CN105863977A - 一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及方法，包括热源系统、高温蓄热系统及超临界二氧化碳布雷顿循环系统，热源系统包括太阳能集热器及锅炉，太阳能集热器的出口、锅炉的出口及高温蓄热系统的出口均与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的透平入口相连通，超临界二氧化碳布雷顿循环系统的高温回热器吸热侧的出口与高温蓄热系统的入口、锅炉的入口及太阳能集热器的入口相连通；太阳能集热器的出口与高温蓄热系统的入口相连通，高温蓄热系统的出口与太阳能集热器的入口相连通。本发明能够通过太阳能与化石能源互补、吸热与蓄热相结合进行发电。

Description

一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及方法
技术领域
本发明涉及一种发电系统及方法，具体涉及一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及方法。
背景技术
太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，但太阳能不仅存在着日辐射量周期性变化，还存在辐射量季节性变化，同时随时会受到阴雨等天气因素的影响。目前理论上可以采用较为廉价的蓄热储能来解决太阳能昼夜分布不均的问题，这也是太阳能光热发电的重要优势之一，因此采用高温蓄热系统实现热量的昼夜间调节有着十分重要的意义，但面对连续阴雨天等天气以及太阳辐射季节性变化时，蓄热系统的调节能力有限，将难以满足供热要求。而化石能源完全可以补充连续无阳光时的热量空白，也可补充由季节变化引起的太阳能辐射长期不足，同时化石能源提供的热量容易控制，当太阳辐射热量发生不稳定的波动时，化石能源提供的热量可以作为有效的热量调控手段，使发电系统可以真正实现长期稳定的运转。
可作为补充太阳光照不足或连续无太阳光照的化石能源包括煤、天然气、油等多种化石能源。以这类化石能源为燃料的锅炉及发电系统已经非常成熟，例如目前常见的火电站锅炉等，这类系统可达到灵活调控以及长期平稳运行，同时容易实现补充热量的调节，正好可以弥补太阳能辐射热量不稳定的缺陷。
蓄热系统是真正实现太阳能热量分配的部分，它的存在使得本系统不同于单独使用化石能源作为补充的太阳能发电系统，可以大大减少化石能源使用量，更多的发挥太阳能本身的利用价值，减少对化石能源的依赖。目前高温蓄热材料已有很多，包括高温熔融盐、合金蓄热材料等，蓄热系统整体技术也逐步成熟，正在逐步开始实现工程应用。
光热发电需要通过热力循环实现热电转换，目前在众多热力循环当中，超临界布雷顿循环是一种最有优势的循环形式。新型二氧化碳超临界工质具有能量密度大，传热效率高，系统简单等先天优势，可以大幅提高热功转换效率，减小设备体积，具有很高的经济性，是替代现有水蒸气热力循环系统的最佳选择，也是未来热电系统发展的趋势，但现有技术中没有出现一种实现吸热与蓄热相结合、太阳能与化石能源互补的发电系统。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及方法，该系统及方法能够通过太阳能与化石能源互补、吸热与蓄热相结合进行发电。
为达到上述目的，本发明所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统包括热源系统、高温蓄热系统及超临界二氧化碳布雷顿循环系统，热源系统包括太阳能集热器及锅炉，太阳能集热器的出口、锅炉的出口及高温蓄热系统的出口均与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的透平入口相连通，超临界二氧化碳布雷顿循环系统的高温回热器吸热侧的出口与高温蓄热系统的入口、锅炉的入口及太阳能集热器的入口相连通；
太阳能集热器的出口与高温蓄热系统的入口相连通，高温蓄热系统的出口与太阳能集热器的入口相连通。
