CN107989757B - 具有储热功能的太阳能空气透平发电系统及其控制方法 - Google Patents

具有储热功能的太阳能空气透平发电系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有储热功能的太阳能空气透平发电系统及其控制方法，集热器、导热介质空气换热器及溢流罐连接形成第一导热介质回路；集热器、导热介质熔盐换热器及溢流罐连接形成第二导热介质回路；导热介质空气换热器和导热介质熔盐换热器连接形成第三导热介质回路；导热介质空气换热器的空气入口与压缩空气管路连接，导热介质空气换热器的空气出口与空气透平的空气入口连接，空气透平驱动发电机产生电能；热盐罐和冷盐罐分别与导热介质熔盐换热器的两个储热盐接口连接。本发明系统不仅大幅度降低了水资源的消耗，而且系统非常简单可靠，对于推动光热技术发展具有重要意义。

Description

具有储热功能的太阳能空气透平发电系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种具有储热功能的太阳能发电系统及其控制方法。
背景技术
随着社会经济的发展，环境污染已经是无法回避的问题，甚至对人们的健康构成了巨大的威胁。因而治理环境污染刻不容缓，采用可再生能源代替常规化石能源成为一个重要的发展方向。
新兴的光热发电技术是利用可再生能源太阳能的一个重要的途径。现有比较成熟的光热技术通常将太阳能转化为储热介质的热能，再通过换热设备将储热介质与传统汽轮发电系统相耦合，通过储热介质和循环水的热交换，进而驱动蒸汽轮机带动发电机产生电能。但是，一方面，太阳能资源丰富的地区一般而言相对比较缺水，水资源成为影响发展光热发电的重要因素；另一方面，常规蒸汽发电系统非常复杂，不仅建设和运行成本较高，而且对于光热发电技术而言，建设地点较为偏远，导致其维护和检修成本很高。因此，发展一种耗水少、结构简单稳定的光热发电系统对于发展光热技术具有重要的意义。
发明内容
本发明针对目前光热系统水资源消耗巨大和结构复杂的问题，提供了一种简单有效的具有储热功能的太阳能空气透平发电系统及其控制方法，不仅大幅度降低了水资源的消耗，而且系统非常简单可靠，对于推动光热技术发展具有重要意义。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具有储热功能的太阳能空气透平发电系统，包括集热器、导热介质空气换热器、导热介质熔盐换热器、溢流罐、空气透平、发电机、热盐罐和冷盐罐；
所述的集热器、导热介质空气换热器及溢流罐连接形成第一导热介质回路；
所述的集热器、导热介质熔盐换热器及溢流罐连接形成第二导热介质回路；
所述的导热介质空气换热器和导热介质熔盐换热器连接形成第三导热介质回路；
所述的导热介质空气换热器的空气入口与压缩空气管路连接，导热介质空气换热器的空气出口与空气透平的空气入口连接，空气透平驱动发电机产生电能；
所述的热盐罐和冷盐罐分别与导热介质熔盐换热器的两个储热盐接口连接。
压缩空气管路连接稳压罐，稳压罐连接压气机。
还包括回热器，空气透平的空气出口与回热器的第一入口连接，回热器的第一出口排空；稳压罐与回热器的第二入口连接，回热器的第二出口连接导热介质空气换热器的空气入口。
压气机由空气透平驱动。
所述的热盐罐通过两个管路与导热介质熔盐换热器的第一储热盐接口连接，两个管路上分布设置有阀门；其中出口管路上设置有高温熔盐泵；所述的冷盐罐通过两个管路与导热介质熔盐换热器的第二储热盐接口连接；两个管路上分布设置有阀门；其中出口管路上设置有低温熔盐泵。
所述的导热介质空气换热器的第一导热介质接口管路上设置有第一油泵；溢流罐与集热器入口管之间设置有第二油泵。
所述的集热器的导热介质出口管和导热介质入口管上均设置有阀门。
一种采用具有储热功能的太阳能空气透平发电系统的控制方法，包括以下步骤：
