CN107313904B - 太阳能空气-二氧化碳联合循环发电系统 - Google Patents

太阳能空气-二氧化碳联合循环发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能空气‑二氧化碳联合循环发电系统，它包括空气压缩机、高温太阳能锅炉、空气涡轮发电机组、高温换热器、低温换热器、高温蓄热器、低温蓄热器、二氧化碳压缩机、二氧化碳涡轮发电机组、回热器一、回热器二、冷却器。本发明利用开式空气循环具有平均吸热温度高的特点和闭式超临界二氧化碳循环具有循环温度低、压缩功小的特点，白天运行时太阳能热发电系统以联合循环的动力模式进行发电，同时利用部分排气的余热进行中低温蓄热，夜间运行时则依靠蓄热系统放热进行单独的闭式二氧化碳循环发电。本发明具有发电效率高、用水量少、运行成本低、环保性能好等特点，同时有效解决了CO2换热夹点问题，并有长时间持续稳定发电的功能。

Description

太阳能空气-二氧化碳联合循环发电系统
技术领域
本发明属于太阳能热发电技术领域，特别是涉及一种太阳能空气-二氧化碳联合循环发电系统。
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。太阳能热发电根据聚光方式可分为槽式、塔式、碟式、反射菲涅尔四种，根据工质以及所采用的动力模式，可分为水蒸汽朗肯循环热发电、有机朗肯循环热发电、布雷顿循环热发电和斯特林外燃动力发电四种。目前商业化太阳能热发电主要采用的是适用于槽式的水蒸汽朗肯循环，该循环由于受金属材料的限制目前蒸汽最高温度约在600℃左右，因此循环热效率处在35～45%之间无法再提高，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。目前处于实验开发阶段的塔式或蝶式太阳能聚光装置可提供高达800℃～1200℃的高温热源，未来可突破至更高温度，其与水蒸汽朗肯循环的最高温度难以匹配，必然造成高温热能能量品位上的贬值利用。太阳能热发电若采用空气为介质的开式布雷顿循环则可利用塔式或蝶式太阳能聚光装置将空气温度提高到1000℃，由此实现了高温热能的有效利用，但空气涡轮机的排气温度高达550℃～650℃之间，其经回热器进行余热回收后由于受限于压缩空气的初温最多只能降至300℃～350℃之间，仍有大量的中低温余热未能回收利用，因此开式布雷顿循环的效率一般在30～38%之间，其数值比较低。而太阳能热发电采用超临界二氧化碳为介质的闭式布雷顿循环的热效率与上述两种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。但研究表明高温下二氧化碳与不锈钢材料存在化学不相容的问题，其循环保守最高温度大约在650℃左右，因此该循环的热效率受限于温度无法再进一步提高，并且与塔式或蝶式太阳能聚光装置提供的高温热源也无法完全匹配。综合上述分析，太阳能热发电仍需寻找一种更有效利用高温热能同时做到进一步提高循环热效率的途径。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发电效率高、用水量少、运行成本低、环保性能好的太阳能空气-二氧化碳联合循环发电系统。
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空气-二氧化碳联合循环发电系统，包括空气压缩机、高温太阳能锅炉、空气涡轮发电机组、高温换热器、低温换热器、高温蓄热器、低温蓄热器、二氧化碳压缩机、二氧化碳涡轮发电机组、回热器一、回热器二、冷却器；所述的空气压缩机的出口与高温太阳能锅炉的空气入口连接；所述的高温太阳能锅炉的空气出口与空气涡轮发电机组的入口连接；所述的空气涡轮发电机组的出口分为第一管路和第二管路：第一管路上依次安装高温换