CN109915219A - 集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统及方法 - Google Patents

集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统及方法，包括固体氧化物燃料电池子系统、超临界CO2循环子系统和聚光式太阳能集热子系统；所述集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统利用固体氧化物燃料电池子系统排放的尾气作为超临界CO2循环子系统的高温热源和辅助低温热源，以聚光式太阳能集热子系统产生的热量作为超临界CO2循环子系统的低温热源。该系统在保证超临界CO2太阳能热发电系统稳定持续工作的基础上，最大化利用中低温太阳能，并且对固体氧化物燃料电池的尾气余热进行高效梯级利用，进一步提高能源的综合利用率，在额定工况下，净发电效率可达75.06％，系统能源综合利用率可达97.85％。

Description

集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统及 方法
技术领域
本发明涉属于分布式供能系统技术领域，特别涉及一种集成固体氧化物燃料电池与超临界二氧化碳中低温太阳能热发电的分布式供能系统及方法。
背景技术
目前，超临界CO2布雷顿循环在核能、太阳能等发电上的应用得到了广泛研究。这是由于超临界CO2在临界点附近密度较大，可减小压缩功，且以超临界CO2为工质的压缩机、透平机等动力系统设备结构紧凑，占地面积小，可降低投资成本。超临界CO2循环在循环最高温度为500～850℃时可达到较高的循环热效率，循环性能明显高于商业化的蒸汽动力循环。然而，核反应堆、聚光式高温太阳能等高温热源虽然与超临界CO2循环能够进行良好的温度匹配，但核电站、聚光式太阳能场的占地面积较大，且核电站具有一定的危险性，因此将上述高温热源用于分布式能源为超临界CO2循环供热受到一定的限制。如何为超临界CO2循环提供稳定热源，且不受环境、占地面积等因素的限制是实现该系统能广泛应用于分布式供能的前提。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统及方法，以解决上述技术问题。该系统在保证超临界CO2太阳能热发电系统稳定持续工作的基础上，最大化利用中低温太阳能，以提高系统的净发电量，同时降低因太阳能不稳定引起的操作参数波动对超临界CO2循环系统组件的损害，并且高效利用固体氧化物燃料电池的尾气余热，进一步提高能源的综合利用率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统，包括固体氧化物燃料电池子系统、超临界CO2循环子系统和聚光式太阳能集热子系统；所述集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统利用固体氧化物燃料电池子系统排放的尾气作为超临界CO2循环子系统的高温热源和辅助低温热源，以聚光式太阳能集热子系统产生的热量作为超临界CO2循环子系的低温热源。
进一步的，固体氧化物燃料电池子系统包括燃料压缩机、混合器、预重整器、空气压缩机、空气低温回热器、空气高温回热器、固体氧化物燃料电池、逆变器、燃烧室和余热回收装置；燃料压缩机的出口连接混合器的第一入口，混合器的出口连接预重整器的入口，预重整器的出口连接固体氧化物燃料电池的阳极入口，固体氧化物燃料电池的阳极出口分成两路，一路连接混合器的第二入口，另一路连接燃烧室的第一入口；空气压缩机的出口连接CO2干冷器的低温侧入口，CO2干冷器的低温侧出口连接空气低温回热器的低温侧入口；空气低温回热器的低温侧出口连接空气高温回热器的低温侧入口，空气高温回热器的低温侧出口连接固体氧化物燃料电池的阴极入口，固体氧化物燃料电池的阴极出口连接燃烧室的第二入口；燃烧室的出口与CO2高温加热器的高温侧出口之间设有带阀门H的管路；空气高温回热器高温侧出口与空气低温回热器高温侧入口之间设有带阀门F的管路；CO2低温加热器高温侧入口和出口分别设有阀门G和阀门E；
超临界CO2循环子系统包括CO2高温加热器、CO2透平、发电机、CO2高温回热器、CO2低温回热器、CO2干冷器、CO2水冷器、CO2压缩机和CO2低温加热器；燃烧室的出口连接CO2高温加热器的高温侧入口，CO2高温加热器的高温侧出口连接空气高温回热器的高温侧入口，空气高温回热器的高温侧出口连接CO2低温加热器的高温侧入口，CO2低温加热器的高温侧出口依次连接空气低温回热器的高温侧和余热回收装置；CO2压缩机的出口分成两路，一路依次通过CO2低温回热器低温侧、CO2高温回热器低温侧和CO2高温加热器低温侧连接CO2透平的入口，CO2透平的输出轴连接发电机；CO2透平的出口依次通过CO2高温回热器高温侧、CO2低温回热器高温侧、CO2干冷器高温侧、CO2水冷器连接CO2压缩机入口；CO2压缩机出口的另一路连接三通阀B的第一口，三通阀B的第二口连接三通阀C的第一口和CO2低温加热器低温侧入口，CO2低温加热器低温侧出口连接三通阀D的第一口，三通阀D的第二口连接CO2高温回热器低温侧入口，三通阀D的第三口连接三通阀C的第二口，三通阀C的第三口通过太阳能加热器低温侧连接三通阀B的第三口；
