一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统

技术领域

本发明涉及供蒸汽技术领域，具体涉及一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统。

背景技术

随着工业发展和能源消费的快速增长，能源安全和环境污染问题日益严重，国家的环保力度不断加大，全国各地对燃煤锅炉采取整改行动取得了显著的效果，大力推进清洁生产、调整能源结构是必然趋势。太阳能具有无污染、辐射功率巨大、取之不尽用之不竭的优点，采用太阳能产生蒸汽是一种安全、可靠、环保的方式，可解决散煤的污染、存储等问题，但太阳能存在间歇性、不稳定性输出等的问题，因此，如何将太阳能存储、持续稳定输出热量已成为人们特别关注的问题。

目前的太阳能供蒸汽装置存在供蒸汽不稳定、蓄热密度小、经济性较差等问题。如发明专利“太阳能蒸汽系统”(CN103672831A)公开了一种太阳能供蒸汽系统，该系统采用了太阳能光热利用为主，电热为辅的锅炉供蒸汽系统，但未配备储能装置，运行经济性较差。发明专利“一种采用熔盐储热储热的储能式太阳能蒸汽锅炉及其制备蒸汽的方法”(CN104266158A)公开了一种熔盐储热式太阳能锅炉，该锅炉采用双罐熔盐进行储热，存在储热温差小、系统蓄热量低造价高等问题，不利于产品推广。发明专利“一种单罐熔盐蓄热式电热蒸汽锅炉”(CN201710438437.7)、“一种熔盐电加热炉”(CN201610916417.1)公开了一种单罐熔盐蓄热式电蒸汽锅炉，该系统采用斜温层原理进行储放热，在蓄/放热过程中依然存在上下部温差大、局部过热、储热密度低、熔盐材料充/放热不充分等问题，进而导致系统蓄热量/放热量低、系统不稳定和造价高等问题。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，旨在提供一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统，能够持续稳定供应蒸汽，熔盐蓄热槽内部温度场更均匀，解决了熔盐储热系统内部温差大、充放热不完全、储热密度低等问题。

具体技术方案如下：

一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统，主要包括：太阳能集热器、电加热装置、熔盐蓄热槽、供蒸汽装置和补水装置；

所述熔盐蓄热槽包括集箱，所述集箱内设置有至少一个换热管，所述换热管一端与第一管相连通，另一端与第二管相连通，所述换热管按照高温段和低温段相互间隔盘绕，所述集箱与所述换热管之间填充有熔盐储热材料；

所述太阳能集热器、所述电加热装置分别与所述熔盐蓄热槽的所述第一管、所述第二管连接形成第一回路；

所述太阳能集热器、所述电加热装置和所述供蒸汽装置形成第二回路；

所述熔盐蓄热槽的所述第一管、所述第二管分别与所述供蒸汽装置的两端相连接形成第三回路；

所述供蒸汽装置还分别与所述补水装置、热用户相连接。

上述的一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统中，还具有这样的特征，所述第一回路中，所述电加热装置和所述熔盐蓄热槽的所述第一管之间依次串联有第一截止阀和第一传热介质泵，所述第一传热介质泵内的传热介质流向所述熔盐蓄热槽。

上述的一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统中，还具有这样的特征，所述第二回路中，所述第一传热介质泵与所述供蒸汽装置之间还串联有第三截止阀。

上述的一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统中，还具有这样的特征，所述第三回路中，所述熔盐蓄热槽的所述第一管与所述供蒸汽装置之间串联有第四截止阀，且所述第四截止阀还并联有第二传热介质泵，所述第二传热介质泵内的传热介质流向所述供蒸汽装置。

上述的一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统中，还具有这样的特征，所述熔盐蓄热槽的所述第二管还与第二截止阀串联。

上述的一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统中，还具有这样的特征，所述换热管上设置有换热加强结构，所述换热加强结构为翅片管，所述翅片管的外边缘形状可以为圆形、方形或者六边形。

上述的一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统中，还具有这样的特征，所述熔盐蓄热槽还设置有内循环泵。

上述的一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统中，还具有这样的特征，所述供蒸汽装置包括液液换热器和汽包，所述液液换热器一方面与所述汽包连通，所述液液换热器另一方面与所述电加热装置、所述熔盐蓄热槽相连接，所述汽包与外部热用户相连接。

上述的一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统中，还具有这样的特征，所述液液换热器与所述补水装置连接，所述补水装置包括水箱，所述水箱与所述液液换热器相连接，所述水箱与所述液液换热器之间串联有第六截止阀和循环水泵。

上述的一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统中，还具有这样的特征，所述电加热装置包括控制模块和加热模块，所述加热模块分别与所述太阳能集热器、所述熔盐蓄热槽连接，所述控制模块与所述加热模块并联设置且电性连接。

