本發(fā)明屬于碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于分級(jí)蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著化石能源的消耗所帶來的環(huán)境影響，太陽能熱發(fā)電因其儲(chǔ)量豐富性、環(huán)境友好性已經(jīng)成為能源供給側(cè)的一個(gè)重要部分。目前聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)(csp)主要有塔式、槽式和碟式熱發(fā)電三種，其中碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有高聚光比、高的光學(xué)效率、低熱損、很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性等其他聚光式熱發(fā)電無法比擬的優(yōu)勢(shì)，并且能耦合蓄熱系統(tǒng)，既可以作為分布式能源，也可以集成大規(guī)模熱發(fā)電站，非常適合在太陽能資源豐富的國(guó)家和地區(qū)開發(fā)與部署。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本原理是利用旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡將太陽能聚焦到置于焦點(diǎn)的腔式吸熱器或熱動(dòng)力發(fā)電機(jī)組，加熱工質(zhì)，推動(dòng)熱動(dòng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。

在碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，采用的熱動(dòng)力發(fā)電裝置主要有兩種形式：一類是太陽能斯特林循環(huán)熱動(dòng)力發(fā)電，即將熱氣發(fā)電機(jī)組配置在旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器的焦點(diǎn)處，直接接收聚焦后的太陽輻射能，加熱汽缸內(nèi)的工質(zhì)，推動(dòng)斯特林機(jī)組發(fā)電；另一類是太陽能蒸汽朗肯循環(huán)熱動(dòng)力發(fā)電，即將小型腔式吸熱器配置在旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器的焦點(diǎn)處，直接或間接產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。目前對(duì)于碟式太陽能熱發(fā)電的研究主要集中在太陽能斯特林循環(huán)熱動(dòng)力發(fā)電，但是斯特林循環(huán)不能耦合蓄熱系統(tǒng)，這使得碟式太陽能斯特林循環(huán)熱發(fā)電一直以來都受到很多限制，發(fā)電機(jī)組的功率也較小，都集中在幾kw至幾十kw之間，例如美國(guó)亞利桑那州1.5mw的碟式太陽能斯特林熱發(fā)電示范電站、沙特50kw的蝶式太陽能斯特林熱發(fā)電系統(tǒng)eurodish等。國(guó)內(nèi)對(duì)于蝶式太陽能熱發(fā)電的研究起步較晚，也主要集中在太陽能斯特林循環(huán)熱動(dòng)力發(fā)電,如：中科院1kw碟式太陽能斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)、寧夏11kw級(jí)蝶式聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)等。而碟式太陽能蒸汽朗肯循環(huán)熱發(fā)電之前多以高溫油作為傳熱工質(zhì)，吸收聚光器聚焦的太陽能后通過油-水換熱器加熱水/蒸汽，繼而推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電，完成一次循環(huán)；這類碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可以配置相應(yīng)的蓄熱系統(tǒng)，提高太陽能利用率。但是這種傳統(tǒng)的碟式太陽能蒸汽朗肯循環(huán)熱發(fā)電系統(tǒng)復(fù)雜，并且轉(zhuǎn)換效率低下，所以一直被擱置。

總體上來說，研究大規(guī)模、高能量利用效率的蝶式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是目前蝶式太陽能光熱發(fā)電的重點(diǎn)方向。槽式和塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)主要的優(yōu)勢(shì)就是具有儲(chǔ)熱能力，這對(duì)蝶式熱發(fā)電系統(tǒng)更為重要，增加儲(chǔ)熱系統(tǒng)有助于減小太陽輻射對(duì)系統(tǒng)的直接影響。因此，研究并發(fā)展高效率的具有蓄熱功能的碟式太陽能蒸汽朗肯循環(huán)熱發(fā)電系統(tǒng)十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于分級(jí)蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠有效解決目前碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)無法配置蓄熱系統(tǒng)及光熱轉(zhuǎn)換效率較低的問題。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明公開的一種基于分級(jí)蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)，包括給水單元、聚光集熱單元、蓄熱單元、發(fā)電單元以及汽包；

聚光集熱單元分為蒸發(fā)段和過熱段，蒸發(fā)段和過熱段均設(shè)有若干個(gè)碟式聚光鏡及腔式吸熱器，腔式吸熱器設(shè)置在碟式聚光鏡的焦點(diǎn)處；蒸發(fā)段的工質(zhì)出口通過管路與汽包相連，汽包的氣體出口與過熱段的氣體進(jìn)口端相連，過熱段的出口分為兩路，一路與發(fā)電單元相連，另一路與蓄熱單元相連；

蓄熱單元包括通過管路相連的高溫顯熱蓄熱罐和相變蓄熱罐，相變蓄熱罐與給水單元通過管路相連通，給水單元一端通過管路連接至聚光集熱單元的蒸發(fā)段，另一端與發(fā)電單元相連；

