一种基于双腔体式集热器的高效塔式太阳能热发电系统及方法

摘要

本发明属于太阳能光热发电技术领域，具体涉及一种基于双腔体式集热器的高效塔式太阳能热发电系统。现有的塔式太阳能热发电系统的热效率较低。本发明包括集热塔，其特点是：还包括近太阳定日镜场，远太阳定日镜场，安装在集热塔顶部的汽水分离器，以及安装在集热塔上的上腔体式集热器和下腔体式集热器；近太阳定日镜场、集热塔和远太阳定日镜场在水平方向上依次排列；上腔体式集热器的入口与给水管道连通，上腔体式集热器的出口连接到汽水分离器的入口；汽水分离器的饱和蒸汽出口连接到下腔体式集热器的入口，该汽水分离器的饱和水出口连接到给水管道上，下腔体式集热器的出口与过热蒸汽管道连通。本发明系统热效率高，提高系统聚焦的准确度。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光热发电技术领域，具体涉及一种基于双腔体式集热器的高效塔式太阳能热发电系统及方法。

背景技术

塔式太阳能热发电是太阳能热发电的形式之一，其系统本质上是一种集中式系统。大量大型反射镜构成的定日镜场布置在开阔的场地上，各个反射镜都匹配相应的跟踪系统，精确反射太阳辐射光聚焦到布置在高塔顶部的集热器上，将光能转换成热能，直接或间接得到高温高压的水蒸汽，最后通过汽轮机做功，产生电能。

塔式太阳能热发电系统中，集热器是电站的主要设备。目前塔式电站集热器根据几何结构主要有两种形式：外置圆柱式集热器和腔体式集热器。外置圆柱式集热器的优点是充分利用吸收塔四周的土地面积，提高土地的使用率和聚光比；缺点是高温集热器直接暴露在空气中与外界辐射损失和对流损失较大。腔体式集热器的优点是基于黑体小孔原理，光线通过集热器开口进入集热器内后基本不会反射出去，并且集热器内的吸热管不会直接暴露在空气中，辐射和对流损失小；缺点是其相应定日镜场的跟踪控制系统复杂，且只能是扇形布置，集热器背面的区域无法利用。

在采用水/蒸汽作为传热介质的电站中，给水在集热器中历经预热——蒸发——过热三个过程变为高温高压的过热蒸汽。当采用外置圆柱式集热器时，集热器本身热损失大；并且预热——蒸发——过热三个过程通过单程模式完成，导致系统启动复杂；当采用腔体式集热器时，通常采用汽包将蒸发和过热过程分开，但三个过程集中在一个腔体内，电站定日镜场的跟踪控制系统复杂，并且很难单独准确控制蒸发区域和过热区域集热器吸热管表面的辐射能量，同时其启动时间较长。

现在也有其他结构的塔式太阳能热发电系统，如专利号为US8，181，641的美国专利中，公开了一种直接产生过热蒸汽的塔式电站系统，采用腔体式集热器，设置蒸发器和过热器作为独立的换热器，提高集热器内的水动力稳定性；但是此结构电站容量受到集热器开口大小限制，当增大电站容量时，只能将更多的定日镜放置到距离集热塔更远的位置，则势必加大定日镜场的跟踪控制系统难度，且远处的定日镜余弦效率较低导致整个定日镜场的效率降低。又如公开日为2015年05月13日，公开号为CN104612920A的中国专利中，公开了一种塔式太阳能高低温互补发电系统，该塔式太阳能高低温互补发电系统包括高温发电系统和低温补偿系统，高温发电系统包括高塔、设置在高塔顶端的太阳能接收器、汽轮发电机、凝汽器和定日镜，定日镜将太阳光反射到太阳能接收器上，太阳能接收器将接收到的太阳光转变为高温热能，虽然能大幅减少投资和运行成本，节约用地，但是热效率不高，且系统聚焦的准确度不高。

