太陽能發(fā)電技術(shù)瓶頸及解決方案..docx

太陽能發(fā)電技術(shù)瓶頸及解決方案 -利用鑄鐵、混凝土及重力的高溫高壓綜合式儲(chǔ)熱器 馬玉哲 西安布林新能源有限公司 陜西西安 (710300)摘 要：利用鑄鐵、混凝土及重力的高溫高壓綜合式太陽能儲(chǔ)熱器，其構(gòu)成為:帶有密封環(huán)的鑄鐵大活塞配置于鑄鐵活塞缸中，活塞缸與下面的鑄鐵高壓鍋套在一起，它們外壁均有換熱片和高溫混凝土層。螺旋形熱流體管道置于鑄鐵層中，螺旋形水/水蒸氣管道及二次蒸汽管置于熱流體中，蒸汽輸出管置于高壓鍋上部。熱流體將純凈水加熱成高溫高壓蒸汽輸出做功的同時(shí)，將多余熱能儲(chǔ)存在鑄鐵、混凝土、高溫高壓蒸汽及重力勢能中；當(dāng)熱流體溫度下降時(shí)，熱量回放，重力勢能回放，連續(xù)產(chǎn)生高溫高壓蒸汽。該裝置充分利用了材料的多種儲(chǔ)熱功能，使儲(chǔ)熱器有更長的放熱時(shí)間，成本低、功率大、是理想的太陽能儲(chǔ)熱器。關(guān)鍵詞：鑄鐵；混凝土；重力勢能；連續(xù)性；長時(shí)性；功率大；儲(chǔ)熱器。 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.中圖分類號(hào)：TK11+41.引言 太陽能熱發(fā)電站的儲(chǔ)熱系統(tǒng)是太陽能熱發(fā)電站實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行的關(guān)鍵部分。按儲(chǔ)熱原理劃分，儲(chǔ)熱分為顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱三種主要形式，其中顯熱儲(chǔ)熱由于技術(shù)簡單成熟，成本較低，因此在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛。用于太陽能熱發(fā)電站中的顯熱儲(chǔ)熱材料有水、導(dǎo)熱油、熔融鹽、鐵礦石、鵝卵石、砂石、陶瓷，高溫混凝土等。熔融鹽具有較強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)中的管道有非常強(qiáng)的破壞性，同時(shí)熔融鹽的凝固溫度較高，需要增加額外的設(shè)施防止熔融鹽凝固，提高了系統(tǒng)的成本。導(dǎo)熱油由于使用溫度限制，無法用于400 以上溫度的熱量儲(chǔ)存，且工質(zhì)造價(jià)和系統(tǒng)成本均較高,大規(guī)模應(yīng)用熔融鹽及導(dǎo)熱油的經(jīng)濟(jì)性不佳，行維護(hù)方便、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)外已開展了諸多高溫混凝土儲(chǔ)熱技術(shù)方面的研究（中國專利CN201110096656.4 )。(中國專利CN201110096656.4) 提出一種直接產(chǎn)生蒸汽的高溫混凝土儲(chǔ)熱器，結(jié)構(gòu)簡單，克服現(xiàn)有高溫混凝土儲(chǔ)熱系統(tǒng)充熱與放熱過程使用同一工質(zhì)的不足。但以上這些儲(chǔ)熱專利均采用單一的混凝土儲(chǔ)熱，傳熱速度慢，性能差，儲(chǔ)熱量小，輸出功率不易控制，放熱時(shí)間短。本裝置設(shè)計(jì)的目的是克服現(xiàn)有單一使用混凝土儲(chǔ)熱的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的可直接產(chǎn)生蒸汽的高溫高壓綜合儲(chǔ)熱器。2.本儲(chǔ)熱器材料、結(jié)構(gòu)及原理2.1 材料鑄鐵價(jià)格低廉、導(dǎo)熱能力強(qiáng)、比熱大、不易變形，混凝土價(jià)格低廉、比熱大，因此采用鑄鐵作為主體材料，混凝土澆注在外圍輔料，中間配置不銹鋼層，工作溫度為 300-600(中國專利CN201110096656.4)。