專利名稱：在太陽能水箱中聚積蒸汽的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的方法涉及聚積高壓蒸汽的領(lǐng)域，具體地，涉及在用于產(chǎn)生電力的太陽熱能應(yīng)用中聚積高壓蒸汽的方法。
背景技術(shù)：
為了使太陽能發(fā)電技術(shù)更加成熟，在太陽能熱電站中為了發(fā)電而存儲(chǔ)能量是必要的。對于由于太陽能領(lǐng)域需要的巨大投入而產(chǎn)生的全面收益，存儲(chǔ)能量是關(guān)鍵的。同 時(shí)，其也是必要的，從而這種可再生技術(shù)產(chǎn)生的能量被視為是易管理的。在發(fā)電站中，這種易管理性近來成為一個(gè)越來越不可或缺的需求。在太陽能發(fā)電廠中，存儲(chǔ)能量有若干目的。一方面，其允許提升產(chǎn)能，既增加高輻照度的負(fù)載小時(shí)，也將其延伸到夜晚期間。如前所述，這樣實(shí)現(xiàn)了最大化的投資的收益。另一方面，即使在多云期間(輻照的瞬變狀態(tài))，其也允許持續(xù)運(yùn)行。最后，其允許渦輪機(jī)長期運(yùn)行，由此減少啟動(dòng)和停止周期，并因此減少了渦輪機(jī)受到的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力是導(dǎo)致渦輪機(jī)的大多數(shù)嚴(yán)重故障的原因，而渦輪機(jī)是熱電站的關(guān)鍵且昂貴的元件。很大程度上，本領(lǐng)域內(nèi)在太陽能熱電站中聚積能量的現(xiàn)狀涉及通過流體手段(熱油或熔鹽)來聚積。除了這兩種技術(shù)成本高昂之外，它們還有其他缺陷。熱油的主要缺陷在于其環(huán)境影響，這是由于其是易燃產(chǎn)品并且具有一定程度的毒性。關(guān)于鹽，其缺陷更多地是由于技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。鹽在運(yùn)行的常規(guī)條件下具有凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)，這是由于鹽的冰點(diǎn)非常高(在140-230°C之間)。這需要對管理和設(shè)備的布局進(jìn)行昂貴且復(fù)雜的設(shè)計(jì)。而聚積蒸汽時(shí)，所有的這些風(fēng)險(xiǎn)被完全地消除了，并且除了存儲(chǔ)鹽和油的變種的成本之外，市場變得獨(dú)立了。太陽能熱電站利用了來自太陽的直接輻射的優(yōu)勢，將輻射聚集并產(chǎn)生蒸汽。然而，太陽輻射表現(xiàn)為依賴于許多因素(包括云層)的可變曲線。云層使得到達(dá)太陽能發(fā)電廠的收集器表面的輻射在短時(shí)間內(nèi)顯著波動(dòng)。系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間應(yīng)該盡可能地接近這些變化的反應(yīng)時(shí)間，從而防止這些變化影響發(fā)電系統(tǒng)或渦輪機(jī)(可能對其耐久性產(chǎn)生致關(guān)重要的影響)。這些短暫時(shí)期的頻率根據(jù)電廠在地球上的位置而不同，但在任何情況下都不可能消除這些短暫時(shí)期。不像鹽和油，利用聚積蒸汽，確保了對發(fā)電系統(tǒng)或渦輪機(jī)近似于即時(shí)的供應(yīng)。即使如此，聚積蒸汽的主要優(yōu)勢在于需要的大容量的成本。本發(fā)明提出了一個(gè)建議，其利用水箱以最小化能量存儲(chǔ)的價(jià)格，該水箱以大范圍的壓強(qiáng)存儲(chǔ)并且具有足夠大的幾何尺寸。水箱的存儲(chǔ)容量與水箱工作的壓強(qiáng)差成比例。因此，使用相同的容量時(shí)，使用的容量越大，壓強(qiáng)差也越大。
