专利名称：太阳能梯级开发热利用系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能热利用系统，特别涉及一种梯级开发的太阳能热利用 系统。
背景技术：
在太阳能转化利用的诸多途径中，中高温太阳能热利用是非常重要的技术， 即采用聚焦集热技术，产生足以驱动热力才几械的高温气体或蒸汽，最终可驱动发 电机发电，这就是太阳能热发电技术。
在本发明之前，太阳能热发电所采用的技术类型主要为塔式、槽式和碟式。 塔式具有发电容量大、技术路线简单的优点，但也存在着接收器庞大，制造困难， 系统初投资大等缺陷。而槽式和碟式则仍处在试验研究阶段，不具备商业化的条 件。究其原因，主要是关键部件的技术瓶颈限制了其进一步发展。槽式和碟式所 代表的是两种不同的集热原理，前者为线聚焦，后者则为点聚焦。
线聚焦式的太阳能采集主要有两种方式，即复合抛物面式和抛物面槽式。
复合抛物面聚光器一般开口较小，所以其聚光比较小，从而只能实现较低的 集热温度， 一般用于提供生活用热水，其好处是不需跟踪机构，使得系统的初投 资很小。
抛物面槽式聚光器由于开口尺寸可以更大，使得其聚光比更高，可实现较高 的集热温度，可用于太阳能热发电，即抛物面槽式聚光器将入射的太阳光聚集至 处于其焦线上的管式接收器，从而产生400。C左右的高压蒸汽推动汽轮机运转用 于发电。由于采用的是线聚焦，需要在其接收器的表面覆盖选择性吸收涂层用以 提高接收器的集热效率，而该涂层的耐温性仍然无法解决，即温度越高，其可靠 性也越差；同样由于线聚焦，在运行时接收器的热应力矩随着接收器的长度增加 而不断增大，特别是温^14交高时，将使得接收器因为受热不均而出现明显的弯曲， 从而造成接收器玻璃套管的破裂，从而影响了系统长期运行的可靠性；另外，抛 物面槽式太阳能热发电系统只采用抛物面槽式聚光器进行集热，镜场入口处较低 温度的水也由其进行加热，这时的槽式聚光器就显得大材小用，无形之中增加了
系统的成本和复杂性。
因此，槽式太阳能热发电系统的可靠性受到温度的显著影响，温度越高，其 可靠性越差。然而，朗肯循环的效率与循环最高温度息息相关，温度越高其循环 效率就越高。这样，就出现了可靠性和效率的矛盾，使得槽式太阳能热发电技术 的深入研究及推广应用仍受到了极大限制。
在碟式太阳能热发电系统中，采用了旋转抛物面碟式聚光器以点聚焦的形式 将太阳光聚集到置于其焦点处的接收器上，产生高温高压工质推动热力机械用于 发电。由于这种聚光方式能够实现比槽式聚光器高出几十倍的聚光比，从而可以 得到更高的集热温度。采用斯特林循环的技术，循环工质采用氦气或氢气，斯特 林循环的最高理论效率接近于卡诺效率，因此碟式太阳能热发电技术具有了推广 应用的理论条件。但是在实际应用中，由于斯特林发动机的研发与制造仍不成熟， 运行可靠性根本不能保证，同时造价过高，这就使这项技术的实际应用与推广陷 入困境。
在太阳能系统中，每种集热器结构在工作时只适用于产生某种特定参数的工 作介质，这是由集热器本身的结构特点和工作特性决定的。线聚焦式集热器所适 合的集热温度一般不能过高。若一味地追求高温高压，则会引起接收器上的温差 应力，势必牺牲掉集热器及其系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述槽式和碟式太阳能热发电技术的缺陷，设计一 种可以梯级开发的太阳能热利用系统。
本发明的技术方案是
太阳能梯级开发热利用系统，其主要技术特征在于由低温段、中温段、高温 段串联构成；低温段中复合抛物面聚光器与常温接收器匹配，常温接收器输出至 中温段；中温段中抛物面槽式聚光器与中温接收器匹配，中温接收器经汽水分离 器输出至高温段；高温段中碟式聚光器与高温接收器匹配，高温接收器输出至汽 轮机。
