CN111174448A - 太阳能与余热一体化互补发电系统 - Google Patents

太阳能与余热一体化互补发电系统 Download PDF

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Abstract

一种太阳能与余热一体化互补发电系统，该系统主要包括：太阳能聚光集热器、热化学反应器、动力发电装置、动力余热回收换热器、预热换热器、高温储热装置、低温储热装置、合成气储罐、原料储罐。本发明提供的太阳能与余热一体化互补发电系统，以传热介质显热的形式将太阳能和动力余热传输至热化学反应器用于驱动热化学反应，从而将太阳能和动力余热转化为燃料化学能，实现了太阳能与动力余热的一体化互补利用，同时将太阳能与动力余热互补利用，提升了发电系统的运行稳定性，减小了太阳辐照波动对系统运行稳定性的影响。

Description

太阳能与余热一体化互补发电系统
技术领域
本发明涉及太阳能利用、能源技术领域，尤其涉及一种太阳能与余热一体化互补发电系统。
背景技术
随着经济社会的持续发展，化石能源的大量消耗，导致了能源的日益枯竭以及环境污染。大力开发可再生能源，发展清洁能源受到广泛关注，太阳能因分布广泛且储量巨大备受青睐，太阳能燃料转化是重要利用技术。
针对太阳能的利用，传统的太阳能光热利用方式分为两类。第一类是太阳能光热发电，通过吸收太阳热能驱动传统的动力循环设备以发电。全世界范围内，各类太阳能光热发电站已经投入实际运行。我国近几年也广泛鼓励太阳能光热电站的建设及运行；但存在成本高，且效率低于15％的问题。另一类是太阳能热化学，其主要是通过所聚焦的太阳热能来驱动化学反应的进行，进而来充分利用太阳能，具有更高的发展潜力。
太阳能具有绿色环保、取之不尽的优点，同时也存在着波动较大、随机性强的弊端。采用单一太阳能供能会在发电并网和负荷供需匹配等方面遇到诸多挑战。通过多能互补的方式，将太阳能与燃料进行互补利用，提高系统运行稳定性。常规的互补方式以太阳能热的形式替代动力循环的部分热源来实现太阳能间接发电，动力余热通过驱动吸收式制冷进行回收。然而，受太阳能集热温度的影响，其太阳能转化为电的净效率较低；且动力余热回收过程中，不可逆损失较大，导致余热回收效率较低。本发明中，以热化学转化的形式，将太阳能与动力余热回收进行一体化集成，将太阳能和余热转化为燃料化学能，同时动力余热与太阳能的互补利用，平抑了太阳能辐照波动对系统稳定运行的影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供了一种太阳能与余热一体化互补发电系统，以解决针对太阳能与余热利用过程中，效率不高、系统结构复杂、且容易受到外界环境的影响、不能连续运行的问题。
(二)技术方案
一种太阳能与余热一体化互补发电系统，该系统包括：太阳能聚光集热器1、高温储热装置2、低温储热装置3、合成气储罐4、原料储罐5、动力发电装置6、热化学反应器7、动力余热回收换热器8和预热换热器9，其中：
太阳能聚光集热器1，用于聚焦太阳能以加热流经的传热介质，将太阳能转换成热能，并以显热的形式存储于传热介质中，之后传热介质流至高温储热装置2中；
动力余热回收换热器8，用于利用动力发电装置6产生的动力余热对来自低温储热装置3中的传热介质进行加热；
高温储热装置2，用于以传热介质为热载体储存太阳能聚光集热器1聚焦的太阳能和动力余热回收换热器8回收的动力余热；预热换热器9，用于对原料储罐5中储存的原料进行预热，预热后的原料被输送至热化学反应器7；
预热换热器9，用于对原料储罐5中储存的原料进行预热，流经动力余热回收换热器8后的动力排烟作为热源预热原料，预热后的原料被输送至热化学反应器7；
热化学反应器7，高温储热装置2中的传热介质流经热化学反应器7释放所储存的太阳能和动力余热以驱动被预热换热器9预热后的原料在热化学反应器7中发生热化学反应生成合成气，生成的合成气被输送至合成气储罐4，释放热量后的传热介质输送至低温储热装置3；
合成气储罐4，用于储存热化学反应器7中生成的合成气；