水箱中壓強(qiáng)的增加帶來了一個(gè)缺點(diǎn)，即需要更大的緩沖的阻力。這使得成本增加，然而，如果水箱建造得使其具有理想的應(yīng)力分布，則可降低這種成本。聚積蒸汽的另一個(gè)缺陷在于僅有可能釋放飽和的蒸汽。為了保持汽輪機(jī)的耐久性，維持制造商所規(guī)定的條件是必要的。汽輪機(jī)中一個(gè)最關(guān)鍵的點(diǎn)是在最后階段擴(kuò)大的流體的水分含量。當(dāng)在進(jìn)入渦輪機(jī)時(shí)從初始狀態(tài)擴(kuò)張之后，蒸汽經(jīng)歷了壓強(qiáng)降低且同時(shí)冷卻(這使得流體失去保持的能量以將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械工作)的過程。最后階段能量的降低變成部分冷凝。在渦輪機(jī)的最后階段，蒸汽不再是干蒸汽，而是濕蒸汽，就如同那些含有一些液態(tài)水滴的蒸汽。這些水滴作為與渦輪機(jī)葉片接觸的小拋射物，可能損壞葉片。這就是為什么利用加強(qiáng)材料設(shè)計(jì)蒸汽渦輪機(jī)的最后階段的原因，但即使如此，重要的是確保蒸汽的水分含量不超出限制，否則葉片的加強(qiáng)將不足夠并且渦輪機(jī)將不可挽回地被損壞。由于這個(gè)原因，進(jìn)入渦輪機(jī)的蒸汽的質(zhì)量是關(guān)鍵參數(shù)。如果進(jìn)入渦輪機(jī)的是飽和 蒸汽，則該設(shè)備可以大量地被供給這種類型的蒸汽，這是由于制造商已經(jīng)為這種類型的進(jìn)入物進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)。但是，如果是過熱蒸汽渦輪機(jī)，而渦輪機(jī)被供給并不過熱的蒸汽(飽和蒸汽)，渦輪機(jī)將必然被損壞，這是由于蒸汽在最后階段的高水分含量。如下所述，本發(fā)明通過優(yōu)化的蒸汽聚積系統(tǒng)解決了上述的所有不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了在太陽能熱電站中通過球形或半球形的高壓水箱進(jìn)行蒸汽聚積來發(fā)電，此外，確定了加載和排出的具體程序，從而最佳地利用水箱的容量。因此，本發(fā)明提出了將壓強(qiáng)大于或等于IOObar的蒸汽聚積為壓強(qiáng)為20bar范圍內(nèi)的蒸汽，從而確保實(shí)現(xiàn)沉積物中的應(yīng)力分布，本發(fā)明考慮使用球形水箱。相比于圓柱形水箱，對于聚積特定壓強(qiáng)的蒸汽來說，這種類型的水箱厚度更薄，由于需要的材料的量減少了，這使得成本顯著降低。 球形幾何形體的水箱既可內(nèi)置于金屬中，也可內(nèi)置于鋼筋混凝土中，還可內(nèi)置于其他等同材料中。此外，本發(fā)明的高壓下的存儲(chǔ)系統(tǒng)具有另一優(yōu)點(diǎn)其不僅可以與飽和蒸汽一起工作，還可以與過熱蒸汽一起工作。更具體地，本發(fā)明所涉及的蒸汽聚積使用路斯型(Ruths)系統(tǒng)。路斯型系統(tǒng)由沉積物組成，該沉積物一部分是水，余下的部分是蒸汽，水與蒸汽保持平衡。使用外部產(chǎn)生的蒸汽加載水箱或蓄氣器。蒸汽通過凝結(jié)將其熱量傳導(dǎo)給水箱中余下的流體。在蓄氣器排出時(shí)，產(chǎn)生壓降，該壓降使得其內(nèi)部發(fā)生閃蒸，這將轉(zhuǎn)換為自發(fā)地產(chǎn)生蒸汽，該蒸汽隨后被排出。這種類型的排出的一個(gè)主要特點(diǎn)是排出蒸汽的壓強(qiáng)隨著排出的進(jìn)行而降低。聚積系統(tǒng)允許聚積的蒸汽在短時(shí)間內(nèi)循環(huán)。相對于通過其他手段(例如鹽或油)的聚積，這種反應(yīng)速率允許其聚積蒸汽，而且對于用于發(fā)電的太陽能熱電站的運(yùn)行優(yōu)化來說，也是極為重要的。


