在太阳能转化利用的诸多途径中,中高温太阳能热利用是非常重要的技术, 即采用聚焦集热技术,产生足以驱动热
力机械的高温气体或
蒸汽,最终可驱动发
电机发电,这就是太阳能热发电技术。
在本发明之前,太阳能热发电所采用的技术类型主要为塔式、槽式和碟式。 塔式具有发电容量大、技术路线简单的优点,但也存在着接收器庞大,制造困难, 系统初投资大等
缺陷。而槽式和碟式则仍处在试验研究阶段,不具备商业化的条 件。究其原因,主要是关键部件的技术
瓶颈限制了其进一步发展。槽式和碟式所 代表的是两种不同的集热原理,前者为线聚焦,后者则为点聚焦。
线聚焦式的太阳能采集主要有两种方式,即复合抛物面式和抛物面槽式。
复合抛物面聚光器一般开口较小,所以其聚光比较小,从而只能实现较低的 集热
温度,一般用于提供生活用热
水,其好处是不需
跟踪机构,使得系统的初投 资很小。
抛物面槽式聚光器由于开口尺寸可以更大,使得其聚光比更高,可实现较高 的集热温度,可用于太阳能热发电,即抛物面槽式聚光器将入射的太阳光聚集至 处于其焦线上的管式接收器,从而产生400℃左右的高压蒸汽推动
汽轮机运转用 于发电。由于采用的是线聚焦,需要在其接收器的表面
覆盖选择性吸收涂层用以 提高接收器的集热效率,而该涂层的耐温性仍然无法解决,即温度越高,其可靠 性也越差;同样由于线聚焦,在运行时接收器的热
应力矩随着接收器的长度增加 而不断增大,特别是温度较高时,将使得接收器因为受热不均而出现明显的弯曲, 从而造成接收器玻璃
套管的破裂,从而影响了系统长期运行的可靠性;另外,抛 物面槽式太阳能热发电系统只采用抛物面槽式聚光器进行集热,镜场入口处较低 温度的水也由其进行加热,这时的槽式聚光器就显得大材小用,无形之中增加了 系统的成本和复杂性。
因此,槽式太阳能热发电系统的可靠性受到温度的显著影响,温度越高,其 可靠性越差。然而,
朗肯循环的效率与循环最高温度息息相关,温度越高其循环 效率就越高。这样,就出现了可靠性和效率的矛盾,使得槽式太阳能热发电技术 的深入研究及推广应用仍受到了极大限制。
在碟式太阳能热发电系统中,采用了旋转抛物面碟式聚光器以点聚焦的形式 将太阳光聚集到置于其焦点处的接收器上,产生高温高压工质推动热力机械用于 发电。由于这种聚光方式能够实现比槽式聚光器高出几十倍的聚光比,从而可以 得到更高的集热温度。采用
斯特林循环的技术,循环工质采用氦气或氢气,斯特 林循环的最高理论效率接近于卡诺效率,因此碟式太阳能热发电技术具有了推广 应用的理论条件。但是在实际应用中,由于斯特林
发动机的研发与制造仍不成熟, 运行可靠性根本不能保证,同时造价过高,这就使这项技术的实际应用与推广陷 入困境。
在太阳能系统中,每种集热器结构在工作时只适用于产生某种特定参数的工 作介质,这是由集热器本身的结构特点和工作特性决定的。线聚焦式集热器所适 合的集热温度一般不能过高。若一味地追求高温高压,则会引起接收器上的温差 应力,势必牺牲掉集热器及其系统的可靠性。
本发明的目的就在于克服上述槽式和碟式太阳能热发电技术的缺陷,设计一 种可以梯级开发的太阳能热利用系统。
本发明的技术方案是:
太阳能梯级开发热利用系统,其主要技术特征在于由低温段、中温段、高温 段
串联构成;低温段中复合抛物面聚光器与常温接收器匹配,常温接收器输出至 中温段;中温段中抛物面槽式聚光器与中温接收器匹配,中温接收器经汽水分离 器输出至高温段;高温段中碟式聚光器与高温接收器匹配,高温接收器输出至汽 轮机。
本发明的优点和效果在于将太阳能热发电系统分为3个集热段进行集热,3 个集热段分别为低温段、中温段和高温段,低温段采用复合抛物面集热器,中温 段采用抛物面
槽式集热器,高温段则采用旋转抛物面碟式集热器,上述3个集热 段串联起来,按工质流动方向从前到后为低温段、中温段和高温段。分别利用它 们各自的优点,同时避开它们各自的缺陷,使三者之间有机结合,产生协同效果。
本发明中将复合抛物面集热器、抛物面槽式集热器、碟式集热器串联使用, 前两种集热器用于生产
饱和蒸汽,碟式集热器则用于对饱和蒸汽进行
过热。在系 统中温度比较低的部分,利用复合抛物面集热器完成集热过程,由于复合抛物面 集热器不需要跟踪机构,且
