一種帶有蓄熱的閉式氦氣輪機(jī)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種帶有蓄熱的閉式氦氣輪機(jī)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，包括：塔式太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)和動力系統(tǒng)，所述塔式太陽能集熱系統(tǒng)與所述蓄熱系統(tǒng)及所述動力系統(tǒng)組成第一循環(huán)系統(tǒng)，所述蓄熱系統(tǒng)與所述動力系統(tǒng)組成第二循環(huán)系統(tǒng)，所述塔式太陽能集熱系統(tǒng)采用氦氣作為吸熱工質(zhì)，所述動力系統(tǒng)采用氦氣作為動力工質(zhì)。本發(fā)明專利技術(shù)通過高溫、高效、結(jié)構(gòu)緊湊的閉式氦氣輪機(jī)動力系統(tǒng)的應(yīng)用，結(jié)合高效氦氣吸熱器設(shè)計、新型蓄熱系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)了塔式太陽能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的提高。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)裝置，特別是涉及一種帶有蓄熱的閉式氦氣輪機(jī)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
太陽能資源豐富，但能流密度低，應(yīng)運(yùn)而生了聚光太陽能技術(shù)，聚光太陽發(fā)電系統(tǒng)耦合儲能技術(shù)可克服太陽輻射呈間歇性的缺陷，實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電并具備基本負(fù)荷特征，使其明顯優(yōu)于其他可再生能源技術(shù)，成為當(dāng)前新能源和可再生能源開發(fā)與利用的最熱門研究方向。“十三五”時期，我國太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望得到大幅提升。根據(jù)國家能源局提供的規(guī)模發(fā)展指標(biāo)，到2020年底，實(shí)現(xiàn)7％電力結(jié)構(gòu)比重的太陽能裝機(jī)規(guī)模，其中太陽能熱發(fā)電總裝機(jī)容量有望達(dá)到1000萬千瓦，約占太陽能總裝機(jī)容量的6％。根據(jù)聚光方式的不同，聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)(CSP)主要有槽式、塔式、碟式和菲涅爾式，前兩者已進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行階段，后兩者處于示范和試驗(yàn)階段。槽式發(fā)電技術(shù)最為成熟，商業(yè)化最為廣泛，約占全球商業(yè)化運(yùn)行太陽能熱電站的85％。該技術(shù)只對太陽能輻射進(jìn)行一維跟蹤，聚光比低，運(yùn)行溫度基本在50-400℃，熱效率較低；與塔式、碟式系統(tǒng)相比，抗風(fēng)系統(tǒng)差。碟式系統(tǒng)聚光比高達(dá)數(shù)百到數(shù)千，也可使換熱工質(zhì)達(dá)到高溫，且其系統(tǒng)可單獨(dú)運(yùn)行。但系統(tǒng)功率小，主要連接斯特林發(fā)電裝置。菲涅爾系統(tǒng)聚光效率高，但工作效率低，目前處于示范工程階段。塔式熱發(fā)電系統(tǒng)通常利用大量定日鏡將太陽輻射聚集在高塔頂端的集熱接收器上，使熱轉(zhuǎn)換工質(zhì)(蒸汽、熔鹽、空氣等)獲得高溫，并驅(qū)動動力系統(tǒng)發(fā)電或進(jìn)入蓄熱系統(tǒng)放熱。定日鏡采用雙軸跟蹤方式，聚光比可達(dá)150-2000倍，聚光效果高，工質(zhì)溫度最高可達(dá)1600℃，該特點(diǎn)使得目前一些高效先進(jìn)的動力系統(tǒng)的應(yīng)用成為可能，從而提高熱功轉(zhuǎn)換效率，同時適合大規(guī)模發(fā)電。但其定日鏡需高精度跟蹤系統(tǒng)，且吸熱器需達(dá)到的溫度更高，因而鏡場及吸熱器造價高，導(dǎo)致發(fā)電成本高。