太阳能发电技术瓶颈及解决方案..docx

太阳能发电技术瓶颈及解决方案 -利用铸铁、混凝土及重力的高温高压综合式储热器 马玉哲 西安布林新能源有限公司 陕西西安 (710300)摘 要：利用铸铁、混凝土及重力的高温高压综合式太阳能储热器，其构成为:带有密封环的铸铁大活塞配置于铸铁活塞缸中，活塞缸与下面的铸铁高压锅套在一起，它们外壁均有换热片和高温混凝土层。螺旋形热流体管道置于铸铁层中，螺旋形水/水蒸气管道及二次蒸汽管置于热流体中，蒸汽输出管置于高压锅上部。热流体将纯净水加热成高温高压蒸汽输出做功的同时，将多余热能储存在铸铁、混凝土、高温高压蒸汽及重力势能中；当热流体温度下降时，热量回放，重力势能回放，连续产生高温高压蒸汽。该装置充分利用了材料的多种储热功能，使储热器有更长的放热时间，成本低、功率大、是理想的太阳能储热器。关键词：铸铁；混凝土；重力势能；连续性；长时性；功率大；储热器。 Make use of the heat high pressure of iron casting, concrete and gravity to synthesize a type to keep hot machine Ma Yu Zhe The bulin new energy limited company in Xian,Xian hu county in Shaanxi (710300) Abstract Make use of comprehensive type solar energy of the heat high pressure of iron casting, concrete and gravity to keep hot machine, its composing for:take to have the iron casting to seal completely wreath big piston allocation in iron casting piston urn in, piston urn and underneath of iron casting pressure cooker set together, they the outside wall all have already changed hot slice and heat concrete layer.The spiral heat fluid piping is being placed to an iron casting layer, spiral water|steam piping and two steam tubes Be placed to hot fluid in, steams outputting tube is placed to pressure cooker upper part.While hot fluid is heating pure water into the heat high pressure steam exportation to do an achievement, surplus thermal energy the storage is casting iron, concrete, heat high pressure the steam and gravity certainly can be medium;When the hot fluid temperature descends, the calories time puts, the gravity certainly can return to put and produce heat high pressure steam in a row.The device well made use of the variety of material to keep hot function and made to keep hot the machine more longly put hot time, the cost is low, big power and is an ideal solar energy to keep hot machineKeyword:Cast iron;Concrete;Gravity certainly ability;Continuous;Long time;The power is big;Keep a hot machine.中图分类号：TK11+41.引言 太阳能热发电站的储热系统是太阳能热发电站实现大规模商业化运行的关键部分。按储热原理划分，储热分为显热储热、潜热储热和化学反应储热三种主要形式，其中显热储热由于技术简单成熟，成本较低，因此在太阳能热发电系统中应用最为广泛。用于太阳能热发电站中的显热储热材料有水、导热油、熔融盐、铁矿石、鹅卵石、砂石、陶瓷，高温混凝土等。熔融盐具有较强的腐蚀性，对储热系统中的管道有非常强的破坏性，同时熔融盐的凝固温度较高，需要增加额外的设施防止熔融盐凝固，提高了系统的成本。导热油由于使用温度限制，无法用于400 以上温度的热量储存，且工质造价和系统成本均较高,大规模应用熔融盐及导热油的经济性不佳，行维护方便、使用寿命长等优点，具有广阔的应用前景。国内外已开展了诸多高温混凝土储热技术方面的研究（中国专利CN201110096656.4 )。(中国专利CN201110096656.4) 提出一种直接产生蒸汽的高温混凝土储热器，结构简单，克服现有高温混凝土储热系统充热与放热过程使用同一工质的不足。但以上这些储热专利均采用单一的混凝土储热，传热速度慢，性能差，储热量小，输出功率不易控制，放热时间短。本装置设计的目的是克服现有单一使用混凝土储热的不足，提供一种结构简单，成本低廉的可直接产生蒸汽的高温高压综合储热器。2.本储热器材料、结构及原理2.1 材料铸铁价格低廉、导热能力强、比热大、不易变形，混凝土价格低廉、比热大，因此采用铸铁作为主体材料，混凝土浇注在外围辅料，中间配置不锈钢层，工作温度为 300-600(中国专利CN201110096656.4)。该混凝土按照一定的配方和比例浇注，可保证耐高温、不破裂(中国专利CNCN200910272709.6 )。管道可以是金属管、高温玻璃管、石墨管、陶瓷管或预成型的高温混凝土管等；热流体可以是熔融盐、导热油、低熔点金属、过热蒸汽等；热流体既可以是聚集太阳能加热获得的热流体，也可是光伏板吸收太阳能输出电流加热获得的热流体或其他余热加热获得的热流体；放热流体为水/蒸汽、空气、或其他高温状态下稳定的气体。