一种再热太阳能热利用系统及其运行方式

摘要

本发明涉及一种再热太阳能热利用系统及其运行方式，进一步提高了太阳能热利用效率。本装置的蓄热装置设有多组，单组蓄热装置包括过热蓄热器、再热蓄热器和蒸发蓄热器，过热蓄热器和再热蓄热器并联后与蒸发蓄热器串联，放热循环传热介质取热过程中先从蒸发蓄热器、过热蓄热器取热对高压缸做功，再从再热蓄热器取热对中低压合缸做功。本发明太阳能热利用系统优势在于：放热过程中进行二次取热做功，热量得到更高的利用。同时利用三个蓄热器的并联和串联将蓄热温度区间划分成两段，提高了再热过程的热利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能热利用系统，尤其涉及一种再热太阳能热利用系统及其运行方式。

背景技术

太阳能是一种储量近乎无限、分布广泛、清洁的新能源，太阳能的开发利用越来越受到重视。同时，太阳能也具有能量密度较低，随季节、天气情况变化的特点，导致太阳能利用过程能量输出不稳定。通过蓄热，将太阳能转化成可以储存的形式是解决这个问题的主要方法，采用合适的系统高效的储存并利用能量是关键问题。

传统的太阳能热利用系统采用熔盐介质，熔盐需要在熔融状态下进行循环，熔盐使用量大，也热利用率低。而目前还有一种热效率高的具有温度梯度的相变蓄热器，可以利用水作为传热介质，利用熔盐作为蓄热介质，有效的转化并储存太阳能。如中国专利CN102829661A，该专利公开了一种分级相变蓄热系统，蓄热介质中设有供传热介质通过的管道，并在管道壁两侧进行热交换，实现传热介质和蓄热介质的分离，同时将蓄热介质划分若干区域，按照传热介质流经的区域，依次进行蓄热，只有当前一区域蓄热接近饱和，才会进行下一区域的蓄热；对应放热过程是蓄热的逆变过程，当前一区域热量接近取空，才会到下一区域取热。因此上述装置具有热量可用率（Exergy）高，热量可用率（Exergy）损失小，放热过程取热温度稳定，熔盐使用量小，施工难度低等方面的优点。该装置还利用了蓄热介质固液转换的相变蓄热，如果将蓄热温度范围设定到蓄热介质熔点以上，虽然无法利用蓄热介质相变蓄热，但是同样能在蓄热过程中具备温度梯度，实现高热量可用率和稳定的取热温度。

但是，仅仅将上述具备温度梯度的蓄热装置结合到太阳能热利用系统中的话，放热过程取热做功为单循环，水从蓄热装置取热后转化为高温高压蒸汽，做功后蒸汽直接进入冷凝器。由于取热后的蒸汽温度-压力高，导致从高压缸出来的过热蒸汽依然具备较高的热量和压力，却没办法再次进入温度梯度相变蓄热器取热，变成可供中、低压合缸利用的过热蒸汽，从而使系统热能没有被最大限度的利用，因此系统效率还有进一步提升的空间。

此外，一般的相变蓄热器储热介质温度较高，换热管需要使用不锈钢制造，设备成本也较高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有太阳能热利用系统取热做功后热能损失较大，存在进一步提升的空间的问题，提出一种再热太阳能热利用系统，以及该系统的运行方式。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种再热太阳能热利用系统，包括蓄热循环和放热循环，蓄热循环回路包括水箱，水箱通过回水循环泵连接汽包，汽包出水口经强制循环泵连接太阳能蒸发加热器、并回流至汽包形成蒸发循环，汽包出汽口连接太阳能过热加热器继而连接蓄热装置蓄热进口，蓄热装置蓄热出口连接至水箱回流，所述蓄热装置至少并联设置两组，单组蓄热装置包括过热蓄热器、再热蓄热器和蒸发蓄热器，过热蓄热器和再热蓄热器并联后与蒸发蓄热器串联，过热蓄热器和再热蓄热器位于蓄热进口一侧，蒸发蓄热器位于蓄热出口一侧；

完成蓄热后的蓄热装置参与放热循环，放热循环沿循环方向依次串联凝汽器、凝结水泵、低压加热器、除氧器，给水泵、高压加热器、蒸发蓄热器、过热蓄热器、高压缸、再热蓄热器、中低压合缸、然后回流至凝汽器；

