閉式布列頓型塔式太陽能熱發電系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種塔式太陽能聚焦熱發電系統，具體涉及一種閉式布列頓型塔式太陽能熱發電系統。
【背景技術】
[0002]隨著可再生能源利用在全世界的蓬勃發展，太陽能聚熱發電(CSP)與光伏太陽能發電(PV)得到了較快的發展。利用太陽能光伏發電，只能使波長較短的光得到利用，波長較長的光完全浪費，且使電池的溫度升高，導致電池的效率下降，而利用太陽能光熱發電，可以充分利用整個波長的太陽光，因而太陽能聚熱發電(CSP)逐步為人們所認識、研宄和重視。太陽能聚熱發電(CSP)相比光伏太陽能發電(PV)具有規模大、集中度高、效率高等突出特點，但是面臨的共同問題是如何降低投資成本以及如何提高發電效率進而降低發電成本，尤其是降低投資成本和提高發電效率就成為兩種太陽能發電技術競爭的焦點。
[0003]太陽能聚熱發電(CSP)主要有槽式、碟式及塔式等熱發電模式，其中槽式太陽能聚熱發電(CSP)已經實現商業化，美國SEGS電站以及西班牙AndaSol電站已經具有商業化運行的經驗；該技術主要采用導熱油為傳熱工質，經導熱油換熱后驅動常規蒸汽輪機帶動發電機組發電。由于目前的導熱油工作溫度必須控制在400°C左右，超出這一溫度將會導致導熱油裂解、粘度提高以及傳熱效率降低等問題，因此限制了槽式太陽能聚熱發電的工作溫度及發電效率。
[0004]碟式太陽能熱發電系統以單個旋轉拋物面反射鏡為基礎，構成一個完整的聚光、集熱和發電單元。采用雙軸跟蹤裝置，其聚光比一般在1000?3000之間。吸熱器吸收太陽輻射并將其轉換成熱能，來加熱吸熱工質，驅動熱機(如燃氣輪機、斯特林發動機或其它類型透平等)，實現光電轉化。目前單個碟式系統的功率多為5?50kW，峰值發電效率可達29%，在太陽能熱發電的各種方式中，其效率最高。碟式太陽能熱發電系統主要應用于分散式動力系統，雖然可以將多個碟式裝置組成一個較大的發電系統，但它們原則上仍然是小型系統，不易于大型化；同時目前還沒有適合于碟式太陽能熱發電系統的動力機械，其應用受到了一定的限制。碟式太陽能熱發電系統相對其他方式，具有模塊化的靈活部署能力、較高的聚光比和發電總效率等優點，其缺點是大型化聚熱發電時，成本比同規模的塔式太陽能熱發電系統高得多。
[0005]塔式太陽能熱發電系統，也稱集中型太陽能熱發電系統。太陽能塔式熱發電系統的基本形式是利用獨立跟蹤太陽的定日鏡群，將陽光聚集到固定在塔頂部的接收器上，用以產生高溫，加熱工質產生過熱蒸汽或高溫氣體，驅動汽輪機發電機組或燃氣輪機發電機組發電，從而將太陽能轉換為電能。由許多定日鏡組成的龐大的定日鏡場，其面積非常大，聚光比很高，一個接收器可以收集100麗的輻射功率，運行溫度可達到1000?1500°C。用以吸收太陽熱能的熱流體通常有水、熔鹽、空氣等。對應不同的熱流體，塔式太陽能接收器的類型也不同:
[0006](一)熱流體為水(水蒸氣)的系統
[0007]以水(水蒸氣)作為熱流體的塔式太陽能熱發電系統，直接利用聚焦的太陽能加熱類似電站鍋爐的蒸汽發生設備。在此系統中，給水一次經過塔式太陽能接收器的預熱、蒸發、過熱等換熱面后，成為朗肯循環汽輪機的做功工質，帶動發電機發電；蒸汽輪機的排汽被送往凝汽器中凝結成水后，通過給水泵重新送往接收器中。為保證生產蒸汽的穩定性，常常設置蒸汽蓄熱系統，在陽光充足的時候，將多余的蒸汽熱量儲存在蓄熱罐中，從而保證系統運行參數的穩定。由于入射太陽輻射的瞬變特性和分布不均，布置于接收器中的吸熱管經常發生泄漏。
[0008]目前采用直接蒸汽生產方式的塔式太陽能熱電站主要包括意大利0.75麗的Eurel1s電站、西班牙1.2MW的CESA-1電站、美國1MW的Solar One電站、西班牙IlMW的PSlO電站等。
[0009](二)熱流體為熔鹽的系統
[0010]為了避免直接蒸汽生產方式的塔式太陽能發電系統的接收器泄漏，同時為了獲得更高的工作溫度，可采用熔鹽作為接收器中的吸熱流體。使用熔鹽作為熱流體的塔式太陽能發電站有美國的MSEE電站及Solar Two電站、西班牙的Solar TRES電站等。Solar Two是為了推進塔式太陽能發電系統商業化發展的一個實用性項目，為促進塔式/熔鹽太陽能熱發電技術的發展作出了重要貢獻。
