專利名稱：熔鹽太陽能接收器及減少該太陽能接收器中熱梯度的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高聚集光熱太陽能的技術(shù)領(lǐng)域，其基于發(fā)電用的定日鏡場的中央塔式接收器技木。接收器中采用ー種熔鹽混合物作為熱交換流體，可以達(dá)到很高的工作溫度，因此，相對于采用水/蒸汽作為熱傳導(dǎo)流體的方式而言，本發(fā)明的熱カ循環(huán)效率有顯著的提聞。
背景技術(shù)：
在高聚集光熱太陽能技術(shù)中，可以發(fā)現(xiàn)中央塔式接收器系統(tǒng)中，太陽直接光照是通過定日鏡場反射到接收器，接收器位于塔頂(光學(xué)系統(tǒng)焦點)。接收器就是ー個集中了所有通過太陽能場反射的一個太陽光照系統(tǒng)。這種太陽能被轉(zhuǎn)換成熱交換流體的熱能。在不使用水作為熱交換流體的情況下，就需要具備ー個熱交換器，經(jīng)此熱交換器將熱交換流體 的熱能傳導(dǎo)給水，從而在溫度升高的情況下生成過熱蒸汽。最后，這些過熱蒸汽將帶動渦輪機和交流發(fā)電機運轉(zhuǎn)，從而能夠發(fā)電。目前已有各種類型的接收器，不僅可以改變熱交換流體本身，還能夠改變能量轉(zhuǎn)移到熱交換流體的方式，或者改變接收器的設(shè)置。因此有管狀接收器，容積接收器，直接能量交換接收器或間接能量交換接收器，飽和蒸汽和過熱蒸汽接收器。聚集在太陽能塔之上的接收器可以是暴露在外部的，也可以放在ー個腔體中，該腔體位于上述塔的上面，從而能夠減少熱損失。其配置必需能夠允許入射功率的大小超過在輻射和對流中的損失值。在熔鹽接收器中，接收器表面能夠達(dá)到的溫度會高于接收器中水或者飽和蒸汽和過熱蒸汽的溫度，原因是散熱損失也比較大，但是，這一點能夠通過熱交換器產(chǎn)生的較高溫度的過熱蒸汽來解決，因為有較高溫度的過熱蒸汽可以產(chǎn)生高效的熱循環(huán)。因此，使用熔鹽接收器的主要優(yōu)點是采用高能熱交換流體，通過熱量交換器生產(chǎn)過熱蒸汽，相對于エ廠中通過直接過熱蒸汽得到的溫度(520° C)而言能實現(xiàn)更高的溫度(550° C);因此，熱カ循環(huán)的效率得以提高，從而能夠提高渦輪機的效率。據(jù)估計，如果使用熔鹽的混合物而不是使用水或者蒸汽作為熱交換流體，循環(huán)的效率可從28%提升至38%?，F(xiàn)有的鹽塔已經(jīng)出現(xiàn)了不少技術(shù)和經(jīng)濟(jì)困難，這已經(jīng)對短期內(nèi)的操作產(chǎn)生了影響，若要建成壽命在20年到25年的商業(yè)性質(zhì)的エ廠，幾乎是無法實現(xiàn)的。專利US2008000231是迄今為止在現(xiàn)有技術(shù)上的一個很明顯的案例。在這個案例中描述了ー個熔鹽中心塔式太陽能接收器系統(tǒng)，其面板是由來自冷罐的鹽供給。一旦變熱，熱交換流體將其熱量傳給熱交換器，產(chǎn)出最終用于發(fā)電的蒸汽。此時已經(jīng)冷卻的熱交換流體重新流入接收器中，如此進(jìn)行再次加熱。在エ廠操作期間出現(xiàn)的技術(shù)問題主要是與材料的強度和瞬態(tài)前系統(tǒng)的控制有關(guān)(云步驟)。已經(jīng)遇到的一些技術(shù)困難是在管道同工作流體進(jìn)出歧管的焊接處有裂隙，這是由于此處熱梯度較高以及由于工作時在高溫下熔鹽混合物的高腐蝕作用，特別是在在輻射較低的地區(qū)管道內(nèi)部的熱交換流體凝固等原因所引起的腐蝕。
迄今為止，現(xiàn)有的熔鹽接收器的配置，其外部是半圓柱形的。這種接收器每個都是由24塊復(fù)合面板組成的，每組分8個面板，因此接收器分為四個部分(東北，西北，西南和東南)。每個面板本身都是由32個垂直管道組成。從冷貯槽里出來的載熱冷流體(冷鹽)的入口，由位于北側(cè)的中央面板產(chǎn)生(東北部的第一塊面板和西北部的第一塊面板)。輸入流的一半被導(dǎo)向東北部的面板，另ー半被導(dǎo)向西北面的面板，在相鄰的面板上其流向是垂直向下和向上的可替換的形式(蛇形路徑)。一旦位于北面部分(東北和西北)上的8個面板運行，就會產(chǎn)生交叉流體，也就是說從東北部面板中流出來的流體會進(jìn)入西南面的面板中，而從西北面流出來的流體會進(jìn)入到東南面的面板中。同樣位于北面的面板，相鄰面板內(nèi)部管道內(nèi)的熱交換流體都是以蛇形的方式流通至出口處。熱交換流體是從位于接收器南面的中央面板輸出的。