热器和低温换热器后通向外界，第二管路上依次安装高温蓄热器和低温蓄热器后通向外界；所述的二氧化碳压缩机的出口与第三管路和第四管路连接；第三管路分为两条支管：一条第三支管与低温换热器的管程入口连接，另一条第三支管与回热器一的管程入口连接；所述的低温换热器的管程出口与回热器一的管程出口通过管道汇合成一路后与高温换热器的管程入口连接；所述的高温换热器的管程出口与二氧化碳涡轮发电机组的入口连接；第四管路分为两条第四支管：一条第四支管与低温蓄热器的管程入口连接，另一条第四支管与回热器二的管程入口连接；所述的低温蓄热器的管程出口与回热器二的管程出口通过管道汇合成一路后与高温蓄热器的管程入口连接；所述的高温蓄热器的管程出口与二氧化碳涡轮发电机组的入口连接；所述的二氧化碳涡轮发电机组的出口首先分为两路支管然后汇合成一路与冷却器的入口连接，在两路支管上分别安装回热器一和回热器二；所述的冷却器的出口与二氧化碳压缩机的入口连接。
采用上述方案后，本发明实现了太阳能开式空气布雷顿循环和闭式超临界二氧化碳布雷顿循环的良好耦合，大幅度提高太阳能热发电动力循环的热效率，使太阳能热发电的成本显著降低，具体体现在以下几个方面：
1）发电效率高。本发明利用开式空气布雷顿循环具有平均吸热温度高的特点和闭式超临界二氧化碳循环具有循环温度低、压缩功小的特点，各取所长。作为顶部循环工质的空气吸收聚光太阳能辐射热后经空气涡轮做功，具有较高温度的排气作为底部循环的热源使用后排向大气，从而构成开式循环，作为底部循环工质的二氧化碳吸收排气余热后经二氧化碳涡轮做功再进入冷却器冷却，从而构成闭式循环。该联合循环与单一循环的太阳能热发电相比，具有发电效率高、太阳能利用率高等优点，经理论分析计算得知发电效率随着空气温度的升高而提高，整个联合循环的发电效率可达55%~65%之间。
2）连续稳定发电。本发明设计独特的蓄热系统，白天运行时太阳能热发电系统以联合循环的动力模式进行发电，同时利用部分排气的余热进行中低温蓄热，夜间运行时则依靠蓄热系统放热进行单独的闭式二氧化碳循环发电，由此实现利用太阳能进行长时间持续稳定发电的功能。
3）解决CO2换热夹点问题。本发明采用分流的技术使部分流量的高压低温CO2气体进入回热器与做功后全流量的低压高温CO2排气进行换热，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采用高低温回热器再压缩的方法更加简单可靠。
4）用水量少。本发明采用了空气-二氧化碳联合循环动力模式，顶部开式空气循环不用冷却水，底部闭式二氧化碳循环的冷源损失远小于传统蒸汽循环的冷源损失，因此可采用空气冷却达到少用冷却水甚至不用冷却水的目的。
5）运行成本低、环保性能好。本发明采用清洁太阳能作为热源，以廉价的空气和二氧化碳作为循环工质，故具有运行成本低、环保性能好的特点。
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空气-二氧化碳联合循环发电系统，包括空气压缩机1、高温太阳能锅炉2、空气涡轮发电机组3、高温换热器4、低温换热器5、高温蓄热器6、低温蓄热器7、二氧化碳压缩机8、二氧化碳涡轮发电机组9、回热器一10、回热器二11、冷却器12。
所述的空气压缩机1的出口与高温太阳能锅炉2的空气入口连接；所述的高温太阳能锅炉2的空气出口与空气涡轮发电机组3的入口连接；所述的空气涡轮发电机组3的出口分为第一管路31和第二管路32：第一管路31上依次安装高温换热器4和低温换热器5后通向外界，第二管路32上依次安装高温蓄热器6和低温蓄热器7后通向外界；所述的二氧化碳压缩机8的出口与第三管路81和第四管路82连接；第三管路81分为两条支管：一条第三支管与低温换热器5的管程入口连接，另一条第三支管与回热器一10的管程入口连接；所述的低温换热器5的管程出口与回热器一10的