CN104632559B - 一种以co2为工质的太阳能发电方法及发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以CO2为工质的太阳能发电方法及发电系统，其包括：以CO2为工质，以塔式太阳能吸收器作为加热源，CO2在塔式太阳能吸收器中吸收太阳能热量后温度升高至超临界状态；超临界CO2进入作为能量转换设备的超临界CO2透平中膨胀做功，输出电能后成为CO2乏汽；CO2乏汽依次通过多级回热器的低压侧通道放热，高压侧通道吸热；通过多个阀门调节CO2乏汽分流进入气体冷却器和多级压缩机的流量；采用抽气压缩的方法，经多级压缩机压缩后的CO2进入与多级压缩机相应的多级回热器，使每一级回热器中高压侧通道和低压侧通道不同压力的CO2流体热容相近；完成循环的CO2返回塔式太阳能吸收器，进入下次循环。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电方法及发电系统，特别是关于一种以CO2为工质的太阳能发电方法及发电系统。
背景技术
太阳能发电技术作为可再生能源技术，受到世界各国越来越多的关注和研究。目前以水为工质的太阳能热发电系统在中低温太阳能热发电领域占有绝对的优势，技术本身与设备开发也比较成熟。近年来，新的技术方案正朝着更高的吸热温度和循环效率以及更低的造价发展。但以水为工质的高温太阳能热发电系统中，水的膨胀比较大，需要多级膨胀，透平的尺寸较大，系统也复杂。开发新型的高温太阳能热发电系统，在提高效率的同时降低透平尺寸和系统复杂性，将促进高温太阳能热发电技术的发展。超临界CO2具有密度大、粘度低和流动性好的特点，适宜作为太阳能热发电的工质。
目前处于实验室研究阶段的太阳能驱动的以CO2为工质的热发电技术，采用的是槽式太阳能集热器，集热温度低于250℃，集热压力低于15MPa。温度低于250℃、压力低于15MPa的CO2经过透平时，由于膨胀比低，温度降低较少，即CO2在太阳能集热器所吸收的热量中大部分都传给了环境介质，只有很少部分被转化成了功，因此系统热效率不高，一般低于20％。开发以CO2作为工质的高温太阳能光热发电系统，根据CO2的热物理性质，进行热力过程和系统优化，合理组织能量的传递与转换，进而提高热效率，将大大提高太阳能资源开发利用效益。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够提高太阳能转换效率的以CO2为工质的太阳能发电方法及发电系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种以CO2为工质的太阳能发电方法，其包括以下内容：1)以CO2为工质，以塔式太阳能吸收器作为加热源，CO2在塔式太阳能吸收器中吸收太阳能热量后温度升高；2)CO2进入作为能量转换设备的超临界CO2透平中膨胀做功，输出电能后成为CO2乏汽；3)CO2乏汽依次通过多级回热器的低压侧通道放热，高压侧通道吸热；4)通过多个分流阀门调节不同温度的CO2乏汽分流进入气体冷却器和多级压缩机的流量；5)采用抽气压缩的方法，经多级压缩机压缩后的CO2进入与多级压缩机相应的多级回热器，使每一级回热器中高压侧通道和低压侧通道不同压力的CO2流体热容相近，保证二者的传热温差最优，CO2乏汽热量利用最大；6)完成循环的CO2返回塔式太阳能吸收器，重复步骤1)～5)。
所述回热器的级数、所述压缩机的级数和所述分流阀门的数量，均根据上述塔式太阳能吸收器的集热参数以及所述气体冷却器中环境介质能够提供的冷却温度确定。
所述回热器的级数为三级、所述压缩机的级数为两级、所述分流阀门的数量为四个。
一种实现所述发电方法的以CO2为工质的太阳能发电系统，其特征在于：它包括塔式太阳能吸收器、超临界CO2透平、第一至第三回热器、第一至第三压缩机、气体冷却器以及第一至第四阀门；所述塔式太阳能吸收器通过管路与所述超临界CO2透平的入口连接，所述超临界CO2透平的出口通过管路与所述第一回热器的低压侧通道入口连接，所述第一回热器的低压侧通道出口与所述第二回热器的低压侧通道入口连接；所述第二回热器的低压侧通道出口通过所述第一阀门和管路与所述第三回热器的低压侧通道入口连接，并通过所述第二阀门和管路与所述第一压缩机的入口连接；所述第三回热器的低压侧通道出口通过所述第三阀门和管路与所述气体冷却器的入口连接，并通过所述第四阀门和管路与所述第二压缩机的入口连接；所述气体冷却器的出口通过管路与所述第三压缩机的入口连接，所述第一压缩机的出口通过管路与所述第一回热器的高压侧通道入口连接，所述第二压缩机的出口通过管路与所述第二回热器的高压侧通道入口连接，所述第三压缩机的出口通过管路与所述第三回热器的高压侧通道入口连接；所述第三回热器的高压侧通道出口通过管路与所述第二回热器的高压侧通道入口连接，所述第二回热器的高压侧通道出口通过管路与所述第一回热器的高压侧通道入口连接，所述第一回热器的高压侧通道出口通过管路与所述塔式太阳能吸收器连接。