综上所述，目前还没有一种采用腔体式集热器使得系统辐射和对流散热损失小，提高系统热效率；同时充分利用集热塔四周的土地面积，合理布局定日镜场的占地面积，提高系统聚焦的准确度的塔式太阳能热发电系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种基于双腔体式集热器的高效塔式太阳能热发电系统及方法，采用腔体式集热器使得系统辐射和对流散热损失小，提高系统热效率；同时充分利用集热塔四周的土地面积，提高定日镜场的效率并降低定日镜场的跟踪控制难度；合理布局定日镜场的占地面积，提高系统聚焦的准确度，增强集热器内吸热管表面辐射能量的均匀分布。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该基于双腔体式集热器的高效塔式太阳能热发电系统包括集热塔，其结构特点在于：还包括近太阳定日镜场，远太阳定日镜场，安装在集热塔顶部的汽水分离器，以及安装在集热塔上且在高度方向上呈上下布置的上腔体式集热器和下腔体式集热器；所述近太阳定日镜场、集热塔和远太阳定日镜场在水平方向上依次排列，所述上腔体式集热器的入口与给水管道连通，该上腔体式集热器的出口连接到汽水分离器的入口，所述汽水分离器的饱和蒸汽出口连接到下腔体式集热器的入口，该汽水分离器的饱和水出口连接到给水管道上，所述下腔体式集热器的出口与过热蒸汽管道连通。

作为优选，本发明所述下腔体式集热器的开口朝向太阳的一侧，所述上腔体式集热器的开口背向太阳的一侧。

作为优选，本发明所述下腔体式集热器和近太阳定日镜场配合用于吸收近太阳定日镜场聚焦的太阳辐射能量；所述上腔体式集热器和远太阳定日镜场配合用于吸收远太阳定日镜场聚焦的太阳辐射能量。

作为优选，本发明所述上腔体式集热器为蒸汽蒸发器，所述下腔体式集热器为蒸汽过热器。

作为优选，本发明所述远太阳定日镜场的占地面积大于近太阳定日镜场的占地面积。

作为优选，本发明所述下腔体式集热器的开口位置通过玻璃板密封，所述上腔体式集热器的开口位置通过玻璃板密封。

作为优选，本发明所述集热塔为钢结构塔或钢筋混凝土塔。

作为优选，本发明所述近太阳定日镜场和远太阳定日镜场呈单独分布，该近太阳定日镜场和远太阳定日镜场位于集热塔周围南北布置。

作为优选，本发明所述下腔体式集热器和上腔体式集热器被集热塔架到较高位置。

一种采用所述的基于双腔体式集热器的高效塔式太阳能热发电系统的发电方法，其特点在于：所述发电方法的步骤如下：采用水作为传热工质，通过两级太阳能腔体式集热器将太阳能转换为热能，上腔体式集热器为蒸汽蒸发器，主要功能是将低温给水预热和蒸发加热成为具有一定干度的饱和蒸汽，需要大量的热量；在水平方向上，分布在集热塔周围南北布置的近太阳定日镜场的定日镜余弦损失比远太阳定日镜场的定日镜大，因此将远太阳定日镜场和上腔体式集热器匹配，并将上腔体式集热器布置在较高位置以便于适应较大的定日镜场，提高其聚光比，以此得到大量的热量用于低温给水预热和蒸发；而下腔体式集热器为蒸汽过热器，主要功能是将饱和蒸汽转换为过热蒸汽，需要的热量较少，因此将近太阳定日镜场和下腔体式集热器匹配，且近太阳定日镜场的占地面积无需很大，以保证系统的安全性。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1）充分利用腔体式集热器辐射和对流散热损失小的优势，将蒸发段和过热段分别布置在独立的两个集热器内，增强集热器内水动力稳定性，并减小集热器的几何尺寸，进一步降低辐射和对流散热损失，提高集热器的热效率；2）设计远太阳定日镜场和近太阳定日镜场分别反射太阳光线到上腔体式集热器和下腔体式集热器，充分利用集热塔四周的土地面积，避免出现距离集热塔过远导致余弦损失很大的定日镜，提高定日镜场的效率并降低定日镜场的跟踪控制难度；3）根据上腔体式集热器和下腔体式集热器内传热工质需要的能量合理布局远太阳定日镜场和近太阳定日镜场的占地面积，提高系统聚焦的准确度，增强集热器内吸热管表面辐射能量的均匀分布。

附图说明

图1是本发明实施例中基于双腔体式集热器的高效塔式太阳能热发电系统的结构示意图。

图2是本发明实施例中基于双腔体式集热器的高效塔式太阳能热发电方法的汽水流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1至图2，本实施例中基于双腔体式集热器的高效塔式太阳能热发电系统包括集热塔1，近太阳定日镜场6，远太阳定日镜场5，安装在集热塔1顶部的汽水分离器4，以及安装在集热塔1上且在高度方向上呈上下布置的上腔体式集热器3和下腔体式集热器2。

