CN107100808A - 太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统 - Google Patents

太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统，它包括压缩机、回热器、预热器、高聚光太阳能接收器、水蒸汽过热器、高压二氧化碳气轮机、再热器、低压二氧化碳气轮机、发电机、冷却器、水蒸汽发生器、固体氧化物电解槽。太阳能热发电系统采用超临界二氧化碳循环，为水蒸汽电解制氢提供了高温热源和廉价电力。水蒸汽电解制氢的余热通过再热器和预热器进行回收利用，提高了太阳能热发电系统的循环热效率，并提高了其输出热能的品位。另外采用分流的手段减少了进入回热器的气体流量，解决了回热器因高低压两侧流体的比热容不同而出现换热夹点的难题。本发明具有循环热效率高、能量利用率高、制氢成本低、发电成本低的特点。

Description

太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统
技术领域
本发明属于太阳能热发电技术和水电解制氢技术领域，特别是涉及一种太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统。
背景技术
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，在世界范围内面临能源紧张和环境污染的情况下，太阳能已成为今后能源开发的主体，太阳能发电也将成为未来提供大规模电力的主力军。太阳能发电分为太阳能热发电和光伏发电，按规模化特点太阳能热发电未来发展的潜力要大于光伏发电产业。目前商业化太阳能热发电技术主要采用的是传统的水蒸汽朗肯循环，热效率在35%～40%之间，而且需要大量的冷却水，在太阳能充足的干旱地区使用受到很大限制。超临界二氧化碳布雷顿循环的热效率与水蒸汽朗肯循环相比较有明显提高，可达到50%以上，而且用水量很少，其有望成为未来太阳能热发电系统最有潜力的形式。据研究表明高温下CO2与不锈钢材料存在化学不相容的问题，其循环最高温度取为650℃左右，因此超临界二氧化碳布雷顿循环的最高温度为450℃～650℃时具有较高的循环热效率，而采用高倍聚光（如塔式和蝶式）的太阳能接收器出口的气体介质温度可高达800℃～1000℃，与超临界二氧化碳布雷顿循环的理想最高温度并不完全匹配，造成高温热能能量品位上的贬值利用，因此仍需寻找一种更有效利用高温热能同时满足最优循环热效率的途径。
另一方面，氢能资源丰富、发热值高、清洁无污染，是21世纪最有发展潜力的燃料和能量载体，同时在工业生产中也有非常广泛的应用。目前成熟的制氢技术主要是矿石燃料制氢和水电解制氢，矿石燃料制氢消耗一次能源、工艺复杂、污染严重，未能解决能源和环境问题，而水电解制氢是完全清洁的制氢方式，具有产品纯度高和操作简便的特点，同时水资源较为丰富，但是能耗高、效率低。目前各国正积极开发高效的水电解制氢方法，使得水电解技术得到了迅速的发展，已发展了三类电解槽，分别为碱性电解槽，聚合物薄膜电解槽、固体氧化物电解槽。其中固体氧化物电解槽工作在高温下，部分电能由热能代替，因此是三种电解槽中效率最高的，具有很好的发展前景。由于固体氧化物电解槽需要外界提供温度高达800℃～1000℃的水蒸汽，并且水蒸汽温度越高，电解槽的效率越高，因此高温水蒸汽电解制氢必须有合适的高温热源与之相匹配，这点上高温太阳能热发电系统可为其提供理想的热源。
采用超临界二氧化碳布雷顿循环的太阳能热发电系统本身具有较高的热效率，可使成本和电价明显降低，其除了可为高温水蒸汽电解制氢提供合适的高温热源外，更重要的是可提供更为廉价的电力，综合该两点非常有利于大幅度降低高温水蒸汽电解制氢的成本，这是另一研究方向太阳能光伏电解制氢方式所无法比拟的优势，因此将采用超临界二氧化碳布雷顿循环的太阳能热发电系统与高温水蒸汽电解制氢技术相耦合的研究，有望成为未来实现高效制氢和廉价清洁发电联合生产的发展方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种循环热效率高、能量利用率高、制氢成本低、发电成本低的太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统。
本发明的目的是通过下述的技术方案加以实现的：
