CN108375218B - 光伏光热组件辅助燃煤机组碳捕集发电系统 - Google Patents

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Abstract

一种新型光伏光热组件辅助燃煤机组碳捕集的发电系统，属于太阳能热利用技术领域，该系统包括燃煤发电系统、光伏光热发电集热系统和碳捕集系统组成。本系统通过扩容蒸发器实现各系统的集成耦合，其中光伏光热组件发出的电能通过逆变器并网发电，同时燃煤机组的低温凝结水冷却光伏电池，提高光伏光热组件的光电转换效率。扩容蒸发器产生的蒸汽与燃煤机组的第四级抽汽汇集后进入再生塔的再沸器中，通过阀门调节扩容蒸发器和燃煤机组的抽汽以保证再沸器的稳定运行，而再沸器的疏水和扩容蒸发器的疏水一同返回到除氧器中，使燃煤机组的热经济性得到一定程度的改善。该系统可提高能源的综合利用率，减少一次能源的消耗，有利于电厂的节能减排。

Description

光伏光热组件辅助燃煤机组碳捕集发电系统
技术领域
本发明涉及一种将复合抛物面光伏光热组件和燃煤机组的碳捕集有机结合在一起的联合碳捕集系统，属于太阳能热利用技术领域。
背景领域
复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator，简写CPC)，是一种依据边缘光线原理设计的低聚光度非成像聚光器，可将接收角范围内的入射光线按理想聚光比收集到吸收体上，最早由美国芝加哥大学Winston教授从高能物理实验研究中的辐射探测器改进而来的。与其他类型聚光器相比，CPC的运行不需要随时跟踪太阳的位置，仅需要根据季节的变化及时调整CPC的方位就能实现跟踪，结构简单，操作运行方便，在投资成本与自动化可控性方面呈现出很大的优势。光伏/光热集热器(Photovoltaic/thermalcollector，简写PVT)是利用层压或胶粘技术将太阳能电池与太阳能集热器有机结合起来。由于光生伏特效应原理，光伏电池将约10％～17％的太阳光能直接转化为电能，其余大部分能量都转换为热量，未被吸收的热能提升了光伏电池的温度，研究表明，光伏电池每提升1℃，光电转换效率则降低0.5％。PVT集热器采用强制循环流体(水或空气)来吸收太阳能电池板中未被转化成电能的热量，温度升高的水或空气可用于建筑采暖、生活热水、各种工质预热等。复合抛物面聚光器与光伏光热组件相结合，通过复合抛物面提高聚光比从而增加入射辐射能，一方面提高电池的电能输出功率，而通过光伏光热组件吸收电池背板热量，降低电池板温度，提高电效率。到目前为止，国内外对聚光型CPC-PV/T系统的研究主要集中在改进系统结构和建筑一体化的应用上，而CPC-PV/T系统辅助燃煤机组进行碳捕集的研究鲜见报道。复合抛物面聚光器与太阳能集热组件相结合，吸收太阳辐射后并将产生的热能传递到传热工质，聚光的提升使工质可获得较大出口水温。太阳能集热器可以有多种分类方式，按集热器工作的温度范围可以将其分为低温集热器(工作温度<100℃)、中温集热器(工作温度在100～200℃之间)和高温集热器(工作温度>200℃)，等等，因此太阳能集热器可作为多种不同类型温度梯度的热源。
用乙醇胺(monoethanolamine，简写MEA)溶液吸收电站锅炉排放烟中的CO2，可以减少CO2的排放量，但由于碳捕集技术的主要瓶颈在于捕集能耗过高，故近年来较多碳捕集研究集中在低能耗碳捕集方法的探索。利用太阳能辅助燃煤电厂碳捕集系统的最初思路，最早可回溯至2007年Wibberley申请的国际专利，通过太阳能集热场收集的热能用于再生塔内再沸器的耗热，实现对的MEA再生和CO2的解吸。在温度为20℃～50℃时乙醇胺可与烟气中的CO2迅速反应生成较稳定的氨基甲酸盐，使烟气中的CO2得以脱除；将溶液升温到110℃或更高时，氨基甲酸盐发生分解，释放出二氧化碳，并得到MEA溶液。槽式太阳能集热系统分为油冷却型和DSG型(直接蒸汽发生系统)，分别采用油和水为集热工质，油冷却型技术发展已基本成熟，DSG型系统是采用水作为工作介质，水在给水泵的作用下流入太阳能集热器场阵列吸收太阳辐射能量逐步变为水蒸汽。