本发明的优点和效果在于将太阳能热发电系统分为3个集热段进行集热，3 个集热段分别为低温段、中温^殳和高温段，低温段采用复合抛物面集热器，中温 段采用抛物面槽式集热器，高温段则采用旋转抛物面碟式集热器，上述3个集热
段串联起来，按工质流动方向从前到后为低温段、中温段和高温段。分别利用它 们各自的优点，同时避开它们各自的缺陷，使三者之间有机结合，产生协同效果。 本发明中将复合抛物面集热器、抛物面槽式集热器、碟式集热器串联使用， 前两种集热器用于生产饱和蒸汽，碟式集热器则用于对饱和蒸汽进行过热。在系 统中温度比较低的部分，利用复合抛物面集热器完成集热过程，由于复合抛物面 集热器不需要跟踪机构，且支架相较于抛物面槽式集热器更加简单，因此可以显
著降低成本；而在中温4殳，集热温度被严格控制在一定的范围内，与常规槽式太 阳能热发电系统相比，具有更低的温度，从而减小了中温段接收器可能产生的热 应力，使中温段的可靠性大幅提高，在中温段出口温度以上的温度区间，则全部 由碟式集热器来完成集热，由于碟式集热器及接收器可以达到并承受更高的温度 和压力，这样就在很大程度上提高了系统可靠性。
本发明依据太阳能采集过程的温度特性，提出了梯级式的集热方式，减小了 低温段的投资，降低了槽式集热技术中高温热应力带来的影响，在碟式集热器当 中，因中温段已经产生了饱和蒸汽，工质为单相流体即蒸汽，这样就避免了两相 流体带来的不稳定性；而从发电方案上，与常规的碟式太阳能热发电技术相比， 则从斯特林循环转入到了朗肯循环，有效地避开了斯特林发动机这一技术瓶颈， 采用技术成熟的汽轮机作为热力机械，使太阳能的高效可靠开发更加易于实现。 总而言之，正是由于3个集热段分别发挥了各自的优势，使得本发明的太阳能梯 级开发热利用系统具有低成本、高效率和高可靠性的特点。
图1一一本发明的系统原理示意图。
图2—一本发明中的高温段集热器示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括三种类型的集热器系统组成的三个集热段，分别是 低温段、中温段和高温段。低温段设有复合抛物面聚光器1和常温接收器2, 二 者匹配，即复合抛物面聚光器1聚光至常温接收器2内的工质，本发明中工质为 水；常温接收器2吸收了聚焦后的太阳辐射，将热量传递给管内的工质，使其温 度升高，形成低温热水，之后常温接收器2内的工质便进入中温段。中温段设有 抛物面槽式聚光器3和中温接收器4，也是匹配的，(循环)工质进入中温接收
器4后吸收了由抛物面槽式聚光器3聚集的太阳辐射，并将热量传递给工质，使 其成为饱和蒸汽，然后进入汽水分离器15,由汽水分离器15分离出的饱和蒸汽 再进入高温段。高温段设有旋转抛物面碟式聚光器5和高温接收器6， 二者也是 匹配的，由中温段产生的饱和蒸汽进入到高温接收器6之后，吸收了经旋转抛 物面碟式聚光器5聚焦后的太阳辐射，形成较高温度的过热蒸汽，过热蒸汽则根 据需要进入汽轮机7进行发电；从汽轮机7排出的乏汽进入凝汽器8,将热量放 出，余热经过吸收式制冷机9可以实现制冷，而吸收式制冷机9所排出的大量热 能可用于供热水。由凝汽器8凝结后的水则与给水泵10输送的补充水一起进入 给水緩沖罐11,给水緩冲罐11的前端设有增压水泵12,增压水泵12将水压提 高到一定压力并输送到^f氐温-敬的常温^接收器2当中作为工质。至此，本发明的太 阳能梯级开发热利用系统完成了一个循环。
本发明为每一个集热段设置了辅助能源补充装置，用于在太阳辐射不足时对 系统热量输入进行补充。在低温段的常温接收器2出口处，设有水加热器13, 采用燃烧的方式加热通过其中的水，当太阳辐射不足时开启；在中温段的中温接 收器4出口处设置蒸汽锅炉14,用于太阳辐射不足时产生既定参数的饱和蒸汽； 如图2所示，在高温段中，在每个高温接收器6的下方设有燃烧器16,当太阳 辐射不足，高温接收器6的出口蒸汽参数达不到系统需求时燃烧器16自动伸缩， 将烧嘴伸至高温接收器6当中，此时，燃烧器16自动点火进行加热。通过以上 方案，则可以实现太阳能梯级开发热利用系统的全天候运行。
