CN106871463A - 用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器 - Google Patents

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Abstract

用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器，主要包括集光CO2蓄能装置和透镜聚能装置，集光CO2蓄能装置的出口与透镜聚能装置的进口以管道相连通，集光CO2蓄能装置主要包括支架Ⅰ、中温蓄能机构和反射机构，反射机构设置在支架Ⅰ周围，反射机构将太阳光能聚集至中温蓄能机构的集光面上；透镜聚能装置主要包括支架Ⅲ、高温蓄能机构和凸透镜机构，凸透镜机构设置在支架Ⅲ周围，凸透镜机构将太阳光能聚焦至高温蓄能机构的聚光面上。本发明便于利用广阔乡村随经纬度自然地势与季节时辰变化的太阳能为能源，且占地小、便于随地形地貌变化布置，投资小，能满足超临界CO2循环发电所需的高温能源条件。

Description

用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器
技术领域
本发明涉及环保装备技术领域，具体涉及一种以二氧化碳为工质，利用太阳能为能源，用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器。
背景技术
气候变化已成为影响人类生存和发展的问题之一，而大量的二氧化碳排放被认为是导致气候变暖的主要原因，我国作为世界上最大的发展中国家，以煤炭为主的一次能源和以火力发电为主的二次能源结构，随着经济总量的迅速增长，一次能源和二次能源的CO2排放具有增长快、总量大的特点，为应对气候变化发展低碳能源尤其是可再生能源和新能源已成为人们的共识，太阳能发电及超临界二氧化碳发电等已受到广泛关注。
随CCS技术应用发展起来的超临界二氧化碳发电系统较传统的热能发电系统的系统热效率、总重及占地面积、污染物排放等方面表现出显著的优势，现行的超临界二氧化碳发电系统包括热源、高速涡轮机、高速发电机、高速压气机、冷却器等，而其高效换热器是超临界发电系统工程应用的基础，客观上要求用高效换热器等压加热二氧化碳工质，因此，现行超临界二氧化碳试验环路的热交换大多使用印制电路板热交换器（PCHE），它适用于高工作温度和高工作压力，并具有良好的扩展能力，能满足用换热器等压加热二氧化碳工质的要求，但机构复杂，投资大，一套获取热能的换热装置高达数千万美元，这与我国广阔乡村与城镇的经济环境条件极不匹配。
在利用太阳能发电方面，以水为工质的太阳能发电系统已成熟应用，以CO2为工质的太阳能发电系统国内外的技术工作者亦进行了大量的研究，采用的较为成熟的太阳能集热系统方案为槽式太阳能集热器、塔式太阳能集热器、碟式太阳能集热器之一或其组合，但上述方案占用场地大，投资大，且太阳能集热系统的建设对场址的选择要求高，一般的乡村场址不能满足建设太阳能集热系统的要求，而且，现有的太阳能集热系统的大空间场对生态影响大，连飞鸟都不能及。
至今，现有的各类利用太阳能为能源的方案对场地要求高、投资大，也不能经济的为CO2循环发电提供所需的高温能源，与我国广阔乡镇复杂的地形地貌、日照状况及经济条件极不匹配，为利用广阔乡村随经纬度自然地势与季节时辰变化的太阳能，迫切需要一种全新的方法，开发一种占地小、便于随地形地貌变化布置且投资小的太阳能CO2蓄能器，满足超临界CO2循环发电所需的高温能源条件，以便在广阔的村镇推广碳减排的超临界CO2发电技术，满足广大乡村生活/生产的用电需求及就业创收之所需。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种便于利用广阔乡村随经纬度自然地势与季节时辰变化的太阳能为能源，且占地小、便于随地形地貌变化布置，投资小，能满足超临界CO2循环发电所需的高温能源条件的太阳能二氧化碳蓄能器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器，主要包括集光CO2蓄能装置和透镜聚能装置，所述集光CO2蓄能装置的出口与透镜聚能装置的进口以管道相连通，所述集光CO2蓄能装置、透镜聚能装置集中于一处放置或分开放置；
