CN111577419B - 布雷顿循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种布雷顿循环系统，包括布雷顿循环模块、碳粉储罐以及氧气储罐。布雷顿循环模块包括热源、燃烧腔、透平、发电机、回热器、预冷器以及压缩机，碳粉储罐、氧气储罐所提供的碳粉、氧气在燃烧腔内燃烧并生成循环工质，循环工质经加热后依次进入透平膨胀做功、经热侧进口进入回热器放热，然后循环工质在回热器热测出口进行分流，一部分通过射流放气口离开系统；一部分依次进入预冷器预冷、经压缩机压缩，然后经冷侧进口进入回热器，离开回热器的循环工质回到燃烧腔，形成一个循环的热回路。本发明的布雷顿循环系统结合聚光加热和化石燃烧技术，强化循环工质的吸热能力以使其达到更高的温度，布雷顿循环模块的系统效率得到提高。

Description

布雷顿循环系统

技术领域

本发明涉及光热发电技术领域，特别涉及一种布雷顿循环系统。

背景技术

当前太阳能热发电技术，其原理为将太阳辐射聚集在点或线上获得大量高温热能，再通过热功转换装置，最终对外输出电能。布雷顿循环（Brayton Cycle），亦称焦耳循环或气体制冷机循环，是以气体为工质的制冷循环。其中，利用处于超临界状态的气体作为工质的布雷顿循环在效率方面有着明显的优势，其利用超临界工质在拟临界区物性突变的现象，将压缩机运行点设置在拟临界温度附近的大密度区域，将换热器的运行点设置在拟临界温度之后的低密度区，可以在保证工质冷却的前提下，降低压缩耗功，实现较高的系统效率。

目前，布雷顿循环的运行温度可以达到1350℃以上，通过现有技术可以将透平中叶片的温度冷却到950℃以下。布雷顿循环的系统效率与循环的热端温度（也即工质进入透平的入口温度）呈正相关，因此提高布雷顿循环的热端温度是提高系统效率的主要方式之一。因此，提高布雷顿循环的工质，有利于提高布雷顿的系统效率。

发明内容

本发明针对上述技术问题而提出，目的在于提供一种布雷顿循环系统。本发明的布雷顿循环系统采用了聚光加热与化石燃烧相结合的方式强化了循环工质的吸热能力，循环工质能够达到更高的温度，进入布雷顿循环模块并在透平中膨胀做功的循环工质的温度升高，也即布雷顿循环模块的热端温度升高，相应地，布雷顿循环模块的系统效率得到提高。

具体来说，本发明提供了一种布雷顿循环系统，包括：

布雷顿循环模块，包括热源、燃烧腔、透平、发电机、回热器、预冷器以及压缩机，透平、发电机以及压缩机由同一根轴联接，燃烧腔、透平、回热器的热侧进口和热侧出口、预冷器、压缩机以及回热器的冷侧进口和冷侧出口通过管道依次相连并形成循环，管道内循环流通有循环工质；

碳粉储罐，用于向燃烧腔提供碳粉；

氧气储罐，用于向燃烧腔提供氧气；

在预冷器和回热器之间的管道上还设置有射流放气口；

碳粉储罐、氧气储罐所提供的碳粉、氧气能够在燃烧腔内燃烧并生成循环工质，循环工质经热源加热后依次进入透平膨胀做功、经热侧进口进入回热器放热，循环工质在射流放气口进行分流：一部分的循环工质依次进入预冷器预冷、经压缩机压缩，然后经冷侧进口进入回热器；一部分的循环工质自射流放气口进入预冷器然后离开以排出系统，该部分的循环工质利用射流冷却技术降低预冷器出口的循环工质的温度，离开回热器的所述循环工质回到燃烧腔，从而形成一个循环的热回路；

循环工质进入透平膨胀做功，透平通过轴带动发电机发电，压缩机工作所需动力由透平提供，从而形成一个发电循环。

相较于现有技术而言，本发明提供的布雷顿循环系统，循环工质的热量由三部分组成：热源辐射所直接提供的热量、碳粉和氧气燃烧所释放的热量、黑色碳粉强烈吸收的热源所辐射的热量。上述三种热量均能够转化为循环工质本身的内能，强化了循环工质的吸热能力，使得循环工质能够达到更高的温度。因此，进入布雷顿循环模块并在透平中膨胀做功的循环工质的温度升高，也即布雷顿循环模块的热端温度升高，相应地，布雷顿循环模块的系统效率得到提高。

另外，作为优选，还包括碳粉提纯模块，碳粉提纯模块能够将碳基原料进行提纯并得到纯净的碳粉，碳粉提纯模块提纯后得到的碳粉被输送至碳粉储罐。

根据该优选方案，碳粉提纯模块能够向燃烧腔源源不断地提供碳粉，碳粉的实时、不间断地供应有利于布雷顿循环模块的循环、不间断地工作，从而有利于布雷顿循环模块的稳定、不间断地输出电能。

