高温水储热光热发电系统

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种高温水储热光热发电系统。

背景技术

太阳能作为一种清洁且可再生的能源，在资源日益匮乏的今天越来越受到重视，太阳能发电及储能的技术也日益受到关注。目前太阳能发电一种常用的发电方式为光伏发电，光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成。光伏发电具有设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便的优点。

然而，太阳能存在的一大问题是其不稳定性，不同时刻的外界气候条件会导致发电量的大幅波动，这对并网运行或是与用户需求的匹配都造成了很大的负面影响。

太阳能发电的另一种常用发电方式为光热发电，光热发电是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热介质向工作介质提供热量，形成蒸汽，然后通过蒸汽带动传统汽轮发电机，达到发电的目的。

采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。而且，这种形式的太阳能利用还可以将热量通过介质储存在巨大的容器中，在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。

然而目前的光热发电均是采用熔盐或导热油作为换热介质向工作介质提供热量，无论用在塔式还是槽式发电，都存在作为循环介质，使用过程复杂，应用成本高，易腐蚀设备，找到理想溶点熔盐困难；导热油则存在易老化、成本高、有污染，且二介质发电均需二次换热，能量损失大。水作为换热做功介质，最早被应用于塔式和槽式光热发电，而且应用于直接发电，具有流程短、热效率高、成本低的优点。但存在水作为蓄热介质，需要极高压力条件下得到一定的蓄热量，所以水储热一直没能应用于光热发电储能。目前无论是塔式和槽式都是以熔盐和导热油为主进行储热，至少有两次至三次热交换发电。这样就导致了整个发电系统复杂，换热效率低，成本高，相应故障率高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种高温水储热光热发电系统，以解决上述背景技术中存在的一个或多个技术问题，例如换热介质与工作介质之间热交换的能量损失大，太阳能转化效率低、成本高等技术问题。

本发明为解决上述问题，提出以下技术方案：

第一、采用水介质作为光热发电系统吸热、传热、储热，做功介质以上功能由水介质全部完成，尤其是白天太阳能充足的时候，系统直接产生高温蒸汽，效率高。第二、采用热水储能，针对高温高压水较高压力、采用金属容器来储存，并且采用小单元金属容器并联或串联，存储热水，金属容器可做成圆柱形或球型，这样就可解决原来储热水容器容量小的问题。

为实现上述技术方案，本发明提供了一种高温水储热光热发电系统，包括聚光集热单元、储热单元及发电单元；

所述聚光集热单元包括聚光镜及跟踪系统组成的跟踪聚光镜、至少一个吸热器和低温水存储器，每个吸热器至少有一个对应的跟踪聚光镜来提供聚集的太阳能光热，低温水存储器的出口分别与相应吸热器的入口连通；

所述储热单元包括多个高温高压储水储热器；所述吸热器的出口与高温高压储水储热器的底端入口连通；高温高压储水储热器的顶端出口与高压汽轮机的入口连通；高温高压储水储热器的另一出口与低温水存储器的出口连通；

所述发电单元包括汽轮机、发电机、冷凝器、冷却塔、平衡储汽罐，所述汽轮机入口通过平衡储汽罐与相应吸热器出口相连；所述汽轮机出口连接发电机做功，并与冷凝器和冷却塔相连通，所述平衡储汽罐另一端与高温高压储水储热器相连通。

所述高温高压储水储热器由金属材料制成，耐压25MPa，耐高温370摄氏度。

所述冷凝水存储器还设有用以抽真空的真空泵，所述冷凝器外设有给冷凝器提供冷量的冷却塔。

净化过的纯水从净化补水器通过水泵和阀门补水至所述低温水存储器；再由水泵、阀门及控流阀进入所述吸热器，所述吸热器出口设有传感器，所述传感器控制控流阀流量；在吸热器中水介质被加热成高温水、蒸汽或过热蒸汽。

