CN101240780A - 用于太阳能装置的超临界二氧化碳涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于太阳能装置的超临界二氧化碳涡轮，其中本发明的一种涡轮系统，包括：超临界二氧化碳涡轮；及太阳能加热系统，其具有为该超临界二氧化碳涡轮提供热能的熔融盐传热流体。本发明还公开一种为超临界二氧化碳涡轮提供能量的系统，该系统包括：向超临界二氧化碳涡轮提供能量的布雷顿环路工作流体；和太阳能接收器，加热传热流体，使传热流体的温度至少达到1065华氏温度左右，其中，传热流体和布雷顿环路工作流体联合作用。本发明还提供一种向超临界二氧化碳涡轮提供能量的方法。

Description

用于太阳能装置的超临界二氧化碳涡轮
技术领域
本发明总的涉及二氧化碳涡轮，特别是涉及由可再生能源驱动的二氧化碳涡轮。
背景技术
由于地球石化燃料供应的耗尽及对因石化燃料燃烧引起的全球变暖现象的关注，清洁的可再生能源成为持续的需求。太阳能塔通过将太阳能射线集束聚焦至固定于塔中的接收器上，以从太阳光中产生电能。典型的太阳能塔系统包括冷储存箱、太阳能接收器、太阳光反射装置、热储存箱以及能量转换系统，比如一套蒸汽发电机和涡轮/发电机。在工作中，传热流体自冷储存箱泵出，进入太阳能接收器。传热流体可能是任何适宜的能传热并保持热的介质，比如水、液态金属或熔融盐。
太阳能接收器典型地置于离地面50-250英尺或更高的位置上，并由太阳光反射装置加热。太阳能反射装置重新定向并将太阳能射线从太阳聚焦到太阳能接受器上。传热流体流过太阳能接收器的接收管，并在其中受聚集的太阳能加热。在太阳能接收器中，液态金属作为传热流体使用，并可达到约为1600的温度。水/蒸汽用作传热流体时，峰值温度可达约1050。当前正使用的熔融盐用作传热流体时，最大可达到约为1100。
传热流体在太阳能接收器中加热后，典型地流入热储存箱中。传热流体贮存在热储存箱中，一直到需要产生电能时。热储存箱允许在多云或黑夜天气产生电能。当需要电能时，传热流体从热储存箱中泵出进入到能量转换系统中。传热流体在能量转换系统中传递热能。例如，能量转换系统可能是兰金循环转换系统或布雷顿循环转换系统。典型地是，布雷顿循环使用再生器(也叫回收装置)，其比兰金循环具有较高的效率，效率可达到34％至40％左右。热从传热流体移除后，传热流体传送回冷储存箱中以备再用。
考虑到自然资源不断衰竭以及对全球变暖现象的影响，需要提供一种使用再生资源提供电能的方法。另外，太阳能设施明显具有高资本成本，因而，也需要提供一种采用有效而又节约成本的产生电能的方法。
发明内容
一涡轮系统包括一超临界二氧化碳涡轮和一太阳能加热系统。该太阳能加热系统具有熔融盐传热流体，其用于向该超临界二氧化碳涡轮提供热能。
附图说明
图1为涡轮系统的示意图；
图2为采用熔融盐作为太阳能加热系统的传热流体的方法流程图
具体实施方式
图1示出了涡轮系统10的示意图，其一般包括太阳能加热系统12和超临界二氧化碳涡轮系统14。太阳能加热系统12用于向超临界二氧化碳涡轮系统14在一天中提供24小时的热能。太阳能加热系统12和超临界二氧化碳涡轮系统14的联合使用能有效地使用超临界二氧化碳涡轮系统14并使超临界二氧化碳涡轮系统14的电转换效率提高至大约46％。这也就增加了涡轮系统10的总的效率，减低了装置的资本成本以及电能生成成本。
太阳能加热系统一般包括循环系统16、冷储存箱18、太阳能接收器20、太阳光反射装置22、热储存箱24以及热交换器26。循环系统16通过太阳能加热系统12传送传热流体，其一般包括主线路(line)28、次线路30、冷泵32a、热泵32b。主线路28从冷储存箱18运送传热流体至太阳能接收器20。次线路30从热储存箱24运送传热流体至热交换器26并在闭环回路中将传热流体送回冷储存箱18中。传热流体通过冷泵32a从主线路28中泵出，并通过热泵32b从次线路30中泵出。
在工作中，传热流体贮存在冷储存箱18中。传热流体通过冷泵32a泵出进入太阳能接收器20。太阳光反射装置22对来自太阳的太阳能射线进行重新定位和聚集至接收器20上，接收器将重新定位的太阳光转变为热能。传热流体流过太阳能接收器20，并在其中受聚集的太阳能加热。太阳能接收器20能抵抗至少大约1065的温度。在一实施例中，太阳能加热系统12为一太阳能塔系统。
当传热流体在太阳能接收器20中加热到所期望的温度后，其流入热能储存箱24。然后，传热流体一直贮存在热能储存箱24中，直到超临界二氧化碳系统14需要其产生电能为止。热能储存箱24在多云或黑夜天气允许产生电能。