聚光式太阳能集热子系统为槽式太阳能集热系统，包括太阳能加热器、槽式太阳能吸收器和泵；槽式太阳能吸收器的出口连接太阳能加热器高温侧入口，太阳能加热器高温侧出口连接槽式太阳能吸收器入口；太阳能加热器的高温侧入口和出口之间设有带阀门A的管路；槽式太阳能吸收器入口处设有泵。
进一步的，燃料经燃料压缩机压缩后，在混合器中与阳极循环气混合后进入预重整器中进行预重整，然后进入固体氧化物燃料电池阳极；同时空气经空气压缩机压缩后，进入CO2干冷器对CO2进行预冷，然后依次经过空气低温回热器、空气高温回热器的低温侧进行换热，之后进入固体氧化物燃料电池阴极；燃料与空气在固体氧化物燃料电池中发生反应产生电能，经逆变器转换后向外供电；一部分阳极尾气作为循环气，循环至混合器中与新鲜燃料混合，另一部分阳极尾气与阴极尾气进入燃烧室，使阳极未发生反应的燃料进行完全燃烧并产生高温尾气；高温尾气作为超临界CO2循环的高温热源，流经CO2高温加热器高温侧，通过调节阀门H的开度，控制其流经CO2高温加热器高温侧的流量，将低温侧的CO2加热至所需透平进口温度；然后高温尾气经过空气高温回热器的高温侧将空气加热至所需温度；之后尾气可作为超临界CO2循环的低温热源，流经CO2低温加热器高温侧，根据太阳辐照强度，调节阀门E、阀门F和阀门G的开度，控制尾气流经CO2低温加热器高温侧的流量，将从CO2压缩机流出的部分CO2加热至设定温度；然后尾气经过空气低温回热器的高温侧对空气进行加热，最后进入余热回收装置对其进行余热回收。
进一步的，处于临界点的超临界CO2经CO2压缩机压缩后分流，一部分流入CO2低温回热器的低温侧，与从CO2高温回热器高温侧流出的CO2进行换热；根据太阳辐照强度，调节三通阀B、三通阀C和三通阀D，使另一部分CO2或只流经太阳能加热器的低温侧，与从槽式太阳能吸收器流出的导热油进行换热，或只流经CO2低温加热器的低温侧，与从空气高温换热器高温侧流出的尾气进行换热，再或先流经太阳能加热器的低温侧然后流经CO2低温加热器的低温侧，先后与导热油和尾气进行换热；两股CO2在CO2高温回热器低温侧的入口前合流，然后流入CO2高温回热器低温侧，与从CO2透平流出的CO2进行换热；从CO2高温回热器低温侧流出的CO2流经CO2高温加热器的低温侧，被燃烧室排出的尾气加热至所需透平进口温度，然后进入CO2透平中膨胀做功，带动发电机进行发电；由CO2透平流出的CO2依次经过CO2高温回热器高温侧和CO2低温回热器高温侧，将热量传递给低温侧的CO2；由CO2低温回热器高温侧流出的CO2进入CO2干冷器中预冷，然后进入水冷器中冷却至临界点附近的状态，进行下一循环。
进一步的，槽式太阳能吸收器吸收太阳能将导热油加热，根据太阳辐照强度调节阀门A的开度，控制导热油流经太阳能加热器高温侧的流量，将流经太阳能加热器低温侧的CO2加热至设定温度；由太阳能加热器高温侧流出的导热油和另一支路的导热油在泵入口前合流，然后由泵送入槽式太阳能吸收器中进行加热，进行下一循环。
进一步的，由太阳能加热器低温侧或CO2低温加热器低温侧流出的CO2的温度高于或等于由CO2低温回热器低温侧流出的CO2的温度，且两股CO2合流后的温度低于由CO2高温回热器高温侧流出的CO2温度。
进一步的，当太阳辐照强度使导热油温度高于由CO2低温回热器低温侧流出的CO2温度时，由CO2压缩机流出后分流的另一部分CO2只流经太阳能加热器的低温侧；当太阳辐照强度使导热油温度低于或等于由CO2低温回热器低温侧流出的CO2温度，但高于由CO2压缩机流出的CO2温度时，由CO2压缩机流出后分流的另一部分CO2先流经太阳能加热器的低温侧，再流经CO2低温加热器的低温侧；当太阳辐照强度使导热油温度低于由CO2压缩机流出的CO2温度时，由CO2压缩机流出后分流的另一部分CO2只流经CO2低温加热器的低温侧，此时聚光式太阳能集热子系统停止工作。
进一步的，当太阳辐照强度使导热油温度高于由CO2低温回热器低温侧流出的CO2温度时，系统在额定工况下工作，由燃烧室排出的尾气依次经过CO2高温加热器高温侧、空气高温回热器高温侧、空气低温回热器高温侧，作为超临界的CO2高温热源供热并对空气进行加热；当太阳辐照强度使导热油温度低于或等于由CO2低温回热器低温侧流出的CO2温度时，适当增加燃料流量，由燃烧室排出的尾气依次经过CO2高温加热器高温侧、空气高温回热器高温侧、CO2低温加热器高温侧、空气低温回热器高温侧，作为超临界的CO2高温热源和低温热源供热并对空气进行加热。
进一步的，由CO2低温回热器高温侧流出的CO2先后被干冷和水冷，其中在CO2干冷器中，固体氧化物燃料电池子系统所需的空气作为干冷剂，CO2在冷却的同时将空气进行预热；CO2低温回热器高温侧流出的CO2经过CO2干冷器干冷后进入CO2水冷器16进行水冷。
集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能方法，包括：
固体氧化物燃料电池子系统中，燃料经燃料压缩机压缩后，在混合器中与阳极循环气混合后进入预重整器中进行预重整，然后进入固体氧化物燃料电池阳极；同时空气经空气压缩机压缩后，进入CO2干冷器对CO2进行预冷，然后依次经过空气低温回热器、空气高温回热器的低温侧进行换热，之后进入固体氧化物燃料电池阴极；燃料与空气在固体氧化物燃料电池中发生反应产生电能，经逆变器转换后向外供电；一部分阳极尾气作为循环气，循环至混合器中与新鲜燃料混合，另一部分阳极尾气与阴极尾气进入燃烧室，使阳极未发生反应的燃料进行完全燃烧并产生高温尾气；高温尾气作为超临界CO2循环的高温热源，流经CO2高温加热器高温侧，通过调节阀门H的开度，控制其流经CO2高温加热器高温侧的流量，将低温侧的CO2加热至所需透平进口温度；然后高温尾气经过空气高温回热器的高温侧将空气加热至所需温度；之后尾气可作为超临界CO2循环的低温热源，流经CO2低温加热器高温侧，根据太阳辐照强度，调节阀门E、阀门F和阀门G的开度，控制尾气流经CO2低温加热器高温侧的流量，将从CO2压缩机流出的部分CO2加热至设定温度；然后尾气经过空气低温回热器的高温侧对空气进行加热，最后进入余热回收装置对其进行余热回收；
