CN110159375A - 塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统及方法 - Google Patents

塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种塔式太阳能‑燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统及方法，包括：太阳能集热系统、燃煤锅炉热源和二氧化碳布雷顿循环系统，所述太阳能热源系统和燃煤锅炉热源的双热源耦合为所述二氧化碳布雷顿循环系统中的二氧化碳提供热量，并且在太阳能充足时由所述太阳能热源系统提供热量，在太阳能不充足时，由所述太阳能热源系统和所述燃煤锅炉热源共同提供热量。本发明实现了双热源耦合工作，由于燃煤热源耦合工作，太阳能不需要储热系统，系统形式简化且可靠性强，具有较强的创新性和实用性。

Description

塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统及方法
技术领域
本发明属于发电技术领域，特别是涉及到一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统及方法。
背景技术
电能作为可直接使用的高品位能源之一，是社会生活及生产核心能源，随着社会经济发展导致电网波峰波谷问题的出现，对电能供给侧提出高效、清洁、灵活等要求。而当前我国电力供应中燃煤水蒸气发电方式占主导地位，燃煤水蒸气发电主要存在煤炭化石能源消耗量大、污染物排放导致环境问题突出，及电网波峰波谷对供电侧快速调峰导致电厂低负荷运行后效率低等问题；其次是太阳能及风能等可再生能源发电技术越来越成熟且供电比例逐步提高，但是由于发电侧波动及电网需求变化难以匹配，且太阳能储热存在众多未解决的难题，导致长期存在弃风弃电问题。
基于此，本发明提出一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统及方法。由于太阳能为清洁可再生能源，且塔式太阳能集热器温度可以达到几千度，提出利用可再生太阳能与燃煤锅炉耦合提供热源，且优先利用太阳能集热器的热量，燃煤锅炉根据太阳能集热器的集热量而调整供热量。其次是二氧化碳布雷顿循环发电系统相对于水蒸气机组，在相同装机容量下，机组设备体积减少到1/10～1/20，发电系统灵活性提高且系统效率略高于水蒸气机组；同时二氧化碳物理化学性质不活泼，在相同主蒸汽参数下，对材料要求较低。该发电系统还可以实现分布式系统供电，具有较强的创新性和实用性。
发明内容
本发明一方面，提出一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统，包括：太阳能集热系统、燃煤锅炉热源和二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于：所述太阳能热源系统和燃煤锅炉热源的双热源耦合为所述二氧化碳布雷顿循环系统中的二氧化碳提供热量，并且在太阳能充足时由所述太阳能热源系统提供热量，在太阳能不充足时，由所述太阳能热源系统和所述燃煤锅炉热源共同提供热量。
进一步，所述太阳能热源系统为塔式集热系统。
进一步，所述太阳能热源系统包括：太阳能反射板、太阳能集热塔、热量输运管路。
进一步，所述二氧化碳布雷顿循环系统包括：太阳能高温换热器、燃煤锅炉高温换热器、膨胀机、压缩机、冷凝器、回热器、二氧化碳分流控制器和二氧化碳集流控制器。
进一步，在太阳能不充足时，通过所述二氧化碳分流控制器和所述二氧化碳集流控制器共同调节控制进入所述太阳能高温换热器和所述燃煤锅炉高温换热器高温换热器的二氧化碳流量，实现由所述太阳能热源系统和所述燃煤锅炉热源共同提供热量。
进一步，所述太阳能高温换热器用于实现所述太阳能热源系统的太阳能与所述二氧化碳布雷顿循环系统中的二氧化碳之间的热量交换。
进一步，所述燃煤锅炉高温换热器用于实现所述述燃煤锅炉热源与所述二氧化碳布雷顿循环系统中的二氧化碳之间的热量交换。
另一方面，本发明提出一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电方法，其特征在于：利用太阳能集热系统和燃煤锅炉热源为二氧化碳布雷顿循环系统中的二氧化碳提供热能，且在太阳能充足时由所述太阳能热源系统提供热能，在太阳能不充足时，由所述太阳能热源系统和所述燃煤锅炉热源共同提供热量。
