采用獨立循環儲熱蓄電和梯級換熱蒸發的太陽能熱發電站的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明采用獨立的循環儲熱蓄電和梯級換熱蒸發技術，使用熔鹽或硫以及流沙作為儲熱傳熱流體，同槽式、塔式等太陽能聚光器相結合組成規模化的太陽能熱發電站；該裝置在兼顧儲熱蓄電一體化設計的同時采用全新的梯級蒸發技術，既有利太陽能發電設備制造的標準化和規模化，也有利于降低電站投資成本，提高自身供電能力和降低運行費用，大幅增加發電時數，提高同化石能源發電競爭的能力。該裝置屬太陽能熱發電技術領域。
【背景技術】
[0002]目前太陽能熱發電技術難與燃煤發電、燃氣發電甚至光伏發電競爭的主要因素是設備制造成本高，運行費用高，且技術本身受自然條件限制較多，因此阻礙了太陽能熱發電技術的推廣。為充分發揮太陽能熱發電自身的技術優勢，歐盟在第七框架科技計劃中實施了 HITECO項目，旨在開發和測試全新的拋物槽技術，以確保槽式聚光器具有最大的光學、機械和熱效能，使拋物槽系統工作溫度達到或接近600°C。而由美國能源部制定的Sunshot計劃也在穩步推進，創新的超臨界二氧化碳太陽能布雷頓熱發電技術取得階段成果，全新的高溫熔鹽流體已經開發完成。2013年美國能源部繼續投資支持太陽能熱化學儲能等新項目，其目標是存儲溫度達到或超過650°C，每千瓦時熱存儲成本在15美元以下，最終實現平準化發電，度電成本達到6美分。這些新的具有突破性的研發項目無疑給太陽能熱發電帶來希望。但是仔細分析會發現，這些創新項目仍然是基礎性的，多是在傳統設計范圍內進行的單項改進，還沒有突破傳統的系統設計理念。總之，太陽能熱發電技術面臨顛覆性革命和全新的技術突破。

【發明內容】

[0003]本發明所要解決的技術問題是改變現有太陽能熱發電站聚光傳熱、儲熱、換熱、蒸發的傳統設計模式，采用獨立的儲熱蓄電和梯級換熱蒸發技術，以熔鹽或硫以及流沙為儲熱傳熱流體，結合槽式、菲涅爾以及塔式等聚光裝置組成規模化的太陽能熱發電站，所采取的主要技術手段是將聚光、接收、傳熱和儲熱以及蒸發等功能集合為獨立的熱循環單元，并將每一個熱循環單元的蒸發器順序連接，借鑒DSG即直接蒸汽模式形成梯級換熱蒸發，直至驅動動力發電裝置發電，同時將儲熱和蓄電相結合，實現儲熱蓄電一體化。
[0004]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0005]1、采用獨立循環儲熱蓄電和梯級換熱蒸發的太陽能熱發電站包括太陽能接收器，蒸發器及其蒸發器陣列、儲熱池或儲熱蓄電池、傳熱儲熱介質或傳熱儲熱蓄電介質、絕緣法蘭、高溫動力泵、動力工質、動力發電裝置、冷凝器、霧化室、換熱器、凝結水罐、整流器、逆變器，其主要特征在于:將聚光、接收、傳熱和儲熱池或儲熱蓄電池以及蒸發器共同組成獨立的熱循環單元，其中太陽能接收器采用串聯或并聯方式組成聚光陣列，每一個聚光陣列的太陽能接收器出口連接蒸發器傳熱儲熱介質進口，蒸發器出口通向儲熱池或儲熱蓄電池，儲熱池或儲熱蓄電池出口連接高溫動力泵，高溫動力泵出口連接相對應的太陽能接收器聚光陣列進口，由此構成由聚光、接收、傳熱、儲熱、換熱蒸發功能一體化的，且獨立完整的熱循環單元；每個熱循環單元的蒸發器另一側的傳輸動力工質端，其進出口順序連接，組成蒸發器陣列，終端出口連接動力發電裝置進口 ；采用水做動力工質時選擇霧化DSG直接蒸汽模式，在蒸汽飽和段和過熱段其間設置凝結水罐，以及在梯級蒸發器陣列進口處設置霧化室；動力工質經蒸發器陣列梯級換熱后最終進入動力發電裝置膨脹做功；動力發電裝置出口連接冷凝器進口，冷凝器出口經高溫動力泵連接霧化室進口或直接連接蒸發器陣列第一級進口，由此完成動力工質的梯級蒸發換能做功循環；儲熱蓄電池正負電極分別連接整流器、逆變器，整流器、逆變器連接電網，承擔電站用電、儲電和送電任務；為串聯儲熱蓄電池組成高壓電池堆，在梯級蒸發器之間使用絕緣法蘭隔離各熱循環單元；
[0006]I)所述太陽能接收器為拋物槽式聚光接收器、或塔式聚光接收器、或菲涅爾式聚光接收器、或碟式聚光接收器；或流沙塔式太陽能接收器；
[0007]2)所述儲熱池由儲熱室、耐腐蝕壁、氮氣或氦氣室、儲沙保溫層、隔熱層組成；
