CN109869924A - 一种太阳能热利用试验系统及其工作方法 - Google Patents

一种太阳能热利用试验系统及其工作方法 Download PDF

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朱勇
曹传钊
裴杰
郑建涛
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Abstract

本发明公开了一种太阳能热利用试验系统及其工作方法，包括太阳集热系统、储热系统、节流器、换热器、冷凝器及压缩机，其中，储热系统包括储热换热器、高温储热罐及低温储热罐；太阳集热系统的吸热侧出口及储热换热器吸热侧的一端与节流器的入口相连通，节流器的出口依次经换热器的放热侧、冷凝器、压缩机及换热器的吸热侧与储热换热器吸热侧的另一端及太阳集热系统的吸热侧入口相连通；高温储热罐与储热换热器放热侧的一端相连通，低温储热罐与储热换热器放热侧的另一端相连通，该系统及其工作方法能够用于超临界二氧化碳工质太阳能热利用试验中，并且成本较低。

Description

一种太阳能热利用试验系统及其工作方法
技术领域
本发明属于太阳能热利用技术领域，涉及一种太阳能热利用试验系统及其工作方法。
背景技术
随着人们对能源需求的进一步加大和对环保要求的进一步提高，可再生能源在人类一次能源中的比重逐渐提高。在可再生能源中，太阳能热发电技术作为唯一的非水可再生调节电源日益受到发电公司和电网公司的关注。
太阳能热发电(简称：光热发电)在技术形式上主要分为点聚焦(塔式和碟式)和线聚焦(槽式和线性菲涅尔式)，点聚焦和线聚焦系统中换热工质温度一般分别处于中高温和中低温段，且具有各自的技术特点；在系统部件上主要包括集热系统、储热系统和发电系统，提高发电系统能量品位或动力循环形式可提升光热发电效率。
目前，国内外已经建成一些光热电站，我国也于2016年确定了首批20个光热示范项目，这些电站的集热和储热系统基本都是采用导热油、熔融盐作为集热、储热介质，部分电站采用固体储热等技术形式，发电系统都是采用朗肯循环形式，因此，除直接蒸汽集热系统外，其他所有集热形式电站都需要将导热油/熔融盐获取的太阳能热传递给水/蒸汽，造成一定的能量浪费，发电系统工质品位受限，系统循环效率较低。减少换热过程，同时采用高效紧凑的动力循环形式可提高发电系统热电转换效率，可显著降低电站发电成本。因此，以超临界二氧化碳(S-CO2)为工质的太阳能布雷顿循环发电系统以设备尺寸小、系统紧凑、换热次数少、循环效率高和易实现干冷等优点受到科研学者的广泛关注。
S-CO2太阳能布雷顿循环发电系统可分为直接式和间接式。在直接式系统中，S-CO2既作为太阳岛集热传热介质，又作为发电岛动力循环作功工质；在间接式系统中，S-CO2只作为发电岛动力循环作功工质，而不作为太阳岛集热传热介质，太阳岛集热传热介质仍采用熔融盐等工质。在间接式系统中，由于熔融盐等工质存在温度上限，限制了系统工质运行温度，S-CO2在高温下具有很好的运行稳定性，因此直接式S-CO2系统中可以进一步提高工质的运行温度，提高系统循环效率。目前，已有诸多学者和企业对S-CO2太阳能布雷顿循环进行了研究，主要相关研究成果情况如下：
