CN107401488A - 基于全程带压运行的全天候太阳能发电方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全程带压运行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、储热放热系统和蒸汽发电系统；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；储热放热系统和蒸汽发电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依次连通的顶部填料区、一个以上的中间填料区、底部填料区，各填料区均设置有相应的入口切换阀。该方法采用传热与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，在蒸汽发电系统中生产蒸汽进行发电，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。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能热电技术，特别是指一种基于全程带压运行的全天候太阳能发电方法和系统。
背景技术
太阳能热发电，也叫聚焦型太阳能热发电(Concentrating Solar Power，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(Heat Recovery SteamGenerating，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。
发明内容
本发明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全程带压运行的全天候太阳能发电方法和系统。
为实现上述目的，本发明所提供的基于全程带压运行的全天候太阳能发电方法，应用于包括太阳能集热场、储热放热系统和蒸汽发电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蒸汽发电系统中进行发电和/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蒸汽发电系统进行发电，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蒸汽发电系统中进行发电；3)高温传热介质在蒸汽发电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，所述蒸汽发电系统利用高温传热介质加热生产蒸汽进行发电；所述传热介质为带压气体介质，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。
优选地，所述传热介质为混有固体微粒的气体介质，所述固体微粒的粒径可选为0.01μm～10mm，优选为1μm～1mm，该优选粒径范围内固体微粒能够与气体介质形成较为稳定的气固混合物，有利于长距离输送，可显著减少颗粒沉积，降低压力损失和对管道系统的磨损，尤其是集热管很长的槽式太阳能集热器，采用较小的粒径更为有利。所述固体微粒为无相变材料构成的无相变微粒，或者为由固体导热材料构成胶囊外壳、由相变材料构成胶囊填充物的相变胶囊微粒。所述无相变微粒优选为工厂粉尘，例如除尘系统捕集的电厂锅炉飞灰，以实现粉尘的废物利用。在传热过程中，加入固体微粒可提高气体介质的传热效率。当采用内含相变材料的胶囊微粒时，胶囊微粒受热与遇冷时发生相变过程，其内的相变材料通过相变释放或吸收热能来主动提高强化传热系数，减少传热面积，减少系统管道尺寸及后续锅炉换热设备尺寸，降低投资成本。
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(本发明中顶部、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，有效避免储能介质局部过热，并减小了储能死区，提高了储热放热系统的储热效率。