本发明是一种太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统，包括压缩机、回热器、预热器、高聚光太阳能接收器、水蒸汽过热器、高压二氧化碳气轮机、再热器、低压二氧化碳气轮机、发电机、冷却器、水蒸汽发生器、固体氧化物电解槽、给水管道、氢气管道、氧气管道。所述的压缩机的出口通过管道分为两路：一路与回热器的管程入口连接，另一路与预热器的壳程入口连接；所述的回热器的管程出口与预热器的壳程出口通过管道汇合成一路与高聚光太阳能接收器的工质入口连接；所述的高聚光太阳能接收器的工质出口与水蒸汽过热器的管程入口连接；所述的水蒸汽过热器的管程出口与高压二氧化碳气轮机的入口连接；所述的高压二氧化碳气轮机的出口与再热器的壳程入口连接；所述的再热器的壳程出口与低压二氧化碳气轮机的入口连接；所述的低压二氧化碳气轮机的出口通过管道分为两路：一路与回热器的壳程入口连接，另一路与水蒸汽发生器的管程入口连接；所述的水蒸汽发生器的管程出口与回热器的壳程出口通过管道汇合成一路与冷却器的壳程入口连接；所述的冷却器的壳程出口与压缩机的入口连接；压缩机与高压二氧化碳气轮机以及低压二氧化碳气轮机和发电机同轴连接；所述的给水管道与冷却器的管程入口连接；冷却器的管程出口与水蒸汽发生器的壳程入口连接；水蒸汽发生器的壳程出口与水蒸汽过热器的壳程入口连接；水蒸汽过热器的壳程出口与固体氧化物电解槽的阴极水蒸汽入口连接；所述的固体氧化物电解槽的阴极氢气出口通过氢气管道与再热器内布置的氢气再热管束连接，阳极氧气出口通过氧气管道与再热器内布置的氧气再热管束连接；再热器的氢气再热管束通过氢气管道与预热器内布置的氢气预热管束连接，再热器的氧气再热管束通过氧气管道与预热器内布置的氧气预热管束连接；所述的预热器的氢气预热管束通过氢气管道与外界的储气罐连接，预热器的氧气预热管束通过氧气管道与外界的储气罐连接。
高聚光太阳能接收器的工质出口温度在830℃～1200℃之间，高聚光太阳能接收器的换热面材料和水蒸汽过热器的换热面材料以及两个设备之间的管道材料选用镍铬铁合金材料，高压二氧化碳气轮机的入口温度在450℃～650℃之间。
采用上述方案后，本发明实现了太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统和高温水蒸汽电解制氢技术的良好耦合，使太阳能发电成本和制氢成本同时降低，具体体现在以下几个方面：
1）高聚光太阳能接收器出口的高温二氧化碳气体可将水蒸汽加热至800℃以上，满足水蒸汽电解制氢的温度参数，拓宽了水蒸汽电解制氢技术的应用领域；
2）太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统具有较高的热效率，可为水蒸汽电解制氢提供廉价的电力，降低了水蒸汽电解制氢的成本，提高了该项技术的市场竞争力；
3）水蒸汽电解制氢的产品余热通过再热器进行回收利用，完成对超临界二氧化碳布雷顿热力循环的再热过程，并且该再热过程无需额外增加太阳能的吸热量，因此在不增加太阳能集热系统规模的情况下使热效率得到大幅度提高；
4）水蒸汽电解制氢的产品余热通过预热器加热一部分流量的高压CO2气体，有利于提高太阳能接收器的工质入口温度，由此提高太阳能接收器的工质出口温度，从而提高了输出热能的品位；
5）本发明采用分流的手段减少了进入回热器的高压CO2气体的流量，有效地解决了简单超临界二氧化碳布雷顿循环中的回热器因高低压两侧流体的比热容不同而出现换热夹点的关键性难题，该方法比目前提出的双回热器再压缩方法更加简单可靠；
6）本发明通过冷却器加热给水减少了热力循环的冷源损失，再通过水蒸汽发生器回收低压二氧化碳气轮机的部分排气余热用于产生电解过程所需的水蒸汽，使整个系统实现了能量高度集成和优化。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明是一种太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统，包括压缩机1、回热器2、预热器3、高聚光太阳能接收器4、水蒸汽过热器5、高压二氧化碳气轮机6、再热器7、低压二氧化碳气轮机8、发电机9、冷却器10、水蒸汽发生器11、固体氧化物电解槽12、给水管道13、氢气管道14、氧气管道15。
所述的压缩机1的出口通过管道分为两路：一路与回热器2的管程入口连接，另一路与预热器3的壳程入口连接；所述的回热器2的管程出口与预热器3的壳程出口通过管道汇合成一路与高聚光太阳能接收器4的工质入口连接；所述的高聚光太阳能接收器4的工质出口与水蒸汽过热器5的管程入口连接；所述的水蒸汽过热器5的管程出口与高压二氧化碳气轮机6的入口连接；所述的高压二氧化碳气轮机6的出口与再热器7的壳程入口连接；所述的再热器7的壳程出口与低压二氧化碳气轮机8的入口连接；所述的低压二氧化碳气轮机8的出口通过管道分为两路：一路与回热器2的壳程入口连接，另一路与水蒸汽发生器11的管程入口连接；所述的水蒸汽发生器11的管程出口与回热器2的壳程出口通过管道汇合成一路与冷却器10的壳程入口连接；所述的冷却器10的壳程出口与压缩机1的入口连接；压缩机1与高压二氧化碳气轮机6以及低压二氧化碳气轮机8和发电