专利名称：线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及聚光式太阳能蒸汽发生设备领域，特别涉及一种线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统。
背景技术：
为了把低辐射密度的太阳能转化为高品质的蒸汽或电能，真正实现全球能源替代，科研工作者正进行着不断的探索研究，除了光伏发电和太阳能热水器外，还开发出能用于中高温发电的太阳能聚光热发电(CSP)，主要有槽式、塔式、蝶式以及反射菲涅尔等四种热发电模式。其中菲涅尔式太阳能热利用技术由于其有效利用面积高、单位发电成本更低等原因，已成为可再生能源技术中替代常规能源的重要技术手段。该技术的常规系统主要 为双回路系统一回路为以导热油为工质的聚光集热回路，聚光器聚光得到的高密度能流通过集热器金属吸收管表面的吸收涂层转为热能加热导热油，得到高温导热油；二回路是以水为工质的水-蒸汽回路，通过间接换热方式将高温导热油热量传递给水，产生高温高压蒸汽，再驱动常规汽轮发电机发电。由于导热油工作温度不允许超过400°c，限制了双回路聚热发电效率的进一步提高和装置造价、运行成本的降低。目前国际太阳能热发电领域正在研究工质替代技术包括熔盐和用水直接产生蒸汽的DSG技术。前者一般采用硝酸类熔盐，但其结晶点较高，大多在230至260°C左右，意大利阿基米德公司使用熔盐作为工质的太阳能热发电厂首次在西西里岛启动，这也是世界上第一个太阳能热发电采用熔盐循环并与燃气发电互补的发电厂。阿基米德采用自己生产的耐高温和耐腐蚀的线性聚光集热管，工质温度在400-550°C。同时可以储存多达数小时的太阳热量。美国桑迪亚实验室正在研究结晶点在100°C以下的熔盐，如果成功将有希望取代高凝固点熔盐和导热油。但采用熔盐作为传热工质的主要缺陷是高温腐蚀和高结晶点，以及由此造成的高设备造价成本，其次运行风险大，一旦出现故障，熔盐将不可避免的凝固在设备内导致整个系统的报废，系统必须配备燃气或电加热进行辅助。而直接产生蒸汽系统DSG(Direct Steam Generation)技术始于20世纪80年代，采用单回路原理，以水代替常规系统集热管内的导热油工质，由集热场入口处泵入，经过预热、蒸发、过热三个阶段，吸收太阳能，直接获得高温、高压的过热蒸汽，系统可分为一次通过式、逐次注入式和再循环式三种。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题由于聚光太阳能“直接”作用在承受高温、高压的真空集热管的金属吸收管上，存在着如下问题第一、蒸发段水变汽-水两相流流入金属吸收管时，管子会由于压力、震动、水锤等问题引起永久性变形或导致玻璃管破裂；第二、如果采用镀膜钢管虽然可以避免玻璃管的破裂，但会导致集热管过热高温段热损失大，造成蒸汽达不到更高温度，现在菲涅尔式集热管基本上都是采用镀膜钢管；第三、由于存在两相流和集热管周向温差问题，流量控制要求非常复杂，将导致控制系统成本很高；第四、若采用热管式集热管，其加热流量和速率不能满足大规模热发电的需求。
发明内容
为了解决现有技术 的问题，本发明实施例提供了一种线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，该系统不仅妥善解决不同状态下水-蒸汽两相流对集热管造成的不良影响、直蒸DSG系统控制复杂等问题，而且有效防止因集热管周向温差等原因引起的爆管问题；并且解决了过热段集热管热损大，温度不能增高的问题，具有系统配置结构简单、热效率高、可靠性强、成本低的的中高温直蒸系统。