优选地，所述储热放热系统在进行放热时，来自蒸汽发电系统的低温传热介质首先从储热罐体的底部进入，依次通过底部填料区、各中间填料区和顶部填料区，经换热升温得到的高温传热介质从储热罐体的顶部流出后进入蒸汽发电系统；当底部填料区温度降低到设定值时，低温传热介质切换为从底部填料区上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上方的各中间填料区和顶部填料区，经换热升温得到的高温传热介质从储热罐体的顶部流出后进入蒸汽发电系统；当第一个中间填料区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进入，依次通过该第二个中间填料区及其上方的各中间填料区和顶部填料区，经换热升温得到的高温传热介质从储热罐体的顶部流出后进入蒸汽发电系统；依此类推，直至低温传热介质切换为从最上方的一个中间填料区进入，从顶部填料区流出，并使顶部填料区的温度升高到设定值，完成储热罐体的放热，经换热升温得到的高温传热介质从储热罐体的顶部流出后进入蒸汽发电系统。该方案采用逐层放热的方式，有效提高了储热放热系统的放热效率，实现系统对不同负荷变化时响应的速度与效应。
本发明同时提供了一种基于全程带压运行的全天候太阳能发电系统，包括太阳能集热场、储热放热系统、蒸汽发电系统、第一加压装置和第二加压装置；所述太阳能集热场包括作为低温传热介质输入端的低温传热介质母管和作为高温传热介质输出端的高温传热介质母管；所述储热放热系统和蒸汽发电系统并联布置在低温传热介质母管与高温传热介质母管之间；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；其中顶部填料区通过顶部切换阀与高温传热介质母管相连，底部填料区通过底部切换阀与低温传热介质母管相连，各个中间填料区通过与其对应的各个中间切换阀与中间区连接管相连；所述中间区连接管的一端通过中间区高温切换阀与高温传热介质母管相连，所述中间区连接管的另一端通过中间区低温切换阀与低温传热介质母管相连；所述第一加压装置设置在低温传热介质母管对应于储热放热系统与太阳能集热场之间的管段；所述第二加压装置设置在低温传热介质母管对应于储热放热系统与蒸汽发电系统之间的管段。所述第一加压装置、第二加压装置通过对传热介质进行加压以补充其在流动过程中损失的压力。
优选地，所述蒸汽发电系统包括余热锅炉、汽轮机、发电机、冷凝装置和除氧回热器；所述余热锅炉的加热侧输入端连接到高温传热介质母管，所述余热锅炉的加热侧输出端连接到低温传热介质母管；所述余热锅炉的水侧输入端通过水泵连接到除氧回热器的给水输出端，所述余热锅炉的水侧输出端与汽轮机的锅炉蒸汽输入端相连；所述汽轮机的乏汽输出端与冷凝装置的热侧输入端相连，所述汽轮机的抽气输出端与除氧回热器的抽气输入端相连，所述汽轮机的动力输出轴与发电机相连；所述冷凝装置的热侧输出端与除氧回热器的回水输入口相连；所述余热锅炉为集成有燃料加热、传热介质换热功能的集成式锅炉，优选为在燃煤电厂现有的亚临界、超临界或超超临界锅炉的基础上增加传热介质换热生产蒸汽途径的集成式锅炉，可实现太阳能与燃煤电厂的耦合式发电。
优选地，所述蒸汽发电系统还包括再热器，所述再热器的加热侧输入端连接到高温传热介质母管，所述再热器的加热侧输出端连接到低温传热介质母管；所述再热器的蒸汽侧输入端连接到汽轮机的再热蒸汽输出端，所述再热器的蒸汽侧输出端连接到汽轮机的再热蒸汽输入端。
优选地，所述太阳能集热场包括呈纵横向阵列布置的若干太阳能集热器，每一纵向列中的各个太阳能集热器共用一根分段串联贯通的集热管，各根集热管的输入端与低温传热介质母管相连，各根集热管的输出端与高温传热介质母管相连；相邻两根集热管之间通过若干间隔设置的分布联箱横向贯通。该方案采用分布联箱以解决气体传热介质在复杂的管路系统中的阻力失衡导致偏流、断流的问题，传热介质进入分布联箱后改变原有的直线型的流动方向，实现传热介质在各传热单元之间的交叉流向，使得整体太阳能集热场趋于受热均匀，进一步在各根集热管上分别设置压力控制阀，实时调节太阳能集热场气流流量分布，实现整体系统稳定可靠运行。
优选地，所述集热管优选为带有内翅片或内扩展肋片的集热管。内翅片可以是直肋片、三角形肋片、环形肋片等；还可以是采用预制的翅片形金属栅格卡套在集热管内的等同变换型式。与直管、波纹管或螺纹管结构的集热管相比，带有内翅片或内扩展肋片的集热管的传热面积更大，提高了传热效率，实现被动强化传热。
优选地，采用混有固体微粒的气体介质主动强化传热，同时采用集热管设置内翅片的方式被动强化传热，两种方式相结合，能够极大提高气体传热介质在集热管内的流动传热系数，使得在集热管管径尺寸变化不大时，够够实现在气体经济流速的情况下保证足够的传热效率，减少系统阻力和管道磨损，进而极大降低系统造价。
优选地，所述储能介质为高比热固体材料或相变储热材料，其形状可为球形、柱形、网状、菱形、或不规则形状等，堆积在储热装置内形成多孔结构。更优选地，所述高比热固体材料为石英砂、铁砂、铸铁、铁矿石、鹅卵石中的一种或多种；所述相变储热材料包括固体导热材料构成的外壳和封装在外壳内的相变材料填充物。
本发明的有益效果如下：
1)采用气体作为整套系统的传热介质，具有耐高温、无腐蚀且廉价、安全无毒、获取简单的特性，能大幅降低系统建设成本及运行维护成本。气体传热介质带压可提高密度，提高气体携带热量的能力和传热效率。