动力发电装置6，用于通过动力循环，将合成气储罐4中存储的合成气转化为电；
低温储热装置3，用于储存从热化学反应器7中输出的传热介质；
原料储罐5，用于储存进行热化学反应的原料。
上述方案中，低温储热装置3与高温储热装置2中的传热介质，在太阳能聚光集热器1和动力余热回收换热器8中吸收热量而升温，在通过热化学反应器7时释放热量驱动热化学反应，通过传热介质吸热-放热的循环，从而将太阳能和动力余热升级转化为燃料化学能，实现太阳能和动力余热的一体化互补利用。
上述方案中，所述热化学反应器7具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，高温储热装置2中的传热介质从第一端口流入热化学反应器7，预热换热器9预热的原料从第三端口流入热化学反应器7中，热化学反应器7内部生成的合成气从第二端口流出至合成气储罐4，释放热量后的传热介质经过第四端口输送至低温储热装置3中。
上述方案中，低温储热装置3中的传热介质输送至动力余热回收换热器8以吸收动力余热。
上述方案中，该系统在动力余热回收换热器8与太阳能聚光集热器1之间还包括第三阀门13，在动力余热回收换热器8与高温储热装置2之间还包括第二阀门12，在低温储热装置3与太阳能聚光集热器1之间还包括第一阀门11，其中，
第三阀门13的第一端口与动力余热回收换热器8的第一出口相连接，第三阀门13的第二端口与太阳能聚光集热器1的导热油流入端相连接；
第二阀门12的第一端口与动力余热回收换热器8的第一出口相连接，第二阀门12的第二端口与高温储热装置2的传热介质流入端相连接；
第一阀门11的第一端口与低温储热装置3的传热介质流出端相连接，第一阀门11的第二端口与太阳能聚光集热器1传热介质流入端相连接。
其中，所述第一阀门11、第二阀门12和第三阀门13用于调节互补发电系统以适应太阳辐照的变化，包括：
当太阳辐照充足时，关闭第三阀门13并打开第一阀门11和第二阀门12，使得太阳能聚光集热器1和动力余热回收换热器8呈并联关系，此时低温储热装置3中流出的传热介质被分成两股，分别流入太阳能聚光集热器1和动力余热回收换热器8中吸收热量，吸收热量加热后汇聚成一股流入高温储热装置2中；
当太阳辐照微弱不足以加热传热介质时，则打开第三阀门13，关闭第一阀门11和第二阀门12，使得太阳能聚光集热器1和动力余热回收换热器8呈串联关系，此时低温储热装置3中流出的传热介质依次流过动力余热回收换热器8和太阳能聚光集热器1中吸收热量，吸收热量加热后流入高温储热装置2中；
当完全没有太阳辐照时，则打开第二阀门12并关闭第一阀门11和第三阀门13，使得低温储热装置3中流出的传热介质只经过动力余热回收换热器8，只采用回收动力余热的方式对传热介质进行加热，传热介质吸收热量升温后流入高温储热装置2中。
上述方案中，高温储热装置2的温度范围为250℃至350℃。
上述方案中，低温储热装置3的温度范围为150至250℃。
(三)有益效果
1、本发明提供的太阳能与余热一体化互补发电系统，通过传热介质吸热-放热循环，将太阳能和动力余热转化为燃料化学能，实现了太阳能与动力余热的一体化互补利用，同时实现了两个低品位能量的提质增效，同时具有互补的作用，平抑太阳能波动对系统的影响。
2、本发明提供的太阳能与余热一体化互补发电系统，将太阳能与动力余热互补利用，提升了发电系统的运行稳定性，减小了太阳辐照波动对系统运行稳定性的影响。同时，传热介质可以作为储热材料，能够以热的形式对太阳能以及动力余热进行存储，提升了系统运行稳定性。
3、本发明提供的太阳能与余热一体化互补发电系统，在太阳能与余热回收利用过程中共用一套反应器，降低了系统复杂度。
4、本发明提供的太阳能与余热一体化互补发电系统，通过动力余热回收和原料预热对余热进行利用，实现了能量的梯级利用，提高了系统的能源利用效率。
5、本发明提供的太阳能与余热一体化互补发电系统，采用热化学的方式，将太阳热能转化为燃料化学能，提高了太阳能的做功能力，实现了太阳能的高效利用。
