CN109340066B - 一种超临界二氧化碳太阳能发电储能一体化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超临界二氧化碳太阳能发电与储能一体化系统，整个系统应用于可再生能源和智能电网领域。主要设备包括太阳能集热器、换热器、导热油泵、管道、熔融盐储罐、阀门、主压缩机、再压缩机、高温回热器、低温回热器、透平、电动/发电机、冷凝器、离合器、控制系统等组成。本发明不仅可以应用于太阳能热发电，还可以从电网中获取能量，辅助电网调峰，此外设备所需要的冗余度更小，系统可靠性更高。
Description
技术领域
本发明属于太阳能热发电与智能电网以及分布式能源领域，涉及一种太阳能利用技术，特别涉及超临界二氧化碳太阳能发电与储能一体化系统。
背景技术
由于化石能源的开发，雾霾、酸雨、光化学烟雾等问题随之凸显，此外化石能源属于不可再生能源，所以应尽可能地使用可再生式能源，如太阳能、风能及生物质能等。开发太阳能，提高电力来源中太阳能的占比有助于解决能源短缺和环境污染问题。
太阳能的热利用主要有太阳能热水器、光伏发电等，但是这些发电方式有两个突出的问题，一是本身发电效率并不高，二是太阳能虽然是清洁能源，但是太阳能很不稳定，电网负荷本身也是不断波动，太阳能并网容易给电网带来冲击，因此又被称为垃圾电。
超临界二氧化碳是最常见的超临界流体之一，无污染且易获取。超临界二氧化碳再压缩循环已经被证明热效率可以达到30-50％。此外超临界二氧化碳密度大，因此循环的设备体积小，因此便于制造，降低成本。
发明内容
针对现有太阳能热利用技术中所存在的上述缺点和不足，本发明的目的在于提供一种超临界二氧化碳太阳能发电储能一体化系统，利用该系统实现太阳能高效发电，该系统可在电网用电低谷期进行蓄电、蓄热，在用电高峰期将储存的电能释放或利用所蓄热量发电，向电网供电。该系统的另一优势在于当某一压缩机或透平故障时，系统通过单个压缩机或透平仍然可以实现额定功率运转。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种超临界二氧化碳太阳能发电储能一体化系统，包括太阳能集热储热单元和动力单元，其特征在于，
--所述太阳能集热储热单元，包括太阳能集热器、加热器、低温熔融盐储罐、高温熔融盐储罐、油盐换热器，所述加热器为一导热油/超临界二氧化碳换热器，所述太阳能集热器、加热器的高温侧、油盐换热器的导热油换热侧通过管路依次连通形成一循环回路，且在所述加热器高温侧的进口管路和出口管路之间还设置一带有控制阀门的蓄热旁路，所述加热器高温侧的进口处设置一控制阀门；所述油盐换热器的熔融盐换热侧一端与所述低温熔融盐储罐连通，另一端与所述高温熔融盐储罐连通；
--所述动力单元，包括第一压缩机、第一透平、第一电动/发电机、第一回热器、冷凝器、第一高压超临界二氧化碳储罐、第一低压超临界二氧化碳储罐，其中，
所述第一压缩机的进气口与所述第一低压超临界二氧化碳储罐的出口通过带有阀门的管路连通，所述第一压缩机的排气口与所述第一高压超临界二氧化碳储罐的进口连通；
所述第一高压超临界二氧化碳储罐的出口依次经所述第一回热器的冷侧、加热器的低温侧与所述第一透平的进气口连通，所述第一高压超临界二氧化碳储罐的出口还通过一带有阀门的主压旁路与所述第一透平的进气口连通，且所述第一回热器的冷侧进口处设有阀门v2；
所述第一透平包括带有阀门的排气管路、带有阀门的回热旁路，排气管路依次经所述第一回热器的热侧、冷凝器的热侧与所述第一低压超临界二氧化碳储罐的进口连通，回热旁路经所述冷凝器的热侧与所述第一低压超临界二氧化碳储罐的进口连通；
所述第一高压超临界二氧化碳储罐的进口和出口之间还设有一带有阀门的第一高压旁通管路，所述第一低压超临界二氧化碳储罐的进口和出口之间还设有一带有阀门的第一低压旁通管路；
所述第一电动/发电机的两端分别通过一离合器与第一压缩机、第一透平机械连接。
优选地，所述太阳能集热储热单元还包括一导热油泵，所述导热油泵设置在所述循环回路上，用以驱动所述循环回路中的导热油在各部件之间循环流动。
优选地，所述太阳能集热储热单元还包括一膨胀箱，所述膨胀箱设置在所述太阳能集热器的出口管路上，以适应导热油受热体积增大以及在导热油不足时进行补充。
进一步地，所述膨胀箱上还设有导热油补充管路和导热油排放管路。
优选地，所述冷凝器的冷侧通入冷却液。
优选地，本发明的超临界二氧化碳太阳能发电储能一体化系统，包括太阳能集热储热工作模式、正常发电循环工作模式、压缩储能工作模式、膨胀释能工作模式。