根據(jù)上面解釋的情況，熔鹽接收器可能存在一些困難，例如外部接收器和結(jié)構(gòu)缺陷(高溫作業(yè)的結(jié)果)造成的較大熱損失，對入射的流量分布(不均勻)，材料經(jīng)受的熱應(yīng)力，以及材料的腐蝕效果。熱循環(huán)是由接收器暴露在外的表面產(chǎn)生的，通過接收定日鏡場集中的太陽輻射(通過輻射鄰近管道的金屬溫度可達(dá)800° C)，以及在入口間熱交換流體的溫度梯度(290° C，熔點)和在出口間溫度梯度(565° C，鹽的降解溫度)而產(chǎn)生。以上提及的熔鹽接受器的缺點可以通過此次新設(shè)計來減少，因為新設(shè)計是ー個帶有空腔的接收器(安裝在塔的最高處，在凹槽內(nèi)或空腔內(nèi))，此外還可以通過循環(huán)降低接收器熔鹽混合物出口和入口間的溫度梯度，這種循環(huán)在下面將會做進(jìn)ー步解釋。為此，在本發(fā)明中也提到了一部分出口流量的再循環(huán)(熱熔鹽的混合物)。這里就體現(xiàn)出了接收器設(shè)計和配置的重要性。接收器正確的設(shè)計和配置會影響太陽能エ廠操作過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，尤其是在過渡期間(云步驟)；從而需要保證其結(jié)構(gòu)的完整性和持久耐用性(接收器的使用壽命在20到30年)。除此之外，使用熔鹽作為熱交換流體和熱量儲存介質(zhì)都能夠提高光熱太陽能エ廠的效率，考慮到溫度能夠達(dá)到更高，而無需增加水或者蒸汽所需要的操作壓力，這就意味著接收器的成本得以降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了使用有熔鹽的中央塔式接收器設(shè)計，其能夠在光熱太陽能エ廠的運行過程中便于操作和控制。本發(fā)明的主要優(yōu)點在于通過降低接收器管道的出口和入口間的溫度差，可以增加接收器的使用壽命。因此，能夠降低材料經(jīng)受的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)カ會對結(jié)構(gòu)造成損壞，例如裂縫和裂紋，主要發(fā)生在焊接處。為此，提出了ー種從接收器(熱鹽混合物)入ロ到其出ロ的一定流量比例的再循環(huán)系統(tǒng)。該流量比例值必然會導(dǎo)致最小可能的負(fù)載損失，同時產(chǎn)生用于接收器固定效率的可接受的熱損失。在本發(fā)明中提到的接收器，為了減少熱損失，必須是腔型的。這些腔型的接收器就是指安裝在塔頂端，且放置在凹槽或空腔內(nèi)，以此來減少輻射或?qū)α鳟a(chǎn)生的熱損失。本發(fā)明提出了一個由面板組成的半圓柱形狀的外形配置，接收器區(qū)域根據(jù)設(shè)計的熱能來確定。面板是由ー組垂直管道組成。接收器的半圓柱形狀能夠最大程度的捕獲由定日鏡場反射來的太陽輻射。來自存儲罐的冷熔鹽(熱交換流體)，不會直接引入到接收器中，如同現(xiàn)有技術(shù)中的系統(tǒng)，而是供應(yīng)至混合罐，該混合罐收集了冷鹽和一部分再循環(huán)的熱鹽并在內(nèi)部進(jìn)行混合，然后，冷熔鹽和熱熔鹽的混合物引入到組成接收器的垂直管道的頂部。在垂直管道的底部進(jìn)行熱鹽的收集。這些流出來的部分熱鹽(根據(jù)再循環(huán)定義其比例)被再循環(huán)到混合罐中，其余部分被送到熱鹽存儲罐中。隨著流體流經(jīng)面板中垂直管道的組合物的內(nèi)部，吸收表面上的入射的太陽輻射，能夠?qū)崿F(xiàn)對鹽混合物的加熱。構(gòu)成接收器面板的設(shè)置是平行的。入口流體在面板中的分配(冷熱熔鹽和混合)是 通過頂部的控制閥實現(xiàn)的。流量的分配是在入射到面板上太陽輻射能量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的(隨著時間的推移，入射分布不均勻)。