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明方法以CO2为工质，以塔式太阳能吸收器作为加热热源，将超临界CO2透平作为能量转换设备，气体冷却器作为向环境介质放热的设备，通过多级回热器使乏汽温度逐级降低，配合多级乏汽分流阀门和多级压缩机调节各级回热器中的流量，充分利用CO2乏汽余热，降低能量消耗，进而实现了高效地将太阳能转换为电能。2、本发明装置由于设置了多级CO2乏汽分流阀门、多级压缩机和多级回热器，因此通过阀门的抽气分流，降低了进入气体冷却器内CO2乏汽的流量，使得CO2循环向环境介质释放的热量大大降低；特别是通过阀门的抽气分流，以及相应的第一压缩机和第二压缩机压缩后的错位回注，调节各级回热器中低压侧和高压侧流体的流量，使每级回热器中两股不同压力的CO2的热容相近，进而保证了二者的传热温差最优，有效地减少了传热过程中的不可逆损失，保证了CO2乏汽中的热量被充分地回收利用。3、本发明装置由于采用通过多级回热，CO2乏汽中的绝大部分热量被高压侧CO2流体吸收，降低了CO2在塔式太阳能吸收器中需要 吸收的热量；通过减少传热温差、回收CO2乏汽热量以及降低向环境介质的放热量，最终大幅提高了太阳能的转换效率。本发明可以广泛应用于太阳能发电过程中。
附图说明
图1是本发明以CO2为工质的太阳能发电系统的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
本发明以CO2为工质的太阳能发电系统包括塔式太阳能吸收器1、超临界CO2透平2、第一回热器3、第二回热器4、第三回热器5、第一压缩机6、第二压缩机7、第三压缩机8、气体冷却器9、第一阀门10、第二阀门11、第三阀门12、第四阀门13。其中，回热器的级数、压缩机的级数和分流阀门的数量，可以根据塔式太阳能吸收器的集热参数以及气体冷却器中环境介质能够提供的冷却温度精确设计，以达到最优的热转换效率。
塔式太阳能吸收器1通过管路与超临界CO2透平2的入口连接，超临界CO2透平2的出口通过管路与第一回热器3的低压侧通道入口连接，第一回热器3的低压侧通道出口与第二回热器4的低压侧通道入口连接。第二回热器4的低压侧通道出口通过第一阀门10和管路与第三回热器5的低压侧通道入口连接，并通过第二阀门11和管路与第一压缩机6的入口连接；第三回热器5的低压侧通道出口通过第三阀门12和管路与气体冷却器9的入口连接，并通过第四阀门13和管路与第二压缩机7的入口连接，气体冷却器9的出口通过管路与第三压缩机8的入口连接。第一压缩机6通过管路与第一回热器3的高压侧通道入口连接；第二压缩机7通过管路与第二回热器4的高压侧通道入口连接；第三压缩机8的出口通过管路与第三回热器5的高压侧通道入口连接；第三回热器5的高压侧通道出口通过管路与第二回热器4的高压侧通道入口连接，第二回热器4的高压侧通道出口通过管路与第一回热器3的高压侧通道入口连接，第一回热器3的高压侧通道出口通过管路与塔式太阳能吸收器1的入口连接。
本发明方法以CO2为工质、以塔式太阳能吸收器1作为加热热源，使CO2在塔式太阳能吸收器1中吸收太阳能热量后温度升高到500℃～1500℃；超临界的CO2进入作为能量转换设备的超临界CO2透平2中膨胀做功，输出电能后成为CO2乏汽，CO2乏汽依次通过第一、第二、第三回热器3、4、5的低压侧通道放热，高压侧通道吸热；并通过第一、第二、第三、第四阀门10、11、12、13调节不同温度的CO2乏汽分流进入气体冷却器9和第一、第二、第三压缩机6、7、8的流量，同时采用抽气压缩的方法，使经第一、第二、第三压缩机6、7、8压缩后的CO2进入相应的第一、第二、第三回热器3、4、5，使每一级回热器中高压侧通道和低压侧通道不同压力的CO2流体热容相 近，进而保证二者的传热温差最优，减少过程中不可逆损失，CO2乏汽热量得到尽可能回收，以减少系统向环境介质的放热量，而提高热效率。
下面列举一具体实施例：
塔式太阳能吸收器1将运行压力为20MPa的工作流体CO2加热到700℃的运行温度。温度为700℃的CO2工质进入超临界CO2透平2中膨胀做功，输出电能后成为CO2乏汽，压力降低到8.5MPa，由于膨胀比不大，所以CO2的温度仅降低到587℃。如果此时CO2直接进入气体冷却器9，则CO2循环向环境介质释放的热量太大，而导致热效率降低。