所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括透平发电系统、高温回热器、低温回热器、预冷器、主压缩机及再压缩机；
透平发电系统的透平入口与太阳能集热器的出口、锅炉的出口及高温蓄热系统的出口相连通，透平发电系统的出口与高温回热器的放热侧入口相连通，高温回热器的放热侧出口与低温回热器的放热侧入口相连通，低温回热器的放热侧出口与预冷器的工质侧入口及再压缩机的入口相连通，预冷器的工质侧出口与主压缩机的入口相连通，主压缩机的出口与低温回热器的吸热侧入口相连通，低温回热器的吸热侧出口及再压缩机的出口均与高温回热器的吸热侧入口相连通，高温回热器的吸热侧出口分别与高温蓄热系统的入口、锅炉的入口、太阳能集热器的入口相连通。
本发明所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电方法包括以下步骤：
在白天时，当太阳能集热器能够满足超临界二氧化碳布雷顿循环系统对热量的需求时，则关闭锅炉，太阳能集热器输出的高温超临界二氧化碳工质分为两路，其中一路进入到高温蓄热系统中进行换热形成超临界二氧化碳工质，换热形成的超临界二氧化碳工质进入到太阳能集热器中进行吸热形成高温超临界二氧化碳工质；另一路进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统做功放热形成超临界二氧化碳工质，做功放热形成的超临界二氧化碳工质进入到太阳能集热器中进行吸热形成高温超临界二氧化碳工质；
当热量不足时，锅炉工作，锅炉输出的高温超临界二氧化碳工质进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统做功放热形成超临界二氧化碳工质，做功放热形成的超临界二氧化碳工质进入到锅炉中进行吸热形成高温超临界二氧化碳工质；
在夜间时，太阳能集热器停止工作，超临界二氧化碳工质在高温蓄热系统中被加热为高温超临界二氧化碳工质，高温超临界二氧化碳工质进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统做功放热形成超临界二氧化碳工质，做功放热形成的超临界二氧化碳工质进入到高温蓄热系统中吸热形成高温超临界二氧化碳工质。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及方法在具体工作时，在白天太阳辐射充足时，以太阳能为热源，通过太阳能集热器将超临界二氧化碳工质加热为高温超临界二氧化碳工质，并通过所述高温超临界二氧化碳工质为高温蓄热系统及二氧化碳布雷顿循环系统供热，在夜间，则通过高温蓄热系统将超临界二氧化碳工质加热为高温超临界二氧化碳工质，再通过换热形成的高温超临界二氧化碳工质为二氧化碳布雷顿循环系统供热；当在季节变换以及阴雨天气有效太阳辐射长期不足时，则通过锅炉及太阳能集热器共同作用将超临界二氧化碳工质加热为高温超临界二氧化碳工质，从而实现通过太阳能与化石能源互补、吸热与蓄热相结合进行发电，实现发电系统的长期平稳运行。另外，本发明采用超临界二氧化碳为循环的工质，从而使系统的体积更小、更紧凑，热效率高，理论上在600℃的超临界二氧化碳即可达到700℃时水蒸汽热力循环的效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为太阳能集热器、2为锅炉、3为高温蓄热系统、4为透平发电系统、5为高温回热器、6为低温回热器、7为预冷器、8为主压缩机、9为再压缩机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统包括热源系统、高温蓄热系统3及超临界二氧化碳布雷顿循环系统，热源系统包括太阳能集热器1及锅炉2，太阳能集热器1的出口、锅炉2的出口及高温蓄热系统3的出口均与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的透平入口相连通，超临界二氧化碳布雷顿循环系统的高温回热器5吸热侧的出口与高温蓄热系统3的入口、锅炉2的入口及太阳能集热器1的入口相连通；太阳能集热器1的出口与高温蓄热系统3的入口相连通，高温蓄热系统3的出口与太阳能集热器1的入口相连通。
