采用闭式布列顿循环的塔式太阳能热发电系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种塔式太阳能聚焦热发电系统，具体涉及一种采用闭式布列顿循环的塔式太阳能热发电系统。
【背景技术】
[0002]随着可再生能源利用在全世界的蓬勃发展，太阳能聚热发电(CSP)与光伏太阳能发电(PV)得到了较快的发展。利用太阳能光伏发电，只能使波长较短的光得到利用，波长较长的光完全浪费，且使电池的温度升高，导致电池的效率下降，而利用太阳能光热发电，可以充分利用整个波长的太阳光，因而太阳能聚热发电(CSP)逐步为人们所认识、研宄和重视。太阳能聚热发电(CSP)相比光伏太阳能发电(PV)具有规模大、集中度高、效率高等突出特点，但是面临的共同问题是如何降低投资成本以及如何提高发电效率进而降低发电成本，尤其是降低投资成本和提高发电效率就成为两种太阳能发电技术竞争的焦点。
[0003]太阳能聚热发电(CSP)主要有槽式、碟式及塔式等热发电模式，其中槽式太阳能聚热发电(CSP)已经实现商业化，美国SEGS电站以及西班牙AndaSol电站已经具有商业化运行的经验；该技术主要采用导热油为传热工质，经导热油换热后驱动常规蒸汽轮机带动发电机组发电。由于目前的导热油工作温度必须控制在400°C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，因此限制了槽式太阳能聚热发电的工作温度及发电效率。
[0004]碟式太阳能热发电系统以单个旋转抛物面反射镜为基础，构成一个完整的聚光、集热和发电单元。采用双轴跟踪装置，其聚光比一般在1000?3000之间。吸热器吸收太阳辐射并将其转换成热能，来加热吸热工质，驱动热机(如燃气轮机、斯特林发动机或其它类型透平等)，实现光电转化。目前单个碟式系统的功率多为5?50kW，峰值发电效率可达29%，在太阳能热发电的各种方式中，其效率最高。碟式太阳能热发电系统主要应用于分散式动力系统，虽然可以将多个碟式装置组成一个较大的发电系统，但它们原则上仍然是小型系统，不易于大型化；同时目前还没有适合于碟式太阳能热发电系统的动力机械，其应用受到了一定的限制。碟式太阳能热发电系统相对其他方式，具有模块化的灵活部署能力、较高的聚光比和发电总效率等优点，其缺点是大型化聚热发电时，成本比同规模的塔式太阳能热发电系统高得多。
[0005]塔式太阳能热发电系统，也称集中型太阳能热发电系统。太阳能塔式热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群，将阳光聚集到固定在塔顶部的接收器上，用以产生高温，加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动汽轮机发电机组或燃气轮机发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。由许多定日镜组成的庞大的定日镜场，其面积非常大，聚光比很高，一个接收器可以收集100丽的辐射功率，运行温度可达到1000?1500°C。用以吸收太阳热能的热流体通常有水、熔盐、空气等。对应不同的热流体，塔式太阳能接收器的类型也不同:
[0006](一)热流体为水(水蒸气)的系统
[0007]以水(水蒸气)作为热流体的塔式太阳能热发电系统，直接利用聚焦的太阳能加热类似电站锅炉的蒸汽发生设备。在此系统中，给水一次经过塔式太阳能接收器的预热、蒸发、过热等换热面后，成为朗肯循环汽轮机的做功工质，带动发电机发电；蒸汽轮机的排汽被送往凝汽器中凝结成水后，通过给水泵重新送往接收器中。为保证生产蒸汽的稳定性，常常设置蒸汽蓄热系统，在阳光充足的时候，将多余的蒸汽热量储存在蓄热罐中，从而保证系统运行参数的稳定。由于入射太阳辐射的瞬变特性和分布不均，布置于接收器中的吸热管经常发生泄漏。
[0008]目前采用直接蒸汽生产方式的塔式太阳能热电站主要包括意大利0.75丽的Eurel1s电站、西班牙1.2MW的CESA-1电站、美国1MW的Solar One电站、西班牙IlMW的PSlO电站等。
[0009](二)热流体为熔盐的系统
[0010]为了避免直接蒸汽生产方式的塔式太阳能发电系统的接收器泄漏，同时为了获得更高的工作温度，可采用熔盐作为接收器中的吸热流体。使用熔盐作为热流体的塔式太阳能发电站有美国的MSEE电站及Solar Two电站、西班牙的Solar TRES电站等。Solar Two是为了推进塔式太阳能发电系统商业化发展的一个实用性项目，为促进塔式/熔盐太阳能热发电技术的发展作出了重要贡献。
[0011]但是熔盐也存在一定的缺点，即有高温分解和腐蚀问题，相关材料必须耐高温、耐腐蚀，使系统成本增加、可靠性降低；熔盐还有低温凝固问题，必须对相关设备进行保温、预热和伴热等，使系统的能耗增加。新型的结晶点在100°c以下的熔盐研宄值得关注，如美国桑迪亚实验室正在研宄结晶点在100°c以下的熔盐，如果成功将有希望取代导热油。
[0012](三)热流体为空气的系统
[0013]以空气作为吸热介质的塔式太阳能发电系统，可达到更高的工作温度。接收器通常采用腔体式接收器。以空气作为吸热介质的塔式太阳能发电系统可以采用以下两种工作方式。
[0014]一种工作方式是将接收器中产生的热空气应用于朗肯循环热电系统，如附图2所示。在该系统中，接收器周围的空气以及来自送风机的回流空气在接受器中吸收来自太阳能镜场的太阳福射，被加热后的热空气送往热量回收蒸汽生产系统(Heat Recovery SteamGenerating，HRSG), HRSG中产生的蒸汽送往汽轮机中做功，带动发电机发电。热空气在HRSG中将热量传递给工质后，变成低温空气，然后被送风机重新送往塔顶的接收器中。这种系统的缺点是采用低压空气作为吸热介质，吸收器的体积庞大，且蒸汽朗肯循环发电机组的蒸汽温度受制于耐高温的材料，目前用于蒸汽朗肯循环的蒸汽温度还没有超过625°C。其流程如附图2所示
[0015]另一种工作方式是将接收器中产生的热空气应用于布列顿-朗肯联合循环发电系统。可以直接将高压空气加热到1000°c以上去推动燃气轮机，推动燃气轮机后的气体仍有较高温度，再通过热交换器加热水生成水蒸气，水蒸气再去推动汽轮机，有效利用热量。也可以把经过腔体式接收器加热后的高压空气直接送入燃烧室，进一步加热后进入燃气轮机发电，燃气轮机的排气进入底部朗肯循环进行发电。
[0016]欧洲和以色列对采用空气作为吸热介质的塔式太阳能发电系统的换热技术及蓄热技术的研宄较为关注，并开展了一些著名的研宄项目，如Phoebus-TSA、SOLAIR和DIAPR等，取得了一定的研宄成果。德国于2009年投运的JUlich电站，是一个试验验证电站，也是世界上第一个采用空气作为传热介质的塔式太阳能发电系统。电站的工作示意图如附图3所示。
[0017]中国南京江宁开发区与以色列合作研发建成国内首座70kw塔式太阳能热发电示范工程，于2005年10月底成功并网发电，这是采用布雷顿循环原理建立的中国第一个塔式太阳能热发电站。该电站通过太阳能空腔式接收器以空气作传热工质，辅之以天然气和小型燃气轮机率先实现了利用太阳能和布雷顿循环技术结合的热发电装置，其塔式系统的塔高为33米，采用32台有效反射面积为19.6 m2的定日镜，接收器的出口工作温度为900°C，进口压力为0.4MPa，测试峰值转换效率为85%，燃气轮机热电效率为28.5%。但由于腔式太阳能接收器入口太小，进气温度难于和燃气配套致使实验效果不太理想。但燃气轮机的极高的热电效率值得关注，显然解决匹配性问题后，将是极有应用前景的塔式太阳能热发电系统。以色列和澳大利亚实施的“郁金香”小型塔式太阳能热发电试验项目实际是该技术的继续。目前，由中科院电工所在北京延庆县进行的IMW塔式太阳能发电项目正在试验中。
[0018]集成式太阳能热发电系统包括太阳能辅助燃煤发电系统、集成式太阳能与燃气-蒸汽联合循环发电系统、太阳能光热利用与地热集成发电系统、太阳能和风能集成系统以及太阳能光热发电与光伏发电混合的集成发电系统等。太阳能辅助燃煤发电系统是将太阳能集热器与普通的燃煤电厂集成，利用太阳能加热给水或与锅炉的某一加热段并联来加热蒸汽，以减少相同数量电能生产时的耗煤量，其优点是投资省、发电系统稳定性好，缺点是受制于给水或蒸汽加热温度的限制，仍属太阳能的低品位利用。集成式太阳能与燃气