进一步地，作为优选，碳粉提纯模块包括：

碱洗单元，利用碱液对碳基原料进行清洗；

酸洗单元，与碱洗单元相连，利用酸液对经碱洗单元处理后的碳基原料进行清洗；

中和单元，与酸洗单元相连，对经酸洗单元处理后的碳基原料进行清洗，得到碳粉；

水洗过滤单元，与中和单元相连，对经中和单元处理后的碳粉进行水洗过滤；

干燥单元，与水洗过滤单元以及碳粉储罐相连，对经水洗过滤单元处理后的碳粉进行干燥，并将干燥后的碳粉输送给碳粉储罐。

根据该优选方案，碳基原料依次经过碱洗、酸洗、中和清洗进行提纯，可以得到含碳量95%以上的碳粉，碳粉提纯模块具有设备投资少、产品能量品位较高、工艺适应性强等优点。

另外，作为优选，碱洗单元还与中和单元相连，中和单元能够直接对经碱洗单元处理后的碳基原料进行中和清洗；

酸洗单元还与水洗过滤单元相连，水洗过滤单元能够直接对经酸洗单元处理后的碳基原料进行水洗过滤；

中和单元还与水洗过滤单元逆向相连，中和单元能够对经水洗过滤单元处理后的碳基原料进行中和清洗。。

根据该优选方案，能够根据碳基原料的实际情况选择对碳基原料进行不同形式的清洗，清洗提纯工序灵活多变，有利于更加快速有效地得到碳粉，提高碳粉提纯模块的提纯效率。

进一步地，作为优选，还包括空分模块，空分模块能够将空气中的各组分进行分离并得到纯净的氧气，经过空分模块分离后得到的氧气被输送至氧气储罐。

根据该优选方案，由空分模块直接提纯并提供氧气，并能够向燃烧腔源源不断地提供氧气，氧气的实时、不间断供应有利于布雷顿循环模块的循环、不间断工作，有利于布雷顿循环模块的稳定、不间断地输出电能。

另外，作为优选，碳粉储罐与燃烧腔之间设置有碳粉调节阀，用于调节碳粉储罐的碳粉供给量；和/或

氧气储罐与燃烧腔之间设置有氧气调节阀，用于调节氧气储罐的氧气供给量。

根据该优选方案，能够根据实际情况，调节燃烧腔内的燃烧效率以及碳粉的辐射吸热能力，以此来平衡太阳能不稳定波动导致的热端功率变化，从而提供稳定的布雷顿循环系统的热端温度。

另外，作为优选，燃烧腔包括主燃烧腔和补充燃烧腔，主燃烧腔、补充燃烧腔均能够接收碳粉储罐、氧气储罐所提供的碳粉和氧气。

透平包括高压透平和低压透平，高压透平、低压透平通过轴相联，自主燃烧腔出来的循环工质依次地进入高压透平膨胀做功、进入补充燃烧腔补充加热、进入低压透平膨胀做功，然后离开低压透平，高压透平、低压透平均通过轴带动发电机发电。

回热器包括高温回热器和低温回热器，离开低压透平后的循环工质依次流经高温回热器、低温回热器放热。

压缩机包括主压缩机和再压缩机，预冷器位于主压缩机和低温回热器之间，与低温回热器的热侧出口相连的管道上具有分流冷却口，循环工质在分流冷却口进行分流：一部分的循环工质经再压缩机压缩后、进入高温回热器，一部分的循环工质依次进入预冷器预冷、经主压缩机压缩、进入低温回热器预热，然后进入高温回热器。

自高温回热器的冷侧出口离开的循环工质回到主燃烧腔内。

根据该优选方案，主燃烧腔、补充燃烧腔能够强化对循环工质的温度提升，同时，分别从主燃烧腔、补充燃烧腔出来的循环工质分别进入高压透平、低压透平做功，提高发电机的发电效率，提高布雷顿循环模块的光电转化效率。主压缩机、再压缩机能够通过多消耗一部分压缩功，大幅减小回热过程中的不可逆损失，布雷顿循环模块的系统效率得以明显提升。

另外，作为优选，射流放气口位于冷却分流口和低温回热器之间。

根据该优选方案，将过量的循环工质导入预冷器并通过射流冷却技术冷却预冷器出口的循环工质的温度，提高预冷器的冷却效果。

另外，作为优选，透平包括具有冷却工质进口以及冷却工质射流口的叶片，叶片设置为内部中空的腔体，冷却工质射流口开设于叶片的表面，冷却工质射流能够通过冷却工质进口进入叶片进行冷却，叶片的表面设置有光谱转化涂层，进入叶片内的冷却工质射流还能够通过冷却工质射流口流出并在光谱转化涂层的表面形成为冷却工质射流隔膜层；

