[发明专利]一种太阳能热水热电转换装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种热水热电转换装置，尤其涉及一种太阳能热水热电转换装置。

背景技术

太阳能是指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。太阳能是一种绿色、洁净、取之不尽的能源。人类对太阳能利用大体上就有三种：太阳能光热、光电和光化学的能量转换，而用于产生电力的转换方式只有太阳能光热和光电的转变。光电转换的形式比较单一，主要的利用形式是太阳能电池。太阳能光热电的转换方式和其设备装置就比较多。太阳能光热电转换的一个最常见原则就是设法通过太阳能的收集获得水蒸汽，通过蒸汽透平做功，带动发电机产生电力。

常规太阳能光热发电系统使用的都是高温太阳能资源。高温太阳能发电系统最主要使用高温热源的原因是其透平发电单元是常规Rankine循环动力系统，为了保证其热经济性，就必须提高热力循环的初始温度和压力。太阳能资源是能量密度较低的资源，这就导致常规太阳能光热发电必须通过特殊的装置来聚集低能量密度的能量，从而能提供足够的热量来加热水，得到高温高压的水蒸汽。比如太阳能塔式发电，槽式发电等，都需要投入巨资建设太阳能聚集装置。以下便介绍几种常见的太阳能光热发电系统。

一、塔式太阳能发电系统

该系统是在空旷平地上建立高大的塔, 塔顶安装固定一个接收器相当于锅炉, 塔的周围安置大量的定日镜, 将太阳光聚集并反射到塔顶的接收器上产生高温, 接收器内生成的高温蒸汽推动汽轮机来发电。

塔式太阳能热发电按加热工质的不同又可以分为两种，一种是加热纯水，另一种为加热盐水溶液。图1为现有盐塔式太阳能热发电简单热力系统示意图，请参见图1，在盐塔式太阳能热利用发电站里，数千块日镜将太阳光聚焦到塔楼顶部吸热体101上，热量转入吸热体内的盐水溶液，其温度从265℃升高到565℃，然后高温溶液送到热盐储存器102中，通过蒸汽发生器103产生蒸汽，蒸汽经汽轮机104透平做功后，通过冷凝器105放热冷却后又重新回到冷盐储存器106里，通过盐溶液泵107升压后再次打入吸热体101内。

尽管塔式热发电系统起步较早, 人们也一直希望通过尽可能多的定日镜将太阳能量聚集到几十兆瓦的水平, 但是塔式系统的造价一直居高不下, 产业化困难重重，其根本原因在于定日镜系统的设计。目前典型的塔式热发电系统的定日镜都有两个特点一是定日镜的反射面几乎都采用普通的球面或平面, 二是定日镜的跟踪都使用传统的方位角仰角公式。这两个设计特点导致塔式太阳能聚光接收器存在着以下难以克服的问题：

1、太阳在塔上聚焦的光斑在一天之内呈现大幅度变化, 导致聚光光强大幅度波动，普通球面或平面反射镜无法克服由于太阳运动而产生的像差。由于太阳的盘面效应，各个反射镜在中央塔上形成的光斑大小随着它与中心塔的距离增加而线性增长，塔上最后形成的太阳聚焦光斑在一天之内可以随定日镜场的大小从几米变化到几十米之大，因此塔式太阳能热发电站光光强出现大幅度波动。再加上各个定日镜的不同余弦效应，塔式系统的光热转换效率仅为60%左右。尽管目前在一些比较讲究的塔式系统的设计中，对不同的定日镜开始采用不同曲率半径的球面以减小太阳在塔上聚焦光斑的尺寸，但光学设计复杂性大大增加导致制造成本也跟着大幅增长。

2、众多的定日镜围绕中心塔而建立，占地面积巨大的中央塔的建立必须要保证各个定日镜之间互相不能阻挡光线。各个定日镜之间的距离随着它们与中心塔距离的增加而大幅度增长，因而塔式热发电系统的占地面积随着功率等级的增加而呈指数性激增。

由于上述这些问题，塔式热发电系统尽管可以实现1000℃的聚焦高温, 但一直面临着单位装机容量投资过大的问题。目前塔式系统的初投资成本为3.4万～4.8万元，而且造价降低非常困难，所以塔式系统50多年来始终停留在示范阶段而没有推广开来。

二、槽式太阳能发电系统

该系统是一种借助槽形抛物面反射镜将太阳光聚焦反射到聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽推动汽轮机发电的清洁能源利用装置。槽形抛物面太阳能发电站的功率为10～1000MW。槽式太阳能热发电是目前所有太阳能热发电站中功率最大的。系统集热器采集到的热量传递到管内流动的热载体上，热载体可以是水蒸气、热油或盐水等，所用的反射镜由贫铁玻璃制成，它必须有足够的制造精度以便在任何情况下都能有效地反射太阳光线。