[0008]3)所述儲熱蓄電池包括儲熱和蓄電兩部分，其中儲熱部分包括儲熱室、耐腐蝕壁、氮氣或氦氣室、儲沙保溫層、中間隔離板、隔熱層；中間隔離板另一側為蓄電池，包括必備的正極集流器、負極集流器，以及正負電極固定裝置；儲熱蓄電池選擇鈉鎳、或鈉硫、或鋰硫，或分別為鎂、鋅、鉛、鋁、鐵的金屬化合物或混合物為正負電極的高溫化學蓄電池；儲熱池和蓄電池由中間隔離板分隔，中間隔離板底部貫通，保證儲熱介質在儲熱和蓄電之間流通；
[0009]4)所述傳熱儲熱介質為熔鹽、或硫及硫的化合物或混合物；
[0010]5)所述傳熱儲熱蓄電介質包括共熔硝酸類鹽、或氯化類鹽、或氟化類鹽、或溴化物鹽、或有機類熔鹽及其各類混合物熔鹽；或四氯鋁酸鈉鹽；或硫及硫的化合物或混合物；
[0011]6)所述動力發電裝置是指朗肯蒸汽動力熱發電裝置、或有機朗肯動力熱發電裝置、或布雷頓循環動力熱發電裝置；
[0012]7)所述動力工質為水及霧化后形成的水汽、或二氧化碳氣、或一氧化氮氣、或氦氣、或氨氣、或烷烴類有機溶劑和冷凝劑；
[0013]8)所述冷凝器為水或空氣冷凝器；
[0014]9)所述絕緣法蘭是指在金屬法蘭之間使用陶瓷、或巖棉、或石棉做絕緣材料隔離每一個熱循環單元。
[0015]2、采用獨立循環儲熱蓄電和梯級換熱蒸發的太陽能熱發電站也可以選擇流沙塔式太陽能接收器，其特征在于:所述流沙塔式太陽能接收器包括太陽能接收塔、太陽能接收器、流沙注入口、流沙儲熱室、控制閥、流沙熱交換器、儲沙池、流沙輸送裝置以及由流沙構成的傳熱儲熱介質；其中流沙由設置在太陽能接收塔頂部的太陽能接收器流沙進口注入，太陽能接收器的垂直出口出口經流沙儲熱室、控制閥將流沙注入熱交換器，流沙經熱交換器進入儲沙室，流沙輸送裝置將儲存在儲沙室的流沙提升至位于塔身頂部的流沙注入口，最終形成獨立的熱循環單元；每一個熱循環單元的流沙熱交換器的動力工質進出口順序連接，構成梯級換熱和蒸發器陣列，直至驅動動力發電裝置發電；
[0016]I)所述流沙為不同粒徑的石英砂粒、或玻璃微珠、或玻璃砂粒、或陶瓷砂粒、或金屬珠粒、或陶粒砂、或石墨顆粒、或玄武巖砂粒，或氧化鋁導熱球珠粒，或混合石墨的玻璃微珠;
[0017]2)所述流沙熱交換器為管式、或板式、或碳化硅陶瓷換熱器；
[0018]3)所述太陽能接收器采用碳化硅陶瓷換熱管、或由碳化硅陶瓷型磚組合構筑的太陽能接收墻體，上端為流沙注入口，下端為流沙出口及控制閥；
[0019]4)在儲沙室邊緣一側設置儲熱蓄電池，依托高溫落砂或增設電加熱器保證儲熱介質處于熔融態和高溫化學電池正常充放電。
[0020]本發明新穎之處在于，采用相對獨立的循環儲熱蓄電和梯級蒸發技術可靈活組建規模不等的太陽能熱發電站，即可建立大型的蒸汽電站，也可選擇建立超臨界布雷頓電站。充分發揮熔鹽的優勢，既作為傳熱儲熱介質，同時也作為高溫蓄電池的電解質，特別是充分利用了高溫蓄電池放電時產生的熱能來保證儲熱需要，可謂一舉多得。儲熱蓄電池結構簡單，成本低且易于安裝，即解決電站自身用電，又降低了運行費用，還可有效降低熔鹽在系統中凝固的風險。如果采用流沙塔式太陽能聚熱裝置更簡化了電站構造。總之，由于該技術徹底顛覆了傳統太陽能熱發電站的設計理念，為低成本發電奠定了可靠的技術基礎。既有利于實現裝備制造標準化，更有利于規模化生產和降低電站投資成本，在提高發電效率和增加發電時數的同時增強同化石能源競爭的能力。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發明傳統塔式熱發電站使用儲熱蓄電池示意圖
[0022]圖2是本發明儲熱蓄電池內部結構示意圖
[0023]圖3是本發明槽式儲熱蓄電和梯級蒸發太陽能熱發電站示意圖
[0024]圖4是本發明槽式超臨界二氧化碳布雷頓太陽能熱發電站示意圖
[0025]圖5是本發明蒸發器梯級連接和儲熱池及儲熱蓄電池示意圖
[0026]圖6是本發明一體化儲熱蓄電池和蒸發器組裝示意圖
[0027]圖7是本發明流沙塔式太陽能聚熱裝置熱循環示意圖
[0028]圖8是本發明霧化DSG直接蒸氣模式示意圖
[0029]圖9是本發明槽式太陽能熱發電站平面布置示意圖
[0030]圖10是本發明塔式太陽能熱發電站平面布置示意圖
[0031]其中:1槽式聚光器、2太陽能接收塔、3太陽能接收器、4定日鏡、5流沙、6流沙注入口、7控制閥、8流沙儲熱室、9儲沙室、10流沙輸送裝置、11流沙熱交換器、12儲熱室、13耐腐蝕壁、14氮氣或氦氣室、15儲沙保溫層、16中間隔離板、17隔熱層；18正極集流器、19負極集流器、20蒸發器、21儲熱池、22儲熱蓄電池、23高