CN108915964A - 一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统 - Google Patents

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Abstract

一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统，其中塔式太阳能集热子系统提供高温热源用来加热布雷顿循环中的工质氦气，提升系统做功能力；氦气被压缩前的余热被用来驱动有机朗肯循环发电子系统、溴化锂吸收式制冷及制热子系统，并可以根据用户侧冷热电负荷的变化进行智能调节；利用风机与小汽机共同为太阳能集热子系统中的空气泵提供动力，降低了系统自身的能源消耗。本发明采用太阳能为系统提供热源节省了燃料成本，提升了系统经济性；同时充分利用布雷顿循环系统中的余热来实现冷、热、电的三联供，提高了系统的效率；利用控制系统对冷、热、电进行智能调节，增强了系统的灵活性。

Description

一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统
【技术领域】
本发明属于能源利用领域，特别地涉及一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统。
【背景技术】
随着国际工业及制造业的迅猛发展，煤、石油等传统能源的储量也在急剧下降，而且传统能源利用后对环境的危害也日渐突显。因此，近年来各国政府加大对新能源的开发与利用，太阳能作为一种可再生能源，具有资源分布广，获取容易等优势，其独特优势也被国际社会认为是最具有竞争性的自然资源之一。我国陆地每年能够接收到的太阳能辐射总量在3.3×103kJ～8.4×103kJ/(m2·年)，相当于24亿吨标准煤，这对于人口基数较大的我国来说具有重大意义。
燃气轮机代表一个国家制造业先进程度，它的发展对我国能源装备技术发展与研究、甚至于国民经济具有较大影响，在能源领域具有不可替代的作用。目前，最先进的J型燃气轮机单循环效率41％，联合循环效率超过60％。近年来，虽然我国在燃气轮机领域获得较大发展，但尚未掌握核心技术，与世界领先水平具有较大差距。
氦气作为近年来逐渐发展的一种新兴工质，广泛运用于热力循环。氦气是一种无色，无味的惰性气体，其化学性质非常稳定，一般很难和其他物质发生反应，氦气的临界压力为0.228MPa，临界温度为5.3K，由于氦气稳定的化学性质，所以在热力循环过程中能够稳定做功。氦气的液化温度和临界温度相差很小，与其他工质相比，氦气压缩机不需要产生很大的压力来使其最后液化，从而减少系统自身能源消耗，提高系统效率。
燃气轮机的排气还具有较大热量，实现对燃气轮机排气热量的充分利用是非常有必要的。利用中低品位热源进行发电的有机朗肯循环便可以实现对燃气轮机排气能量的梯级利用，有机朗肯循环作为一种清洁、无污染的发电形式，大量用于余热回收等领域。
【发明内容】
针对上述问题，本发明的目的在于设计一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统，实现能源的充分利用，同时为塔式太阳能集热子系统、布雷顿循环(Braytoncycle)发电子系统、有机朗肯循环(ORC)发电子系统、溴化锂吸收式制冷及供热子系统联合布置提供一种新的设计思路。
技术方案：为满足上述要求，本系统采用如下的技术方案予以实现：
一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统，包括布雷顿循环发电子系统、塔式太阳能集热子系统、压缩空气子系统、有机朗肯循环发电子系统、溴化锂吸收式制冷及制热子系统，其特征在于：塔式太阳能集热子系统可为布雷顿循环子系统提供热量；有机朗肯循环发电子系统和溴化锂吸收式制冷及制热子系统利用布雷顿循环发电子系统的余热工作；压缩空气子系统利用风力发电机组与小汽轮机驱动。