所述的集光CO2蓄能装置主要包括支架Ⅰ、中温蓄能机构和反射机构，所述中温蓄能机构固定在支架Ⅰ上，所述反射机构设置在支架Ⅰ周围，所述反射机构将太阳光能聚集至中温蓄能机构的集光面上；
所述的中温蓄能机构用于吸收日光蓄集的80℃～300℃的热能，所述中温蓄能机构主要包括热交换器Ⅰ、逆止阀Ⅰ和调节阀Ⅰ，所述热交换器Ⅰ固定在支架Ⅰ上，所述逆止阀Ⅰ安装在热交换器Ⅰ的进口管道上，所述调节阀Ⅰ安装在热交换器Ⅰ的出口管道上；
所述的反射机构包括支架Ⅱ、反射镜和时移器Ⅰ，所述反射镜与时移器Ⅰ相连安装在支架Ⅱ上，随时间或太阳光线的偏移偏转反射镜，将阳光持续反射至中温蓄能机构的集光面上；
所述的透镜聚能装置主要包括支架Ⅲ、高温蓄能机构和凸透镜机构，所述高温蓄能机构固定在支架Ⅲ上，所述凸透镜机构设置在支架Ⅲ周围，所述凸透镜机构将太阳光能聚焦至高温蓄能机构的聚光面上；
所述的高温蓄能机构用于吸收聚焦光能蓄集的300℃～1000℃的热能，所述高温蓄能机构主要包括热交换器Ⅱ、逆止阀Ⅱ和调节阀Ⅱ，所述热交换器Ⅱ固定在支架Ⅲ上，所述逆止阀Ⅱ安装在热交换器Ⅱ的进口管道上，所述调节阀Ⅱ安装在热交换器Ⅱ的出口管道上；
所述的凸透镜机构包括支架Ⅳ、凸透镜和时移器Ⅱ，所述凸透镜与时移器Ⅱ相连安装在支架Ⅳ上，随时间或太阳光线的偏移偏转凸透镜，将阳光持续聚焦至高温蓄能机构的聚光面上。
进一步，所述的中温蓄能机构中，还设有安全阀Ⅰ，所述安全阀Ⅰ安装在热交换器Ⅰ的出口管道上。
进一步，所述的中温蓄能机构中，还设有蓄热材料Ⅰ和隔热材料Ⅰ，所述热交换器Ⅰ固定在蓄热材料Ⅰ中，所述隔热材料Ⅰ包覆蓄热材料Ⅰ的非集光面。
进一步，所述的高温蓄能机构中，还设有安全阀Ⅱ，所述安全阀Ⅱ安装在热交换器Ⅱ的出口管道上。
进一步，所述的高温蓄能机构中，还设有蓄热材料Ⅱ和隔热材料Ⅱ，所述热交换器Ⅱ固定在蓄热材料Ⅱ中，所述隔热材料Ⅱ包覆蓄热材料Ⅱ的非聚光面。
进一步，所述的热交换器Ⅰ、热交换器Ⅱ可为箱式热交换器和/或板式热交换器和/或盘式热交换器和/或螺旋绕管式热交换器和/或列管式热交换器，工作介质为CO2流体。
进一步，所述的蓄热材料Ⅰ、蓄热材料Ⅱ为公知的显热蓄热材料、相变蓄热材料、热化学蓄热材料、吸附蓄热材料中的至少一种。
进一步，所述的太阳能CO2蓄能器为两套以上并联使用。
本发明为便于利用广大乡村城镇随经纬度自然地势与季节时辰变化的太阳能，利用CO2的特性和太阳光可反射和聚焦的特点，先以“集光CO2蓄能装置”蓄集产生80℃～300℃中低温太阳能能源，再以“透镜聚能装置”蓄集经聚焦产生的300℃～1000℃高温太阳能能源，以高效的两级蓄能的太阳能CO2蓄能装置，满足超临界CO2循环发电所需的高温能源条件。
为解决现有的太阳能集热系统对场址要求高、占地宽、投资大且影响大光场空间生态环境等问题，设置占地小、投资小、便于随地形地貌或建筑物布置，高效捕集太阳能的“集光CO2蓄能装置”、“透镜聚能装置”两级蓄能的新型太阳能CO2蓄能器，可以随地形地貌及建构物变化，按需要两级分散/集中设置，也可以若干套太阳能CO2蓄能器（集光CO2蓄能装置+透镜聚能装置）分散/集中设置。