超临界CO2循环子系统中，处于临界点的超临界CO2经CO2压缩机压缩后分流，一部分流入CO2低温回热器的低温侧，与从CO2高温回热器高温侧流出的CO2进行换热；根据太阳辐照强度，调节三通阀B、三通阀C和三通阀D，使另一部分CO2或只流经太阳能加热器的低温侧，与从槽式太阳能吸收器流出的导热油进行换热，或只流经CO2低温加热器的低温侧，与从空气高温换热器高温侧流出的尾气进行换热，再或先流经太阳能加热器的低温侧然后流经CO2低温加热器的低温侧，先后与导热油和尾气进行换热；两股CO2在CO2高温回热器低温侧的入口前合流，然后流入CO2高温回热器低温侧，与从CO2透平流出的CO2进行换热；从CO2高温回热器低温侧流出的CO2流经CO2高温加热器的低温侧，被燃烧室排出的尾气加热至所需透平进口温度，然后进入CO2透平中膨胀做功，带动发电机进行发电；由CO2透平流出的CO2依次经过CO2高温回热器高温侧和CO2低温回热器高温侧，将热量传递给低温侧的CO2；由CO2低温回热器高温侧流出的CO2进入CO2干冷器中预冷，然后进入水冷器中冷却至临界点附近的状态，进行下一循环；
聚光式太阳能集热子系统中，槽式太阳能吸收器吸收太阳能将导热油加热，根据太阳辐照强度调节阀门A的开度，控制导热油流经太阳能加热器高温侧的流量，将流经太阳能加热器低温侧的CO2加热至设定温度；由太阳能加热器高温侧流出的导热油和另一支路的导热油在泵入口前合流，然后由泵送入槽式太阳能吸收器中进行加热，进行下一循环。
进一步的，空气经压缩后，依次经过CO2干冷器、空气低温回热器、空气高温回热器，进行3次加热。
进一步的，根据所需汽碳比控制固体氧化物燃料电池阳极循环气进入混合器的比例，为燃料的预重整提供水蒸气及热量，预重整器不与外界换热。
进一步的，余热回收装置为跨临界CO2循环、溴化锂吸收式制冷机组、氨水吸收式制冷机组或套缸水换热装置。
进一步的，固体氧化物燃料电池子系统所用燃料为天然气、氢气、沼气或生物质气。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
固体氧化物燃料电池具有结构紧凑、污染排放少、发电效率高、可使用多种燃料等优点，被广泛应用于混合发电系统。由于固体氧化燃料电池反应温度高(600～1000℃)，不受卡诺循环对热机效率的限制，其发电效率可达60％以上，未反应的燃料在燃烧室完全燃烧后，排出的尾气可高达1000℃以上。本发明将固体氧化物燃料电池与超临界CO2循环相结合，组成SOFC-SCO2系统，利用燃料电池排放的高温尾气作为超临界CO2循环的高温热源和辅助低温热源，可进一步提高系统的发电效率，并且该系统整体结构紧凑、占地面积小，便于维护管理，十分适用于分布式供能系统。
太阳能发电作为一种新型的能源转换技术因具有低碳环保、取之不尽用之不竭的优势，被视为极具前景的能源利用形式。虽然聚光式高温太阳能场因占地面积大等原因不适用于分布式能源，但中低温太阳能因占地面积较小、集热效率高、集热器结构简单、成本较低等优点，在分布式能源的应用得到较多研究。本发明在SOFC-SCO2系统的基础上，将中低温太阳能作为超临界CO2循环的低温热源为其供热，组成SOFC-SCO2中低温太阳能热发电系统，相比于目前的再压缩超临界CO2循环，可提高系统的净发电量，同时可提高可再生能源的装机比重，因此将SOFC-SCO2中低温太阳能热发电系统应用于分布式供能系统具有广阔的应用前景。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统的工艺流程示意图。
符号说明：
1.燃料压缩机、2.混合器、3.预重整器、4.空气压缩机、5.空气低温回热器、6.空气高温回热器、7.固体氧化物燃料电池、8.逆变器、9.燃烧室、10.CO2高温加热器、11.CO2透平、12.发电机、13.CO2高温回热器、14.CO2低温回热器、15.CO2干冷器、16.CO2水冷器、17.CO2压缩机、18.太阳能加热器、19.CO2低温加热器、20.槽式太阳能吸收器、21.泵、22.阀门A、23.三通阀B、24.三通阀C、25.三通阀D、26.阀门E、27.阀门F、28.阀门G、29.阀门H、30.余热回收装置。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
请参阅图1所示，本发明提供一种集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统，包括固体氧化物燃料电池子系统、超临界CO2循环子系统和聚光式太阳能集热子系统。
