CN111075672B - 一种可适应光照变化的热力储能循环系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可适应光照变化的热力储能循环系统及其操作方法，包括：低温介质存储罐与太阳能集热器相连通，太阳能集热器与高温介质存储罐相连通；高温介质存储罐与第一换热器相连通，第一换热器与太阳能集热器相连通，第一换热器与第四换热器相连通，第四换热器与低温介质存储罐相连通；第一换热器与第一透平相连通，第一透平与第二换热器相连通，第二换热器与第三换热器相连通，第三换热器与压缩机相连通，压缩机与第二换热器相连通，第二换热器与第一换热器相连通；第三换热器与第二透平相连通，第二透平与第一冷却器相连通，第一冷却器与第三换热器相连通。本发明能够提升太阳能光热发电的稳定性及能量利用效率。

Description

一种可适应光照变化的热力储能循环系统及其操作方法
技术领域
本发明属于太阳能储能技术领域，特别涉及一种可适应光照变化的热力储能循环系统及其操作方法。
背景技术
传统能源日益匮乏、环保压力日趋严重，新能源得到了更多的重视。太阳能作为目前应用最广、技术成熟度较高的新能源之一，得到了广泛关注。
现有的光热发电技术存在受太阳光照强度变化大、系统输出极其不稳定、可用电力时间周期短以及发电效率低等问题；具体包括：
(1)太阳能光照强度较低时，常规光热发电技术不能进行发电，导致浪费一部分能源；
(2)太阳能光照强度变化时，常规光热发电技术的发电输出波动大，导致不能满足电网稳定性要求；
(3)常规光热发电技术采用水蒸气循环，部件体积大且复杂，不易于推广使用。
因此，亟需开发一种可适应光照变化的热力储能循环系统，实现太阳能光热发电的稳定输出，以及提升发电效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可适应光照变化的热力储能循环系统及其操作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明能够提升太阳能光热发电的稳定性及能量利用效率。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种可适应光照变化的热力储能循环系统，包括：低温介质存储罐、太阳能集热器、高温介质存储罐、第一换热器、第一透平、第二换热器、第三换热器、压缩机、第二透平、第一冷却器和第四换热器；
低温介质存储罐的出口经第一控制阀门与太阳能集热器的第一进口相连通，太阳能集热器的出口与高温介质存储罐的进口相连通；高温介质存储罐的出口经第二控制阀门与第一换热器的第一进口相连通，第一换热器的第一出口经第三控制阀门与太阳能集热器的第二进口相连通，第一换热器的第一出口经第四控制阀门与第四换热器的第一进口相连通，第四换热器的第一出口与低温介质存储罐的进口相连通；
第一换热器的第二出口与第一透平的工质入口相连通，第一透平的工质出口与第二换热器的第一进口相连通，第二换热器的第一出口与第三换热器的第一进口相连通，第三换热器的第一出口与压缩机的入口相连通，压缩机的出口与第二换热器的第二进口相连通，第二换热器的第二出口与第一换热器的第二进口相连通；第三换热器的第二出口与第二透平的工质入口相连通，第二透平的工质出口与第一冷却器的入口相连通，第一冷却器的出口与第三换热器的第二进口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：第三透平和第二冷却器；第四换热器的第二出口与第三透平的工质入口相连通，第三透平的工质出口与第二冷却器的入口相连通，第二冷却器的出口与第四换热器的第二进口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：第二压缩泵；第二冷却器的出口经第二压缩泵与第四换热器的第二进口相连通。
本发明的进一步改进在于，还包括：第一压缩泵；第一冷却器的出口经第一压缩泵与第三换热器的第二进口相连通。
本发明的进一步改进在于，高温介质存储罐经第五控制阀门与第四换热器的第一入口相连通。
