线聚焦集热系统排空传热工质的方法及其线聚焦集热系统与流程

1.本发明涉及太阳能热系统技术领域，特别是涉及一种线聚焦集热系统排空传热工质的方法及其线聚焦集热系统。


背景技术：

2.太阳能光热发电具有能量转换效率较高、制造过程能耗低、使用过程清洁无污染、可实现大规模储热等优势。太阳能光热发电基本原理是采用大规模反射镜将太阳辐射能汇聚到集热系统中，用来加热集热装置中的水、导热油或熔盐等传热工质，从而将低能流密度的太阳辐射能汇聚成高能流密度的热能。
3.根据集热场的聚光形式，目前主流的聚光太阳能光热发电包括槽式、塔式、线性菲涅尔式和蝶式四种技术路线。其中槽式和线性菲涅尔式为线聚焦集热模式。线聚焦集热场传热工质管线长、热损大。传统运行模式通常将传热工质加热一次性注入集热系统，或采用电阻抗加热的方式预热集热管道再一次性注入传热工质，此后除集热系统故障检修等，传热工质始终停留在循环管线中，导热油和熔盐的凝固点较高，集热场在非集热状态时，传热工质需要通过低速循环方式防止发生冻堵，为补充集热系统的热损，传热工质需要依靠外部能源进行补热，同时循环泵也需要消耗大量的能量。
4.已有专利文献中存在设置疏盐系统的方案，例如，授权公告号为cn 203479118 u的中国专利公开了一种自流式疏盐的熔盐储能系统，包括高温熔盐罐、低温熔盐罐和若干个通过熔盐管道串联连接的热交换器，熔盐管道最低点高于高温熔盐罐和低温熔盐罐内的熔盐液位，熔盐管道最低点通过疏盐管道分别与高温熔盐罐和低温熔盐罐连接。该方案完全依靠重力来实现熔盐的疏盐功能，然而，熔盐在管内流动时，可能会在已排空区域产生负压而影响进一步的流动，或者因为熔盐本身温度较低而导致流动速度慢，或者外界温度低而凝固在管壁上阻碍流动等等，因此，单纯依靠重力疏盐的方案只适合极为少数的工况。
5.再如，授权公告号为cn 210179929 u的中国专利公开了一种太阳能热发电站疏盐系统布置结构，包括疏盐罐、排盐槽、疏盐泵以及疏盐坑，疏盐罐设置在疏盐坑的底部，疏盐泵设置在疏盐罐的上方，排盐槽和设置在疏盐坑内，排盐槽顶面低于疏盐罐的底面；疏盐罐和排盐槽通过管道连通，管道上设置有阀门；疏盐泵的进盐口连通疏盐罐，疏盐罐设置排气口，排气口连接有用于排气的管道。该方案利用疏盐泵作为疏盐过程的动力，如果熔盐温度较低，不易经疏盐泵输送，需要额外采用电伴热等方式，导致疏盐效率的降低和疏盐成本的增加。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种线聚焦集热系统排空传热工质的方法及其线聚焦集热系统，以解决上述现有技术存在的问题，在传热工质疏排过程中，通过持续对排空段采用光伴热模式，能够保持集热管内传热工质处于便于流动的状态，能够避免传热工质在集热管内壁凝固残留，减少传热工质在集热管中的残留量，避免因为传热工质排出不净导致集热
管封堵而对疏排过程造成阻碍，提高传热工质的疏排效率，降低能源损耗。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种线聚焦集热系统排空传热工质的方法，包括以下内容：在需要排空传热工质时，停止所述传热工质循环，集热装置保持原有的对集热管的集热模式，即保持聚焦模式，此时，所述集热装置处于聚焦状态，所述传热工质在所述集热管内处于便于流动的状态；所述传热工质由所述集热管疏排到储罐，在所述传热工质疏排的过程中，监测所述传热工质在所述集热管内的位置，并依据监测获得的所述传热工质在所述集热管内的位置判断出所述集热管的排空段；调整排空段对应的所述集热装置的集热模式，由聚焦模式转换成既包括聚焦状态又包括散焦状态的光伴热模式；通过调节聚焦状态和散焦状态所占的时间比例，控制所述集热管的温度，继续对排空段进行保温；所述传热工质排空后，所述集热管全部转换成排空段，同时，所述集热装置全部转换成光伴热模式；停止光伴热模式，完成所述传热工质的排空工作。