6、本发明提供的太阳能与余热一体化互补发电系统，采用的传热介质作为系统能源传递与储存的主要介质，可循环使用。
附图说明
图1是依照本发明实施例的太阳能与余热一体化互补发电系统的系统图；
图2是依照本发明实施例的太阳能与余热一体化互补发电系统中能量流动和传递的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是依照本发明实施例的太阳能与余热一体化互补发电系统的示意图，该系统包括：太阳能聚光集热器1、高温储热装置2、低温储热装置3、合成气储罐4、原料储罐5、动力发电装置6、热化学反应器7、动力余热回收换热器8和预热换热器9，其中：
太阳能聚光集热器1，用于聚焦太阳能以加热流经的传热介质，将太阳能转换成热能，并以显热的形式存储于传热介质中，之后传热介质流至高温储热装置2中；其中传热介质可以为导热油，也可以为硅脂、液态金属等其他传热介质等；
动力余热回收换热器8，用于利用动力发电装置6产生的动力余热对来自低温储热装置3中的传热介质进行加热；
高温储热装置2，用于以传热介质为热载体储存太阳能聚光集热器1聚焦的太阳能和动力余热回收换热器8回收的动力余热；预热换热器9，用于对原料储罐5中储存的原料进行预热，预热后的原料被输送至热化学反应器7；
预热换热器9，用于对原料储罐5中储存的原料进行预热，流经动力余热回收换热器8后的动力排烟作为热源预热原料，预热后的原料被输送至热化学反应器7；
热化学反应器7，高温储热装置2中的传热介质流经热化学反应器7释放所储存的太阳能和动力余热以驱动被预热换热器9预热后的原料在热化学反应器7中发生热化学反应生成合成气，生成的合成气被输送至合成气储罐4，释放热量后的传热介质输送至低温储热装置3；
合成气储罐4，用于储存热化学反应器7中生成的合成气；
动力发电装置6，用于通过动力循环，将合成气储罐4中存储的合成气转化为电；
低温储热装置3，用于储存从热化学反应器7中输出的传热介质；
原料储罐5，用于储存进行热化学反应的原料。
具体的，导热油从太阳能聚光集热器1吸收热量加热后流入高温储热装置2，高温储热装置2储存被太阳能聚光集热器1加热的传热介质，之后高温储热装置2中的传热介质流入热化学反应器7中释放热量，驱动原料在热化学反应器7内部发生热化学反应生成合成气，生成的合成气被输出至合成气储罐4，释放热量后的传热介质被输出至低温储热装置3。热化学反应器7具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，高温储热装置2中的传热介质从第一端口流入热化学反应器7，在预热换热器9预热的原料从第三端口流入热化学反应器7中，热化学反应器7内部生成的合成气从第二端口流出至合成气储罐4，释放热量后的传热介质经过第四端口流出至低温储热装置3中。低温储热装置3中流出的传热介质从动力余热回收换热器8的入口流入，吸收热量后从出口流出，最终经过太阳能聚光集热器1流入高温储热装置2或者直接流入高温储热装置2中，实现传热介质的循环利用。
其中，本发明提供的太阳能与余热一体化互补发电系统在动力余热回收换热器8与太阳能聚光集热器1之间还包括第三阀门13，在动力余热回收换热器8与高温储热装置2之间还包括第二阀门12，在低温储热装置3与太阳能聚光集热器1之间还包括第一阀门11，在动力发电装置6和合成气储罐4之间还包括第四阀门14，其中，
第三阀门13的第一端口与动力余热回收换热器8的第一出口相连接，第三阀门13的第二端口与太阳能聚光集热器1的传热介质流入端相连接；
第二阀门12的第一端口与动力余热回收换热器8的第一出口相连接，第二阀门12的第二端口与高温储热装置2的传热介质流入端相连接；
第一阀门11的第一端口与低温储热装置3的传热介质流出端相连接，第一阀门11的第二端口与太阳能聚光集热器1传热介质流入端相连接。
高温储热装置2的温度范围为250℃至350℃，低温储热装置3的温度范围为150至250℃，在高温传热介质热量的驱动作用下，热化学反应器7中发生热化学反应，生成合成气，生成的合成气作为燃料在燃烧室中燃烧，燃料化学能转化为机械能驱动发电机发电。