所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括透平发电系统4、高温回热器5、低温回热器6、预冷器7、主压缩机8及再压缩机9，透平发电系统4的透平入口与太阳能集热器1的出口、锅炉2的出口及高温蓄热系统3的出口相连通，透平发电系统4的出口与高温回热器5的放热侧入口相连通，高温回热器5的放热侧出口与低温回热器6的放热侧入口相连通，低温回热器6的放热侧出口与预冷器7的工质侧入口及再压缩机9的入口相连通，预冷器7的工质侧出口与主压缩机8的入口相连通，主压缩机8的出口与低温回热器6的吸热侧入口相连通，低温回热器6的吸热侧出口及再压缩机9的出口均与高温回热器5的吸热侧入口相连通，高温回热器5的吸热侧出口分别与高温蓄热系统3的入口、锅炉2的入口、太阳能集热器1的入口相连通。
本发明所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电方法包括以下步骤：
在白天时，当太阳能集热器1能够满足超临界二氧化碳布雷顿循环系统对热量的需求时，则关闭锅炉2，太阳能集热器1输出的高温超临界二氧化碳工质分为两路，其中一路进入到高温蓄热系统3中进行换热形成超临界二氧化碳工质，换热形成的超临界二氧化碳工质进入到太阳能集热器1中进行吸热形成高温超临界二氧化碳工质；另一路进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统做功放热形成超临界二氧化碳工质，做功放热形成的超临界二氧化碳工质进入到太阳能集热器1中进行吸热形成高温超临界二氧化碳工质；
当热量不足时，锅炉(2)工作，锅炉2输出的高温超临界二氧化碳工质进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统做功放热形成超临界二氧化碳工质，做功放热形成的超临界二氧化碳工质进入到锅炉2中进行吸热形成高温超临界二氧化碳工质；
在夜间时，太阳能集热器1停止工作，超临界二氧化碳工质在高温蓄热系统3中被加热为高温超临界二氧化碳工质，高温超临界二氧化碳工质进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统做功放热形成超临界二氧化碳工质，做功放热形成的超临界二氧化碳工质进入到高温蓄热系统3中吸热形成高温超临界二氧化碳工质。
具体的，高温超临界二氧化碳工质进入透平发电系统4做功，将热能转化为电能后形成低压超临界二氧化碳工质，低压超临界二氧化碳工质依次进入高温回热器5及低温回热器6，将余热传递给高压冷超临界二氧化碳工质，从低温回热器6放热侧流出的超临界二氧化碳工质分为两路，一路进入预冷器7预冷，另一路进入再压缩机9中，在预冷器7中被冷却的超临界二氧化碳工质进入主压缩机8，并在主压缩机8中被加压后进入低温回热器6的吸热侧中吸热；进入再压缩机9的超临界二氧化碳工质直接被加压后进入低温回热器6的吸热侧出口，并与低温回热器6吸热侧输出的超临界二氧化碳工质汇合后进入高温回热器5的吸热侧中，然后在高温回热器5中吸热，吸收余热后的超临界二氧化碳工质进入太阳能集热器1、高温蓄热系统3及锅炉2中重新吸热形成高温超临界二氧化碳工质。
在季节性变化或天气因素导致白天太阳辐射热量不足以满足夜间的供热量时，则在白天减少太阳能集热器1对高温蓄热系统3的供热，在夜间太阳能集热系统关闭后，首先使用高温蓄热系统3储存的热量为二氧化碳布雷顿循环系统供热，当高温蓄热系统3的热量不够时，则通过锅炉2燃烧化石燃料补充热量，此时超临界二氧化碳工质同时从锅炉2和高温蓄热系统3吸收热量形成高温超临界二氧化碳，被加热后的高温超临界二氧化碳汇合后进入超临界二氧化碳系统做功放热形成超临界二氧化碳，此时做功放热形成的超临界二氧化碳进入到锅炉2及高温蓄热系统3中再次被加热成高温超临界二氧化碳。