为了解决阻碍直接蒸汽发生系统稳定运行的两相流问题，华北电力大学在槽式直接蒸汽发生系统(direct steam generation，简写DSG)再循环模式的基础上做了系统改进，提出了扩容蒸发式太阳能蒸汽发生系统。扩容蒸发式太阳能蒸汽发生系统是在直接蒸汽发生系统运行时，其可靠性最高的再循环模式的基础上，将汽水分离器用扩容蒸发器取代，产生的高温蒸汽可作为热源供给工厂等，同时将扩容蒸发器产生的疏水送到回热系统，而不是返回集热场入口，这样便可保证集热器的加热部分和过热部分均为单相流。
发明内容
本发明的目的集成太阳能光伏光热系统、碳捕集系统以及燃煤发电系统的优点，提供一种新型光伏光热组件辅助燃煤机组碳捕集发电系统，该系统能将系统间各参数匹配耦合，提升能源的综合利用，达到节能减排的目的。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：
一种新型光伏光热辅助燃煤机组碳捕集发电系统，由太阳能光伏光热系统、碳捕集系统以及燃煤发电系统等构成；燃煤发电系统的凝结水作为太阳能光伏光热系统的入口水，通过光伏光热组件集热后进入扩容蒸发器，扩容蒸发器的疏水返回到除氧器给水入口，光伏光热组件产生的电能与燃煤发电系统的电能一起并网发电；燃煤发电系统产生的烟气进入碳捕集系统，抽取进入除氧器的汽轮机抽汽供给再生塔的再沸器；MEA溶液吸收进入吸收塔的烟气，变为富液后在再生塔中吸热再生，同时产生CO2再进行精制。
上述的光伏光热组件辅助燃煤机组碳捕集发电系统，所述的太阳能光伏光热系统包括多个光伏光热组件与光热集热器并联再串联连接而成；光伏光热组件包括PVT框架、CPC聚光镜、光伏电池组件和导热板，CPC聚光器安装在PVT框架上，光伏电池组件位于CPC底部，背板通过粘结层粘结在导热板上，导热板下粘结着冷却电池流道；光热集热器仅集成CPC聚光镜、吸热材料和热管，吸热材料通过粘结层与热管粘结。
上述的光伏光热组件辅助燃煤机组碳捕集发电系统，在太阳能光伏光热系统入水口前装有水泵、止回阀和电动调节阀。光伏光热组件发电部分装有最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简写MPPT)太阳能控制器来输出最大电能，然后经过逆变器并网发电。由于定流量运行时，集热器出口温度随着太阳辐射强度的变化而改变，集热器的热应力会不断变化，易受到损坏，因此使用电动调节阀调节流量保证系统稳定运行。
上述的光伏光热组件辅助燃煤机组碳捕集发电系统，所述的碳捕集系统包括吸收塔、再生塔、富液泵、贫液泵、贫富液换热器、再沸器组成。
本发明通过扩容蒸发器实现光伏光热发电集热系统、碳捕集系统和燃煤发电系统的集成耦合，燃煤机组凝结水通过光伏光热组件和关热集热器吸收太阳辐射后被加热进入到扩容蒸发器，然后在扩容蒸发器中产生的高温高压蒸汽与燃煤机组的第四段抽汽一起输入到再沸器加热MEA富液，扩容蒸发器出口的疏水和经再沸器换热后的疏水最终汇集汇集后返回除氧器的给水入口，形成新的再循环。
本发明利用燃煤机组的低温凝结水冷却光伏光热组件中的光伏电池，在降低光伏电池工作温度的同时加热凝结水，提高光伏光热组件的综合利用效率。本发明可提高能源的综合利用，减少一次能源的消耗，有利于燃煤机组的节能减排。
本发明有益的效果为：通过扩容蒸发器实现光伏光热发电集热系统、碳捕集系统和燃煤发电系统的集成耦合，利用各系统的优点进行系统间的优化集成，提高太阳能的综合利用，完成太阳能辅助碳捕集的节能减排。同时光伏光热集热系统对燃煤机组的低温凝结水进行预热，不仅提高光伏光热组件的光电转换效率，还使燃煤机组的热经济性得到一定程度的改善。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是光伏光热组件辅助燃煤机组碳捕集发电系统结构示意图。
图2光伏光热发电集热系统示意图。
图3是碳捕集系统示意图。
