本發(fā)明涉及太陽能熱電技術(shù)，特別是指一種基于氣體強化傳熱的全天候太陽能發(fā)電方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

太陽能熱發(fā)電，也叫聚焦型太陽能熱發(fā)電(concentratingsolarpower，簡稱csp)，是通過大量反射鏡以聚焦的方式將太陽能直射光聚集起來，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，由蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電。

當前，太陽能熱發(fā)電按照太陽能采集方式主要劃分為：太陽能槽式發(fā)電、太陽能塔式熱發(fā)電、太陽能碟式熱發(fā)電。1)槽式系統(tǒng)是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內(nèi)的工質(zhì)加熱產(chǎn)生蒸汽，推動常規(guī)汽輪機發(fā)電。2)塔式系統(tǒng)是利用眾多的定日鏡，將太陽熱輻射反射到置于高塔頂部的高溫集熱器上，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽，或直接加熱集熱器中的水產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。3)碟式系統(tǒng)利用曲面聚光反射鏡，將入射陽光聚集在焦點處，在焦點處加熱吸熱工質(zhì)，驅(qū)動熱機，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化。

太陽能熱發(fā)電的傳熱介質(zhì)，一般采用熔鹽、導(dǎo)熱油或空氣。其中，熔鹽通常是由諸如硝酸鉀、硝酸鈉和氯化鈉的混合物構(gòu)成，其特點在于價格低廉，熱傳導(dǎo)性能良好，可以在常壓下儲存在大型容器里同時作為儲能介質(zhì)進行儲熱。然而，由于熔鹽具有相對高的凝固點(120～240℃)，所流經(jīng)的管路在系統(tǒng)啟動時需要進行預(yù)熱，從而造成了額外的能量消耗；此外，熔鹽材料對管材的耐腐蝕性要求高，從而會增加管材的使用成本。采用導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)時，導(dǎo)熱油吸收太陽熱能后輸送到后續(xù)系統(tǒng)中進行利用；進行儲熱時，導(dǎo)熱油同時作為儲熱介質(zhì)儲存到一個或多個導(dǎo)熱油罐中，當需要進行放熱時，將導(dǎo)熱油罐中的高溫導(dǎo)熱油直接輸送到后續(xù)系統(tǒng)進行利用。然而，目前的導(dǎo)熱油工作溫度必須控制在400攝氏度左右，超出這一溫度將會導(dǎo)致導(dǎo)熱油裂解、粘度提高以及傳熱效率降低等問題，從而限制了太陽能熱發(fā)電裝置的工作溫度及發(fā)電效率。采用熱空氣作為傳熱介質(zhì)的方案具體是，低壓空氣首先在太陽能吸收器中被加熱，然后送往熱量回收蒸汽生產(chǎn)系統(tǒng)(heatrecoverysteamgenerating，簡稱hrsg)中加熱水產(chǎn)生蒸汽，隨后蒸汽被送往汽輪機中做功，帶動發(fā)電機發(fā)電。然而，這種方案的缺點在于，低壓空氣熱容比較小，對流換熱系數(shù)低，因此導(dǎo)致管道內(nèi)空氣攜帶熱量的能力差，空氣的流速過高，整體管道壓損比較大。

由于受到晝夜、季節(jié)、天氣等因素的影響，太陽能集熱場采集的熱能是既間斷又不穩(wěn)定的。為了保證太陽能熱發(fā)電的穩(wěn)定性和持續(xù)性，可在發(fā)電系統(tǒng)中加入化石燃料發(fā)電機，當太陽光不穩(wěn)定的時候，由化石燃料發(fā)電機補充發(fā)電。也有采用與太陽能集熱場并聯(lián)的蓄熱系統(tǒng)，在太陽輻射能量充足時儲存熱量，在太陽輻射能量不足時釋放熱量進行發(fā)電?，F(xiàn)有的蓄熱系統(tǒng)一般采用熔鹽、導(dǎo)熱油等傳熱介質(zhì)在儲罐內(nèi)儲存的方式進行儲熱；由于氣體傳熱介質(zhì)的熱容低，儲熱能力差，因此這種方式不適用于氣體傳熱介質(zhì)。