光谱转化涂层能够将叶片表面的热量转化为转化特征波段辐射，转化特征波段辐射是冷却工质的冷却工质特征波段辐射邻近的辐射能；

离开透平的冷却工质在回热器冷凝，然后排出系统。

根据该优选方案，循环工质的温度高于透平的叶片的温度，循环工质会将部分热量通过热传导和热辐射的形式传至叶片，但是，循环工质传至叶片表面的热量会被光谱转化涂层转化为转化特征波段辐射，转化特征波段辐射与冷却工质的冷却工质特征波段辐射邻近，易于被冷却工质射流强烈吸收后带走，减少循环工质对叶片表面的热辐射，强化叶片的冷却。本发明能够采用特征光谱涂层技术强化对叶片的冷却，保证叶片的安全，并在叶片材料所允许的范围内尽可能地提高循环工质的温度，提高循环工质的温度也即提高透平的做功温度、提高布雷顿循环模块的热端温度，从而相应地提高了布雷顿循环模块的系统效率。

另外，作为优选，转化特征波段辐射的特征吸收峰的中心波长与冷却工质特征波段辐射的特征吸收峰的中心波长相同，转化特征波段辐射的谱线宽度远小于冷却工质特征波段辐射的谱线宽度；

转化特征波段辐射不与在透平内流动的循环工质的循环工质特征波段辐射有所重合。

根据该优选方案，光谱转化涂层转化的转化特征波段辐射更多地集中于冷却工质特征波段辐射的特征吸收峰邻近较窄的波长范围内，冷却工质射流隔膜层对转化特征波段辐射的吸收效率最高，导致光谱转化涂层对叶片的冷却效果较佳。相应地，循环工质的温度能够得到较大的提高，进一步提高布雷顿循环模块的系统效率。

附图说明

图1是本发明实施方式一的布雷顿循环系统的示意图；

图2是本发明实施方式一中碳粉提纯模块的流程示意图；

图3是本发明透平内部的简单结构示意图；

图4是本发明实施方式一中叶片强化冷却的结构示意图；

图5是本发明中转化特征波段辐射与水蒸气、二氧化碳的特征波段辐射的关系示意图；

图6是本发明实施方式一中循环工质与叶片之间的热传递示意图；

图7是本发明实施方式二的布雷顿循环系统的示意图。

附图标记说明：

10、布雷顿循环模块；1、燃烧腔；2、透平；3、回热器；31、3a1、3b1、热侧进口；32、3a2、3b2、热侧出口；33、3a3、3b3、冷侧进口；34、3a4、3b4、冷侧出口；4、预冷器；41、射流放气口；42、分流冷却口；5、压缩机；6、发电机；7、轴；8、循环工质；9、热源；20、碳粉提纯模块；21、碳基原料；22、碱洗单元；23、酸洗单元；24、中和单元；25、水洗过滤单元；26、干燥单元；27、清水单元；201、碳粉储罐；202、碳粉调节阀；30、空分模块；301、氧气储罐；302、氧气调节阀；12、叶片；12a、冷却工质进口；12b、冷却工质射流口；13、冷却工质射流隔膜层；14、光谱转化涂层；15、中间基层；16、旋转元件；A、转化特征波段辐射；B、冷却工质特征波段辐射；C、循环工质特征波段辐射；1a、主燃烧腔；1b、补充燃烧腔；2a、高压透平；2b、低压透平；3a、高温回热器；3b、低温回热器；5a、再压缩机；5b、主压缩机。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明进行进一步的详细说明。附图中示意性地简化示出了布雷顿循环系统的结构等。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施方式一

布雷顿循环是以气体为工质的制冷循环，可分为简单布雷顿循环、再压缩布雷顿循环、再压缩部分冷却布雷顿循环、再压缩再热布雷顿循环或者再压缩中间冷却布雷顿循环等。在布雷顿循环中，工质的热源可由塔式太阳能聚光系统、核反应堆、化石燃料燃烧系统中的一种或者多种提供，工质的吸热量大小灵活可变。化石燃料燃烧系统中的化石燃料可以是煤或者天然气。

本发明的第一实施方式提供了一种布雷顿循环系统，参见图1所示，包括布雷顿循环模块10，布雷顿循环模块10为简单布雷顿循环。具体地，布雷顿循环模块10包括热源9、燃烧腔1、透平2、发电机6、回热器3、预冷器4以及压缩机5，透平2、发电机6以及压缩机5由同一根轴7联接，燃烧腔1、透平2、回热器3的热侧进口31和热侧出口32、预冷器4、压缩机5以及回热器3的冷侧进口33和冷侧出口34通过管道依次相连并形成循环，管道内循环流通有循环工质8。循环工质8进入透平2膨胀做功，透平2通过轴7带动发电机6发电，压缩机5工作所需动力由透平2提供，从而形成一个发电循环。热源9优选为塔式太阳能聚光系统，热源9能够提供超过1000℃的工质，使得整个布雷顿循环处于高温状态。