上述技术方案的积极效果是：

本发明提供的一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统：

1、能够持续稳定供应蒸汽，是一种集产热、储热、供热于一体的供蒸汽系统；

2、本系统储热槽内部换热管按照高温段和低温段相互间隔盘绕的方式，提高了熔盐储热材料与换热管之间的换热效率；

3、采用内循环泵搅拌蓄热槽内熔盐材料，蓄热槽内熔盐储热充放热更完全，内部温度场均匀，解决了熔盐储热系统内部温差大、充放热不完全、储热密度低等问题。

附图说明

图1为本发明提供的基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统的结构示意图；

图2为本发明提供的熔盐蓄热槽的立体结构示意图；

图3为本发明提供的熔盐蓄热槽的主视结构示意图。

附图中：1、太阳能集热器；2、电加热装置；21、控制模块；22、电加热模块；3、熔盐蓄热槽；31、集箱；311、外壳体；312、内壳体；313、保温层；32、换热管；33、第一管；34、第二管；35、熔盐储热材料；36、翅片管；37、内循环泵；4、供蒸汽装置；41、液液换热器；42、汽包；5、补水装置；51、水箱；61、第一截止阀；62、第二截止阀；63、第三截止阀；64、第四截止阀；65、第五截止阀；66、第六截止阀；67、第七截止阀；71、第一传热介质泵；72、第二传热介质泵；73、循环水泵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中为组件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1，图1为本发明提供的基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统的结构示意图。本发明公开了一种基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统，该系统包括：太阳能集热器1、电加热装置2、熔盐蓄热槽3、供蒸汽装置4和补水装置5。

太阳能集热器1、电加热装置2和熔盐蓄热槽3形成第一回路，太阳能集热器1、电加热装置2和供蒸汽装置4形成第二回路，熔盐蓄热槽3与供蒸汽装置4形成第三回路。

可选地，太阳能集热器1可以选用槽式、塔式、线性菲尼尔式太阳能光热聚集的太阳能集热装置，直接对传热介质进行加热；进一步地，的太阳能集热器1可以是不同槽式、塔式和线性菲尼尔式单个或多个组合，排布可以是集中式或分布式。

其中，传热介质可以是导热油或者低熔点熔盐，为减少系统管路热损失，提高熔盐蓄热槽3储热密度；作为一种优选，该传热介质为熔点低于100℃上限使用温度高于500℃的熔盐储热材料，见发明专利公开号为CN111040739A中记载的低熔点熔盐。

在第一回路中，传热介质经太阳能集热器1或者电加热装置2中流出并进入熔盐蓄热槽3内进行热交换后返回太阳能集热器1或者电加热装置2中。

进一步地，为了控制传热介质的开关与流向，电加热装置2和熔盐蓄热槽3的第一管33之间依次串联有第一截止阀61和第一传热介质泵71。第一截止阀61用作控制传热介质从太阳能集热器1或者电加热装置2流向熔盐蓄热槽3的开关，第一传热介质泵71用于控制传热介质的流向，在本实施例中，第一传热介质泵71内的传热介质流向熔盐蓄热槽3。

可选地，在本实施例中，电加热装置2是一种传热介质锅炉。

具体地，电加热装置2包括控制模块21和电加热模块22，电加热模块22分别与太阳能集热器1、熔盐蓄热槽3连接，控制模块21与电加热模块22并联设置。

电加热模块22是将电能转化为热能的结构。电加热装置2可采用低压或高压方式，例如，电加热装置2和低压电网通过变压器连接；或者，电加热装置2直接和高压电网连接，具体地，可以采用多个电加热模块22串联使得整个电加热装置2的电压达到高压等级，实现电加热装置2直接与高压电网连接，采用高压方式直接给传热介质加热，节省了变压器投资的成本，并提高了电热转化效率。

可选地，熔盐蓄热槽3包括集箱31，具体地，集箱31为箱型结构，包括外壳体311、内壳体312和保温层313。可选地，内壳体312为密封结构，材质为导热性能良好的铜、钢或铁。外壳体311可以为钢板、铝板、铁板、塑料板，连接方式为焊接、螺栓连接或卡槽连接。保温层313在外壳体311和内壳体312之间，为低导热系数材料，包括蛭石、泡沫玻璃、岩棉、气凝胶毡或陶瓷纤维的一种或多种进行组合。

集箱31内设置有至少一个换热管32，换热管32一端与第一管33相连通，另一端与第二管34相连通。

在本实施例中，太阳能集热器1、电加热装置2分别与熔盐蓄热槽3的第一管33、第二管34连接形成第一回路，熔盐蓄热槽3的第一管33、第二管34分别与供蒸汽装置4的两端相连接形成第三回路。