相變蓄熱罐與汽包相連，汽包通過管路與高溫顯熱蓄熱罐相連，高溫顯熱蓄熱罐通過管路連接至發(fā)電單元。

聚光集熱單元蒸發(fā)段的工質(zhì)出口與汽包相連的管路上設(shè)有第一閥門，汽包的液體出口通過管路連通至聚光集熱單元蒸發(fā)段，且在該管路上設(shè)有第二閥門和第一循環(huán)泵，汽包的氣體出口與聚光集熱單元過熱段相連的管路上設(shè)有第三閥門。

聚光集熱單元過熱段的蒸汽出口與蓄熱單元相連的管路上設(shè)有第四閥門。

所述發(fā)電單元能夠?qū)崿F(xiàn)朗肯循環(huán)，包括汽輪機(jī)以及與其相連的冷凝器，冷凝器與給水單元相連；聚光集熱單元過熱段的蒸汽出口通過管路與汽輪機(jī)相連，在該管路上還設(shè)有過熱蒸汽閥門。

給水單元包括通過管路依次相連的除氧器、一級(jí)給水泵、水/水換熱器及二級(jí)給水泵，冷凝器與除氧器相連，二級(jí)給水泵與聚光集熱單元相連，且在相連的管路上設(shè)有第五閥門和強(qiáng)制循環(huán)泵。

水/水換熱器與第五閥門之間設(shè)有一條支路，支路上設(shè)有放熱閥門及蓄熱閥門，放熱閥門和蓄熱閥門之間還設(shè)有一條支路，該支路并聯(lián)出兩條管路，一條通向汽包，另一條通向相變蓄熱罐，通向汽包的管路上依次設(shè)有第六閥門和第二循環(huán)泵。

相變蓄熱罐與汽包相連的管路上設(shè)有第七閥門，相變蓄熱罐與高溫顯熱蓄熱罐相連的管路上設(shè)有第八閥門，汽包與高溫顯熱蓄熱罐相連的管路上設(shè)有第九閥門。

所述碟式聚光鏡為拋物面型聚光鏡，面積大于100m²，聚光比大于1000，光學(xué)效率大于90％，跟蹤精度高于1.7mrad。

腔式吸熱器為圓柱型腔式吸熱氣，能夠產(chǎn)出15mpa、550℃的過熱蒸汽。

蓄熱單元所用工質(zhì)為熔融鹽，高溫顯熱蓄熱罐用于為過熱段蓄熱，相變蓄熱罐用于為蒸發(fā)段蓄熱。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明公開的基于分級(jí)蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)，包括給水單元、聚光集熱單元、蓄熱單元、發(fā)電單元；首先，系統(tǒng)基于直接蒸汽朗肯循環(huán)，能夠耦合蓄熱系統(tǒng)，提高太陽能利用率；從利用方式上根本性解決采用斯特林熱機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的有效蓄能問題；其次，聚光集熱單元分為蒸發(fā)段和過熱段，通過設(shè)置若干碟式聚光鏡與腔式吸熱器，使得蒸發(fā)段組能夠?qū)崿F(xiàn)15mpa額定壓力條件下氣液兩相流流動(dòng)狀態(tài)，過熱段則能夠保證水蒸氣達(dá)到用于發(fā)電的過熱狀態(tài)，腔式吸熱器的出口連接發(fā)電單元的入口和蓄熱單元的入口。聚光集熱單元能夠產(chǎn)生高溫、高壓的過熱蒸汽，這些過熱蒸汽一部分直接用于發(fā)電單元，一部分通過蓄熱單元儲(chǔ)存起來，在需要的時(shí)候再釋放出去。最后，該系統(tǒng)的蓄熱單元由兩部分組成，顯熱蓄熱罐的出口(入口)連接相變蓄熱罐的入口(出口)，如果僅僅采用顯熱蓄熱材料進(jìn)行蓄熱，會(huì)使工質(zhì)與吸熱材料之間的熱力學(xué)溫度-焓值曲線出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，從而造成系統(tǒng)損增大，系統(tǒng)能量利用效率下降。從損最小熱力學(xué)原理出發(fā)，本發(fā)明采用相變蓄熱和顯熱蓄熱相結(jié)合的分級(jí)蓄熱方式，能夠較好的降低系統(tǒng)損，提高系統(tǒng)效率。本發(fā)明的系統(tǒng)中的聚光、吸熱、蓄熱等模塊之間可以集成規(guī)?；?，既能滿足分布式的需要，又能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；囊?。適應(yīng)于百mw級(jí)熱發(fā)電裝置。

進(jìn)一步地，本發(fā)明采用大面積、高聚光比、高光學(xué)效率的碟式拋物面型聚光鏡，能夠有效提高傳熱工質(zhì)(htf)的品質(zhì)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的裝置示意圖；