8.优选地，所述集热管分段配套有跟踪机构，通过所述跟踪机构控制所述集热装置处于聚焦状态还是散焦状态。
9.优选地，所述集热管上沿长度方向分布设置有多个温度测点，根据所述温度测点的监测结果判断所述传热工质的位置状态。
10.优选地，所述传热工质依靠自重和/或压缩气体的动力疏排到所述储罐；所述储罐为疏排罐或低温罐。
11.本发明还提供一种应用前文记载的线聚焦集热系统排空传热工质的方法的线聚焦集热系统，包括集热管和用于聚焦光线到所述集热管的集热装置，所述集热管上沿长度方向分布设置有用于判断所述集热管的排空段的若干温度测点，所述集热管的集热进口连通低温罐，所述集热管的集热出口通过管路分别连通所述低温罐和高温罐，所述低温罐和所述集热进口之间设置有用于驱动所述传热工质循环流动的循环泵，所述集热出口还连通有疏排罐，所述疏排罐通过疏排泵和疏排管道连通所述低温罐，所述集热管分段配套有跟踪机构，在所述传热工质疏排的过程中，所述跟踪机构控制所述集热管的排空段所对应的集热装置由聚焦模式转换到光伴热模式。
12.优选地，所述集热进口连通有用于向所述集热管供给压缩气体的压缩气源。
13.优选地，所述低温罐和所述高温罐之间通过管路连通，靠近所述低温罐设置有冷罐回流阀，靠近所述高温罐设置有热罐回流阀。
14.优选地，所述集热装置包括反射镜，所述反射镜受所述跟踪机构控制，通过改变所述反射镜是否聚焦到所述集热管，以控制所述集热装置处于聚焦状态或散焦状态。
15.优选地，所述反射镜包括一次反射镜和二次反射镜，所述二次反射镜呈曲面环绕扣合在所述集热管圆周外侧，通过所述一次反射镜将光线汇集到所述二次反射镜，再利用所述二次反射镜将光线聚焦到所述集热管上。
16.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
（1）本发明在传热工质疏排过程中，通过持续对排空段采用光伴热模式，能够保持集热管内传热工质处于便于流动的状态，能够避免传热工质在集热管内壁凝固残留，减少传热工质在集热管中的残留量，避免因为传热工质排出不净导致集热管封堵而对疏排过程造成阻碍，提高传热工质的疏排效率，降低能源损耗，同时，避免了因为集热管内壁有传热工质凝固而形成下次注入传热工质时流动的障碍，避免对下次注入过程的影响；即本发明能够实现集热场传热工质排空的日常化操作，解决了低速循环防凝所导致的高能耗问题，也能解决高凝固点传热工质疏排过程存在的冻堵风险；（2）本发明光伴热模式包括聚焦状态和散焦状态，通过调节聚焦状态和散焦状态所占的时间比例，能够控制光伴热模式时的集热管的温度，从而能够使得集热管始终处于适宜的温度范围内，既不会因为温度过高对集热管造成损伤，又不会因为温度过低而造成传热工质的凝固，最终确保传热工质疏排干净彻底；（3）本发明在集热管上沿长度方向分布设置有多个温度测点，通过温度测点所监测的温度变化，能够据此监测结果判断传热工质在集热管内的位置状态，从而为集热状态的改变提供依据；（4）本发明在集热管倾斜设置时能够利用传热工质自重进行疏排，同时，还可以利用压缩气体的动力辅助传热工质的流动，从而能够进一步提高传热工质疏排的效率。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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。