布雷顿循环发电子系统包括预热器、过热器、再热器、高压透平、低压透平、初级压缩机、二级压缩机、第一冷凝器、第二冷凝器、发电机；高压透平、低压透平、初级压缩机、二级压缩机和发电机采用同轴连接，用高压透平、低压透平的轴功为初级压缩机、二级压缩机提供动力；低压透平与预热器连接，利用做完功的工质余热对高压工质进行预热，预热器与第一三通阀换热器连接，第一三通阀换热器与第一冷凝器连接，第一冷凝器与初级压缩机连接，初级压缩机与第二三通阀换热器连接，第二三通阀换热第二器与冷凝器连接，第二冷凝器与二级压缩机连接，二级压缩机与预热器连接，预热器与过热器连接，过热器与高压透平连接，高压透平与再热器连接，再热器与低压透平连接，由低压透平出来的工质进入预热器进行上述循环。
布雷顿循环中采用氦气作为工质。
塔式太阳能集热子系统包括塔式太阳能集热器、储热罐、第二控制阀、第三控制阀、空气泵；储热罐工质出口分为两路，一路与第二控制阀相连，第二控制阀出口与过热器低温工质的进口相连，过热器与空气泵连接；另一路与第三控制阀相连，第三控制阀与再热器连接，再热器与空气泵连接。
风力较小时采用小汽轮机为空气泵提供动力，风力较大时采用风力发电机组为空气泵提供动力。
布雷顿循环发电子系统中循环工质氦气被压缩前的余热用来驱动有机朗肯循环发电子系统、溴化锂吸收式制冷及制热子系统，并根据用户侧冷热电负荷的变化进行智能调节。
调节方式为：当处于冬春季节，空气中湿度较大，温度较低时，第一三通阀换热器和第二三通阀换热器利用氦气余热为两级有机朗肯循环发电子系统和溴化锂吸收式制热子系统提供热量；当处于夏秋季节，空气中湿度较小，温度较高时，第一三通阀换热器和第二三通阀换热器利用氦气余热为两级有机朗肯循环发电子系统和溴化锂吸收式制冷子系统提供热量。
通过调节第二控制阀与第三控制阀的开度改变进入过热器与再热器的质量流量，从而控制工质在过热器与再热器内吸收的热量，使系统安全稳定运行。
塔式太阳能集热子系统采用空气作为循环工质。
有机朗肯循环发电子系统采用R245fa作为循环工质。
布雷顿循环发电子系统中的余热采用有机朗肯循环发电子系统、溴化锂吸收式制冷及供热子系统进行回收，从而实现能量的最大化利用，提高系统热效率。
该系统作为一种分布式供能系统，在源头采用太阳能，风能可再生能源，末端以冷，热，电三种能源供给用户，实现绿色与人性化设计。
三通阀换热器实现冷，热，电智能切换，当需要制热时，三通阀换热器可以将制冷管路关闭，氦气余热供给制热系统；需要制冷时，关闭制热管路，将氦气余热供给制冷管路；当既不需要制冷也不需要制热时，可以将氦气余热供给有机朗肯循环管路，将余热全部用来发电。
采用两级压缩，级间冷却的方式对氦气进行压缩，既可以提高压缩效率，也可以充分利用系统余热对外输出冷量和热量，提升系统实用性。
布雷顿循环发电子系统采用再热的方式，即利用从塔式太阳能集热器分出来的一部分热源对透平1出来的氦气进行再一次加热，增大了布雷顿环发电子系统的输出功，提高系统效率。
【附图说明】
图1是本发明一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统的整体结构示意图；
图2是本发明的一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统的T-S图。
图中：1、高压透平，2、低压透平，3、过热器，4、再热器，5、预热器，6、第一三通阀换热器，7、第一冷凝器，8、初级压缩机，9、第二三通阀换热器，10、第二冷凝器，11、二级压缩机，12、储热罐，13、接收器，14、集热塔，15、定日镜，16、空气泵，17、小燃气轮机，18、风力发电机，19、变速箱，20、第一透平，21、第三冷凝器，22、第一压缩机，23、供热，24、第二透平，25、第四冷凝器，26、第二压缩机，27、制冷，28、发电机。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参见图1，示出了本发明的一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统。该包括布雷顿循环发电子系统、塔式太阳能集热子系统、风机与小汽机驱动的压缩空气子系统、利用余热的有机朗肯循环发电子系统和溴化锂吸收式制冷及制热子系统。