相比與其他系統(tǒng)，塔式太陽能發(fā)電技術(shù)最具發(fā)展?jié)撃堋．?dāng)前美國、西班牙、印度、南非、墨西哥、澳大利亞、中國等多國均對塔式太陽能系統(tǒng)投入大量研究，包括概念設(shè)計、部件研究、示范工程等，以提高塔式太陽能發(fā)電效率，降低投資成本，使塔式太陽能發(fā)電技術(shù)可與當(dāng)前傳統(tǒng)發(fā)電型式發(fā)電成本相競爭。本專利技術(shù)涉及塔式太陽能新型換熱工質(zhì)，新型蓄熱技術(shù)及新型動力系統(tǒng)，因而就這幾項(xiàng)對塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行說明。1)吸熱、傳熱工質(zhì)：塔式太陽能吸熱器傳熱工質(zhì)多樣化，可以為水/蒸汽、熔鹽、常壓空氣、加壓空氣、超臨界蒸汽以及其他氣體。當(dāng)前商業(yè)電站中主要采用水/蒸汽和熔鹽，其他介質(zhì)處于示范、部件研究或概念設(shè)計階段。水/蒸汽是較成熟的吸熱工質(zhì)，冷凝水被送至塔頂?shù)奈鼰崞鳎来伪患訜帷⒄舭l(fā)甚至過熱，該吸熱器技術(shù)成熟，換熱系數(shù)高，且輸送不可壓水至塔頂?shù)乃煤墓ι佟ｏ柡突蜻^熱蒸氣可直接驅(qū)動成熟的汽輪機(jī)機(jī)組，或?qū)崃看鎯τ谛顭嵯到y(tǒng)中。但由于高溫蒸汽對應(yīng)的壓力高，當(dāng)前蒸汽溫度范圍為400-500℃，壓力范圍為5-12MPa，若蒸汽參數(shù)向火電裝置的超臨界參數(shù)發(fā)展，對應(yīng)的壓力將超過20MPa。高壓環(huán)境要求吸熱器中管子厚度增加，管子應(yīng)力也相應(yīng)加大，會一定程度上降低吸收太陽輻射熱的換熱系數(shù)，限制了太陽的輻射通量。且吸熱器中產(chǎn)生過熱蒸汽存在不同區(qū)域換熱系數(shù)差異控制的問題，相比較而言飽和蒸汽對吸熱板壽命及吸熱控制更有利，因而商業(yè)化機(jī)組中通常偏向飽和蒸汽。目前世界上采用水/水蒸氣作為吸熱工質(zhì)的塔式發(fā)電站主要有意大利的EURELIOS，日本的SUNSHINE，美國的SolarOne，西班牙的CESA-1，俄羅斯的SPP-5，以及中國的八達(dá)嶺。熔鹽因其高熱容密度、高傳熱系數(shù)及價格低廉成為當(dāng)前最具潛力及廣泛應(yīng)用的傳熱介質(zhì)。熔鹽作為吸熱工質(zhì)的同時還可兼做蓄熱工質(zhì)，同時其運(yùn)行系統(tǒng)壓力低，系統(tǒng)工作相對安全，吸熱器設(shè)計更緊湊，制造成本降低，熱損失降低。但熔鹽介質(zhì)仍有一些明顯的缺點(diǎn)：1)熔鹽作為吸熱工質(zhì)，在整個管路中流動，夜間沒有太陽能輸入的情況下，吸熱器管路中的熔鹽在溫度降低后會凝固，如現(xiàn)常用的40％KNO3/60％NaNO3二元鹽熔點(diǎn)溫度為220℃，系統(tǒng)需要較好的保溫措施并增設(shè)防止熔鹽凝固的伴熱設(shè)備；3)若系統(tǒng)停機(jī)，需用高壓氮?dú)鈱⑽鼰崞髦械臍堄嗳埯}吹出，以避免熔鹽凝固；4)高溫熔鹽對熔鹽泵的腐蝕性導(dǎo)致系統(tǒng)安全運(yùn)行的隱患，高溫熔鹽對吸熱器換熱管子的腐蝕也導(dǎo)致集熱器效率降低，導(dǎo)致安全隱患，運(yùn)行時間短；5)不適合大功率塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)，塔高增加和循環(huán)熔鹽流量的增加都會導(dǎo)致熔鹽泵功耗和造價的提高，熔鹽泵耗功明顯高于水泵。世界上采用熔鹽作為吸熱、換熱介質(zhì)的塔式太陽能電站主要有美國的MSEE、SolarTwo，法國的THEMIS，西班牙的SolarTres。當(dāng)前針對換熱介質(zhì)熔鹽的主要研究方向?yàn)殚_發(fā)低熔點(diǎn)高可靠性的新型熔鹽，以期降低系統(tǒng)成本并提高系統(tǒng)安全性。空氣介質(zhì)因其低成本，高安全性，最重要的是可達(dá)到更高工作溫度開始備受關(guān)注。采用空氣作為吸熱介質(zhì)時分為常壓空氣和加壓空氣，常壓空氣作為吸熱介質(zhì)時通過中間換熱器耦合汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，如德國的試驗(yàn)電站Jülich。由于采用低壓空氣，且氣體傳熱能力低，導(dǎo)致吸熱器體積龐大，且蒸汽朗肯循環(huán)機(jī)組最高溫度受限與目前的材料技術(shù)(一般不超過625℃)，使得空氣換得的高溫不能被充分利用。