[0011]但是熔鹽也存在一定的缺點，即有高溫分解和腐蝕問題，相關材料必須耐高溫、耐腐蝕，使系統成本增加、可靠性降低；熔鹽還有低溫凝固問題，必須對相關設備進行保溫、預熱和伴熱等，使系統的能耗增加。新型的結晶點在100°c以下的熔鹽研宄值得關注，如美國桑迪亞實驗室正在研宄結晶點在100°c以下的熔鹽，如果成功將有希望取代導熱油。
[0012](三)熱流體為空氣的系統
[0013]以空氣作為吸熱介質的塔式太陽能發電系統，可達到更高的工作溫度。接收器通常采用腔體式接收器。以空氣作為吸熱介質的塔式太陽能發電系統可以采用以下兩種工作方式。
[0014]一種工作方式是將接收器中產生的熱空氣應用于朗肯循環熱電系統，如附圖2所示。在該系統中，接收器周圍的空氣以及來自送風機的回流空氣在接受器中吸收來自太陽能鏡場的太陽福射，被加熱后的熱空氣送往熱量回收蒸汽生產系統(Heat Recovery SteamGenerating，HRSG), HRSG中產生的蒸汽送往汽輪機中做功，帶動發電機發電。熱空氣在HRSG中將熱量傳遞給工質后，變成低溫空氣，然后被送風機重新送往塔頂的接收器中。這種系統的缺點是采用低壓空氣作為吸熱介質，吸收器的體積龐大，且蒸汽朗肯循環發電機組的蒸汽溫度受制于耐高溫的材料，目前用于蒸汽朗肯循環的蒸汽溫度還沒有超過625°C。其流程如附圖2所示
[0015]另一種工作方式是將接收器中產生的熱空氣應用于布列頓-朗肯聯合循環發電系統。可以直接將高壓空氣加熱到1000°c以上去推動燃氣輪機，推動燃氣輪機后的氣體仍有較高溫度，再通過熱交換器加熱水生成水蒸氣，水蒸氣再去推動汽輪機，有效利用熱量。也可以把經過腔體式接收器加熱后的高壓空氣直接送入燃燒室，進一步加熱后進入燃氣輪機發電，燃氣輪機的排氣進入底部朗肯循環進行發電。
[0016]歐洲和以色列對采用空氣作為吸熱介質的塔式太陽能發電系統的換熱技術及蓄熱技術的研宄較為關注，并開展了一些著名的研宄項目，如Phoebus-TSA、SOLAIR和DIAPR等，取得了一定的研宄成果。德國于2009年投運的JUlich電站，是一個試驗驗證電站，也是世界上第一個采用空氣作為傳熱介質的塔式太陽能發電系統。電站的工作示意圖如附圖3所示。
[0017]中國南京江寧開發區與以色列合作研發建成國內首座70kw塔式太陽能熱發電示范工程，于2005年10月底成功并網發電，這是采用布雷頓循環原理建立的中國第一個塔式太陽能熱發電站。該電站通過太陽能空腔式接收器以空氣作傳熱工質，輔之以天然氣和小型燃氣輪機率先實現了利用太陽能和布雷頓循環技術結合的熱發電裝置，其塔式系統的塔高為33米，采用32臺有效反射面積為19.6 m2的定日鏡，接收器的出口工作溫度為900°C，進口壓力為0.4MPa，測試峰值轉換效率為85%，燃氣輪機熱電效率為28.5%。但由于腔式太陽能接收器入口太小，進氣溫度難于和燃氣配套致使實驗效果不太理想。但燃氣輪機的極高的熱電效率值得關注，顯然解決匹配性問題后，將是極有應用前景的塔式太陽能熱發電系統。以色列和澳大利亞實施的“郁金香”小型塔式太陽能熱發電試驗項目實際是該技術的繼續。目前，由中科院電工所在北京延慶縣進行的IMW塔式太陽能發電項目正在試驗中。
[0018]集成式太陽能熱發電系統包括太陽能輔助燃煤發電系統、集成式太陽能與燃氣-蒸汽聯合循環發電系統、太陽能光熱利用與地熱集成發電系統、太陽能和風能集成系統以及太陽能光熱發電與光伏發電混合的集成發電系統等。太陽能輔助燃煤發電系統是將太陽能集熱器與普通的燃煤電廠集成，利用太陽能加熱給水或與鍋爐的某一加熱段并聯來加熱蒸汽，以減少相同數量電能生產時的耗煤量，其優點是投資省、發電系統穩定性好，缺點是受制于給水或蒸汽加熱溫度的限制，仍屬太陽能的低品位利用。集成式太陽能與燃氣-蒸汽聯合循環發電系統主要包括太陽能整體聯合循環系統、利用太陽能預熱空氣的集成系統、利用太陽能重整燃氣的集成系統和利用太陽能實現煤氣化的集成系統。中國專利201120430468.6太陽能和風