中国专利CN201010277740.1提出了一种带储热的超临界二氧化碳太阳能热发电系统，该系统是一种简单布雷顿循环的发电系统，无储热系统，在实际工程中造价昂贵；中国专利CN201410494094.2提出了一种利用太阳能的燃气-超临界二氧化碳联合发电系统，该系统将太阳能于风能相结合应用于系统中，使得系统过于复杂，在实际工程应用中操作难度较大；中共专利CN201610207195.6提出了一种互补性超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及方法，该系统将超临界二氧化碳在锅炉中吸热，然后进行布雷顿循环发电，该系统与常规火电站相比可以提高发电效率，但仍然属于常规化石能源的利用；中国专利CN201610207341.5于专利CN201610207195.6类似，并添加了储热系统，同样不属于对可再生能源的利用；中国专利CN201710481680.7提出了一种二氧化碳为集热工质的槽式太阳能光热发电系统，该系统中，发电过程无回热系统，不利于提高系统循环效率，该系统仅用于槽式集热场，且无储热功能；中国专利CN201720125012.6提出了一种基于燃气既太阳能热的超临界二氧化碳循环发电系统，该系统中太阳能和燃气炉分别作为二氧化碳的低温和高温热源，透平排气作为溴化锂吸收式制冷机提供部分热量，该系统结构复杂，且不具备储能功能，在工程上实现难度较大。
综上所述，目前对S-CO2太阳能布雷顿循环的研究主要还停留在理论阶段，相关系统较为复杂，如果将已有研究的系统进行工程化，将需要高昂的投资，即使对已有成果进行实验性研究，相关研究成本也比较昂贵，设计一套经济试验用S-CO2太阳能布雷顿循环系统将有助于在低成本投入的时候开展S-CO2太阳能布雷顿循环相关的主要研究，这在目前已有专利成果中尚未有提及。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种太阳能热利用试验系统及其工作方法，该系统及其工作方法能够用于超临界二氧化碳工质太阳能热利用试验中，并且成本较低。
为达到上述目的，本发明所述的太阳能热利用试验系统包括太阳集热系统、储热系统、节流器、换热器、冷凝器及压缩机，其中，储热系统包括储热换热器、高温储热罐及低温储热罐；
太阳集热系统的吸热侧出口及储热换热器吸热侧的一端与节流器的入口相连通，节流器的出口依次经换热器的放热侧、冷凝器、压缩机及换热器的吸热侧与储热换热器吸热侧的另一端及太阳集热系统的吸热侧入口相连通；
高温储热罐与储热换热器放热侧的一端相连通，低温储热罐与储热换热器放热侧的另一端相连通。
所述太阳集热系统包括太阳集热场，其中，太阳集热场的入口与换热器的吸热侧出口相连通，太阳集热场的出口与节流器的入口相连通。
所述太阳集热系统包括太阳集热场及集热换热器，其中，太阳集热场的出口与集热换热器的放热侧入口相连通，集热换热器的放热侧出口与太阳集热场的入口相连通，集热换热器的吸热侧入口与换热器的吸热侧出口相连通，集热换热器的吸热侧出口与节流器的入口相连通。
所述太阳集热场为槽式结构、塔式结构、线性菲涅尔式结构或碟式结构中的一种或几种的组合。
本发明所述的太阳能热利用试验系统的工作方法包括放热运行模式及储热运行模式；
所述放热运行模式的具体工作过程为：
高温储热罐输出的储热工质进入到储热换热器中进行放热，然后再进入到低温储热罐中，太阳集热系统输出的超临界二氧化碳工质与储热换热器吸热侧输出的超临界二氧化碳工质汇流后进入到节流器中降压，然后再经换热器放热侧放热、冷凝器冷凝降温、压缩机压缩升压以及换热器的吸热侧吸热后分为两路，其中，一路进入到储热换热器中吸热升温，另一路进入到集热换热系统中吸热温升；
所述储热运行模式的具体工作过程为：
低温储热罐输出的储热工质进入到储热换热器中吸热升温，然后再进入到高温储热罐中，太阳集热系统输出的超临界二氧化碳工质分为两路，其中一路进入到储热换热器中放热，另一路依次经节流器降压、换热器的放热侧放热、冷凝器冷凝降温、压缩机压缩升压以及换热器吸热侧吸热后与储热换热器输出的超临界二氧化工质汇流后进入到太阳集热系统中加热升温。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的太阳能热利用试验系统及其工作方法在具体操作时，根据试验的需要调节储热换热器中储热工质及超临界二氧化碳工质的流向，以实现储热运行模式及放热运行模式的运行，另外，本发明采用节流-回热-冷凝-压缩-回热流程对实际电站发电做功回热等过程进行试验，具体的，超临界二氧化碳工质经节流器降压、换热器的放热侧放热、冷凝器冷凝降温及压缩机压缩升压后再在换热器吸热侧中吸热升温至所需温度，以省去昂贵的透平系统，从而达到降低试验系统成本的目的。
