一种太阳能热动力系统技术方案

本发明专利技术涉及一种太阳能热动力系统，该系统集颗粒吸热、储热、直接接触换热于一体，包括颗粒吸热单元、颗粒储热单元、直接接触式过热蒸汽发生单元和蒸汽动力单元。该系统工作过程中，储热颗粒首先在颗粒吸热单元内吸收太阳辐射热能成为高温储热颗粒，高温储热颗粒常压下储存在颗粒储热单元内，高温储热颗粒通过重力掉落到高压的直接接触式过热蒸汽发生单元内产生高压过热蒸汽，过热蒸汽通过稳压罐和调压阀后输入蒸汽动力单元。本发明专利技术的太阳能热动力系统，可以实现热能的常压大容量储存和直接产生高压过热蒸汽用于对外输出动力，具有结构简单、储热温度高、成本低等特点，特别适合于发展大功率、高效、高温和低成本的新一代太阳能热发电系统。

【技术实现步骤摘要】
一种太阳能热动力系统
本专利技术涉及中高温蓄热领域和太阳能热动力领域，涉及一种太阳能热动力系统，尤其涉及一种集颗粒吸热、储热、直接接触换热于一体，利用储热颗粒吸收会聚太阳辐射热能并低压存储、通过高温颗粒与除氧水直接接触换热产生高压过热蒸汽对外输出动力的太阳能热动力系统，特别适用于高储热温度、高效率、低成本的新一代太阳能热发电

技术介绍
太阳能热动力技术利用镜场反射并会聚太阳辐射来加热吸热介质，通过换热器/蒸发器将吸热介质存储的热量传递给工质来对外输出动力。在太阳能热动力系统中为了解决太阳能的间歇性和不稳定性、提高热利用效率，同时也实现在晚上或者太阳辐射热能不足时候的持续稳定输出动力，中高温储热装置及系统被用于吸收并存储热量。当前的太阳能热动力系统主要吸热介质包括空气，导热油和熔融盐等，而储热材料主要为熔融盐、水/水蒸气、高温混凝土等，然而这些材料在工程应用过程中都存在各自的缺陷，如导热油工作温度较低、成本较高且易燃；高温混凝土最高储热温度低、导热系数低且与换热管道接触的位置易开裂；水的高蒸汽压限制了其储热温度；目前已成功应用的熔融盐则存在成本高和熔点高导致的辅助热源热损失问题，并且在高温容易分解。在换热过程中，大多数设计都采用间接换热过程，不仅增加了系统复杂度与设备成本，同时由于换热温差大降低了换热效率。这些储热和换热过程中存在的问题都限制了太阳能热动力的效率提高和大规模推广应用。砂粒作为一种成本非常低廉、能耐1000℃以上高温、储热密度高、大规模存储结构简单的材料，由于这些优点，砂粒已开始越来越多的应用在储热领域。然而涉及应用砂粒进行储热的现有技术中，较多地关注在颗粒吸热器的设计上，而对于如何将高温颗粒内储存的大量热量高效地传递到做功工质上则很少涉及，对于高度离散不连续的高温流化颗粒来说，如何克服磨损，如何保证稳定高效运行，如何提高换热效率，如何克服离散颗粒换热带来的局部过热问题是一个很大的挑战，这些因素都直接影响了高温颗粒流化技术在太阳能热动力领域的成功应用和推广。现有技术中也出现了利用颗粒流化进行间接换热产生蒸汽的方法，然而该方法存在流化气体使电力损耗以及能量损耗增加，严重磨损和换热效率较低等问题。基于现有技术的上述状况，可以说专门设计一个高效稳定运行的颗粒吸热、储热和直接接触换热的太阳能热动力系统是非常迫切的。
技术实现思路
