基于热机膨胀做功的全天候太阳能发电方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于热机膨胀做功的全天候太阳能发电方法和系统，该系统包括太阳能集热场、储热放热系统和热机膨胀运行系统；太阳能集热场包括太阳能集热器、低温传热介质母管和高温传热介质母管；储热放热系统和热机膨胀运行系统并联在低温传热介质母管和高温传热介质母管之间；储热放热系统的储热罐体内设置有顶部填料区、中间填料区和底部填料区；热机膨胀运行系统包括热膨胀机、发电机等。该方法采用传热储热分离的双回路系统，传热介质在太阳能集热场中循环吸收太阳能，在储热放热系统中与储能介质换热以储存或获取热能，在热机膨胀运行系统中通过膨胀做功进行发电，同时采用带压气体介质作为传热介质，提高了储热放热效果和发电效率。

【技术实现步骤摘要】
基于热机膨胀做功的全天候太阳能发电方法和系统
本专利技术涉及太阳能热电技术，特别是指一种基于热机膨胀做功的全天候太阳能发电方法和系统。
技术介绍
太阳能热发电，也叫聚焦型太阳能热发电(ConcentratingSolarPower，简称CSP)，是通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳能直射光聚集起来，加热工质，产生高温高压的蒸汽，由蒸汽驱动汽轮机发电。当前，太阳能热发电按照太阳能采集方式主要划分为：太阳能槽式发电、太阳能塔式热发电、太阳能碟式热发电。1)槽式系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内的工质加热产生蒸汽，推动常规汽轮机发电。2)塔式系统是利用众多的定日镜，将太阳热辐射反射到置于高塔顶部的高温集热器上，加热工质产生过热蒸汽，或直接加热集热器中的水产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。3)碟式系统利用曲面聚光反射镜，将入射阳光聚集在焦点处，在焦点处加热吸热工质，驱动热机，实现光电转化。太阳能热发电的传热介质，一般采用熔盐、导热油或空气。其中，熔盐通常是由诸如硝酸钾、硝酸钠和氯化钠的混合物构成，其特点在于价格低廉，热传导性能良好，可以在常压下储存在大型容器里同时作为储能介质进行储热。然而，由于熔盐具有相对高的凝固点(120～240℃)，所流经的管路在系统启动时需要进行预热，从而造成了额外的能量消耗；此外，熔盐材料对管材的耐腐蚀性要求高，从而会增加管材的使用成本。采用导热油作为传热介质时，导热油吸收太阳热能后输送到后续系统中进行利用；进行储热时，导热油同时作为储热介质储存到一个或多个导热油罐中，当需要进行放热时，将导热油罐中的高温导热油直接输送到后续系统进行利用。然而，目前的导热油工作温度必须控制在400摄氏度左右，超出这一温度将会导致导热油裂解、粘度提高以及传热效率降低等问题，从而限制了太阳能热发电装置的工作温度及发电效率。采用热空气作为传热介质的方案具体是，低压空气首先在太阳能吸收器中被加热，然后送往热量回收蒸汽生产系统(HeatRecoverySteamGenerating，简称HRSG)中加热水产生蒸汽，随后蒸汽被送往汽轮机中做功，带动发电机发电。然而，这种方案的缺点在于，低压空气热容比较小，对流换热系数低，因此导致管道内空气携带热量的能力差，空气的流速过高，整体管道压损比较大。由于受到昼夜、季节、天气等因素的影响，太阳能集热场采集的热能是既间断又不稳定的。为了保证太阳能热发电的稳定性和持续性，可在发电系统中加入化石燃料发电机，当太阳光不稳定的时候，由化石燃料发电机补充发电。也有采用与太阳能集热场并联的蓄热系统，在太阳辐射能量充足时储存热量，在太阳辐射能量不足时释放热量进行发电。现有的蓄热系统一般采用熔盐、导热油等传热介质在储罐内储存的方式进行储热；由于气体传热介质的热容低，储热能力差，因此这种方式不适用于气体传热介质。为了集中热能，提高发电效率，通常接收太阳光的采光板/集热器采用模块化布局，彼此间通过复杂的管路相连，在系统中各组太阳能集热器受热不均时，会带来传热介质在管路系统中的阻力失衡，导致偏流、断流的问题。由于气体工质传热能力较差、流速过高，集热管道过长等原因，上述问题在采用空气作为传热介质的槽式太阳能集热场中尤为突出，严重影响了集热系统的传热效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种传热储热效率高、能够实现全天候发电的基于热机膨胀做功的全天候太阳能发电方法和系统。