因此，接受更多入射光功率輻射的面板就會循環(huán)更多的冷卻流量，從而實現(xiàn)接收器管道外壁上的最小梯度。接收器輸出流體到入ロ的部分再循環(huán)(熱熔鹽)，如上所述，能夠降低構(gòu)成接收器面板上垂直管道的進(jìn)口和出口之間的溫度變化，從而能夠降低制造管道材料的熱膨脹。但是，由于再循環(huán)百分率的増加，不僅會增加構(gòu)成接收器垂直管道出口和入口間的溫度差，也會増加系統(tǒng)匯總的負(fù)載損耗，因此需要更大的工作流體驅(qū)動力。除此之外，接收器外表金屬的溫度很高，主要通過輻射造成較高的熱損失。因此，為設(shè)計功率設(shè)定最佳的回流比例可使接收器獲得最佳的工作效率。熔鹽接收器(再循環(huán)系統(tǒng))預(yù)先的設(shè)置會使技術(shù)風(fēng)險較其他接收器達(dá)到最小化，支撐熱循環(huán)的材料必須有很強的承受力，因此，材料對此有很大的影響。本設(shè)備能夠克服一些在熔鹽接收器技術(shù)中已發(fā)現(xiàn)的缺點，并能夠在其使用中提供優(yōu)點，例如減少結(jié)構(gòu)和接收器材料的損壞風(fēng)險；相對于目前的飽和蒸汽和/或過熱蒸汽能夠提高熱カ循環(huán)效率，從而能夠達(dá)到更高的工作溫度。


為了完成相關(guān)描述，幫助更好理解本發(fā)明的特點，本發(fā)明隨附有ー組說明性的附圖，但附圖對設(shè)計本身不做限制，做如下說明圖I為具有再循環(huán)系統(tǒng)的由ー個面板組成的熔鹽接收器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為具有再循環(huán)系統(tǒng)的由四個面板組成的熔鹽接收器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為由四個面板組成的熔鹽接收器的幾何外形圖。接下來是圖中所用的附圖標(biāo)記(I)流向接收器的輸入流(2)流出接收器的輸出流(3)流向熱鹽存儲罐中的輸入流(4)熱鹽的再循環(huán)流(5)流向混合器中的冷鹽輸入流
(6)混合器(流4和5)(7)熔鹽混合物的推動泵(8)冷熔鹽存儲罐(9)熱熔鹽存儲罐(10)由垂直管道構(gòu)成的接收器面板(11)接收器面板2E (東)(12)接收器面板IE (東)(13)接收器面板IW (西)
(14)接收器面板2W (西)(15)用于面板2E的流量分配控制閥(16)用于面板IE的流量分配控制閥(17)用于面板IW的流量分配控制閥(18)用于面板2W的流量分配控制閥(19)定日鏡場的聚焦點
具體實施例方式為了更好的理解本發(fā)明，將對熔鹽的太陽能中心塔式接收器的系統(tǒng)和操作進(jìn)行描述。如圖I所示，熔鹽接收器10是由垂直管道構(gòu)成的面板形成的。來自貯存罐8中的冷熔鹽5通過供應(yīng)線路供應(yīng)到混合罐6中，同樣會達(dá)到這個罐的還有熱熔鹽4，因此混合器6的輸出流體將進(jìn)入構(gòu)成接收器10的垂直管道的頂端。在垂直管道的底部進(jìn)行熱熔鹽2的收集。輸出流2中的一部分(其數(shù)量是由再循環(huán)確定的)再循環(huán)(4)至混合罐6，其余部分3運送至熱鹽儲存罐9。隨著流體流經(jīng)面板中的ー組垂直管道的內(nèi)部，吸收表面上的入射的太陽輻射，能夠?qū)崿F(xiàn)對進(jìn)入接收器10中的冷鹽和熱鹽的混合物I的加熱。帶有四個面板的接收器設(shè)置(圖2)展示了通過面板和再循環(huán)流體4進(jìn)行的平行エ作流體循環(huán)回路，再循環(huán)流4是由接收器的出口 2到入口 I。每個面板11，12，13和14都是由ー組垂直管道構(gòu)成。接收器內(nèi)部流體的循環(huán)與圖I的描述是相同的。如圖3所示，熔鹽接收器是由四個半圓柱形的面板11，12，13和14構(gòu)成。這種配置能夠收集到所有從定日鏡場(朝向聚焦點19)反射而來的太陽能。在優(yōu)先實施方案中，所有用于熱交換流體的是ー種硝酸熔鹽混合物，其最佳比例是 60% 的 NaNO3 和 40% 的 KNO3。
權(quán)利要求