为克服现有技术的上述缺点和不足，本专利技术旨在提供一种太阳能热动力系统，该系统集颗粒吸热、储热、直接接触换热于一体，该系统工作过程中，颗粒在颗粒吸热单元内常压下吸收会聚的太阳辐射热能成为高温颗粒，高温颗粒常压或低压储存在颗粒储热单元的大容量高温颗粒储罐内，在输出动力过程中，高温颗粒在重力作用下进入高压的直接接触式过热蒸汽发生单元内，与喷淋流体直接接触换热产生高压过热蒸汽，过热蒸汽通过稳压罐和调压阀后输入蒸汽动力单元对外输出动力，高/低温预储罐和一组高温阀门的周期性顺序开关确保了高压过热蒸汽发生器内的高温颗粒持续输入和低温颗粒持续排出。本专利技术的集颗粒吸热、储热和直接接触换热的太阳能热动力系统，有效降低了系统的复杂度与设备成本，同时由于换热温差小大大提高了换热效率，大大提高了太阳能热动力效率。为解决其技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种太阳能热动力系统，集颗粒吸热、储热、直接接触换热于一体，包括颗粒吸热单元、颗粒储热单元、直接接触式过热蒸汽发生单元和蒸汽动力单元，其特征在于，所述颗粒吸热单元、颗粒储热单元、直接接触式过热蒸汽发生单元和蒸汽动力单元依次连接，其中，--所述颗粒吸热单元包括至少一太阳能集热装置、颗粒吸热装置和颗粒提升装置，所述太阳能集热装置用以加热所述颗粒吸热装置中的储热颗粒；--所述颗粒储热单元包括至少一高温颗粒储罐和一低温颗粒储罐；--所述直接接触式过热蒸汽发生单元包括至少一高温颗粒预储罐、低温颗粒预储罐、过热蒸汽发生器和稳压罐，其中，所述过热蒸汽发生器的顶部设置与所述稳压罐连通的过热蒸汽出口，所述过热蒸汽发生器的底部设置供水口；--所述蒸汽动力单元包括至少一依次连接的蒸汽透平、凝汽器和除氧器，所述蒸汽透平的蒸汽进口与所述稳压罐的蒸汽出口连通，所述除氧器的出口与所述过热蒸汽发生器的供水口连通；所述颗粒吸热装置、高温颗粒储罐、高温颗粒预储罐、过热蒸汽发生器、低温颗粒预储罐和低温颗粒储罐间通过颗粒输运管路依次连通，所述低温颗粒储罐的颗粒出口与所述颗粒提升装置的颗粒进口连通，所述颗粒提升装置用以将所述低温颗粒预储罐中的储热颗粒提升输运至所述颗粒吸热装置中；所述高温颗粒储罐、高温颗粒预储罐、过热蒸汽发生器、低温颗粒预储罐和低温颗粒储罐之间的颗粒输运管路上均设有控制阀门，所述过热蒸汽发生器与稳压罐之间的蒸汽管路上也设有阀门，所述稳压罐与蒸汽透平之间的蒸汽管路上设阀门。本专利技术的直接接触式过热蒸汽发生单元，至少包括一高温颗粒预储罐、一低温颗粒预储罐、一过热蒸汽发生器和一稳压罐。优选地，所述过热蒸汽发生器包括至少一颗粒分流器、喷淋装置、预热装置和颗粒减速装置，其中，所述颗粒分流器布置在所述过热蒸汽发生器内腔顶部的颗粒进口位置处；所述喷淋装置包括多个喷嘴并安装于所述过热蒸汽发生器内腔的顶部或四周，所述喷淋装置的进水口与所述预热装置的出水口连通；所述预热装置布置在所述过热蒸汽发生器底部的低温储热颗粒层内，通过所述供水口与所述除氧器的出口连通；所述颗粒减速装置的数量为多个，在空间上分布在所述过热蒸汽发生器的内腔中。优选地，所述喷淋装置安装于所述过热蒸汽发生器内腔的四周，伸入所述过热蒸汽发生器内腔的多个喷嘴在高度方向上分布为若干层，相邻各层的喷嘴长度保持一致，或相邻各层的喷嘴长度不等且越靠上布置的喷嘴其长度越长。