2)采用传热与储热分离的双回路系统，在太阳能集热场中采用传热介质循环吸收太阳能，在储热放热系统中通过储能介质与传热介质进行换热以储存或释放热能。在此过程中，储能介质只进行储热放热，不进行循环传热；传热介质只进行循环传热，不进行储热放热，储能介质和传热介质分离运行、各司其职，故储能和传热可分别选用高效储能介质和高效传热介质，具有储热与放热过程高效、可靠的优点。
3)整体系统采用可靠系统配置方案，太阳光热能充足时，通过传热介质循环高效储热；太阳光热能不足时，通过传热介质循环来高效放热供蒸汽发电系统使用；在极端情况下，还可通过燃烧燃料进行加热，保证全天候发电。
附图说明
图1为本发明所提供的基于全程带压运行的全天候太阳能发电系统的总体结构框图。
图2为图1中太阳能发电系统的工艺示意图。
图3为图2中集热管的截面示意图。
图4为本发明所提供的基于全程带压运行的全天候太阳能发电方法的判断流程示意图。
其中：太阳能集热场100、低温传热介质母管101、高温传热介质母管102、备用旁管103、分布联箱104、太阳能集热器105、集热管106、压力控制阀107、第一备用切换阀108、第二备用切换阀109、玻璃套管110、金属内管111、内翅片112、储热放热系统200、储热罐体201、中间切换阀202(包括202a、202b、202c)、顶部切换阀203、底部切换阀204、中间区高温切换阀205、中间区低温切换阀206、中间区连接管207、储热输入阀208、集热返回阀209、发电输入阀210、顶部填料区211、中间填料区212(包括212a、212b、212c)、底部填料区213、蒸汽发电系统300、余热锅炉301、再热器302、汽轮机303、冷凝装置304、除氧回热器305、水泵306、发电机307、气体补充入口308、锅炉燃料入口309、锅炉补水口310、第一加压装置400、第二加压装置500
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1、2所示，本发明所提供的基于全程带压运行的全天候太阳能发电系统，包括太阳能集热场100、储热放热系统200、蒸汽发电系统300、第一加压装置400和第二加压装置500。太阳能集热场100包括作为低温传热介质输入端的低温传热介质母管101和作为高温传热介质输出端的高温传热介质母管102。储热放热系统200和蒸汽发电系统300并联布置在低温传热介质母管101与高温传热介质母管102之间。
太阳能集热场100包括呈纵横向阵列布置的若干太阳能集热器105，每一纵向列中的各个太阳能集热器105共用一根分段串联贯通的集热管106，各根集热管106的输入端与低温传热介质母管101相连，各根集热管106的输出端与高温传热介质母管102相连。相邻两根集热管106之间通过若干间隔设置的分布联箱104横向贯通。太阳能集热场100的低温传热介质输入端与高温传热介质输出端之间设置有备用旁管103，其上设置有第一备用切换阀108、第二备用切换阀109，备用旁管103增加了管路系统的灵活性，可用于装置或管道吹扫、传热介质回流等。各根集热管106上分别设置有一个压力控制阀107，实时调节整体系统气流流量分布，实现整体系统稳定可靠运行。此外，太阳能集热场100整体采用同程式并联布置，以减少传热介质在循环系统中的压降损失。太阳能集热场100的传热介质为带压气体介质，其中混有固体微粒，该固体微粒为由固体导热材料构成胶囊外壳、由相变材料构成胶囊填充物的相变胶囊微粒。如图3所示，集热管106包括玻璃套管110和金属内管111，金属内管111的内壁上设置有内翅片112。
储热放热系统200包括至少一个储热罐，当采用多个储热罐时可将各储热罐进行串并联组合，各储热罐再分别采用本发明提供的方法进行储热、放热。所述储热罐包括储热罐体201，储热罐体201的内腔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、中间填料区212(包括212a、212b和212c)、以及底部填料区213。其中顶部填料区211通过顶部切换阀203与高温传热介质母管102相连，底部填料区213通过底部切换阀204与低温传热介质母管101相连，各个中间填料区212通过与其对应的各个中间切换阀202(包括202a、202b、202c)与中间区连接管207相连。中间区连接管207的一端通过中间区高温切换阀205与高温传热介质母管102相连，中间区连接管207的另一端通过中间区低温切换阀206与低温传热介质母管101相连。储能介质为高比热固体材料或相变储热材料，堆积在储热装置201内形成多孔结构。高比热固体材料可采用石英砂、铁砂、铸铁、铁矿石、鹅卵石中的一种或多种。相变储热材料包括固体导热材料构成的外壳和封装在外壳内的相变材料填充物。
蒸汽发电系统300包括余热锅炉301、再热器302、汽轮机303、发电机307、冷凝装置304和除氧回热器305。余热锅炉301为集成有燃料加热功能的集成式锅炉，其内集成有用于辅助加热的燃烧器，并且设置有锅炉燃料入口309和烟气出口。余热锅炉301的加热侧输入端连接到高温传热介质母管102，余热锅炉301的加热侧输出端连接到低温传热介质母管101。余热锅炉301的水侧输入端通过水泵306连接到除氧回热器305的给水输出端，余热锅炉301的水侧输出端与汽轮机303的锅炉蒸汽输入端相连。汽轮机303的乏汽输出端与冷凝装置304的热侧输入端相连，汽轮机303的抽气输出端与除氧回热器305的抽气输入端相连，汽轮机303的动力输出轴与发电机307相连。冷凝装置304的热侧输出端与除氧回热器305的回水输入口相连。冷凝装置304的冷侧通冷水对热侧的乏汽进行冷却，除氧回热器305还设置有锅炉补水口310。再热器302的加热侧输入端连接到高温传热介质母管102，再热器302的加热侧输出端连接到低温传热介质母管101。再热器302的蒸汽侧输入端连接到汽轮机303的再热蒸汽输出端，再热器302的蒸汽侧输出端连接到汽轮机303的再热蒸汽输入端。
第一加压装置400、集热返回阀209设置在低温传热介质母管101对应于储热放热系统200与太阳能集热场100之间的管段上。第二加压装置500设置在低温传热介质母管101对应于储热放热系统200与蒸汽发电系统300之间的管段上，第二加压装置500的入口端设置有气体补充入口308。储热输入阀208、发电输入阀210分别设置在高温传热介质母管102在太阳能集热场100与储热放热系统200之间、储热放热系统200与蒸汽发电系统300之间的管段上。储热输入阀208、集热返回阀209、发电输入阀210根据流程需要进行切换。
储热罐、高温传热介质母管102外表面采用高保温性能材料包裹，降低热量损耗。
如图4所示，本发明同时提供了采用上述太阳能发电系统进行发电的方法，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蒸汽发电系统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。低温传热介质进入太阳能集热场100温度为150℃～350℃，高温传热介质流出太阳能集热场100温度为200℃～800℃；传热介质系统循环压力为0.1Mpa～3MPa。
2)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蒸汽发电系统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蒸汽发电系统300中进行发电，高温传热介质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。
3)步骤1)、步骤2)中，所述蒸汽发电系统300利用高温传热介质加热生产蒸汽进行发电；
具体而言，该方法按照如下判断策略选择储热、放热或发电：
1)判断有无光照条件，若无光照条件且蒸汽发电系统300有发电需求，则由储热放热系统200放热独立为蒸汽发电系统300供热。
2)若有光照条件，且蒸汽发电系统300无热能需求，则太阳能集热场100输出的高温传热介质全部输入储热放热系统200进行储热。
3)若有光照条件，且蒸汽发电系统300有热能需求，则对太阳能集热场100的集热量与蒸汽发电系统300的热能需求量进行对比，根据比较结果进入4)、5)或6)。
4)若集热量大于热能需求，则太阳能集热场100输出的高温传热介质中满足蒸汽发电系统300需求量的部分输送到蒸汽发电系统300进行发电，超出的部分输送至储热放热系统200进行储热。
5)若集热量等于热能需求，则太阳能集热场100输出的高温传热介质全部输入蒸汽发电系统300进行发电。
6)若集热量小于热能需求，则将太阳能集热场100加热得到的高温传热介质与储热放热系统200换热得到的高温传热介质同时输入蒸汽发电系统300进行发电。
储热放热系统200进行储热、放热的具体操作步骤如下：