特别地，本实施方式中，布雷顿循环系统还包括用于提供碳粉的碳粉储罐201和用于提供氧气的氧气储罐301，循环工质8为二氧化碳并由碳粉和氧气在燃烧腔1内燃烧获得。

更优地，在预冷器4和回热器3之间的管道上还设置有射流放气口41，用于将因碳粉和氧气的燃烧而产生的过量的循环工质8通过射流放气口41排出系统，保证有效循环的循环工质8的量稳定。

具体地，碳粉储罐201、氧气储罐301所提供的碳粉、氧气能够在燃烧腔1内燃烧并生成循环工质8，循环工质8经热源9加热后依次进入透平2膨胀做功、经热侧进口31进入回热器3放热，离开回热器3的热侧出口32的循环工质8在射流放气口41进行分流：一部分的循环工质8依次进入预冷器4预冷、经压缩机5压缩，然后经冷侧进口33进入回热器3；一部分的循环工质8自射流放气口41进入预冷器4然后离开以排出系统，该部分的循环工质8利用射流冷却技术降低预冷器4出口的循环工质8的温度，循环工质8自回热器3的冷侧出口34离开并回到燃烧腔1，从而形成一个循环的热回路。

相较于现有技术而言，本发明提供的布雷顿循环系统，循环工质8的热量由三部分组成：热源9辐射所直接提供的热量、碳粉和氧气燃烧所释放的热量、黑色碳粉强烈吸收的热源9所辐射的热量。上述三种热量均能够转化为循环工质8本身的内能，强化了循环工质8的吸热能力，使得循环工质8能够达到更高的温度。因此，进入布雷顿循环模块10并在透平2中膨胀做功的循环工质8的温度升高，也即布雷顿循环模块10的热端温度升高，相应地，布雷顿循环模块10的系统效率得到提高。

特别地，循环工质8的热量是在燃烧腔1中经内部吸热的形式转化为循环工质8本身的内能，内部吸热的形式相比于传统的换热形式具有较小的热损失，从而提高循环工质8的吸热能力，有利于循环工质8达到更高的工质温度。

射流冲击冷却是一种用于高热流密度工况下的热管理手段。冷却液在压差的作用下，通过圆形或其他形状的射流孔喷射到加热表面上对其进行冷却。冷却液直接冲击表面，在被冲击表面形成较薄边界层，同时局部沸腾汽化，可有效将发热区域热量带走。

因此，使得过量的循环工质8进入预冷器4并通过射流冷却技术放出，能够冷却预冷器4出口的循环工质8的温度，强化预冷器4的冷却能力，也降低了布雷顿循环模块10的冷端温度（也即循环工质8离开预冷器4的出口温度，预冷器4的热端出口温度），有利于提高布雷顿循环模块10的热端（透平2的进口端）、冷端（预冷器4的出口端）的温差，提高布雷顿循环模块10的系统效率。

另外，由于循环工质8的部分热量是利用碳粉以及氧气在燃烧腔1内燃烧获得的，因此，在碳粉储罐201与燃烧腔1之间设置有碳粉调节阀202，用于调节碳粉储罐201的碳粉供给量和/或在氧气储罐301与燃烧腔1之间设置有氧气调节阀302，用于调节氧气储罐301的氧气供给量。

可以通过调节碳粉的供给量来调节燃烧腔1内的燃烧热量以及碳粉的吸收辐射的热量，燃烧腔1内热量的供给可控，可以省去寻常布雷顿循环系统中必要的储热模块，节约了成本，也减少了热量在储热模块中的热损失，有利于提高布雷顿循环系统的效率。

在如冬季、夏季、白天、黑夜、晴天、阴天等不同情况下，太阳能的辐射能力具有较大差异，可以通过调节碳粉和/或氧气的供给量来调节燃烧腔1内的燃烧效率以及碳粉的辐射吸热能力，以此来平衡太阳能不稳定波动导致的热端功率变化，从而为透平2提供稳定的工质入口温度，也即提供稳定的布雷顿循环系统的热端温度。

布雷顿循环系统还包括碳粉提纯模块20，碳粉提纯模块20能够将碳基原料21进行提纯并得到纯净的碳粉，碳粉提纯模块20提纯后得到的碳粉被输送至碳粉储罐201。碳粉提纯模块20能够向燃烧腔1源源不断地提供碳粉，碳粉的实时、不间断地供应有利于布雷顿循环模块10的循环、不间断地工作，从而有利于布雷顿循环模块10的稳定、不间断地输出电能。同时，若将碳粉提纯模块20设置于碳粉储罐201的附近，还能够减少碳粉运输的路径，节约碳粉的运输成本。