該混凝土按照一定的配方和比例澆注，可保證耐高溫、不破裂(中國專利CNCN200910272709.6 )。管道可以是金屬管、高溫玻璃管、石墨管、陶瓷管或預(yù)成型的高溫混凝土管等；熱流體可以是熔融鹽、導(dǎo)熱油、低熔點(diǎn)金屬、過熱蒸汽等；熱流體既可以是聚集太陽能加熱獲得的熱流體，也可是光伏板吸收太陽能輸出電流加熱獲得的熱流體或其他余熱加熱獲得的熱流體；放熱流體為水/蒸汽、空氣、或其他高溫狀態(tài)下穩(wěn)定的氣體。放熱流體為水/蒸汽、空氣時(shí)須加氧氣過濾器。本儲(chǔ)熱器的鑄鐵體為實(shí)心的鑄鐵體，暴露部分加防銹層；還可是鋼體或外層為鋼層的混凝土體；其扇形換熱片還可以為針狀、柱狀、或條狀。2.2結(jié)構(gòu)如圖所示， 圖1 2.3儲(chǔ)熱原理及過程第一階段，大活塞38靜止在最下端定位環(huán)42上，熱流總閥13打開，雙向泵 10、15、16關(guān)閉，對(duì)接閥17關(guān)閉，單向泵11開啟，蒸汽出口閥44 排空后關(guān)閉，高溫?zé)崃黧w0a從螺旋形熱流主管9流過，對(duì)低溫蒸汽發(fā)生室、高溫蒸汽發(fā)生室、過熱蒸汽發(fā)生室充分充熱；當(dāng)純凈水閥56、高壓水泵57開啟后，純凈水0b從高壓水管60進(jìn)入螺旋形水/水蒸汽管6放熱，形成過熱蒸汽0c，儲(chǔ)存于過熱蒸汽儲(chǔ)存室 41中當(dāng)達(dá)到預(yù)定的壓力，蒸汽出口閥44開啟，過熱蒸汽0c輸出，汽輪機(jī)工作。此過程中熱流體0a與水/水蒸汽0b直接換熱，充熱與放熱過程同時(shí)進(jìn)行，此適用于系統(tǒng)啟動(dòng)，熱流體溫度較高時(shí)。 第二階段，大活塞38靜止在最下端定位環(huán)42上，在保證過熱蒸汽0c正常輸出流量的基礎(chǔ)上，根據(jù)熱流體0a的溫度，分別開啟雙向泵10、15、16及對(duì)接閥 17、34，調(diào)節(jié)熱流體0a和純凈水0b的流量，使熱流體0a進(jìn)入各個(gè)充熱管道對(duì)鑄鐵體及外包混凝土充熱，直到其熱飽和溫度不再上升為止。此過程中熱流體0a與水 /水蒸汽0b及鑄鐵體直接同時(shí)換熱，充熱與放熱過程同時(shí)進(jìn)行，適用于熱流體溫度較高時(shí)。 第三階段，大活塞38 靜止在最下端定位環(huán)42上，在保證過熱蒸汽0c正常輸出流量的基礎(chǔ)上，根據(jù)熱流體0a的溫度，分別關(guān)閉雙向泵10、15、16及對(duì)接閥17、34，調(diào)節(jié)熱流體0a和純凈水0b的流量，使過熱蒸汽0c壓強(qiáng)超過大活塞上升的臨界壓強(qiáng)而推進(jìn)大活塞緩緩上升，將熱能轉(zhuǎn)換為重力勢能；同時(shí)通過儲(chǔ)存過熱蒸汽0c儲(chǔ)熱。當(dāng)上升到預(yù)定高度時(shí)，行程開關(guān) 23啟動(dòng)，產(chǎn)生反饋使熱流體0a及水0b流量終止，或泄放部分過熱蒸汽0c，使大活塞停止上升。 此過程中熱流體0a與水/水蒸汽0b換熱及鑄鐵體在上升中儲(chǔ)能儲(chǔ)汽，充熱與放熱過程同時(shí)進(jìn)行，適用于熱流體溫度較高時(shí)。 第四階段，在大活塞38靜止最上端時(shí)，關(guān)閉熱流總閥13、冷流總閥4，關(guān)閉雙向泵10、15、16，對(duì)接閥17、34繼續(xù)保持關(guān)閉，純凈水閥56、高壓水泵57關(guān)閉，大活塞38緩緩下降，直至回落定位環(huán)上不動(dòng)。此過程中重力勢能回放，過熱蒸汽0c平穩(wěn)釋放，流量正常輸出，此為該儲(chǔ)熱器關(guān)鍵過程，適用于熱流體溫度較低時(shí)。