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、中间填料区212a～212c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212a进入，依次通过中间填料区212a、中间填料区212b、中间填料区212c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。当中间填料区212a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212b进入，依次通过中间填料区212b、中间填料区212c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212c进入，从底部填料区213流出，并使中间填料区212c或底部填料区213的温度(选择其一即可)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。各阀门的具体切换顺序详见表1。
表1储热放热系统在储热时阀门切换次序
注：上表中，若只进行储热，不进行发电，则210常闭；若二者同时进行，则210常开。
储热放热系统200在进行放热时，来自蒸汽发电系统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、中间填料区212c、212b、212c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的顶部流出后进入蒸汽发电系统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212c进入，依次通过中间填料区212c、中间填料区212b、中间填料区212a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的顶部流出后进入蒸汽发电系统300。当第一个中间填料区212c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212b进入，依次通过中间填料区212b、中间填料区212a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的顶部流出后进入蒸汽发电系统300。依此类推，直至低温传热介质切换为从最上方的一个中间填料区212a进入，从顶部填料区211流出，并使中间填料区212a或顶部填料区211的温度(选择其一即可)升高到设定值，完成储热罐体201的放热，经换热升温得到的高温传热介质从储热罐体201的顶部流出后进入蒸汽发电系统300。各阀门的具体切换顺序详见表2。
表2储热放热系统在放热时阀门切换次序
注：上表中，若由储热放热系统单独供热，太阳能集热场不供热，则208、209常闭；若二者同时供热，则208、209常开。
当储热放热系统200储能不足或负荷太大或没有太阳能时，集成式锅炉可通过燃烧燃料进行加热，以满足蒸汽发电系统300的需要，保证全天候发电。
本实施实例以槽式太阳能发电系统为例，其工艺包括但不限于采用槽式、塔式、碟式等其他形式相类似的太阳能发电系统。
Claims (10)
1.一种基于全程带压运行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)和蒸汽发电系统(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蒸汽发电系统(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蒸汽发电系统(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蒸汽发电系统(300)中进行发电；
3)高温传热介质在蒸汽发电系统(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；
上述步骤中，所述蒸汽发电系统(300)利用高温传热介质加热生产蒸汽进行发电；所述传热介质为带压气体介质，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。
2.根据权利要求1所述的基于全程带压运行的全天候太阳能发电系统，其特征在于：所述传热介质为混有固体微粒的气体介质；所述固体微粒为无相变材料构成的无相变微粒，或者为由固体导热材料构成胶囊外壳、由相变材料构成胶囊填充物的相变胶囊微粒。
3.根据权利要求1或2所述的基于全程带压运行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所述的基于全程带压运行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，来自蒸汽发电系统(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)的顶部流出后进入蒸汽发电系统(300)进行发电；
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)的顶部流出后进入蒸汽发电系统(300)进行发电；