进一步，所述二氧化碳布雷顿循环系统中，低温低压二氧化碳经过压缩机加压后依次进入回热器和太阳能高温换热器和燃煤锅炉高温换热器中加热，加热后的高温高压二氧化碳进入膨胀机膨胀做功，输出动能驱动发电机输出电能，膨胀后的低温低压二氧化碳进入所述回热器和冷凝器中冷却，然后再次进入所述压缩机，完成布雷顿循环。
进一步，在太阳能不充足时，通过二氧化碳分流控制器调节所述太阳能高温换热器与所述锅炉热源高温换热器的流量，二氧化碳集流控制器将经所述太阳能高温换热器和所述锅炉热源高温换热器加热后的二氧化碳进行汇集输出，实现由所述太阳能热源系统和所述燃煤锅炉热源共同提供热量。
进一步，进入所述太阳能集热系统的太阳光经过反射板折射后聚集在太阳能集热塔中实现高温热源，并通过热量输运管路将热能输送到所述太阳能高温换热器，将热能传输给所述二氧化碳布雷顿循环系统中的工质二氧化碳。
进一步，所述燃煤锅炉高温换热器用于实现所述述燃煤锅炉热源与所述二氧化碳布雷顿循环系统中的二氧化碳之间的热量交换。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明，其中：
图1为本发明的塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统原理示意图。
附图标记表示为：
1、太阳能集热系统，2、燃煤锅炉热源，3、二氧化碳布雷顿循环系统，11、太阳能反射板，12、太阳能集热塔，13、热量输运管路，14、太阳光入射反射光路，31、太阳能高温换热器，32、燃煤锅炉内高温换热器，33、膨胀机，34、压缩机，35、冷凝器，36、回热器，37、二氧化碳分流控制器，38、二氧化碳集流控制器
具体实施方式
本发明提供一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电方法及系统，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统原理示意图。系统主要包括三分部，分别为太阳能集热系统1，燃煤锅炉热源2和二氧化碳布雷顿循环系统3。
太阳能集热系统1用于为二氧化碳布雷顿循环系统3中的二氧化碳提供热量。主要包括太阳能反射板11、太阳能集热塔12、热量输运管路13。太阳能集热系统1中，太阳光经过反射板11折射后聚集在太阳能集热塔12中实现高温热源，并通过热量输运管路13通过二氧化碳布雷顿循环系统3中的太阳能高温换热器31与二氧化碳换热。太阳光入射反射光路14如图1中所示。太阳能采用的是塔式集热系统，与二氧化碳换热的热源温度达到600-700℃。
燃煤锅炉热源2也用于为二氧化碳布雷顿循环系统3中的二氧化碳提供热量，其通过燃煤锅炉内高温换热器32实现与二氧化碳布雷顿循环系统3中的二氧化碳换热。
也即本发明的系统采用可再生的太阳能热源系统1和燃煤锅炉热源2的双热源耦合为二氧化碳提供热量，并且优先利用太阳能热量。
作为动力循环的二氧化碳布雷顿循环系统3采用二氧化碳为工质实现热功转化，主要设备包括太阳能高温换热器31、燃煤锅炉高温换热器32、膨胀机33、压缩机34、冷凝器35及回热器36、二氧化碳分流控制器37和二氧化碳集流控制器38。
如上面提到的，本发明的系统中，利用太阳能热源和燃煤锅炉热源为二氧化碳提供热量，并且优先利用能热量。当太阳能充足时，利用太阳能为二氧化碳提供热量；当太阳能的集热量不能满足系统需要时，通过二氧化碳分流控制器37调节二氧化碳进入太阳能和燃煤锅炉的流量，实现燃煤锅炉动态供热，也即太阳能和燃煤热量实现同时供热。换句话说，也即二氧化碳分流控制器37调节太阳能高温换热器31与锅炉热源高温换热器32的流量，二氧化碳集流控制器38将经太阳能高温换热器31和锅炉热源高温换热器32加热后的二氧化碳进行汇集输出。太阳能集热量减少或增大时，流量控制器调整进入太阳能集热器的二氧化碳流量也减少或增大，因此进入燃煤锅炉的二氧化碳流量和燃煤锅炉的供热量随机增大或减少，实现双热源耦合工作。由于燃煤热源耦合工作，太阳能不需要储热系统，系统形式简化且可靠性强，具有较强的创新性和实用性。
如图1所示，本发明的系统在工作时，低温低压二氧化碳经过压缩机34加压后依次进入回热器36和高温换热器31和32中加热，高温高压二氧化碳进入膨胀机33膨胀做功，输出动能驱动发电机输出电能，膨胀后的低温低压二氧化碳进入回热器36和冷凝器35中冷却，然后再次进入压缩机34，完成布雷顿循环。
二氧化碳布雷顿循环3中膨胀做功过程和压缩过程可以采用多级膨胀、再热及多级压缩、间冷等系统模式提高系统效率。二氧化碳动力循环系统中主蒸汽温度在600℃左右，冷却器采用水冷或风冷。