本发明的进一步改进在于，有效工作周期为6:00～20:00；系统效率为40％～50％。
本发明的一种可适应光照变化的热力储能循环系统的操作方法，包括以下步骤：
阶段1，日出后，太阳能光照较弱时，打开第一控制阀门，关闭第二控制阀门、第三控制阀门及第四控制阀门，低温介质存储罐内的工质经第一控制阀门流入太阳能集热器，在太阳能集热器中吸收太阳能完成升温存储至高温介质存储罐；
阶段2：当太阳光照强度逐渐升高时，关闭第一控制阀门及第四控制阀门，打开第二控制阀门及第三控制阀门，高温介质存储罐中的高温介质通过第二控制阀门流出至第一换热器，高温介质在第一换热器内释放热量给超临界二氧化碳，换热后的介质经第三控制阀门流至太阳能集热器进行升温，返回至高温介质存储罐形成循环；超临界二氧化碳作为循环工质，通过第一换热器的第二入口进入第一换热器吸热升温，升温后从第一换热器的第二出口流出至第一透平完成膨胀做功发电，做功后依次进入第二换热器及第三换热器进行降温，再流入压缩机升压，升压后经由第二换热器的第二入口进入第二换热器吸收热量并返回至第一换热器完成循环；有机工质从第三换热器的第二进口进入第三换热器吸收超临界二氧化碳热量，有机工质吸热后进入第二透平膨胀做功，然后经过第一冷却器返回第三换热器的第二进口，完成循环。
本发明的进一步改进在于，所述系统还包括：第三透平和第二冷却器；
阶段3：太阳光照强度逐渐减弱时，关闭第一控制阀门及第三控制阀门，打开第二控制阀门及第四控制阀门，有机工质从第四换热器的第二进口进入第四换热器吸收高温介质热量，此后进入第三透平膨胀做功，然后经过第二冷却器返回第四换热器的第二进口，完成循环。
本发明的进一步改进在于，太阳光照强度大于等于400W/m2时判定采用阶段2；太阳光照强度小于等于100W/m2时判定采用阶段3。
本发明的进一步改进在于，有效工作周期为6:00～20:00；系统效率为40％～50％。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的可适应光照变化的热力储能循环系统，能够提升太阳能光热发电的稳定性及发电效率，且装置运行灵活性高，易于推广。具体的，本发明中，太阳能能量吸收及存储子系统由低温介质存储罐、太阳能集热器、高温介质存储罐、第一换热器、第四换热器及四组控制阀门组成，采用太阳能能量吸收及存储子系统用于吸收低光照强度下的太阳能；在高光照强度下提供给热源，能够增加系统的工作时间，同时平滑太阳能光照强度变化下的系统发电输出曲线，提升太阳能光热发电的稳定性。本发明中，超临界二氧化碳释能子系统由第一换热器、第一透平、第二换热器、第三换热器、压缩机、第二透平、第一冷却器、第一压缩泵组成，采用超临界二氧化碳释能子系统作为主要发电系统，能够提升太阳能系统发电效率，保证系统发电经济性。
本发明有机工质释能子系统由第四换热器、第三透平、第二冷却器、第二压缩泵组成。采用有机工质释能子系统，能够最大限度的利用余热，进一步提升整个系统的经济效益。
本发明中，高温介质存储罐直接连通第四换热器，在高温介质存储罐所存储介质不足以驱动超临界二氧化碳循环时，可仅让其驱动有机工质释能子系统。
本发明提出的操作方法流程，可以增加系统运行的灵活性及适应能力。具体的，(1)传统的常规光热发电技术仅能在光照强度大于等于400W/m2的时间周期内开始工作，有效工作周期约在8:30至16:30共八小时，本发明技术能够在日出时至日落后部分时间稳定工作，有效工作周期约在6:00至20:00约十四小时，工作时长提升明显；(2)传统的常规光热发电技术中的透平进口温度受太阳光照强度影响大，系统处于变工况运行，严重时发电效率会衰退至50％甚至更低，而本发明由于采用了存储罐进行热源加热，能够保证发电效率的稳定；(3)传统的常规光热发电技术大都是蒸汽循环，不仅装置体积大，系统效率也仅在20-30％左右，而本发明使用超临界二氧化碳与有机朗肯循环相结合的形式，各装置体积小，约为蒸汽循环的1/10，且系统效率能够突破40-50％，具有极高的竞争优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种可适应光照变化的热力储能循环系统的示意图；