碳基原料21可以是生物质、煤等物质，在本实施方式中，优选采用焦炭，在生成碳粉的同时还能给用于焦炭的处理，废物利用，节能环保。

具体地，参见图2所示，碳粉提纯模块20包括碱洗单元22，利用碱液对碳基原料21进行清洗；酸洗单元23，与碱洗单元22相连，利用酸液对经碱洗单元22处理后的碳基原料21进行清洗；中和单元24，与酸洗单元23相连，对经酸洗单元23处理后的碳基原料21进行清洗，得到碳粉；水洗过滤单元25，与中和单元24相连，对经中和单元24处理后的碳粉进行水洗过滤；干燥单元26，与水洗过滤单元25以及碳粉储罐201相连，对经水洗过滤单元25处理后的碳粉进行干燥，并将干燥后的碳粉输送给碳粉储罐201。在中和单元24和水洗过滤单元25之间还可以设置清水单元27，用于经中和后的碳粉的第一次过滤，提高碳粉的过滤效率，进而提高所获得的碳粉的纯度。

碳基原料21经过碱液的碱洗，酸液的酸洗，再经过中和清洗剂的中和清洗，然后经过水洗过滤，最后经干燥后得到碳粉，储存在碳粉储罐201内。使用本方法提纯后的产品含碳量可达95%以上，具有设备投资少、产品能量品位较高、工艺适应性强等优点。已有研究证明，使用本实施方式中的碳粉提纯模块20，能够对低成本低品位的焦炭进行提纯使得变为高品位高纯度的碳粉，综合看来具有良好的应用前景。

优选地，碱液为氢氧化钠溶液，酸液为硫酸溶液，碳基原料21经碱洗、酸洗、中和以及干燥后，不仅能够获得纯净的碳粉，有利于提高系统的综合热效率，同时还能够获得具有商业价值的副产物，即硫酸钠。

更优地，干燥单元26中使用高温二氧化碳气流进行干燥，该高温二氧化碳气流也即从射流放气口41排出系统的循环工质8，干燥碳粉后的循环工质8冷却并从干燥单元26排出，提高布雷顿循环系统的整体效率。

当然，为了能够根据碳基原料21的实际情况选择对碳基原料21进行不同形式的清洗，碱洗单元22还与中和单元24相连，酸洗单元23还与水洗过滤单元25相连，中和单元24还与水洗过滤单元25逆向相连。中和单元24能够直接对经碱洗单元22处理后的碳基原料21进行中和清洗，水洗过滤单元25能够直接对经酸洗单元23处理后的碳基原料21进行水洗过滤，中和单元24能够对经水洗过滤单元25处理后的碳基原料21进行中和清洗。清洗提纯工序灵活多变，有利于更加快速有效地得到碳粉，提高碳粉提纯模块20的提纯效率。

本实施方式中，布雷顿循环系统还包括空分模块30，空分模块30能够将空气中的各组分进行分离并得到纯净的氧气，经过空分模块30分离后得到的氧气被输送至氧气储罐301。由空分模块30直接提纯并提供氧气，并能够向燃烧腔1源源不断地提供氧气，氧气的实时、不间断供应有利于布雷顿循环模块10的循环、不间断工作，有利于布雷顿循环模块10的稳定、不间断地输出电能。同时，若将空分模块30设置于氧气储罐301的附近，还能够减少氧气运输的路径，节约运输成本。空分模块30还能够分离并生产化工产品氮气，提高空分模块30的实用性。

如前所述，参见图3所示，透平2是布雷顿循环模块10的重要部件，透平2的叶片12均匀地排布在旋转元件16上，旋转元件16被安装在透平2的轴7上。循环工质8所具有的能量在流动中经过喷管时转换成动能，流过旋转元件16时循环工质8膨胀并冲击叶片12，推动旋转元件16转动，从而驱动轴7旋转。轴7的旋转会直接带动发电机6工作，输出机械功。循环工质8的温度也即透平2的入口温度，循环工质8的温度升高，会加速推动叶片12的转动，轴7的转速提高，有利于提高发电机6的转化效率，从而提高布雷顿循环模块10的系统效率。

在布雷顿循环模块10中，循环工质8的温度高于叶片12的温度，二者之间存在传热温差。高温的循环工质8主要通过热传导以及辐射两种形式将热量传至叶片12，使得叶片12的温度升高。叶片12在透平2中需要高速运转，容易断裂，而高温状态下的叶片12的结构强度变弱，更容易发生断裂。受限于叶片12的材料特质，为避免因温度过高而烧坏透平2，只能选择降低循环工质8的温度，或者对透平2进行冷却降温。如果降低循环工质8的温度，则会降低布雷顿循环模块10的系统效率。因此，现有工艺中普遍采用对透平2进行冷却降温的方式，既保护了透平2，又保证了循环工质8的温度，从而保证了布雷顿模块循环的系统效率。