本发明针对广大乡村城镇多样化的地形地貌/建构筑物和日照条件及经济环境条件，开发的用于CO2循环发电的太阳能CO2蓄能器，突破了传统的太阳能蓄能装置的技术瓶颈，能有效的为超临界CO2发电系统获得高温能源，并高效地提供高温高压超临界CO2供发电，且设备占地小，便于随地形地貌或建构筑物布置，且造价低、投资小，安装与使用简单。利于CCS技术的超临界CO2发电技术的推广应用和全球应对气候变化的碳减排行动，并可促进就业和创业。
附图说明
图1 为本发明实施例1的结构示意图。
图2 为图1所示实施例的集光CO2蓄能装置的另一技术方案的结构示意图。
图3 为图1所示实施例的透镜聚能装置的另一技术方案的结构示意图。
图4 为本发明实施例2之3台太阳能CO2蓄能器的3台集光CO2蓄能装置、3台透镜聚能装置分别并联使用的示意图。
图5 为5套太阳能CO2蓄能器分散布置示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
参照图1-图3，用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器，主要包括集光CO2蓄能装置A和透镜聚能装置B，所述集光CO2蓄能装置A的出口与透镜聚能装置B的进口以管道相连通，所述集光CO2蓄能装置A、透镜聚能装置B集中于一处放置或分开放置；
所述的集光CO2蓄能装置A主要包括支架Ⅰ1、中温蓄能机构2和反射机构3，所述中温蓄能机构2固定在支架Ⅰ1上，所述反射机构3设置在支架Ⅰ1周围，所述反射机构3将太阳光能聚集至中温蓄能机构2的集光面上；
所述的中温蓄能机构2用于吸收日光蓄集80℃～300℃的热能，所述中温蓄能机构2主要包括热交换器Ⅰ201、逆止阀Ⅰ202、调节阀Ⅰ203、安全阀Ⅰ204、蓄热材料Ⅰ205和隔热材料Ⅰ206，所述热交换器Ⅰ201固定在蓄热材料205中，并固定在支架Ⅰ1上，所述隔热材料Ⅰ206包覆蓄热材料Ⅰ205的非集光面，所述逆止阀Ⅰ202安装在热交换器Ⅰ201的进口管道上，所述调节阀Ⅰ203、安全阀Ⅰ204安装在热交换器Ⅰ201的出口管道上；
所述的反射机构3包括支架Ⅱ301、反射镜302和时移器Ⅰ303，所述反射镜302与时移器Ⅰ303相连安装在支架Ⅱ301上，随时间或太阳光线的偏移偏转反射镜302，将阳光持续反射至中温蓄能机构2的集光面上；
所述的透镜聚能装置B主要包括支架Ⅲ4、高温蓄能机构5和凸透镜机构6，所述高温蓄能机构5固定在支架Ⅲ4上，所述凸透镜机构6设置在支架Ⅲ4周围，所述凸透镜机构6将太阳光能聚焦至高温蓄能机构4的聚光面上；
所述的高温蓄能机构5用于吸收聚焦光能蓄集300℃～800℃的热能，所述高温蓄能机构5包括热交换器Ⅱ501、逆止阀Ⅱ502、调节阀Ⅱ503、安全阀Ⅱ504、蓄热材料Ⅱ505和隔热材料Ⅱ506，所述热交换器Ⅱ501固定在蓄热材料Ⅱ505中，并固定在支架Ⅲ4上，所述隔热材料Ⅱ506包覆蓄热材料Ⅱ505的非聚光面，所述逆止阀Ⅱ502安装在热交换器Ⅱ501的进口管道上，所述调节阀Ⅱ503、安全阀Ⅱ504安装在热交换器Ⅱ501的出口管道上；
所述的凸透镜机构6包括支架Ⅳ601、凸透镜602和时移器Ⅱ603，所述凸透镜602与时移器Ⅱ603相连安装在支架Ⅳ601上，随时间或太阳光线的偏移偏转凸透镜602，将阳光持续聚焦至高温蓄能机构5的聚光面上。
所述的中温蓄能机构2的热交换器Ⅰ201采用板式热交换器，如图1所示，当然，也可采用盘式/螺旋绕管式热交换器，如图2所示；蓄热材料Ⅰ205使用显热蓄热材料，如图1所示，当然，也可采用吸附蓄热材料，如图2所示。
所述的高温蓄能机构5的热交换器Ⅱ501采用盘式热交换器，如图1所示，当然，也可为板式热交换器，如图3所示；蓄热材料Ⅱ505使用热化学蓄热材料，当然，也可采用相变蓄热材料，如图3所示。
实施例2