图1中，1、低温介质存储罐；2、太阳能集热器；3、高温介质存储罐；4、第一换热器；5、第一透平；6、第二换热器；7、第三换热器；8、压缩机；9、第二透平；10、第一冷却器；11、第一压缩泵；12、第四换热器；13、第三透平；14、第二冷却器；15、第二压缩泵；
101、第一控制阀门；102、第二控制阀门；103、第三控制阀门；104、第四控制阀门。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1所述，本发明实施例的一种可适应光照变化的热力储能循环系统，包括：低温介质存储罐1、太阳能集热器2、高温介质存储罐3、第一换热器4、第一透平5、第二换热器6、第三换热器7、压缩机8、第二透平9、第一冷却器10、第一压缩泵11、第四换热器12、第三透平13、第二冷却器14、第二压缩泵15。
此外，还包括第一控制阀门101、第二控制阀门102、第三控制阀门103、第四控制阀门104。
太阳能能量吸收及存储子系统由低温介质存储罐1、太阳能集热器2、高温介质存储罐3、第一换热器4、第四换热器12及四组控制阀门组成。
低温介质存储罐1的出口通过第一控制阀门101连接至太阳能集热器2的第一进口，太阳能集热器2的出口连接至高温介质存储罐3，高温介质存储罐3的出口通过第二控制阀门102连接至第一换热器4的第一进口，第一换热器4的第一出口分别通过第三控制阀门103连接至太阳能集热器2的第二进口及通过第四控制阀门104连接至第四换热器12的第一进口，第四换热器12的第一出口连接至低温介质存储罐1的进口。
超临界二氧化碳释能子系统由第一换热器4、第一透平5、第二换热器6、第三换热器7、压缩机8、第二透平9、第一冷却器10、第一压缩泵11组成。
第一换热器4的第二出口连接至第一透平5，第一透平5与第二换热器6的第一进口相连，第二换热器6的第一出口连接至第三换热器7的第一进口，第三换热器7的第一出口与压缩机8相连，压缩机8的出口连接至第二换热器6的第二进口，第二换热器6的第二出口连接至第一换热器4的第二进口。第三换热器7的第二出口连接至第二透平9，第二透平9的出口与第一冷却器10相连，此后与第一压缩泵11相连，第一压缩泵11连接至第三换热器7的第二进口。
优选的，有机工质释能子系统由第四换热器12、第三透平13、第二冷却器14、第二压缩泵15组成。第四换热器12的第二出口与第三透平13相连，第三透平13的出口连接至第二冷却器14，第二冷却器14的出口与第二压缩泵15相连，第二压缩泵15的出口连接至第四换热器12的第二进口。
本发明实施例的一种可适应光照变化的热力储能循环系统的工作流程，包括：
阶段1：日出后，太阳能光照较弱时，打开第一控制阀门101，关闭第二控制阀门102、第三控制阀门103、第四控制阀门104，太阳能能量吸收及存储子系统开始工作：低温介质存储罐1内的工质经第一控制阀门101流入太阳能集热器2，在太阳能集热器2中吸收太阳能完成升温存储至高温介质存储罐3；
阶段2：当太阳光照强度逐渐升高时，关闭第一控制阀门101及第四控制阀门104，打开第二控制阀门102及第三控制阀门103，太阳能能量吸收及存储子系统及超临界二氧化碳释能子系统开始工作：高温介质存储罐3中的高温介质通过第二控制阀门102流出至第一换热器4，介质在第一换热器4内释放热量给超临界二氧化碳释能子系统，此后通过第三控制阀门103流至太阳能集热器2进行升温返回至高温介质存储罐3形成循环；超临界二氧化碳通过第一换热器4的第二入口进入第一换热器4吸热升温，以后从第一换热器4的第二出口流出至第一透平5完成膨胀做功发电，此后进入第二换热器6及第三换热器7进行降温，再流入压缩机8升压，此后经由第二换热器6的第二入口进入第二换热器6吸收热量并返回至第一换热器4完成循环；有机工质从第三换热器7的第二进口进入第三换热器7吸收超临界二氧化碳热量，此后进入第二透平9膨胀做功，然后经过第一冷却器10流入第一压缩泵11，完成压缩后返回第三换热器7的第二进口，完成循环。