进一步地，当太阳能充足时，启动太阳能集热储热工作模式，此时，太阳能集热储热单元中的导热油进入所述太阳能集热器中，加热后的高温导热油绕过所述加热器高温侧，经所述蓄热旁路通入所述油盐换热器的导热油换热侧，所述低温熔融盐储罐中的低温熔融盐被输送至所述油盐换热器的熔融盐换热侧而被导热油换热侧中的高温导热油加热至储热温度后，通入所述高温熔融盐储罐中。
进一步地，当电网需要电能时，若太阳能充足或太阳能不足而储热充足，启动正常发电循环工作模式，此时，所述第一电动/发电机切换为发电机模式且其两端的离合器同时处于连接状态，打开所述高压旁通管路、低压旁通管路，关闭所述主压旁路、回热旁路，并关闭太阳能集热储热单元中的蓄热旁路，所述第一压缩机产生的高压超临界二氧化碳依次经所述高压旁通管路、第一回热器的冷侧、所述加热器的低温侧后通入所述第一透平，所述第一透平做功后的超临界二氧化碳乏气依次经所述第一回热器的热侧、冷凝器的热侧后通入所述第一压缩机再次进行压缩。
进一步地，当电网电能过剩时，所述系统切换至压缩储能工作模式，此时，仅打开所述第一低压超临界二氧化碳储罐、第一压缩机、第一高压超临界二氧化碳储罐三个部件之间的连通管路，所述第一电动/发电机切换为电动机模式，电网为所述第一电动/发电机供电，所述第一电动/发电机透平端的离合器断开，压缩机端的离合器连接，所述第一低压超临界二氧化碳储罐中的低压超临界二氧化碳进入所述第一压缩机，所述第一压缩机将低压超临界二氧化碳压缩为高压超临界二氧化碳后通入并储存在所述第一高压超临界二氧化碳储罐中，完成电网电能的存储。
进一步地，当电网需要电能时，若太阳能不足且储热也不足，所述系统切换至膨胀释能工作模式，此时，所述第一电动/发电机切换为发电机模式且其压缩机端的离合器断开、透平端的离合器连接，仅打开所述第一高压超临界二氧化碳储罐与第一透平之间的主压旁路以及所述第一透平的回热旁路，所述第一高压超临界二氧化碳储罐中的高压超临界二氧化碳通过所述主压旁路直接进入所述第一透平做功，做功之后的低压超临界二氧化碳通过所述回热旁路直接返回所述第一低压超临界二氧化碳储罐，完成蓄能的释放。
进一步地，所述超临界二氧化碳太阳能发电储能一体化系统，还包括第二压缩机、第二透平、第二电动/发电机、第二回热器、第一分流器、第二分流器、第二高压超临界二氧化碳储罐、第二低压超临界二氧化碳储罐，其中，
所述第二压缩机的进气口与所述第二低压超临界二氧化碳储罐的出口通过带有阀门v3’的管路连通，所述第二压缩机的排气口与所述第二高压超临界二氧化碳储罐的进口连通；
所述第一高压超临界二氧化碳储罐的出口依次经所述阀门v2、第一回热器的冷侧、阀门v2’、第二回热器的冷侧、加热器的低温侧与所述第二分流器的进口连通，所述第二分流器的两个出口分别与所述第一透平、第二透平的进气口连通；
所述第二高压超临界二氧化碳储罐的出口与阀门v2’的进口管路连通，且阀门v2’的进口管路与所述第二透平的进气口之间通过一带有阀门v1’的再压旁路连通；
所述第一透平、第二透平的排气管路依次经所述阀门v8、第二回热器的热侧、第一回热器的热侧与第一分流器的进口连通，所述第一分流器的第一出口经冷凝器的热侧与所述第一低压超临界二氧化碳储罐的进口连通，所述第一分流器的第二出口与所述第二低压超临界二氧化碳储罐的进口连通，所述第一透平、第二透平的回热旁路与所述第一分流器的进口连通；
所述第二高压超临界二氧化碳储罐的进口和出口之间还设有一带有阀门的第二高压旁通管路，所述第二低压超临界二氧化碳储罐的进口和出口之间还设有一带有阀门的第二低压旁通管路；
所述第二电动/发电机的两端分别通过一离合器与第二压缩机、第二透平机械连接。
优选地，当电网需要电能时，若太阳能充足或太阳能不足而储热充足，启动正常发电循环工作模式，此时，所述第一电动/发电机、第二电动/发电机均切换为发电机模式且其两端的离合器同时处于连接状态，打开所述第一高压旁通管路、第一低压旁通管路、第二高压旁通管路、第二低压旁通管路，关闭所述主压旁路、再压旁路、回热旁路，并关闭太阳能集热储热单元中的蓄热旁路，所述第一压缩机产生的高压超临界二氧化碳依次经所述第一高压旁通管路、第一回热器的冷侧后，与所述第二压缩机产生的高压超临界二氧化碳汇流，之后依次经第二回热器的冷侧、所述加热器的低温侧后通入所述第二分流器的进口，所述第二分流器的两个出口分别连接所述第一透平、第二透平的进气口，所述第一透平、第二透平做功后的超临界二氧化碳乏气依次经所述第二回热器的热侧、第一回热器的热侧后通入所述第一分流器的进口，所述第一分流器的两个出口将所述超临界二氧化碳乏气分为两路，一路经所述冷凝器的热侧后经所述第一低压旁通管路通入所述第一压缩机再次进行压缩，另一路经所述第二低压旁通管路通入所述第二压缩机再次进行压缩。