换热管32按照高温段和低温段相互间隔盘绕。传热介质从第一管33进入换热管32内，然后在流动的过程中实现热交换，温度不断变低，因此靠近第一管33的一段温度越高，可以称为高温段，远离第一管33的一段温度越低，可以称为低温段，本实施例中，通过将换热管32按照高温段和低温段相互间隔盘绕，可以使得集箱31内的温度比较均匀，温差比较小，熔盐储热充放热更完全。

可选地，换热管32的个数多于一个，换热管32在集箱31内并列排布，换热管32的位置相同的第一端与第一管33连接，第二端与第二管34连接。

可选地，换热管32材质可以为碳钢管、不锈钢管、玻璃钢管、紫铜管、黄铜管、镀锌管或聚四氟塑料管一种或多种进行组合。

集箱31与换热管32之间填充熔盐储热材料35。

具体地，熔盐储热材料35填充在内壳体312与换热管32之间。换热管32内的传热介质在流动过程中与熔盐储热材料35进行热交换。

熔盐储热材料35为低熔点熔盐储热材料，可以是硝酸钠、硝酸钾、亚硝酸钠、硝酸钙、硝酸锂或硝酸镁一种或几种组成，如Solar二元熔盐、Hitec三元熔盐、Hitec XL熔盐等熔点盐；作为一种优选，熔盐储热材料35为熔点低于100℃的低熔点、上限温度高于500℃的熔盐储热材料，上限温度高于500℃的熔盐储热材料指温度在100～500℃还能保持液态，不气化的熔盐储热材料。

进一步地，熔盐储热材料35中可以添加导热增强材料，导热增强材料可以是石墨、纳米碳管、钢丝球或石英砂中的一种或多种进行组合。

熔盐蓄热槽3的第一管33与第一传热介质泵71连接，第一传热介质泵71内的传热介质流向熔盐蓄热槽3。

进一步地，换热管32上设置有换热加强结构，换热加强结构为翅片管36，翅片管36的外边缘形状可以为圆形、方形或者六边形。换热加强结构可加大熔盐储热材料35与换热管32的接触面积，加强换热管32与熔盐储热材料35之间的热传导，减少换热管32使用量。可选地，翅片管36采用焊接或缠绕方式环绕在换热管32外侧。

进一步地，熔盐蓄热槽3还设置有内循环泵37。内循环泵37可以对熔盐蓄热槽3内的熔盐储热材料35起搅拌作用，使熔盐蓄热槽3内温度场更均匀。

可选地，熔盐蓄热槽3可根据实际需要设置1个或者多个，排布可以为集中式或分布式。

第二回路中，第一传热介质泵71与供蒸汽装置4之间还串联有第三截止阀63。第三截止阀63用作控制传热介质从太阳能集热器1或者电加热装置2流向供蒸汽装置4的开关。供蒸汽装置4与太阳能集热器1之间还设置有第五截止阀65。

具体地，供蒸汽装置4包括液液换热器41和汽包42。

液液换热器41一方面与汽包42连通，液液换热器41产生的水蒸汽通入到汽包42内。

液液换热器41另一方面与电加热装置2、熔盐蓄热槽3相连接。将相应的截止阀打开，控制使得电加热装置2和/或者熔盐蓄热槽3内的传热介质进入液液换热器41，传热介质使得液液换热器41内的水变成水蒸汽通入到汽包42内。

供蒸汽装置4还分别与补水装置5、热用户相连接。

液液换热器41与补水装置5连接。

补水装置5包括水箱51，水箱51与液液换热器41相连接，水箱51与液液换热器41之间串联有第六截止阀66和循环水泵73。

可选地，水箱51可以选用软化水箱。第六截止阀66用作控制水箱51内的水进入液液换热器41的开关，循环水泵73用于将水箱51内的水送入液液换热器41内部，以供液液换热器41使用。

汽包42与外部热用户相连接，以将汽包42内的水蒸汽送入热用户端，以供热用户使用。可选地，汽包42与外部热用户之间设置有第七截止阀67。

第三回路中，熔盐蓄热槽3的第一管33与供蒸汽装置4之间串联有第四截止阀64，第四截止阀64用作控制熔盐蓄热槽3放热时，传热介质从熔盐蓄热槽3内流向供蒸汽装置4的开关，第四截止阀64还并联有第二传热介质泵72，第二传热介质泵72用于控制传热介质的流向，具体的，在本实施例中，第二传热介质泵72内的传热介质流向供蒸汽装置4，使得传热介质从熔盐蓄热槽3内流向供蒸汽装置4。