优选的，阶段3：傍晚，太阳光照强度逐渐减弱时，关闭第一控制阀门101及第三控制阀门103，打开第二控制阀门102及第四控制阀门104，超临界二氧化碳释能子系统及有机工质释能子系统开始工作：超临界二氧化碳释能子系统工作流程同上；有机工质从第四换热器12的第二进口进入第四换热器12吸收高温介质热量，此后进入第三透平13膨胀做功，然后经过第二冷却器14流入第二压缩泵15，完成压缩后返回第四换热器12的第二进口，完成循环。
优选的，可以加设高温介质存储罐3直接流通至控制阀门14的管道，在高温介质存储罐3所存储介质不足以驱动超临界二氧化碳循环时，仅让其驱动有机工质释能子系统。
优选的，太阳光照强度开始大于等于400W/m2时判定进入阶段2，太阳光照强度开始小于等于100W/m2时判定进入阶段3。
本发明能够实现：根据太阳光照强度变化调整适合的储能或释能策略，实现对太阳能的有效利用及有效储能。
综上所述，本发明提供了一种适应光照变化的热力储能循环系统，能够实现用户的太阳能自适应存储及利用。具体优点如下：采用太阳能能量吸收及存储子系统用于吸收低光照强度下的太阳能，同时在高光照强度下提供给热源，能够增加系统的工作时间，同时平滑太阳能光照强度变化下的系统发电输出曲线，提升太阳能光热发电的稳定性；采用超临界二氧化碳释能子系统作为主要发电系统，能够提升太阳能系统发电效率，保证系统发电经济性；采用有机工质释能子系统，能够最大限度的利用余热，进一步提升整个系统的经济效益；通过本发明提出的工作流程，可以增加系统运行的灵活性及适应能力。本发明的适应光照变化的热力储能循环系统，能够提升太阳能光热发电的稳定性及发电效率，且装置运行灵活性高，易于推广。具体的，1、传统的常规光热发电技术仅能在光照强度大于等于400W/m2的时间周期内开始工作，有效工作周期约在8:30至16:30共八小时，本发明技术能够在日出时至日落后部分时间稳定工作，有效工作周期约在6:00至20:00约十四小时，工作时长提升明显；2、传统的常规光热发电技术中的透平进口温度受太阳光照强度影响大，系统处于变工况运行，严重时发电效率会衰退至50％甚至更低，而本发明由于采用了存储罐进行热源加热，能够保证发电效率的稳定；3、传统的常规光热发电技术大都是蒸汽循环，不仅装置体积大，系统效率也仅在20-30％左右，而本发明使用超临界二氧化碳与有机朗肯循环相结合的形式，各装置体积小，约为蒸汽循环的1/10，且系统效率能够突破40-50％，具有极高的竞争优势。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可适应光照变化的热力储能循环系统，其特征在于，包括：低温介质存储罐(1)、太阳能集热器(2)、高温介质存储罐(3)、第一换热器(4)、第一透平(5)、第二换热器(6)、第三换热器(7)、压缩机(8)、第二透平(9)、第一冷却器(10)和第四换热器(12)；
低温介质存储罐(1)的出口经第一控制阀门(101)与太阳能集热器(2)的第一进口相连通，太阳能集热器(2)的出口与高温介质存储罐(3)的进口相连通；高温介质存储罐(3)的出口经第二控制阀门(102)与第一换热器(4)的第一进口相连通，第一换热器(4)的第一出口经第三控制阀门(103)与太阳能集热器(2)的第二进口相连通，第一换热器(4)的第一出口经第四控制阀门(104)与第四换热器(12)的第一进口相连通，第四换热器(12)的第一出口与低温介质存储罐(1)的进口相连通；
第一换热器(4)的第二出口与第一透平(5)的工质入口相连通，第一透平(5)的工质出口与第二换热器(6)的第一进口相连通，第二换热器(6)的第一出口与第三换热器(7)的第一进口相连通，第三换热器(7)的第一出口与压缩机(8)的入口相连通，压缩机(8)的出口与第二换热器(6)的第二进口相连通，第二换热器(6)的第二出口与第一换热器(4)的第二进口相连通；第三换热器(7)的第二出口与第二透平(9)的工质入口相连通，第二透平(9)的工质出口与第一冷却器(10)的入口相连通，第一冷却器(10)的出口与第三换热器(7)的第二进口相连通；