固体氧化物燃料电池子系统包括燃料压缩机1、混合器2、预重整器3、空气压缩机4、空气低温回热器5、空气高温回热器6、固体氧化物燃料电池7、逆变器8、燃烧室9和余热回收装置30。燃料压缩机1的出口连接混合器2的第一入口，混合器2的出口连接预重整器3的入口，预重整器3的出口连接固体氧化物燃料电池7的阳极入口，固体氧化物燃料电池7的阳极出口分成两路，一路连接混合器2的第二入口，另一路连接燃烧室9的第一入口；空气压缩机4的出口连接CO2干冷器15的低温侧入口，CO2干冷器15的低温侧出口连接空气低温回热器5的低温侧入口；空气低温回热器5的低温侧出口连接空气高温回热器6的低温侧入口，空气高温回热器6的低温侧出口连接固体氧化物燃料电池7的阴极入口，固体氧化物燃料电池7的阴极出口连接燃烧室9的第二入口。燃烧室9的出口与CO2透平10的高温侧出口之间设有带阀门H 29的管路。空气高温回热器6高温侧出口与空气低温回热器5高温侧入口之间设有带阀门F 27的管路。CO2低温加热器19高温侧入口和出口分别设有阀门G 28和阀门E 26。
燃料经燃料压缩机1压缩后，在混合器2中与阳极循环气混合后进入预重整器3中进行预重整，然后进入固体氧化物燃料电池7阳极；同时空气经空气压缩机4压缩后，进入CO2干冷器15对CO2进行预冷，然后依次经过空气低温回热器5、空气高温回热器6的低温侧进行换热，之后进入固体氧化物燃料电池7阴极；燃料与空气在固体氧化物燃料电池7中发生反应产生电能，经逆变器8转换后向外供电；一部分阳极尾气作为循环气，循环至混合器2中与新鲜燃料混合，另一部分阳极尾气与阴极尾气进入燃烧室9，使阳极未发生反应的燃料进行完全燃烧并产生高温尾气；高温尾气作为超临界CO2循环的高温热源，流经CO2高温加热器10高温侧，可通过调节阀门H 29的开度，控制其流经CO2高温加热器10高温侧的流量，将低温侧的CO2加热至所需透平进口温度；然后高温尾气经过空气高温回热器6的高温侧将空气加热至所需温度；之后尾气可作为超临界CO2循环的低温热源，流经CO2低温加热器19高温侧，根据太阳辐照强度，调节阀门E 26、阀门F 27和阀门G 28的开度，控制尾气流经CO2低温加热器19高温侧的流量，将从CO2压缩机17流出的部分CO2加热至所需温度；然后尾气经过空气低温回热器5的高温侧对空气进行加热，最后进入余热回收装置30对其进行余热回收。
超临界CO2循环子系统包括CO2高温加热器10、CO2透平11、发电机12、CO2高温回热器13、CO2低温回热器14、CO2干冷器15、CO2水冷器16、CO2压缩机17和CO2低温加热器19。燃烧室9的出口连接CO2高温加热器10的高温侧入口，CO2高温加热器10的高温侧出口连接空气高温回热器6的高温侧入口，空气高温回热器6的高温侧出口连接CO2低温加热器19的高温侧入口，CO2低温加热器19的高温侧出口依次连接空气低温回热器5的高温侧和余热回收装置30。CO2压缩机17的出口分成两路，一路依次通过CO2低温回热器14低温侧、CO2高温回热器13低温侧和CO2高温加热器10低温侧连接CO2透平11的入口，CO2透平11的输出轴连接发电机12；CO2透平11的出口依次通过CO2高温回热器13高温侧、CO2低温回热器14高温侧、CO2干冷器15高温侧、CO2水冷器16连接CO2压缩机17入口。CO2压缩机17出口的另一路连接三通阀B23的第一口，三通阀B23的第二口连接三通阀C 24的第一口和CO2低温加热器19低温侧入口，CO2低温加热器19低温侧出口连接三通阀D 25的第一口，三通阀D 25的第二口连接CO2高温回热器13低温侧入口，三通阀D 25的第三口连接三通阀C 24的第二口，三通阀C 24的第三口通过太阳能加热器18低温侧连接三通阀B23的第三口。
处于临界点附近状态的超临界CO2经CO2压缩机17压缩后分流，一部分流入CO2低温回热器14的低温侧，与从CO2高温回热器13高温侧流出的CO2进行换热；根据太阳辐照强度，调节三通阀B 23、三通阀C 24和三通阀D 25，使另一部分CO2或只流经太阳能加热器18的低温侧，与从槽式太阳能吸收器20流出的导热油进行换热，或只流经CO2低温加热器19的低温侧，与从空气高温换热器6高温侧流出的尾气进行换热，再或先流经太阳能加热器18的低温侧然后流经CO2低温加热器19的低温侧，先后与导热油和尾气进行换热；两股CO2在CO2高温回热器13低温侧的入口前合流，然后流入CO2高温回热器13低温侧，与从CO2透平11流出的CO2进行换热；从CO2高温回热器13低温侧流出的CO2流经CO2高温加热器10的低温侧，被燃烧室9排出的尾气加热至所需透平进口温度，然后进入CO2透平11中膨胀做功，带动发电机12进行发电；由CO2透平11流出的CO2依次经过CO2高温回热器13高温侧和CO2低温回热器14高温侧，将热量传递给低温侧的CO2；由CO2低温回热器14高温侧流出的CO2进入CO2干冷器15中预冷，然后进入水冷器16中冷却至临界点附近的状态，进行下一循环。
聚光式太阳能集热子系统为槽式太阳能集热系统，包括太阳能加热器18、槽式太阳能吸收器20、泵21；槽式太阳能吸收器20的出口连接太阳能加热器18高温侧入口，太阳能加热器18高温侧出口连接槽式太阳能吸收器20入口；太阳能加热器18的高温侧入口和出口之间设有带阀门A22的管路；槽式太阳能吸收器20入口处设有泵21。
槽式太阳能吸收器20吸收太阳能将导热油加热，根据太阳辐照强度调节阀门A22的开度，控制导热油流经太阳能加热器18高温侧的流量，将流经太阳能加热器18低温侧的CO2加热至所需温度；由太阳能加热器18高温侧流出的导热油和另一支路的导热油在泵21入口前合流，然后由泵21送入槽式太阳能吸收器20中进行加热，进行下一循环。
由太阳能加热器18低温侧或CO2低温加热器19低温侧流出的CO2的温度高于或等于由CO2低温回热器14低温侧流出的CO2的温度，且两股CO2合流后的温度低于由CO2高温回热器13高温侧流出的CO2温度。
当太阳辐照强度使导热油温度高于由CO2低温回热器14低温侧流出的CO2温度时，由CO2压缩机17流出后分流的另一部分CO2只流经太阳能加热器18的低温侧；当太阳辐照强度使导热油温度低于或等于由CO2低温回热器14低温侧流出的CO2温度，但高于由CO2压缩机17流出的CO2温度时，由CO2压缩机17流出后分流的另一部分CO2先流经太阳能加热器18的低温侧，再流经CO2低温加热器19的低温侧；当太阳辐照强度使导热油温度低于由CO2压缩机17流出的CO2温度时，由CO2压缩机17流出后分流的另一部分CO2只流经CO2低温加热器19的低温侧，此时聚光式太阳能集热子系统停止工作。
当太阳辐照强度使导热油温度高于由CO2低温回热器14低温侧流出的CO2温度时，系统在额定工况下工作，由燃烧室9排出的尾气依次经过CO2高温加热器10高温侧、空气高温回热器6高温侧、空气低温回热器5高温侧，作为超临界的CO2高温热源供热并对空气进行加热；当太阳辐照强度使导热油温度低于或等于由CO2低温回热器14低温侧流出的CO2温度时，适当增加燃料流量，由燃烧室9排出的尾气依次经过CO2高温加热器10高温侧、空气高温回热器6高温侧、CO2低温加热器19高温侧、空气低温回热器5高温侧，作为超临界的CO2高温热源和低温热源供热并对空气进行加热。
由CO2低温回热器14高温侧流出的CO2先后被干冷和水冷，其中在CO2干冷器15中，固体氧化物燃料电池子系统所需的空气作为干冷剂，CO2在冷却的同时将空气进行预热。
空气经压缩后，依次经过CO2干冷器15、空气低温回热器5、空气高温回热器6，进行3次加热。
根据所需汽碳比控制固体氧化物燃料电池7阳极循环气进入混合器2的比例，为燃料的预重整提供水蒸气及热量，预重整器3不与外界换热。
余热回收装置30包括但不限于跨临界CO2循环、溴化锂吸收式制冷机组、氨水吸收式制冷机组、及套缸水换热装置。
固体氧化物燃料电池子系统所用燃料包括但不限于天然气、氢气、沼气及生物质气。
本发明一种集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统的工作流程为：
燃料经燃料压缩机1压缩后，在混合器2中与阳极循环气混合后进入预重整器3中进行预重整，然后进入固体氧化物燃料电池7阳极；同时空气经空气压缩机4压缩后，进入CO2干冷器15对CO2进行预冷，然后依次经过空气低温回热器5、空气高温回热器6的低温侧进行换热，之后进入固体氧化物燃料电池7阴极；燃料与空气在固体氧化物燃料电池7中发生反应产生电能，经逆变器8转换后向外供电；一部分阳极尾气作为循环气，循环至混合器2中与新鲜燃料混合，为燃料的预重整提供水蒸气及热量，另一部分阳极尾气与阴极尾气进入燃烧室9，使阳极未发生反应的燃料进行完全燃烧并产生高温尾气；燃烧室9产生的高温尾气作为超临界CO2循环的高温热源，流经CO2高温加热器10高温侧，可通过调节阀门H 29的开度，控制其流经CO2高温加热器10高温侧的流量，将低温侧的CO2加热至所需透平进口温度；然后高温尾气经过空气高温回热器6的高温侧将空气加热至所需温度；之后尾气可作为超临界CO2循环的低温热源，流经CO2低温加热器19高温侧，根据太阳辐照强度，调节阀门E 26、阀门F 27和阀门G 28的开度，控制尾气流经CO2低温加热器19高温侧的流量，将从CO2压缩机17流出的部分CO2加热至所需温度；然后尾气经过空气低温回热器5的高温侧对空气进行加热，最后进入余热回收装置30对其进行余热回收。
处于临界点附近状态的超临界CO2经CO2压缩机17压缩后分流，一部分流入CO2低温回热器14的低温侧，与从CO2高温回热器13高温侧流出的CO2进行换热；当太阳辐照强度使导热油温度高于由CO2低温回热器14低温侧流出的CO2温度时，另一部分CO2只流经太阳能加热器18的低温侧，与从槽式太阳能吸收器20流出的导热油进行换热；当太阳辐照强度使导热油温度低于由CO2压缩机17流出的CO2温度时，另一部分CO2只流经CO2低温加热器19的低温侧，与从空气高温换热器6高温侧流出的尾气进行换热，此时聚光式太阳能集热子系统停止工作，并适当增加燃料流量；当太阳辐照强度使导热油温度低于或等于由CO2低温回热器14低温侧流出的CO2温度，但高于由CO2压缩机17流出的CO2温度时，另一部分CO2先流经太阳能加热器18的低温侧，再流经CO2低温加热器19的低温侧，先后与导热油和尾气进行换热，此时适当增加燃料流量；两股CO2在CO2高温回热器13低温侧的入口前合流，合流后的温度低于由CO2高温回热器13高温侧流出的CO2温度，然后流入CO2高温回热器13低温侧，与从CO2透平11流出的CO2进行换热；从CO2高温回热器13低温侧流出的CO2流经CO2高温加热器10的低温侧，被燃烧室9排出的尾气加热至所需透平进口温度，然后进入CO2透平11中膨胀做功，带动发电机12进行发电；由CO2透平11流出的CO2依次经过CO2高温回热器13高温侧和CO2低温回热器14高温侧，将热量传递给低温侧的CO2；由CO2低温回热器14高温侧流出的CO2进入CO2干冷器15中预冷，然后进入水冷器16中冷却至临界点附近的状态，进行下一循环。
槽式太阳能吸收器20吸收太阳能将导热油加热，根据太阳辐照强度调节阀门A22的开度，控制导热油流经太阳能加热器18高温侧的流量，将流经太阳能加热器18低温侧的CO2加热至所需温度；由太阳能加热器18高温侧流出的导热油和另一支路的导热油在泵21入口前合流，然后由泵21送入槽式太阳能吸收器20中进行加热，进行下一循环。
集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统在额定工况下的初始条件与模拟结果分别入表1和表2所示。
表1系统模拟初始条件
参数 数值 参数 数值
燃料(甲烷)流量(kmol/h) 1.5 逆变器效率 0.92
空气流量(kmol/h) 60.88 燃料利用率 0.85
CO<sub>2</sub>流量(kmol/h) 38 汽碳比 2.5
环境压力(MPa) 0.1 CO<sub>2</sub>压缩机入口温度(℃) 32
燃料压缩机出口压力(MPa) 0.328 CO<sub>2</sub>压缩机入口压力(MPa) 7.7
空气压缩机出口压力(MPa) 0.11 CO<sub>2</sub>透平入口温度(℃) 850
燃料压缩机等熵效率 0.9 CO<sub>2</sub>透平入口压力(MPa) 25
空气压缩机等熵效率 0.9 CO<sub>2</sub>压缩机等熵效率 0.9
燃料预重整率 0.25 CO<sub>2</sub>透平等熵效率 0.9
表2系统模拟结果
参数 数值 参数 数值
SOFC工作电压(V) 0.67 压缩机总耗功(kW) 20.74
SOFC工作温度(℃) 931 系统净发电量(kW) 251.04
利用的太阳能热量(kW) 40.05 SOFC发电效率 50.69％
SOFC发电量(kW) 169.53 系统净发电效率 75.06％
CO<sub>2</sub>透平发电量(kW) 102.25 系统能源综合利用率 97.85％
通过上述实施例可见，本发明在保证超临界CO2太阳能热发电系统稳定持续工作的基础上，最大化利用中低温太阳能，以提高系统的净发电量，同时降低因太阳能不稳定引起的操作参数波动对超临界CO2循环系统组件的损害，该系统高效利用固体氧化物燃料电池的尾气余热，进一步了提高能源的综合利用率，净发电效率可达75.06％，系统能源综合利用率可达97.85％。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (10)

1.集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统，其特征在于：包括固体氧化物燃料电池子系统、超临界CO2循环子系统和聚光式太阳能集热子系统；所述集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统利用固体氧化物燃料电池子系统排放的尾气作为超临界CO2循环子系统的高温热源和辅助低温热源，以聚光式太阳能集热子系统产生的热量作为超临界CO2循环子系统的低温热源。
2.根据权利要求1所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统，其特征在于：
固体氧化物燃料电池子系统包括燃料压缩机(1)、混合器(2)、预重整器(3)、空气压缩机(4)、空气低温回热器(5)、空气高温回热器(6)、固体氧化物燃料电池(7)、逆变器(8)、燃烧室(9)和余热回收装置(30)；燃料压缩机(1)的出口连接混合器(2)的第一入口，混合器(2)的出口连接预重整器(3)的入口，预重整器(3)的出口连接固体氧化物燃料电池(7)的阳极入口，固体氧化物燃料电池(7)的阳极出口分成两路，一路连接混合器(2)的第二入口，另一路连接燃烧室(9)的第一入口；空气压缩机(4)的出口连接CO2干冷器(15)的低温侧入口，CO2干冷器(15)的低温侧出口连接空气低温回热器(5)的低温侧入口；空气低温回热器(5)的低温侧出口连接空气高温回热器(6)的低温侧入口，空气高温回热器(6)的低温侧出口连接固体氧化物燃料电池(7)的阴极入口，固体氧化物燃料电池(7)的阴极出口连接燃烧室(9)的第二入口；燃烧室(9)的出口与CO2高温加热器(10)的高温侧出口之间设有带阀门H(29)的管路；空气高温回热器(6)高温侧出口与空气低温回热器(5)高温侧入口之间设有带阀门F(27)的管路；CO2低温加热器(19)高温侧入口和出口分别设有阀门G(28)和阀门E(26)；
超临界CO2循环子系统包括CO2高温加热器(10)、CO2透平(11)、发电机(12)、CO2高温回热器(13)、CO2低温回热器(14)、CO2干冷器(15)、CO2水冷器(16)、CO2压缩机(17)和CO2低温加热器(19)；燃烧室(9)的出口连接CO2高温加热器(10)的高温侧入口，CO2高温加热器(10)的高温侧出口连接空气高温回热器(6)的高温侧入口，空气高温回热器(6)的高温侧出口连接CO2低温加热器(19)的高温侧入口，CO2低温加热器(19)的高温侧出口依次连接空气低温回热器(5)的高温侧和余热回收装置(30)；CO2压缩机(17)的出口分成两路，一路依次通过CO2低温回热器(14)低温侧、CO2高温回热器(13)低温侧和CO2高温加热器(10)低温侧连接CO2透平(11)的入口，CO2透平(11)的输出轴连接发电机(12)；CO2透平(11)的出口依次通过CO2高温回热器(13)高温侧、CO2低温回热器(14)高温侧连接、CO2干冷器(15)高温侧、CO2水冷器(16)连接CO2压缩机(17)入口；CO2压缩机(17)出口的另一路连接三通阀B(23)的第一口，三通阀B(23)的第二口连接三通阀C(24)的第一口和CO2低温加热器(19)低温侧入口，CO2低温加热器(19)低温侧出口连接三通阀D(25)的第一口，三通阀D(25)的第二口连接CO2高温回热器(13)低温侧入口，三通阀D(25)的第三口连接三通阀C(24)的第二口，三通阀C(24)的第三口通过太阳能加热器(18)低温侧连接三通阀B(23)的第三口；