為了集中熱能，提高發(fā)電效率，通常接收太陽光的采光板/集熱器采用模塊化布局，彼此間通過復(fù)雜的管路相連，在系統(tǒng)中各組太陽能集熱器受熱不均時，會帶來傳熱介質(zhì)在管路系統(tǒng)中的阻力失衡，導(dǎo)致偏流、斷流的問題。由于氣體工質(zhì)傳熱能力較差、流速過高，集熱管道過長等原因，上述問題在采用空氣作為傳熱介質(zhì)的槽式太陽能集熱場中尤為突出，嚴重影響了集熱系統(tǒng)的傳熱效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種傳熱效率高、能夠?qū)崿F(xiàn)全天候發(fā)電的基于氣體強化傳熱的全天候太陽能發(fā)電方法和系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的基于氣體強化傳熱的全天候太陽能發(fā)電方法，應(yīng)用于包括太陽能集熱場、儲熱放熱系統(tǒng)和熱機強化運行系統(tǒng)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，包括如下步驟：1)太陽能集熱場吸收太陽能并加熱低溫傳熱介質(zhì)，所得高溫傳熱介質(zhì)輸送到熱機強化運行系統(tǒng)中進行發(fā)電和/或輸送到儲熱放熱系統(tǒng)中與儲能介質(zhì)換熱進行儲熱；2)將所述太陽能集熱場輸出的高溫傳熱介質(zhì)與經(jīng)由儲熱放熱系統(tǒng)換熱升溫得到的高溫傳熱介質(zhì)同時輸送到熱機強化運行系統(tǒng)進行發(fā)電，或者單獨將儲熱放熱系統(tǒng)放熱得到的高溫傳熱介質(zhì)輸送到熱機強化運行系統(tǒng)中進行發(fā)電；3)高溫傳熱介質(zhì)在熱機強化運行系統(tǒng)中釋放熱能后得到的低溫傳熱介質(zhì)返回太陽能集熱場再次進行集熱和/或返回儲熱放熱系統(tǒng)再次進行換熱升溫。

上述步驟中，所述傳熱介質(zhì)為混有固體微粒的氣體介質(zhì)，所述固體微粒的粒徑可選為0.01μm～10mm，優(yōu)選為1μm～1mm，該優(yōu)選粒徑范圍內(nèi)固體微粒能夠與氣體介質(zhì)形成較為穩(wěn)定的氣固混合物，有利于長距離輸送，可顯著減少顆粒沉積，降低壓力損失和對管道系統(tǒng)的磨損，尤其是集熱管很長的槽式太陽能集熱器，采用較小的粒徑更為有利。所述固體微粒為無相變材料構(gòu)成的無相變微粒，或者為由固體導(dǎo)熱材料構(gòu)成膠囊外殼、由相變材料構(gòu)成膠囊填充物的相變膠囊微粒。所述無相變微粒優(yōu)選為工廠粉塵，例如除塵系統(tǒng)捕集的電廠鍋爐飛灰，以實現(xiàn)粉塵的廢物利用。在傳熱過程中，加入固體微粒可提高氣體介質(zhì)的傳熱效率。當采用內(nèi)含相變材料的膠囊微粒時，膠囊微粒受熱與遇冷時發(fā)生相變過程，其內(nèi)的相變材料通過相變釋放或吸收熱能來主動提高強化傳熱系數(shù)，減少傳熱面積，減少系統(tǒng)管道尺寸及后續(xù)鍋爐換熱設(shè)備尺寸，降低投資成本。

所述熱機強化運行系統(tǒng)進行發(fā)電的過程如下：先將混有固體微粒的高溫氣體介質(zhì)中粒徑超過熱膨脹機進氣要求(視具體的熱膨脹機而定)的固體微粒過濾出來，得到的潔凈氣體介質(zhì)送入熱膨脹機中膨脹做功進行發(fā)電，再將做功后的潔凈氣體介質(zhì)與過濾出來的固體微粒進行混合得到混有固體微粒的低溫氣體介質(zhì)。增加固體微粒可提高氣體傳熱介質(zhì)的傳熱效率，但粒徑較大的微粒會導(dǎo)致熱膨脹機的磨損，因此，高溫氣體傳熱介質(zhì)在進入熱膨脹機前需進行過濾，做功完畢后再與過濾下來的傳熱介質(zhì)混合重新獲得混有固體微粒的低溫氣體介質(zhì)，送入太陽能集熱場和/或儲熱放熱系統(tǒng)進行加熱。

優(yōu)選地，所述傳熱介質(zhì)為帶壓氣體介質(zhì)，其壓力不小于0.1mpa，所述帶壓氣體介質(zhì)包括空氣、二氧化碳、氮氣、氦氣、甲烷、水蒸氣中的一種或多種。所述帶壓氣體介質(zhì)的循環(huán)壓力優(yōu)選為0.1mpa～10mpa，進一步優(yōu)選為0.1mpa～3mpa。氣體傳熱介質(zhì)帶壓可提高密度，提高氣體攜帶熱量的能力和傳熱效率。

優(yōu)選地，所述儲熱放熱系統(tǒng)進行儲熱時，傳熱介質(zhì)從上往下流過儲能介質(zhì)；所述儲熱放熱系統(tǒng)進行放熱時，傳熱介質(zhì)從下往上流過儲能介質(zhì)。由于傳熱介質(zhì)溫度越高，在壓力不變的前提下，密度一般也越大，按上述流向，儲熱時，傳熱介質(zhì)在上部溫度高密度小，下部溫度低密度大，有利于傳熱介質(zhì)自上而下的流動；反之，放熱時，傳熱介質(zhì)在上部溫度高密度小，下部溫度低密度大，有利于傳熱介質(zhì)自下而上的流動。