其中，日出后，太阳能光照较弱时，打开第一控制阀门(101)，关闭第二控制阀门(102)、第三控制阀门(103)及第四控制阀门(104)；当太阳光照强度逐渐升高时，关闭第一控制阀门(101)及第四控制阀门(104)，打开第二控制阀门(102)及第三控制阀门(103)。
2.根据权利要求1所述的一种可适应光照变化的热力储能循环系统，其特征在于，还包括：第三透平(13)和第二冷却器(14)；第四换热器(12)的第二出口与第三透平(13)的工质入口相连通，第三透平(13)的工质出口与第二冷却器(14)的入口相连通，第二冷却器(14)的出口与第四换热器(12)的第二进口相连通。
3.根据权利要求2所述的一种可适应光照变化的热力储能循环系统，其特征在于，还包括：第二压缩泵(15)；第二冷却器(14)的出口经第二压缩泵(15)与第四换热器(12)的第二进口相连通。
4.根据权利要求1所述的一种可适应光照变化的热力储能循环系统，其特征在于，还包括：第一压缩泵(11)；第一冷却器(10)的出口经第一压缩泵(11)与第三换热器(7)的第二进口相连通。
5.根据权利要求1所述的一种可适应光照变化的热力储能循环系统，其特征在于，高温介质存储罐(3)经第五控制阀门与第四换热器(12)的第一入口相连通。
6.根据权利要求2所述的一种可适应光照变化的热力储能循环系统，其特征在于，有效工作周期为6:00～20:00；系统效率为40％～50％。
7.一种权利要求1所述的可适应光照变化的热力储能循环系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
阶段1，日出后，太阳能光照较弱时，打开第一控制阀门(101)，关闭第二控制阀门(102)、第三控制阀门(103)及第四控制阀门(104)，低温介质存储罐(1)内的工质经第一控制阀门(101)流入太阳能集热器(2)，在太阳能集热器(2)中吸收太阳能完成升温存储至高温介质存储罐(3)；
阶段2：当太阳光照强度逐渐升高时，关闭第一控制阀门(101)及第四控制阀门(104)，打开第二控制阀门(102)及第三控制阀门(103)，高温介质存储罐(3)中的高温介质通过第二控制阀门(102)流出至第一换热器(4)，高温介质在第一换热器(4)内释放热量给超临界二氧化碳，换热后的介质经第三控制阀门(103)流至太阳能集热器(2)进行升温，返回至高温介质存储罐(3)形成循环；超临界二氧化碳作为循环工质，通过第一换热器(4)的第二入口进入第一换热器(4)吸热升温，升温后从第一换热器(4)的第二出口流出至第一透平(5)完成膨胀做功发电，做功后依次进入第二换热器(6)及第三换热器(7)进行降温，再流入压缩机(8)升压，升压后经由第二换热器(6)的第二入口进入第二换热器(6)吸收热量并返回至第一换热器(4)完成循环；有机工质从第三换热器(7)的第二进口进入第三换热器(7)吸收超临界二氧化碳热量，有机工质吸热后进入第二透平(9)膨胀做功，然后经过第一冷却器(10)返回第三换热器(7)的第二进口，完成循环。
8.根据权利要求7所述的一种可适应光照变化的热力储能循环系统的操作方法，其特征在于，所述系统还包括：第三透平(13)和第二冷却器(14)；
阶段3：太阳光照强度逐渐减弱时，关闭第一控制阀门(101)及第三控制阀门(103)，打开第二控制阀门(102)及第四控制阀门(104)，有机工质从第四换热器(12)的第二进口进入第四换热器(12)吸收高温介质热量，此后进入第三透平(13)膨胀做功，然后经过第二冷却器(14)返回第四换热器(12)的第二进口，完成循环。
9.根据权利要求8所述的一种可适应光照变化的热力储能循环系统的操作方法，其特征在于，太阳光照强度大于等于400W/m2时判定采用阶段2；太阳光照强度小于等于100W/m2时判定采用阶段3。
10.根据权利要求8所述的一种可适应光照变化的热力储能循环系统的操作方法，其特征在于，有效工作周期为6:00～20:00；系统效率为40％～50％。
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