圖2為采用分級(jí)蓄熱時(shí)工質(zhì)的溫-焓特性。

其中：1.碟式聚光鏡；2.腔式吸熱器；3.第一閥門；4.汽包；5.第二閥門；6.第一循環(huán)泵；7.第三閥門；8.蒸汽閥門；9.第四閥門；10.高溫顯熱蓄熱罐；11.第七閥門；12.第八閥門；13.相變蓄熱罐；14.第九閥門；15.第二循環(huán)泵；16.第六閥門；17.放熱閥門；18.蓄熱閥門；19.汽輪機(jī)；20.冷凝器；21.除氧器；22.一級(jí)給水泵；23.水/水換熱器；24.二級(jí)給水泵；25.第五閥門；26.強(qiáng)制循環(huán)泵。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。

參見圖1，本發(fā)明公開的基于分級(jí)蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)，包括給水單元、聚光集熱單元、蓄熱單元、發(fā)電單元以及汽包4；

聚光集熱單元分為蒸發(fā)段和過熱段，蒸發(fā)段和過熱段均設(shè)有若干個(gè)碟式聚光鏡1及腔式吸熱器2，腔式吸熱器2設(shè)置在碟式聚光鏡1的焦點(diǎn)處；蒸發(fā)段的工質(zhì)出口通過管路與汽包4相連，汽包4的氣體出口與過熱段的氣體進(jìn)口端相連，過熱段的蒸汽出口分為兩路，一路與發(fā)電單元相連，另一路與蓄熱單元相連；聚光集熱單元蒸發(fā)段的工質(zhì)出口與汽包4相連的管路上設(shè)有第一閥門3，汽包4的液體出口通過管路連通至聚光集熱單元蒸發(fā)段，且在該管路上設(shè)有第二閥門5和第一循環(huán)泵6，汽包4的氣體出口與聚光集熱單元過熱段相連的管路上設(shè)有第三閥門7。過熱段的蒸汽出口與蓄熱單元相連的管路上設(shè)有第四閥門9。

蓄熱單元包括高溫顯熱蓄熱罐10和相變蓄熱罐13，高溫顯熱蓄熱罐10的出口與相變蓄熱罐13的入口相連，相變蓄熱罐13的出口與給水單元的入水口相連，給水單元通過管路連接至聚光集熱單元的蒸發(fā)段；

發(fā)電單元的工質(zhì)出水口與給水單元相連，給水單元通過管路連接至相變蓄熱罐13，相變蓄熱罐13與汽包4相連，汽包4通過管路與高溫顯熱蓄熱罐10相連，高溫顯熱蓄熱罐10通過管路連接至發(fā)電單元。相變蓄熱罐13與汽包4相連的管路上設(shè)有第七閥門11，相變蓄熱罐13與高溫顯熱蓄熱罐10相連的管路上設(shè)有第八閥門12，汽包4與高溫顯熱蓄熱罐10相連的管路上設(shè)有第九閥門14。

發(fā)電單元能夠?qū)崿F(xiàn)朗肯循環(huán)，包括汽輪機(jī)19以及與其相連的冷凝器20，冷凝器20與給水單元相連；聚光集熱單元過熱段的蒸汽出口通過管路與汽輪機(jī)19相連，在該管路上還設(shè)有過熱蒸汽閥門8。

給水單元包括通過管路依次相連的除氧器21、一級(jí)給水泵22、水/水換熱器23及二級(jí)給水泵24，冷凝器20與除氧器21相連，二級(jí)給水泵24與聚光集熱單元相連，且在相連的管路上設(shè)有第五閥門25和強(qiáng)制循環(huán)泵26。水/水換熱器23與第五閥門25之間設(shè)有一條支路，支路上設(shè)有放熱閥門17及蓄熱閥門18，放熱閥門17和蓄熱閥門18之間還設(shè)有一條支路，該支路并聯(lián)出兩條管路，一條通向汽包4，另一條通向相變蓄熱罐13，通向汽包4的管路上依次設(shè)有第六閥門16和第二循環(huán)泵15。

優(yōu)選地，本發(fā)明的碟式聚光鏡面積大于100m²，聚光比為1000，光學(xué)效率為90％，跟蹤精度優(yōu)于1.7mrad。所述腔式吸熱器能產(chǎn)出15mpa、550℃過熱蒸汽。所述分級(jí)蓄熱系統(tǒng)采用熔融鹽作為蓄熱工質(zhì)，相變蓄熱用于蒸發(fā)段，顯熱蓄熱用于過熱段；蓄熱系統(tǒng)容量3mwh，產(chǎn)生10mpa、400℃過熱蒸汽。