进一步地，在正常发电循环工作模式下，当所述第一压缩机、第一电动/发电机、和/或第一透平发生故障时，所述第一分流器将与所述冷凝器连通的一路的分流比调整为0，所述第二分流器将与所述第一透平连通的一路的分流比调整为0，并分别关闭阀门v2、v3，所有超临界二氧化碳完全由所述第二压缩机进行压缩，并完全由所述第二透平膨胀做功，此时需提高第二压缩机和第二透平的转速，保证其与增大的流量匹配。
进一步地，在正常发电循环工作模式下，当所述第二压缩机、第二电动/发电机、和/或第二透平发生故障时，所述第一分流器将与所述第二压缩机连通的一路的分流比调整为0，所述第二分流器将与所述第二透平连通的一路的分流比调整为0，并分别关闭阀门v3’，所有超临界二氧化碳完全由所述第一压缩机进行压缩，并完全由所述第一透平膨胀做功，此时需提高第一压缩机和第一透平的转速，保证其与增大的流量匹配。
优选地，当电网电能过剩时，所述系统切换至压缩储能工作模式，此时，仅打开所述第一低压超临界二氧化碳储罐、第一压缩机、第一高压超临界二氧化碳储罐之间的连通管路、以及所述第二低压超临界二氧化碳储罐、第二压缩机、第二高压超临界二氧化碳储罐之间的连通管路，所述第一电动/发电机、第二电动/发电机切换为电动机模式，电网为所述第一电动/发电机、第二电动/发电机供电，所述第一电动/发电机、第二电动/发电机透平端的离合器断开，压缩机端的离合器连接，所述第一低压超临界二氧化碳储罐中的低压超临界二氧化碳进入所述第一压缩机，所述第二低压超临界二氧化碳储罐中的低压超临界二氧化碳进入所述第二压缩机，所述第一压缩机将低压超临界二氧化碳压缩为高压超临界二氧化碳后通入并储存在所述第一高压超临界二氧化碳储罐中，所述第二压缩机将低压超临界二氧化碳压缩为高压超临界二氧化碳后通入并储存在所述第二高压超临界二氧化碳储罐中，完成电网电能的存储。
优选地，当电网需要电能时，若太阳能不足且储热也不足，所述系统切换至膨胀释能工作模式，此时，所述第一电动/发电机、第二电动/发电机切换为发电机模式且其压缩机端的离合器断开、透平端的离合器连接，仅打开所述第一高压超临界二氧化碳储罐与第一透平之间的主压旁路、所述第二高压超临界二氧化碳储罐与第二透平之间的再压旁路以及所述第一透平的回热旁路，所述第一高压超临界二氧化碳储罐中的高压超临界二氧化碳通过所述主压旁路直接进入所述第一透平做功，所述第二高压超临界二氧化碳储罐中的高压超临界二氧化碳通过所述再压旁路直接进入所述第二透平做功，做功之后的低压超临界二氧化碳通过所述回热旁路并经过所述第一分流器被分别分流至所述第一低压超临界二氧化碳储罐、第二低压超临界二氧化碳储罐，完成蓄能的释放。
同现有技术相比，本发明的超临界二氧化碳太阳能发电储能一体化系统系统具有显著的技术效果：(1)不仅可以进行高效太阳能热发电，而且可以根据太阳能辐照度和电网负荷的波动进行电能的存储和释放，这样较小了太阳能对电网的冲击，甚至可以起到协助维持稳定的作用。(2)发电与储能共用一套设备，实现了多功能化，提高了设备利用率并减小了投资。(3)利用可连续调节分流器，降低了系统所需要的设备冗余度，甚至不需要备用电机，在某一旋转机械故障时仍然可以满负荷工作。(4)电网在低负荷阶段内，可以同时进行蓄热和储电。
附图说明
图1为本发明的超临界二氧化碳太阳能发电储能一体化系统的实施例1的结构示意图；
图2为本发明的超临界二氧化碳太阳能发电储能一体化系统的实施例2的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本实施例的超临界二氧化碳太阳能发电储能一体化系统，包括太阳能集热储热单元Ⅰ和动力单元。其中，太阳能集热储热单元Ⅰ，包括太阳能集热器1、加热器2、导热油泵3、膨胀箱4、低温熔融盐储罐5、高温熔融盐储罐6、油盐换热器7，所述加热器2为一导热油/超临界二氧化碳换热器，所述太阳能集热器1、膨胀箱4、加热器2的高温侧、油盐换热器7的导热油换热侧、导热油泵3通过管路依次连通形成一循环回路，且在所述加热器2高温侧的进口管路和出口管路之间还设置一带有控制阀门v7的蓄热旁路，所述加热器2高温侧的进口处设置一控制阀门v4；所述油盐换热器7的熔融盐换热侧一端与所述低温熔融盐储罐5连通，另一端与所述高温熔融盐储罐6连通。在系统回路中设置膨胀箱4，其目的是适应导热油受热而体积增大以及在导热油不足时进行补充的作用。此外，所述膨胀箱4上还设有带阀门v5的导热油补充管路、带阀门v6的导热油排放管路，需要更换导热油时，阀门v6打开，放掉旧导热油，新的导热油从阀门v5处添加。