进一步地，所述多个喷嘴的喷淋方向保持水平或与水平方向呈一定角度。优选地，所述预热装置的预热管道为蛇形管、螺旋管、盘管、水平管束、垂直管束的一种或者至少两种以上的组合，多个预热管道的布置形式为独立布置或者交叉布置，预热管道之间留有供储热颗粒下落的空间。优选地，预热装置的预热管道采用多个蛇形管道均匀分布于蒸汽发生器底部低温颗粒层内。优选地，所述颗粒减速装置为一系列圆锥筒、倾斜平板、多孔板、格栅、顺排圆管阵列、叉排圆管阵列、顺排椭圆管阵列或叉排椭圆管阵列。进一步地，所述颗粒减速装置的材料为耐高温陶瓷、钢、钛、Al2O3、MgO和多孔介质材料中的至少一种。优选地，所述颗粒减速装置采用叉排的圆锥陶瓷阵列。进一步地，所述过热蒸汽发生器还包括过滤装置，所述过滤装置设置在所述过热蒸汽发生器内腔的过热蒸汽出口和喷淋装置出口处。在过热蒸汽出口位置处设置过滤装置，可以将过热蒸汽中悬浮的固体颗粒滤除，输出净化后的过热蒸汽。在喷淋装置出口处设置过滤装置，可防止固体储热颗粒堵塞喷嘴。优选的，所述稳压罐的数量为至少一个，其外壳材料为碳钢、不锈钢或铝合金。优选的，采用单个稳压罐，材料为耐高温不锈钢材料。所述稳压罐用以平稳过热蒸汽发生器出口的过热蒸汽。本专利技术的直接接触式过热蒸汽发生单元，在过热蒸汽发生的过程中，高温预储罐内的高温储热颗粒经颗粒分流器均匀落入过热蒸气发生器内，高压液态工质通过预热装置内的预热管道预热后从喷淋装置中喷至过热蒸气发生器内，与高温储热颗粒直接接触换热产生饱和蒸汽，饱和蒸汽本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种太阳能热动力系统，集颗粒吸热、储热、直接接触换热于一体，包括颗粒吸热单元、颗粒储热单元、直接接触式过热蒸汽发生单元和蒸汽动力单元，其特征在于，所述颗粒吸热单元、颗粒储热单元、直接接触式过热蒸汽发生单元和蒸汽动力单元依次连接，其中，‑‑所述颗粒吸热单元包括至少一太阳能集热装置、颗粒吸热装置和颗粒提升装置，所述太阳能集热装置用以加热所述颗粒吸热装置中的储热颗粒；‑‑所述颗粒储热单元至少包括一高温颗粒储罐和一低温颗粒储罐；‑‑所述直接接触式过热蒸汽发生单元包括至少一高温颗粒预储罐、低温颗粒预储罐、过热蒸汽发生器和稳压罐，其中，所述过热蒸汽发生器的顶部设置与所述稳压罐连通的过热蒸汽出口，所述过热蒸汽发生器的底部设置供水口；‑‑所述蒸汽动力单元至少包括一依次连接的蒸汽透平、凝汽器和除氧器，所述蒸汽透平的蒸汽进口与所述稳压罐的蒸汽出口连通，所述除氧器的出口与所述过热蒸汽发生器的供水口连通；所述颗粒吸热装置、高温颗粒储罐、高温颗粒预储罐、过热蒸汽发生器、低温颗粒预储罐和低温颗粒储罐间通过颗粒输运管路依次连通，所述低温颗粒储罐的颗粒出口与所述颗粒提升装置的颗粒进口连通，所述颗粒提升装置用以将所述低温颗粒预储罐中的储热颗粒提升输运至所述颗粒吸热装置中；所述高温颗粒储罐、高温颗粒预储罐、过热蒸汽发生器、低温颗粒预储罐和低温颗粒储罐之间的颗粒输运管路上均设有控制阀门，所述过热蒸汽发生器与稳压罐之间的蒸汽管路上也设有阀门，所述稳压罐与蒸汽透平之间的蒸汽管路上设阀门。...