第五階段，在大活塞38即將靜止在最下端定位環(huán)42上時(shí)，關(guān)閉熱流總閥17、冷流總閥4，對(duì)接閥17、34開啟，雙向泵 10、15、16逆向開啟，中間熱循環(huán)管路內(nèi)部流體逆向熱循環(huán)， 進(jìn)水閥開啟，純凈水0b再次被加熱成過熱蒸汽0c，使過熱蒸汽0c壓強(qiáng)穩(wěn)定，流量正常輸出。此適用于熱流體溫度很低時(shí)。3.單個(gè)儲(chǔ)熱器功率計(jì)算 3.1. 如圖5所示將單個(gè)儲(chǔ)熱器簡化成模型進(jìn)行計(jì)算，設(shè)整個(gè)系統(tǒng)溫度由 30上升至600，汽輪機(jī)工作壓力為8MPa,同時(shí)鑄鐵大活塞被高溫蒸汽勻速推動(dòng)上升至10米高。 圖2 （1）設(shè)計(jì)參數(shù)為： 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).整個(gè)系統(tǒng)吸收的熱量？(3).大活塞下降至最低點(diǎn)，系統(tǒng)溫度下降至30C,整個(gè)系統(tǒng)釋放的熱量？(4).如果用來發(fā)電，每次發(fā)電輸出功率及輸出總量？3.2計(jì)算：(1). 整個(gè)系統(tǒng)吸收的熱量： 1).大活塞吸收的熱量， (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).活塞缸吸收的熱量： （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).水蒸氣吸收的熱量： 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).吸收的總能量為： Q =QQQQ =1927527.6+3112338.2+705.1+5687.7=5046258.6(kw.s) (2).大活塞下降至最低點(diǎn)，系統(tǒng)溫度下降至30C,整個(gè)系統(tǒng)釋放的熱量:（不計(jì)熱耗散） Q放=Q吸=5046258.6(kw.s)=5046258.6 / 9302=620.14（噸標(biāo)準(zhǔn)煤）(3) .如果用來帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，設(shè)=0.37, 蒸汽的工作范圍為300-600，所發(fā)的電量為： w=Q放=(QQQQ) =(2652560.99+705.105+5687.7)0.37=983812.90(kw.s)=983.8129（Mw.s）(4).儲(chǔ)熱連續(xù)發(fā)電的理論輸出功率： 1).二十四小時(shí)連續(xù)發(fā)電的輸出功率為： P=983.812924=40.992(Mw) 2).四十八小時(shí)連續(xù)發(fā)電的輸出功率為： P=983.812948=20.992(Mw)(5).儲(chǔ)熱連續(xù)發(fā)電的理論電量： 1）.一天最大發(fā)電量：983812.9（kws）=98.38129（萬度） 2）.一月最大發(fā)電量：98.3812930=2951.4387（萬度） 3）.一年最大發(fā)電量; 98.381293012=35417.264(萬度） =3.5417264（億 度) =3.5417264x0.3元=1.06251792(億元人民幣)。(6)成本預(yù)算： 鑄鐵成本：(每公斤2元) $=（25909082.0+41834848.0）2.0元/kg=135487860.0(元）=13548.7860（萬元） 混凝土成本及加工費(fèi)用約2226.0萬元（估算）。 總成本約1.5億人民幣元 (不包括太陽能接收?qǐng)龀杀?。4. 儲(chǔ)熱器并聯(lián)運(yùn)行過程。 純凈水由總管63進(jìn)入，通過支管64-1、64-2、進(jìn)水口55-x及高壓水泵57-x向各儲(chǔ)熱器供水；與62-x換熱后的純凈水變成過熱蒸汽，由蒸汽閥44-x及輸出口45-x輸出， 經(jīng)過蒸汽總管65，再由出口68輸向汽輪機(jī)作