继续参见图1，本发明的动力单元，包括第一压缩机8、第一透平9、第一电动/发电机10、第一回热器11、冷凝器13、第一高压超临界二氧化碳储罐16、第一低压超临界二氧化碳储罐17，其中，所述第一压缩机8的进气口与所述第一低压超临界二氧化碳储罐17的出口通过带有阀门v3的管路连通，所述第一压缩机8的排气口与所述第一高压超临界二氧化碳储罐16的进口连通；所述第一高压超临界二氧化碳储罐16的出口依次经所述第一回热器11的冷侧、加热器2的低温侧与所述第一透平9的进气口连通，所述第一高压超临界二氧化碳储罐16的出口还通过一带有阀门v1的主压旁路与所述第一透平9的进气口连通，且所述第一回热器11的冷侧进口处设有阀门v2；所述第一透平9包括带有阀门v8的排气管路、带有阀门v9的回热旁路，排气管路依次经所述第一回热器11的热侧、冷凝器13的热侧与所述第一低压超临界二氧化碳储罐17的进口连通，回热旁路经所述冷凝器13的热侧与所述第一低压超临界二氧化碳储罐17的进口连通；所述第一高压超临界二氧化碳储罐16的进口和出口之间还设有一带有阀门v10的第一高压旁通管路，所述第一低压超临界二氧化碳储罐17的进口和出口之间还设有一带有阀门v11的第一低压旁通管路；所述冷凝器13的冷侧通入冷却液；所述第一电动/发电机10的两端分别通过一离合器15与第一压缩机8、第一透平9机械连接。
本发明的超临界二氧化碳太阳能发电储能一体化系统，包括太阳能集热储热工作模式、正常发电循环工作模式、压缩储能工作模式、膨胀释能工作模式。
当太阳能充足时，启动太阳能集热储热工作模式，此时，太阳能集热储热单元Ⅰ中的导热油在导热油泵3的驱动下进入所述太阳能集热器1中，加热后的高温导热油绕过所述加热器2高温侧，经所述蓄热旁路通入所述油盐换热器7的导热油换热侧，所述低温熔融盐储罐5中的低温熔融盐被输送至所述油盐换热器7的熔融盐换热侧而被导热油换热侧中的高温导热油加热至储热温度后，通入所述高温熔融盐储罐6中。
当电网需要电能时，若太阳能充足或太阳能不足而储热充足，启动正常发电循环工作模式，此时，所述第一电动/发电机10切换为发电机模式且其两端的离合器15同时处于连接状态，打开所述高压旁通管路、低压旁通管路，关闭所述主压旁路、回热旁路，并关闭太阳能集热储热单元Ⅰ中的蓄热旁路，所述第一压缩机8产生的高压超临界二氧化碳依次经所述高压旁通管路、第一回热器11的冷侧、所述加热器2的低温侧后通入所述第一透平9，所述第一透平9做功后的超临界二氧化碳乏气依次经所述第一回热器11的热侧、冷凝器13的热侧后通入所述第一压缩机8再次进行压缩。在正常发电循环工作模式下，导热油在所述导热油泵3的驱动下，经过所述太阳能集热器1获得热量，再经过所述加热器2的高温侧将热量释放，加热位于低温侧中的超临界二氧化碳；低温侧的超临界二氧化碳加热至400-500℃后，进入第一透平9做功带动所述第一电动/发电机10和第一压缩机8，做功后的超临界二氧化碳乏气进入所述第一回热器11的热侧释放余热，并经过所述冷凝器13的热侧进一步降温后通入所述第一压缩机8的进气口，所述第一压缩机8产生的高压超临界二氧化碳通入第一回热器11、加热器2吸收热量，完成正常发电循环。
当电网电能过剩时，所述系统切换至压缩储能工作模式，此时，仅打开所述第一低压超临界二氧化碳储罐17、第一压缩机8、第一高压超临界二氧化碳储罐16三个部件之间的连通管路，所述第一电动/发电机10切换为电动机模式，电网为所述第一电动/发电机10供电，所述第一电动/发电机10透平端的离合器15断开，压缩机端的离合器15连接，所述第一低压超临界二氧化碳储罐17中的低压超临界二氧化碳进入所述第一压缩机8，所述第一压缩机8将低压超临界二氧化碳压缩为高压超临界二氧化碳后通入并储存在所述第一高压超临界二氧化碳储罐16中，完成电网电能的存储。
当电网需要电能时，若太阳能不足且储热也不足，所述系统切换至膨胀释能工作模式，此时，所述第一电动/发电机10切换为发电机模式且其压缩机端的离合器15断开、透平端的离合器15连接，仅打开所述第一高压超临界二氧化碳储罐16与第一透平9之间的主压旁路以及所述第一透平9的回热旁路，所述第一高压超临界二氧化碳储罐16中的高压超临界二氧化碳通过所述主压旁路直接进入所述第一透平9做功，做功之后的低压超临界二氧化碳通过所述回热旁路直接返回所述第一低压超临界二氧化碳储罐17，完成蓄能的释放。
实施例2