為了完成說明并為了有助于更好地理解本發(fā)明的特點(diǎn)，隨附了一組附圖作為說明的不可分割的一部分，其中，僅出于展示的目的，下述附圖包括但不限于圖I是蒸汽存儲(chǔ)系統(tǒng)的示圖。附圖標(biāo)記說明I基本組的蓄氣器或水箱2過熱組的蓄氣器或水箱3蒸汽系統(tǒng)加載 4基本組的水箱的排出流體4’過熱組的水箱的排出流體5用于渦輪機(jī)供給的過熱蒸汽6熱交換器8水箱的內(nèi)部的飽和蒸汽9水箱的內(nèi)部的飽和流體10注入器11排出管13 閥
具體實(shí)施例方式為了更好地理解本發(fā)明，將結(jié)合附圖I描述能量存儲(chǔ)系統(tǒng)以及加載和排出的程序。能量存儲(chǔ)系統(tǒng)由一組水箱或蓄氣器以及兩個(gè)熱交換器組成。將根據(jù)太陽能熱電站的設(shè)計(jì)的總體參數(shù)以及安裝位置的太陽能資源的特點(diǎn)來確定水箱的具體數(shù)量。如前所述，水箱具有路斯型(Ruths-like)操作，即，當(dāng)水箱在排出時(shí)，產(chǎn)生蒸汽。水箱被分為兩組基本組I和過熱組2，兩組的設(shè)計(jì)相同，因此是可互換的。每種類型的水箱具有若干特征壓強(qiáng)I、最大加載壓強(qiáng)2、工作壓強(qiáng)A3、工作壓強(qiáng)B4、最小排出壓強(qiáng)最大加載壓強(qiáng)是水箱在其完全加載時(shí)所能承受的最大壓強(qiáng)。該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成確保這些壓強(qiáng)大于IOObar或在IOObar的范圍內(nèi)。該壓強(qiáng)對于兩種類型的水箱來說是一致的。工作壓強(qiáng)A和B是置位點(diǎn)值，其可根據(jù)操作員的便利而被改變。它們是最大加載和壓強(qiáng)和最小排出壓強(qiáng)之間的中間壓強(qiáng)。對每一水箱來說，工作壓強(qiáng)A和B應(yīng)該被定義為從過熱組水箱2的排出所獲得的流體4’用在熱交換器6中以提高基本組水箱I的排出所產(chǎn)生的流體4的溫度。此外，基本組I的工作壓強(qiáng)B由渦輪機(jī)的技術(shù)上最小運(yùn)行限定。因此，這些壓強(qiáng)對于每種類型的水箱一定不同，在任何情況下，符合下述關(guān)系-基本組水箱I的工作壓強(qiáng)A<過熱組水箱2中的工作壓強(qiáng)A
-基本組水箱I的工作壓強(qiáng)B<過熱組水箱2中的工作壓強(qiáng)B最小排出壓強(qiáng)是水箱排出的最小壓強(qiáng)。最小排出壓強(qiáng)在Ibar左右。該壓強(qiáng)對于兩種類型的水箱I和2來說是一致的。下文描述了能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的加載和排出的過程，從而確保了兩個(gè)主要方面使用來自每個(gè)水箱具有全部范圍內(nèi)的壓強(qiáng)的蒸汽并且獲得用于渦輪機(jī)供給的過熱蒸汽5。出于這個(gè)目的，給個(gè)一個(gè)實(shí)例。該實(shí)例中的水箱的特征壓強(qiáng)在下表中限定
權(quán)利要求
1.一種在太陽能水箱中聚積蒸汽的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由兩組路斯型水箱組成，分別為基本組水箱(I)和過熱組水箱(2)，基本組水箱(I)和過熱組水箱(2)彼此相同并且每一組都具有飽和蒸汽入口(3)、安裝在水箱(1、2)內(nèi)部的蒸汽注入器(10)、具有閥(13)的蒸汽出口(4、4’ )和排出裝置(11)，熱交換器(6)安裝在兩組水箱(1、2)之間。