参照图4，3套太阳能CO2蓄能器的3台集光CO2蓄能装置与3台透镜聚能装置分别并联使用，第一集光CO2蓄能装置A的出口与第一透镜聚能装置B的入口相连，第二集光CO2蓄能装置A1的出口与第二透镜聚能装置B1的入口相连，第三集光CO2蓄能装置A2的出口与第三透镜聚能装置B2的入口相连；3台集光CO2蓄能装置的入口相连，3台集光CO2蓄能装置的出口与3台透镜聚能装置的入口之间以管道相连，3台透镜聚能装置的出口之间以管道相连。3套太阳能CO2蓄能器平行排列，采用不同换热器以管道相连，设备占地小且造价低、投资小，安装与使用简单。
所述的集光CO2蓄能装置、透镜聚能装置的结构同实施例1。
所述的中温蓄能机构的热交换器Ⅰ采用箱式热交换器201a、板式热交换器201b及盘式/螺旋绕管式热交换器201c，工作介质为CO2流体；蓄热材料Ⅰ使用显热蓄热材料205a和吸附蓄热材料205d；
所述的高温蓄能机构的热交换器Ⅱ采用列管式热交换器501d、板式热交换器501b及盘式/螺旋绕管式热交换器501c，工作介质为CO2流体；蓄热材料Ⅱ使用相变蓄热材料505b及热化学蓄热材料505c。
当然，也可采用5套太阳能CO2蓄能器，如图5所示，5套太阳能CO2蓄能器分散布置，5台集光CO2蓄能装置（集光CO2蓄能装置A、集光CO2蓄能装置A1、集光CO2蓄能装置A2、集光CO2蓄能装置A3、集光CO2蓄能装置A4）的调节阀出口与5台透镜聚能装置（透镜聚能装置B、透镜聚能装置B1、透镜聚能装置B2、透镜聚能装置B3、透镜聚能装置B4）的逆止阀入口单独分别相连，5台集光CO2蓄能装的逆止阀入口相连，5台透镜聚能装置的调节阀出口相连，呈半圆形布置，节省空间，可分散布置以管道连接，便于随地形地貌或建构筑物布置。
图5中，所述的中温蓄能机构的热交换器Ⅰ采用板式热交换器201b及盘式/螺旋绕管式热交换器201c，蓄热材料Ⅰ使用显热蓄热材料205a和吸附蓄热材料205d；
所述的高温聚热装置的热交换器Ⅱ采用板式热交换器501b及盘式/螺旋绕管式空心管热交换器501c，蓄热材料Ⅱ相变蓄热材料505b及热化学蓄热材料505c。
所述的太阳能CO2蓄能装置，以CO2为工质，先以集光CO2蓄能装置中的液化CO2流体直接吸收蓄集的80℃～300℃的日光热能后，再进入透镜聚能装置继续吸收凸透镜聚焦阳光产生的300℃～800℃高温热能，液化CO2经中低温和高温两级蓄能后，转化为高蓄能密度的高压热态超临界CO2流体。
本发明为便于利用广大乡村城镇随经纬度自然地势与季节时辰变化的太阳能，利用CO2的特性和太阳光可反射和聚焦的特点，先以“集光CO2蓄能装置”蓄集80℃～300℃中低温太阳能能源，再以“透镜聚能装置”蓄集经聚焦产生的300℃～800℃高温太阳能能源，以高效的两级蓄能的太阳能CO2蓄能装置，满足超临界CO2循环发电所需的高温能源条件。
为解决现有的太阳能集热系统对场址要求高、占地宽、投资大且影响大光场空间生态环境等问题，设置占地小、投资小、便于随地形地貌或建筑物布置，高效捕集太阳能的“集光CO2蓄能装置”、“透镜聚能装置”两级蓄能的新型太阳能CO2蓄能器，可以随地形地貌及建构物变化，按需要两级分散/集中设置，也可以若干套太阳能CO2蓄能器（集光CO2蓄能装置+透镜聚能装置）分散/集中设置。
本发明针对广大乡村城镇多样化的地形地貌/建构筑物和日照条件及经济环境条件，开发的用于CO2循环发电的太阳能CO2蓄能器，突破了传统的太阳能蓄能装置的技术瓶颈，能有效的为超临界CO2发电系统获得高温能源，并高效地提供高温高压超临界CO2供发电，且设备占地小，便于随地形地貌或建构筑物布置，且造价低、投资小，安装与使用简单。利于CCS技术的超临界CO2发电技术的推广应用和全球应对气候变化的碳减排行动，并可促进就业和创业。

Claims (8)