图中各标号清单为：1、阀门；2、水泵；3、止回阀；4、电动流量调节阀；5、光伏光热组件；6、光热集热器；7、扩容蒸发器；8、MPPT控制器；9、蓄电池；10、逆变器；11、电厂交流负载；12、并网装置；13、再沸器；14、再生塔；15、贫液泵；16、贫富液换热器；17、富液泵；18、吸收塔；19、烟囱；20、锅炉；21、汽轮机；22、发电机；23、凝汽器；24、凝结水泵；25、1～8号加热器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图2为光伏光热发电集热系统示意图。图中，1、阀门；2、水泵；3、止回阀；4、电动流量调节阀；5、光伏光热组件；6、光热集热器；7、扩容蒸发器；8、MPPT控制器；9、蓄电池；10、逆变器；11、电厂交流负载；12、并网装置。如图2所示，燃煤机组的低温凝结水通过给水泵2流入进入光伏光热组件5；为了保证系统稳定输出额定参数的工质，光伏光热组件入口段用电动流量调节阀4调节的入口流量。光伏光热组件5接受太阳辐射，经由MPPT控制器8追踪光伏电池的最大功率点并以最大功率输出直流电，随后输入光伏逆变器10，光伏逆变器10将输入的直流电转化为交流电，供给并网装置12或者电厂交流负载11。
光伏光热组件5在产生电能的同时转化为热能的那部分能量由布置在光伏电池板背部的冷却流道带走，冷却工质随后进入光热集热器6，利用复合抛物面聚光器将光伏光热组件5的出口工质进行二次加热，提高水温至110℃以上。产生的饱和水再进入扩容蒸发器7进行扩容蒸发，蒸发的饱和蒸汽连接到再生塔的再沸器，而产生的疏水不再回到太阳能集热系统的入口而是汇入主给水管道进入到除氧器25-4中。在夜间的时候，进入除氧器25-4的汽轮机21抽汽一部分被抽取进入到再沸器13中；当太阳辐射不足时，通过调节阀调节汽轮机21抽汽进入到再沸器13中的蒸汽流量，以保证再沸器13的安全稳定运行。
图3为碳捕集系统示意图。图中，13、再沸器；14、再生塔；15、贫液泵；16、贫富液换热器；17、富液泵；18、吸收塔；19、烟墩。如图，锅炉20产生的烟气进入到吸收塔18中，与MEA贫液逆流混合，净化后烟气从吸收塔顶引出排入烟囱19。吸收CO2后的MEA富液在富液泵17的作用下通过贫富液换热器16，被高温的贫液加热后从再生塔14上部进入再生系统。再生系统中再沸器13为管壳式换热器，壳程内为太阳能集热系统产生的微过热蒸汽，管程内为胺溶液。胺溶液经过再沸器13，温度被加热到110℃左右，发生可逆分解反应。再生系统产生MEA贫液从塔底排除在贫液泵15的作用下经过贫富液换热器16冷却进入到吸收塔18中。
图1是光伏光热组件辅助燃煤机组碳捕集发电系统结构示意图。图中，20、锅炉；21、汽轮机；22、发电机；23、凝汽器；24、凝结水泵；25、1～8号加热器。如图，燃煤机组产生的电能与光伏光热组件5产生的电能一起并网发电，从光伏光热发电集热系统加热的凝结水进入到除氧器25-4中，减少第4级汽轮机21抽汽，减少一次能源的消耗，提高机组的热经济性，实现燃煤机组节能减排。
本发明利用扩容蒸发器作为连接各个系统的中介，实现三个系统的集成耦合，通过调节阀调节蒸汽和进入光伏光热系统的水流量，实现在不同工况下工质的循环和系统的稳定运行；通过凝结水冷却光伏电池，吸收背板热量提高系统的效率，实现能源的综合利用。

Claims (1)

1.一种光伏光热辅助燃煤机组碳捕集发电系统，由光伏光热系统、碳捕集系统以及燃煤发电系统组成，特征在于：该系统通过扩容蒸发器将各系统集成耦合，光伏光热系统和燃煤发电系统共同作为热源为碳捕集系统提供热源，通过阀门调节不同工况下光伏光热系统和汽轮机抽汽出口的蒸汽流量来保证再沸器的稳定运行，而扩容蒸发器的疏水和再沸器的疏水汇集后再返回到主给水管道；所述的光伏光热系统由多个光伏光热组件与光热集热器串联后在并联连接而成，燃煤机组的低温凝结水先通过光伏光热组件吸收电池背板热量，提高光伏光热组件的光电热效率，再通过光热集热器达到需要的水温进入扩容蒸发器，同时光伏光热组件发出电能并网发电。
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