18.图1为本发明线聚焦集热系统整体结构示意图；图2为本发明光伴热排空传热工质示意图；图3为本发明集热装置聚焦状态示意图；图4为本发明集热装置散焦状态示意图；其中，1、低温罐；2、循环泵；3、冷态工质母管；4、压力测点；5、集热入口阀；6、压缩气源；7、压缩气阀；8、集热管；9、集热装置；91、二次反射镜；92、一次反射镜；93、光线；10、温度测点；11、热态工质母管；12、冷罐回流阀；13、热罐回流阀；14、高温罐；15、疏排阀；16、疏排罐；17、疏排泵；18、疏排管道；19、传热工质；20、压缩气体。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.本发明的目的是提供一种线聚焦集热系统排空传热工质的方法及其线聚焦集热系统，以解决现有技术存在的问题，在传热工质疏排过程中，通过持续对排空段采用光伴热模式，能够保持集热管内传热工质处于便于流动的状态，能够避免传热工质在集热管内壁
凝固残留，减少传热工质在集热管中的残留量，避免因为传热工质排出不净导致集热管封堵而对疏排过程造成阻碍，提高传热工质的疏排效率，降低能源损耗。
21.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
22.如图1~4所示，本发明提供一种线聚焦集热系统排空传热工质19的方法，线聚焦集热系统包括集热回路和对集热回路中的集热管8进行聚焦加热的集热装置9，集热装置9可以采用线性菲涅尔式集热或槽式集热等结构形式，传热工质19可以为水、导热油或熔盐等。包括以下内容：在需要进行疏排工作时，首先关闭线聚焦集热系统中的循环泵2，停止传热工质19在系统中的循环，此时，保持原有的集热装置9对集热管8的集热状态，即仍旧采用聚焦模式，此处所说的聚焦模式如图3所示，指的是太阳光的光线93能够照射到集热管8上对集热管8的管壁进行加热，同时对集热管8内的传热工质19进行传热，保持传热工质19处于便于流动的熔融（液体）状态。当采用线性菲涅尔式结构时，一次反射镜92将光线93反射到二次反射镜91或直接反射到集热管8的管壁，二次反射镜91再将光线93聚焦到集热管8的管壁上，实现对集热管8圆周方向的较为均匀的加热。
23.打开疏排阀15，传热工质19由集热管8疏排到储罐中，储罐可以为疏排罐16，也可以为低温罐1。传热工质19可以通过泵体驱动疏排、依靠自重流动疏排或采用压缩气体20辅助疏排等方式。在传热工质19疏排的过程中，集热管8的排空段所对应的集热装置9由聚焦模式转换到光伴热模式，继续对集热管8进行保温，避免聚焦模式的高温损坏集热管8。聚焦模式的转变可以在集热管8上分段进行，依据监测获得的传热工质19在集热管8内的位置状态确定。此处所说的光伴热模式，指的是利用太阳光照产生的热量对集热管8进行保温加热，光伴热模式时的集热能量要小于聚焦模式时的集热能量，光伴热模式可以采用间歇式聚焦的方式实现。进一步的，如图3和图4所示，光伴热模式可以包括聚焦状态和散焦状态，聚焦状态时，光线93最终能够聚集到集热管8，此时对集热管8进行加热；散焦状态时，光线93无法聚集到集热管8，此时对集热管8不进行加热。通过调节聚焦状态和散焦状态所占的时间比例，能够调整对集热管8进行加热的时间长短，并实现间歇式加热，从而能够控制光伴热模式时的集热管8的温度处于合适的范围内，该温度范围既不会因为温度过高对集热管8造成损伤，又不会因为温度过低而造成传热工质19的凝固，最终能够降低传热工质19的残留量。在实际应用中，可以根据温度和天气状况选择不同的光伴热模式，例如，集热管8中的温度高于400℃时，在天气晴好的情况下，进行慢速伴热（散焦状态所占时间比例高），在辐照较低的情况下，进行聚焦伴热（聚焦状态所占时间比例高）。当集热管8中某一段超温或者低温时，通过控制聚焦状态和散焦状态的时间比例调整保温范围，即当高温时，增加散焦状态的时间，当低温时，增加聚焦状态的时间，来控制集热管8的温度始终保持在一定的范围内。