图2为本发明的实施例2的结构示意图，其中的太阳能集热储热单元Ⅰ的结构与工作方式与实施例1完全相同，与实施例1所不同的是，本实施例的动力单元，还包括第二压缩机8’、第二透平9’、第二电动/发电机10’、第二回热器12、第一分流器14、第二分流器14’、第二高压超临界二氧化碳储罐16’、第二低压超临界二氧化碳储罐17’，其中，所述第二压缩机8’的进气口与所述第二低压超临界二氧化碳储罐17’的出口通过带有阀门v3’的管路连通，所述第二压缩机8’的排气口与所述第二高压超临界二氧化碳储罐16’的进口连通；所述第一高压超临界二氧化碳储罐16的出口依次经所述阀门v2、第一回热器11的冷侧、阀门v2’、第二回热器12的冷侧、加热器2的低温侧与所述第二分流器14’的进口连通，所述第二分流器14’的两个出口分别与所述第一透平9、第二透平9’的进气口连通；所述第二高压超临界二氧化碳储罐16’的出口与阀门v2’的进口管路连通，且阀门v2’的进口管路与所述第二透平9’的进气口之间通过一带有阀门v1’的再压旁路连通；所述第一透平9、第二透平9’的排气管路依次经所述阀门v8、第二回热器12的热侧、第一回热器11的热侧与第一分流器14的进口连通，所述第一分流器14的第一出口经冷凝器13的热侧与所述第一低压超临界二氧化碳储罐17的进口连通，所述第一分流器14的第二出口与所述第二低压超临界二氧化碳储罐17’的进口连通，所述第一透平9、第二透平9’的回热旁路与所述第一分流器14的进口连通；所述第二高压超临界二氧化碳储罐16’的进口和出口之间还设有一带有阀门v10’的第二高压旁通管路，所述第二低压超临界二氧化碳储罐17’的进口和出口之间还设有一带有阀门v11’的第二低压旁通管路；所述第二电动/发电机10’的两端分别通过一离合器15’与第二压缩机8’、第二透平9’机械连接。
本实施例的超临界二氧化碳太阳能发电储能一体化系统，也包括太阳能集热储热工作模式、正常发电循环工作模式、压缩储能工作模式、膨胀释能工作模式等多种工作模式。
当太阳能充足时，启动太阳能集热储热工作模式，由于本实施例中的太阳能集热储热单元Ⅰ的结构及布置方式与实施例1完全相同，因而本实施例中的太阳能集热储热工作模式，与实施例1也完全相同。
当电网需要电能时，若太阳能充足或太阳能不足而储热充足，启动正常发电循环工作模式，此时，所述第一电动/发电机10、第二电动/发电机10’均切换为发电机模式且其两端的离合器15、15’同时处于连接状态，打开所述第一高压旁通管路、第一低压旁通管路、第二高压旁通管路、第二低压旁通管路，关闭所述主压旁路、再压旁路、回热旁路，并关闭太阳能集热储热单元Ⅰ中的蓄热旁路，所述第一压缩机8产生的高压超临界二氧化碳依次经所述第一高压旁通管路、第一回热器11的冷侧后，与所述第二压缩机8’产生的高压超临界二氧化碳汇流，之后依次经第二回热器12的冷侧、所述加热器2的低温侧后通入所述第二分流器14’的进口，所述第二分流器14’的两个出口分别连接所述第一透平9、第二透平9’的进气口，所述第一透平9、第二透平9’做功后的超临界二氧化碳乏气依次经所述第二回热器12的热侧、第一回热器11的热侧后通入所述第一分流器14的进口，所述第一分流器14的两个出口将所述超临界二氧化碳乏气分为两路，一路经所述冷凝器13的热侧后经所述第一低压旁通管路通入所述第一压缩机8再次进行压缩，另一路经所述第二低压旁通管路通入所述第二压缩机8’再次进行压缩。
在正常发电循环工作模式下，导热油在所述导热油泵3的驱动下，经过所述太阳能集热器1获得热量，再经过所述加热器2的高温侧将热量释放，加热位于低温侧中的超临界二氧化碳；低温侧的超临界二氧化碳加热至400-500℃后，进入第一透平9、第二透平9’做功分别带动所述第一压缩机8和第一电动/发电机10、以及第二压缩机8’和第二电动/发电机10’，做功后的超临界二氧化碳乏气进入所述第一回热器11、第二回热器12的热侧释放余热，经第一分流器14分流至所述冷凝器13的一路超临界二氧化碳乏气经进一步降温后通入所述第一压缩机8的进气口，另一路超临界二氧化碳乏气则直接通入所述第二压缩机8’的进气口；所述第一压缩机8产生的高压超临界二氧化碳通入第一回热器11、第二回热器12、加热器2吸收热量，所述第二压缩机8’产生的高压超临界二氧化碳通入第二回热器12、加热器2吸收热量，完成正常发电循环。
进一步地，在正常发电循环工作模式下，当第一压缩机8、第一电动/发电机10、和/或第一透平9发生故障时，所述第一分流器14将与所述冷凝器13连通的一路的分流比调整为0，所述第二分流器14’将与所述第一透平9连通的一路的分流比调整为0，并分别关闭阀门v2、v3，所有超临界二氧化碳完全由所述第二压缩机8’进行压缩，并完全由所述第二透平9’膨胀做功，此时需提高第二压缩机8’和第二透平9’的转速，保证其与增大的流量匹配。
同样地，在正常发电循环工作模式下，当第二压缩机8’、第二电动/发电机10’、和/或第二透平9’发生故障时，所述第一分流器14将与所述第二压缩机8’连通的一路的分流比调整为0，所述第二分流器14’将与所述第二透平9’连通的一路的分流比调整为0，并分别关闭阀门v3’，所有超临界二氧化碳完全由所述第一压缩机8进行压缩，并完全由所述第一透平9膨胀做功，此时需提高第一压缩机8和第一透平9的转速，保证其与增大的流量匹配。