1.ー種塔式熔鹽太陽能接收器，通過該塔式熔鹽太陽能接收器能夠?qū)崿F(xiàn)熱交換流體的循環(huán)，其特征在干，接收器(10)被供應(yīng)有由熔鹽組成的熱交換流體，熔鹽來自再循環(huán)系統(tǒng)，再循環(huán)系統(tǒng)包括ー個混合罐(6 )、一個熱鹽儲存罐(9 )以及ー個冷鹽儲存罐(8 );混合罐(6 )被供應(yīng)有部分熱的熱交換流體(4 )和冷的熱交換流體(5 )，所述熱的熱交換流體(4 )從接收器(10)中流出，所述冷的熱交換流體(5)從冷鹽儲存罐(8)中流出；熱鹽儲存罐與接收器(10)的輸出口相連，從而能夠保存一部分的不再循環(huán)的熱交換流體(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熔鹽太陽能接收器，其特征在于，所述接收器為管狀接收器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熔鹽太陽能接收器，其特征在于，所述接收器為垂直管狀接收器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熔鹽太陽能接收器，其特征在干，所述接收器為水平管狀接收器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熔鹽太陽能接收器，其特征在于，使用硝酸熔鹽的混合物作為熱交換流體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的熔鹽太陽能接收器，其特征在于，使用硝酸熔鹽的混合物作為熱交換流體，其組成比例為60%的NaNO3和40%的KN03。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的熔鹽太陽能接收器，其特征在干，其包括ー個推動泵(7)，可以將混合罐(6)出口處的流體推動至塔頂部的接收器(10)，以及多個控制閥門(15，16，17，18)，所述控制閥門位于接收器每個面板(11，12，13，14，15)的入口處。
8.一種減少如權(quán)利要求1-7中任一項權(quán)利要求所述的熔鹽太陽能接收器中的熱梯度的エ藝，其特征在干，再循環(huán)從接收器中流出的高溫的部分熔鹽流，以減小熱梯度，將熱鹽流與冷鹽流混合，進(jìn)入到接收器中的熱交換流體處于中間溫度，從而減小了流體的入口和出口之間的熱梯度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的減小熔鹽太陽能接收器中熱梯度的エ藝，其特征在干，包含以下幾個步驟 供應(yīng)由組成接收器(10)的面板(11，12，13，14)的頂部上的混合罐(6)提供的熔鹽流(1)，通過多個調(diào)節(jié)閥(15，16，17，18)，使其在管道內(nèi)部循環(huán)，吸收聚集的太陽能， 熱的熔鹽流(2)聚集在接收器的底部，其部分流體(4)再循環(huán)到混合罐(6)中，其余的部分流體(3)儲存到熱鹽儲存罐(9)中， 將來自冷鹽儲存罐(8)的冷鹽(5)和來自再循環(huán)的接收器的熱鹽供給到混合罐(6)中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熔鹽太陽能接收器以及一種減少該接收器中熱梯度的工藝。接收器包括至少一塊半圓柱形面板，面板由一組垂直管道組成。接收器(10)被供應(yīng)有由熔鹽組成的熱交換流體，熔鹽來自再循環(huán)系統(tǒng)，再循環(huán)系統(tǒng)包括一個混合罐(6)、一個熱鹽儲存罐(9)以及一個冷鹽儲存罐(8)；混合罐(6)被供應(yīng)有一部分熱的熱交換流體(4)和冷的熱交換流體(5)，所述熱的熱交換流體(4)從接收器(10)中流出，所述冷的熱交換流體(5)從冷鹽儲存罐(8)中流出；熱鹽儲存罐與接收器(10)的輸出口相連，從而能夠保存一部分的不再循環(huán)的熱交換流體(3)。
文檔編號F03G6/06GK102812306SQ201180014332
公開日2012年12月5日 申請日期2011年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者R·奈比歐·吉拉伯爾特, P·洛倫特·福爾奇, M·C·羅梅羅·德爾加多 申請人:阿文戈亞太陽能新技術(shù)公司