所述水介质在所述吸热器中被加热产生蒸汽直接进行发电，经阀门进入所述平衡储汽罐和汽轮机后，由汽轮机带动发电机发电，发电后的低温蒸汽在所述冷凝器冷凝为水后，进入冷凝水存储器，并经水泵和阀门输送至所述低温水存储器，完成一个直接发电循环。

储热时水介质在所述吸热器中被加热成蒸汽或高温水，所述蒸汽或高温水从所述吸热器进入所述储热单元进行热能存储；所述储热单元的所述高温高压储水储热器内的水，还能够经水泵和阀门再次送入吸热器进行加热并输送回所述高温高压储热装置，直至高温高压水达到临界饱和状态或控制要求。

所述高温高压储水储热器连接平衡储汽罐的一端，所述高温高压储水储热器内的高温水产生的高温蒸汽经所述平衡储汽罐后进入所述汽轮机，驱动所述汽轮机发电，发电后的低温蒸汽经冷凝后进入冷凝水存储器，并由水泵重新输送至所述低温水存储器。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：本发明高温水储热光热发电系统直接采用水同时作为换热介质及工作介质，能够避免换热介质与工作介质之间热交换的能量损失，提高热利用效率，同时还可采用高温高压水介质进行储能，具有规模大、成本低、环保等优点，能够将可再生能源发出的不稳定电能转化为稳定、可控的优质电能，有效解决电力调峰储能问题，提升电力系统效率、稳定性、安全性，达到了有益的技术效果。

附图说明

图1为本发明高温水储热光热发电系统发电储能过程的控制流程图；

图2为本发明发电储能过程的系统拓扑图；

图3为本发明发电过程的控制流程图；

图4为本发明发电过程的系统拓扑图；

图5为本发明储能过程的控制流程图；

图6为本发明储能过程的系统拓扑图；

图7为本发明先储能后发电过程的控制流程图；

图8为本发明先储能后发电过程的系统拓扑图。

附图标记说明：

1-1、1-2-跟踪聚光镜；2-1、2-2-吸热器；3-汽轮机；4-冷凝器；5-低温水存储器；6-发电机；7-高温高压储水储热器；8-净化补水器；9-冷却塔；10-冷凝水存储器；11、12、13、14-水泵；15-真空泵；21、22-控流阀；23、24、25、26、27、28、29、30、33、34、35-阀门；31、32-传感器；40-平衡储汽罐。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

本发明的高温水储热光热发电系统，包括聚光集热单元、储热单元及发电单元；所述聚光集热单元包括聚光镜及跟踪系统组成的跟踪聚光镜、至少一个吸热器和低温水存储器，每个吸热器至少有一个对应的跟踪聚光镜来提供聚集的太阳能光热，低温水存储器的出口分别与相应吸热器的入口连通；所述储热单元包括多个高温高压储水储热器；所述吸热器的出口与高温高压储水储热器的底端入口连通；高温高压储水储热器的顶端出口与高压汽轮机的入口连通；高温高压储水储热器的另一出口与低温水存储器的出口连通；所述发电单元包括汽轮机、发电机、冷凝器、冷却塔、平衡储汽罐，所述汽轮机入口通过平衡储汽罐与相应吸热器出口相连；所述汽轮机出口连接发电机做功，并与冷凝器和冷却塔相连通，所述平衡储汽罐另一端与高温高压储水储热器相连通。

参考图1、2所示的本发明高温水储热光热发电系统，包括顺次相连的净化补水器8、低温水存储器5、吸热器2-1、平衡储汽罐40、汽轮机3、冷凝器4及冷凝水存储器10。冷凝水存储器10出水口连接低温水存储器5进水口。

在净化补水器8与低温水存储器5之间顺次设有水泵11及阀门23，在低温水存储器5与吸热器2-1之间顺次设有水泵12及阀门24，在冷凝水存储器10与低温水存储器5之间顺次设有水泵14及阀门27，在吸热器2-1与汽轮机3之间设有阀门25。

低温水存储器5出水的另一路通过吸热器2-2连接高温高压储水储热器7的下端入口，高温高压储水储热器7的上端出口通过阀门26连接汽轮机3的入口。高温高压储水储热器7另一出口顺次通过水泵13和阀门28连接吸热器2-2。

聚光镜1-1向吸热器2-1提供热量Q1，聚光镜1-2向吸热器2-2提供热量Q2，汽轮机3推动发电机6做功W，做功后的剩余热量Q3通过冷凝器4向冷却塔9散热。

其中，在净化补水器8出水口的水泵11为补液泵，以向系统补充损失的水量。在低温水存储器5出水口的水泵12为高压泵，以提供足够输送压力。在冷凝器存储器10处还设有真空泵15用以抽真空，避免负压系统内有空气泄入。

在吸热器2-1进水口处设置有控流阀21，传感器31检测吸热器2-1出水口的输出温度，控流阀21根据该输出温度控制进水量的大小。同样的，在吸热器2-2进水口处设置有控流阀22，传感器32检测吸热器2-2出水口的输出温度，控流阀22根据该输出温度控制进水量的大小。高温高压储水储热器7上同样设有传感器，检测高温高压储水储热器7内水温、水位和压力。

聚光镜1向吸热器2提供热量Q1，汽轮机3推动发电机6做功W，做功后的剩余热量Q2通过冷凝器4向冷却塔9散热。在没有热量损耗的情况下，Q1=W+Q2。

所述净化补水器8内为经过处理的纯净水，所述高温高压储水储热器采用钢铁等金属材料制成，耐压25MPa以上，耐高温370℃以上。

首次使用时，从净化补水器8向低温水存储器5输送纯净水。在后续使用时，在存在纯净水消耗时，净化补水器8向低温水存储器5补充纯净水。

如图3、4所示，在系统储存有足够热量，且光照良好的情况下，本发明的储能发电系统可以进入直接做功模式。在此情形下，工作介质的循环不经过高温高压储水储热器7，而是在吸热器2吸取了足够的热量之后，直接进入汽轮机3做功。

具体的循环方式为：低温水存储器5内的低温水输送到吸热器2-1。通过聚光镜1-1向吸热器2内的低温水输送太阳能热量产生高温水。该高温水产生的蒸气进入平衡储汽罐40，避免蒸气对后续设备形成冲击。平衡储汽罐40内的蒸气进入汽轮机3，推动发电机6做功。做功后的水进入冷凝器4内，并通过冷却塔9释放剩余热量。放热后的低温水从冷凝器4进入冷凝水存储器，然后回到低温水存储器5中，完成做功循环。

如图5、6所示，在系统需要存储热量，且光照良好的情况下，本发明的储能发电系统可以进入储能模式。在此情形下，吸热器2-2内吸取了足够热量的高温水进入高温高压储水储热器7，用于热量存储。储能循环的具体方式为：吸热器2-2通过聚光镜1-2吸收热量，将吸热器2-2内的水加热成为高温水。高温水从高温高压储水储热器7下部进入高温高压储水储热器7内存储能量。高温高压储水储热器7内的低温水进入吸热器2-2内加热，完成储能循环。

如图7、8所示，在夜晚、雨天等太阳光照不足的情形下，本发明的储能发电系统可以进入放能做功模式，通过之前储存在高温高压储水储热器7内的高温介质通过汽轮机3推动发电机6工作。在这种情形下具体的循环方式为：开启阀门26，高温高压储水储热器7内储存的高温水以水蒸汽的形式从高温高压储水储热器7上部经平衡储汽罐40进入汽轮机3中，产生蒸汽推动发电机6工作。工作后产生的低温水经冷凝器4和冷凝水存储器后进入低温水存储器5。低温水存储器5内的低温水回到高温高压储水储热器7内，开始下一轮循环。

通过上述系统结构的搭建以及多种循环方式的设置，本发明的储能发电系统不仅可以用于光照良好的条件下，同时也可以用于夜间、阴雨天等光照不良的条件下。通过将吸热器内的工作介质直接用于汽轮机做功，避免了吸热介质与工作介质之间的热量交换过程，减少了过程中的能量损耗，提高了太阳能的利用效率。

需要说明的是，在本申请的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。