閉式布列頓型塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種塔式太陽能聚焦熱發(fā)電系統(tǒng)，具體涉及一種閉式布列頓型塔式太陽能熱發(fā)電系統(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，太陽能聚熱發(fā)電(CSP)與光伏太陽能發(fā)電(PV)得到了較快的發(fā)展。利用太陽能光伏發(fā)電，只能使波長較短的光得到利用，波長較長的光完全浪費，且使電池的溫度升高，導(dǎo)致電池的效率下降，而利用太陽能光熱發(fā)電，可以充分利用整個波長的太陽光，因而太陽能聚熱發(fā)電(CSP)逐步為人們所認識、研宄和重視。太陽能聚熱發(fā)電(CSP)相比光伏太陽能發(fā)電(PV)具有規(guī)模大、集中度高、效率高等突出特點，但是面臨的共同問題是如何降低投資成本以及如何提高發(fā)電效率進而降低發(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能發(fā)電技術(shù)競爭的焦點。
[0003]太陽能聚熱發(fā)電(CSP)主要有槽式、碟式及塔式等熱發(fā)電模式，其中槽式太陽能聚熱發(fā)電(CSP)已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化，美國SEGS電站以及西班牙AndaSol電站已經(jīng)具有商業(yè)化運行的經(jīng)驗；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)動常規(guī)蒸汽輪機帶動發(fā)電機組發(fā)電。由于目前的導(dǎo)熱油工作溫度必須控制在400°C左右，超出這一溫度將會導(dǎo)致導(dǎo)熱油裂解、粘度提高以及傳熱效率降低等問題，因此限制了槽式太陽能聚熱發(fā)電的工作溫度及發(fā)電效率。
[0004]碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)以單個旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡為基礎(chǔ)，構(gòu)成一個完整的聚光、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。吸熱器吸收太陽輻射并將其轉(zhuǎn)換成熱能，來加熱吸熱工質(zhì)，驅(qū)動熱機(如燃氣輪機、斯特林發(fā)動機或其它類型透平等)，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化。目前單個碟式系統(tǒng)的功率多為5?50kW，峰值發(fā)電效率可達29%，在太陽能熱發(fā)電的各種方式中，其效率最高。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要應(yīng)用于分散式動力系統(tǒng)，雖然可以將多個碟式裝置組成一個較大的發(fā)電系統(tǒng)，但它們原則上仍然是小型系統(tǒng)，不易于大型化；同時目前還沒有適合于碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的動力機械，其應(yīng)用受到了一定的限制。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)相對其他方式，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，其缺點是大型化聚熱發(fā)電時，成本比同規(guī)模的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)高得多。
[0005]塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，也稱集中型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。太陽能塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的基本形式是利用獨立跟蹤太陽的定日鏡群，將陽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)生過熱蒸汽或高溫氣體，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組或燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。由許多定日鏡組成的龐大的定日鏡場，其面積非常大，聚光比很高，一個接收器可以收集100麗的輻射功率，運行溫度可達到1000?1500°C。用以吸收太陽熱能的熱流體通常有水、熔鹽、空氣等。對應(yīng)不同的熱流體，塔式太陽能接收器的類型也不同:
[0006](一)熱流體為水(水蒸氣)的系統(tǒng)
[0007]以水(水蒸氣)作為熱流體的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，直接利用聚焦的太陽能加熱類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)過塔式太陽能接收器的預(yù)熱、蒸發(fā)、過熱等換熱面后，成為朗肯循環(huán)汽輪機的做功工質(zhì)，帶動發(fā)電機發(fā)電；蒸汽輪機的排汽被送往凝汽器中凝結(jié)成水后，通過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)，在陽光充足的時候，將多余的蒸汽熱量儲存在蓄熱罐中，從而保證系統(tǒng)運行參數(shù)的穩(wěn)定。由于入射太陽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。
[0008]目前采用直接蒸汽生產(chǎn)方式的塔式太陽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1MW的Solar One電站、西班牙IlMW的PSlO電站等。
[0009](二)熱流體為熔鹽的系統(tǒng)
