CN111351239A - 一种太阳能储热与闭式循环耦合发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，包括太阳能加热单元和压缩膨胀发电单元，其中的太阳能集热装置通过吸收太阳热作为热源并将多余的热量通过蓄热装置储存起来用于夜晚等无日照条件下使用，从而达到储能的效果。其发电过程类似于燃气轮机，不同之处在于采用余热回收装置和高温换热器代替了燃烧室，同时利用余热回收装置和低温换热器来给膨胀后的气体降温，从而提高装置的运行效率。本发明由于采用闭式循环，运行过程中杂质含量更少，可以减少工质含湿、含盐对于机组的危害。本发明由于采用导热油储热的方式来储存能量，大大减小了集气室空间。本发明适合电网调峰或边疆及海岛等电网难以到达且需要较大功率的场景使用。

Description

一种太阳能储热与闭式循环耦合发电系统
技术领域
本发明属于储能领域，涉及一种太阳能及闭式循环发电的耦合利用装置，具体地说是一种太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，利用太阳能集热装置、压缩膨胀发电系统和储热装置来实现对于能量的储存和释放，具有储能密度高、装置简洁、系统成本低的特点，适合电网调峰或边疆及海岛等电网难以到达且需要较大功率的场景使用。
背景技术
近年来，为了解决电网的削峰填谷及太阳能等间歇性电力资源的并网问题，压缩空气储能技术愈来愈受到重视，但压缩空气储能系统存在着传统洞穴缓冲受地域限制大，新型储罐缓冲装置成本高昂的问题，同时受空气热容相对较小的影响，单位气体体积的储能密度低，导致整个系统的成本较高。国内的压缩空气储能主要利用压缩热来再热空气后做功，气体的进气温度相对较低，这也导致了系统的储能密度相对较低。以上因素限制了压缩空气储能的推广发展。
边疆和海岛等地区不宜敷设电网供电，为了利用太阳能供电，常规的方式是采用太阳能光伏发电。但是电力的储存通常用到大规模的电池组。电池单元的一致性对其寿命有重大影响，同时当负荷变化时，短时较大的功率输出会造成电池晶体结晶，对电池寿命产生不利影响。以上因素也制约着太阳能光伏发电的应用和推广。
基于以上现状，本发明提出了一种太阳能储热与闭式循环耦合发电系统。利用太阳能集热装置、压缩膨胀发电系统和储热装置来实现对于能量的储存和释放。具有储能密度高、装置简洁、系统成本低的特点。适合电网调峰或边疆及海岛等电网难以到达且需要较大功率的场景使用。
发明内容
针对现有压缩空气储能及太阳能光伏发电技术中所存在的上述缺点和不足，本发明旨在提供一种太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，通过利用太阳能集热装置、压缩膨胀发电系统和储热装置，将太阳能与透平储能系统耦合起来而达到储能的目的，并实现对能量的储存和释放。本发明采用闭式循环，从而可以减少工质含湿含盐工况对于机组的危害。循环采用空气作为运行工质，这样无须考虑闭式循环过程中工质的损耗和补充问题。系统设置了高低压缓冲罐作为缓冲装置，使运行过程中更加平稳，同时高压缓冲罐在开机时提供高压气源作为启动装置。和传统的压缩空气储能相比，采用储热的方式来储存能量，大大减小了集气室空间，使系统受地域的限制更小。适合电网调峰或边疆及海岛等电网难以到达且需要较大功率的场景使用。
为了达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，包括太阳能加热单元和压缩膨胀发电单元，其特征在于，
--所述太阳能加热单元，包括太阳能集热装置、蓄热装置、高温换热器，其中，所述太阳能集热装置的高温流体出口分为两路，一路经所述高温换热器的热侧与所述太阳能集热装置的低温流体入口连通，从而形成一换热回路，另一路经所述蓄热装置与所述太阳能集热装置的低温流体入口连通，从而形成一蓄热回路；
--所述压缩膨胀发电单元，包括压缩机组、膨胀机组、发电机、高压缓冲罐、低压缓冲罐、低温换热器、余热回收换热器，其中，所述膨胀机组的动力输出轴与所述发电机传动连接，所述低压缓冲罐的出口通过管路与所述压缩机组的进气口连通，所述压缩机组的排气口通过管路与所述高压缓冲罐的进口连通，所述高压缓冲罐的出口通过管路依次经所述余热回收换热器的冷侧、高温换热器的冷侧后与所述膨胀机组的进气口连通，所述膨胀机组的排气口通过管路依次经所述余热回收换热器的热侧、低温换热器的热侧后与所述低压缓冲罐的进口连通。
优选地，太阳能充足时，所述太阳能集热装置同时为所述高温换热器的热侧及所述蓄热装置提供热量；太阳能不足时，关闭所述太阳能集热装置的高温流体出口和低温流体入口，所述蓄热装置与所述高温换热器的热侧形成循环回路，所述蓄热装置为所述高温换热器的热侧提供热量。
优选地，所述高压缓冲罐的容积小于所述低压缓冲罐的容积，所述高压缓冲罐用于对所述压缩机组排出的高压气体进行高压缓冲，并在所述系统开机时提供高压气源作为启动装置。
优选地，所述膨胀机组的排气温度高于所述压缩机组的排气温度。
优选地，所述压缩膨胀发电单元中所采用的气体工作介质为热容较大的非空气工质。
优选地，所述太阳能集热装置为槽式太阳能集热器。
优选地，所述太阳能加热单元中的换热回路、蓄热回路中所采用的流体工质为导热油，导热油经过加热后温度可达到350℃；所述高温换热器为油气换热器，热侧的导热油通过油气换热器来加热冷侧的高压气体。