当光照充足时，流经集热器的导热介质被加热；加热后流出集热器的导热介质分为两路，一路通过管道进入导热介质空气换热器与空气进行换热，然后流入溢流罐；另一路经管道进入导热介质熔盐换热器与熔盐进行换热，然后流入溢流罐；溢流罐中的导热介质再回到流经集热器中；同时，冷盐罐中熔盐进入导热介质熔盐换热器中，将多余的热量存储在热盐罐中将热能存储起来；压缩空气通过导热介质空气换热器后被加热，加热的压缩空气进入空气透平推动透平做功，空气透平产生的机械能驱动发电机产生电能；
当无太阳光照时，集热器停止工作，热盐罐中的高温储热盐进入导热介质熔盐换热器中，将热量传递给导热介质后经管道进入冷盐罐；被加热的导热介质进入导热介质空气换热器与空气完成换热后再次进入导热介质熔盐换热器中吸收热量；而加热后的压缩空气用于驱动空气透平，空气透平产生的机械能驱动发电机产生电能。
还包括以下步骤：
从空气透平排气端排出的压缩空气进入回热器，对从稳压罐流出的压缩空气进行预热，然后排入大气；
压气机对空气做功，产生压缩空气，被压缩后的空气进入稳压罐后进入回热器进行预热，然后进入导热介质空气换热器进行热交换。
空气透平产生的机械能驱动压气机，用于产生压缩空气。
相对于现有技术，本发明具有以下优点：
本发明的具有储热功能的太阳能空气透平发电系统，集热器将太阳能转换为导热介质的热能；从集热器出来的被加热的导热介质分为两路，一路通过导热介质空气换热器将热能传递给从稳压罐出来的压缩空气；另一路通过导热介质熔盐换热器将多余的热量传递给储热盐，存储在热盐罐中。通过导热介质空气换热器后被加热的空气进入空气透平中做功，将压力能和热能转化为透平的机械能，带动发电机产生电能。存储在热盐罐中的储热盐通过导热介质熔盐换热器加热导热介质，进而导热介质通过导热介质空气换热器加热空气，以维持空气透平连续工作。本发明的系统相对于蒸汽循环系统，由于采用开式循环系统，系统结构非常简单；采用空气作为循环工质，循环工质取之不尽用之不竭，且成本非常低；熔盐罐和稳压罐均具有储能作用，不仅可以保证系统连续运行，而且可以参与调峰。该系统不仅大幅度降低了水资源的消耗，而且系统非常简单可靠，对于推动光热技术发展具有重要意义。
进一步，由于进入空气透平中做功后的空气仍然具有一定温度，通过回热器加热从稳压罐到导热介质空气换热器的空气，然后排入大气；空气透平产生的机械能一方面带动压气机产生新的高压空气进入稳压罐，以维持系统的连续运行。
本发明的控制方法，在光照充足的条件下，集热器将太阳能转换为导热介质的热能；从集热器出来的被加热的导热介质分为两路，一路通过导热介质空气换热器将热能传递给从稳压罐出来的压缩空气；另一路通过导热介质熔盐换热器将多余的热量传递给储热盐，存储在热盐罐中。通过导热介质空气换热器后被加热的空气进入空气透平中做功，将压力能和热能转化为透平的机械能，进行发电。当无太阳光照时，存储在热盐罐中的储热盐通过导热介质熔盐换热器加热导热介质，进而导热介质通过导热介质空气换热器加热空气，以维持空气透平连续工作。
进一步，通过控制空气透平产生的机械能一方面带动压气机产生新的高压空气进入稳压罐，以维持系统的连续运行，实现资源的充分利用。
附图说明
图1太阳能空气透平发电系统图。
其中，1-集热器；2-第一阀门；3-第一油泵；4-导热介质空气换热器；5-导热介质熔盐换热器；6-溢流罐；7-第二阀门；8-第二油泵；9-第三阀门；10-第四阀门；11-高温熔盐泵；12-热盐罐；13-第五阀门；14-低温熔盐泵；15-第六阀门；16-冷盐罐；17-空气透平；18-发电机；19-压气机；20-稳压罐；21-回热器。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解。
