本發(fā)明涉及一種與燃氣、蒸汽動力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)結合的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，屬于太陽能熱利用技術領域。
背景技術：
現(xiàn)有的技術中關于塔式太陽能熱發(fā)電，容積式接收器和太陽能-燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電概述如下。
1、塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)
太陽能熱發(fā)電是以光學聚焦的方式將太陽輻射能轉換為高溫熱能，再通過一定的裝置將熱能轉換為電能。塔式太陽能熱發(fā)電采用點聚焦技術，又稱集中式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。它是在和大面積的場地上裝有許多臺大型反射鏡，即定日鏡，每臺均有各自的跟蹤機構，準確地將太陽輻射反射集中到一高塔頂部的接收器上。被接收器吸收的太陽輻射能轉換為熱能，再講熱能傳給工質，經過蓄熱環(huán)節(jié)，在輸入熱動力機，膨脹做功帶動發(fā)電機，最后輸出電能。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由聚光子系統(tǒng)、集熱子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和發(fā)電子系統(tǒng)等部分組成。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在20世紀80年代以后開始備受世人關注，目前已有許多的示范性電站在運行或建設中。與槽式、碟式熱發(fā)電系統(tǒng)相比，塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有最高的聚光比，且系統(tǒng)的集熱溫度高，易產生高參數(shù)蒸汽，故有利于提高熱動裝置效率。目前，太陽能熱利用系統(tǒng)的一個主要問題是太陽能具有明顯的不穩(wěn)定性，在陰天或者晚上，便無可利用的太陽能，且太陽年輻射量隨四季變化而變化。目前，要用綠色的太陽能取代化石燃料向電網輸送綠色能源，必須解決太陽能不穩(wěn)定性的問題，才能規(guī)避其對電網的沖擊波動。
2、開放容積式接收器
根據(jù)太陽能接收器中吸熱介質的工作方式，太陽能接收器可分為直接式和間接式兩大類。其中，間接式太陽能接收器主要特點是接收器向傳熱介質的傳熱過程不發(fā)生在太陽照射面，工作時聚焦入射的太陽能先加熱受熱面，受熱面升溫后再通過壁面將熱量向另一側的工質傳遞。按結構形式可分為外露式管狀接收器，容積式接收器。外露式管狀接收器一般可采用水、熔融鹽、空氣等作為傳熱介質，其結構簡單，成本低，而且可以接收塔體周圍任意角度的由定日經場反射聚焦的太陽能，這種方式有利于定日鏡場布局的優(yōu)化設計，提高太陽輻射能的利用。但外露式接收器的吸熱圓管直接暴露在外部環(huán)境中，在多風天氣時熱對流損失較大，因而外露式管狀吸熱器的熱效率較低。為了減少熱損失，優(yōu)化外露式管狀接收器，促進了容積式接收器的產生。容積式接收器與外露式管狀接收器最大的區(qū)別為管束布置在腔體內，并設有一個窗口接收太陽輻射能，所以輻射、對流和反射損失都較小，從而提高了熱效率。為了進一步減少熱損失，容積式接收器還有絕熱的保溫層，減少與環(huán)境之間的對流損失，此外，容積式接收器還具有吸熱面上的熱流密度分布均勻，吸熱管束壓降小，體積小，重量輕，易于建造且造價較低的優(yōu)點。但由于太陽輻射能只能從采光窗口進入，要求鏡場反射聚焦的太陽能通過采光窗口，對定日鏡場的布局和聚焦能力有一定的限制和要求，只能單側布局。
3、燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)
燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術從20世紀50年代開始登上電工業(yè)舞臺，但由于當時燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)的容量小、效率低，且只能燃用氣體或液體燃料，故長時期無法與傳統(tǒng)燃發(fā)電技術相匹敵。20世紀80年代后，燃氣輪機的單機容量和熱效率都有了大幅度提高，常規(guī)燃油和燃燒天然氣的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術日趨成熟，加之世界范圍內能源資源的結構有了重大變化，環(huán)境問題日益突出，燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組在電力系統(tǒng)中的地位得到了很大的提升，然而，化石燃料資源為不可再生能源，在能源緊張的當代，減少對不可再生能源的依賴，開發(fā)利用無污染、資源消耗少的新能源才是發(fā)展的方向。
技術實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種與燃氣、蒸汽動力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)結合的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，通過太陽能聚光集熱子系統(tǒng)來加熱空氣，利用高溫空氣與水換熱從而驅動蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)進行發(fā)電，同時作為燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)中的介質進行發(fā)電，實現(xiàn)了能量的梯級利用，此外，燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)中的廢氣對太陽能聚光集熱子系統(tǒng)的進口空氣進行預熱，也實現(xiàn)了能量的梯級利用和節(jié)能環(huán)保理念，達到節(jié)能降耗目的；本發(fā)明燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)的采用，解決了太陽能不穩(wěn)定的問題，可在太陽能不足時利用燃氣輪機子系統(tǒng)進行發(fā)電，實現(xiàn)系統(tǒng)的持續(xù)運行。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術方案來實現(xiàn)：