附图说明
图1为实施例一在放热运行模式下的示意图；
图2为实施例一在储热运行模式下的示意图；
图3为实施例二的结构示意图。
其中，1为太阳集热系统、2为储热系统、3为节流器、4为换热器、5为冷凝器、6为压缩机、101为太阳集热场、102为集热换热器、201为储热换热器、202为高温储热罐、203为低温储热罐。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的太阳能热利用试验系统包括太阳集热系统1、储热系统2、节流器3、换热器4、冷凝器5及压缩机6，其中，储热系统2包括储热换热器201、高温储热罐202及低温储热罐203；太阳集热系统1的吸热侧出口及储热换热器201吸热侧的一端与节流器3的入口相连通，节流器3的出口依次经换热器4的放热侧、冷凝器5、压缩机6及换热器4的吸热侧与储热换热器201吸热侧的另一端及太阳集热系统1的吸热侧入口相连通；高温储热罐202与储热换热器201放热侧的一端相连通，低温储热罐203与储热换热器201放热侧的另一端相连通。
具体的，所述太阳集热场101为槽式结构、塔式结构、线性菲涅尔式结构或碟式结构中的一种或几种的组合。
本发明所述太阳能热利用试验系统的工作方法,包括放热运行模式及储热运行模式；
参考图1，所述放热运行模式的具体工作过程为：
高温储热罐202输出的储热工质进入到储热换热器201中进行放热，然后再进入到低温储热罐203中，太阳集热系统1输出的超临界二氧化碳工质与储热换热器201吸热侧输出的超临界二氧化碳工质汇流后进入到节流器3中降压，然后再经换热器4放热侧放热、冷凝器5冷凝降温、压缩机6压缩升压以及换热器4的吸热侧吸热后分为两路，其中，一路进入到储热换热器201中吸热升温，另一路进入到集热换热系统中吸热温升；
参考图2，所述储热运行模式的具体工作过程为：
低温储热罐203输出的储热工质进入到储热换热器201中吸热升温，然后再进入到高温储热罐202中，太阳集热系统1输出的超临界二氧化碳工质分为两路，其中一路进入到储热换热器201中放热，另一路依次经节流器3降压、换热器4的放热侧放热、冷凝器5冷凝降温、压缩机6压缩升压以及换热器4吸热侧吸热后与储热换热器201输出的超临界二氧化工质汇流后进入到太阳集热系统1中加热升温。
实施例一
参考图1及图2，所述太阳集热系统1包括太阳集热场101及集热换热器102，其中，太阳集热场101的出口与集热换热器102的放热侧入口相连通，集热换热器102的放热侧出口与太阳集热场101的入口相连通，集热换热器102的吸热侧入口与换热器4的吸热侧出口相连通，集热换热器102的吸热侧出口与节流器3的入口相连通。
实施例二
参考图3，所述太阳集热系统1包括太阳集热场101，其中，太阳集热场101的入口与换热器4的吸热侧出口相连通，太阳集热场101的出口与节流器3的入口相连通。
节流-回热-冷凝-压缩-回热运行流程
本发明将高温、高压的超临界二氧化碳工质进入到节流器3中进行节流，变成高温、低压的S-CO2，该过程可视为常规发电系统中的透平做功过程，在实现与实际电站运行相同效果的同时，省却昂贵的透平，节流后的二氧化碳通过换热器4加热成为高压二氧化碳，在换热器4中放热后的超临界二氧化碳在冷凝器5中被冷却至液态，以备后续被压缩，以节省大量压缩耗功，冷却后的液态二氧化碳在压缩机6中加压至所需压力，然后在换热器4中吸热升温至所需温度，该节流-回热-冷凝-压缩-回热流程可对实际电站发电做功回热等过程进行试验，且可以省去昂贵的透平系统，以降低试验系统的成本。