布雷顿循环发电子系统装置包括预热器5、过热器3、再热器4、高压透平1、低压透平2、初级压缩机8、二级压缩机11、第一冷凝器7、第二冷凝器10、发电机28。低压透平2的出口与预热器5高温换热工质的进口相连，预热器5高温换热工质的出口与第一三通阀换热器6高温工质的进口相连，第一三通阀换热器6高温换热工质的出口与第一冷凝器7的高温工质进口相连，第一冷凝器7的高温工质出口与初级压缩机8的工质进口相连，初级压缩机8的工质出口与第二三通阀换热器9高温工质的进口相连，第二三通阀换热器9高温工质的出口与第二冷凝器10的高温进口相连，第二冷凝器10的高温出口与二级压缩机11的工质进口相连，二级压缩机11的工质出口与预热器5低温换热工质的进口相连，预热器5的低温换热工质出口与过热器3低温换热工质的进口相连，过热器3低温换热工质的出口与高压透平1工质进口相连，高压透平1工质出口与再热器4低温换热工质进口相连，再热器4低温换热工质出口与低压透平2工质进口相连，由低压透平2出来的工质进入预热器5重复上述循环。
塔式太阳能集热子系统包括塔式太阳能集热器、储热罐12、第二控制阀F2、第三控制阀F3。太阳能集热器包括定日镜15、接收器13和集热塔14，定日镜15安装在集热塔14的周围，接收器13安装在集热塔14的顶端，阳光经定日镜15反射后集中在接收器13上吸收热量，接收器13空气出口与储热罐12工质进口相连，储热罐12工质出口分为两路，一路与第二控制阀F2相连，另一路与第三控制阀F3相连，第二控制阀F2出口与过热器3低温工质的进口相连，过热器3低温工质的出口与空气泵16的工质进口相连，第三控制阀F3出口与再热器4低温工质进口相连，再热器4低温换热工质出口与空气泵16的工质进口相连，空气泵16的工质出口与集热塔14的工质进口相连，集热塔14的工质出口与接收器13的工质进口相连，接收器13的工质出口与储热罐12的工质进口相连。
储热罐12白天储存来自集热塔的额外热量，当晚上太阳落山以后或光照不足时，布雷顿循环发电子系统中的工质便可以继续吸收储热罐12中储存的热量，使系统正常运行。
风机与小汽机驱动的压缩空气子系统包括第一控制阀F1、小汽轮机17、风力发电机组18、变速器19、空气泵16。高压透平1抽气出口与第一控制阀F1工质进口相连，第一控制阀F1工质出口与小汽轮机17的工质进口相连，小汽轮机17的出口工质与高压透平1的出口工质混合后共同进入再热器4低温换热工质的进口，小汽轮机17与空气泵16同轴相连接，小汽轮机输出的功带动空气泵16来压缩空气，风力发电机组18与变速箱19相连，变速箱与空气泵16相连。当风力充足时由风机带动空气泵16；当风力不足时，通过调节第一控制阀F1的开度改变氦气质量流量，保证风机与小汽轮机输出的轴功带动空气泵16。
利用余热的有机朗肯循环发电子系统包括ORC1、ORC2，其中ORC1包含第一三通阀换热器6、第一透平20、第三冷凝器21、第一压缩机22；ORC2中包含第二三通阀换热器9、第二透平24、第四凝汽器25、第二压缩机26。ORC1中的第一三通阀换热器6的工质R245fa出口与第一透平20进口相连，第一透平20工质出口与第三冷凝器21高温工质进口相连，第三冷凝器21高温工质出口与第一压缩机22的工质进口相连，第一压缩机22的工质出口与第一三通阀换热器6中工质R245fa相连。ORC2中第二三通阀换热器9工质R245fa出口与第二透平24进口相连，第二透平24工质出口与第四冷凝器25高温工质进口相连，第四冷凝器25高温工质出口与第二压缩机26的工质进口相连，第二压缩机26的工质出口与第二三通阀换热器9中工质R245fa相连。在ORC1与ORC2中，工质R245fa分别进行循环。
溴化锂吸收式制冷及制热子系统通过第一三通阀换热器6与第二三通阀换热器9吸收氦气余热，在冬、春季节空气湿度较大，温度较低时，溴化锂吸收式制热子系统通过第一三通阀换热器6利用氦气余热得到热量，第二三通阀换热器9只将氦气余热提供给有机朗肯循环发电子系统，此时溴化锂吸收式制冷子系统停止工作；在夏秋季节空气湿度小，温度较高时，溴化锂吸收式制冷系统通过第二三通阀换热器9利用氦气余热得到冷量，第一三通阀换热器6只将氦气余热提供给有机朗肯循环发电子系统，此时制热子系统停止工作。
当空气泵所需动力全部由风机驱动时，高压透平1抽气流量为0，得出热力学分析基础数据如表1。该表是用热力学模拟软件对系统模拟的结果，可以直观的看到系统各个节点的热力学参数。

Claims (10)