进一步地，熔盐蓄热槽3的第二管34还与第二截止阀62串联。第二截止阀62用作控制传热介质从熔盐蓄热槽3流向太阳能集热器1或者电加热装置2或者供蒸汽装置4的开关。

本发明中的基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统，可以提供多种使用模式，包括以下五种，但不限于以下五种：

第一种,只蓄不供模式，操作方法如下：白天期间，关闭供蒸汽装置4前后的第三截止阀63和第五截止阀65，关闭第二传热介质泵72，开启阀门第一截止阀61、第四截止阀64、第二截止阀62，接通太阳能集热器1、电加热装置2、熔盐蓄热槽3的管道，开启第一传热介质泵71，将太阳能集热器1吸收的热量通过热传导将热量存储于熔盐蓄热槽3中。当光照不足时，可开启电加热装置2进行补热，并将热量存储于熔盐蓄热槽3。

第二种,直供模式，操作方法如下：

白天期间，关闭蓄热系统前后的阀门第四截止阀64、第二截止阀62，关闭第二传热介质泵72，开启第一截止阀61、第三截止阀63、第五截止阀65、第六截止阀66、第七截止阀67，接通太阳能集热器1、电加热装置2、供蒸汽装置4的管道，开启循环水泵73，将水箱51里的水抽至供蒸汽装置4，开启第一传热介质泵71，将太阳能集热器1吸收的热量通过供蒸汽装置4与水进行换热，产生蒸汽供给热用户。当光照不足或蒸汽流量不够时，可开启电加热装置2进行补热，通过第一传热介质泵71将热量传输给供蒸汽装置4并与水换热，产生蒸汽供给热用户。

第三种,边蓄边供蒸汽模式，操作方法如下：

白天期间，关闭第二传热介质泵72，开启第一截止阀61、第四截止阀64、第二截止阀62、第三截止阀63、第五截止阀65、第六截止阀66、第七截止阀67，接通太阳能集热器1、电加热装置2、熔盐蓄热槽3、供蒸汽装置4的管道，开启循环水泵73，将水箱里的水抽至供蒸汽装置4，开启第一传热介质泵71，一部分热量通过传热介质传输给熔盐蓄热槽3，另一部分热量通过供蒸汽装置4与水进行换热，产生蒸汽供给热用户。当光照不足时可开启电加热装置2进行补热，通过第一传热介质泵71将热量传输给供蒸汽装置4并与水换热，产生蒸汽供给热用户。

第四种,蓄热供蒸汽模式，操作方法如下：

夜间或需求蒸汽时，关闭第一传热介质泵71，关闭第一截止阀61、第二截止阀62、第三截止阀63，开启循环水泵73，将水箱51里的水抽至供蒸汽装置4，开启第二传热介质泵72，接通熔盐蓄热槽3、供蒸汽装置4的管道，将熔盐蓄热槽3存储的热量通过传热介质将热量传输给供蒸汽装置4与水进行换热，产生蒸汽供给热用户。

第五种,蓄热和集热同时供蒸汽模式，当太阳能集热器1和/或电加热装置2、熔盐蓄热槽3单个供蒸汽量不能满足用户蒸汽需求时，同时采用蓄热和集热进行供蒸汽。操作方法如下：关闭第四截止阀64、开启循环水泵73，将水箱51里的水抽至供蒸汽装置4，开启第一传热介质泵71、第二传热介质泵72，接通太阳能集热器1、电加热装置2、熔盐蓄热槽3和供蒸汽装置4的管道，通过传热介质将熔盐蓄热槽3、太阳能集热器1和/或电加热装置2吸收热量传输给供蒸汽装置4并与水换热，产生蒸汽供给热用户。

本发明中的基于太阳能与电能耦合的供蒸汽系统，具有以下有益效果：

1、本系统采用太阳能与电能耦合形式供应蒸汽，并采用低熔点熔盐储热材料进行储热，可持续稳定供应蒸汽，解决了太阳能不稳定性、间歇性等问题，开创了新一代蓄热式太阳能供蒸汽系统，能够持续稳定供应蒸汽，是一种集产热、储热、供热于一体的供蒸汽系统；

2、本系统储热槽内部换热管按照高温段和低温段相互间隔盘绕的方式，提高了熔盐储热材料与换热管之间的换热效率；

3、采用内循环泵搅拌蓄热槽内熔盐材料，蓄热槽内熔盐储热充放热更完全，内部温度场均匀，解决了熔盐储热系统内部温差大、充放热不完全、储热密度低等问题。

4、本系统可根据项目规模，电加热系统可由高压电网直接供电，无需电源变压器，节省了系统变压器投资成本，提高了电热转化效率。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。