24.待集热管8内的传热工质19排空后，此时，集热管8内已不再具有传热工质19或具有很少的残留传热工质19，停止集热装置9对集热管8的光伴热模式，至此，传热工质19疏排过程结束。
25.本发明在传热工质19疏排过程中，通过持续对排空段采用光伴热模式，能够保持集热管8内传热工质19处于便于流动的状态，能够避免传热工质19在集热管8内壁凝固残
留，减少传热工质19在集热管8中的残留量，避免因为传热工质19排出不净导致集热管8封堵而对疏排过程造成阻碍，提高传热工质19的疏排效率，降低能源损耗，同时，避免了因为集热管8内壁有传热工质19凝固而形成下次注入传热工质19时流动的障碍，影响下次注入过程；即本发明能够实现集热场传热工质19排空的日常化操作，解决了低速循环防凝所导致的高能耗问题，也能解决高凝固点传热工质19疏排过程存在的冻堵风险。
26.集热装置9包括跟踪机构和控制跟踪机构动作的控制系统，集热管8分段配套有跟踪机构，利用控制系统控制跟踪机构的动作，再利用跟踪机构的动作调整反射镜的角度，进而可以调整是否将光线93汇聚到所对应的集热管8，具体的，可以是一组跟踪机构对应于集热管8的一段，此时，一组跟踪机构控制反射镜动作即可改变该段集热管8处的集热装置9的集热状态；也可以是多组跟踪机构对应于集热管8的同一段，此时，多组跟踪机构控制反射镜动作，可改变该段集热管8处集热装置9的集热状态。即控制一组或多组跟踪机构控制集热管8的某一段所对应的集热装置9处于聚焦状态还是散焦状态。
27.如图1所示，在集热管8上沿其长度方向分布设置有多个温度测点10，每个温度测点10能够监测相应位置的温度数值和变化形式，由于有传热工质19和没有传热工质19位置处的集热管8的温度是有差别的，从而可以根据温度测点10的监测结果判断传热工质19的位置状态。具体的，当传热工质19流经某个温度测点10时，该温度测点10的温度会发生显著变化，根据温度测点10温度的变化可逐段确认传热工质19到达的位置，即判断出排空段。据此改变对集热管8不同位置的加热方式，从而，能够为集热管8上某一段范围内的集热状态的改变提供依据。
28.传热工质19在疏排过程中，如果集热管8倾斜设置，可以依靠传热工质19的自重流动而进行疏排，同时，还可以利用压缩气体20的动力辅助传热工质19的流动，尤其是集热管8没有倾斜坡度的条件下，传热工质19无法自流，此时依靠压缩气体20能够提供主要动力驱动传热工质19疏排，从而利用压缩气体20能够进一步提高传热工质19疏排的效率，而且，还能利用压缩气体20的冲刷能力进一步减少传热工质19在集热管8中的残留量。另外，在利用压缩气体20提供驱动力时，根据传热工质19在集热管8内的流动状态或需求，可以采用不同压力的压缩气体20来辅助传热工质19的快速排空。压缩气体20的压力主要由两个方面的因素确定，一是集热管8的坡度，坡度越大，自重回流越快，所需压力就越小，坡度越小，自重回流越慢，所需压力就越大；另一个是当坡度一定时，如需要加快排空速度或排得更干净，可以增加压缩气体20的压力。
29.储罐具体可以为疏排罐16，集热管8内的传热工质19可以疏排到疏排罐16内暂存，疏排罐16内的传热工质19又可以经疏排泵17和疏排管道18泵回低温罐1内。