優(yōu)選地，所述儲熱放熱系統(tǒng)設(shè)置有多個填料分區(qū)，進行儲熱時，傳熱介質(zhì)按分區(qū)同時或先后通過各填料分區(qū)進行儲熱；進行放熱時，傳熱介質(zhì)按分區(qū)同時或先后通過各填料分區(qū)獲取熱量。對于不分區(qū)的儲熱罐體，傳熱介質(zhì)從一端進入，從另一端流出，儲熱時沿流向溫度逐漸下降，先加熱的儲熱材料升溫快，后加熱的儲熱材料升溫慢；放熱時沿流向溫度逐漸升高，先放熱的儲熱材料降溫快，后放熱的儲熱材料降溫慢，由此導(dǎo)致蓄熱系統(tǒng)儲熱放熱總量較低、熱傳導(dǎo)效率下降等問題。而采用多個填料分區(qū)換熱時，可以靈活實現(xiàn)多種分區(qū)換熱模式，例如依次從不同分區(qū)進入，從最后一個分區(qū)流出；又如同時從奇數(shù)序號的分區(qū)進從偶數(shù)序號的分區(qū)流出(即從第一分區(qū)進，第二分區(qū)出，同時從第三分區(qū)進、第四分區(qū)出)，或者從偶數(shù)分區(qū)進，奇數(shù)分區(qū)出；又如分別從各分區(qū)的一端進入，從同一分區(qū)的另一端流出，等等。使用時可根據(jù)實際情況選擇最優(yōu)的分區(qū)換熱模式，以取得最佳儲熱放熱效果。

優(yōu)選地，所述儲熱放熱系統(tǒng)包括儲熱罐體，所述儲熱罐體內(nèi)按照填裝儲能介質(zhì)的位置不同劃分為依次連通的頂部填料區(qū)、一個以上的中間填料區(qū)、以及底部填料區(qū)；所述儲熱放熱系統(tǒng)在進行儲熱時，來自太陽能集熱場的高溫傳熱介質(zhì)首先從儲熱罐體的頂部進入，依次通過頂部填料區(qū)、各中間填料區(qū)和底部填料區(qū)(本發(fā)明中頂部、底部均為相對方位，當裝置橫放時對應(yīng)裝置左右兩端)，經(jīng)換熱降溫得到的低溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體的底部流出后返回太陽能集熱場；當頂部填料區(qū)溫度升高到設(shè)定值時，高溫傳熱介質(zhì)切換為從頂部填料區(qū)下方的第一個中間填料區(qū)進入，依次通過該第一個中間填料區(qū)及其下方的各中間填料區(qū)和底部填料區(qū)，經(jīng)換熱降溫得到的低溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體的底部流出后返回太陽能集熱場；當?shù)谝粋€中間填料區(qū)溫度升高到設(shè)定值時，高溫傳熱介質(zhì)切換為從第二個中間填料區(qū)進入，依次通過該第二個中間填料區(qū)及其下方的各中間填料區(qū)和底部填料區(qū)，經(jīng)換熱降溫得到的低溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體的底部流出后返回太陽能集熱場；依此類推，直至高溫傳熱介質(zhì)切換為從最下方的一個中間填料區(qū)進入，從底部填料區(qū)流出，并使底部填料區(qū)的溫度升高到設(shè)定值，完成儲熱罐體的儲熱，經(jīng)換熱降溫得到的低溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體的底部流出后返回太陽能集熱場。該方案采用逐層儲熱的方式，有效避免儲能介質(zhì)局部過熱，并減小了儲能死區(qū)，提高了儲熱放熱系統(tǒng)的儲熱效率。

優(yōu)選地，所述儲熱放熱系統(tǒng)在進行放熱時，來自熱機強化運行系統(tǒng)的低溫傳熱介質(zhì)首先從儲熱罐體的底部進入，依次通過底部填料區(qū)、各中間填料區(qū)和頂部填料區(qū)，經(jīng)換熱升溫得到的高溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體的頂部流出后進入熱機強化運行系統(tǒng)；當?shù)撞刻盍蠀^(qū)溫度降低到設(shè)定值時，低溫傳熱介質(zhì)切換為從底部填料區(qū)上方的第一個中間填料區(qū)進入，依次通過該第一個中間填料區(qū)及其上方的各中間填料區(qū)和頂部填料區(qū)，經(jīng)換熱升溫得到的高溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體的頂部流出后進入熱機強化運行系統(tǒng)；當?shù)谝粋€中間填料區(qū)溫度降低到設(shè)定值時，低溫傳熱介質(zhì)切換為從第二個中間填料區(qū)進入，依次通過該第二個中間填料區(qū)及其上方的各中間填料區(qū)和頂部填料區(qū)，經(jīng)換熱升溫得到的高溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體的頂部流出后進入熱機強化運行系統(tǒng)；依此類推，直至低溫傳熱介質(zhì)切換為從最上方的一個中間填料區(qū)進入，從頂部填料區(qū)流出，并使頂部填料區(qū)的溫度升高到設(shè)定值，完成儲熱罐體的放熱，經(jīng)換熱升溫得到的高溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體的頂部流出后進入熱機強化運行系統(tǒng)。該方案采用逐層放熱的方式，有效提高了儲熱放熱系統(tǒng)的放熱效率，實現(xiàn)系統(tǒng)對不同負荷變化時響應(yīng)的速度與效應(yīng)。