本发明可对当前S-CO2太阳能布雷顿循环理论研究进行试验验证，属于太阳能高效清洁利用技术，提高了传统光热发电技术的发电效率；本发明在对S-CO2太阳能布雷顿循环试验时，在实现与实际电站运行相同效果的同时可省却昂贵的透平，大幅减少试验设备投资成本，可以涵盖系统运行的主要情形，能够最大可能对电站实际运行的情况进行试验和验证。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种太阳能热利用试验系统，其特征在于，包括太阳集热系统(1)、储热系统(2)、节流器(3)、换热器(4)、冷凝器(5)及压缩机(6)，其中，储热系统(2)包括储热换热器(201)、高温储热罐(202)及低温储热罐(203)；
太阳集热系统(1)的吸热侧出口及储热换热器(201)吸热侧的一端与节流器(3)的入口相连通，节流器(3)的出口依次经换热器(4)的放热侧、冷凝器(5)、压缩机(6)及换热器(4)的吸热侧与储热换热器(201)吸热侧的另一端及太阳集热系统(1)的吸热侧入口相连通；
高温储热罐(202)与储热换热器(201)放热侧的一端相连通，低温储热罐(203)与储热换热器(201)放热侧的另一端相连通。
2.根据权利要求1所述的太阳能热利用试验系统，其特征在于，所述太阳集热系统(1)包括太阳集热场(101)，其中，太阳集热场(101)的入口与换热器(4)的吸热侧出口相连通，太阳集热场(101)的出口与节流器(3)的入口相连通。
3.根据权利要求1所述的太阳能热利用试验系统，其特征在于，所述太阳集热系统(1)包括太阳集热场(101)及集热换热器(102)，其中，太阳集热场(101)的出口与集热换热器(102)的放热侧入口相连通，集热换热器(102)的放热侧出口与太阳集热场(101)的入口相连通，集热换热器(102)的吸热侧入口与换热器(4)的吸热侧出口相连通，集热换热器(102)的吸热侧出口与节流器(3)的入口相连通。
4.根据权利要求2或3所述的太阳能热利用试验系统，其特征在于，所述太阳集热场(101)为槽式结构、塔式结构、线性菲涅尔式结构或碟式结构中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的太阳能热利用试验系统的工作方法，其特征在于，包括放热运行模式及储热运行模式；
所述放热运行模式的具体工作过程为：
高温储热罐(202)输出的储热工质进入到储热换热器(201)中进行放热，然后再进入到低温储热罐(203)中，太阳集热系统(1)输出的超临界二氧化碳工质与储热换热器(201)吸热侧输出的超临界二氧化碳工质汇流后进入到节流器(3)中降压，然后再经换热器(4)放热侧放热、冷凝器(5)冷凝降温、压缩机(6)压缩升压以及换热器(4)的吸热侧吸热后分为两路，其中，一路进入到储热换热器(201)中吸热升温，另一路进入到集热换热系统中吸热温升；
所述储热运行模式的具体工作过程为：
低温储热罐(203)输出的储热工质进入到储热换热器(201)中吸热升温，然后再进入到高温储热罐(202)中，太阳集热系统(1)输出的超临界二氧化碳工质分为两路，其中一路进入到储热换热器(201)中放热，另一路依次经节流器(3)降压、换热器(4)的放热侧放热、冷凝器(5)冷凝降温、压缩机(6)压缩升压以及换热器(4)吸热侧吸热后与储热换热器(201)输出的超临界二氧化工质汇流后进入到太阳集热系统(1)中加热升温。
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