真空吸热管吸热器的塔式太阳能热发电系统

摘要

一种真空吸热管吸热器的塔式太阳能热发电系统，其特征在于以水/蒸汽为传热流体，熔融盐为蓄热介质。由定日镜（1）、支撑塔（2）、吸热器（3）、汽轮机（4）、发电机（5）、除氧器（6）、凝汽器（7）、给水泵（8）、高温熔融盐储罐（9）、低温熔融盐储罐（10）、水/蒸汽-熔融盐换热器（11）、熔融盐蒸汽发生器（12）及控制阀门（13）等组成。吸热器（3）由多根真空吸热管（18）通过串联和并联方式连接构成。本发明的定日镜场可以为扇形布置、矩形布置或圆周型布置，可获得高温高压过热蒸汽，适合于大装机容量塔式太阳能热发电站。

说明书

技术领域

本发明涉及一种塔式太阳能热发电系统，特别涉及利用真空吸热管为吸热器的塔式太阳 能热发电系统。

背景技术

太阳能是取之不尽用之不竭的可再生能源，在化石燃料逐年减少、国际能源形势日趋严 峻的今天，开发利用太阳能是实现能源供应多元化、保证能源安全的重要途径之一。塔式太 阳能热发电装置基本原理是利用众多的定日镜，将太阳辐射反射到置于塔上的太阳能接收器 上，借助加热工质产生过热蒸汽或高温空气，驱动发电机组，产生电能。高温太阳能吸热器 是塔式热发电系统的核心部件。国外围绕此项技术进行了诸多研究，主要集中在美国、西班 牙、德国、以色列、澳大利亚、韩国等。其中采用朗肯循环的太阳能热发电系统的发电工质 为水蒸汽，将经定日镜场聚集得到的高能流密度太阳能转化为满足汽轮机运行的高品质水蒸 汽，通常的技术途径有直接方式和间接方式两种。直接方式是指将太阳能聚集至水/蒸汽吸热 器内获得高品质蒸汽，间接方式是指将太阳能聚集至非水工质的吸热器内，如熔融盐吸热器、 空气吸热器、钠吸热器、油吸热器等，再经过热交换设备获得高品质蒸汽。

采用水/蒸汽为工质的太阳能热发电站无需二次热转换，具有系统简单和效率较高等优 点，是世界各国都重视发展的技术方式之一。欧洲专利EP2428999A1公开了一种利用自然循 环方式获得饱和蒸汽的太阳能热发电系统。美国专利US2008078378-A1公开了一种蒸汽发生 器和蒸汽过热器分开受热的水/蒸汽吸热器，其中过热器采用了螺旋管为吸热管，蒸汽过热器 布置在投入的聚光辐射能流密度较低的区域，而蒸汽发生器布置在投入的聚光辐射能流密度 较高的区域。专利WO20110303331A2公开了一种塔式太阳能热发电系统，其特点为采用水/ 蒸汽吸热器和熔融盐吸热器，水/蒸汽吸热器的蒸汽发生器和蒸汽过热器分开布置，蒸汽发生 器布置在吸热器的外部围城一个空腔，腔内布置蒸汽过热器以降低蒸汽过热过程的热损失， 熔融盐吸热器布置在地面。定日镜场为圆周布置，部分定日镜会聚的太阳能辐射通过下反式 二次反射面再一次反射和会聚至布置于地面的熔融盐吸热器内，部分定日镜将太阳能辐射能 会聚至蒸汽过热器内，部分定日镜将太阳能辐射能会聚至蒸汽发生器上。

发明内容

本发明的目的是克服现有水/蒸汽吸热器热效率低、对聚光系统精度要求高、安全性差的 不足，提出一种以真空吸热管为吸热器的塔式太阳能热发电系统。

本发明的塔式太阳能热发电系统以水、饱和蒸汽和过热蒸汽为传热流体，包括有定日镜、 支撑塔、吸热器、蓄热系统、汽轮机和发电机等主要设备及辅机设备，如泵等。本发明以水、 饱和蒸汽和过热蒸汽为传热流体，获得的高温高压蒸汽可以直接用于汽轮机发电，避免了中 间传热流体的使用，提高了系统的热转换效率。

所述的定日镜为塔式太阳能热发电站的聚光装置。定日镜以支撑塔为参照布置于地面， 定日镜的排布方式可以扇形布置、矩形布置或圆周布置，以将太阳能高效率的会聚至吸热器 表面。

所述的支撑塔用于支撑吸热器及其管路系统，通常由钢结构或钢筋混凝土制作而成。对 于扇形布置的定日镜场，支撑塔布置于扇形定日镜场的一侧中心，对于圆周型布置的定日镜 场支撑塔布置于定日镜场的中心，其布置原则为实现定日镜场的全年聚光效率最高。

所述的吸热器由多根真空吸热管组成。多根真空吸热管之间留有孔隙，在吸收太阳聚光 辐射能流方向上至少布置两排真空吸热管以保证太阳能的充分吸收。多根真空吸热管间采用 焊接连接，按照传热流体的流动方向可以为串联连接或并联连接。

所述的真空吸热管是太阳能热发电站的核心吸热元件。真空吸热管由金属内管、玻璃外 管、玻璃金属封接环等组成，金属内管位于真空吸热管的内层，玻璃外管位于真空吸热管的 外层，金属内管与玻璃外管的轴线重合，玻璃金属封接环位于真空吸热管的两端部，玻璃金 属封接环一端与金属内管焊接，一端与玻璃外管焊接，金属内管外壁面与玻璃外管内壁面及 玻璃金属封接环外壁面共同形成一空腔，该空腔内抽取真空，形成真空夹层。金属内管的外 表面涂有选择性吸收涂层，具备在太阳光光谱范围具有较高的吸收比，而在红外波段内具有 较低的发射比。多根真空吸热管可通过对金属内管的焊接实现串联连接，将多根真空吸热管 的金属内管与联箱或主管道焊接可实现真空吸热管的并联连接。吸热器设有上下两个联箱， 实现真空吸热管间的并联。

由于真空吸热管具有较高的光热转换效率，在较低聚光辐射能流密度的情况下就可以获 得较高温度，吸热器可以布置较大的吸热面积，可显著降低定日镜场聚光过程中在吸热器表 面的溢出损失，大大降低了对定日镜跟踪精度的要求，从而有利于降低定日镜场的初投资和 运行成本。视吸热器出口蒸汽参数要求可以布置汽水分离器，汽水分离器放置于支撑塔内， 汽水分离器不接受太阳辐射能的加热。

所述的蓄热系统采用熔融盐作为蓄热介质，包括一个存储温度较高熔融盐的高温盐储 罐、一个存储温度相对较低熔融盐的低温盐储罐、一台水/蒸汽-熔融盐换热器和一台熔融盐 蒸汽发生器、熔盐泵和阀门等辅助设备。水/蒸汽-熔融盐换热器的蒸汽侧通过蒸汽管道分别 与吸热器和汽轮机连接，水/蒸汽-熔融盐换热器的水侧与除氧器通过管道连接。高温盐储罐 邻近支撑塔布置以减少过热蒸汽的传输热损失。水/蒸汽-熔融盐换热器、低温盐储罐和熔融 盐蒸汽发生器布置于高温盐储罐附近，低温盐储罐和高温盐储罐相邻布置，低温盐储罐和高 温盐储罐的一侧邻近布置水/蒸汽-熔融盐换热器，以减少充热过程的管路传输热损失，低温 盐储罐和高温盐储罐的另一侧邻近布置熔融盐蒸汽发生器，以减少放热过程的管路传输热损 失。蓄热系统可以平抑太阳能的波动和用于太阳能不足或者夜间的发电，提高运行时数。

本发明工作过程如下：

经定日镜聚集的太阳辐射能投射至支撑塔上的吸热器上，吸热器由多根真空吸热管组 成，根据各真空吸热管表面接收到的太阳能聚光辐射能流密度的不同及管内传热流体的换热 特性的不同，真空吸热管的金属内管内流动着水、汽水混合物和蒸汽。绝大部分聚光辐射能 流投射经真空吸热管的玻璃外管，透过至镀有选择性吸收涂层的金属内管的外表面，实现对 投入太阳辐射能的高效吸收和低热辐射损失。通过与金属内管内流动的水/蒸汽进行对流换 热，实现太阳能到水/蒸汽热能的转换。吸热器出口蒸汽可以直接输送至汽轮机内带动发电机 发电，也可以送至水/蒸汽-熔融盐加热器加热熔融盐用于蓄热。待太阳能不足时蓄热系统的 高温熔融盐经熔融盐蒸汽发生器加热获得过热蒸汽输送至汽轮机带动发电机发电。本发明的 太阳能热发电系统适合于扇形布置定日镜场和圆周形布置定日镜场，在装机容量塔式太阳能 热发电站具有显著优势。

附图说明

图1本发明的塔式太阳能热发电系统；

图2本发明的直接产生蒸汽式真空吸热管水/蒸汽吸热器示意图；

图3本发明吸热器所用的真空吸热管示意图；

图4本发明图2的A-A方向剖面图；

图5本发明的带有汽水分离器的真空吸热管水/蒸汽吸热器示意图；

图中：1定日镜、2支撑塔、3吸热器、4汽轮机、5发电机、6除氧器、7凝汽器、8给水泵、 9高温熔融盐储罐、10低温熔融盐储罐、11水/蒸汽-熔融盐换热器、12熔融盐蒸汽发生器、13 控制阀门、14聚光辐射能流、15给水、16过热蒸汽、17熔融盐、18真空吸热管、19给水集 箱、20蒸汽集箱、21汽水分离器、22循环水泵、23饱和蒸汽、31金属内管、32玻璃外管、 33玻璃金属封接环、34真空夹层、35选择性吸收涂层。

具体实施方式

图1所示为本发明的塔式太阳能热发电系统。该发电系统包括定日镜1、支撑塔2、吸热 器3、蓄热系统、汽轮机4和发电机5等主要设备及辅机设备，如泵等。支撑塔2是该发电系统 的基准，定日镜1布置于支撑塔2的周围，吸热器3位于支撑塔1的顶部，按照传热流体的流动 方向，给水泵8与除氧器6和吸热器3通过管道依次连接，给水泵8可放置于支撑塔2上或地面， 吸热器3与汽轮机4通过管路连接，发电机5与汽轮机4采用联轴器固定连接，汽轮机5与凝汽 器7之间通过管道连接。高温熔融盐储罐9、低温熔融盐储罐10、水/蒸汽-熔融盐换热器11和 熔融盐蒸汽发生器12共同组成蓄热系统，水/蒸汽-熔融盐换热器11的熔融盐侧通过管道分别 与高温熔融盐储罐9和低温熔融盐储罐10连接，水/蒸汽-熔融盐换热器11的蒸汽侧通过蒸汽管 道分别与吸热器3和汽轮机5连接，水/蒸汽-熔融盐换热器11的水侧与除氧器6连接。熔融盐蒸 汽发生器12通过管道分别与高温熔融盐储罐9和低温熔融盐储罐10连接。控制阀门13布置于 系统的管路上用于不同运行模式运行时调节。聚光辐射能流14由定日镜1将太阳能光加以会 聚形成，用于投射至吸热器3的表面。给水15是系统中的传热流体，由给水泵8从除氧器6泵 送至吸热器3中进行吸热或由由给水泵8从除氧器6泵送至熔融盐蒸汽发生器12中进行换热。 过热蒸汽16是系统中的传热流体和推动汽轮机4做功带动发电机5发电的工质，过热蒸汽16由 吸热器3中产生或者由熔融盐蒸汽发生器12中产生。