[0010]為了避免直接蒸汽生產(chǎn)方式的塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的接收器泄漏，同時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能發(fā)電站有美國的MSEE電站及Solar Two電站、西班牙的Solar TRES電站等。Solar Two是為了推進塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)商業(yè)化發(fā)展的一個實用性項目，為促進塔式/熔鹽太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展作出了重要貢獻。
[0011]但是熔鹽也存在一定的缺點，即有高溫分解和腐蝕問題，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題，必須對相關(guān)設(shè)備進行保溫、預(yù)熱和伴熱等，使系統(tǒng)的能耗增加。新型的結(jié)晶點在100°c以下的熔鹽研宄值得關(guān)注，如美國桑迪亞實驗室正在研宄結(jié)晶點在100°c以下的熔鹽，如果成功將有希望取代導(dǎo)熱油。
[0012](三)熱流體為空氣的系統(tǒng)
[0013]以空氣作為吸熱介質(zhì)的塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)，可達到更高的工作溫度。接收器通常采用腔體式接收器。以空氣作為吸熱介質(zhì)的塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以采用以下兩種工作方式。
[0014]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，接收器周圍的空氣以及來自送風(fēng)機的回流空氣在接受器中吸收來自太陽能鏡場的太陽福射，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中做功，帶動發(fā)電機發(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)機重新送往塔頂?shù)慕邮掌髦小＿@種系統(tǒng)的缺點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)的蒸汽溫度還沒有超過625°C。其流程如附圖2所示
[0015]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以上去推動燃氣輪機，推動燃氣輪機后的氣體仍有較高溫度，再通過熱交換器加熱水生成水蒸氣，水蒸氣再去推動汽輪機，有效利用熱量。也可以把經(jīng)過腔體式接收器加熱后的高壓空氣直接送入燃燒室，進一步加熱后進入燃氣輪機發(fā)電，燃氣輪機的排氣進入底部朗肯循環(huán)進行發(fā)電。
[0016]歐洲和以色列對采用空氣作為吸熱介質(zhì)的塔式太陽能發(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，并開展了一些著名的研宄項目，如Phoebus-TSA、SOLAIR和DIAPR等，取得了一定的研宄成果。德國于2009年投運的JUlich電站，是一個試驗驗證電站，也是世界上第一個采用空氣作為傳熱介質(zhì)的塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)。電站的工作示意圖如附圖3所示。
[0017]中國南京江寧開發(fā)區(qū)與以色列合作研發(fā)建成國內(nèi)首座70kw塔式太陽能熱發(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)原理建立的中國第一個塔式太陽能熱發(fā)電站。該電站通過太陽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氣輪機率先實現(xiàn)了利用太陽能和布雷頓循環(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，進口壓力為0.4MPa，測試峰值轉(zhuǎn)換效率為85%，燃氣輪機熱電效率為28.5%。但由于腔式太陽能接收器入口太小，進氣溫度難于和燃氣配套致使實驗效果不太理想。但燃氣輪機的極高的熱電效率值得關(guān)注，顯然解決匹配性問題后，將是極有應(yīng)用前景的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。以色列和澳大利亞實施的“郁金香”小型塔式太陽能熱發(fā)電試驗項目實際是該技術(shù)的繼續(xù)。目前，由中科院電工所在北京延慶縣進行的IMW塔式太陽能發(fā)電項目正在試驗中。
[0018]集成式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)包括太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)、集成式太陽能與燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、太陽能光熱利用與地?zé)峒砂l(fā)電系統(tǒng)、太陽能和風(fēng)能集成系統(tǒng)以及太陽能光熱發(fā)電與光伏發(fā)電混合的集成發(fā)電系統(tǒng)等。太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能集熱器與普通的燃煤電廠集成，利用太陽能加熱給水或與鍋爐的某一加熱段并聯(lián)來加熱蒸汽，以減少相同數(shù)量電能生產(chǎn)時的耗煤量，其優(yōu)點是投資省、發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性好，缺點是受制于給水或蒸汽加熱溫度的限制，仍屬太陽能的低品位利用。集成式太陽能與燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽能整體聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)、利用太陽能預(yù)熱空氣的集成系統(tǒng)、利用太陽能重整燃氣的集成系統(tǒng)和利用太陽能實現(xiàn)煤氣化的集成系統(tǒng)。中國專利201120430468.6太陽能和風(fēng)