本發(fā)明的一種與燃氣、蒸汽動力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)結合的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，包括用于將太陽輻射能轉換為熱能的太陽能聚光集熱子系統(tǒng)、實現(xiàn)熱交換的換熱裝置、蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)和燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)；換熱裝置包括換熱器組和第四換熱器；所述太陽能聚光集熱子系統(tǒng)的出口通過一條管路與換熱器組的第一入口相連；蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)包括與換熱器組的第一出口相連的蒸汽輪機、與蒸汽輪機相連接的蒸汽輪機發(fā)電機、與蒸汽輪機相連接的冷凝器和給水泵；所述給水泵的一端通過一條管路與冷凝器相連接，其另一端通過一條管路與換熱器組的第二入口相連接；燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)包括通過一條管路與換熱器組的第二出口相連接的壓縮機、通過一條管路與壓縮機相連接的燃燒室、通過一條管路與燃燒室相連接的燃氣輪機和與燃氣輪機相連的燃氣輪機發(fā)電機；所述燃氣輪機通過一條管路與第四換熱器相連，所述第四換熱器通過一條管路與太陽能聚光集熱子系統(tǒng)的進口相連接。
上述換熱器組包括相互串聯(lián)的預熱換熱器、蒸發(fā)換熱器和過熱換熱器。同種工質在同一管路內進行熱交換。
上述太陽能聚光集熱子系統(tǒng)具體采用的是塔式太陽能聚光集熱子系統(tǒng)。
上述塔式太陽能聚光集熱子系統(tǒng)包括聚光鏡場和接收器(聚光鏡場和接收器的連接關系為常見的塔式熱發(fā)電站的基本連接，鏡場接收并聚焦太陽能到接收器上)；所述聚光鏡場接受并匯聚太陽輻射能量，并將接受的太陽輻射能量經所述接收器傳遞給載熱介質。
上述接收器具體采用的是開放容積式接收器。
上述壓縮機具體采用的是多級壓縮中間冷卻的壓縮機。
容積式接收器出口的高溫空氣先后在第一換熱器、第二換熱器、第三換熱器中與蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)中的水進行換熱(第一換熱器預熱、第二換熱器蒸發(fā)、第三換熱器過熱)，獲得過熱蒸汽驅動蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)進行發(fā)電；之后，冷空氣進如壓縮機壓縮增壓后進入燃燒室與燃料混合燃燒生成高溫燃氣驅動燃氣輪機并使燃氣輪機發(fā)電機發(fā)電。燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)中的廢氣在第四換熱器中預熱容積式接收器入口的空氣，升溫后重新進入開放容積式接收器中，完成整個循環(huán)過程。
本發(fā)明的有益效果如下：
本發(fā)明太陽能聚光集熱子系統(tǒng)采用開放容積式接收器，其出口的高溫空氣先后用于蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)和燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)進行發(fā)電，實現(xiàn)能量的梯級利用，且進入容積式接收器的空氣先在第四換熱器中被燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)中的廢氣進行預熱，也實現(xiàn)了能量的梯級利用并達到節(jié)能降耗的目的。
本發(fā)明太陽能聚光集熱子系統(tǒng)接收的能量首先用于加熱進入蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)的水并使之過熱，從而提高蒸汽動力循環(huán)的效率；水的蒸發(fā)和過熱分別在第二換熱器和第三換熱器中進行，從而減少了在瞬間蒸發(fā)的部分由于其程度變化引起的熱應力；之后第三換熱器出口的空氣進入燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)，仍具有較高溫度，故可減少壓縮機的功耗和燃燒室燃料的使用量，同時提高了燃氣動力循環(huán)的發(fā)電效率，實現(xiàn)了能量的梯級利用并達到了節(jié)能降耗的目的。
本發(fā)明燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)的采用，解決了太陽能不穩(wěn)定的問題，可在太陽能不足時利用燃氣輪機子系統(tǒng)進行發(fā)電，實現(xiàn)系統(tǒng)的持續(xù)運行。
