基于太陽能熱發(fā)電儲(chǔ)熱方案的研究

舒 悅，許 強(qiáng)，胡巧巧

河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022

1 太陽能熱發(fā)電技術(shù)

太陽能熱發(fā)電技術(shù)：將吸收的太陽輻射熱能轉(zhuǎn)換成電能，包括兩類：一類是利用太陽熱能直接發(fā)電，如半導(dǎo)體或金屬材料的溫差發(fā)電堿金屬熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換和磁流體發(fā)電等；另一類是將太陽熱能通過熱機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。而根據(jù)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中所采用的集熱器的型式不同，可以分為分散型和集中型兩大類。

2 太陽能熱發(fā)電的基本原理

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由聚光集熱子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)、輔助能源子系統(tǒng)和汽輪發(fā)電子系統(tǒng)四部分組成。利用太陽能集熱器將太陽能收集起來，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)熱動(dòng)力裝置帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。從熱力學(xué)上講，這種太陽能熱發(fā)電站也是按朗肯循環(huán)或布勞頓循環(huán)原理工作的，在熱力學(xué)原理上與常規(guī)熱力發(fā)電廠完全一樣。技術(shù)上把這種按朗肯循環(huán)或布勞頓循環(huán)原理工作的太陽能熱電轉(zhuǎn)換稱為太陽能熱發(fā)電，以區(qū)別于太陽能光伏發(fā)電。

3 儲(chǔ)熱系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)

3.1 蓄熱技術(shù)

蓄熱儲(chǔ)能是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。顯熱蓄熱是目前技術(shù)最成熟且具有商業(yè)可行性的蓄熱方式。顯熱蓄熱又分為液體顯熱蓄熱、固體顯熱蓄熱、液-固聯(lián)合顯熱蓄熱三種。槽式系統(tǒng)蓄熱裝置通常有兩種布置形式：間接蓄熱和直接蓄熱。塔式系統(tǒng)蓄熱裝置通常采用熔融鹽液作為傳熱介質(zhì)/顯熱蓄熱材料的方式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了雙級(jí)蓄熱流程結(jié)構(gòu)，將太陽能收集到的熱量根據(jù)品位進(jìn)行分級(jí)存儲(chǔ)，高溫?zé)崃坑筛邷匦顭崞鞔鎯?chǔ)，中溫部分由低溫蓄熱器存儲(chǔ)；蓄存熱量釋放時(shí)，高溫蓄熱器用于蒸汽的過熱過程，而低溫蓄熱器用于蒸汽的發(fā)生過程，相互獨(dú)立。

3.2 儲(chǔ)熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

塔式太陽能熱發(fā)電熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)主要由換熱器、高溫蓄熱罐、低溫蓄熱罐、水蒸汽蓄熱器、輔助加熱器、泵、汽輪機(jī)、除氧器、凝汽器等組成。而其儲(chǔ)熱系統(tǒng)分為高溫蓄熱系統(tǒng)和低溫蓄熱系統(tǒng)。

圖1 蒸汽蓄熱器結(jié)構(gòu)圖

蒸汽蓄熱器是最典型的利用液體-汽體相變潛熱的蓄熱器，其結(jié)構(gòu)如圖1。其工作原理：利用水的蓄熱能力，將熱能以飽和水的形式儲(chǔ)存，需要時(shí)，以飽和蒸汽的形式釋放。蒸汽蓄熱器工作時(shí)，其罐內(nèi)充水最多可達(dá)幾何容積的90%，水面上部為蒸汽空間。當(dāng)壓力升高時(shí)，部分蒸汽轉(zhuǎn)化成飽和水，反之，壓力下降時(shí)，部分飽和水汽化為蒸汽。飽和水和蒸汽隨壓力變化而變化。換熱器出來的過熱蒸汽由進(jìn)氣管輸送進(jìn)蒸汽蓄熱器，蓄熱器內(nèi)溫度隨蒸汽的不斷輸入而上升，蓄熱器內(nèi)的蒸汽壓力也隨之升高，水位隨之上升，稱為充熱過程。隨著排汽管自動(dòng)控制閥7開度變大，飽和水迅速蒸發(fā)，產(chǎn)生二次蒸汽，蓄熱器內(nèi)壓力下降，水位降低，即為放熱過程。

為了降低風(fēng)險(xiǎn)，可采用導(dǎo)熱油作為高溫蓄熱系統(tǒng)的蓄熱、傳熱介質(zhì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，換熱器設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行熱力計(jì)算，給出導(dǎo)熱油及水蒸汽的物性參數(shù)，計(jì)算出各個(gè)項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)，如最小安全系數(shù)、溫度校正系數(shù)、總傳熱系數(shù)等。

3.3 導(dǎo)熱油罐的設(shè)計(jì)

導(dǎo)熱油罐的設(shè)計(jì)思路：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)的計(jì)算，然后選擇合適的材料。本文主要論述高溫導(dǎo)熱油罐的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)要求：工作溫度：240℃～350℃；工作壓力：常壓；工作介質(zhì)：THERMINOL VP-1合成導(dǎo)熱油；蓄熱能力：≥1500 kWh，無太陽能輸入時(shí)，可維持系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行1小時(shí)；結(jié)構(gòu)：高溫導(dǎo)熱油罐體采用立式圓筒形容器，由頂蓋、筒體和罐底三部分組成，通過支座安裝在基礎(chǔ)或平臺(tái)上。

結(jié)構(gòu)計(jì)算：根據(jù)導(dǎo)熱油質(zhì)量m，導(dǎo)熱油密度，得出導(dǎo)熱油體積：高溫導(dǎo)熱油罐容積V需乘以一個(gè)比例系數(shù)。油罐其他部件參數(shù)的計(jì)算略。

3.4 蒸汽蓄熱器的設(shè)計(jì)

熱力計(jì)算：根據(jù)熱平衡原理：蓄熱器內(nèi)原有充熱水量等于產(chǎn)生的蒸汽量和剩余熱水熱量之和。

假設(shè)在蓄熱器中充有1kg飽和水，其壓力為P1，當(dāng)壓力由P1下降到P2時(shí)，產(chǎn)生蒸汽g kg。則其熱平衡方程為：

4 結(jié)論

儲(chǔ)熱系統(tǒng)的一個(gè)特性是它儲(chǔ)存每單位能量所需的容積，容積越小，儲(chǔ)熱系統(tǒng)越好。設(shè)計(jì)一個(gè)好的儲(chǔ)熱系統(tǒng)，應(yīng)將儲(chǔ)存時(shí)間長、儲(chǔ)存單位能量所需的容積小這些指標(biāo)達(dá)到相對(duì)比較高的要求。

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