蓄热装置中的过热蓄热器、再热蓄热器和蒸发蓄热器在蓄热循环和放热循环中进出口方向相反。

汽包中的水利用输水管道经过太阳能蒸发加热器加热，产生的汽水混合物再回到汽包，汽包出汽进入太阳能过热加热器进一步加热形成高温蒸汽进入蓄热装置，蓄热完成后重新变为液相回流至回水箱。系统至少包括两组蓄热装置，当其中一组蓄热装置蓄热完毕，则切换到另一蓄热装置进行蓄热。此时，可以根据需要对蓄热完毕的蓄热装置进行热利用。每组蓄热装置在蓄热和放热这两个状态间切换运行。多组蓄热装置可以交替进行蓄热和放热，保证热能的持续供应。每组蓄热装置分为过热蓄热器、再热蓄热器和蒸发蓄热器分别蓄热，效果如下：1、放热过程中过热蒸汽可以从过热蓄热器一次取热对高压缸做功后，再从再热蓄热器进行再热对中低压合缸进行二次做功，提高了系统的热利用率；2、利用过热蓄热器、再热蓄热器进行高温蓄热，蒸发蓄热器进行低温蓄热，将整组蓄热装置的温度跨度分为两段，能提高二次做功过程中热量利用率，例如整组蓄热装置蓄热前后温度变化区间为180～560℃，过热蓄热器和再热蓄热器温度变化区间为330～560℃，蒸发蓄热器温度变化区间为180～330℃，而过热蒸汽对高压缸做功后温度下降至315℃，无法从温度低于自身的蓄热介质中取热，此时从再热蓄热器取热时，能使再热蓄热器在设定的温度变化区间内运行，完全利用蓄热过程储存的热量，如果直接从温度跨度为180～560℃的蓄热器中取热，蓄热器储存的热量就无法完全利用，造成能量利用率降低，同时蒸发蓄热器的运行温度低，对材料和结构要求也较低，能降低整组蓄热装置的运行成本。

作为优选，所述过热蓄热器、再热蓄热器和蒸发蓄热器均为具有温度梯度的蓄热器，分别分隔成依次串联的若干蓄热区域。采用具有温度梯度的蓄热器，能提高热利用率，并保持稳定的取热温度。

作为优选，所述蒸发蓄热器还并联有从过热蓄热器和再热蓄热器出口直联水箱的旁路。蓄热过程中完成过热蓄热器和再热蓄热器换热的过热蒸汽可以直接从旁路回到水箱，保证水箱中的水具有足够的初始温度，保证整个蓄热循环的正常运行。

作为优选，蓄热循环和放热循环的传热介质为水，蓄热介质为熔盐，蓄热进口的传热介质温度高于熔盐的熔点、蓄热出口的传热介质温度低于熔盐的熔点。保证整组蓄热装置中，或者是过热蓄热器和再热蓄热器，或者是蒸发蓄热器，能利用熔盐的相变进行蓄热，提高蓄热量。

作为优选，所述过热蓄热器和再热蓄热器设有换热管，换热管内流通传热介质，换热管外为蓄热介质，过热蓄热器和再热蓄热器换热管使用不锈钢材料。

作为优选，所述蒸发蓄热器设有换热管，换热管内流通传热介质，换热管外为蓄热介质，蒸发蓄热器换热管使用碳钢材料。 

一种再热太阳能热利用系统的运行方式，其特征在于：蓄热过程为：水箱中水经过回水循环泵加压后进入汽包，和汽包中的循环水混合后再经强制循环泵加压进入蒸发加热器加热成汽水混合物后回到汽包进行汽水分离，分离后的饱和蒸汽进入过热加热器加热为过热蒸汽，过热蒸汽进入其中一组蓄热装置，先给该蓄热装置的过热蓄热器和再热蓄热器蓄热后降温，降温后的过热蒸汽再给蒸发蓄热器蓄热，蓄热后凝结为热水回到水箱，一组蓄热装置蓄热完成后切换另一组蓄热装置进行蓄热；

完成蓄热后的其中一组蓄热装置进行放热循环，放热过程为：凝汽器中出来的水，经过凝结水泵、低压加热器、除氧器、给水泵、高压加热器处理后的热水，进入蒸发蓄热器取热,接着进入过热蓄热器再加热形成高温高压过热蒸汽，进入高压缸做功后变为中压过热蒸汽且温度降低，中压过热蒸汽再进入再热蓄热器取热升温形成中压高温过热蒸汽，进入中低压合缸做功，中低压合缸做功后的蒸汽压力再次降低最后回到凝汽器。

作为优选，蓄热过程中，给过热蓄热器和再热蓄热器蓄热后降温的过热蒸汽其中一部分给蒸发蓄热器蓄热，另一部分降温的过热蒸汽从旁路直接回到水箱保持水箱中的初始水温。

作为优选，蓄热过程和放热过程分别在不同组的蓄热装置中同时进行。

作为优选，在过热蓄热器和再热蓄热器中的熔盐是液态熔盐，不发生相变，蒸发蓄热器中的熔盐在蓄热或放热过程中固液相变，相应的在过热蓄热器和再热蓄热器中传热介质也不发生相变，蒸发蓄热器中传热介质发生汽液相变。