如图1所示，本发明旨在采用简单的系统实现太阳能向电能的连续转换，并且具有调峰功能。基于此目的，本发明包括热器1(集热器可以是塔式、槽式、线性菲涅尔式等)、导热介质空气换热器4、导热介质熔盐换热器5、溢流罐6、回热器21、稳压罐20、空气透平17、压气机19、发电机18、热盐罐12和冷盐罐16，等构成的太阳能空气透平发电系统；集热器1的导热介质(如导热油)出口管分为两路，其中一路与导热介质空气换热器4的第一导热介质接口连接，经过导热介质空气换热器4换热后；导热介质空气换热器4的第二导热介质接口、溢流罐6及集热器1入口管相连，形成第一导热介质回路；另一路与导热介质熔盐换热器5的第一导热介质接口，经过导热介质熔盐换热器5换热后，导热介质熔盐换热器5的第二导热介质接口、溢流罐6及集热器1入口管相连，形成第二导热介质回路；导热介质空气换热器4的第一导热介质接口、导热介质空气换热器4的第二导热介质接口、导热介质熔盐换热器5的第一导热介质接口及导热介质熔盐换热器5的第二导热介质接口形成第三导热介质回路；经过导热介质空气换热器4换热后，导热介质空气换热器4的空气出口与空气透平17的空气入口连接，空气透平17驱动发电机18产生电能；空气透平17的空气出口与回热器21的第一入口连接，经过回热器21换热后，回热器21的第一出口排空；压气机19与稳压罐20连接，稳压罐20与回热器21的第二入口连接，回热器21的第二出口连接导热介质空气换热器4的空气入口；热盐罐12与导热介质熔盐换热器5的第一储热盐接口连接，冷盐罐16与导热介质熔盐换热器5的第二储热盐接口连接。
其中，溢流罐6与集热器1入口管之间设置有第二油泵8。导热介质空气换热器4的第一导热介质接口管路上设置有第一油泵3。集热器1的导热介质出口管和导热介质入口管上均分布设置有第一阀门2和第二阀门7。
热盐罐12通过两个管路与导热介质熔盐换热器5的第一储热盐接口连接，两个管路上分布设置有第三阀门9、第四阀门10；其中出口管上设置有高温熔盐泵11。冷盐罐16通过两个管路与导热介质熔盐换热器5的第二储热盐接口连接。两个管路上分布设置有第五阀门13、第六阀门15；其中出口管上设置有低温熔盐泵14。
空气透平17还驱动压气机19，用于产生压缩空气。
参见图1，本发明的控制过程如下：
当光照充足时，分别关闭第四阀门10和第六阀门15，其他阀门保持常开状态。由于第一油泵3和第二油泵8的作用，导热介质依次通过集热器1、导热介质空气换热器4、导热介质熔盐换热器5和溢流罐6，形成一个封闭的循环。当阳光照射到集热器1上，流经集热器1的导热介质被加热。加热后流出集热器1的导热介质分为两路，第一路通过管道进入导热介质空气换热器4与从稳压罐20流出经回热器21预热的空气进行换热，然后流入溢流罐6；另一路经管道进入导热介质熔盐换热器5与熔盐进行换热，将多余的热量存储起来。
通过导热介质空气换热器4后被加热的压缩空气进入空气透平17推动透平做功，而后从空气透平17排气端排出，通过管道进入回热器21，对从稳压罐20流出的压缩空气进行预热，然后排入大气。空气透平17产生的机械能一部分用于驱动压气机19，用于产生压缩空气，被压缩后的空气进入稳压罐20后进一步被加热用于驱动空气透平17，稳压罐20一方面起稳压作用，另一方面也具有储能功能。另一部分机械能则用于驱动发电机18产生电能。而在导热介质熔盐换热器5中被加热的储热盐，由低温熔盐泵14加压，从冷盐罐16中流出，进入导热介质熔盐换热器5中，而后通过管道进入热盐罐12将热能存储起来。
当无太阳光照时，分别关闭第一阀门2、第二阀门7、第三阀门9、和第五阀门13，打开第四阀门10和第五阀门13。此时，热盐罐12中的高温储热盐经高温熔盐泵11抽出，进入导热介质熔盐换热器5中，将热量传递给导热介质后经管道进入冷盐罐。被加热的导热介质进入导热介质空气换热器4与空气完成换热后再次进入导热介质熔盐换热器5中吸收热量。而加热后的压缩空气用于驱动空气透平17，完成气侧循环，该循环过程与光照充足时的过程相同，这里不再赘述。
以上所述的具体实施例，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例而已，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 (10)

1.一种具有储热功能的太阳能空气透平发电系统，其特征在于，包括集热器(1)、导热介质空气换热器(4)、导热介质熔盐换热器(5)、溢流罐(6)、空气透平(17)、发电机(18)、热盐罐(12)和冷盐罐(16)；
所述的集热器(1)、导热介质空气换热器(4)及溢流罐(6)连接形成第一导热介质回路；