经定日镜1会聚的聚光辐射能流14投射至吸热器3的表面，加热了由给水泵8从除氧器6泵 送的给水15，给水15在吸热器3内被加热为过热蒸汽16被输送至汽轮机4中做功带动发电机5 发电，汽轮机排汽经凝汽器7凝结后在给水泵8作用下流回除氧器6，完成太阳能加热给水15 直接产生过热蒸汽16进行发电过程。吸热器3产生的过热蒸汽16也可以流入蓄热系统的水/蒸 汽-熔融盐换热器11中与从低温熔融盐储罐10流出的蓄热工质熔融盐17进行热交换，经热交 换后熔融盐17被加热为高温熔融盐存储至高温熔融盐储罐9中，过热蒸汽16被冷却为给水15 流回除氧器6，继续作为传热介质泵送回吸热器3进行吸热。当太阳能不足时，蓄热系统投入 运行，从高温熔融盐储罐9中流出的熔融盐17经熔融盐蒸汽发生器9加热从除氧器6经给水泵8 泵送的给水15至过热蒸汽16，过热蒸汽16被输送至汽轮机4中做功带动发电机5发电，汽轮机 排汽经凝汽器7凝结后在给水泵8作用下流回除氧器6，完成蓄热系统的独立发电过程。

图2所示为本发明的直接产生蒸汽式真空吸热管水/蒸汽吸热器，该吸热器由多根真空吸 热管18、给水集箱19和蒸汽集箱20组成。蒸汽集箱20位于吸热器的顶部，给水集箱19位于吸 热器的底部，多根真空吸热管18采用焊接方式串联形成真空吸热管串，真空吸热管串的下部 与给水集箱19焊接连接，真空吸热管串的顶部与蒸汽集箱20焊接连接。通过真空吸热管串的 串联和并联连接构成腔体式、平板式或圆柱式的水/蒸汽吸热器。

真空吸热管18的结构如图3所示，真空吸热管18由金属内管31、玻璃外管32和玻璃金属 封接环33组成，金属内管31与玻璃金属封接环33一端焊接，玻璃外管32与玻璃金属封接环33 另一端焊接。玻璃外管32和金属内管31间为真空夹层34，金属内管31的外表面涂有选择性吸 收涂层35，具备在太阳光光谱范围具有较高的吸收比，而在红外波段内具有较低的发射比， 实现对太阳能的高效吸收和金属内管31外壁与玻璃外管32间较低的辐射热损失，确保了本发 明的吸热器可以具有较高的热效率。多根真空吸热管18串联形成足够长度的，真空吸热管串 以至少两排并列的布置方式布置以减少透过损失，其两排真空吸热管串的布置方式如图4所 示，前排真空吸热管串与后排真空吸热管串交错布置，以确保投入到的聚光辐射能流14可以 全部被真空吸热管18的金属内管31吸收。工作时，聚光辐射能流14投射至真空吸热管18的玻 璃外管32表面，少部分能量被反射至外界环境和被玻璃外管32吸收，大部分辐射能透过玻璃 外管32至金属内管31外表面，大部分能量被吸收从而加热金属内管31，少部分能量被反射。 给水15流入给水集箱19后分别流入真空吸热管18中与金属内管31进行对流换热后流入蒸汽 集箱20，蒸汽集箱20流出过热蒸汽16，完成太阳能至水/蒸汽热能的转换。

图5所示为本发明带有汽水分离器的真空吸热管水/蒸汽吸热器，该吸热器由多根真空吸 热管18、给水集箱19、蒸汽集箱20、汽水分离器21和循环水泵22组成。蒸汽集箱20位于 吸热器的顶部，给水集箱19位于吸热器的底部，真空吸热管18采用焊接方式串联形成足够 的长度的真空吸热管串，真空吸热管串的下部与给水集箱19焊接连接，真空吸热管串的顶 部与汽水分离器21连接。真空吸热管串以至少2排并列的布置方式以减少透过损失。工作 时，聚光辐射能流14投射至真空吸热管18表面，少部分能量被反射至外界环境和被玻璃外 管32吸收，大部分辐射能透过玻璃外管32至金属内管31外表面，大部分能量被吸收从而 加热金属内管31，少部分能量被反射。给水15流入给水集箱19后分别流入真空吸热管18 中与金属内管31进行对流换热后流入汽水分离器21，在循环水泵22的作用下，给水15在 真空吸热管18与汽水分离器21间多次循环吸热。汽水分离器21中产生的饱和蒸汽23流入 与蒸汽集箱20连接的真空吸热管18中被加热为过热蒸汽16流入蒸汽集箱20后流出，完成 太阳能至水/蒸汽热能的转换。