为实现上述目的，本专利技术所提供的基于热机膨胀做功的全天候太阳能发电方法，应用于包括太阳能集热场、储热放热系统和热机膨胀运行系统的太阳能发电系统中，包括如下步骤：1)太阳能集热场吸收太阳能并加热低温传热介质，所得高温传热介质输送到热机膨胀运行系统中进行发电和/或输送到储热放热系统中与储能介质换热进行储热；2)将所述太阳能集热场输出的高温传热介质与经由储热放热系统换热升温得到的高温传热介质同时输送到热机膨胀运行系统进行发电，或者单独将储热放热系统放热得到的高温传热介质输送到热机膨胀运行系统中进行发电；3)高温传热介质在热机膨胀运行系统中释放热能后得到的低温传热介质返回太阳能集热场再次进行集热和/或返回储热放热系统再次进行换热升温；上述步骤中，所述传热介质为带压气体介质，其压力不小于0.1Mpa，所述带压气体介质包括空气、二氧化碳、氮气、氦气、甲烷、水蒸气中的一种或多种。所述带压气体介质的循环压力优选为0.1Mpa～10MPa，进一步优选为0.1Mpa～3MPa；所述热机膨胀运行系统通过高温传热介质膨胀做功进行发电。优选地，所述储热放热系统进行储热时，传热介质从上往下流过储能介质；所述储热放热系统进行放热时，传热介质从下往上流过储能介质。由于传热介质温度越高，在压力不变的前提下，密度一般也越大，按上述流向，储热时，传热介质在上部温度高密度小，下部温度低密度大，有利于传热介质自上而下的流动；反之，放热时，传热介质在上部温度高密度小，下部温度低密度大，有利于传热介质自下而上的流动。优选地，所述储热放热系统设置有多个填料分区，进行储热时，传热介质按分区同时或先后通过各填料分区进行储热；进行放热时，传热介质按分区同时或先后通过各填料分区获取热量。对于不分区的储热罐体，传热介质从一端进入，从另一端流出，储热时沿流向温度逐渐下降，先加热的储热材料升温快，后加热的储热材料升温慢；放热时沿流向温度逐渐升高，先放热的储热材料降温快，后放热的储热材料降温慢，由此导致蓄热系统储热放热总量较低、热传导效率下降等问题。而采用多个填料分区换热时，可以灵活实现多种分区换热模式，例如依次从不同分区进入，从最后一个分区流出；又如同时从奇数序号的分区进从偶数序号的分区流出(即从第一分区进，第二分区出，同时从第三分区进、第四分区出)，或者从偶数分区进，奇数分区出；又如分别从各分区的一端进入，从同一分区的另一端流出，等等。使用时可根据实际情况选择最优的分区换热模式，以取得最佳储热放热效果。优选地，所述储热放热系统包括储热罐体，所述储热罐体内按照填装储能介质的位置不同划分为依次连通的顶部填料区、一个以上的中间填料区、以及底部填料区；所述储热放热系统在进行储热时，来自太阳能集热场的高温传热介质首先从储热罐体的顶部进入，依次通过顶部填料区、各中间填料区和底部填料区(本专利技术中顶部、底部均为相对方位，当装置横放时对应装置左右两端)，经换热降温得到的低温传热介质从储热罐体的底部流出后返回太阳能集热场；当顶部填料区温度升高到设定值时，高温传热介质切换为从顶部填料区下方的第一个中间填料区进入，依次通过该第一个中间填料区及其下方的各中间填料区和底部填料区，经换热降温得到的低温传热介质从储热罐体的底部流出后返回太阳能集热场；当第一个中间填料区温度升高到设定值时，高温传热介质切换为从第二个中间填料区进入，依次通过该第二个中间填料区及其下方的各中间填料区和底部填料区，经换热降温得到的低温传热介质从储热罐体的底部流出后返回太阳能集热场；依此类推，直至高温传热介质切换为从最下方的一个中间填料区进入，从底部填料区流出，并使底部填料区的温度升高到设定值，完成储热罐体的储热，经换热降温得到的低温传热介质从储热罐体的底部流出后返回太阳能集热场。该方案采用逐层储热的方式，有效避本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于热机膨胀做功的全天候太阳能发电方法，应用于包括太阳能集热场(100)、储热放热系统(200)和热机膨胀运行系统(300)的太阳能发电系统中，其特征在于：包括如下步骤：1)太阳能集热场(100)吸收太阳能并加热低温传热介质，所得高温传热介质输送到热机膨胀运行系统(300)中进行发电和/或输送到储热放热系统(200)中与储能介质换热进行储热；2)将太阳能集热场(100)输出的高温传热介质与经由储热放热系统(200)换热升温得到的高温传热介质同时输送到热机膨胀运行系统(300)进行发电，或者单独将储热放热系统(200)放热得到的高温传热介质输送到热机膨胀运行系统(300)中进行发电；3)高温传热介质在热机膨胀运行系统(300)中释放热能后得到的低温传热介质返回太阳能集热场(100)再次进行集热和/或返回储热放热系统(200)再次进行换热升温；所述传热介质为带压气体介质，所述气体介质包括空气、二氧化碳、氮气、氦气、甲烷、水蒸气中的一种或多种；所述带压气体介质的循环压力不小于0.1Mpa；所述热机膨胀运行系统通过高温传热介质膨胀做功进行发电。