所述技术方案如下—种线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，其特征在于，所述系统包括给水压力泵、PLC控制器、菲涅尔反射聚光装置、饱和水段二次聚光器、第一控制阀、闪蒸罐、汽水分离器和过热段二次聚光器；所述给水压力泵与所述饱和水段二次聚光器管路连通，所述水段二次聚光器、所述闪蒸罐以及所述汽水分离器依次管路连通，所述菲涅尔反射聚光装置设置在所述饱和水段二次聚光器的下方，所述第一控制阀设置在所述水段二次聚光器和所述闪蒸罐之间的管路上，所述汽水分离器分别与所述给水压力泵和所述过热段二次聚光器管路连通；所述PLC控制器与所述系统中的各控制阀电路连接。进一步地，所述系统还包括耐高压热水罐，所述耐高压热水罐设置在所述水段二次聚光器和所述第一控制阀之间，所述耐高压热水罐与所述水段二次聚光器和所述第一控制阀之间的管路通过进水阀和出水阀连接。进一步地，所述系统还包括辅助锅炉，所述辅助锅炉与所述过热段二次聚光器并联地设置在所述汽水分离器的蒸汽出口管路上，所述辅助锅炉和所述过热段二次聚光器的支路上均设置有控制阀。进一步地，所述给水压力泵和所述饱和水段二次聚光器之间的管路上设置有控制阀。 进一步地，所述给水压力泵与一进水阀连接。进一步地，所述饱和水段二次聚光器包括不锈钢皮外罩A、绝热保温层、二次反射铝模块A和吸热钢管，所述绝热保温层设置在所述不锈钢皮外罩A和所述二次反射铝模块A之间；所述二次反射铝模块A为复合抛物面的模块，所述吸热钢管设置在所述二次反射铝模块A的焦轴处。进一步地，所述饱和水段二次聚光器还包括防辐射散热钢化玻璃A，所述防辐射散热钢化玻璃A设置在所述饱和水段二次聚光器的吸热口处。进一步地，所述过热段二次聚光器包括不锈钢皮外罩B、二次反射铝模块B和玻璃金属吸热管，所述不锈钢皮外罩B罩设在所述二次反射铝模块B上部，所述二次反射铝模块B为复合抛物面的模块，所述玻璃金属吸热管设置在所述二次反射铝模块B的焦轴处。进一步地，所述玻璃金属吸热管包括玻璃外管、真空层和金属内管，所述金属内管套设在所述玻璃外管内部，所述金属内管的外壁与所述玻璃外管的内壁之间为所述真空层。进一步地，所述过热段二次聚光器还包括防辐射散热钢化玻璃B，所述防辐射散热钢化玻璃B设置在所述过热段二次聚光器的吸热口处。本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是通过该系统中在高温的蒸汽段与中低温的热水段分别用镀膜真空管和镀膜钢管来代替原有的镀膜钢管，既可以减少高温区的热损，又不影响系统的吸热效率。加入饱和水蓄热装置和辅助锅炉，保证了系统在不同辐照下的稳定运行，而且采用高压饱和水避免了两相流弓I起的一系列问题。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是本发明实施例提供的系统集成示意图；图2是本发明实施例提供的系统中饱和水段二次聚光器横截面放大示意图；
图3是本发明实施例提供的系统中过热段二次聚光器横截面放大示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。实施例本实施例提供了一种线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，请结合参考图I、图2和图3，该系统包括给水压力泵I、PLC控制器2、菲涅尔反射聚光装置3、饱和水段二次聚光器
4、第一控制阀6、闪蒸罐7、汽水分离器8和过热段二次聚光器10。给水压力泵I与饱和水段二次聚光器4管路连通，给水压力泵I的进水口与一进水阀连接，给水压力泵I给该系统泵送高压水至集热管路中。水段二次聚光器4、闪蒸罐7以及汽水分离器8依次管路连通，菲涅尔反射聚光装置3设置在饱和水段二次聚光器4的下方，第一控制阀6设置在水段二次聚光器4和闪蒸罐7之间的管路上。这样，由给水压力泵I泵送的高压水在饱和水段二次聚光器4处被菲涅尔反射聚光装置3加热升温，得到高温高压的饱和水，该高温高压的饱和水经第一控制阀6进入闪蒸罐7，在闪蒸罐7内产生高温高压的饱和蒸汽，该高温高压的饱和蒸汽被输送到汽水分离器8内进行水和蒸汽分离。