机9同轴连接；所述的给水管道13与冷却器10的管程入口连接；冷却器10的管程出口与水蒸汽发生器11的壳程入口连接；水蒸汽发生器11的壳程出口与水蒸汽过热器5的壳程入口连接；水蒸汽过热器5的壳程出口与固体氧化物电解槽12的阴极水蒸汽入口连接；所述的固体氧化物电解槽12的阴极氢气出口通过氢气管道14与再热器7内布置的氢气再热管束连接，阳极氧气出口通过氧气管道15与再热器7内布置的氧气再热管束连接；再热器7的氢气再热管束通过氢气管道14与预热器3内布置的氢气预热管束连接，再热器7的氧气再热管束通过氧气管道15与预热器3内布置的氧气预热管束连接；所述的预热器3的氢气预热管束通过氢气管道14与外界的储气罐连接，预热器3的氧气预热管束通过氧气管道15与外界的储气罐连接。
高聚光太阳能接收器4的工质出口温度在830℃～1200℃之间，高聚光太阳能接收器4的换热面材料和水蒸汽过热器5的换热面材料以及两个设备之间的管道材料选用镍铬铁合金材料，高压二氧化碳气轮机6的入口温度在450℃～650℃之间。
本发明的工作原理：
如图1所示，温度为32℃，压力为7.7MPa的超临界状态CO2气体经压缩机1压缩后分为两路，分别经过回热器2和预热器3被加热后汇合成一路并进入高聚光太阳能接收器4；超临界CO2气体在高聚光太阳能接收器4内吸收太阳能辐射热变成温度处于830℃～1200℃之间的高温CO2气体，高温CO2气体进入水蒸汽过热器5内进行放热，温度降至500℃～650℃之间，并将水蒸汽加热至800℃以上；500℃～650℃之间的CO2气体进入高压二氧化碳气轮机6做功，高压二氧化碳气轮机6的排气经再热器7吸热升温后进入低压二氧化碳气轮机8做功，高压二氧化碳气轮机6和低压二氧化碳气轮机8共同驱动压缩机1以及发电机9运转，发电机9输出电能；低压二氧化碳气轮机8的排气分为两路，分别经过回热器2和水蒸汽发生器11进行放热后汇合成一路并进入冷却器10被冷却至温度为32℃，压力为7.7MPa的CO2气体，冷却后CO2气体进入压缩机1完成新一轮的循环。
预处理的给水首先经冷却器10吸热升温，然后一部分给水进入水蒸汽发生器11完成加热蒸发过程产生饱和水蒸汽，饱和水蒸汽进入水蒸汽过热器5被加热成800℃以上的过热蒸汽，过热蒸汽进入固体氧化物电解槽12进行电解过程产生高温氢气和氧气，高温氢气和氧气依次经过再热器7和预热器3进行放热后作为产品输出。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统，其特征在于：包括压缩机、回热器、预热器、高聚光太阳能接收器、水蒸汽过热器、高压二氧化碳气轮机、再热器、低压二氧化碳气轮机、发电机、冷却器、水蒸汽发生器、固体氧化物电解槽、给水管道、氢气管道、氧气管道；所述的压缩机的出口通过管道分为两路：一路与回热器的管程入口连接，另一路与预热器的壳程入口连接；所述的回热器的管程出口与预热器的壳程出口通过管道汇合成一路与高聚光太阳能接收器的工质入口连接；所述的高聚光太阳能接收器的工质出口与水蒸汽过热器的管程入口连接；所述的水蒸汽过热器的管程出口与高压二氧化碳气轮机的入口连接；所述的高压二氧化碳气轮机的出口与再热器的壳程入口连接；所述的再热器的壳程出口与低压二氧化碳气轮机的入口连接；所述的低压二氧化碳气轮机的出口通过管道分为两路：一路与回热器的壳程入口连接，另一路与水蒸汽发生器的管程入口连接；所述的水蒸汽发生器的管程出口与回热器的壳程出口通过管道汇合成一路与冷却器的壳程入口连接；所述的冷却器的壳程出口与压缩机的入口连接；压缩机与高压二氧化碳气轮机以及低压二氧化碳气轮机和发电机同轴连接；所述的给水管道与冷却器的管程入口连接；冷却器的管程出口与水蒸汽发生器的壳程入口连接；水蒸汽发生器的壳程出口与水蒸汽过热器的壳程入口连接；水蒸汽过热器的壳程出口与固体氧化物电解槽的阴极水蒸汽入口连接；所述的固体氧化物电解槽的阴极氢气出口通过氢气管道与再热器内布置的氢气再热管束连接，阳极氧气出口通过氧气管道与再热器内布置的氧气再热管束连接；再热器的氢气再热管束通过氢气管道与预热器内布置的氢气预热管束连接，再热器的氧气再热管束通过氧气管道与预热器内布置的氧气预热管束连接；所述的预热器的氢气预热管束通过氢气管道与外界的储气罐连接，预热器的氧气预热管束通过氧气管道与外界的储气罐连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统，其特征在于：所述的高聚光太阳能接收器的工质出口温度在830℃～1200℃之间，高聚光太阳能接收器的换热面材料和水蒸汽过热器的换热面材料以及两个设备之间的管道材料选用镍铬铁合金材料，所述的高压二氧化碳气轮机的入口温度在450℃～650℃之间。
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