放热流体为水/蒸汽、空气时须加氧气过滤器。本储热器的铸铁体为实心的铸铁体，暴露部分加防锈层；还可是钢体或外层为钢层的混凝土体；其扇形换热片还可以为针状、柱状、或条状。2.2结构如图所示， 图1 2.3储热原理及过程第一阶段，大活塞38静止在最下端定位环42上，热流总阀13打开，双向泵 10、15、16关闭，对接阀17关闭，单向泵11开启，蒸汽出口阀44 排空后关闭，高温热流体0a从螺旋形热流主管9流过，对低温蒸汽发生室、高温蒸汽发生室、过热蒸汽发生室充分充热；当纯净水阀56、高压水泵57开启后，纯净水0b从高压水管60进入螺旋形水/水蒸汽管6放热，形成过热蒸汽0c，储存于过热蒸汽储存室 41中当达到预定的压力，蒸汽出口阀44开启，过热蒸汽0c输出，汽轮机工作。此过程中热流体0a与水/水蒸汽0b直接换热，充热与放热过程同时进行，此适用于系统启动，热流体温度较高时。 第二阶段，大活塞38静止在最下端定位环42上，在保证过热蒸汽0c正常输出流量的基础上，根据热流体0a的温度，分别开启双向泵10、15、16及对接阀 17、34，调节热流体0a和纯净水0b的流量，使热流体0a进入各个充热管道对铸铁体及外包混凝土充热，直到其热饱和温度不再上升为止。此过程中热流体0a与水 /水蒸汽0b及铸铁体直接同时换热，充热与放热过程同时进行，适用于热流体温度较高时。 第三阶段，大活塞38 静止在最下端定位环42上，在保证过热蒸汽0c正常输出流量的基础上，根据热流体0a的温度，分别关闭双向泵10、15、16及对接阀17、34，调节热流体0a和纯净水0b的流量，使过热蒸汽0c压强超过大活塞上升的临界压强而推进大活塞缓缓上升，将热能转换为重力势能；同时通过储存过热蒸汽0c储热。当上升到预定高度时，行程开关 23启动，产生反馈使热流体0a及水0b流量终止，或泄放部分过热蒸汽0c，使大活塞停止上升。 此过程中热流体0a与水/水蒸汽0b换热及铸铁体在上升中储能储汽，充热与放热过程同时进行，适用于热流体温度较高时。 第四阶段，在大活塞38静止最上端时，关闭热流总阀13、冷流总阀4，关闭双向泵10、15、16，对接阀17、34继续保持关闭，纯净水阀56、高压水泵57关闭，大活塞38缓缓下降，直至回落定位环上不动。此过程中重力势能回放，过热蒸汽0c平稳释放，流量正常输出，此为该储热器关键过程，适用于热流体温度较低时。第五阶段，在大活塞38即将静止在最下端定位环42上时，关闭热流总阀17、冷流总阀4，对接阀17、34开启，双向泵 10、15、16逆向开启，中间热循环管路内部流体逆向热循环， 进水阀开启，纯净水0b再次被加热成过热蒸汽0c，使过热蒸汽0c压强稳定，流量正常输出。此适用于热流体温度很低时。3.单个储热器功率计算 3.1. 如图5所示将单个储热器简化成模型进行计算，设整个系统温度由 30上升至600，汽轮机工作压力为8MPa,同时铸铁大活塞被高温蒸汽匀速推动上升至10米高。 图2 （1）设计参数为： 活塞C=470J/kg.k, 活塞=7570kg/m, 蒸汽p=8MPa, Q煤=29302kJ/kg. D=20m D=6m, D=5m, H=10m, H=10m, H=10m , T=30, T=294.98, T=600, 1kJ=2.77710kws, h=132.9kJ/kg, h=2757.5kJ/kg, h=3640.7kJ/kg, =0.0010008m/kg, =0.02349m/kg, =0.04841m/kg,(2).整个系统吸收的热量？(3).大活塞下降至最低点，系统温度下降至30C,整个系统释放的热量？(4).如果用来发电，每次发电输出功率及输出总量？3.2计算：(1). 整个系统吸收的热量： 1).大活塞吸收的热量， (30600) m=(RH+RH)=3.147570(1010310）=25909082.0(kg) Q=Cm(t-t)=47025909082.0(600-30）=6941043067.8(kJ)=1927527.6(kw.s) 2).活塞缸吸收的热量： （30-600） m=（RH-RH-RH） =3.147570（1019-310-2.58)=41834848.0（kg) Q=c mt-t)=47041834848(600-30)=3112338.2(kws) 3).大活塞上升吸收的能量： Q=mgh=25909082.09.810=705.105(kw.s) 4).水蒸气吸收的热量： Q=mh-mh=m(h-h=v(h-h) /=RH(h-h/ =3.14310(3640.7-132.9)0.0484=5687.7(kw.s) 5).吸收的总能量为： Q =QQQQ =1927527.6+3112338.2+705.1+5687.7=5046258.6(kw.s) (2).大活塞下降至最低点，系统温度下降至30C,整个系统释放的热量:（不计热耗散） Q放=Q吸=5046258.6(kw.s)=5046258.6 / 9302=620.14（吨标准煤）(3) .如果用来带动汽轮机发电，设=0.37, 蒸汽的工作范围为300-600，所发的电量为： w=Q放=(QQQQ) =(2652560.99+705.105+5687.7)0.37=983812.90(kw.s)=983.8129（Mw.s）(4).储热连续发电的理论输出功率： 1).二十四小时连续发电的输出功率为： P=983.812924=40.992(Mw) 2).四十八小时连续发电的输出功率为： P=983.812948=20.992(Mw)(5).储热连续发电的理论电量： 1）.一天最大发电量：983812.9（kws）=98.38129（万度） 2）.一月最大发电量：98.3812930=2951.4387（万度） 3）.一年最大发电量; 98.381293012=35417.264(万度） =3.5417264（亿 度) =3.5417264x0.3元=1.06251792(亿元人民币)。(6)成本预算： 铸铁成本：(每公斤2元) $=（25909082.0+41834848.0）2.0元/kg=135487860.0(元）=13548.7860（万元） 混凝土成本及加工费用约2226.0万元（估算）。 总成本约1.5亿人民币元 (不包括太阳能接收场成本)。4. 储热器并联运行过程。 纯净水由总管63进入，通过支管64-1、64-2、进水口55-x及高压水泵57-x向各储热器供水；与62-x换热后的纯净水变成过热蒸汽，由蒸汽阀44-x及输出口45-x输出， 经过蒸汽总管65，再由出口68输向汽轮机作