当需要产生电能时，传热流体从热能储存箱24中泵出，并通过热交换器26进行循环，以向超临界二氧化碳系统14提供热能。当传热流体经过热交换器26后，自传热流体所获得的热能使传热流体的温度大幅下降，约降至800。然后，传热流体被送入冷储存箱18，储存在闭环太阳能加热系统12中以备再用。
传热流体可能是任何适宜的能传热并保持热的流体，比如水、流态金属或熔融盐。传热流体也能和容纳在冷、热储存箱18、24中的固态传热介质相互作用。在一示例性实施例中，太阳能加热系统12采用熔融盐作为传热流体。熔融盐作为从太阳能接收器20向超临界二氧化碳系统14传递热能的流体，其能够把加热温度提高到至少1065左右。熔融盐可能是由钠盐和钾盐构成的结晶混合物。合适的熔融盐是由重量比为50％-70％的钠盐和重量比为30％-50％的钾盐组成。更合适的熔融盐是由重量比为60％的钠盐和重量比为40％的钾盐组成。
超临界二氧化碳涡轮系统14一般包括循环系统34、热交换器26、涡轮36、涡轮发电机38、高温复原器40、低温复原器42、预冷器44、主压缩机46、再压缩压缩机48。循环系统34使布雷顿工作流体在超临界二氧化碳涡轮系统14中循环，其一般包括高温线路50、第一中间温度线路52、高温复原器出口线路54、第二中间温度线路56、低温复原器出口线路58、第三中间温度线路60、预冷线路62、主压缩机线路64、低温复原器入口线路66、再压缩压缩机入口线路68、再压缩压缩机出口线路70、第一阀72、第二阀74、高温复原器入口线路76。布雷顿工作流体通过主压缩机46和再压缩压缩机48在循环系统34中循环。另外，发电机38、涡轮36、再压缩压缩机48和主压缩机46通过轴78相连。主压缩机46和再压缩压缩机48通过第一轴部78a彼此相连。再压缩压缩机48和涡轮36通过第二轴部78b彼此相连。涡轮36和发电机38通过第三轴部78c彼此相连。在一示例性实施例中，超临界二氧化碳系统14是一超临界二氧化碳布雷顿功率转换循环系统。
当传热流体自加热系统12通过热交换器26时，热量通过超临界二氧化碳系统14传递给布雷顿循环工作流体。在一示例性实施例中，超临界二氧化碳用作流过超临界二氧化碳系统14的布雷顿循环工作流体。流过超临界二氧化碳系统14的超临界二氧化碳能够被加热到温度为1022左右。当热能通过热交换器26从太阳能加热系统12中的熔融盐交换到超临界二氧化碳系统14的超临界二氧化碳时，并在其离开热交换器26及流过高温线路50时，超临界二氧化碳能被加热到1022左右，并具有2876磅/平方英寸(psi)的压力。高温线路50将超临界二氧化碳自热交换器26传递到涡轮36。
涡轮36中允许布雷顿循环工作流体膨胀和释放能量，使布雷顿循环工作流体的温度降低到825左右、压力降到1146psi左右。在涡轮36中由膨胀过程释放的能量足够使轴78的主压缩机46、再压缩压缩机48和发电机38转动。发电机38使用来自涡轮36的机械能来驱动发电单元来发电。在一示例性实施例中，发电机38产生大约300兆瓦特的净电能，发电效率达90％左右。发电机38产生的电能可有不同的应用，包括但不限于：商用和居民建筑供电。
然后，布雷顿循环工作流体通过第一中间温度线路52自涡轮36传递到高温复原器40。在高温复原器40中，布雷顿循环工作流体温度降到335左右。然后，布雷顿循环工作流体通过第二中间温度线路56到达低温复原器42，其温度进一步降到158左右。高低温复原器40、42的功用和热交换器一样：再次捕获热量并把热量传送回超临界二氧化碳系统14以改善超临界二氧化碳系统14的效率。从而，热量在高低温复原器40、42及热交换器26中增加到布雷顿循环工作流体。
自低温复原器42，布雷顿循环工作流体通过第三中间温度线路60送入到第一阀72。在第一阀72，布雷顿循环工作流体的一部分通过预冷线路62送入到预冷器44。在布雷顿循环工作流体通过主压缩机线路64被传送主压缩机46之前，布雷顿循环工作流体的温度在预冷器44中被降低到90左右。预冷器44可能把热量传递给水，水被送入到冷却塔以把热量释放到大气中。可替换地是，热释放也可以直接通过空气冷却来完成。需要冷却是因为需降低布雷顿循环工作流体的温度以满足闭环超临界二氧化碳系统14的低温启动的需要。在主压缩机46，布雷顿循环工作流体受压，其压力达到2900psi左右，温度达到142左右。一旦主压缩机46的入口条件在二氧化碳临界点之上，操作主压缩机46的所需工作就大大减少了。然后，布雷顿循环工作流体经过低温复原器入口线路66送入到低温复原器42并加热到317左右。然后，布雷顿循环工作流体离开低温复原器42，并通过低温复原器出口线路58进入到第二阀74。