吸熱介質(zhì)為高壓空氣時主要耦合開式燃機(jī)循環(huán)或聯(lián)合循環(huán)，該方式可充分基于現(xiàn)有的成熟燃機(jī)機(jī)組技術(shù)。目前該項(xiàng)技術(shù)處于部件研究和概念設(shè)計階段。空氣吸熱器主要有容積式和腔體式結(jié)構(gòu)，以色列的Weizmann研究院、德國航空航天中心DLR等實(shí)驗(yàn)室開展了多種高溫空氣吸熱器研究，并對其換熱性能和流動特性進(jìn)行了深入研究。相比于液體，空氣比熱小，大流量高溫空氣輸送到高空難度較大，且當(dāng)空氣輸送壓力較高體積流量較大時，系統(tǒng)自用電比例增大，降低系統(tǒng)的凈發(fā)電效率。2)蓄熱系統(tǒng)：太陽能資源雖取之不盡用之不竭，但太陽輻射能是一種不穩(wěn)定的隨機(jī)自然能源，且呈現(xiàn)間歇性，為了滿足連續(xù)的電力負(fù)荷需求，同時避免動力系統(tǒng)的頻繁起停，亟需高效的蓄熱系統(tǒng)。當(dāng)太陽輻射能不足或夜間時，啟動蓄熱系統(tǒng)，從而保證動力系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。蓄熱方式有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學(xué)反應(yīng)蓄熱。顯熱蓄熱介質(zhì)包括固態(tài)和液態(tài)，固態(tài)蓄熱介質(zhì)有砂石、耐火磚、混凝土、蜂窩陶瓷、復(fù)相陶瓷等，液態(tài)蓄熱介質(zhì)主要為熔鹽，由于熔融鹽具備如下特性，使其成為最廣泛應(yīng)用的顯熱蓄熱介質(zhì)：使用溫度范圍廣，且具有相對的熱穩(wěn)定性；熔融鹽導(dǎo)熱性能良好；蒸氣壓低，特別是混合熔融鹽；熱容量大；黏度低且化學(xué)穩(wěn)定性好。目前商用化塔式系統(tǒng)中基本采用熔鹽蓄熱，蓄熱時間可設(shè)計長達(dá)15小時，實(shí)現(xiàn)了動力系統(tǒng)的不間斷供電。相變蓄熱可實(shí)現(xiàn)恒溫蓄熱和放熱，輸出的溫度和能量穩(wěn)定，且蓄熱密度大，單位容積蓄熱量明顯高于顯熱存儲，發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｄ壳耙褜?shí)現(xiàn)了采用蒸汽作為相變介質(zhì)的中低溫蓄熱，采用高溫相變介質(zhì)的蓄熱還處于研究階段，未有應(yīng)用于示范項(xiàng)目報道。目前最具潛力的高溫蓄熱相變蓄熱介質(zhì)主要有高溫熔鹽和金屬合金。高溫熔鹽的應(yīng)用瓶頸在于導(dǎo)熱系數(shù)低，從而影響蓄熱系統(tǒng)的充放熱速率。金屬合金導(dǎo)熱系數(shù)非常高，且蓄熱密度大，具備較高的相變潛熱，熱循環(huán)穩(wěn)定性好。但明顯缺陷是液態(tài)金屬合金腐蝕性強(qiáng)，對相應(yīng)容器材料要求高，且金屬合金相變材料在蓄熱領(lǐng)域的研究很不充分。蓄熱材料的溫度和相態(tài)隨系統(tǒng)充發(fā)熱的過程而變化，相應(yīng)物性參數(shù)也會發(fā)生改變，并影響系統(tǒng)蓄熱本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種帶有蓄熱的閉式氦氣輪機(jī)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括：塔式太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)和動力系統(tǒng)，所述塔式太陽能集熱系統(tǒng)與所述蓄熱系統(tǒng)及所述動力系統(tǒng)組成第一循環(huán)系統(tǒng)，所述蓄熱系統(tǒng)與所述動力系統(tǒng)組成第二循環(huán)系統(tǒng)，所述塔式太陽能集熱系統(tǒng)采用氦氣作為吸熱工質(zhì)，所述動力系統(tǒng)采用氦氣作為動力工質(zhì)。