30.再次参考图1~4所示，本发明还提供一种线聚焦集热系统，包括集热管8和用于聚焦光线93到集热管8的集热装置9，集热管8的集热进口连通低温罐1，集热管8的集热出口连通高温罐14，低温罐1和集热进口之间设置有用于驱动传热工质19循环流动的循环泵2，其中，低温罐1通过冷态工质母管3连通集热管8，高温罐14通过热态工质母管11连通集热管8。在冷态工质母管3上还可以设置有压力测点4和集热入口阀5，能够利用压力测点4监测管路的压力状态，避免因管路堵塞等问题造成循环泵2或管路因高压损坏。集热管8配套设置有集热装置9，集热装置9用于对集热管8进行聚焦集热，低温罐1用于储存温度相对较低的传热工质19，高温罐14用于储存温度相对较高（经过太阳能吸热）的传热工质19，在循环泵2的
驱动下传热工质19由低温罐1经集热管8吸热后流动到高温罐14。集热出口还连通有疏排罐16，疏排罐16用于线聚焦集热系统需要疏排工作时对传热工质19进行暂存。集热装置9包括多组跟踪机构以及控制跟踪机构动作的控制系统，每组跟踪机构对应于集热管8的一段，即集热管8分段配套对应跟踪机构，通过控制系统控制跟踪机构，能够改变一次反射镜92的反射角度，从而能够改变是否将光线93反射到二次反射镜91（或集热管8）的状态，进而能够实现对集热模式（聚焦模式和散焦模式之间的切换）的转变，在传热工质19疏排的过程中，顺利实现集热管8的排空段所对应的集热装置9由聚焦模式转换到光伴热模式。
31.如图1所示，疏排罐16与集热管8之间设置有疏排阀15，通过控制疏排阀15开闭，实现系统处于集热工作状态或是进入疏排工作状态。疏排罐16通过疏排泵17和疏排管道18连通低温罐1，在疏排泵17的动力下，能够将疏排罐16内暂存的传热工质19输送到低温罐1内。低温罐1可以具有保温加热装置，能够保持低温罐1始终处于一定的温度范围内，在需要正常集热工作时，可以将低温罐1内的传热工质19再次通过循环泵2注入到集热管8中并进行循环。
32.集热进口还可以连通有用于向集热管8供给压缩气体20（具体可以为压缩空气或氮气等）的压缩气源6，通过压缩气阀7控制压缩气源6是否向集热管8供给压缩气体20。需要注意的是，压缩气体20的供入位置与传热工质19的疏排位置位于集热管8的两端，通过向集热管8供给压缩气体20能够辅助传热工质19向疏排方向流动。
33.低温罐1和高温罐14之间可以通过管路连通，并且在靠近低温罐1处设置有冷罐回流阀12，靠近高温罐14处设置有热罐回流阀13。集热管8中的传热工质19既可以回流到疏排罐16，也可以回流到低温罐1或高温罐14，可以根据传热工质19的温度大小进行选择，例如，如果传热工质19温度较高且符合进入高温罐14的条件，可以直接回流到高温罐14内。各罐体的选择以及传热工质19的流动方向分别依靠疏排阀15、冷罐回流阀12和热罐回流阀13进行控制。
34.集热装置9可以采用线性菲涅尔式结构或槽式结构，包括反射镜，反射镜受跟踪机构控制，通过改变反射镜是否聚焦到集热管8，以控制集热管8处于预热准备状态、聚焦状态或散焦状态。当采用线性菲涅尔式结构时，反射镜包括一次反射镜92和二次反射镜91，一次反射镜92铺设面积远大于二次反射镜91，二次反射镜91呈曲面环绕扣合在集热管8圆周外侧，通过一次反射镜92能够将光线93汇集到二次反射镜91，再利用二次反射镜91将光线93聚焦到集热管8上，以能够对集热管8的周向各个位置均可以进行聚焦加热。同时，部分一次反射镜92反射的光线93可以不经二次反射镜91的反射而直接聚焦到集热管8上。一次反射镜92受跟踪机构控制，并且对应于二次反射镜91的不同区域段，以能够对集热管8的不同位置进行聚焦。通过跟踪机构控制改变一次反射镜92是否将光线93聚焦到二次反射镜91以能够控制集热管8处于聚焦状态或散焦状态。