本發(fā)明太陽能聚光集熱子系統(tǒng)中開放容積式接收器進口的空氣在第四換熱器中被燃氣輪機動力循環(huán)中的廢氣預熱，提高進口空氣的溫度，實現(xiàn)了能量的梯級利用，進一步降低了對集熱子系統(tǒng)的要求，從而降低成本。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的一種與燃氣、蒸汽動力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)結合的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理示意圖。
圖中各標記為：1-開放容積式接收器，2-蒸汽輪機，3-冷凝器，4-給水泵，5-第一換熱器、6-第二換熱器、7-第三換熱器、8-壓縮機，9-燃燒室，10-燃氣輪機，11-燃氣輪機發(fā)電機、12-蒸汽輪機發(fā)電機、13-第四換熱器。
具體實施方式
為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體實施方式，進一步闡述本發(fā)明。
參見圖1，本發(fā)明的系統(tǒng)包括太陽能聚光集熱子系統(tǒng)、換熱裝置、燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)和蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)。燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)和蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)分別具有各自的發(fā)電裝置，用于將熱能轉化為電能，在太陽能富余時可利用太陽能加熱載熱介質發(fā)電，而當太陽輻射能量不足時，可利用燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)中燃氣直接燃燒發(fā)電，彌補了太陽能間歇性的缺點。
本實施例中，太陽能聚光集熱子系統(tǒng)包括聚光鏡場和接收器；聚光鏡場接受并匯聚太陽輻射能量，并將接受的太陽輻射能量經接收器傳遞給載熱介質。本實施例中，接收器具體采用的是開放容積式接收器1。
本實施例中，換熱裝置包括第一換熱器5、第二換熱器6、第三換熱器7、第四換熱器13；太陽能聚光集熱子系統(tǒng)的出口通過一條管路分別與第一換熱器5、第二換熱器6、第三換熱器7相連。
本實施例中，蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)包括與第一換熱器5相連的蒸汽輪機2、與蒸汽輪機2相連接的蒸汽輪機發(fā)電機12、與蒸汽輪機2相連接的冷凝器3和給水泵4；給水泵4的一端通過一條管路與冷凝器3相連接，其另一端通過一條管路分別與第三換熱器7、第二換熱器6、第一換熱器5相連接。
本實施例中，燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)包括通過一條管路與第三換熱器7相連接的壓縮機8、通過一條管路與壓縮機8相連接的燃燒室9、通過一條管路與燃燒室9相連接的燃氣輪機10和與燃氣輪機10相連的燃氣輪機發(fā)電機11；燃氣輪機10通過一條管路與第四換熱器13相連，第四換熱器13通過一條管路與太陽能聚光集熱子系統(tǒng)的進口相連接。
本實施例中，太陽能聚光集熱子系統(tǒng)為塔式太陽能聚光集熱子系統(tǒng)，收集到的太陽能輻射能量直接用于加熱開放容積式接收器1中的空氣，高溫空氣先后進入蒸汽和燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)中驅動蒸汽輪機發(fā)電機12、燃氣輪機發(fā)電機11發(fā)電，燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)中的廢氣為開放容積式接收器1入口的空氣預熱提供能量。
具體的工作原理如下：開放容積式接收器1以空氣為載熱介質，將太陽輻射能轉換為熱能，開放容積式接收器1出口的高溫空氣將蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)中的水加熱成過熱蒸汽，提高了蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)的循環(huán)效率。其中高溫空氣與水先后在第一換熱器5、第二換熱器6、第三換熱器7中進行熱交換，蒸汽動力循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中的水先在第一換熱器5中被高溫空氣預熱，之后進入第二換熱器6后開始蒸發(fā)，最后進入第三換熱器7中被空氣加熱成過熱蒸汽；其中水的蒸發(fā)和過熱兩部分分別在第二換熱器6和第三換熱器7中進行，從而減少了在瞬間蒸發(fā)的部分由于其程度變化引起的熱應力，之后，過熱水蒸汽驅動蒸汽輪機發(fā)電機12進行發(fā)電，提高了蒸汽動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)的發(fā)電效率。
燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)中的進口空氣為第三換熱器7出口的冷空氣，冷空氣經壓縮機8壓縮增壓后進入燃燒室9，與燃料充分燃燒獲得高溫燃氣，進入燃氣輪機10膨脹減壓后驅動燃氣輪機發(fā)電機11進行發(fā)電；燃氣動力循環(huán)發(fā)電子系統(tǒng)的進口空氣具有較高的溫度，減少了壓縮機8的功耗和燃燒室9燃料的使用量；而開放容積式接收器1的入口空氣先在第四換熱器13中與燃氣輪機10排出的廢氣進行熱交換，獲得一定的高溫，利用燃氣輪機10的廢氣對開放容積式接收器1進口的空氣進行預熱，提高了開放容積式接收器1入口空氣溫度，進一步降低了對集熱子系統(tǒng)的要求，從而降低成本，同時也實現(xiàn)了能量的梯級利用，達到節(jié)能環(huán)保的目的。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。