当遇到连续阴雨等天气或季节变化等因素使得白天的太阳能辐射热量也达不到设计运行要求时，则关闭高温蓄热系统3，利用部分可利用的太阳能热量以及锅炉2燃烧化石能源热量、或者全部依靠锅炉2燃烧化石能源热量为二氧化碳布雷顿循环系统供热；同时，根据太阳能辐射热量调整超临界二氧化碳工质进入太阳能集热器1的流量，在尚有太阳辐射热量时，超临界二氧化碳工质分两部分，一部分进入太阳能集热器1中吸收热量，另一部分进入锅炉2中吸收补充热量，之后汇合后进入二氧化碳布雷顿循环系统供热；当无太阳辐射热量时，则关闭太阳能集热器1，全部超临界二氧化碳工质在锅炉2中吸收热量，之后进入二氧化碳布雷顿循环系统做功放热，高温超临界二氧化碳工质在超临界二氧化碳系统中的工作过程与上述白天的工作过程相同，超临界二氧化碳工质在高温回热器5中吸收余热之后再次进入锅炉2中吸热形成高温超临界二氧化碳工质。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，包括热源系统、高温蓄热系统(3)及超临界二氧化碳布雷顿循环系统，热源系统包括太阳能集热器(1)及锅炉(2)，太阳能集热器(1)的出口、锅炉(2)的出口及高温蓄热系统(3)的出口均与超临界二氧化碳布雷顿循环系统的透平入口相连通，超临界二氧化碳布雷顿循环系统的高温回热器吸热侧的出口与高温蓄热系统(3)的入口、锅炉(2)的入口及太阳能集热器(1)的入口相连通；
太阳能集热器(1)的出口与高温蓄热系统(3)的入口相连通，高温蓄热系统(3)的出口与太阳能集热器(1)的入口相连通。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳布雷顿循环系统包括透平发电系统(4)、高温回热器(5)、低温回热器(6)、预冷器(7)、主压缩机(8)及再压缩机(9)；
透平发电系统(4)的透平入口与太阳能集热器(1)的出口、锅炉(2)的出口及高温蓄热系统(3)的出口相连通，透平发电系统(4)的出口与高温回热器(5)的放热侧入口相连通，高温回热器(5)的放热侧出口与低温回热器(6)的放热侧入口相连通，低温回热器(6)的放热侧出口与预冷器(7)的工质侧入口及再压缩机(9)的入口相连通，预冷器(7)的工质侧出口与主压缩机(8)的入口相连通，主压缩机(8)的出口与低温回热器(6)的吸热侧入口相连通，低温回热器(6)的吸热侧出口及再压缩机(9)的出口均与高温回热器(5)的吸热侧入口相连通，高温回热器(5)的吸热侧出口分别与高温蓄热系统(3)的入口、锅炉(2)的入口、太阳能集热器(1)的入口相连通。
3.一种超临界二氧化碳布雷顿循环发电方法，其特征在于，基于权利要求1所述的超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统，包括以下步骤：
在白天时，当太阳能集热器(1)能够满足超临界二氧化碳布雷顿循环系统对热量的需求时，则关闭锅炉(2)，太阳能集热器(1)输出的高温超临界二氧化碳工质分为两路，其中一路进入到高温蓄热系统(3)中进行换热形成超临界二氧化碳工质，换热形成的超临界二氧化碳工质进入到太阳能集热器(1)中进行吸热形成高温超临界二氧化碳工质；另一路进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统做功放热形成超临界二氧化碳工质，做功放热形成的超临界二氧化碳工质进入到太阳能集热器(1)中进行吸热形成高温超临界二氧化碳工质；
当热量不足时，锅炉(2)工作，锅炉(2)输出的高温超临界二氧化碳工质进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统做功放热形成超临界二氧化碳工质，做功放热形成的超临界二氧化碳工质进入到锅炉(2)中进行吸热形成高温超临界二氧化碳工质；
在夜间时，太阳能集热器(1)停止工作，超临界二氧化碳工质在高温蓄热系统(3)中被加热为高温超临界二氧化碳工质，高温超临界二氧化碳工质进入到超临界二氧化碳布雷顿循环系统做功放热形成超临界二氧化碳工质，做功放热形成的超临界二氧化碳工质进入到高温蓄热系统(3)中吸热形成高温超临界二氧化碳工质。
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