本發(fā)明同時提供了一種基于氣體強化傳熱的全天候太陽能發(fā)電系統(tǒng)，包括太陽能集熱場、儲熱放熱系統(tǒng)、熱機強化運行系統(tǒng)、第一加壓裝置和第二加壓裝置；所述太陽能集熱場包括作為低溫傳熱介質(zhì)輸入端的低溫傳熱介質(zhì)母管和作為高溫傳熱介質(zhì)輸出端的高溫傳熱介質(zhì)母管；所述儲熱放熱系統(tǒng)和熱機強化運行系統(tǒng)并聯(lián)布置在低溫傳熱介質(zhì)母管與高溫傳熱介質(zhì)母管之間；所述儲熱放熱系統(tǒng)包括儲熱罐體，所述儲熱罐體內(nèi)按照填裝儲能介質(zhì)的位置不同劃分為依次連通的頂部填料區(qū)、一個以上的中間填料區(qū)、以及底部填料區(qū)；其中頂部填料區(qū)通過頂部切換閥與高溫傳熱介質(zhì)母管相連，底部填料區(qū)通過底部切換閥與低溫傳熱介質(zhì)母管相連，各個中間填料區(qū)通過與其對應(yīng)的各個中間切換閥與中間區(qū)連接管相連；所述中間區(qū)連接管的一端通過中間區(qū)高溫切換閥與高溫傳熱介質(zhì)母管相連，所述中間區(qū)連接管的另一端通過中間區(qū)低溫切換閥與低溫傳熱介質(zhì)母管相連；所述第一加壓裝置設(shè)置在低溫傳熱介質(zhì)母管對應(yīng)于儲熱放熱系統(tǒng)與太陽能集熱場之間的管段；所述第二加壓裝置設(shè)置在低溫傳熱介質(zhì)母管對應(yīng)于儲熱放熱系統(tǒng)與熱機強化運行系統(tǒng)之間的管段。所述第一加壓裝置、第二加壓裝置通過對傳熱介質(zhì)進行加壓以補充其在流動過程中損失的壓力。所述熱機強化運行系統(tǒng)具有微粒過濾器、射流引射裝置、熱膨脹機、與熱膨脹機聯(lián)動的發(fā)電機、以及與熱膨脹機配套的余熱交換器；所述微粒過濾器的混合介質(zhì)輸入端與高溫傳熱介質(zhì)母管相連，所述微粒過濾器的潔凈介質(zhì)輸出端與熱膨脹機的熱源輸入端相連，所述熱膨脹機的熱源輸出端與余熱交換器的第一傳熱介質(zhì)入口相連，所述余熱交換器的第一傳熱介質(zhì)出口與射流引射裝置的潔凈介質(zhì)輸入端相連；所述余熱交換器的冷水輸入端與用戶冷水管系相連，所述余熱交換器的熱水輸出端與用戶暖水管系相連；所述微粒過濾器的固體微粒輸出端與余熱交換器的第二傳熱介質(zhì)入口相連，所述余熱交換器的第二傳熱介質(zhì)出口與射流引射裝置的固體微粒輸入端相連，所述射流引射裝置的混合介質(zhì)輸出端與低溫傳熱介質(zhì)母管相連。

優(yōu)選地，所述熱機強化運行系統(tǒng)還具有輔助加熱鍋爐，所述輔助加熱鍋爐的傳熱介質(zhì)進口管與微粒過濾器的潔凈介質(zhì)輸出端相連，所述輔助加熱鍋爐的傳熱介質(zhì)出口管與熱膨脹機熱源輸入端相連。

優(yōu)選地，所述太陽能集熱場包括呈縱橫向陣列布置的若干太陽能集熱器，每一縱向列中的各個太陽能集熱器共用一根分段串聯(lián)貫通的集熱管，各根集熱管的輸入端與低溫傳熱介質(zhì)母管相連，各根集熱管的輸出端與高溫傳熱介質(zhì)母管相連；相鄰兩根集熱管之間通過若干間隔設(shè)置的分布聯(lián)箱橫向貫通。該方案采用分布聯(lián)箱以解決氣體傳熱介質(zhì)在復(fù)雜的管路系統(tǒng)中的阻力失衡導(dǎo)致偏流、斷流的問題，傳熱介質(zhì)進入分布聯(lián)箱后改變原有的直線型的流動方向，實現(xiàn)傳熱介質(zhì)在各傳熱單元之間的交叉流向，使得太陽能集熱場整體趨于受熱均勻，進一步在各根集熱管上分別設(shè)置壓力控制閥，實時調(diào)節(jié)太陽能集熱場氣流流量分布，實現(xiàn)整體系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。

優(yōu)選地，所述集熱管優(yōu)選為帶有內(nèi)翅片或內(nèi)擴展肋片的集熱管。內(nèi)翅片可以是直肋片、三角形肋片、環(huán)形肋片等；還可以是采用預(yù)制的翅片形金屬柵格卡套在集熱管內(nèi)的等同變換型式。與直管、波紋管或螺紋管結(jié)構(gòu)的集熱管相比，帶有內(nèi)翅片或內(nèi)擴展肋片的集熱管的傳熱面積更大，提高了傳熱效率，實現(xiàn)被動強化傳熱。