对于正常发电循环工作模式下，上述两种故障形式，利用可连续调节的第一、二分流器，降低了系统所需要的设备冗余度，甚至不需要备用电机，在某一旋转机械故障时仍然可以满负荷工作。
当电网电能过剩时，所述系统切换至压缩储能工作模式，此时，仅打开所述第一低压超临界二氧化碳储罐17、第一压缩机8、第一高压超临界二氧化碳储罐16之间的连通管路、以及所述第二低压超临界二氧化碳储罐17’、第二压缩机8’、第二高压超临界二氧化碳储罐16’之间的连通管路，所述第一电动/发电机10、第二电动/发电机10’切换为电动机模式，电网为所述第一电动/发电机10、第二电动/发电机10’供电，所述第一电动/发电机10、第二电动/发电机10’透平端的离合器15、15’断开，压缩机端的离合器15、15’连接，所述第一低压超临界二氧化碳储罐17中的低压超临界二氧化碳进入所述第一压缩机8，所述第二低压超临界二氧化碳储罐17’中的低压超临界二氧化碳进入所述第二压缩机8’，所述第一压缩机8将低压超临界二氧化碳压缩为高压超临界二氧化碳后通入并储存在所述第一高压超临界二氧化碳储罐16中，所述第二压缩机8’将低压超临界二氧化碳压缩为高压超临界二氧化碳后通入并储存在所述第二高压超临界二氧化碳储罐16’中，完成电网电能的存储。
当电网需要电能时，若太阳能不足且储热也不足，所述系统切换至膨胀释能工作模式，此时，所述第一电动/发电机10、第二电动/发电机10’切换为发电机模式且其压缩机端的离合器15、15’断开、透平端的离合器15、15’连接，仅打开所述第一高压超临界二氧化碳储罐16与第一透平9之间的主压旁路、所述第二高压超临界二氧化碳储罐16’与第二透平9’之间的再压旁路以及所述第一透平9的回热旁路，所述第一高压超临界二氧化碳储罐16中的高压超临界二氧化碳通过所述主压旁路直接进入所述第一透平9做功，所述第二高压超临界二氧化碳储罐16’中的高压超临界二氧化碳通过所述再压旁路直接进入所述第二透平9’做功，做功之后的低压超临界二氧化碳通过所述回热旁路并经过所述第一分流器14被分别分流至所述第一低压超临界二氧化碳储罐17、第二低压超临界二氧化碳储罐17’，完成蓄能的释放。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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范围之内。
Claims (16)
1.一种超临界二氧化碳太阳能发电储能一体化系统，包括太阳能集热储热单元和动力单元，其特征在于，
--所述太阳能集热储热单元，包括太阳能集热器、加热器、低温熔融盐储罐、高温熔融盐储罐、油盐换热器，所述加热器为一导热油/超临界二氧化碳换热器，所述太阳能集热器、加热器的高温侧、油盐换热器的导热油换热侧通过管路依次连通形成一循环回路，且在所述加热器高温侧的进口管路和出口管路之间还设置一带有控制阀门的蓄热旁路，所述加热器高温侧的进口处设置一控制阀门；所述油盐换热器的熔融盐换热侧一端与所述低温熔融盐储罐连通，另一端与所述高温熔融盐储罐连通；
--所述动力单元，包括第一压缩机、第一透平、第一电动/发电机、第一回热器、冷凝器、第一高压超临界二氧化碳储罐、第一低压超临界二氧化碳储罐，其中，
所述第一压缩机的进气口与所述第一低压超临界二氧化碳储罐的出口通过带有阀门的管路连通，所述第一压缩机的排气口与所述第一高压超临界二氧化碳储罐的进口连通；
所述第一高压超临界二氧化碳储罐的出口依次经所述第一回热器的冷侧、加热器的低温侧与所述第一透平的进气口连通，所述第一高压超临界二氧化碳储罐的出口还通过一带有阀门的主压旁路与所述第一透平的进气口连通，且所述第一回热器的冷侧进口处设有阀门v2；
所述第一透平包括带有阀门v8的排气管路、带有阀门v9的回热旁路，排气管路依次经所述第一回热器的热侧、冷凝器的热侧与所述第一低压超临界二氧化碳储罐的进口连通，回热旁路经所述冷凝器的热侧与所述第一低压超临界二氧化碳储罐的进口连通；
所述第一高压超临界二氧化碳储罐的进口和出口之间还设有一带有阀门的第一高压旁通管路，所述第一低压超临界二氧化碳储罐的进口和出口之间还设有一带有阀门的第一低压旁通管路；
