一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统技术方案

本发明专利技术提供一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，包括：塔式太阳能集热系统、蓄热系统和动力系统，所述塔式太阳能集热系统与所述蓄热系统及所述动力系统组成第一循环系统，所述蓄热系统与所述动力系统组成第二循环系统，所述塔式太阳能集热系统采用氦气作为吸热工质，所述动力系统采用氦气作为动力工质。本发明专利技术通过高温、高效、结构紧凑的闭式氦气轮机动力系统的应用，结合高效氦气吸热器设计、新型蓄热系统设计实现了塔式太阳能系统经济性的提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种塔式太阳能热发电系统装置，特别是涉及一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统。
技术介绍
太阳能资源丰富，但能流密度低，应运而生了聚光太阳能技术，聚光太阳发电系统耦合储能技术可克服太阳辐射呈间歇性的缺陷，实现连续发电并具备基本负荷特征，使其明显优于其他可再生能源技术，成为当前新能源和可再生能源开发与利用的最热门研究方向。“十三五”时期，我国太阳能发电产业规模有望得到大幅提升。根据国家能源局提供的规模发展指标，到2020年底，实现7％电力结构比重的太阳能装机规模，其中太阳能热发电总装机容量有望达到1000万千瓦，约占太阳能总装机容量的6％。根据聚光方式的不同，聚光太阳能热发电技术(CSP)主要有槽式、塔式、碟式和菲涅尔式，前两者已进入商业化运行阶段，后两者处于示范和试验阶段。槽式发电技术最为成熟，商业化最为广泛，约占全球商业化运行太阳能热电站的85％。该技术只对太阳能辐射进行一维跟踪，聚光比低，运行温度基本在50-400℃，热效率较低；与塔式、碟式系统相比，抗风系统差。碟式系统聚光比高达数百到数千，也可使换热工质达到高温，且其系统可单独运行。但系统功率小，主要连接斯特林发电装置。菲涅尔系统聚光效率高，但工作效率低，目前处于示范工程阶段。塔式热发电系统通常利用大量定日镜将太阳辐射聚集在高塔顶端的集热接收器上，使热转换工质(蒸汽、熔盐、空气等)获得高温，并驱动动力系统发电或进入蓄热系统放热。定日镜采用双轴跟踪方式，聚光比可达150-2000倍，聚光效果高，工质温度最高可达1600℃，该特点使得目前一些高效先进的动力系统的应用成为可能，从而提高热功转换效率，同时适合大规模发电。但其定日镜需高精度跟踪系统，且吸热器需达到的温度更高，因而镜场及吸热器造价高，导致发电成本高。相比与其他系统，塔式太阳能发电技术最具发展潜能。当前美国、西班牙、印度、南非、墨西哥、澳大利亚、中国等多国均对塔式太阳能系统投入大量研究，包括概念设计、部件研究、示范工程等，以提高塔式太阳能发电效率，降低投资成本，使塔式太阳能发电技术可与当前传统发电型式发电成本相竞争。本专利技术涉及塔式太阳能新型换热工质，新型蓄热技术及新型动力系统，因而就这几项对塔式太阳能热发电系统现有技术进行说明。1)吸热、传热工质：塔式太阳能吸热器传热工质多样化，可以为水/蒸汽、熔盐、常压空气、加压空气、超临界蒸汽以及其他气体。当前商业电站中主要采用水/蒸汽和熔盐，其他介质处于示范、部件研究或概念设计阶段。水/蒸汽是较成熟的吸热工质，冷凝水被送至塔顶的吸热器，依次被加热、蒸发甚至过热，该吸热器技术成熟，换热系数高，且输送不可压水至塔顶的水泵耗功少。饱和或过热蒸气可直接驱动成熟的汽轮机机组，或将热量存储于蓄热系统中。但由于高温蒸汽对应的压力高，当前蒸汽温度范围为400-500℃，压力范围为5-12MPa，若蒸汽参数向火电装置的超临界参数发展，对应的压力将超过20MPa。高压环境要求吸热器中管子厚度增加，管子应力也相应加大，会一定程度上降低吸收太阳辐射热的换热系数，限制了太阳的辐射通量。且吸热器中产生过热蒸汽存在不同区域换热系数差异控制的问题，相比较而言饱和蒸汽对吸热板寿命及吸热控制更有利，因而商业化机组中通常偏向饱和蒸汽。目前世界上采用水/水蒸气作为吸热工质的塔式发电站主要有意大利的EURELIOS，日本的SUNSHINE，美国的SolarOne，西班牙的CESA-1，俄罗斯的SPP-5，以及中国的八达岭。熔盐因其高热容密度、高传热系数及价格低廉成为当前最具潜力及广泛应用的传热介质。熔盐作为吸热工质的同时还可兼做蓄热工质，同时其运行系统压力低，系统工作相对安全，吸热器设计更紧凑，制造成本降低，热损失降低。但熔盐介质仍有一些明显的缺点：1)熔盐作为吸热工质，在整个管路中流动，夜间没有太阳能输入的情况下，吸热器管路中的熔盐在温度降低后会凝固，如现常用的40％KNO3/60％NaNO3二元盐熔点温度为220℃，系统需要较好的保温措施并增设防止熔盐凝固的伴热设备；3)若系统停机，需用高压氮气将吸热器中的残余熔盐吹出，以避免熔盐凝固；4)高温熔盐对熔盐泵的腐蚀性导致系统安全运行的隐患，高温熔盐对吸热器换热管子的腐蚀也导致集热器效率降低，导致安全隐患，运行时间短；5)不适合大功率塔式太阳能发电系统，塔高增加和循环熔盐流量的增加都会导致熔盐泵功耗和造价的提高，熔盐泵耗功明显高于水泵。世界上采用熔盐作为吸热、换热介质的塔式太阳能电站主要有美国的MSEE、SolarTwo，法国的THEMIS，西班牙的SolarTres。当前针对换热介质熔盐的主要研究方向为开发低熔点高可靠性的新型熔盐，以期降低系统成本并提高系统安全性。空气介质因其低成本，高安全性，最重要的是可达到更高工作温度开始备受关注。采用空气作为吸热介质时分为常压空气和加压空气，常压空气作为吸热介质时通过中间换热器耦合汽轮机发电系统，如德国的试验电站Jülich。