1.一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统，包括布雷顿循环发电子系统、塔式太阳能集热子系统、压缩空气子系统、有机朗肯循环发电子系统、溴化锂吸收式制冷及制热子系统，其特征在于：所述塔式太阳能集热子系统为所述布雷顿循环子系统提供热量；所述有机朗肯循环发电子系统和所述溴化锂吸收式制冷及制热子系统利用所述布雷顿循环发电子系统的余热工作；所述压缩空气子系统利用风力发电机组与小汽轮机驱动。
2.根据权利要求1所述的一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统，其特征在于：所述布雷顿循环发电子系统包括预热器、过热器、再热器、高压透平、低压透平、初级压缩机、二级压缩机、第一冷凝器、第二冷凝器、发电机；所述高压透平、低压透平、初级压缩机、二级压缩机和发电机采用同轴连接，用所述高压透平、低压透平的轴功为所述初级压缩机、二级压缩机提供动力；所述低压透平与所述预热器连接，利用做完功的工质余热对高压工质进行预热，所述预热器与第一三通阀换热器连接，所述第一三通阀换热器与所述第一冷凝器连接，所述第一冷凝器与所述初级压缩机连接，所述初级压缩机与第二三通阀换热器连接，所述第二三通阀换热器与所述第二冷凝器连接，所述第二冷凝器与所述二级压缩机连接，所述二级压缩机与所述预热器连接，所述预热器与所述过热器连接，所述过热器与所述高压透平连接，所述高压透平与所述再热器连接，所述再热器与所述低压透平连接，由所述低压透平出来的工质进入所述预热器进行上述循环。
3.根据权利要求2所述的一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统，其特征在于：所述布雷顿循环中采用氦气作为工质。
4.根据权利要求2所述的一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统，其特征在于：所述塔式太阳能集热子系统包括塔式太阳能集热器、储热罐、第二控制阀、第三控制阀、空气泵；所述储热罐工质出口分为两路，一路与所述第二控制阀相连，所述第二控制阀出口与所述过热器低温工质的进口相连，所述过热器与所述空气泵连接；另一路与所述第三控制阀相连，所述第三控制阀与所述再热器连接，所述再热器与所述空气泵连接。
5.根据权利要求1所述的一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统，其特征在于：风力较小时采用所述小汽轮机为所述空气泵提供动力，风力较大时采用所述风力发电机组为所述空气泵提供动力。
6.根据权利要求3所述的一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统，其特征在于：所述布雷顿循环发电子系统中循环工质氦气被压缩前的余热用来驱动所述有机朗肯循环发电子系统、溴化锂吸收式制冷及制热子系统，并根据用户侧冷热电负荷的变化进行智能调节。
7.根据权利要求6所述的一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统，其特征在于，所述调节方式为：当处于冬春季节，空气中湿度较大，温度较低时，所述第一三通阀换热器和所述第二三通阀换热器利用氦气余热为两级有机朗肯循环发电子系统和溴化锂吸收式制热子系统提供热量；当处于夏秋季节，空气中湿度较小，温度较高时，所述第一三通阀换热器和所述第二三通阀换热器利用氦气余热为两级有机朗肯循环发电子系统和溴化锂吸收式制冷子系统提供热量。
8.根据权利要求4所述的一种利用塔式太阳能驱动的布雷顿分布式供能系统，其特征在于：通过调节所述第二控制阀与所述第三控制阀的开度来改变进入所述过热器与所述再热器的质量流量，从而控制工质在所述过热器与所述再热器内吸收的热量，使系统安全稳定运行。
9.根据权利要求1所述的一种利用塔式太阳能驱动布雷顿分布式供能系统，其特征在于：所述塔式太阳能集热子系统采用空气作为循环工质。
10.根据权利要求1所述的一种利用塔式太阳能来驱动的布雷顿分布式供能系统，其特征在于：所述有机朗肯循环发电子系统采用R245fa作为循环工质。
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