对于布雷顿循环模块10，叶片12冷却方式可以是内部冷却、射流冷却以及热障涂层冷却。但上述冷却方式对透平2的冷却能力有限，无法更进一步地冷却透平2，限定了循环工质8与叶片12之间的传热温差，从而无法提高循环工质8的温度，也即无法提高布雷顿循环模块10的热端温度，最终使得布雷顿循环模块10的系统效率无法得到提高。为进一步地冷却透平2，提高布雷顿循环模块10的系统效率，本实施方式中的透平2的叶片12采用特征光谱涂层与射流冷却技术相结合，强化对叶片12的冷却。

具体地，参见图4所示，透平2包括具有冷却工质进口12a以及冷却工质射流口12b的叶片12，叶片12设置为内部中空的腔体，冷却工质进口12a位于叶片12的内部，冷却工质射流口12b开设于叶片12的表面，冷却工质射流能够通过冷却工质进口12a进入叶片12进行冷却，进入叶片12内的冷却工质射流还能够通过冷却工质射流口12b流出并在叶片12的表面形成为冷却工质射流隔膜层13。

叶片12的表面设置有光谱转化涂层14，冷却工质在光谱转化涂层14的表面形成上述的冷却工质射流隔膜层13。光谱转化涂层14能够将叶片12表面的热量转化为转化特征波段辐射A，转化特征波段辐射A是冷却工质的冷却工质特征波段辐射B邻近的辐射能。离开透平2的冷却工质在回热器3冷凝并排出系统，优选地，自射流放气口41排出系统。

根据该优选方案，循环工质8的温度高于透平2的叶片12的温度，循环工质8会将部分热量通过热传导和热辐射的形式传至叶片12，但是，循环工质8传至叶片12表面的热量会被光谱转化涂层14转化为转化特征波段辐射A，转化特征波段辐射A与冷却工质的冷却工质特征波段辐射B邻近，易于被冷却工质射流强烈吸收后带走，减少循环工质8对叶片12表面的热辐射，强化叶片12的冷却。本发明能够采用特征光谱涂层技术强化对叶片12的冷却，保证叶片12的安全，并在叶片12材料所允许的范围内尽可能地提高循环工质8的温度，提高循环工质8的温度也即提高透平2的做功温度、提高布雷顿循环模块10的热端温度，从而相应地提高了布雷顿循环模块10的系统效率。

在光谱转化涂层14与叶片12之间还设置有中间基层15，中间基层15由导热性能良好的材料制成，一般为金属，如金、银、铜、铝或者其合金等等。中间基层15能够将叶片12上的热量传至光谱转化涂层14，光谱转化涂层14将上述热量转化为冷却工质易于吸收的转化特征波段辐射A，该转化特征波段辐射A被温度较低的冷却工质射流吸收并带走。中间基层15的设置不仅能够将叶片12表面的热量较好地传至光谱转化涂层14，还能够提高叶片12表面的平整度，光谱转化涂层14能够更好地附着在叶片12的表面，保证光谱转化涂层14的适应性。

特别地，光谱转化涂层14以及中间基层15均采用镀膜的方式镀在叶片12的表面。采用镀膜的方式，能够保证光谱转化涂层14的适应性以及叶片12的表面强度。

参见图5所示，转化特征波段辐射A的特征吸收峰的中心波长与冷却工质特征波段辐射B的特征吸收峰的中心波长越接近，转化特征波段辐射A越易于被冷却工质射流隔膜层13吸收，因此，对叶片12的冷却效果越好。设置转化特征波段辐射A的特征吸收峰的中心波长与冷却工质特征波段辐射B的特征吸收峰的中心波长相同，转化特征波段辐射A的谱线宽度远小于冷却工质特征波段辐射B的谱线宽度。光谱转化涂层14转化的转化特征波段辐射A更多地集中于冷却工质特征波段辐射B的特征吸收峰邻近较窄的波长范围内，冷却工质射流隔膜层13对转化特征波段辐射A的吸收效率最高，导致光谱转化涂层14对叶片12的冷却效果较佳。相应地，循环工质8的温度能够得到较大的提高，进一步提高布雷顿循环模块10的系统效率。

更优地，结合图5和图6所示，转化特征波段辐射A不与在透平2内流动的循环工质8的循环工质8特征波段辐射有所重合。此时的转化特征波段辐射A不与循环工质8特征波段辐射重合，冷却工质特征波段辐射B则也不与循环工质8特征波段辐射重合，叶片12能够利用光谱转化涂层14以及冷却工质射流隔膜层13屏蔽掉部分循环工质8释放的热量，并且将循环工质8释放给叶片12的余下部分热量尽可能多地转化为转化特征波段辐射A后被冷却工质射流隔膜层13吸收并带走，强化叶片12的冷却效果。