所述第一电动/发电机的两端分别通过一离合器与第一压缩机、第一透平机械连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述太阳能集热储热单元还包括一导热油泵，所述导热油泵设置在所述循环回路上，用以驱动所述循环回路中的导热油在各部件之间循环流动。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述太阳能集热储热单元还包括一膨胀箱，所述膨胀箱设置在所述太阳能集热器的出口管路上，以适应导热油受热体积增大以及在导热油不足时进行补充。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述膨胀箱上还设有导热油补充管路和导热油排放管路。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷凝器的冷侧通入冷却液。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括太阳能集热储热工作模式、正常发电循环工作模式、压缩储能工作模式、膨胀释能工作模式。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，当太阳能充足时，启动太阳能集热储热工作模式，此时，太阳能集热储热单元中的导热油进入所述太阳能集热器中，加热后的高温导热油绕过所述加热器高温侧，经所述蓄热旁路通入所述油盐换热器的导热油换热侧，所述低温熔融盐储罐中的低温熔融盐被输送至所述油盐换热器的熔融盐换热侧而被导热油换热侧中的高温导热油加热至储热温度后，通入所述高温熔融盐储罐中。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，当电网需要电能时，若太阳能充足或太阳能不足而储热充足，启动正常发电循环工作模式，此时，所述第一电动/发电机切换为发电机模式且其两端的离合器同时处于连接状态，打开所述高压旁通管路、低压旁通管路，关闭所述主压旁路、回热旁路，并关闭太阳能集热储热单元中的蓄热旁路，所述第一压缩机产生的高压超临界二氧化碳依次经所述高压旁通管路、第一回热器的冷侧、所述加热器的低温侧后通入所述第一透平，所述第一透平做功后的超临界二氧化碳乏气依次经所述第一回热器的热侧、冷凝器的热侧后通入所述第一压缩机再次进行压缩。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，当电网电能过剩时，所述系统切换至压缩储能工作模式，此时，仅打开所述第一低压超临界二氧化碳储罐、第一压缩机、第一高压超临界二氧化碳储罐三个部件之间的连通管路，所述第一电动/发电机切换为电动机模式，电网为所述第一电动/发电机供电，所述第一电动/发电机透平端的离合器断开，压缩机端的离合器连接，所述第一低压超临界二氧化碳储罐中的低压超临界二氧化碳进入所述第一压缩机，所述第一压缩机将低压超临界二氧化碳压缩为高压超临界二氧化碳后通入并储存在所述第一高压超临界二氧化碳储罐中，完成电网电能的存储。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，当电网需要电能时，若太阳能不足且储热也不足，所述系统切换至膨胀释能工作模式，此时，所述第一电动/发电机切换为发电机模式且其压缩机端的离合器断开、透平端的离合器连接，仅打开所述第一高压超临界二氧化碳储罐与第一透平之间的主压旁路以及所述第一透平的回热旁路，所述第一高压超临界二氧化碳储罐中的高压超临界二氧化碳通过所述主压旁路直接进入所述第一透平做功，做功之后的低压超临界二氧化碳通过所述回热旁路直接返回所述第一低压超临界二氧化碳储罐，完成蓄能的释放。
11.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳太阳能发电储能一体化系统，还包括第二压缩机、第二透平、第二电动/发电机、第二回热器、第一分流器、第二分流器、第二高压超临界二氧化碳储罐、第二低压超临界二氧化碳储罐，其中，
所述第二压缩机的进气口与所述第二低压超临界二氧化碳储罐的出口通过带有阀门v3’的管路连通，所述第二压缩机的排气口与所述第二高压超临界二氧化碳储罐的进口连通；
所述第一高压超临界二氧化碳储罐的出口依次经所述阀门v2、第一回热器的冷侧、阀门v2’、第二回热器的冷侧、加热器的低温侧与所述第二分流器的进口连通，所述第二分流器的两个出口分别与所述第一透平、第二透平的进气口连通；
所述第二高压超临界二氧化碳储罐的出口与阀门v2’的进口管路连通，且阀门v2’的进口管路与所述第二透平的进气口之间通过一带有阀门v1’的再压旁路连通；
所述第一透平、第二透平的排气管路依次经所述阀门v8、第二回热器的热侧、第一回热器的热侧与第一分流器的进口连通，所述第一分流器的第一出口经冷凝器的热侧与所述第一低压超临界二氧化碳储罐的进口连通，所述第一分流器的第二出口与所述第二低压超临界二氧化碳储罐的进口连通，所述第一透平、第二透平的回热旁路与所述第一分流器的进口连通；