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種帶有蓄熱的閉式氦氣輪機(jī)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括：塔式太陽能集熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)和動力系統(tǒng)，所述塔式太陽能集熱系統(tǒng)與所述蓄熱系統(tǒng)及所述動力系統(tǒng)組成第一循環(huán)系統(tǒng)，所述蓄熱系統(tǒng)與所述動力系統(tǒng)組成第二循環(huán)系統(tǒng)，所述塔式太陽能集熱系統(tǒng)采用氦氣作為吸熱工質(zhì)，所述動力系統(tǒng)采用氦氣作為動力工質(zhì)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有蓄熱的閉式氦氣輪機(jī)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：太陽輻射充足時，塔式太陽能集熱系統(tǒng)與蓄熱系統(tǒng)及動力系統(tǒng)耦合工作，蓄熱系統(tǒng)和動力系統(tǒng)解耦工作，氦氣從塔式太陽能集熱系統(tǒng)吸熱后，一部分高溫氦氣直接驅(qū)動動力系統(tǒng)，另一部分直接進(jìn)入蓄熱系統(tǒng)，經(jīng)過動力系統(tǒng)后的低溫氦氣與經(jīng)過蓄熱系統(tǒng)放熱的低溫氦氣匯合后送回至塔式太陽能集熱系統(tǒng)，構(gòu)成第一循環(huán)系統(tǒng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有蓄熱的閉式氦氣輪機(jī)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：太陽輻射不足時，塔式太陽能集熱系統(tǒng)與動力系統(tǒng)解耦工作，蓄熱系統(tǒng)和動力系統(tǒng)耦合工作，且蓄熱系統(tǒng)作為熱源，氦氣在蓄熱系統(tǒng)中與蓄熱介質(zhì)換熱后，高溫氦氣驅(qū)動動力系統(tǒng)，而后低溫氦氣送回至蓄熱系統(tǒng)，構(gòu)成第二循環(huán)系統(tǒng)。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的帶有蓄熱的閉式氦氣輪機(jī)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：所述耦合工作及解耦工作的動作切換由閥門的啟閉實(shí)現(xiàn)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有蓄熱的閉式氦氣輪機(jī)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：所述第一循環(huán)系統(tǒng)采用氦氣作為傳熱工質(zhì)，采用氦氣作為塔式太陽能集熱系統(tǒng)的吸熱工質(zhì)，并采用氦氣作為動力系統(tǒng)的動力工質(zhì)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有蓄熱的閉式氦氣輪機(jī)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：所述第二循環(huán)系統(tǒng)采用氦氣作為傳熱工質(zhì)，采用氦氣作為蓄熱系統(tǒng)的吸熱工質(zhì)，并采用氦氣作為動力系統(tǒng)的動力工質(zhì)。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有蓄熱的閉式氦氣輪機(jī)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：所述第一循環(huán)系統(tǒng)采用氦氣作為傳熱工質(zhì)，采用氦氣作為塔式太陽能集熱系統(tǒng)的吸熱工質(zhì)，采用高溫相變材料作為蓄熱系統(tǒng)的蓄熱工質(zhì)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的帶有蓄熱的閉式氦氣輪機(jī)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于：所述高溫相變材料包括高溫熔鹽，其熔點(diǎn)溫度為不低于750℃。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有蓄熱的閉式氦氣輪機(jī)塔式太陽...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：柯婷鳳，張靖煊，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院上海高等研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31