支架相较于抛物面槽式集热器更加简单,因此可以显 著降低成本;而在中温段,集热温度被严格控制在一定的范围内,与常规槽式太 阳能热发电系统相比,具有更低的温度,从而减小了中温段接收器可能产生的热 应力,使中温段的可靠性大幅提高,在中温段出口温度以上的温度区间,则全部 由碟式集热器来完成集热,由于碟式集热器及接收器可以达到并承受更高的温度 和压力,这样就在很大程度上提高了系统可靠性。
本发明依据太阳能采集过程的温度特性,提出了梯级式的集热方式,减小了 低温段的投资,降低了槽式集热技术中高温
热应力带来的影响,在碟式集热器当 中,因中温段已经产生了饱和蒸汽,工质为单相
流体即蒸汽,这样就避免了两相 流体带来的不
稳定性;而从发电方案上,与常规的碟式太阳能热发电技术相比, 则从斯特林循环转入到了朗肯循环,有效地避开了
斯特林发动机这一技术瓶颈, 采用技术成熟的汽轮机作为热力机械,使太阳能的高效可靠开发更加易于实现。 总而言之,正是由于3个集热段分别发挥了各自的优势,使得本发明的太阳能梯 级开发热利用系统具有低成本、高效率和高可靠性的特点。
附图说明:
图1--本发明的系统原理示意图。
图2--本发明中的高温段集热器示意图。
具体实施方式:
如图1所示,本发明包括三种类型的集热器系统组成的三个集热段,分别是 低温段、中温段和高温段。低温段设有复合抛物面聚光器1和常温接收器2,二 者匹配,即复合抛物面聚光器1聚光至常温接收器2内的工质,本发明中工质为 水;常温接收器2吸收了聚焦后的
太阳辐射,将热量传递给管内的工质,使其温 度升高,形成低温热水,之后常温接收器2内的工质便进入中温段。中温段设有 抛物面槽式聚光器3和中温接收器4,也是匹配的,(循环)工质进入中温接收 器4后吸收了由抛物面槽式聚光器3聚集的太阳辐射,并将热量传递给工质,使 其成为饱和蒸汽,然后进入汽水分离器15,由汽水分离器15分离出的饱和蒸汽 再进入高温段。高温段设有旋转抛物面碟式聚光器5和高温接收器6,二者也是 匹配的,由中温段产生的饱和蒸汽进入到高温接收器6之后,吸收了经旋转抛 物面碟式聚光器5聚焦后的太阳辐射,形成较高温度的
过热蒸汽,过热蒸汽则根 据需要进入汽轮机7进行发电;从汽轮机7排出的乏汽进入凝汽器8,将热量放 出,余热经过
吸收式制冷机9可以实现制冷,而吸收式制冷机9所排出的大量热 能可用于供热水。由凝汽器8
凝结后的水则与给水
泵10输送的补充水一起进入 给水缓冲罐11,给水缓冲罐11的前端设有
增压水泵12,增压水泵12将水压提 高到一定压力并输送到低温段的常温接收器2当中作为工质。至此,本发明的太 阳能梯级开发热利用系统完成了一个循环。
本发明为每一个集热段设置了辅助
能源补充装置,用于在太阳辐射不足时对 系统热量输入进行补充。在低温段的常温接收器2出口处,设有水加热器13, 采用燃烧的方式加热通过其中的水,当太阳辐射不足时开启;在中温段的中温接 收器4出口处设置蒸汽
锅炉14,用于太阳辐射不足时产生既定参数的饱和蒸汽; 如图2所示,在高温段中,在每个高温接收器6的下方设有
燃烧器16,当太阳 辐射不足,高温接收器6的出口蒸汽参数达不到系统需求时燃烧器16自动伸缩, 将烧嘴伸至高温接收器6当中,此时,燃烧器16自动点火进行加热。通过以上 方案,则可以实现太阳能梯级开发热利用系统的全天候运行。
在低温段、中温段和高温段,分别有多个常温接收器2、中温接收器4和高 温接收器6,均可串联或并联使用。其中常温接收器2置于复合抛物面聚光器1 的焦线上,中温接收器4置于抛物面槽式聚光器3的焦线上,而高温接收器6则 置于旋转抛物面碟式聚光器5的焦点处,上述接收器与聚光器严格匹配。系统运 行时,中温接收器4与抛物面槽式聚光器3相对
位置保持不变,高温接收器6与 旋转抛物面碟式聚光器5相对位置保持不变。
上述太阳能梯级开发热利用系统的三个集热段分别对应于不同的
工作温度, 对于本
实施例来说,中温段出口温度被控制在250℃以内,这样就可以使得中温 接收器4上的热应力保持在很小的范围内,提高了中温接收器4的可靠性。低温 段采用复合抛物面聚光器1,使得系统初投资相较于常规的槽式太阳能热发电站 显著减小。高温段采用旋转抛物面碟式聚光器5和高温接收器6,高温接收器6 采用
热管式接收器,使得太阳能蒸汽发电技术更易于实现较高的运行参数,温度 可达500℃以上,同时因为朗肯循环技术的成熟性,使得该系统比常规的碟式太 阳能热发电技术更加可靠。
除以上实施例之外,本发明可有多种实施方式,凡在本发明
基础上实施的等 效替换或类似组合变换均落在本发明要求的保护范围之内。