2.如權(quán)利要求I的聚積蒸汽的系統(tǒng)，其特征在于，水箱為球形體。
3.如權(quán)利要求I的聚積蒸汽的系統(tǒng)，其特征在于，水箱內(nèi)置于金屬或鋼筋混凝土內(nèi)。
4.一種在前述權(quán)利要求之一中的太陽能水箱中聚積蒸汽的方法，其特征在于，該方法包括系統(tǒng)的加載階段和另一排出步驟，其中 在水箱或蓄氣器(1、2)的加載階段，為了實(shí)現(xiàn)將水箱或蓄氣器(1、2)提升到最大加載階段的目的，將飽和蒸汽通過注入器(10)引入到水箱(1、2)中，在水箱內(nèi)，飽和蒸汽(8)將與飽和流體(9)平衡，如果有任何加載變化，可進(jìn)行排水操作以將水送往除氣器； 排出階段有兩個(gè)階段 -階段I或稱渦輪機(jī)階段包括將蓄氣器(1、2)從存儲(chǔ)的最大壓強(qiáng)排出到中等工作壓強(qiáng)，該排出分兩個(gè)步驟進(jìn)行，該方法使用了閥(13)，該閥(13)將每個(gè)水箱的出口(4、4’)壓強(qiáng)降低到固定值，其等于每個(gè)步驟的最小值，過熱組水箱(2)的排出壓強(qiáng)始終大于熱交換器(6)另外一端的基本組水箱(I)的排出壓強(qiáng)，利用過熱組水箱的蒸汽(4’)使基本組水箱的蒸汽(4)過熱，以供給渦輪機(jī)； -階段II或稱預(yù)熱階段包括水箱(1、2)從中間壓強(qiáng)排出到最小排出壓強(qiáng)，一旦所有的水箱(1、2)都被排出到中間壓強(qiáng)，剩余的聚積蒸汽(8)將用于第二天的運(yùn)行，其中，水箱(1、2)將被排出到最小壓強(qiáng)以利用蒸汽(4、4’ )進(jìn)行不同的應(yīng)用。
5.如權(quán)利要求4的在太陽能水箱中聚積蒸汽的方法，其特征在于，當(dāng)蒸汽從中間壓力降低到最小壓力時(shí)，利用蒸汽的一個(gè)可能的應(yīng)用是將蓄氣器(1、2)的一部分排出到渦輪機(jī)中，并且一旦蒸汽被用于渦輪機(jī)，則將蒸汽送往另一水箱(凝結(jié)存儲(chǔ)水箱)并用其供給蓄氣器(1、2);通過使蒸汽通過熱交換器而將蓄氣器(1、2)中另一部分剩余的蒸汽排出，以預(yù)熱供給太陽能接收器的水；當(dāng)蒸汽排出熱交換器時(shí)，蒸汽也被送往凝結(jié)存儲(chǔ)水箱。
6.如權(quán)利要求4的在太陽能水箱中聚積蒸汽的方法，其特征在于，引入到系統(tǒng)(3)中的飽和蒸汽來自于常規(guī)汽鍋或太陽能接收器，兩種情況下產(chǎn)生的蒸汽都是最大加載壓強(qiáng)的飽和蒸汽。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在太陽能水箱中聚積蒸汽的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)由兩組路斯型水箱組成，分別為基本組水箱(1)和過熱組水箱(2)，基本組水箱(1)和過熱組水箱(2)彼此相同并且每一組都具有飽和蒸汽入口(3)、安裝在水箱(1、2)內(nèi)部的蒸汽注入器(10)、具有閥(13)的蒸汽出口(4、4’)和排出裝置(11)。熱交換器(6)安裝在兩組水箱(1、2)之間。存儲(chǔ)的方法由水箱加載階段和水箱排出階段組成，水箱排出階段包括兩個(gè)排出步驟，第一步驟從最大壓強(qiáng)降低到中間壓強(qiáng)，第二步驟從中間壓強(qiáng)降低到低壓強(qiáng)。
文檔編號(hào)F01K1/12GK102803662SQ201080027465
公開日2012年11月28日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者R·奧拉瓦里亞羅德里格斯-艾蘭格, E·加西亞拉米雷斯, J·巴拉甘希梅內(nèi)斯 申請人:阿文戈亞太陽能新技術(shù)公司