優(yōu)選地，采用混有固體微粒的氣體介質(zhì)主動強化傳熱，同時采用集熱管設(shè)置內(nèi)翅片的方式被動強化傳熱，兩種方式相結(jié)合，能夠極大提高氣體傳熱介質(zhì)在集熱管內(nèi)的流動傳熱系數(shù)，使得在集熱管管徑尺寸變化不大時，夠夠?qū)崿F(xiàn)在氣體經(jīng)濟流速的情況下保證足夠的傳熱效率，減少系統(tǒng)阻力和管道磨損，進而極大降低系統(tǒng)造價。

優(yōu)選地，所述儲能介質(zhì)為高比熱固體材料或相變儲熱材料，其形狀可為球形、柱形、網(wǎng)狀、菱形、或不規(guī)則形狀等，堆積在儲熱裝置內(nèi)形成多孔結(jié)構(gòu)。更優(yōu)選地，所述高比熱固體材料為石英砂、鐵砂、鑄鐵、鐵礦石、鵝卵石中的一種或多種；所述相變儲熱材料包括固體導(dǎo)熱材料構(gòu)成的外殼和封裝在外殼內(nèi)的相變材料填充物。

本發(fā)明的有益效果如下：

1)采用混有固體微粒的氣體介質(zhì)作為整套系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)，具有耐高溫、無腐蝕且廉價、安全無毒、獲取簡單和傳熱效率高的特性，能大幅降低系統(tǒng)建設(shè)成本及運行維護成本。采用微粒過濾器以獲得滿足熱膨脹機進氣要求的潔凈氣體和粒徑超要求的固體微粒，超要求固體微粒被部分傳熱介質(zhì)氣體送入射流引射裝置與做功后的潔凈氣體混合，從而在全封閉狀況下實現(xiàn)顆粒物分離與混合，最終實現(xiàn)含固體微粒氣體介質(zhì)整體閉式循環(huán)強化傳熱與熱能輸送的目的。

2)采用傳熱與儲熱分離的雙回路系統(tǒng)，在太陽能集熱場中采用傳熱介質(zhì)循環(huán)吸收太陽能，在儲熱放熱系統(tǒng)中通過儲能介質(zhì)與傳熱介質(zhì)進行換熱以儲存或釋放熱能。在此過程中，儲能介質(zhì)只進行儲熱放熱，不進行循環(huán)傳熱；傳熱介質(zhì)只進行循環(huán)傳熱，不進行儲熱放熱，儲能介質(zhì)和傳熱介質(zhì)分離運行、各司其職，故儲能和傳熱可分別選用高效儲能介質(zhì)和高效傳熱介質(zhì)，具有儲熱與放熱過程高效、可靠的優(yōu)點。

3)與采用鍋爐換熱生產(chǎn)蒸汽進行朗肯循環(huán)發(fā)電相比，直接將高溫傳熱介質(zhì)送入熱膨脹機中膨脹做功進行發(fā)電，能夠簡化系統(tǒng)流程，降低整體系統(tǒng)投資。

4)整體系統(tǒng)采用可靠系統(tǒng)配置方案，太陽光熱能充足時，通過傳熱介質(zhì)循環(huán)高效儲熱；太陽光熱能不足時，通過傳熱介質(zhì)循環(huán)來高效放熱供熱機強化運行系統(tǒng)使用；在極端情況下，還可通過燃燒燃料進行加熱，保證全天候發(fā)電。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所提供的基于氣體強化傳熱的全天候太陽能發(fā)電系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為圖1中太陽能發(fā)電系統(tǒng)的工藝示意圖。

圖3為圖2中集熱管的截面示意圖。

圖4為本發(fā)明所提供的基于氣體強化傳熱的全天候太陽能發(fā)電方法的判斷流程示意圖。

其中：太陽能集熱場100、低溫傳熱介質(zhì)母管101、高溫傳熱介質(zhì)母管102、備用旁管103、分布聯(lián)箱104、太陽能集熱器105、集熱管106、壓力控制閥107、第一備用切換閥108、第二備用切換閥109、玻璃套管110、金屬內(nèi)管111、內(nèi)翅片112、儲熱放熱系統(tǒng)200、儲熱罐體201、中間切換閥202(包括202a、202b、202c)、頂部切換閥203、底部切換閥204、中間區(qū)高溫切換閥205、中間區(qū)低溫切換閥206、中間區(qū)連接管207、儲熱輸入閥208、集熱返回閥209、發(fā)電輸入閥210、頂部填料區(qū)211、中間填料區(qū)212(包括212a、212b、212c)、底部填料區(qū)213、熱機強化運行系統(tǒng)300、微粒過濾器301、射流引射裝置302、用戶冷水管系303、用戶暖水管系304、發(fā)電機307、氣體補充入口308、鍋爐燃料入口309、熱膨脹機311、輔助加熱鍋爐312、余熱交換器313、傳熱介質(zhì)進口管320、傳熱介質(zhì)出口管321