管程出口通过管道汇合成一路后与高温换热器4的管程入口连接；所述的高温换热器4的管程出口与二氧化碳涡轮发电机组9的入口连接；第四管路82分为两条第四支管：一条第四支管与低温蓄热器7的管程入口连接，另一条第四支管与回热器二11的管程入口连接；所述的低温蓄热器7的管程出口与回热器二11的管程出口通过管道汇合成一路后与高温蓄热器6的管程入口连接；所述的高温蓄热器6的管程出口与二氧化碳涡轮发电机组9的入口连接；所述的二氧化碳涡轮发电机组9的出口首先分为两路支管然后汇合成一路与冷却器12的入口连接，在两路支管上分别安装回热器一10和回热器二11；所述的冷却器12的出口与二氧化碳压缩机8的入口连接。
本发明的工作原理：
如图1所示，当发电系统白天运行时，外界空气经空气压缩机1压缩后进入高温太阳能锅炉2吸收太阳能辐射热变成800℃～1200℃之间的高温空气，高温空气进入空气涡轮发电机组3做功发电。空气涡轮发电机组3的排气分别进入第一管路31和第二管路32，进入第一管路31的空气经高温换热器4和低温换热器5逐级放热后排向大气，进入第二管路32的空气经高温蓄热器6和低温蓄热器7完成储热后排向大气。二氧化碳压缩机8出口的超临界二氧化碳气体经第三管道81分别进入低温换热器5和回热器一10进行预热，两股预热后的气体汇合成一路进入高温换热器4继续被加热，高温换热器4出口的高温高压二氧化碳气体进入二氧化碳涡轮发电机组9做功发电。二氧化碳涡轮发电机组9的排气进入回热器一10进行放热，放热后的气体经冷却器12冷却后进入二氧化碳压缩机8完成一次闭式循环。
当发电系统夜间运行时，顶部开式空气循环停止运行，空气压缩机1、高温太阳能锅炉2和空气涡轮发电机组3处于关闭状态。二氧化碳压缩机8出口的超临界二氧化碳经第四管道82分别进入低温蓄热器7和回热器二11进行预热，两股预热后的气体汇合成一路进入高温蓄热器6继续被加热，高温蓄热器6出口的高温高压二氧化碳气体进入二氧化碳涡轮发电机组9做功发电。二氧化碳涡轮发电机组的排气9进入回热器二11进行放热，放热后的气体经冷却器12冷却后进入二氧化碳压缩机8完成一次闭式循环。
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 (1)

1.一种太阳能空气-二氧化碳联合循环发电系统，包括空气压缩机、高温太阳能锅炉、空气涡轮发电机组；所述的空气压缩机的出口与高温太阳能锅炉的空气入口连接；所述的高温太阳能锅炉的空气出口与空气涡轮发电机组的入口连接；其特征在于：它还包括高温换热器、低温换热器、高温蓄热器、低温蓄热器、二氧化碳压缩机、二氧化碳涡轮发电机组、回热器一、回热器二、冷却器；所述的空气涡轮发电机组的出口分为第一管路和第二管路：第一管路上依次安装高温换热器和低温换热器后通向外界，第二管路上依次安装高温蓄热器和低温蓄热器后通向外界；所述的二氧化碳压缩机的出口与第三管路和第四管路连接；第三管路分为两条支管：一条第三支管与低温换热器的管程入口连接，另一条第三支管与回热器一的管程入口连接；所述的低温换热器的管程出口与回热器一的管程出口通过管道汇合成一路后与高温换热器的管程入口连接；所述的高温换热器的管程出口与二氧化碳涡轮发电机组的入口连接；第四管路分为两条第四支管：一条第四支管与低温蓄热器的管程入口连接，另一条第四支管与回热器二的管程入口连接；所述的低温蓄热器的管程出口与回热器二的管程出口通过管道汇合成一路后与高温蓄热器的管程入口连接；所述的高温蓄热器的管程出口与二氧化碳涡轮发电机组的入口连接；所述的二氧化碳涡轮发电机组的出口首先分为两路支管然后汇合成一路与冷却器的入口连接，在两路支管上分别安装回热器一和回热器二；所述的冷却器的出口与二氧化碳压缩机的入口连接。
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