优选地，所述压缩机组与膨胀机组采用背靠背同轴布置，所述膨胀机组为所述压缩机组提供驱动力。
优选地，所述膨胀机组的动力输出轴通过一齿轮箱与所述发电机传动连接。
优选地，所述低温换热器的冷侧通过管路与一冷却塔形成循环回路。
本发明的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，为了有效利用太阳能，太阳能加热单元中的太阳能集热装置采用了槽式太阳能集热装置，换热回路、蓄热回路中所采用的流体工质为导热油，导热油经过加热后温度可达到350℃，导热油通过油气换热器来加热压缩后的工质。该换热器相当于传统燃气轮机的燃烧室。为了储存多余的太阳热供夜晚和阴天等无日照条件下使用，系统设置了一个导热油罐储热装置，将加热后多余部分的导热油进入储罐储存，这样可以实现系统的连续运行。
本发明的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，为了减小高温高湿气体对于设备的损害，系统采用了闭式循环。高低压缓冲罐同时充当稳压的作用，系统在稳定运行时并不需要较大的储气罐，这样可以大大减小储气部分的成本。高压缓冲罐在开机时提供高压气源作为启动装置。
本发明的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，为了实现压缩和膨胀过程的同步，装置的压缩机和膨胀机采用了背靠背同轴布置结构，发电机通过齿轮箱和主轴相连，这样可以使系统的布局更加紧凑，占地空间更小。
本发明的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，为了降低膨胀后的气体温度，首先采用余热回收换热器对余热进行初步的回收，回收的余热对压缩后的工质进行初步加热。这样做一方面降低了排气温度，另一方面对余热的回收减少了太阳能热量的消耗，提高了系统的效率。为了进一步降低排气温度从而减少压缩功及提高系统效率，采用冷却塔的形式将排气温度降低到环境温度。当系统靠近水源时，可以利用换热器直接冷却而可以不设置冷却塔。
同现有压缩空气储能技术相比，本发明太阳能储热与闭式循环耦合发电系统的优点与有益效果为：
1、本发明采用了闭式循环，这样机组运行过程中的工质湿度更加稳定，杂质含量少，可以减少工质含湿、含盐对于机组的危害，工质对于机组的叶片危害小，系统的寿命可长。
2、本发明设置了高低压缓冲罐作为缓冲装置，使系统运行过程中更加平稳，同时高压缓冲罐在开机时提供高压气源作为启动装置。
3、本发明的高低压缓冲罐体积小，和传统的压缩空气储能相比，由于采用蓄热罐储热的方式来进行储能，系统的膨胀机和压缩机可以同时工作，这样系统的储罐体积可以大大减小，系统受地域限制更小同时单位功率的成本更低。
4、本发明可以利用太阳能或其它热源供热，使膨胀机组的进口温度最高可以达到350℃。相对于利用压缩热进行再热的压缩空气储能系统，进口温度的提高可以使同体积流量下系统的膨胀功更大，机组的体积更小。
5、本发明的压缩机组和膨胀机组采用背靠背同轴布置，通过齿轮箱和发电机相连，这样的设计可以使系统布置更加简洁紧凑，减小占地面积，设备的成本更低。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1为本发明的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统。
图中各标号为：1、太阳能集热装置；2、蓄热装置；3、高温换热器；4、高压缓冲罐；5、齿轮箱；6、发电机；7、压缩机组；8、膨胀机组；9、低温换热器；10、余热回收换热器；11、低压缓冲罐；12、冷却塔。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。
本发明的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，利用太阳能装置和透平发电装置的耦合实现储能及释能过程。其主要包括太阳能加热单元和压缩膨胀发电单元。
具体地，如图1所示，太阳能加热单元包括太阳能集热装置1、蓄热装置2、高温换热器3，其中，太阳能集热装置1的高温流体出口分为两路，一路经高温换热器3的热侧与太阳能集热装置1的低温流体入口连通，从而形成一换热回路，另一路经蓄热装置2与太阳能集热装置1的低温流体入口连通，从而形成一蓄热回路。
压缩膨胀发电单元包括压缩机组7、膨胀机组8、发电机6、高压缓冲罐4、低压缓冲罐11、低温换热器9、余热回收换热器10，其中，膨胀机组8的动力输出轴与发电机6传动连接，低压缓冲罐11的出口通过管路与压缩机组7的进气口连通，压缩机组7的排气口通过管路与高压缓冲罐4的进口连通，高压缓冲罐4的出口通过管路依次经余热回收换热器10的冷侧、高温换热器3的冷侧后与膨胀机组8的进气口连通，膨胀机组8的排气口通过管路依次经余热回收换热器10的热侧、低温换热器9的热侧后与低压缓冲罐11的进口连通。
