蒸汽來發電，藉此可以將電力作最佳化的分配。此外，通過保溫爐的汽化加上再加熱管路的再加熱，可以有效且穩定的提供接近高熱容材料的溫度的高溫蒸汽給蒸汽發電機使用，提高發電效率及高熱容材料的熱效率。
在較佳實施例的詳細說明中所提出的具體實施例僅用以方便說明本發明的技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明的精神及申請專利範圍的情況下，所做的種種變化實施，皆屬於本發明的範圍。
HV:高溫蒸汽
LQ:液體
LV:低溫蒸汽
RV:回收蒸汽
10:噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置
11:保溫爐
11A:結構壁
11B:膨脹空間
12:蒸汽反應爐
12A:口徑漸縮通道
12B:結構壁
12C:中腔體
12D:下腔體
12E:錐形面
13:再加熱管路
13A:第一端部
13B:第二端部
13C:螺旋轉彎部
14:噴灑器
15:液體供應管
16:加熱器
16A:範圍
17:高熱容材料
18:安全閥
19:蒸汽回收管路
Claims (10)
- 一種噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置，包含：一保溫爐；一蒸汽反應爐，設置於該保溫爐中；一再加熱管路，將該蒸汽反應爐連通至該保溫爐外部，其中一高熱容材料容納於該保溫爐中，並且包圍該蒸汽反應爐及該再加熱管路；一加熱器，用於加熱該高熱容材料；一噴灑器，設置於該蒸汽反應爐中；以及一液體供應管，通過該保溫爐的一結構壁及該蒸汽反應爐的一結構壁而連通至該噴灑器，用於將一液體從外界供應至該噴灑器，使該噴灑器將該液體噴灑成霧狀並吸收該高熱容材料的熱能而產生低溫蒸汽，該低溫蒸汽進入該再加熱管路而被加熱成高溫蒸汽而輸出，其中該蒸汽反應爐具有一偏向一側的口徑漸縮通道，連通至該再加熱管路的一第一端部，用於將該低溫蒸汽導引到該再加熱管路。
- 如請求項1所述的噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置，其中該再加熱管路為螺旋狀管路，具有多個螺旋轉彎部，該等螺旋轉彎部全部沒入於該高熱容材料中，使該低溫蒸汽在該再加熱管路中繼續吸收該高熱容材料的該熱能而變成該高溫蒸汽。
- 如請求項1所述的噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置，其中該再加熱管路局部設於該保溫爐中，並且更具有一第二端部，其中該第一端部連通至該蒸汽反應爐，該第二端部穿過該保溫爐的該結構壁而到達該保溫爐的外部。
- 一種噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置，包含：一保溫爐；一蒸汽反應爐，設置於該保溫爐中；一再加熱管路，將該蒸汽反應爐連通至該保溫爐外部，其中一高熱容材料容納於該保溫爐中，並且包圍該蒸汽反應爐及該再加熱管路；一加熱器，用於加熱該高熱容材料；一噴灑器，設置於該蒸汽反應爐中；以及一液體供應管，通過該保溫爐的一結構壁及該蒸汽反應爐的一結構壁而連通至該噴灑器，用於將一液體從外界供應至該噴灑器，使該噴灑器將該液體噴灑成霧狀並吸收該高熱容材料的熱能而產生低溫蒸汽，該低溫蒸汽進入該再加熱管路而被加熱成高溫蒸汽而輸出，其中該再加熱管路局部設於該保溫爐中，並且具有一第一端部及一第二端部，其中該第一端部連通至該蒸汽反應爐，該第二端部穿過該保溫爐的該結構壁而到達該保溫爐的外部，其中該高熱容材料被加熱成液態狀，且溫度介於450至580℃，且該高熱容材料的上方餘留有一膨脹空間，該再加熱管路的該第二端部從該膨脹空間穿過該保溫爐的該結構壁而到達該保溫爐的外部。
- 一種噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置，包含：一保溫爐；一蒸汽反應爐，設置於該保溫爐中； 一再加熱管路，將該蒸汽反應爐連通至該保溫爐外部，其中一高熱容材料容納於該保溫爐中，並且包圍該蒸汽反應爐及該再加熱管路；一加熱器，用於加熱該高熱容材料；一噴灑器，設置於該蒸汽反應爐中；一液體供應管，通過該保溫爐的一結構壁及該蒸汽反應爐的一結構壁而連通至該噴灑器，用於將一液體從外界供應至該噴灑器，使該噴灑器將該液體噴灑成霧狀並吸收該高熱容材料的熱能而產生低溫蒸汽，該低溫蒸汽進入該再加熱管路而被加熱成高溫蒸汽而輸出；以及一蒸汽回收管路，選擇性地連通至該保溫爐的內部，用於將一回收蒸汽回收至該保溫爐再加熱。
- 一種發電設備，包含：一太陽能發電裝置，將太陽能轉換成電能；如請求項1或4所述的噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置，其中該加熱器將該電能轉換成熱能，以加熱該高熱容材料；以及一蒸汽發電機，連通至該再加熱管路，並接收該高溫蒸汽來進行發電後產生一回收蒸汽。
- 如請求項6所述的發電設備，其中該回收蒸汽通過該噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置的一蒸汽回收管路而被回收至該保溫爐再加熱。
- 如請求項6所述的發電設備，更包含一蒸汽儲存裝置，其中該蒸汽發電機通過該蒸汽儲存裝置連通至該再加熱管路。
- 如請求項6所述的發電設備，更包含： 一電力管理裝置，電連接至該太陽能發電裝置、該噴灑式再加熱型蒸汽反應裝置及一電網，用於提供電力管理，其中該太陽能發電裝置設置於一生產裝置上方；一蒸汽冷凝裝置，連通至該蒸汽發電機，用於將該回收蒸汽進行冷凝產生冷凝液體；一液體供應源，用於提供該液體；及一水力管理裝置，連通至該蒸汽冷凝裝置及該生產裝置，用於提供水力管理。
- 如請求項9所述的發電設備，其中該生產裝置為一農作物生產裝置，該水力管理裝置選擇性地將該冷凝液體提供至該生產裝置中，以提高該生產裝置的環境加溫效果。
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