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)的顶部流出后进入蒸汽发电系统(300)进行发电；
依此类推，直至低温传热介质切换为从最上方的一个中间填料区(212)进入，从顶部填料区(211)流出，并使顶部填料区(211)的温度升高到设定值，完成储热罐体(201)的放热，经换热升温得到的高温传热介质从储热罐体(201)的顶部流出后进入蒸汽发电系统(300)进行发电。
5.一种基于全程带压运行的全天候太阳能发电系统，包括太阳能集热场(100)、储热放热系统(200)、蒸汽发电系统(300)、第一加压装置(400)和第二加压装置(500)，其特征在于：
所述太阳能集热场(100)包括作为低温传热介质输入端的低温传热介质母管(101)和作为高温传热介质输出端的高温传热介质母管(102)；
所述储热放热系统(200)和蒸汽发电系统(300)并联布置在低温传热介质母管(101)与高温传热介质母管(102)之间；
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)；其中顶部填料区(211)通过顶部切换阀(203)与高温传热介质母管(102)相连，底部填料区(213)通过底部切换阀(204)与低温传热介质母管(101)相连，各个中间填料区(212)通过与其对应的各个中间切换阀(202)与中间区连接管(207)相连；
所述中间区连接管(207)的一端通过中间区高温切换阀(205)与高温传热介质母管(102)相连，所述中间区连接管(207)的另一端通过中间区低温切换阀(206)与低温传热介质母管(101)相连；
所述第一加压装置(400)设置在低温传热介质母管(101)对应于储热放热系统(200)与太阳能集热场(100)之间的管段上；所述第二加压装置(500)设置在低温传热介质母管(101)对应于储热放热系统(200)与蒸汽发电系统(300)之间的管段上。
6.根据权利要求5所述的基于全程带压运行的全天候太阳能发电系统，其特征在于：所述蒸汽发电系统(300)包括余热锅炉(301)、汽轮机(303)、发电机(307)、冷凝装置(304)和除氧回热器(305)；所述余热锅炉(301)为集成有燃料加热、传热介质换热功能的集成式锅炉，所述余热锅炉(301)的加热侧输入端连接到高温传热介质母管(102)，所述余热锅炉(301)的加热侧输出端连接到低温传热介质母管(101)；所述余热锅炉(301)的水侧输入端通过水泵(306)连接到除氧回热器(305)的给水输出端，所述余热锅炉(301)的水侧输出端与汽轮机(303)的锅炉蒸汽输入端相连；所述汽轮机(303)的乏汽输出端与冷凝装置(304)的热侧输入端相连，所述汽轮机(303)的抽气输出端与除氧回热器(305)的抽气输入端相连，所述汽轮机(303)的动力输出轴与发电机(307)相连；所述冷凝装置(304)的热侧输出端与除氧回热器(305)的回水输入口相连。
7.根据权利要求6所述的基于全程带压运行的全天候太阳能发电系统，其特征在于：所述蒸汽发电系统(300)还包括再热器(302)，所述再热器(302)的加热侧输入端连接到高温传热介质母管(102)，所述再热器(302)的加热侧输出端连接到低温传热介质母管(101)；所述再热器(302)的蒸汽侧输入端连接到汽轮机(303)的再热蒸汽输出端，所述再热器(302)的蒸汽侧输出端连接到汽轮机(303)的再热蒸汽输入端。
8.根据权利要求5～7中任一项所述的基于全程带压运行的全天候太阳能发电系统，其特征在于：所述太阳能集热场(100)包括呈纵横向阵列布置的若干太阳能集热器(105)，每一纵向列中的各个太阳能集热器(105)共用一根分段串联贯通的集热管(106)，各根集热管(106)的输入端与低温传热介质母管(101)相连，各根集热管(106)的输出端与高温传热介质母管(102)相连；相邻两根集热管(106)之间通过若干间隔设置的分布联箱(104)横向贯通；各根集热管(106)上分别设置有一个压力控制阀(107)。
9.根据权利要求5～7中任一项所述的基于全程带压运行的全天候太阳能发电系统，其特征在于：所述储能介质为高比热固体材料或相变储热材料，堆积在储热装置(201)内形成多孔结构。
10.根据权利要求9所述的基于全程带压运行的全天候太阳能发电系统，其特征在于：所述高比热固体材料为石英砂、铁砂、铸铁、铁矿石、鹅卵石中的一种或多种；所述相变储热材料包括固体导热材料构成的外壳和封装在外壳内的相变材料填充物。
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