本發(fā)明基于分級(jí)蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)的工作過程為：

1、聚光集熱、發(fā)電過程

在日照充足的情況下，太陽光通過碟式聚光鏡1聚焦到腔式吸熱器2內(nèi)部，將水工質(zhì)逐步加熱成飽和蒸汽、過熱蒸汽。在聚光集熱單元的蒸發(fā)段，水工質(zhì)在腔式吸熱器2內(nèi)被加熱后經(jīng)過第一閥門3進(jìn)入汽包4內(nèi)進(jìn)行氣液分離，分離后的水工質(zhì)經(jīng)過第一循環(huán)泵6繼續(xù)進(jìn)入蒸發(fā)段的腔式吸熱器2進(jìn)行吸熱，汽包4分離后的蒸汽經(jīng)過第三閥門7進(jìn)入過熱段的腔式吸熱器2，進(jìn)一步被加熱成過熱蒸汽；過熱蒸汽通過蒸汽閥門8后一部分進(jìn)入發(fā)電單元推動(dòng)汽輪機(jī)19發(fā)電，完成一次循環(huán)。

2、蓄熱過程：

首先要關(guān)閉放熱過程的相關(guān)閥門，分別是第七閥門11、第九閥門14、第六閥門16、放熱閥門17；從蒸汽閥門8出來的過熱蒸汽分成兩部分，一部分進(jìn)入發(fā)電單元推動(dòng)汽輪機(jī)19發(fā)電，另一部分經(jīng)過第四閥門9進(jìn)入高溫顯熱蓄熱罐10進(jìn)行放熱，變?yōu)闈裾羝蠼?jīng)過第八閥門12進(jìn)入相變蓄熱罐13放熱，然后經(jīng)過蓄熱閥門18與一級(jí)給水泵22過來的給水進(jìn)行混合，余熱用于加熱給水，再經(jīng)由水/水換熱器23、二級(jí)給水泵24，第五閥門25、強(qiáng)制循環(huán)泵26后進(jìn)入聚光集熱單元，完成一次循環(huán)。

3、放熱過程

首先要關(guān)閉蓄熱過程的相關(guān)閥門，分別為蒸汽閥門8、第二閥門5、第八閥門12、蓄熱閥門18、第五閥門25；在需要蓄熱系統(tǒng)儲(chǔ)存的能量時(shí)，從冷凝器20出來的工質(zhì)水經(jīng)過除氧器21、一級(jí)給水泵22、水/水換熱器23、二級(jí)給水泵24、放熱閥門17進(jìn)入相變蓄熱罐13吸熱，相變蓄熱罐13出口的濕蒸汽經(jīng)過第七閥門11進(jìn)入汽包4進(jìn)行氣液分離，分離后的水工質(zhì)經(jīng)過第二循環(huán)泵15和第六閥門16后繼續(xù)在相變蓄熱罐13中吸熱，分離后的蒸汽經(jīng)過第九閥門14進(jìn)入顯熱蓄熱罐10吸熱變成過熱蒸汽，經(jīng)過第四閥門9進(jìn)入發(fā)電單元推動(dòng)汽輪機(jī)19發(fā)電，完成一次循環(huán)。

圖2為本發(fā)明系統(tǒng)采用分級(jí)蓄熱時(shí)工質(zhì)的溫-焓特性結(jié)果。由圖中可以看出，當(dāng)采用分級(jí)蓄熱時(shí)，在過熱蒸汽部分采用顯熱蓄熱，在濕蒸汽部分采用相變蓄熱，可以降低兩種工質(zhì)之間的傳熱溫差，有效的減少系統(tǒng)的損。

綜上所述，本發(fā)明的基于分級(jí)蓄熱的碟式太陽能直接蒸汽熱發(fā)電系統(tǒng)，由面積不小于100m²的碟式高溫聚光鏡、與之相匹配的高溫水/水蒸氣腔式吸熱器，相變蓄熱(pcm)與顯熱蓄熱結(jié)合的分級(jí)蓄熱裝置及發(fā)電子模塊組成。系統(tǒng)基于直接蒸汽朗肯循環(huán)，碟式高溫聚光鏡與腔式吸熱器(組)分為蒸發(fā)段與過熱段，蒸發(fā)段組實(shí)現(xiàn)15mpa額定壓力條件下氣液兩相流流動(dòng)狀態(tài)，過熱段保證水蒸氣達(dá)到用于發(fā)電的過熱狀態(tài)；采用相變蓄熱和顯熱蓄熱相結(jié)合的分級(jí)蓄熱裝置，降低系統(tǒng)損；發(fā)電子模塊部分采用汽輪機(jī)機(jī)組發(fā)電裝置。各子系統(tǒng)可進(jìn)行模塊化集成，適應(yīng)于百mw級(jí)熱發(fā)電裝置。