并行地，布雷顿循环工作流体的第二部分自第一阀72通过再压缩压缩机入口线路68进入到再压缩压缩机48，在此处，其受压，压力达到2899psi，温度达到317左右。随后，来自再压缩压缩机48的布雷顿循环工作流体通过再压缩压缩机出口线路70把主压缩机46的排出物送到第二阀74。然后，混合的布雷顿循环工作流体通过高温复原器入口线路76流出第二阀74，并进入到高温复原器40，在此处，其可加热到746左右。布雷顿循环工作流体通过高温复原器出口线路54自高温复原器40流出，并在温度为746左右、压力为2895psi左右，进入到热交换器26。
图2为使用传热流体从太阳能加热系统12向超临界二氧化碳系统14提供热能的方法流程图。如前面提到的那样，熔融盐最初储存在冷储存箱18中，以方框100表示。当需要时，熔融盐泵入到太阳能接收器20(方框102)，并在方框104中，加热到至少1065左右。如方框106所示，当超临界二氧化碳系统14需要时，加热后的熔融盐被送入到热储存箱中。加热后的熔融盐被泵送至超临界二氧化碳系统14，此处，来自熔融盐的热能被传递到超临界氧化物使超临界氧化物系统14产生电力，如方框108。
涡轮系统使用熔融盐加热系统为超临界氧化物系统提供热能。超临界氧化物系统需要超临界氧化物的峰值温度达1022左右。太阳能加热系统将熔融盐作为一种传热流体将所需要的热能传递并驱动超临界氧化物系统。在一示例性实施例中，太阳能加热系统为一能把熔融盐加热至1065左右的太阳能动力塔系统。
尽管参考了优选实施例对本发明进行了描述，本领域的技术人员能认识到：在不超出本发明的精神和范围，可做一些形式或内容的修改。

Claims (20)

1、一种涡轮系统，包括：
超临界二氧化碳涡轮；及
太阳能加热系统，其具有为该超临界二氧化碳涡轮提供热能的熔融盐传热流体。
2、如权利要求1所述的涡轮系统，其中，超临界二氧化碳涡轮至少在约为1022华氏温度的温度下工作。
3、如权利要求1所述的涡轮系统，其中，熔融盐传热流体是由重量比约为50％-70％的钠盐和重量比约为30％-50％的钾盐组成。
4、如权利要求1所述的涡轮系统，其中，太阳能加热系统将熔融盐传热流体加热到至少1065华氏温度左右。
5、如权利要求1所述的涡轮系统，其中，超临界二氧化碳涡轮由超临界二氧化碳布雷顿功率转换环路组成。
6、如权利要求1所述的涡轮系统，进一步包括热交换器，其中，热能自熔融盐传热流体传送到二氧化碳布雷顿环路工作流体。
7、一种为超临界二氧化碳涡轮提供能量的系统，该系统包括：
向超临界二氧化碳涡轮提供能量的布雷顿环路工作流体；和
太阳能接收器，加热传热流体，使传热流体的温度至少达到1065华氏温度左右，其中，传热流体和布雷顿环路工作流体联合作用。
8、如权利要求7所述的系统，其中，超临界二氧化碳涡轮在1022华氏温度左右的入口温度下工作。
9、如权利要求7所述的系统，其中，传热流体由熔融盐组成。
10、如权利要求9所述的系统，其中，熔融盐传热流体是由重量比约为50％-70％的钠盐和重量比约为30％-50％的钾盐组成。
11、如权利要求9所述的系统，其中，传热流体向超临界二氧化碳涡轮提供热能。
12、如权利要求11所述的系统，进一步包括热交换器，其中，热能自熔融盐传热流体传送到二氧化碳。
13、如权利要求7所述的系统，其中，所述系统为太阳能加热系统。
14、一种向超临界二氧化碳涡轮提供能量的方法，该方法包括：
自太阳光捕获太阳能；
用太阳能加热传热流体，使其温度至少到达1065华氏温度左右；
将来自传热流体的能量传递并加热超临界二氧化碳涡轮的布雷顿环路工作流体。
15、如权利要求14所述的方法，其中，使用太阳能加热系统捕获太阳能。
16、如权利要求14所述的方法，传热流体由熔融盐组成。
17、如权利要求16所述的方法，其中，熔融盐传热流体是由重量比约为50％-70％的钠盐和重量比约为30％-50％的钾盐组成。
18、如权利要求14所述的方法，其中，传输传热流体的能量来加热超临界二氧化碳涡轮的布雷顿环路工作流体时，包括使用热交换器。
19、如权利要求14所述的方法，其中，传热流体向超临界二氧化碳涡轮提供热能。
20、如权利要求14所述的方法，其中，超临界二氧化碳涡轮由超临界二氧化碳布雷顿功率转换环路组成。
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