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

如圖1、2所示，本發(fā)明所提供的基于氣體強化傳熱的全天候太陽能發(fā)電系統(tǒng)，包括太陽能集熱場100、儲熱放熱系統(tǒng)200、熱機強化運行系統(tǒng)300、第一加壓裝置400和第二加壓裝置500。太陽能集熱場100包括作為低溫傳熱介質(zhì)輸入端的低溫傳熱介質(zhì)母管101和作為高溫傳熱介質(zhì)輸出端的高溫傳熱介質(zhì)母管102。儲熱放熱系統(tǒng)200和熱機強化運行系統(tǒng)300并聯(lián)布置在低溫傳熱介質(zhì)母管101與高溫傳熱介質(zhì)母管102之間。

太陽能集熱場100包括呈縱橫向陣列布置的若干太陽能集熱器105，每一縱向列中的各個太陽能集熱器105共用一根分段串聯(lián)貫通的集熱管106，各根集熱管106的輸入端與低溫傳熱介質(zhì)母管101相連，各根集熱管106的輸出端與高溫傳熱介質(zhì)母管102相連。相鄰兩根集熱管106之間通過若干間隔設(shè)置的分布聯(lián)箱104橫向貫通。太陽能集熱場100的低溫傳熱介質(zhì)輸入端與高溫傳熱介質(zhì)輸出端之間設(shè)置有備用旁管103，其上設(shè)置有第一備用切換閥108、第二備用切換閥109，備用旁管103增加了管路系統(tǒng)的靈活性，可用于裝置或管道吹掃、傳熱介質(zhì)回流等。各根集熱管106上分別設(shè)置有一個壓力控制閥107，實時調(diào)節(jié)整體系統(tǒng)氣流流量分布，實現(xiàn)整體系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。此外，太陽能集熱場100整體采用同程式并聯(lián)布置，以減少傳熱介質(zhì)在循環(huán)系統(tǒng)中的壓降損失。太陽能集熱場100的傳熱介質(zhì)為帶壓氣體介質(zhì)，其中混有固體微粒，該固體微粒為由固體導(dǎo)熱材料構(gòu)成膠囊外殼、由相變材料構(gòu)成膠囊填充物的相變膠囊微粒。如圖3所示，集熱管106包括玻璃套管110和金屬內(nèi)管111，金屬內(nèi)管111的內(nèi)壁上設(shè)置有內(nèi)翅片112。

儲熱放熱系統(tǒng)200包括至少一個儲熱罐，當采用多個儲熱罐時可將各儲熱罐進行串并聯(lián)組合，各儲熱罐再分別采用本發(fā)明提供的方法進行儲熱、放熱。所述儲熱罐包括儲熱罐體201，儲熱罐體201的內(nèi)腔按照填裝儲能介質(zhì)的位置不同劃分為依次連通的頂部填料區(qū)211、中間填料區(qū)212(包括212a、212b和212c)、以及底部填料區(qū)213。其中頂部填料區(qū)211通過頂部切換閥203與高溫傳熱介質(zhì)母管102相連，底部填料區(qū)213通過底部切換閥204與低溫傳熱介質(zhì)母管101相連，各個中間填料區(qū)212通過與其對應(yīng)的各個中間切換閥202(包括202a、202b、202c)與中間區(qū)連接管207相連。中間區(qū)連接管207的一端通過中間區(qū)高溫切換閥205與高溫傳熱介質(zhì)母管102相連，中間區(qū)連接管207的另一端通過中間區(qū)低溫切換閥206與低溫傳熱介質(zhì)母管101相連。儲能介質(zhì)為高比熱固體材料或相變儲熱材料，堆積在儲熱裝置201內(nèi)形成多孔結(jié)構(gòu)。高比熱固體材料可采用石英砂、鐵砂、鑄鐵、鐵礦石、鵝卵石中的一種或多種。相變儲熱材料包括固體導(dǎo)熱材料構(gòu)成的外殼和封裝在外殼內(nèi)的相變材料填充物。

熱機強化運行系統(tǒng)300具有微粒過濾器301、射流引射裝置302、熱膨脹機311、與熱膨脹機311聯(lián)動的發(fā)電機307、與熱膨脹機311配套的余熱交換器313、以及輔助加熱鍋爐312；微粒過濾器301的混合介質(zhì)輸入端與高溫傳熱介質(zhì)母管102相連，微粒過濾器301的潔凈介質(zhì)輸出端與熱膨脹機311的熱源輸入端相連，熱膨脹機311的熱源輸出端與余熱交換器313的第一傳熱介質(zhì)入口相連，余熱交換器313的第一傳熱介質(zhì)出口與射流引射裝置302的潔凈介質(zhì)輸入端相連；余熱交換器313的冷水輸入端與用戶冷水管系303相連，余熱交換器313的熱水輸出端與用戶暖水管系304相連；微粒過濾器301的固體微粒輸出端與余熱交換器313的第二傳熱介質(zhì)入口相連，余熱交換器313的第二傳熱介質(zhì)出口與射流引射裝置302的固體微粒輸入端相連，射流引射裝置302的混合介質(zhì)輸出端與低溫傳熱介質(zhì)母管101相連，射流引射裝置302的的固體微粒輸入端還設(shè)置有用于補充傳熱介質(zhì)(包括固體微粒)的氣體補充入口308。輔助加熱鍋爐312的傳熱介質(zhì)進口管320與微粒過濾器301的潔凈介質(zhì)輸出端相連，輔助加熱鍋爐312的傳熱介質(zhì)出口管321與熱膨脹機311熱源輸入端相連，輔助加熱鍋爐312上還設(shè)置有用于輸入輔助燃料的鍋爐燃料入口309。在連陰雨雪天氣等特殊情況下，若太陽能集熱場100和儲熱放熱系統(tǒng)200無法滿足發(fā)電需要，可通過輔助加熱鍋爐312燃燒燃料補充供熱，以滿足熱機強化運行系統(tǒng)300的需要，保證全天候發(fā)電。