所述的集热器(1)、导热介质熔盐换热器(5)及溢流罐(6)连接形成第二导热介质回路；
所述的导热介质空气换热器(4)和导热介质熔盐换热器(5)连接形成第三导热介质回路；
所述的导热介质空气换热器(4)的空气入口与压缩空气管路连接，导热介质空气换热器(4)的空气出口与空气透平(17)的空气入口连接，空气透平(17)驱动发电机(18)产生电能；
所述的热盐罐(12)和冷盐罐(16)分别与导热介质熔盐换热器(5)的两个储热盐接口连接。
2.根据权利要求1所述的具有储热功能的太阳能空气透平发电系统，其特征在于，压缩空气管路连接稳压罐(20)，稳压罐(20)连接压气机(19)。
3.根据权利要求2所述的具有储热功能的太阳能空气透平发电系统，其特征在于，还包括回热器(21)，空气透平(17)的空气出口与回热器(21)的第一入口连接，回热器(21)的第一出口排空；稳压罐(20)与回热器(21)的第二入口连接，回热器(21)的第二出口连接导热介质空气换热器(4)的空气入口。
4.根据权利要求2所述的具有储热功能的太阳能空气透平发电系统，其特征在于，压气机(19)由空气透平(17)驱动。
5.根据权利要求1所述的具有储热功能的太阳能空气透平发电系统，其特征在于，所述的热盐罐(12)通过两个管路与导热介质熔盐换热器(5)的第一储热盐接口连接，两个管路上分布设置有阀门；其中出口管路上设置有高温熔盐泵(11)；所述的冷盐罐(16)通过两个管路与导热介质熔盐换热器(5)的第二储热盐接口连接；两个管路上分布设置有阀门；其中出口管路上设置有低温熔盐泵(14)。
6.根据权利要求1所述的具有储热功能的太阳能空气透平发电系统，其特征在于，所述的导热介质空气换热器(4)的第一导热介质接口管路上设置有第一油泵(3)；溢流罐(6)与集热器(1)入口管之间设置有第二油泵(8)。
7.根据权利要求1所述的具有储热功能的太阳能空气透平发电系统，其特征在于，所述的集热器(1)的导热介质出口管和导热介质入口管上均设置有阀门。
8.采用权利要求1所述的具有储热功能的太阳能空气透平发电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
当光照充足时，流经集热器(1)的导热介质被加热；加热后流出集热器(1)的导热介质分为两路，一路通过管道进入导热介质空气换热器(4)与空气进行换热，然后流入溢流罐(6)；另一路经管道进入导热介质熔盐换热器(5)与熔盐进行换热，然后流入溢流罐(6)；溢流罐(6)中的导热介质再回到流经集热器(1)中；同时，冷盐罐(16)中熔盐进入导热介质熔盐换热器(5)中，将多余的热量存储在热盐罐(12)中将热能存储起来；压缩空气通过导热介质空气换热器(4)后被加热，加热的压缩空气进入空气透平(17)推动透平做功，空气透平(17)产生的机械能驱动发电机(18)产生电能；
当无太阳光照时，集热器(1)停止工作，热盐罐(12)中的高温储热盐进入导热介质熔盐换热器(5)中，将热量传递给导热介质后经管道进入冷盐罐(16)；被加热的导热介质进入导热介质空气换热器(4)与空气完成换热后再次进入导热介质熔盐换热器(5)中吸收热量；而加热后的压缩空气用于驱动空气透平(17)，空气透平(17)产生的机械能驱动发电机(18)产生电能。
9.根据权利要求8所述的具有储热功能的太阳能空气透平发电系统的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
从空气透平(17)排气端排出的压缩空气进入回热器(21)，对从稳压罐(20)流出的压缩空气进行预热，然后排入大气；
压气机(19)对空气做功，产生压缩空气，被压缩后的空气进入稳压罐(20)后进入回热器(21)进行预热，然后进入导热介质空气换热器(4)进行热交换。
10.根据权利要求9所述的具有储热功能的太阳能空气透平发电系统的控制方法，其特征在于，空气透平(17)产生的机械能驱动压气机(19)，用于产生压缩空气。
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