由于采用低压空气，且气体传热能力低，导致吸热器体积庞大，且蒸汽朗肯循环机组最高温度受限与目前的材料技术(一般不超过625℃)，使得空气换得的高温不能被充分利用。吸热介质为高压空气时主要耦合开式燃机循环或联合循环，该方式可充分基于现有的成熟燃机机组技术。目前该项技术处于部件研究和概念设计阶段。空气吸热器主要有容积式和腔体式结构，以色列的Weizmann研究院、德国航空航天中心DLR等实验室开展了多种高温空气吸热器研究，并对其换热性能和流动特性进行了深入研究。相比于液体，空气比热小，大流量高温空气输送到高空难度较大，且当空气输送压力较高体积流量较大时，系统自用电比例增大，降低系统的净发电效率。2)蓄热系统：太阳能资源虽取之不尽用之不竭，但太阳辐射能是一种不稳定的随机自然能源，且呈现间歇性，为了满足连续的电力负荷需求，同时避免动力系统的频繁起停，亟需高效的蓄热系统。当太阳辐射能不足或夜间时，启动蓄热系统，从而保证动力系统的连续运行。蓄热方式有显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热。显热蓄热介质包括固态和液态，固态蓄热介质有砂石、耐火砖、混凝土、蜂窝陶瓷、复相陶瓷等，液态蓄热介质主要为熔盐，由于熔融盐具备如下特性，使其成为最广泛应用的显热蓄热介质：使用温度范围广，且具有相对的热稳定性；熔融盐导热性能良好；蒸气压低，特别是混合熔融盐；热容量大；黏度低且化学稳定性好。目前商用化塔式系统中基本采用熔盐蓄热，蓄热时间可设计长达15小时，实现了动力系统的不间断供电。相变蓄热可实现恒温蓄热和放热，输出的温度和能量稳定，且蓄热密度大，单位容积蓄热量明显高于显热存储，发展潜力大。目前已实现了采用蒸汽作为相变介质的中低温蓄热，采用高温相变介质的蓄热还处于研究阶段，未有应用于示范项目报道。目前最具潜力的高温蓄热相变蓄热介质主要有高温熔盐和金属合金。高温熔盐的应用瓶颈在于导热系数低，从而影响蓄热系统的充放热速率。金属合金导热系数非常高，且蓄热密度大，具备较高的相变潜热，热循环稳定性好。但明显缺陷是液态金属合金腐蚀性强，对相应容器材料要求高，且金属合金相变材料在蓄热领域的研究很不充分。蓄热材料的温度和相态随系统充发热的过程而变化，相应物性参数也会发生改变，并影响系统蓄热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，其特征在于，包括：塔式太阳能集热系统、蓄热系统和动力系统，所述塔式太阳能集热系统与所述蓄热系统及所述动力系统组成第一循环系统，所述蓄热系统与所述动力系统组成第二循环系统，所述塔式太阳能集热系统采用氦气作为吸热工质，所述动力系统采用氦气作为动力工质。

【技术特征摘要】
1.一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，其特征在于，包括：塔式太阳能集热系统、蓄热系统和动力系统，所述塔式太阳能集热系统与所述蓄热系统及所述动力系统组成第一循环系统，所述蓄热系统与所述动力系统组成第二循环系统，所述塔式太阳能集热系统采用氦气作为吸热工质，所述动力系统采用氦气作为动力工质。2.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，其特征在于：太阳辐射充足时，塔式太阳能集热系统与蓄热系统及动力系统耦合工作，蓄热系统和动力系统解耦工作，氦气从塔式太阳能集热系统吸热后，一部分高温氦气直接驱动动力系统，另一部分直接进入蓄热系统，经过动力系统后的低温氦气与经过蓄热系统放热的低温氦气汇合后送回至塔式太阳能集热系统，构成第一循环系统。3.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，其特征在于：太阳辐射不足时，塔式太阳能集热系统与动力系统解耦工作，蓄热系统和动力系统耦合工作，且蓄热系统作为热源，氦气在蓄热系统中与蓄热介质换热后，高温氦气驱动动力系统，而后低温氦气送回至蓄热系统，构成第二循环系统。4.根据权利要求2或3所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，其特征在于：所述耦合工作及解耦工作的动作切换由阀门的启闭实现。5.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，其特征在于：所述第一循环系统采用氦气作为传热工质，采用氦气作为塔式太阳能集热系统的吸热工质，并采用氦气作为动力系统的动力工质。6.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，其特征在于：所述第二循环系统采用氦气作为传热工质，采用氦气作为蓄热系统的吸热工质，并采用氦气作为动力系统的动力工质。7.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，其特征在于：所述第一循环系统采用氦气作为传热工质，采用氦气作为塔式太阳能集热系统的吸热工质，采用高温相变材料作为蓄热系统的蓄热工质。8.根据权利要求7所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，其特征在于：所述高温相变材料包括高温熔盐，其熔点温度为不低于750℃。9.根据权利要求1所述的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯婷凤，张靖煊，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海;31