此实施例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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统，包括：太阳能集热系统、燃煤锅炉热源和二氧化碳布雷顿循环系统，其特征在于：所述太阳能热源系统和燃煤锅炉热源的双热源耦合为所述二氧化碳布雷顿循环系统中的二氧化碳提供热量，并且在太阳能充足时由所述太阳能热源系统提供热量，在太阳能不充足时，由所述太阳能热源系统和所述燃煤锅炉热源共同提供热量。
2.根据权利要求1所述的一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统，其特征在于，所述太阳能热源系统为塔式集热系统。
3.根据权利要求1所述的一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统，其特征在于，所述太阳能热源系统包括：太阳能反射板、太阳能集热塔、热量输运管路。
4.根据权利要求1所述的一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统，其特征在于，所述二氧化碳布雷顿循环系统包括：太阳能高温换热器、燃煤锅炉高温换热器、膨胀机、压缩机、冷凝器、回热器、二氧化碳分流控制器和二氧化碳集流控制器。
5.根据权利要求4所述的一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统，其特征在于，在太阳能不充足时，通过所述二氧化碳分流控制器和所述二氧化碳集流控制器共同调节控制进入所述太阳能高温换热器和所述燃煤锅炉高温换热器高温换热器的二氧化碳流量，实现由所述太阳能热源系统和所述燃煤锅炉热源共同提供热量。
6.根据权利要求4所述的一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统，其特征在于，所述太阳能高温换热器用于实现所述太阳能热源系统的太阳能与所述二氧化碳布雷顿循环系统中的二氧化碳之间的热量交换。
7.根据权利要求4所述的一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电系统，其特征在于，所述燃煤锅炉高温换热器用于实现所述述燃煤锅炉热源与所述二氧化碳布雷顿循环系统中的二氧化碳之间的热量交换。
8.一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电方法，其特征在于：利用太阳能集热系统和燃煤锅炉热源为二氧化碳布雷顿循环系统中的二氧化碳提供热能，且在太阳能充足时由所述太阳能热源系统提供热能，在太阳能不充足时，由所述太阳能热源系统和所述燃煤锅炉热源共同提供热量。
9.根据权利要求8所述的一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电方法，其特征在于：所述二氧化碳布雷顿循环系统中，低温低压二氧化碳经过压缩机加压后依次进入回热器和太阳能高温换热器和燃煤锅炉高温换热器中加热，加热后的高温高压二氧化碳进入膨胀机膨胀做功，输出动能驱动发电机输出电能，膨胀后的低温低压二氧化碳进入所述回热器和冷凝器中冷却，然后再次进入所述压缩机，完成布雷顿循环。
10.根据权利要求9所述的一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电方法，其特征在于：在太阳能不充足时，通过二氧化碳分流控制器调节所述太阳能高温换热器与所述锅炉热源高温换热器的流量，二氧化碳集流控制器将经所述太阳能高温换热器和所述锅炉热源高温换热器加热后的二氧化碳进行汇集输出，实现由所述太阳能热源系统和所述燃煤锅炉热源共同提供热量。
11.根据权利要求9所述的一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电方法，其特征在于：进入所述太阳能集热系统的太阳光经过反射板折射后聚集在太阳能集热塔中实现高温热源，并通过热量输运管路将热能输送到所述太阳能高温换热器，将热能传输给所述二氧化碳布雷顿循环系统中的工质二氧化碳。
12.根据权利要求9所述的一种塔式太阳能-燃煤耦合热源的二氧化碳发电方法，其特征在于：所述燃煤锅炉高温换热器用于实现所述述燃煤锅炉热源与所述二氧化碳布雷顿循环系统中的二氧化碳之间的热量交换。
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