本发明的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统中，太阳能加热单元中的太阳能集热装置采用槽式太阳能集热器吸收太阳热，工质采用导热油，加热后的油温最高可达到350℃，导热油吸收太阳热后通过高温换热器3的热侧来加热冷侧的压缩气体工质。高温换热器3的作用类似于燃气轮机的燃烧室。吸收太阳热时，一部分导热油进入高温换热器3，多余的进入蓄热装置2储存起来，蓄热装置2内的导热油通过不断循环吸收太阳热使装置内的导热油温度不断升高而达到蓄热的目的。
本发明的压缩膨胀发电单元中，压缩后的气体经过高压缓冲罐4稳压后，再依次经过余热回收换热器10和高温换热器3的冷侧吸热后进入膨胀机组8膨胀做功。高压缓冲罐4在系统开机时提供高压气源作为启动装置。压缩机组7和膨胀机组8采用背靠背同轴布置，膨胀机组8输出功除去压缩消耗的功即为净输出功。为了系统的布置更加紧凑和转子调速，发电机6采用齿轮箱5和主轴相连。缓冲缓冲低压缓冲罐4设置在压缩机组7进口前，高压缓冲罐4设置在压缩机7出口后。由于系统并不依靠储气的方式来储能，高压缓冲罐4、低压缓冲罐11体积不需要很大，其主要起到稳压的作用。由于系统采用闭式循环，工质可以采用热容较大的非空气工质。由于膨胀机组8的排气温度较高，先通过余热回收换热器10对排气进行初步冷却，然后再用冷却塔12进行二次冷却使工质温度达到常温。这样可以降低冷源温度，提高系统的效率。当系统靠近江水源时，可以利用换热器直接冷却而可以不设置冷却塔。
通过上述实施例，有效实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不脱离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，包括太阳能加热单元和压缩膨胀发电单元，其特征在于，
--所述太阳能加热单元，包括太阳能集热装置、蓄热装置、高温换热器，其中，所述太阳能集热装置的高温流体出口分为两路，一路经所述高温换热器的热侧与所述太阳能集热装置的低温流体入口连通，从而形成一换热回路，另一路经所述蓄热装置与所述太阳能集热装置的低温流体入口连通，从而形成一蓄热回路；
--所述压缩膨胀发电单元，包括压缩机组、膨胀机组、发电机、高压缓冲罐、低压缓冲罐、低温换热器、余热回收换热器，其中，所述膨胀机组的动力输出轴与所述发电机传动连接，所述低压缓冲罐的出口通过管路与所述压缩机组的进气口连通，所述压缩机组的排气口通过管路与所述高压缓冲罐的进口连通，所述高压缓冲罐的出口通过管路依次经所述余热回收换热器的冷侧、高温换热器的冷侧后与所述膨胀机组的进气口连通，所述膨胀机组的排气口通过管路依次经所述余热回收换热器的热侧、低温换热器的热侧后与所述低压缓冲罐的进口连通。
2.根据上述权利要求所述的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，其特征在于，太阳能充足时，所述太阳能集热装置同时为所述高温换热器的热侧及所述蓄热装置提供热量；太阳能不足时，关闭所述太阳能集热装置的高温流体出口和低温流体入口，所述蓄热装置与所述高温换热器的热侧形成循环回路，所述蓄热装置为所述高温换热器的热侧提供热量。
3.根据上述权利要求所述的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，其特征在于，所述高压缓冲罐的容积小于所述低压缓冲罐的容积，所述高压缓冲罐用于对所述压缩机组排出的高压气体进行高压缓冲，并在所述系统开机时提供高压气源作为启动装置。
4.根据上述权利要求所述的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，其特征在于，所述膨胀机组的排气温度高于所述压缩机组的排气温度。
5.根据上述权利要求所述的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，其特征在于，所述压缩膨胀发电单元中所采用的气体工作介质为热容较大的非空气工质。
6.根据上述权利要求所述的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，其特征在于，所述太阳能集热装置为槽式太阳能集热器。
7.根据上述权利要求所述的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，其特征在于，所述太阳能加热单元中的换热回路、蓄热回路中所采用的流体工质为导热油，导热油经过加热后温度可达到350℃；所述高温换热器为油气换热器，热侧的导热油通过油气换热器来加热冷侧的高压气体。
8.根据上述权利要求所述的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，其特征在于，所述压缩机组与膨胀机组采用背靠背同轴布置，所述膨胀机组为所述压缩机组提供驱动力。
9.根据上述权利要求所述的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，其特征在于，所述膨胀机组的动力输出轴通过一齿轮箱与所述发电机传动连接。
10.根据上述权利要求所述的太阳能储热与闭式循环耦合发电系统，其特征在于，所述低温换热器的冷侧通过管路与一冷却塔形成循环回路。
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