所述第二高压超临界二氧化碳储罐的进口和出口之间还设有一带有阀门的第二高压旁通管路，所述第二低压超临界二氧化碳储罐的进口和出口之间还设有一带有阀门的第二低压旁通管路；
所述第二电动/发电机的两端分别通过一离合器与第二压缩机、第二透平机械连接。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，当电网需要电能时，若太阳能充足或太阳能不足而储热充足，启动正常发电循环工作模式，此时，所述第一电动/发电机、第二电动/发电机均切换为发电机模式且其两端的离合器同时处于连接状态，打开所述第一高压旁通管路、第一低压旁通管路、第二高压旁通管路、第二低压旁通管路，关闭所述主压旁路、再压旁路、回热旁路，并关闭太阳能集热储热单元中的蓄热旁路，所述第一压缩机产生的高压超临界二氧化碳依次经所述第一高压旁通管路、第一回热器的冷侧后，与所述第二压缩机产生的高压超临界二氧化碳汇流，之后依次经第二回热器的冷侧、所述加热器的低温侧后通入所述第二分流器的进口，所述第二分流器的两个出口分别连接所述第一透平、第二透平的进气口，所述第一透平、第二透平做功后的超临界二氧化碳乏气依次经所述第二回热器的热侧、第一回热器的热侧后通入所述第一分流器的进口，所述第一分流器的两个出口将所述超临界二氧化碳乏气分为两路，一路经所述冷凝器的热侧后经所述第一低压旁通管路通入所述第一压缩机再次进行压缩，另一路经所述第二低压旁通管路通入所述第二压缩机再次进行压缩。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，在正常发电循环工作模式下，当所述第一压缩机、第一电动/发电机、和/或第一透平发生故障时，所述第一分流器将与所述冷凝器连通的一路的分流比调整为0，所述第二分流器将与所述第一透平连通的一路的分流比调整为0，并分别关闭阀门v2、v3，所有超临界二氧化碳完全由所述第二压缩机进行压缩，并完全由所述第二透平膨胀做功，此时需提高第二压缩机和第二透平的转速，保证其与增大的流量匹配。
14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，在正常发电循环工作模式下，当所述第二压缩机、第二电动/发电机、和/或第二透平发生故障时，所述第一分流器将与所述第二压缩机连通的一路的分流比调整为0，所述第二分流器将与所述第二透平连通的一路的分流比调整为0，并关闭阀门v3’，所有超临界二氧化碳完全由所述第一压缩机进行压缩，并完全由所述第一透平膨胀做功，此时需提高第一压缩机和第一透平的转速，保证其与增大的流量匹配。
15.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，当电网电能过剩时，所述系统切换至压缩储能工作模式，此时，仅打开所述第一低压超临界二氧化碳储罐、第一压缩机、第一高压超临界二氧化碳储罐之间的连通管路、以及所述第二低压超临界二氧化碳储罐、第二压缩机、第二高压超临界二氧化碳储罐之间的连通管路，所述第一电动/发电机、第二电动/发电机切换为电动机模式，电网为所述第一电动/发电机、第二电动/发电机供电，所述第一电动/发电机、第二电动/发电机透平端的离合器断开，压缩机端的离合器连接，所述第一低压超临界二氧化碳储罐中的低压超临界二氧化碳进入所述第一压缩机，所述第二低压超临界二氧化碳储罐中的低压超临界二氧化碳进入所述第二压缩机，所述第一压缩机将低压超临界二氧化碳压缩为高压超临界二氧化碳后通入并储存在所述第一高压超临界二氧化碳储罐中，所述第二压缩机将低压超临界二氧化碳压缩为高压超临界二氧化碳后通入并储存在所述第二高压超临界二氧化碳储罐中，完成电网电能的存储。
16.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，当电网需要电能时，若太阳能不足且储热也不足，所述系统切换至膨胀释能工作模式，此时，所述第一电动/发电机、第二电动/发电机切换为发电机模式且其压缩机端的离合器断开、透平端的离合器连接，仅打开所述第一高压超临界二氧化碳储罐与第一透平之间的主压旁路、所述第二高压超临界二氧化碳储罐与第二透平之间的再压旁路以及所述第一透平的回热旁路，所述第一高压超临界二氧化碳储罐中的高压超临界二氧化碳通过所述主压旁路直接进入所述第一透平做功，所述第二高压超临界二氧化碳储罐中的高压超临界二氧化碳通过所述再压旁路直接进入所述第二透平做功，做功之后的低压超临界二氧化碳通过所述回热旁路并经过所述第一分流器被分别分流至所述第一低压超临界二氧化碳储罐、第二低压超临界二氧化碳储罐，完成蓄能的释放。
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