图2是依照本发明实施例的太阳能与余热一体化互补发电系统中能量流动和传递的流程图，从图2中可以看到，在高温储热装置的热量驱动下，热化学反应器7中作为的原料发生热化学反应，产生合成气。反应之后的高温传热介质被冷却进入到低温储热装置3中，在太阳能聚光集热器1或者动力余热回收换热器8中吸收热量进行加热重返高温储热装置2中，实现传热介质的循环利用。
本发明实施例的甲醇和太阳能互补的两段式合成气制备系统，以导热油作为传热介质，可以根据用户负荷的变化来调节动力发电装置6中合成气的进气量。合成气的产生和消耗分别在不同的储气罐中进行，且互不影响，能够独立运行。通过调节高温储热装置2出口的流量来改变合成气的产量，根据用户负荷来调节合成气的进气量，当太阳辐照强烈而用户负荷低时，部分能量可以直接转化为合成气的化学能进行存储，通过导热油热能存储以及合成气化学能存储，增大了储能容量，适用于变工况下系统的性能保持。
在系统运行过程中，还可以通过调节阀门的开闭来适应太阳辐照的变化：
当太阳辐照充足时，关闭第三阀门13并打开第一阀门11和第二阀门12，使得太阳能聚光集热器1和动力余热回收换热器8呈并联关系，此时低温储热装置3中流出的导热油被分成两股，分别流入太阳能聚光集热器1和动力余热回收换热器8中吸收热量，吸收热量加热后汇聚成一股流入高温储热装置2中；
当太阳辐照微弱不足以加热导热油时，则打开第三阀门13，关闭第一阀门11和第二阀门12，使得太阳能聚光集热器1和动力余热回收换热器8呈串联关系，此时低温储热装置3中流出的导热油依次流过动力余热回收换热器8和太阳能聚光集热器1中吸收热量，吸收热量加热后流入高温储热装置2中；
当完全没有太阳辐照时，则打开第二阀门12并关闭第一阀门11和第三阀门13，使得低温储热装置3中流出的导热油只经过动力余热回收换热器8，只采用回收动力余热的方式对导热油进行加热，导热油吸收热量加热后流入高温储热装置2中。
对该系统进行了模拟，选用Therminol VP-1型的导热油作为传热介质，工作温度范围为12至400℃。设计工况下，运行参数及系统性能如表1所示，通过太阳能与动力余热的一体化互补利用，实现太阳能和动力余热的高效回收，太阳能发电效率达22.41％，所回收动力余热到电的转化效率达24.48％，动力余热最终转化为燃料化学能，降低了动力余热回收的不可逆损失。以北京地区为例，不考虑聚光集热器余弦损失的前提下双轴跟踪，通过太阳能和动力余热的一体化互补运行，该系统可实现夏季典型日24小时连续运行。
表1运行参数及系统性能
Figure BDA0002354070700000081
本发明不仅适用于太阳能甲醇裂解，同时通过改变储热工质类型以及化学反应类型适用于其他的中低温热化学发电系统。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。

Claims (8)

1.一种太阳能与余热一体化互补发电系统，其特征在于，该系统包括：太阳能聚光集热器(1)、高温储热装置(2)、低温储热装置(3)、合成气储罐(4)、原料储罐(5)、动力发电装置(6)、热化学反应器(7)、动力余热回收换热器(8)和预热换热器(9)，其中：
太阳能聚光集热器(1)，用于聚焦太阳能以加热流经的传热介质，将太阳能转换成热能，并以显热的形式存储于传热介质中，之后传热介质流至高温储热装置(2)中；
动力余热回收换热器(8)，用于利用动力发电装置(6)产生的动力余热对来自低温储热装置(3)中的传热介质进行加热；
高温储热装置(2)，用于以传热介质为热载体储存太阳能聚光集热器(1)聚焦的太阳能和动力余热回收换热器(8)回收的动力余热；
预热换热器(9)，用于对原料储罐(5)中储存的原料进行预热，流经动力余热回收换热器(8)后的动力排烟作为热源预热原料，预热后的原料被输送至热化学反应器(7)；
热化学反应器(7)，高温储热装置(2)中的传热介质流经热化学反应器(7)释放所储存的太阳能和动力余热以驱动被预热换热器(9)预热后的原料在热化学反应器(7)中发生热化学反应生成合成气，生成的合成气被输送至合成气储罐(4)，释放热量后的传热介质输送至低温储热装置(3)；