本发明太阳能热利用系统优势在于：1、放热过程中进行再热做功，二次做功完成后的蒸汽压力和温度低，热量得到更高的利用。2、蓄热装置中设置三个不同作用的蓄热器，使传热介质在两次做功过程中从不同的蓄热器进行取热，两次取热互不干扰，运行稳定；同时利用三个蓄热器的并联和串联将蓄热温度区间划分成两段，提高了再热过程的热利用率。

附图说明

图1是本发明一种结构示意图。

图2是本发明A组蓄热装置蓄热过程示意图。

图3是本发明B组蓄热装置放热过程示意图。

图中：1—水箱，2—回水循环泵，3—汽包，4—强制循环泵，5—太阳能蒸发加热器，6—太阳能过热加热器，7—A过热蓄热器，8—A再热蓄热器，9—A蒸发蓄热器，10—凝汽器，11—凝结水泵，12—低压加热器，13—除氧器，14—给水泵，15—高压加热器，16—B蒸发蓄热器，17—B过热蓄热器，18—B再热蓄热器，19—高压缸，20—中低压合缸。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。

实施例：一种再热太阳能热利用系统，如图1所示。本装置采用水作为传热介质，采用熔盐作为蓄热介质（主要成分为硝酸钠），熔点为308℃。本装置连接结构如图1所示，包括蓄热循环和放而循环。蓄热循环连接关系如下，水箱1通过回水循环泵2连接汽包3，汽包通过强制循环泵4连接太阳能蒸发加热器5，并回流至汽包形成蒸发循环，汽包出汽口连接太阳能过热加热器6，太阳能过热加热器连接至蓄热装置蓄热进口，蓄热装置蓄热出口连接回水箱；蓄热装置设有两组以上并相互并联，依次为A组蓄热装置、B组蓄热装置等。各组蓄热装置结构相同，内部与外部的连接关系也相同。以A蓄热装置为例，包括A过热蓄热器7、A再热蓄热器8和A蒸发蓄热器9。沿蓄热过程循环方向，A过热蓄热器7和A再热蓄热器8并联，然后与A蒸发蓄热器9串联，A蒸发蓄热器9还并联有从A过热蓄热器7和A再热蓄热器8直联水箱1的旁路。B组蓄热装置于A组蓄热装置连接关系相同。

放热循环和蓄热循环过程中，蓄热装置的进出口方向相反。放热循环以B组蓄热装置举例，循环回路依次为：凝结水泵11、低压加热器12、除氧器13、给水泵14、高压加热器15、B蒸发蓄热器16、B过热蓄热器17、高压缸19、B再热蓄热器18、中低压合缸20，最后回到凝汽器10。

蓄热过程如图2所示，图2中实线表示蓄热相关的回路，虚线为放热相关但与蓄热不相关的部分回路。蓄热过程以A组蓄热装置为例，水箱1中305℃热水经过回水循环泵2加压后进入汽包3，和汽包中循环水混合后再经强制循环泵4加压后进入蒸发加热器5加热成318℃汽水混合物后回到汽包3进行汽水分离，之后318℃的饱和蒸汽进入过热加热器6加热成560℃的过热蒸汽，再进入A过热蓄热器7和A再热蓄热器8，给液态熔盐蓄热后降温成330℃的过热蒸汽，该参数的蒸汽一部分进入A蒸发蓄热器9，给熔盐蓄热后降温变成180℃的热水回到水箱1；为了使水箱1中水温度达到305℃，另一部分蒸汽通过旁路直接到水箱1。A组蓄热装置蓄热完成后切换B组蓄热装置蓄热，同时A组蓄热装置可进行放热过程。

放热过程如图3所示，图3中实线部分为放热相关回路，虚线部分为蓄热相关但与放热无关的部分回路。放热过程以B组蓄热装置为例：凝汽器10中出来的0.005MPa凝结水，经过凝结水泵11、低压加热器12、除氧器13、给水泵14、高压加热器15处理后变成8.83MPa、180℃热水，进入B蒸发蓄热器16取热变成8.83MPa、315℃过热蒸汽,接着进入B过热蓄热器17取热变成8.83MPa、535℃过热蒸汽，进入高压缸19做功后变成2MPa、310℃过热蒸汽，再次进入B再热蓄热器18取热变成2MPa、535℃过热蒸汽，进入中、低压合缸20做功后变成0.005MPa湿蒸汽，最后回到凝汽器10。B组蓄热装置放热完成后切换A组蓄热装置放热，同时B组蓄热装置可进行蓄热过程。

过热蓄热器和再热蓄热器温度变化区间为330～560℃，蒸发蓄热器温度变化区间为180～330℃。

A组蓄热装置完成蓄热，B组蓄热装置完成放热后，可进行蓄热、放热功能转换，达到持续蓄热和持续放热的目的，同时可以并联C组蓄热装置，D组蓄热装置……等更多的蓄热装置组，满足蓄热放热不平衡状态下的使用需求。