汽水分离器8分别与给水压力泵I和过热段二次聚光器10管路连通，即经过汽水分离器8水汽分离后的水通过汽水分离器8与给水压力泵I之间的连接管路进入给水压力泵I，重新形成高压水被重复利用；经过汽水分离器8水汽分离后的蒸汽通过汽水分离器8与过热段二次聚光器10之间的连接管路进入过热段二次聚光器10内进行二次加热形成高温高压的过热蒸汽，从而被输送出去发电或者用于其它用途。PLC控制器2与系统中的各控制阀电路连接以及与各电控装置电路连接，这样，整个系统可以通过PLC控制器2进行方便的操控。优选地，给水压力泵I和饱和水段二次聚光器4之间的管路上设置有控制阀，PLC控制器2设置在水压力泵I和水段二次聚光器4之间的连接管路上。更优选地，给水压力泵I和饱和水段二次聚光器4之间的控制阀设置在PLC控制器2与水段二次聚光器4之间。该系统还包括耐高压热水罐5，耐高压热水罐5设置在水段二次聚光器4和第一控制阀6之间，耐高压热水罐5与水段二次聚光器4和第一控制阀6之间的管路通过进水阀和出水阀连接。当闪蒸罐7足以完成水段二次聚光器4处输送而来的高温高压的饱和水蒸汽化，则水段二次聚光器4产生的高温高压的饱和水直接输送到闪蒸罐7处；当闪蒸罐7不能完成水段二次聚光器4处输送而来的高温高压的饱和水蒸汽化，则水段二次聚光器4产生的高温高压的饱和水通过PLC控制器2控制耐高压热水罐5的进水阀部分地被储存到耐高压热水罐5内；当二次聚光器4处不能正常或者足额地提供高温高压的饱和水时，则通过PLC控制器2控制耐高压热水罐5补充储存在该处的高温高压的饱和水到闪蒸罐7内。这样，耐高压热水罐5对高温高压饱和水进行储热，相比蒸汽和传统导热油蓄热系统，在不降低蓄热能力的同时，不仅 大大减小了蓄热罐的体积，而且可以直接与蒸汽闪蒸罐连接产生所需压力的饱和蒸汽，避免了导热油系统与水的间接换热，增加了系统的热效率。该系统还包括辅助锅炉9，辅助锅炉9与过热段二次聚光器10并联地设置在汽水分离器8的蒸汽出口管路上，辅助锅炉9和过热段二次聚光器10的支路上均设置有控制阀。这样，当汽水分离器8处输送出来的蒸汽温度不够并且过热段二次聚光器10在太阳光不强的情况下，可以通过辅助锅炉9对该蒸汽进一步加温，形成符合使用要求的高温高压蒸汽。而且耐高压热水罐5和辅助锅炉9的设置，保证了在云遮挡等无光照情况下能为系统提供储备热能进行产汽，另一关键作用是起到旁路和调节瞬时压力变化，克服传统DSG技术中汽体压力难于调节控制的弊端。饱和水段二次聚光器4包括不锈钢皮外罩A4-1、绝热保温层4-2、二次反射铝模块A4-3、吸热钢管4-4和防辐射散热钢化玻璃A4-5，绝热保温层4_2设置在不锈钢皮外罩A4-1和二次反射铝模块A4-3之间。二次反射铝模块A4-3为复合抛物面的模块，吸热钢管4-4设置在二次反射铝模块A4-3的焦轴处。防辐射散热钢化玻璃A4-5设置在饱和水段二次聚光器4的吸热口处，该防辐射散热钢化玻璃A4-5在其他的实施方式中也可以无需设置。这样，不锈钢皮外罩A4-1具有防腐蚀作用，绝热保温层4-2能够进行隔热保温，吸热钢管4-4设置在二次反射铝模块A4-3的焦轴处更利于光能的吸收。吸热钢管4-4为非真空镀膜钢管，这样，由于工业利用蒸汽温度一般在200°C左右，压力小于2MPa，在此饱和水产生段采用非真空镀膜钢管不会增加热损失，但却减少了初期投资成本。过热段二次聚光器10包括不锈钢皮外罩B10-1、二次反射铝模块B10-2和玻璃金属吸热管以及防辐射散热钢化玻璃B10-6，不锈钢皮外罩B10-1罩设在二次反射铝模块B10-2上部，二次反射铝模块B10-2为复合抛物面的模块，玻璃金属吸热管设置在二次反射铝模块B10-2的焦轴处。玻璃金属吸热管包括玻璃外管10-3、真空层10-4和金属内管10-5，金属内管10-5套设在玻璃外管10-3内部，金属内管10-5的外壁与玻璃外管10_3的内壁之间为真空层10-4。