合成气储罐(4)，用于储存热化学反应器(7)中生成的合成气；
动力发电装置(6)，用于通过动力循环，将合成气储罐(4)中存储的合成气转化为电；
低温储热装置(3)，用于储存从热化学反应器(7)中输出的传热介质；
原料储罐(5)，用于储存进行热化学反应的原料。
2.根据权利要求1所述的太阳能与余热一体化互补发电系统，其特征在于，低温储热装置(3)与高温储热装置(2)中的传热介质，在太阳能聚光集热器(1)和动力余热回收换热器(8)中吸收热量而升温，在通过热化学反应器(7)时释放热量驱动热化学反应，通过传热介质吸热-放热的循环，从而将太阳能和动力余热升级转化为燃料化学能，实现太阳能和动力余热的一体化互补利用。
3.根据权利要求1所述的太阳能与余热一体化互补发电系统，其特征在于，所述热化学反应器(7)具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，高温储热装置(2)中的传热介质从第一端口流入热化学反应器(7)，预热换热器(9)预热的原料从第三端口流入热化学反应器(7)中，热化学反应器(7)内部生成的合成气从第二端口流出至合成气储罐(4)，释放热量后的传热介质经过第四端口输送至低温储热装置(3)中。
4.根据权利要求1所述的太阳能与余热一体化互补发电系统，其特征在于，低温储热装置(3)中的传热介质输送至动力余热回收换热器(8)以吸收动力余热。
5.根据权利要求1所述的太阳能与余热一体化互补发电系统，其特征在于，该系统在动力余热回收换热器(8)与太阳能聚光集热器(1)之间还包括第三阀门(13)，在动力余热回收换热器(8)与高温储热装置(2)之间还包括第二阀门(12)，在低温储热装置(3)与太阳能聚光集热器(1)之间还包括第一阀门(11)，其中，
第三阀门(13)的第一端口与动力余热回收换热器(8)的第一出口相连接，第三阀门(13)的第二端口与太阳能聚光集热器(1)的导热油流入端相连接；
第二阀门(12)的第一端口与动力余热回收换热器(8)的第一出口相连接，第二阀门(12)的第二端口与高温储热装置(2)的传热介质流入端相连接；
第一阀门(11)的第一端口与低温储热装置(3)的传热介质流出端相连接，第一阀门(11)的第二端口与太阳能聚光集热器(1)传热介质流入端相连接。
6.根据权利要求5所述的太阳能与余热一体化互补发电系统，其特征在于，所述第一阀门(11)、第二阀门(12)和第三阀门(13)用于调节互补发电系统以适应太阳辐照的变化，包括：
当太阳辐照充足时，关闭第三阀门(13)并打开第一阀门(11)和第二阀门(12)，使得太阳能聚光集热器(1)和动力余热回收换热器(8)呈并联关系，此时低温储热装置(3)中流出的传热介质被分成两股，分别流入太阳能聚光集热器(1)和动力余热回收换热器(8)中吸收热量，吸收热量加热后汇聚成一股流入高温储热装置(2)中；
当太阳辐照微弱不足以加热传热介质时，则打开第三阀门(13)，关闭第一阀门(11)和第二阀门(12)，使得太阳能聚光集热器(1)和动力余热回收换热器(8)呈串联关系，此时低温储热装置(3)中流出的传热介质依次流过动力余热回收换热器(8)和太阳能聚光集热器(1)中吸收热量，吸收热量加热后流入高温储热装置(2)中；
当完全没有太阳辐照时，则打开第二阀门(12)并关闭第一阀门(11)和第三阀门(13)，使得低温储热装置(3)中流出的传热介质只经过动力余热回收换热器(8)，只采用回收动力余热的方式对传热介质进行加热，传热介质吸收热量升温后流入高温储热装置(2)中。
7.根据权利要求1所述的太阳能与余热一体化互补发电系统，其特征在于，所述，高温储热装置(2)的温度范围为250℃至350℃。
8.根据权利要求1所述的太阳能与余热一体化互补发电系统，其特征在于，所述，低温储热装置(3)的温度范围为150至250℃。
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