实施方式二

本发明的第二实施方式提供了一种布雷顿循环系统，第二实施方式是对第一实施方式的进一步改进，未做特别说明的部分包括附图标记及文字描述，均与第一实施方式相同，在此不再赘述。

第二实施方式相对于第一实施方式的主要改进之处在于，在本发明的第二实施方式中，结合图7来看，布雷顿循环模块10为再压缩布雷顿循环，再压缩布雷顿循环能够通过多消耗一部分压缩功，大幅减小回热过程中的不可逆损失，布雷顿循环模块10的循环效率得以明显提升。

具体地，燃烧腔有两个，分别为主燃烧腔1a和补充燃烧腔1b，主燃烧腔1a、补充燃烧腔1b均能够接收碳粉储罐201、氧气储罐301所提供的碳粉和氧气，强化循环工质8的吸热能力，提高循环工资8的温度。

透平有两个，分别为高压透平2a和低压透平2b，高压透平2a、低压透平2b通过轴7相联，自主燃烧腔1a出来的循环工质8依次地进入高压透平2a膨胀做功、进入补充燃烧腔1b补充加热、进入低压透平2b膨胀做功，然后离开低压透平2b，循环工质8进入高压透平2a、低压透平2b膨胀做功，高压透平2a、低压透平2b均通过轴7带动发电机6发电。分别从主燃烧腔1a、补充燃烧腔1b出来的循环工质8分别进入高压透平2a、低压透平2b做功，提高发电机6的发电效率，提高布雷顿循环模块10的光电转化效率。

回热器有两个，分别为高温回热器3a和低温回热器3b，离开低压透平2b后的循环工质8自热侧进口3a1进入高温回热器3a放热，然后自热侧出口3a2离开、自热侧进口3b1进入低温回热器3b放热，然后自热侧出口3b2离开。高温回热器3a、低温回热器3b能够强化对循环工质8的放热、预热，也即强化对循环工质8的换热，有利于布雷顿循环模块10分次对循环工质8进行放热、加热。

压缩机有两个，分别为主压缩机5a和再压缩机5b，预冷器4位于主压缩机5b和低温回热器3b之间，与低温回热器3b的热侧出口3b2相连的管道上具有分流冷却口42，射流放气口41位于分流冷却口42与低温回热器3b之间。循环工质8在分流冷却口42进行分流：一部分的循环工质8经再压缩机5a压缩后、进入自冷侧进口3a3进入高温回热器3a，一部分的循环工质8依次进入预冷器4预冷、经主压缩机5b压缩、进入自冷侧进口3b3进入低温回热器3b预热，然后自冷侧出口3b4进入高温回热器3a。再压缩机5a、主压缩机5b能够通过多消耗一部分压缩功，大幅减小回热过程不可逆损失，布雷顿循环模块10的系统效率得以明显提升。

自高温回热器3a的冷侧出口3a4离开的循环工质8回到主燃烧腔1a内。

本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种布雷顿循环系统，包括：

布雷顿循环模块，包括热源、燃烧腔、透平、发电机、回热器、预冷器以及压缩机，所述透平、所述发电机以及所述压缩机由同一根轴联接，所述燃烧腔、所述透平、所述回热器的热侧进口和热侧出口、所述预冷器、所述压缩机以及所述回热器的冷侧进口和冷侧出口通过管道依次相连并形成循环，所述管道内循环流通有循环工质；

其特征在于，还包括：

碳粉储罐，用于向所述燃烧腔提供碳粉；

氧气储罐，用于向所述燃烧腔提供氧气；

在所述预冷器和所述回热器之间的所述管道上还设置有射流放气口；

所述碳粉储罐、所述氧气储罐所提供的碳粉、氧气能够在所述燃烧腔内燃烧并生成所述循环工质，所述循环工质经所述热源加热后依次进入所述透平膨胀做功、经热侧进口进入所述回热器放热，所述循环工质在所述射流放气口进行分流：一部分的所述循环工质依次进入所述预冷器预冷、经所述压缩机压缩，然后经冷侧进口进入所述回热器；一部分的所述循环工质自所述射流放气口进入所述预冷器然后离开以排出系统，该部分的所述循环工质利用射流冷却技术降低所述预冷器出口的所述循环工质的温度，离开所述回热器的所述循环工质回到所述燃烧腔，从而形成一个循环的热回路；

