采用閉式布列頓循環(huán)的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種塔式太陽(yáng)能聚焦熱發(fā)電方法及系統(tǒng)，具體涉及一種采用閉式布列頓循環(huán)的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著可再生能源利用在全世界的蓬勃發(fā)展，太陽(yáng)能聚熱發(fā)電(CSP)與光伏太陽(yáng)能發(fā)電(PV)得到了較快的發(fā)展。利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電，只能使波長(zhǎng)較短的光得到利用，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光完全浪費(fèi)，且使電池的溫度升高，導(dǎo)致電池的效率下降，而利用太陽(yáng)能光熱發(fā)電，可以充分利用整個(gè)波長(zhǎng)的太陽(yáng)光，因而太陽(yáng)能聚熱發(fā)電(CSP)逐步為人們所認(rèn)識(shí)、研宄和重視。太陽(yáng)能聚熱發(fā)電(CSP)相比光伏太陽(yáng)能發(fā)電(PV)具有規(guī)模大、集中度高、效率高等突出特點(diǎn)，但是面臨的共同問(wèn)題是如何降低投資成本以及如何提高發(fā)電效率進(jìn)而降低發(fā)電成本，尤其是降低投資成本和提高發(fā)電效率就成為兩種太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。
[0003]太陽(yáng)能聚熱發(fā)電(CSP)主要有槽式、碟式及塔式等熱發(fā)電模式，其中槽式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電(CSP)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，美國(guó)SEGS電站以及西班牙AndaSol電站已經(jīng)具有商業(yè)化運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)；該技術(shù)主要采用導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)，經(jīng)導(dǎo)熱油換熱后驅(qū)動(dòng)常規(guī)蒸汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。由于目前的導(dǎo)熱油工作溫度必須控制在400°C左右，超出這一溫度將會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱油裂解、粘度提高以及傳熱效率降低等問(wèn)題，因此限制了槽式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電的工作溫度及發(fā)電效率。
[0004]碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)以單個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡為基礎(chǔ)，構(gòu)成一個(gè)完整的聚光、集熱和發(fā)電單元。采用雙軸跟蹤裝置，其聚光比一般在1000?3000之間。吸熱器吸收太陽(yáng)輻射并將其轉(zhuǎn)換成熱能，來(lái)加熱吸熱工質(zhì)，驅(qū)動(dòng)熱機(jī)(如燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或其它類(lèi)型透平等)，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化。目前單個(gè)碟式系統(tǒng)的功率多為5?50kW，峰值發(fā)電效率可達(dá)29%，在太陽(yáng)能熱發(fā)電的各種方式中，其效率最高。碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于分散式動(dòng)力系統(tǒng)，雖然可以將多個(gè)碟式裝置組成一個(gè)較大的發(fā)電系統(tǒng)，但它們?cè)瓌t上仍然是小型系統(tǒng)，不易于大型化；同時(shí)目前還沒(méi)有適合于碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)械，其應(yīng)用受到了一定的限制。碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)其他方式，具有模塊化的靈活部署能力、較高的聚光比和發(fā)電總效率等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是大型化聚熱發(fā)電時(shí)，成本比同規(guī)模的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)高得多。
[0005]塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，也稱(chēng)集中型太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的基本形式是利用獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡群，將陽(yáng)光聚集到固定在塔頂部的接收器上，用以產(chǎn)生高溫，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽或高溫氣體，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。由許多定日鏡組成的龐大的定日鏡場(chǎng)，其面積非常大，聚光比很高，一個(gè)接收器可以收集100麗的輻射功率，運(yùn)行溫度可達(dá)到1000?1500°C。用以吸收太陽(yáng)熱能的熱流體通常有水、熔鹽、空氣等。對(duì)應(yīng)不同的熱流體，塔式太陽(yáng)能接收器的類(lèi)型也不同:
(一)熱流體為水(水蒸氣)的系統(tǒng)以水(水蒸氣)作為熱流體的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，直接利用聚焦的太陽(yáng)能加熱類(lèi)似電站鍋爐的蒸汽發(fā)生設(shè)備。在此系統(tǒng)中，給水一次經(jīng)過(guò)塔式太陽(yáng)能接收器的預(yù)熱、蒸發(fā)、過(guò)熱等換熱面后，成為朗肯循環(huán)汽輪機(jī)的做功工質(zhì)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；蒸汽輪機(jī)的排汽被送往凝汽器中凝結(jié)成水后，通過(guò)給水泵重新送往接收器中。為保證生產(chǎn)蒸汽的穩(wěn)定性，常常設(shè)置蒸汽蓄熱系統(tǒng)，在陽(yáng)光充足的時(shí)候，將多余的蒸汽熱量?jī)?chǔ)存在蓄熱罐中，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定。由于入射太陽(yáng)輻射的瞬變特性和分布不均，布置于接收器中的吸熱管經(jīng)常發(fā)生泄漏。
[0006]目前采用直接蒸汽生產(chǎn)方式的塔式太陽(yáng)能熱電站主要包括意大利0.75麗的Eurel1s電站、西班牙1.2MW的CESA-1電站、美國(guó)1MW的Solar One電站、西班牙IlMW的PSlO電站等。
[0007](二)熱流體為熔鹽的系統(tǒng)
為了避免直接蒸汽生產(chǎn)方式的塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的接收器泄漏，同時(shí)為了獲得更高的工作溫度，可采用熔鹽作為接收器中的吸熱流體。使用熔鹽作為熱流體的塔式太陽(yáng)能發(fā)電站有美國(guó)的MSEE電站及Solar Two電站、西班牙的Solar TRES電站等。Solar Two是為了推進(jìn)塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)商業(yè)化發(fā)展的一個(gè)實(shí)用性項(xiàng)目，為促進(jìn)塔式/熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。
[0008]但是熔鹽也存在一定的缺點(diǎn)，即有高溫分解和腐蝕問(wèn)題，相關(guān)材料必須耐高溫、耐腐蝕，使系統(tǒng)成本增加、可靠性降低；熔鹽還有低溫凝固問(wèn)題，必須對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行保溫、預(yù)熱和伴熱等，使系統(tǒng)的能耗增加。新型的結(jié)晶點(diǎn)在100°c以下的熔鹽研宄值得關(guān)注，如美國(guó)桑迪亞實(shí)驗(yàn)室正在研宄結(jié)晶點(diǎn)在100°c以下的熔鹽，如果成功將有希望取代導(dǎo)熱油。
[0009](三)熱流體為空氣的系統(tǒng)
以空氣作為吸熱介質(zhì)的塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，可達(dá)到更高的工作溫度。接收器通常采用腔體式接收器。以空氣作為吸熱介質(zhì)的塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)可以采用以下兩種工作方式。
[0010]一種工作方式是將接收器中產(chǎn)生的熱空氣應(yīng)用于朗肯循環(huán)熱電系統(tǒng)，如附圖2所示。在該系統(tǒng)中，接收器周?chē)目諝庖约皝?lái)自送風(fēng)機(jī)的回流空氣在接受器中吸收來(lái)自太陽(yáng)能鏡場(chǎng)的太陽(yáng)福射，被加熱后的熱空氣送往熱量回收蒸汽生產(chǎn)系統(tǒng)(Heat Recovery SteamGenerating，HRSG), HRSG中產(chǎn)生的蒸汽送往汽輪機(jī)中做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。熱空氣在HRSG中將熱量傳遞給工質(zhì)后，變成低溫空氣，然后被送風(fēng)機(jī)重新送往塔頂?shù)慕邮掌髦?。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是采用低壓空氣作為吸熱介質(zhì)，吸收器的體積龐大，且蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)組的蒸汽溫度受制于耐高溫的材料，目前用于蒸汽朗肯循環(huán)的蒸汽溫度還沒(méi)有超過(guò)625°C。其流程如附圖2所示
另一種工作方式是將接收器中產(chǎn)生的熱空氣應(yīng)用于布列頓-朗肯聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)?？梢灾苯訉⒏邏嚎諝饧訜岬?000°C以上去推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)，推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)后的氣體仍有較高溫度，再通過(guò)熱交換器加熱水生成水蒸氣，水蒸氣再去推動(dòng)汽輪機(jī)，有效利用熱量。也可以把經(jīng)過(guò)腔體式接收器加熱后的高壓空氣直接送入燃燒室，進(jìn)一步加熱后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣進(jìn)入底部朗肯循環(huán)進(jìn)行發(fā)電。
[0011]歐洲和以色列對(duì)采用空氣作為吸熱介質(zhì)的塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的換熱技術(shù)及蓄熱技術(shù)的研宄較為關(guān)注，并開(kāi)展了一些著名的研宄項(xiàng)目，如Phoebus-TSA、SOLAIR和DIAPR等，取得了一定的研宄成果。德國(guó)于2009年投運(yùn)的JUlich電站，是一個(gè)試驗(yàn)驗(yàn)證電站，也是世界上第一個(gè)采用空氣作為傳熱介質(zhì)的塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。電站的工作示意圖如附圖3所示。