聚光式太阳能集热子系统为槽式太阳能集热系统，包括太阳能加热器(18)、槽式太阳能吸收器(20)和泵(21)；槽式太阳能吸收器(20)的出口连接太阳能加热器(18)高温侧入口，太阳能加热器(18)高温侧出口连接槽式太阳能吸收器(20)入口；太阳能加热器(18)的高温侧入口和出口之间设有带阀门A(22)的管路；槽式太阳能吸收器(20)入口处设有泵(21)。
3.根据权利要求2所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统，其特征在于：燃料经燃料压缩机(1)压缩后，在混合器(2)中与阳极循环气混合后进入预重整器(3)中进行预重整，然后进入固体氧化物燃料电池(7)阳极；同时空气经空气压缩机(4)压缩后，进入CO2干冷器(15)对CO2进行预冷，然后依次经过空气低温回热器(5)、空气高温回热器(6)的低温侧进行换热，之后进入固体氧化物燃料电池(7)阴极；燃料与空气在固体氧化物燃料电池(7)中发生反应产生电能，经逆变器(8)转换后向外供电；一部分阳极尾气作为循环气，循环至混合器(2)中与新鲜燃料混合，另一部分阳极尾气与阴极尾气进入燃烧室(9)，使阳极未发生反应的燃料进行完全燃烧并产生高温尾气；高温尾气作为超临界CO2循环的高温热源，流经CO2高温加热器(10)高温侧，通过调节阀门H(29)的开度，控制其流经CO2高温加热器(10)高温侧的流量，将低温侧的CO2加热至所需透平进口温度；然后高温尾气经过空气高温回热器(6)的高温侧将空气加热至所需温度；之后尾气可作为超临界CO2循环的低温热源，流经CO2低温加热器(19)高温侧，根据太阳辐照强度，调节阀门E(26)、阀门F(27)和阀门G(28)的开度，控制尾气流经CO2低温加热器(19)高温侧的流量，将从CO2压缩机(17)流出的部分CO2加热至设定温度；然后尾气经过空气低温回热器(5)的高温侧对空气进行加热，最后进入余热回收装置(30)对其进行余热回收。
4.根据权利要求2所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统，其特征在于：处于临界点的超临界CO2经CO2压缩机(17)压缩后分流，一部分流入CO2低温回热器(14)的低温侧，与从CO2高温回热器(13)高温侧流出的CO2进行换热；根据太阳辐照强度，调节三通阀B(23)、三通阀C(24)和三通阀D(25)，使另一部分CO2或只流经太阳能加热器(18)的低温侧，与从槽式太阳能吸收器(20)流出的导热油进行换热，或只流经CO2低温加热器(19)的低温侧，与从空气高温换热器(6)高温侧流出的尾气进行换热，再或先流经太阳能加热器(18)的低温侧然后流经CO2低温加热器(19)的低温侧，先后与导热油和尾气进行换热；两股CO2在CO2高温回热器(13)低温侧的入口前合流，然后流入CO2高温回热器(13)低温侧，与从CO2透平(11)流出的CO2进行换热；从CO2高温回热器(13)低温侧流出的CO2流经CO2高温加热器(10)的低温侧，被燃烧室(9)排出的尾气加热至所需透平进口温度，然后进入CO2透平(11)中膨胀做功，带动发电机(12)进行发电；由CO2透平(11)流出的CO2依次经过CO2高温回热器(13)高温侧和CO2低温回热器(14)高温侧，将热量传递给低温侧的CO2；由CO2低温回热器(14)高温侧流出的CO2进入CO2干冷器(15)中预冷，然后进入水冷器(16)中冷却至临界点附近的状态，进行下一循环。
5.根据权利要求2所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统，其特征在于：槽式太阳能吸收器(20)吸收太阳能将导热油加热，根据太阳辐照强度调节阀门A(22)的开度，控制导热油流经太阳能加热器(18)高温侧的流量，将流经太阳能加热器(18)低温侧的CO2加热至设定温度；由太阳能加热器(18)高温侧流出的导热油和另一支路的导热油在泵(21)入口前合流，然后由泵(21)送入槽式太阳能吸收器(20)中进行加热，进行下一循环。
6.根据权利要求2所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统，其特征在于：由太阳能加热器(18)低温侧或CO2低温加热器(19)低温侧流出的CO2的温度高于或等于由CO2低温回热器(14)低温侧流出的CO2的温度，且两股CO2合流后的温度低于由CO2高温回热器(13)高温侧流出的CO2温度。
7.根据权利要求2所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统，其特征在于：当太阳辐照强度使导热油温度高于由CO2低温回热器(14)低温侧流出的CO2温度时，由CO2压缩机(17)流出后分流的另一部分CO2只流经太阳能加热器(18)的低温侧；当太阳辐照强度使导热油温度低于或等于由CO2低温回热器(14)低温侧流出的CO2温度，但高于由CO2压缩机(17)流出的CO2温度时，由CO2压缩机(17)流出后分流的另一部分CO2先流经太阳能加热器(18)的低温侧，再流经CO2低温加热器(19)的低温侧；当太阳辐照强度使导热油温度低于由CO2压缩机(17)流出的CO2温度时，由CO2压缩机(17)流出后分流的另一部分CO2只流经CO2低温加热器(19)的低温侧，此时聚光式太阳能集热子系统停止工作。