射散热钢化玻璃B10-6设置在过热段二次聚光器10的吸热口处，作为其他的实施方式，也可以不设置该射散热钢化玻璃B10-6。玻璃金属吸热管的采用高透过率的玻璃外管10-3和外表面涂有高吸收率膜层的耐高温镀膜的金属内管10-5，并且将玻璃外管10-3与金属内管10-5抽成真空层10-4。这样，过热段二次聚光器10通过高压泵使水获得很高的压力(2_20MPa)超过饱和水温度对应的压力，避免了水平集热管两相流周向温差大、振动、水锤等引起永久性变形的问题，使系统传热可靠性大大增加，并且采用镀膜钢管解决了玻璃-金属真空集热管导致的玻璃管破裂的问题。大大提高了系统的安全性。并且，在过热管采用玻璃-金属真空集热管，减少过热段的热损失，提高集热效率，并解决了过热段集热管热损失大，温度不能进一步提高的问题。而且可以在过热段集热管的金属内管布置扰流片来加强过热蒸汽的流动换热。
本发明提供的线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统工作原理是参考图1，给水首先经给水压力泵I泵入饱和水产生段镀膜钢管，在此阶段，高压水经过菲涅尔反射聚光装置3以及饱和水段二次聚光器4聚光加热逐渐升温到饱和温度，然后进入耐高压热水罐5中，接着在闪蒸罐7中闪蒸产生要求压力带有一定气化分率的饱和湿蒸汽，经过汽水分离器8后，其中的冷凝水回到给水压力泵I进行循环使用，而饱和蒸汽进入辅助锅炉9或者过热段二次聚光器10继续加热产生高温高压的过热蒸汽用于推动汽轮机发电或者工业应用。系统整体通过PLC控制器2对各装置的温度、压力、以及辐照进行跟踪采集来自动控制泵入口的给水流量来调节系统的平衡，当太阳辐照好于设定值时，增加泵入口的流量，蓄热罐进行蓄热，经过汽水分离器的蒸汽进入真空玻璃-金属集热模块产生过热蒸汽；当太阳辐照低于或者有云层遮挡时，蓄热罐中的饱和水进入闪蒸罐，并开启辅助锅炉进行加热，以保持系统出口蒸汽参数的稳定，产生高温蒸汽，推动气轮机进行发电；过热段真空玻璃-金属集热管内部设有扰流器，保证了蒸汽在高温的金属镀膜真空钢管内进行充分的湍流换热。 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。·
权利要求
1.一种线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，其特征在于，所述系统包括给水压力泵(I)、PLC控制器(2)、菲涅尔反射聚光装置(3)、饱和水段二次聚光器(4)、第一控制阀(6)、闪蒸罐(7)、汽水分离器(8)和过热段二次聚光器(10)； 所述给水压力泵(I)与所述饱和水段二次聚光器(4)管路连通，所述水段二次聚光器(4)、所述闪蒸罐(7)以及所述汽水分离器(8)依次管路连通，所述菲涅尔反射聚光装置(3)设置在所述饱和水段二次聚光器(4)的下方，所述第一控制阀(6)设置在所述水段二次聚光器(4)和所述闪蒸罐(7)之间的管路上，所述汽水分离器(8)分别与所述给水压力泵(I)和所述过热段二次聚光器(10)管路连通； 所述PLC控制器(2 )与所述系统中的各控制阀电路连接。
2.根据权利要求I所述的线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，其特征在于，所述系统还包括耐高压热水罐(5 )，所述耐高压热水罐(5 )设置在所述水段二次聚光器(4 )和所述第一控制阀(6 )之间，所述耐高压热水罐(5 )与所述水段二次聚光器(4 )和所述第一控制阀(6 )之间的管路通过进水阀和出水阀连接。
3.根据权利要求I所述的线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，其特征在于，所述系统还包括辅助锅炉(9)，所述辅助锅炉(9)与所述过热段二次聚光器(10)并联地设置在所述汽水分离器(8)的蒸汽出口管路上，所述辅助锅炉(9)和所述过热段二次聚光器(10)的支路上均设置有控制阀。