本实施例中的近太阳定日镜场6、集热塔1和远太阳定日镜场5在水平方向上依次排列，上腔体式集热器3的入口与给水管道连通，该上腔体式集热器3的出口连接到汽水分离器4的入口，汽水分离器4的饱和蒸汽出口连接到下腔体式集热器2的入口，该汽水分离器4的饱和水出口连接到给水管道上，下腔体式集热器2的出口与过热蒸汽管道连通。

本实施例中的下腔体式集热器2的开口朝向太阳的一侧，上腔体式集热器3的开口背向太阳的一侧。下腔体式集热器2和近太阳定日镜场6配合用于吸收近太阳定日镜场6聚焦的太阳辐射能量；上腔体式集热器3和远太阳定日镜场5配合用于吸收远太阳定日镜场5聚焦的太阳辐射能量。

本实施例中的上腔体式集热器3为蒸汽蒸发器，下腔体式集热器2为蒸汽过热器。远太阳定日镜场5的占地面积大于近太阳定日镜场6的占地面积。下腔体式集热器2的开口位置通过玻璃板密封，上腔体式集热器3的开口位置通过玻璃板密封。集热塔1为钢结构塔或钢筋混凝土塔。

本实施例中的近太阳定日镜场6和远太阳定日镜场5呈单独分布，该近太阳定日镜场6和远太阳定日镜场5位于集热塔1周围南北布置。下腔体式集热器2和上腔体式集热器3被集热塔1架到较高位置，此处所指的较高位置对于本领域技术人员而言为公知常识。

图2给出了本实施例中基于双腔体式集热器的高效塔式太阳能热发电系统的汽水流程图。如图2所示，上腔体式集热器3的入口与给水管道连通，上腔体式集热器3的出口连接到汽水分离器4的入口，汽水分离器4的饱和蒸汽出口连接到下腔体式集热器2的入口，汽水分离器4的饱和水出口连接到给水管道，下腔体式集热器2的出口与过热蒸汽管道连通。

本实施例中采用基于双腔体式集热器的高效塔式太阳能热发电系统的发电方法的步骤如下：采用水作为传热工质，通过两级太阳能腔体式集热器将太阳能转换为热能，上腔体式集热器3为蒸汽蒸发器，主要功能是将低温给水预热和蒸发加热成为具有一定干度的饱和蒸汽，需要大量的热量；在水平方向上，分布在集热塔1周围南北布置的近太阳定日镜场6的定日镜余弦损失比远太阳定日镜场5的定日镜大，因此将远太阳定日镜场5和上腔体式集热器3匹配，并将上腔体式集热器3布置在较高位置以便于适应较大的定日镜场，提高其聚光比，以此得到大量的热量用于低温给水预热和蒸发；而下腔体式集热器2为蒸汽过热器，主要功能是将饱和蒸汽转换为过热蒸汽，需要的热量较少，因此将近太阳定日镜场6和下腔体式集热器2匹配，且近太阳定日镜场6的占地面积无需很大，以保证系统的安全性。

本实施例基于双腔体式集热器的高效塔式太阳能热发电系统中，太阳光线通过远太阳定日镜场5反射聚焦到上腔体式集热器3的吸热管上，通过近太阳定日镜场6反射聚焦到下腔体式集热器2的吸热管上。上腔体式集热器3的入口与给水管道连通，上腔体式集热器3的出口连接到汽水分离器4的入口，汽水分离器4的饱和蒸汽出口连接到下腔体式集热器2的入口，汽水分离器4的饱和水出口连接到给水管道，下腔体式集热器2的出口与过热蒸汽管道连通，充分利用腔体式集热器辐射和对流散热损失小的优势，将蒸发段和过热段分别布置在独立的两个集热器内，增强集热器内水动力稳定性，并减小集热器的几何尺寸，进一步降低辐射和对流散热损失，提高集热器的热效率；设计远太阳定日镜场5和近太阳定日镜场6分别反射太阳光线到上腔体式集热器3和下腔体式集热器2，充分利用集热塔1四周的土地面积，避免出现距离集热塔过远导致余弦损失很大的定日镜，提高定日镜场的效率并降低定日镜场的跟踪控制难度；根据上腔体式集热器3和下腔体式集热器2内传热工质需要的能量合理布局远太阳定日镜场5和近太阳定日镜场6的占地面积，提高系统聚焦的准确度，增强集热器内吸热管表面辐射能量的均匀分布。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。