8.根据权利要求2所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统，其特征在于：当太阳辐照强度使导热油温度高于由CO2低温回热器(14)低温侧流出的CO2温度时，系统在额定工况下工作，由燃烧室(9)排出的尾气依次经过CO2高温加热器(10)高温侧、空气高温回热器(6)高温侧、空气低温回热器(5)高温侧，作为超临界的CO2高温热源供热并对空气进行加热；当太阳辐照强度使导热油温度低于或等于由CO2低温回热器(14)低温侧流出的CO2温度时，适当增加燃料流量，由燃烧室(9)排出的尾气依次经过CO2高温加热器(10)高温侧、空气高温回热器(6)高温侧、CO2低温加热器(19)高温侧、空气低温回热器(5)高温侧，作为超临界的CO2高温热源和低温热源供热并对空气进行加热。
9.根据权利要求2所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统，其特征在于：由CO2低温回热器(14)高温侧流出的CO2先后被干冷和水冷，其中在CO2干冷器(15)中，固体氧化物燃料电池子系统所需的空气作为干冷剂，CO2在冷却的同时将空气进行预热；CO2低温回热器(14)高温侧流出的CO2经过CO2干冷器(15)干冷后进入CO2水冷器(16)进行水冷。
10.集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能方法，其特征在于，基于权利要求2所述的集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统，包括：
固体氧化物燃料电池子系统中，燃料经燃料压缩机(1)压缩后，在混合器(2)中与阳极循环气混合后进入预重整器(3)中进行预重整，然后进入固体氧化物燃料电池(7)阳极；同时空气经空气压缩机(4)压缩后，进入CO2干冷器(15)对CO2进行预冷，然后依次经过空气低温回热器(5)、空气高温回热器(6)的低温侧进行换热，之后进入固体氧化物燃料电池(7)阴极；燃料与空气在固体氧化物燃料电池(7)中发生反应产生电能，经逆变器(8)转换后向外供电；一部分阳极尾气作为循环气，循环至混合器(2)中与新鲜燃料混合，另一部分阳极尾气与阴极尾气进入燃烧室(9)，使阳极未发生反应的燃料进行完全燃烧并产生高温尾气；高温尾气作为超临界CO2循环的高温热源，流经CO2高温加热器(10)高温侧，通过调节阀门H(29)的开度，控制其流经CO2高温加热器(10)高温侧的流量，将低温侧的CO2加热至所需透平进口温度；然后高温尾气经过空气高温回热器(6)的高温侧将空气加热至所需温度；之后尾气可作为超临界CO2循环的低温热源，流经CO2低温加热器(19)高温侧，根据太阳辐照强度，调节阀门E(26)、阀门F(27)和阀门G(28)的开度，控制尾气流经CO2低温加热器(19)高温侧的流量，将从CO2压缩机(17)流出的部分CO2加热至设定温度；然后尾气经过空气低温回热器(5)的高温侧对空气进行加热，最后进入余热回收装置(30)对其进行余热回收；
超临界CO2循环子系统中，处于临界点的超临界CO2经CO2压缩机(17)压缩后分流，一部分流入CO2低温回热器(14)的低温侧，与从CO2高温回热器(13)高温侧流出的CO2进行换热；根据太阳辐照强度，调节三通阀B(23)、三通阀C(24)和三通阀D(25)，使另一部分CO2或只流经太阳能加热器(18)的低温侧，与从槽式太阳能吸收器(20)流出的导热油进行换热，或只流经CO2低温加热器(19)的低温侧，与从空气高温换热器(6)高温侧流出的尾气进行换热，再或先流经太阳能加热器(18)的低温侧然后流经CO2低温加热器(19)的低温侧，先后与导热油和尾气进行换热；两股CO2在CO2高温回热器(13)低温侧的入口前合流，然后流入CO2高温回热器(13)低温侧，与从CO2透平(11)流出的CO2进行换热；从CO2高温回热器(13)低温侧流出的CO2流经CO2高温加热器(10)的低温侧，被燃烧室(9)排出的尾气加热至所需透平进口温度，然后进入CO2透平(11)中膨胀做功，带动发电机(12)进行发电；由CO2透平(11)流出的CO2依次经过CO2高温回热器(13)高温侧和CO2低温回热器(14)高温侧，将热量传递给低温侧的CO2；由CO2低温回热器(14)高温侧流出的CO2进入CO2干冷器(15)中预冷，然后进入水冷器(16)中冷却至临界点附近的状态，进行下一循环；
聚光式太阳能集热子系统中，槽式太阳能吸收器(20)吸收太阳能将导热油加热，根据太阳辐照强度调节阀门A(22)的开度，控制导热油流经太阳能加热器(18)高温侧的流量，将流经太阳能加热器(18)低温侧的CO2加热至设定温度；由太阳能加热器(18)高温侧流出的导热油和另一支路的导热油在泵(21)入口前合流，然后由泵(21)送入槽式太阳能吸收器(20)中进行加热，进行下一循环。
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