35.本发明还提供以下具体实施例：实施例一：集热场（包括若干集热管8）整体排空且集热场存在一定的坡度。
36.排空传热工质19时，关闭循环泵2，打开疏排阀15，集热管8中的传热工质19回流到疏排罐16中，通过疏排泵17将疏排罐16中的传热工质19输送到低温罐1中。
37.在传热工质19自流的过程中，监测集热管8对应的温度测点10来判断传热工质19
在集热管8中的位置。当传热工质19流出一段距离后，为了避免集热管8的排空段由于传热工质19流出所形成的负压，需要打开压缩气阀7给集热管8中的空管部分（排空段）补充气体（空气或氮气等），同时，当集热管8中某一段的传热工质19已经排空时，这一段集热管8所对应的集热装置9由聚焦模式转换到光伴热模式（如图3和图4所示），让反射镜在聚焦状态和散焦状态两个状态之间切换，通过调节聚焦状态和散焦状态所占的时间比例，控制光伴热时集热管8的温度，继续对集热管8进行保温，使得残留在集热管8内壁的传热工质19进行排空。
38.待集热管8中的传热工质19排空时，关闭压缩气阀7，并将集热装置9全部反射镜复位，传热工质19排空结束。
39.实施例二：集热场整体排空，且集热场没有坡度，采用压缩气体20提供推力推动传热工质19流回储罐内。
40.排空传热工质19时，关闭循环泵2，打开疏排阀15，打开压缩气阀7，逐渐提升补充的气体压力，推动传热工质19流向疏排罐16，再通过疏排泵17将传热工质19输送到低温罐1中。
41.在传热工质19流动的过程中，监测集热管8对应的温度测点10来判断传热工质19在集热管8中的位置，当集热管8中某一段的传热工质19已经排空时，这一段集热管8所对应的集热装置9由聚焦模式转换到光伴热模式（如图3和图4所示），让反射镜在聚焦状态和散焦状态两个状态之间切换，通过调节聚焦状态和散焦状态所占的时间比例，控制光伴热时集热管8的温度，继续对集热管8进行保温。
42.等到压缩气体20经集热管8从疏排罐16中排出，可以判断集热管8中大部分的传热工质19已经排空，关闭压缩气阀7，并将集热装置9全部反射镜复位，传热工质19排空结束。
43.实施例三：集热场包括有多个集热回路（每个集热回路包括一个集热管8或并联设置的多个集热管8），每个集热回路均设置有进口阀门和出口阀门，集热过程中，集热场中单个集热回路需要单独排空。
44.排空传热工质19时，关闭循环泵2，关闭需要继续集热的集热回路的进口阀门和出口阀门，使得传热工质19继续留在这些集热回路中，并且将这些集热回路对应的反射镜由聚焦模式转换到光伴热模式，对传热工质19进行保温。
45.打开疏排阀15和需要排空的集热回路的空气阀门，逐渐的加大压力，快速的将集热回路中的传热工质19流到热态工质母管11或者疏排罐16内，监测该集热回路中集热管8对应的温度测点10来判断传热工质19在集热管8中的位置，当集热管8中某一段的传热工质19已经排空时，这一段集热管8所对应的集热装置9由聚焦模式转换到光伴热模式（如图3和图4所示），让反射镜在聚焦状态和散焦状态两个状态之间切换，通过调节聚焦状态和散焦状态所占的时间比例，控制光伴热时集热管8的温度，继续对集热管8进行保温。
46.确认集热回路完全排空后，关闭需要切除回路的进口阀门和出口阀门，关闭疏排阀15，重新启动循环泵2，打开其他集热回路的进口阀门和出口阀门，让传热工质19继续循环，再将集热回路由光伴热模式切换为聚焦模式运行。
47.实施例四：
根据天气情况无法继续集热，需要将传热工质19排空。
48.此时，根据实际集热场的情况，按照实施例一或实施例二的内容进行操作。
49.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。