第一加壓裝置400、集熱返回閥209設(shè)置在低溫傳熱介質(zhì)母管101對應(yīng)于儲熱放熱系統(tǒng)200與太陽能集熱場100之間的管段上。第二加壓裝置500設(shè)置在低溫傳熱介質(zhì)母管101對應(yīng)于儲熱放熱系統(tǒng)200與熱機強化運行系統(tǒng)300之間的管段上。儲熱輸入閥208、發(fā)電輸入閥210分別設(shè)置在高溫傳熱介質(zhì)母管102在太陽能集熱場100與儲熱放熱系統(tǒng)200之間、儲熱放熱系統(tǒng)200與熱機強化運行系統(tǒng)300之間的管段上。儲熱輸入閥208、集熱返回閥209、發(fā)電輸入閥210根據(jù)流程需要進行切換。

儲熱罐、高溫傳熱介質(zhì)母管102外表面采用高保溫性能材料包裹，降低熱量損耗。

如圖4所示，本發(fā)明同時提供了采用上述太陽能發(fā)電系統(tǒng)進行發(fā)電的方法，包括如下步驟：

1)太陽能集熱場100吸收太陽能并加熱低溫傳熱介質(zhì)，所得高溫傳熱介質(zhì)輸送到熱機強化運行系統(tǒng)300中進行發(fā)電和/或輸送到儲熱放熱系統(tǒng)200中與儲能介質(zhì)換熱進行儲熱。低溫傳熱介質(zhì)進入太陽能集熱場100溫度為150℃～350℃，高溫傳熱介質(zhì)流出太陽能集熱場100溫度為200℃～800℃；傳熱介質(zhì)系統(tǒng)循環(huán)壓力為0.1mpa～3mpa。

2)太陽能集熱場100輸出的高溫傳熱介質(zhì)與經(jīng)由儲熱放熱系統(tǒng)200換熱升溫得到的高溫傳熱介質(zhì)同時輸送到熱機強化運行系統(tǒng)300進行發(fā)電，或者單獨將儲熱放熱系統(tǒng)200放熱得到的高溫傳熱介質(zhì)輸送到熱機強化運行系統(tǒng)300中進行發(fā)電，高溫傳熱介質(zhì)釋放熱能后得到的低溫傳熱介質(zhì)返回太陽能集熱場100再次進行集熱和/或返回儲熱放熱系統(tǒng)200再次進行換熱升溫。

3)步驟1)、步驟2)中，所述熱機強化運行系統(tǒng)300利用高溫傳熱介質(zhì)膨脹做功進行發(fā)電，具體包括如下步驟：

3.1)混有固體微粒的高溫氣體傳熱介質(zhì)在微粒過濾器301內(nèi)進行過濾，使得粒徑超過熱膨脹機311進氣要求的固體微粒被過濾出來，得到的潔凈氣體介質(zhì)送入熱膨脹機311中膨脹做功進行發(fā)電；

3.2)過濾得到的超要求固體微粒通過部分高溫氣體傳熱介質(zhì)作為輸送氣體，與做功后的潔凈氣體介質(zhì)分別通過余熱交換器313進行冷卻并回收熱量后在射流引射裝置302中混合得到混有固體微粒的低溫氣體介質(zhì)，余熱交換器313獲得熱量加熱冷水得到熱水，供用戶使用；

3.3)特殊情況下(例如連陰雨天氣)，進入熱機強化運行系統(tǒng)300的氣體傳熱介質(zhì)溫度不滿足要求時，過濾得到的潔凈氣體介質(zhì)先在輔助加熱鍋爐312中被加熱到合適溫度后再送入熱膨脹機311中進行發(fā)電。

步驟1)、2)中，按照如下判斷策略選擇儲熱、放熱或發(fā)電：

1)判斷有無光照條件，若無光照條件且熱機強化運行系統(tǒng)300有發(fā)電需求，則由儲熱放熱系統(tǒng)200放熱獨立為熱機強化運行系統(tǒng)300供熱。

2)若有光照條件，且熱機強化運行系統(tǒng)300無熱能需求，則太陽能集熱場100輸出的高溫傳熱介質(zhì)全部輸入儲熱放熱系統(tǒng)200進行儲熱。