4.根据权利要求I所述的线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，其特征在于，所述给水压力泵(I)和所述饱和水段二次聚光器(4)之间的管路上设置有控制阀。
5.根据权利要求I所述的线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，其特征在于，所述给水压力泵(I)与一进水阀连接。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，其特征在于，所述饱和水段二次聚光器(4)包括不锈钢皮外罩A (4-1)、绝热保温层(4-2)、二次反射铝模块A (4-3)和吸热钢管(4-4)，所述绝热保温层(4-2)设置在所述不锈钢皮外罩A (4_1)和所述二次反射铝模块A (4-3)之间； 所述二次反射铝模块A (4-3)为复合抛物面的模块，所述吸热钢管(4-4)设置在所述二次反射铝模块A (4-3)的焦轴处。
7.根据权利要求6所述的线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，其特征在于，所述饱和水段二次聚光器(4)还包括防辐射散热钢化玻璃A (4-5)，所述防辐射散热钢化玻璃A (4-5)设置在所述饱和水段二次聚光器(4)的吸热口处。
8.根据权利要求I至5中任一项所述的线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，其特征在于，所述过热段二次聚光器(10)包括不锈钢皮外罩B (10-1)、二次反射铝模块B (10-2)和玻璃金属吸热管，所述不锈钢皮外罩B (10-1)罩设在所述二次反射铝模块B (10-2)上部，所述二次反射铝模块B (10-2)为复合抛物面的模块，所述玻璃金属吸热管设置在所述二次反射铝模块B (10-2)的焦轴处。
9.根据权利要求8所述的线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，其特征在于，所述玻璃金属吸热管包括玻璃外管(10-3)、真空层(10-4)和金属内管(10-5)，所述金属内管(10-5)套设在所述玻璃外管(10-3)内部,所述金属内管(10-5)的外壁与所述玻璃外管(10-3)的内壁之间为所述真空层(10-4)。
10.根据权利要求9所述的线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，其特征在于，所述过热段二次聚光器(10)还包括防辐射散热钢化玻璃B (10-6)，所述防辐射散热钢化玻璃B (10-6)设置在所述过热段二次聚光器(10)的吸热口处。
全文摘要
本发明公开了线性菲涅尔直接产生蒸汽的系统，包括给水压力泵(1)、PLC控制器(2)、菲涅尔反射聚光装置(3)、饱和水段二次聚光器(4)、第一控制阀(6)、闪蒸罐(7)、汽水分离器(8)和过热段二次聚光器(10)；给水压力泵(1)与饱和水段二次聚光器(4)管路连通，水段二次聚光器(4)、闪蒸罐(7)以及汽水分离器(8)依次管路连通，菲涅尔反射聚光装置(3)设置在饱和水段二次聚光器(4)的下方，汽水分离器(8)分别与给水压力泵(1)和过热段二次聚光器(10)管路连通。本发明通过该系统中在高温的蒸汽段与中低温的热水段分别用镀膜真空管和镀膜钢管来代替原有的镀膜钢管，既可以减少高温区的热损，又不影响系统的吸热效率。
文档编号F24J2/10GK102927546SQ20121046876
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月19日 优先权日2012年11月19日
发明者肖圣燕, 熊勇刚, 刘培先, 赵彦堂 申请人:皇明太阳能股份有限公司