[0012]中國(guó)南京江寧開(kāi)發(fā)區(qū)與以色列合作研發(fā)建成國(guó)內(nèi)首座70kw塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電示范工程，于2005年10月底成功并網(wǎng)發(fā)電，這是采用布雷頓循環(huán)原理建立的中國(guó)第一個(gè)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站。該電站通過(guò)太陽(yáng)能空腔式接收器以空氣作傳熱工質(zhì)，輔之以天然氣和小型燃?xì)廨啓C(jī)率先實(shí)現(xiàn)了利用太陽(yáng)能和布雷頓循環(huán)技術(shù)結(jié)合的熱發(fā)電裝置，其塔式系統(tǒng)的塔高為33米，采用32臺(tái)有效反射面積為19.6 m2的定日鏡，接收器的出口工作溫度為900°C，進(jìn)口壓力為0.4MPa，測(cè)試峰值轉(zhuǎn)換效率為85%，燃?xì)廨啓C(jī)熱電效率為28.5%。但由于腔式太陽(yáng)能接收器入口太小，進(jìn)氣溫度難于和燃?xì)馀涮字率箤?shí)驗(yàn)效果不太理想。但燃?xì)廨啓C(jī)的極高的熱電效率值得關(guān)注，顯然解決匹配性問(wèn)題后，將是極有應(yīng)用前景的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。以色列和澳大利亞實(shí)施的“郁金香”小型塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)際是該技術(shù)的繼續(xù)。目前，由中科院電工所在北京延慶縣進(jìn)行的IMW塔式太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目正在試驗(yàn)中。
[0013]集成式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)包括太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)、集成式太陽(yáng)能與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、太陽(yáng)能光熱利用與地?zé)峒砂l(fā)電系統(tǒng)、太陽(yáng)能和風(fēng)能集成系統(tǒng)以及太陽(yáng)能光熱發(fā)電與光伏發(fā)電混合的集成發(fā)電系統(tǒng)等。太陽(yáng)能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)是將太陽(yáng)能集熱器與普通的燃煤電廠集成，利用太陽(yáng)能加熱給水或與鍋爐的某一加熱段并聯(lián)來(lái)加熱蒸汽，以減少相同數(shù)量電能生產(chǎn)時(shí)的耗煤量，其優(yōu)點(diǎn)是投資省、發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是受制于給水或蒸汽加熱溫度的限制，仍屬太陽(yáng)能的低品位利用。集成式太陽(yáng)能與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能整體聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)、利用太陽(yáng)能預(yù)熱空氣的集成系統(tǒng)、利用太陽(yáng)能重整燃?xì)獾募上到y(tǒng)和利用太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)煤氣化的集成系統(tǒng)。中國(guó)專(zhuān)利201120430468.6太陽(yáng)能和風(fēng)能互補(bǔ)儲(chǔ)能熱發(fā)電裝置、201120430469.0太陽(yáng)能和生物質(zhì)氣化互補(bǔ)儲(chǔ)能熱發(fā)電裝置等提供了多種集成式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。
[0014]程氏循環(huán)(Cheng Cycle)又稱(chēng)雙工質(zhì)燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)或并聯(lián)型聯(lián)合循環(huán)，是由美籍華人程大酋博士于1974年提出的。程氏循環(huán)的熱力系統(tǒng)如附圖4所示，圖中:C-壓氣機(jī)，B-燃燒室，T-燃?xì)馔钙?，HRSG-余熱鍋爐。這種循環(huán)的性能既與由簡(jiǎn)單燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)和簡(jiǎn)單蒸汽輪機(jī)循環(huán)疊置而成的余熱鍋爐型聯(lián)合循環(huán)有很大差別，也與回?zé)嵝腿細(xì)廨啓C(jī)循環(huán)有很大差別。與采用空氣回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)循環(huán)相比，該循環(huán)的最大特點(diǎn)是削弱了對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)壓比的限制。采用空氣回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)的排氣余熱是由經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮的空氣來(lái)回收的，壓氣機(jī)出口空氣的溫度一定要低于透平排氣的溫度。這就限制了燃?xì)廨啓C(jī)壓比的提高。而在程氏循環(huán)中，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱是采用溫度很低的水來(lái)回收的，根本沒(méi)有這樣的限制。這一特點(diǎn)使得燃?xì)廨啓C(jī)可以采用更高的壓比，并可達(dá)