【技术特征摘要】
1.一种太阳能热动力系统，集颗粒吸热、储热、直接接触换热于一体，包括颗粒吸热单元、颗粒储热单元、直接接触式过热蒸汽发生单元和蒸汽动力单元，其特征在于，所述颗粒吸热单元、颗粒储热单元、直接接触式过热蒸汽发生单元和蒸汽动力单元依次连接，其中，--所述颗粒吸热单元包括至少一太阳能集热装置、颗粒吸热装置和颗粒提升装置，所述太阳能集热装置用以加热所述颗粒吸热装置中的储热颗粒；--所述颗粒储热单元至少包括一高温颗粒储罐和一低温颗粒储罐；--所述直接接触式过热蒸汽发生单元包括至少一高温颗粒预储罐、低温颗粒预储罐、过热蒸汽发生器和稳压罐，其中，所述过热蒸汽发生器的顶部设置与所述稳压罐连通的过热蒸汽出口，所述过热蒸汽发生器的底部设置供水口；--所述蒸汽动力单元至少包括一依次连接的蒸汽透平、凝汽器和除氧器，所述蒸汽透平的蒸汽进口与所述稳压罐的蒸汽出口连通，所述除氧器的出口与所述过热蒸汽发生器的供水口连通；所述颗粒吸热装置、高温颗粒储罐、高温颗粒预储罐、过热蒸汽发生器、低温颗粒预储罐和低温颗粒储罐间通过颗粒输运管路依次连通，所述低温颗粒储罐的颗粒出口与所述颗粒提升装置的颗粒进口连通，所述颗粒提升装置用以将所述低温颗粒预储罐中的储热颗粒提升输运至所述颗粒吸热装置中；所述高温颗粒储罐、高温颗粒预储罐、过热蒸汽发生器、低温颗粒预储罐和低温颗粒储罐之间的颗粒输运管路上均设有控制阀门，所述过热蒸汽发生器与稳压罐之间的蒸汽管路上也设有阀门，所述稳压罐与蒸汽透平之间的蒸汽管路上设阀门；所述过热蒸汽发生器包括至少一颗粒分流器、喷淋装置、预热装置和颗粒减速装置，其中，所述颗粒分流器布置在所述过热蒸汽发生器内腔顶部的颗粒进口位置处；所述喷淋装置包括多个喷嘴并安装于所述过热蒸汽发生器内腔的顶部或四周，所述喷淋装置的进水口与所述预热装置的出水口连通；所述预热装置布置在所述过热蒸汽发生器底部的低温储热颗粒层内，通过所述供水口与所述除氧器的出口连通；所述颗粒减速装置的数量为多个，在空间上分布在所述过热蒸汽发生器的内腔中。2.根据权利要求1所述的太阳能热动力系统，其特征在于，所述喷淋装置安装于所述过热蒸汽发生器内腔的四周，伸入所述过热蒸汽发生器内腔的多个喷嘴在高度方向上分布为若干层，相邻各层的喷嘴长度保持一致，或相邻各层的喷嘴长度不等且越靠上布置的喷嘴其长度越长。3.根据权利要求2所述的太阳能热动力系统，其特征在于，所述多个喷嘴的喷淋方向保持水平或与水平方向呈一定角度。4.根据权利要求1所述的太阳能热动力系统，其特征在于，所述预热装置的预热管道为蛇形管、螺旋管、盘管、水平管束、垂直管束的一种或者至少两种以上的组合，多个预热管道的布置形式为独立布置或者交叉布置，预热管道之间留有供储热颗粒下落的空间。5.根据权利要求1所述的太阳能热动力系统，其特征在于，所述颗粒减速装置为一系列圆锥筒、倾斜平板、多孔板、格栅、顺排圆管阵列、叉排圆管阵列、顺排椭圆管阵列或叉排椭圆管阵列。6.根据权利要求5所述的太阳能热动力系统，其特征在于，所述颗粒减速装置的材料为耐高温陶瓷、钢、钛、Al2O3、MgO和多孔介质材料中的至少一种。7.根据权利要求1所述的太阳能热动力系统，其特征在于，所述过热蒸汽发生器还包括过滤装置，所述过滤装置设置在所述过热蒸汽发生器的过热蒸汽出口和喷淋装置出口处。8.根据权利要求1所述的太阳能热动力系统，其特征在于，所述稳压罐的数量为至少一个，其外壳材料为碳钢、不锈钢或铝合金。9.根据权利要求8所述的太阳能热动力系统，其特征在于，采用单个稳压罐，材料为耐高温不锈钢材料。10.根据权利要求1所述的太阳能热动力系统，其特征在于，所述高温颗粒预储罐、过热蒸汽发生器、低温颗粒预储罐和低温颗粒储罐的布置高度逐次降低，储热颗粒在这些装置之间依靠自身重力的驱动而流动。11.根据权利要求10所述的太阳能热动力系统，其特征在于，所述高温颗粒储罐在高度方向上布置在所述颗粒吸热装置的下方和所述高温颗粒预储罐的上方，所述颗粒吸热装置中的储热颗粒在重力作用下由高温颗粒储罐流动至所...

【专利技术属性】
技术研发人员：林曦鹏，王亮，陈海生，谢宁宁，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11