所述循环工质进入所述透平膨胀做功，所述透平通过所述轴带动所述发电机发电，所述压缩机工作所需动力由所述透平提供，从而形成一个发电循环。

2.根据权利要求1所述的布雷顿循环系统，其特征在于，还包括：

碳粉提纯模块，所述碳粉提纯模块能够将碳基原料进行提纯并得到纯净的碳粉，所述碳粉提纯模块提纯后得到的碳粉被输送至所述碳粉储罐。

3.根据权利要求2所述的布雷顿循环系统，其特征在于，所述碳粉提纯模块包括：

碱洗单元，利用碱液对所述碳基原料进行清洗；

酸洗单元，与所述碱洗单元相连，利用酸液对经所述碱洗单元处理后的所述碳基原料进行清洗；

中和单元，与所述酸洗单元相连，对经所述酸洗单元处理后的所述碳基原料进行清洗，得到碳粉；

水洗过滤单元，与所述中和单元相连，对经所述中和单元处理后的碳粉进行水洗过滤；

干燥单元，与所述水洗过滤单元以及所述碳粉储罐相连，对经所述水洗过滤单元处理后的碳粉进行干燥，并将干燥后的所述碳粉输送给所述碳粉储罐。

4.根据权利要求3所述的布雷顿循环系统，其特征在于，所述碱洗单元还与所述中和单元相连，所述中和单元能够直接对经所述碱洗单元处理后的所述碳基原料进行中和清洗；

所述酸洗单元还与所述水洗过滤单元相连，所述水洗过滤单元能够直接对经所述酸洗单元处理后的所述碳基原料进行水洗过滤；

所述中和单元还与所述水洗过滤单元逆向相连，所述中和单元能够对经所述水洗过滤单元处理后的所述碳基原料进行中和清洗。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的布雷顿循环系统，其特征在于，还包括：

空分模块，所述空分模块能够将空气中的各组分进行分离并得到纯净的氧气，经过所述空分模块分离后得到的氧气被输送至所述氧气储罐。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的布雷顿循环系统，其特征在于，所述碳粉储罐与所述燃烧腔之间设置有碳粉调节阀，用于调节所述碳粉储罐的碳粉供给量；和/或

所述氧气储罐与所述燃烧腔之间设置有氧气调节阀，用于调节所述氧气储罐的氧气供给量。

7.根据权利要求1-4中的任一项所述的布雷顿循环系统，其特征在于，所述燃烧腔包括主燃烧腔和补充燃烧腔，所述主燃烧腔、所述补充燃烧腔均能够接收所述碳粉储罐、所述氧气储罐所提供的碳粉和氧气；

所述透平包括高压透平和低压透平，所述高压透平、所述低压透平通过所述轴相联，自所述主燃烧腔出来的所述循环工质依次地进入所述高压透平膨胀做功、进入所述补充燃烧腔补充加热、进入所述低压透平膨胀做功，然后离开所述低压透平，所述高压透平、所述低压透平均通过所述轴带动所述发电机发电；

所述回热器包括高温回热器和低温回热器，离开所述低压透平后的所述循环工质依次流经所述高温回热器、所述低温回热器放热；

所述压缩机包括主压缩机和再压缩机，所述预冷器位于所述主压缩机和所述低温回热器之间，与所述低温回热器的热侧出口相连的所述管道上具有分流冷却口，所述循环工质在所述分流冷却口进行分流：一部分的所述循环工质经所述再压缩机压缩后、进入所述高温回热器，一部分的所述循环工质依次进入所述预冷器预冷、经所述主压缩机压缩、进入所述低温回热器预热，然后进入所述高温回热器；

自所述高温回热器的冷侧出口离开的所述循环工质回到所述主燃烧腔内。

8.根据权利要求7所述的布雷顿循环系统，其特征在于，所述射流放气口位于所述分流冷却口和所述低温回热器之间。

9.根据权利要求1-4或8中的任一项所述的布雷顿循环系统，其特征在于，所述透平包括具有冷却工质进口以及冷却工质射流口的叶片，所述叶片设置为内部中空的腔体，所述冷却工质射流口开设于叶片的表面，所述冷却工质射流能够通过冷却工质进口进入叶片进行冷却，所述叶片的表面设置有光谱转化涂层，进入叶片内的冷却工质射流还能够通过所述冷却工质射流口流出并在所述光谱转化涂层的表面形成为冷却工质射流隔膜层；

所述光谱转化涂层能够将所述叶片表面的热量转化为转化特征波段辐射，所述转化特征波段辐射是冷却工质的冷却工质特征波段辐射邻近的辐射能；

离开所述透平的冷却工质在所述回热器冷凝，然后排出系统。

10.根据权利要求9所述的布雷顿循环系统，其特征在于，所述转化特征波段辐射的特征吸收峰的中心波长与所述冷却工质特征波段辐射的特征吸收峰的中心波长相同，所述转化特征波段辐射的谱线宽度远小于所述冷却工质特征波段辐射的谱线宽度；

所述转化特征波段辐射不与在所述透平内流动的所述循环工质的循环工质特征波段辐射有所重合。