在低温段、中温段和高温段，分别有多个常温接收器2、中温接收器4和高 温接收器6 ，均可串联或并联使用。其中常温接收器2置于复合抛物面聚光器1 的焦线上，中温接收器4置于抛物面槽式聚光器3的焦线上，而高温接收器6则 置于旋转抛物面碟式聚光器5的焦点处，上述接收器与聚光器严格匹配。系统运 行时，中温接收器4与抛物面槽式聚光器3相对位置保持不变，高温接收器6与 旋转抛物面碟式聚光器5相对位置保持不变。
上述太阳能梯级开发热利用系统的三个集热段分别对应于不同的工作温度， 对于本实施例来说，中温段出口温度被控制在250。C以内，这样就可以使得中温 接收器4上的热应力保持在很小的范围内，提高了中温接收器4的可靠性。低温 段采用复合抛物面聚光器1,使得系统初投资相较于常规的槽式太阳能热发电站
显著减小。高温段采用旋转抛物面碟式聚光器5和高温接收器6,高温接收器6 采用热管式接收器，使得太阳能蒸汽发电技术更易于实现较高的运行参数，温度 可达500'C以上，同时因为朗肯循环技术的成熟性，使得该系统比常规的碟式太 阳能热发电技术更加可靠。
除以上实施例之外，本发明可有多种实施方式，凡在本发明基础上实施的等 效替换或类似组合变换均落在本发明要求的保护范围之内。
权利要求
1.太阳能梯级开发热利用系统，其特征在于由低温段、中温段、高温段串联构成；低温段中复合抛物面聚光器与常温接收器匹配，常温接收器输出至中温段；中温段中抛物面槽式聚光器与中温接收器匹配，中温接收器经汽水分离器输出至高温段；高温段中碟式聚光器与高温接收器匹配，高温接收器输出至汽轮机。
2. 根据权利要求1所述的太阳能梯级开发热利用系统，其特征在于工质依次从 低温段、中温段和高温段的出口处分别产生低温热水、中温饱和蒸汽、高温 过热蒸汽。
3. 根据权利要求1所述的太阳能梯级开发热利用系统，其特征在于汽轮机输出 接凝汽器，凝汽器输出分别连接制冷机、给水緩沖罐。
4. 根据权利要求1所述的太阳能梯级开发热利用系统，其特征在于低温段常温 接收器的出口处设有水加热器。
5. 根据权利要求1所述的太阳能梯级开发热利用系统，其特征在于中温段中温 接收器出口处设有蒸汽锅炉。
6. 根据权利要求1所述的太阳能梯级开发热利用系统，其特征在于高温段高温 接收器下方设有燃烧器。
7. 根据权利要求1所述的太阳能梯级开发热利用系统，其特征在于多个常温接 收器串联或并联。
8. 根据权利要求1所述的太阳能梯级开发热利用系统，其特征在于多个中温接 收器串联或并联。
9. 根据权利要求1所述的太阳能梯级开发热利用系统，其特征在于多个高温接 收器串联或并联。
全文摘要
本发明涉及一种梯级开发的太阳能热利用系统。本发明采用低温段中复合抛物面聚光器与常温接收器匹配，常温接收器输出至中温段；中温段中抛物面槽式聚光器与中温接收器匹配，中温接收器经汽水分离器输出至高温段；高温段中碟式聚光器与高温接收器匹配，高温接收器输出至汽轮机。本发明解决了碟式造价过高、槽式在温度高时就出现了可靠性和效率的矛盾等缺陷。本发明效果在于将低温段采用复合抛物面集热器，中温段采用抛物面槽式集热器，高温段则采用旋转抛物面碟式集热器，上述3个集热段串联起来，利用它们各自的优点，同时避开它们各自的缺陷，使三者之间有机结合，产生协同效果。
文档编号F24J2/07GK101354191SQ20081015603
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月26日 优先权日2008年9月26日
发明者莉 丁, 骏 庄, 红 张, 战栋栋, 穜 白, 辉 许, 陈兴元, 陶汉中 申请人:南京工业大学