3)若有光照條件，且熱機強化運行系統(tǒng)300有熱能需求，則對太陽能集熱場100的集熱量與熱機強化運行系統(tǒng)300的熱能需求量進行對比，根據(jù)比較結(jié)果進入4)、5)或6)。

4)若集熱量大于熱能需求，則太陽能集熱場100輸出的高溫傳熱介質(zhì)中滿足熱機強化運行系統(tǒng)300需求量的部分輸送到熱機強化運行系統(tǒng)300進行發(fā)電，超出的部分輸送至儲熱放熱系統(tǒng)200進行儲熱。

5)若集熱量等于熱能需求，則太陽能集熱場100輸出的高溫傳熱介質(zhì)全部輸入熱機強化運行系統(tǒng)300進行發(fā)電。

6)若集熱量小于熱能需求，則將太陽能集熱場100加熱得到的高溫傳熱介質(zhì)與儲熱放熱系統(tǒng)200換熱得到的高溫傳熱介質(zhì)同時輸入熱機強化運行系統(tǒng)300進行發(fā)電。

儲熱放熱系統(tǒng)200進行儲熱、放熱的具體操作步驟如下：

儲熱放熱系統(tǒng)200在進行儲熱時，來自太陽能集熱場100的高溫傳熱介質(zhì)首先從儲熱罐體201的頂部進入，依次通過頂部填料區(qū)211、中間填料區(qū)212a～212c和底部填料區(qū)213，經(jīng)換熱降溫得到的低溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體201的底部流出后返回太陽能集熱場100。當頂部填料區(qū)211溫度升高到設(shè)定值時，高溫傳熱介質(zhì)切換為從頂部填料區(qū)211下方的第一個中間填料區(qū)212a進入，依次通過中間填料區(qū)212a、中間填料區(qū)212b、中間填料區(qū)212c和底部填料區(qū)213，

經(jīng)換熱降溫得到的低溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體201的底部流出后返回太陽能集熱場100。當中間填料區(qū)212a溫度升高到設(shè)定值時，高溫傳熱介質(zhì)切換為從第二個中間填料區(qū)212b進入，依次通過中間填料區(qū)212b、中間填料區(qū)212c和底部填料區(qū)213，經(jīng)換熱降溫得到的低溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體201的底部流出后返回太陽能集熱場100。依此類推，直至高溫傳熱介質(zhì)切換為從最下方的一個中間填料區(qū)212c進入，從底部填料區(qū)213流出，并使中間填料區(qū)212c或底部填料區(qū)213的溫度(選擇其一即可)升高到設(shè)定值，完成儲熱罐體201的儲熱，經(jīng)換熱降溫得到的低溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體201的底部流出后返回太陽能集熱場100。各閥門的具體切換順序詳見表1。

表1儲熱放熱系統(tǒng)在儲熱時閥門切換次序

注：上表中，若只進行儲熱，不進行發(fā)電，則210常閉；若二者同時進行，則210常開。

儲熱放熱系統(tǒng)200在進行放熱時，來自熱機強化運行系統(tǒng)300的低溫傳熱介質(zhì)首先從儲熱罐體201的底部進入，依次通過底部填料區(qū)213、中間填料區(qū)212c、212b、212c和頂部填料區(qū)211，經(jīng)換熱升溫得到的高溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體201的頂部流出后進入熱機強化運行系統(tǒng)300。當?shù)撞刻盍蠀^(qū)213溫度降低到設(shè)定值時，低溫傳熱介質(zhì)切換為從底部填料區(qū)213上方的第一個中間填料區(qū)212c進入，依次通過中間填料區(qū)212c、中間填料區(qū)212b、中間填料區(qū)212a和頂部填料區(qū)211，經(jīng)換熱升溫得到的高溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體201的頂部流出后進入熱機強化運行系統(tǒng)300。當?shù)谝粋€中間填料區(qū)212c溫度降低到設(shè)定值時，低溫傳熱介質(zhì)切換為從第二個中間填料區(qū)212b進入，依次通過中間填料區(qū)212b、中間填料區(qū)212a和頂部填料區(qū)211，經(jīng)換熱升溫得到的高溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體201的頂部流出后進入熱機強化運行系統(tǒng)300。依此類推，直至低溫傳熱介質(zhì)切換為從最上方的一個中間填料區(qū)212a進入，從頂部填料區(qū)211流出，

并使中間填料區(qū)212a或頂部填料區(qū)211的溫度(選擇其一即可)升高到設(shè)定值，完成儲熱罐體201的放熱，經(jīng)換熱升溫得到的高溫傳熱介質(zhì)從儲熱罐體201的頂部流出后進入熱機強化運行系統(tǒng)300。各閥門的具體切換順序詳見表2。

表2儲熱放熱系統(tǒng)在放熱時閥門切換次序

注：上表中，若由儲熱放熱系統(tǒng)單獨供熱，太陽能集熱場不供熱，則208、209常閉；若二者同時供熱，則208、209常開。

本實施實例以槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)為例，其工藝包括但不限于采用槽式、塔式、碟式等其他形式相類似的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。