【技术特征摘要】
1.一种基于热机膨胀做功的全天候太阳能发电方法，应用于包括太阳能集热场(100)、储热放热系统(200)和热机膨胀运行系统(300)的太阳能发电系统中，其特征在于：包括如下步骤：1)太阳能集热场(100)吸收太阳能并加热低温传热介质，所得高温传热介质输送到热机膨胀运行系统(300)中进行发电和/或输送到储热放热系统(200)中与储能介质换热进行储热；2)将太阳能集热场(100)输出的高温传热介质与经由储热放热系统(200)换热升温得到的高温传热介质同时输送到热机膨胀运行系统(300)进行发电，或者单独将储热放热系统(200)放热得到的高温传热介质输送到热机膨胀运行系统(300)中进行发电；3)高温传热介质在热机膨胀运行系统(300)中释放热能后得到的低温传热介质返回太阳能集热场(100)再次进行集热和/或返回储热放热系统(200)再次进行换热升温；所述传热介质为带压气体介质，所述气体介质包括空气、二氧化碳、氮气、氦气、甲烷、水蒸气中的一种或多种；所述带压气体介质的循环压力不小于0.1Mpa；所述热机膨胀运行系统通过高温传热介质膨胀做功进行发电。2.根据权利要求1所述基于热机膨胀做功的全天候太阳能发电方法，其特征在于：所述储热放热系统(200)设置有多个填料分区，进行储热时，传热介质按分区同时或先后通过各填料分区进行储热；进行放热时，传热介质按分区同时或先后通过各填料分区获取热量。3.根据权利要求1或2所述基于热机膨胀做功的全天候太阳能发电方法，其特征在于：所述储热放热系统(200)包括储热罐体(201)，所述储热罐体(201)内按照填装储能介质的位置不同划分为依次连通的顶部填料区(211)、一个以上的中间填料区(212)、以及底部填料区(213)；所述储热放热系统(200)在进行储热时，来自太阳能集热场(100)的高温传热介质首先从储热罐体(201)的顶部进入，依次通过顶部填料区(211)、各中间填料区(212)和底部填料区(213)，经换热降温得到的低温传热介质从储热罐体(201)的底部流出后返回太阳能集热场(100)；当顶部填料区(211)温度升高到设定值时，高温传热介质切换为从顶部填料区(211)下方的第一个中间填料区(212)进入，依次通过该第一个中间填料区(212)及其下方的各中间填料区(212)和底部填料区(213)，经换热降温得到的低温传热介质从储热罐体(201)的底部流出后返回太阳能集热场(100)；当第一个中间填料区(212)温度升高到设定值时，高温传热介质切换为从第二个中间填料区(212)进入，依次通过该第二个中间填料区(212)及其下方的各中间填料区(212)和底部填料区(213)，经换热降温得到的低温传热介质从储热罐体(201)的底部流出后返回太阳能集热场(100)；依此类推，直至高温传热介质切换为从最下方的一个中间填料区(212)进入，从底部填料区(213)流出，并使底部填料区(213)的温度升高到设定值，完成储热罐体(201)的储热，经换热降温得到的低温传热介质从储热罐体(201)的底部流出后返回太阳能集热场(100)。4.根据权利要求3所述基于热机膨胀做功的全天候太阳能发电方法，其特征在于：所述储热放热系统(200)在进行放热时，来自热能利用系统(300)的低温传热介质首先从储热罐体(201)的底部进入，依次通过底部填料区(213)、各中间填料区(212)和顶部填料区(211)，经换热升温得到的高温传热介质从储热罐体(201)的顶部流出后进入热机膨胀运行系统(300)；当底部填料区(213)温度降低到设定值时，低温传热介质切换为从底部填料区(213)上方的第一个中间填料区(212)进入，依次通过该第一个中间填料区(212)及其上方的各中间填料区(212)和顶部填料区(211)，经换热升温得到的高温传热介质从储热罐体(201)的顶部流出后进入热机膨胀运行系统(300)；当第一个中间填料区(212)温度降低到设定值时，低温传热介质切换为从第二个中间填料区(212)进入，依次通过该第二个中间填料区(212)及其上方的各中间填...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈义龙，张亮，殷占民，
申请(专利权)人：武汉凯迪工程技术研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42