1.用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器，其特征在于：主要包括集光CO2蓄能装置和透镜聚能装置，所述集光CO2蓄能装置的出口与透镜聚能装置的进口以管道相连通，所述集光CO2蓄能装置、透镜聚能装置集中于一处放置或分开放置；
所述的集光CO2蓄能装置主要包括支架Ⅰ、中温蓄能机构和反射机构，所述中温蓄能机构固定在支架Ⅰ上，所述反射机构设置在支架Ⅰ周围，所述反射机构将太阳光能聚集至中温蓄能机构的集光面上；
所述的中温蓄能机构用于吸收日光蓄集的80℃～300℃的热能，所述中温蓄能机构主要包括热交换器Ⅰ、逆止阀Ⅰ和调节阀Ⅰ，所述热交换器Ⅰ固定在支架Ⅰ上，所述逆止阀Ⅰ安装在热交换器Ⅰ的进口管道上，所述调节阀Ⅰ安装在热交换器Ⅰ的出口管道上；
所述的反射机构包括支架Ⅱ、反射镜和时移器Ⅰ，所述反射镜与时移器Ⅰ相连安装在支架Ⅱ上，随时间或太阳光线的偏移偏转反射镜，将阳光持续反射至中温蓄能机构的集光面上；
所述的透镜聚能装置主要包括支架Ⅲ、高温蓄能机构和凸透镜机构，所述高温蓄能机构固定在支架Ⅲ上，所述凸透镜机构设置在支架Ⅲ周围，所述凸透镜机构将太阳光能聚焦至高温蓄能机构的聚光面上；
所述的高温蓄能机构用于吸收聚焦光能蓄集的300℃～1000℃的热能，所述高温蓄能机构主要包括热交换器Ⅱ、逆止阀Ⅱ和调节阀Ⅱ，所述热交换器Ⅱ固定在支架Ⅲ上，所述逆止阀Ⅱ安装在热交换器Ⅱ的进口管道上，所述调节阀Ⅱ安装在热交换器Ⅱ的出口管道上；
所述的凸透镜机构包括支架Ⅳ、凸透镜和时移器Ⅱ，所述凸透镜与时移器Ⅱ相连安装在支架Ⅳ上，随时间或太阳光线的偏移偏转凸透镜，将阳光持续聚焦至高温蓄能机构的聚光面上。
2.根据权利要求1所述的用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器，其特征在于：所述的中温蓄能机构中，还设有安全阀Ⅰ，所述安全阀Ⅰ安装在热交换器Ⅰ的出口管道上。
3.根据权利要求2所述的用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器，其特征在于：所述的中温蓄能机构中，还设有蓄热材料Ⅰ和隔热材料Ⅰ，所述热交换器Ⅰ固定在蓄热材料Ⅰ中，所述隔热材料Ⅰ包覆蓄热材料Ⅰ的非集光面。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器，其特征在于：所述的高温蓄能机构中，还设有安全阀Ⅱ，所述安全阀Ⅱ安装在热交换器Ⅱ的出口管道上。
5.根据权利要求3所述的用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器，其特征在于：所述的高温蓄能机构中，还设有蓄热材料Ⅱ和隔热材料Ⅱ，所述热交换器Ⅱ固定在蓄热材料Ⅱ中，所述隔热材料Ⅱ包覆蓄热材料Ⅱ的非聚光面。
6.根据权利要求1或2或3所述的用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器，其特征在于：所述的热交换器Ⅰ、热交换器Ⅱ为箱式热交换器和/或板式热交换器和/或盘式热交换器和/或螺旋绕管式热交换器和/或列管式热交换器，工作介质为CO2流体。
7.根据权利要求5所述的用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器，其特征在于：所述的蓄热材料Ⅰ、蓄热材料Ⅱ为公知的显热蓄热材料、相变蓄热材料、热化学蓄热材料、吸附蓄热材料中的至少一种。
8.根据权利要求1或2或3所述的用于二氧化碳循环发电的太阳能二氧化碳蓄能器，其特征在于：所述的太阳能CO2蓄能器为两套以上并联使用。
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