为提高热效率，本发明采用回热的方法回收CO2乏汽的热量。CO2乏汽通过管路依次进入第一回热器3和第二回热器4的低压侧通道中并放热，温度降低为170℃。由于高压侧通道中CO2的比热容大于低压侧通道中CO2的比热容，如果采用简单的等流量回热方法，则二者的传热温差会比较大，热量回收较差，故采用抽气压缩回注到低压侧通道中，使流经各级回热器的两股CO2流体的热容相近，而减少传热温差，尽可能回收热量。第二回热器4输出的温度为170℃的CO2乏汽按照质量流量分成两股，其中质量流量为17.3％的CO2乏汽通过第二阀门11和管路进入第一压缩机6中，第一压缩机6将该CO2乏汽的压力压缩到20MPa的运行压力，温度升高到265℃；质量流量为82.7％的CO2乏汽通过第一阀门10和管路进入第三回热器5的低压侧通道并放热，温度降低为76℃。质量流量为82.7％、温度为76℃的CO2乏汽再次分成两股，其中质量流量为32.9％的CO2乏汽通过第四阀门13和管路进入第二压缩机7中，第二压缩机7将该CO2乏汽压缩到20MPa的运行压力，温度升高到155℃；余下的质量流量为49.7％的CO2乏汽通过第三阀门12和管路进入气体冷却器9中进行冷却，运行温度降低到35℃，冷却后的CO2流体通过管路进入第三压缩机8中，第三压缩机8将该CO2流体压缩到20MPa的运行压力，温度升高到61℃。从第三压缩机8排出的CO2通过管路进入第三回热器5高压侧通道中吸收进入第三回热器5的低压侧通道中的CO2乏汽释放的热量，温度升高到155℃。从第三回热器5中排出的CO2与从第二压缩机7中排出的同温、同压的CO2混合后进入第二回热器4的高压侧通道中，并吸收进入第二回热器4的低压侧通道中的CO2乏汽释放的热量，温度升高到265℃。从第二回热器4中排出的CO2与从第一压缩机6中排出的同温、同压的CO2混合后进入第一回热器3的高压侧通道中，并吸收进入第一回热器3的低压侧通道中的CO2乏汽释放的热量，温度升高到557℃，该升温后的CO2进入塔式太阳能吸收器1，吸收太阳能后温度升高到700℃，完成一个动力循环。
不考虑除第一压缩机6、第二压缩机7和第三压缩机8以外的辅助设备的用电，本发明系统的动力循环效率可达到52.4％，能够实现高效用能的目的。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (4)
1.一种以CO2为工质的太阳能发电方法，其包括以下内容：
1)以CO2为工质，以塔式太阳能吸收器作为加热源，CO2在塔式太阳能吸收器中吸收太阳能热量后温度升高；
2)CO2进入作为能量转换设备的超临界CO2透平中膨胀做功，输出电能后成为CO2乏汽；
3)CO2乏汽依次通过多级回热器的低压侧通道放热，高压侧通道吸热；
4)通过多个分流阀门调节不同温度的CO2乏汽分流进入气体冷却器和多级压缩机的流量；
5)采用抽气压缩的方法，经多级压缩机压缩后的CO2进入与多级压缩机相应的多级回热器，使每一级回热器中高压侧通道和低压侧通道不同压力的CO2流体热容相近，保证二者的传热温差最优，CO2乏汽热量利用最大；
6)完成循环的CO2返回塔式太阳能吸收器，重复步骤1)～5)。
2.如权利要求1所述的一种以CO2为工质的太阳能发电方法，其特征在于：所述回热器的级数、所述压缩机的级数和所述分流阀门的数量，均根据上述塔式太阳能吸收器的集热参数以及所述气体冷却器中环境介质能够提供的冷却温度确定。
3.如权利要求2所述的一种以CO2为工质的太阳能发电方法，其特征在于：所述回热器的级数为三级、所述压缩机的级数为两级、所述分流阀门的数量为四个。
4.一种实现如权利要求1～3任一项所述发电方法的以CO2为工质的太阳能发电系统，其特征在于：它包括塔式太阳能吸收器、超临界CO2透平、第一至第三回热器、第一至第三压缩机、气体冷却器以及第一至第四阀门；
所述塔式太阳能吸收器通过管路与所述超临界CO2透平的入口连接，所述超临界CO2透平的出口通过管路与所述第一回热器的低压侧通道入口连接，所述第一回热器的低压侧通道出口与所述第二回热器的低压侧通道入口连接；所述第二回热器的低压侧通道出口通过所述第一阀门和管路与所述第三回热器的低压侧通道入口连接，并通过所述第二阀门和管路与所述第一压缩机的入口连接；所述第三回热器的低压侧通道出口通过所述第三阀门和管路与所述气体冷却器的入口连接，并通过所述第四阀门和管路与所述第二压缩机的入口连接；所述气体冷却器的出口通过管路与所述第三压缩机的入口连接，所述第一压缩机的出口通过管路与所述第一回热器的高压侧通道入口连接，所述第二压缩机的出口通过管路与所述第二回热器的高压侧通道入口连接，所述第三压缩机的出口通过管路与所述第三回热器的高压侧通道入口连接；所述第三回热器的高压侧通道出口通过管路与所述第二回热器的高压侧通道入口连接，所述第二回热器的高压侧通道出口通过管路与所述第一回热器的高压侧通道入口连接，所述第一回热器的高压侧通道出口通过管路与所述塔式太阳能吸收器连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |