CN112524822A - 一种太阳能系统及其二氧化碳循环控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能系统及其二氧化碳循环控制系统，所述系统包括镜场系统、蓄热器和换热器，所述镜场系统包括出液管路和回液管路，出液管路和回液管路之间连接换热器，所述蓄热器设置在回液管路上，所述蓄热器的管路上设置旁通管路，所述旁通管路上设置第一阀门，所述蓄热器的入口管路上设置第二阀门；所述低温蓄热器的蓄热介质内设置温度传感器，用于检测蓄热介质的温度，所述换热器出口管上设置温度传感器，用于检测换热器出口的热源出口温度。控制器根据检测的热源出口温度和蓄热介质的温度的温差自动控制第一阀门第二阀门的打开和关闭。本发明提供的用于超临界太阳能系统，使得转换系统适应频繁的调节的技术要求，使得转换系统具有较高的负荷调节特性以及部分负荷下的高效率特性。

Description

一种太阳能系统及其二氧化碳循环控制系统

技术领域

本发明属于太阳能领域，具体说是涉及一种太阳能系统以及控制系统，涉及F24S太阳能领域。

背景技术

近年来，我国能源对外依存度不断提高，能源安全形势不容乐观；能源消费总量快速增长，2016年我国能源消费总量达43.6亿吨标准，占到世界能源消费总量的23％，居世界第一；建筑供热负荷和空调制冷负荷不断攀升，人均用电量显著增长，但与国际发达国家相比，我国人均用能量和人均用电量还有很大差距；温室气体排放总量大，应对气候变化压力增大：与此同时，以煤为主的能源消费结构导致生态环境破坏加剧、大气污染严重，特别是大量采暖用煤导致冬季雾霾频发，成为制约我国经济社会健康平稳发展的重要瓶颈，而“煤改气”、“煤改电”成本高，增加了用能成本，因此，大规模开发利用清洁可再生能源特别是利用太阳能供热供暖制冷发电的技术势在必行。

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，而且资源量巨大，地球表面每年收的太阳辐射能总量为1×10 18 kW·h，为世界年耗总能量的一万多倍。世界各国都已经把太阳能的利用作为新能源开发的重要一项。然而由于太阳辐射到达地球上的能量密度小（每平方米约一千瓦），而且又是不连续的，这给大规模的开发利用带来一定困难。因此，为了广泛利用太阳能，不仅要解决技术上的问题，而且在经济上必须能同常规能源相竞争。

我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约50万亿吉焦，折合1.7万亿吨标准煤，相当于2016年全国能源消费总量的400倍。目前，我国太阳能开发利用量不足1亿吨标准煤，有很大开发利用空间，这其中，太阳能跨季节蓄热供热供暖制冷系统清洁环保，越来越受到重视，但由于受到能量密度低、昼夜变化和阴晴雨雪天气的影响，大规模开发利用太阳能进行供热供暖制冷面临挑战。

目前，国内外对太阳能跨季蓄热系统开展了大量研究和实践，取得了一定进展，但还有很多不足之处，例如现有太阳能蓄热工程单位集热量投资高，总投资回收周期偏长；维护成本高，户外太阳能集热管风吹雨打、容易损坏，需要不定期维修更换。目前太阳能蓄热系统，仅仅将太阳能全部存储在蓄热器中，没有区分蓄热介质温度和热源温度之间的差异，导致不必要的蓄热过程，设置造成蓄热被吸热带走，因此导致太阳能蓄热的能量难以分类利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的太阳能蓄热系统，能够根据热源的温度和蓄热介质的温度将太阳能蓄热热能进行分类别选择存储，提高了太阳能蓄热的利用效率。

一种太阳能系统，所述系统包括镜场系统、蓄热器和换热器，所述镜场系统包括出液管路和回液管路，出液管路和回液管路之间连接换热器，所述蓄热器设置在回液管路上，其特征在于，所述蓄热器的管路上设置旁通管路，所述旁通管路上设置第一阀门，所述蓄热器的入口管路上设置第二阀门；

所述低温蓄热器的蓄热介质内设置温度传感器，用于检测蓄热介质的温度，所述换热器出口管上设置温度传感器，用于检测换热器出口的热源出口温度。控制器根据检测的热源出口温度和蓄热介质的温度的温差自动控制第一阀门第二阀门的打开和关闭。

当检测的热源出口温度和蓄热介质的温度的温差低于一定数据时，则第一阀门打开，第二阀门关闭，从而使得热源能够通过旁通管路进入镜场系统加热；当检测的热源出口温度和蓄热介质的温度的温差高于一定数据时，则第一阀门关闭，第二阀门打开，从而使得热源能够通过进入低温蓄热器中进行蓄热。

一种用于光热发电的超临界二氧化碳循环控制系统，根据二氧化碳流动方向，包括依次连接的中间换热器、发电透平、驱动透平、高温回热器、低温回热器、冷却器、带间冷主压缩机，且所述带间冷主压缩机、所述低温回热器、所述高温回热器、所述中间换热器依次连接，形成闭合回路一；以及，所述低温回热器还与再压缩机连接，所述再压缩机、所述高温回热器、所述中间换热器依次连接，形成闭合回路二，所述再压缩机与所述驱动透平连接；

还包括有总体控制系统，所述总体控制系统包括功率控制单元、指令处理单元和实际控制子单元，所述实际控制子单元包括压缩机入口温度控制子单元、压缩机入口压力控制子单元、驱动透平转速控制子单元、发电透平转速控制子单元和发电透平入口温度控制子单元。

功率控制单元用于根据操作员的负荷需求指令、当前热源输入和当前负荷值，生成具体的负荷变化指令；

指令处理单元用于对功率控制单元的负荷指令进行综合分析与计算，确定下级子单元的具体指令值。

所述压缩机入口温度控制子单元包括所述冷却器、冷却水调节阀组，所述冷却水调节阀组包括管线、仪表和控制单元，用于维持所述压缩机入口温度最低值高于环境温度5℃，且最高值低于60℃。

所述压缩机入口压力控制子单元包括容积控制罐、排放管线、回注管线及压力调节阀组，所述压力调节阀组包括阀门、仪表和控制单元，所述排放管线上游接至带间冷主压缩机出口，所述回注管线连至冷却器入口。

该单元使压缩机入口压力维持在设定值，一般压力控制的最低值高于二氧化碳工质的临界点压力，还可以利用回路自身的压差实现工质的排放和注入，同时注入管线接口位于冷却器入口，可以通过冷却器对压缩机入口温度进行调节。

所述驱动透平转速控制子单元包括与驱动透平连接的驱动透平旁通管线、驱动透平调节阀组、仪表和控制单元，用于使所述驱动透平转速维持在设定值；

所述驱动透平调节阀组一端连接在所述驱动透平上，另一端连接在混合器上，所述驱动透平旁通管线一端连接在所述混合器上，另一端连接在所述驱动透平的出口线路上。

在采用转速控制策略调节负荷水平时，当需要降负荷时，可以降低驱动透平转速设定值；当需要升负荷时，可以提高驱动透平转速设定值。

所述发电透平转速控制子单元包括与发电透平连接的发电透平旁通阀组、发电透平调节阀组、仪表和控制单元，用于发电透平转速维持在设定值；

所述发电透平与所述发电机连接，所述发电透平调节阀组一端连接在所述发电透平上，其另一端连接在所述中间换热器上，所述发电透平旁通阀组一端连接在混合器上，另一端连接在所述中间换热器的出口管线上。

一般在正常运行区间，发电透平转速基本维持不变。

所述发电透平入口温度控制子单元包括与所述中间换热器连接的熔盐管线调节阀组、仪表和控制单元，所述中间换热器与所述熔盐管线调节阀组连接。

该单元使发电透平入口温度维持在设定值。

所述混合器与热源旁通管线的一端连接，所述热源旁通管线的另一端连接在所述中间换热器与所述高温回热器之间的管路上。

本发明达成以下显著效果：

1）本发明提供一种新的太阳能蓄热系统，能够通过检测热源出口温度和蓄热介质的温度的温差，根据温差大小来选择是否蓄热。如果温差过小或者是负数，则蓄热能力不足，为了减少流动阻力，热源直接进入镜场系统。如果蓄热能力充分，则可以进行蓄热。将太阳能蓄热热能根据温度进行利用，提高了太阳能的利用效率。

2）本发明提出一种用于光热发电的新型超临界二氧化碳循环控制系统，有助于实现负荷变化的自动控制、提升系统瞬态响应速率和负荷跟随性，进一步提高太阳能光热技术的市场竞争力。

附图说明

图1是本发明太阳能蓄热系统结构示意图。

图2是本发明实施例中热电转换系统整体布局图。

图3是本发明实施例中热电转换系统的总体控制逻辑图。

图4是本发明实施例中压缩机入口温度控制逻辑图。

图5是本发明实施例中压缩机入口压力控制逻辑图。

图6是本发明实施例中驱动透平转速控制逻辑图。

图7是本发明实施例中发电透平转速控制逻辑图。

图8是本发明实施例中发电透平入口温度控制图。

其中，附图标记为：1、带间冷主压缩机；2、再压缩机；3、驱动透平；4、发电透平；5、发电机；6、冷却器；7、高温回热器；8、低温回热器；9、中间换热器；10、段间冷却器；11、容积控制罐；12、排放管线；13、回注管线；14、热源旁通管线；15、混合器；16、驱动透平旁通管线；17、发电透平旁通管线；18、发电透平调节阀组；19、驱动透平调节阀组；20、冷却水调节阀组；21、熔盐管线调节阀组。

具体实施方式

为了能更加清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

如图1所示的一种太阳能系统，所述系统包括镜场系统22、高温蓄热器23、低温蓄热器24和换热器9，所述镜场系统22包括出液管路和回液管路，出液管路和回液管路之间连接换热器9，所述高温蓄热器23设置在出液管路上，所述低温蓄热器24设置在回液管路上。所述低温蓄热器24的管路上设置旁通管路25，所述旁通管路25上设置第一阀门，所述低温蓄热器24的入口管路上设置第二阀门。

所述低温蓄热器24的蓄热介质内设置温度传感器，用于检测蓄热介质的温度，所述换热器9出口管上设置温度传感器，用于检测换热器9出口的热源出口温度。控制器根据检测的热源出口温度和蓄热介质的温度的温差自动控制第一阀门第二阀门的打开和关闭。其中当检测的热源出口温度和蓄热介质的温度的温差低于一定数据时，则第一阀门打开，第二阀门关闭，从而使得热源能够通过旁通管路进入镜场系统22加热。当检测的热源出口温度和蓄热介质的温度的温差高于一定数据时，则第一阀门关闭，第二阀门打开，从而使得热源能够通过进入低温蓄热器中进行蓄热。

作为优选，所述高温蓄热器、低温蓄热器中的蓄热介质是熔盐，所述出液管路和回液管路中的液体也是熔盐。

本发明提供一种新的太阳能蓄热系统，能够通过检测热源出口温度和蓄热介质的温度的温差，根据温差大小来选择是否蓄热。如果温差过小或者是负数，则蓄热能力不足，为了减少流动阻力，热源直接进入镜场系统。如果蓄热能力充分，则可以进行蓄热。将太阳能蓄热热能根据温度进行利用，提高了太阳能的利用效率。

作为优选，所述高温蓄热器中设置换热管，所述换热管连接供热客户。

本发明提供一种新的太阳能蓄热供热系统，能够将太阳能高温蓄热热能进行供热，对热能分类使用，提高了太阳能的利用效率。

太阳能光热发电是利用大规模镜场收集太阳能，将太阳能转换为热能传递给做功工质，再利用热力循环技术将热能转换为电能的一种技术。太阳能光热发电是全球未来新型清洁能源的重要发展方向。

超临界二氧化碳热力循环技术是基于布雷顿循环原理，将超临界二氧化碳工质的物性变化特点与热力循环典型过程进行调控匹配形成的新型热力循环技术。整个热力循环位于二氧化碳工质的临界点之上，超临界二氧化碳工质整个热力循环区域内无汽液相变；压缩机工作在临界点附近的高密度区，大幅降低做功功耗；发电透平具有高背压、低压比特点，工质密度大，设备体积小。该项技术在中高热源温度区间（400-700℃）相比当前蒸汽朗肯循环技术具有高效率、系统简单、调节性能好等优点，是未来可以大规模替代当前蒸汽朗肯循环的新型发电技术，具有广阔的应用前景和市场价值。

以太阳能光热发电为应用对象，采用超临界二氧化碳热力循环系统替代当前的蒸汽轮机系统，需要结合太阳能光热发电的应用场景进行设计。一方面，一天之内不同时刻，日照强度是随天气情况不断变化的，输入热电转换系统的能量也是变化的，由此导致负荷水平也会发生变化；另一方面，太阳能光热电厂要服从整个电网的电力调度要求，根据调度要求调节负荷输出水平。这种频繁的电力调节要求热电转换系统具有较高的负荷调节特性以及部分负荷下的高效率特性。基于以上背景需求，本发明提出了一种用于光热发电的新型超临界二氧化碳循环控制系统。

参加图2，一种超临界二氧化碳循环的太阳能光热发电控制方案，该系统主要包括带间冷主压缩机1、再压缩机2、驱动透平3、发电透平4、发电机5、冷却器6、高温回热器7、低温回热器8、中间换热器9、段间冷却器10、容积控制罐11、排放管线12、回注管线13、热源旁通管线14、混合器15、驱动透平旁通管线16、发电透平旁通管线17、发电透平调节阀组18、驱动透平调节阀组19、冷却水调节阀组20、熔盐管线调节阀组21。

一种超临界二氧化碳循环的太阳能光热发电控制方案，其系统总体控制逻辑见3。热电转换系统的功率控制单元，根据操作员的负荷需求指令、当前热源输入和当前负荷值，生成具体的负荷变化指令，发送给指令处理单元。指令处理单元接收到负荷指令后，进行综合分析与计算，确定下级子单元的具体指令值。这些下级子单元包括压缩机入口温度控制子单元、压缩机入口压力控制子单元、驱动透平转速控制子单元、发电透平转速控制子单元和发电透平入口温度控制子单元。这些子单元每个读取指令处理单元传达的设定值，根据当前实际值，确定具体的执行动作。下面分别介绍每个控制子单元的控制逻辑。

压缩机入口温度控制子单元包括与冷却器6连接的冷却水管线及相关阀门、仪表和控制单元等，逻辑图见4。具体作用过程为：以压缩机入口温度作为输入值，用该值与设定值进行比较。当压缩机入口温度高于设定值时，综合控制系统读取该信息后，经过信息处理单元，给冷却水管线阀组发送指令，增大冷却水管线的阀门开度，使进入冷却器6的冷却水流量增加，增强冷却器6的冷却能力，进而降低压缩机入口温度。反之，当压缩机入口温度低于设定值时，则减小冷却水管线阀组开度。其中，A为去主压缩机入口，B为自低温回热器出口。

压缩机入口压力控制子单元包括容积控制罐11、排放管线12、回注管线13及相关阀门、仪表和控制单元等，逻辑图见图5。排放管线12上游接至主压缩机出口，处于回路的压力最高区间；回注管线13连至冷却器6入口。这样设置的目的在于可以利用回路自身的压差实现工质的排放和注入；同时注入管线接口位于冷却器6入口，可以通过冷却器6对压缩机入口温度进行调节。具体作用过程为：以压缩机入口压力作为输入值，用该值与设定值进行比较。当压缩机入口压力高于设定值时，表明回路内工质装量过大；综合控制系统读取该信息后，经过信息处理单元，给排放管线12阀组发送指令，打开排放管线12的阀门，使多余的二氧化碳工质在压差作用下排放至容积储罐；待压缩机入口压力降至合理区间内，关闭排放管线12的阀门。相反，当压缩机入口压力低于设定值时，表明回路内工质装量过小；综合控制系统读取该信息后，经过信息处理单元，给注入管线阀组发送指令，打开注入管线的阀门，使贮存在容积储罐中的二氧化碳工质在压差作用下重新注入至实验装置。待压缩机入口压力升至合理区间内，关闭注入管线的阀门。

驱动透平3转速控制子单元包括与驱动透平3连接的驱动透平旁通管线16、驱动透平调节阀组19及相关仪表和控制单元等，逻辑图见图6。具体作用过程为：以驱动透平3转速作为输入值，用该值与设定值进行比较。当驱动透平3转速高于设定值时，综合控制系统读取该信息后，经过信息处理单元，给驱动透平3旁通阀组和驱动透平调节阀组19发送指令，增大驱动透平3旁通阀组开度，同时减少驱动透平调节阀组19开度，使进入驱动透平3的二氧化碳压力和流量下降，降低驱动透平3的做功能力和输出扭矩，进而使驱动透平3转速降至设定值。反之，当驱动透平3转速低于设定值时，则减小驱动透平3旁通阀组开度，同时增大驱动透平调节阀组19开度。在采用转速控制策略调节负荷水平时，当需要降负荷时，可以降低驱动透平3转速设定值；当需要升负荷时，可以提高驱动透平3转速设定值。其中，C为去高温回热器入口，D为自发电透平出口。

发电透平4转速控制子单元包括与发电透平4连接的发电透平旁通阀组、发电透平调节阀组18及相关仪表和控制单元等，逻辑图见图7。具体作用过程为：以发电透平4转速作为输入值，用该值与设定值进行比较。当发电透平4转速高于设定值时，综合控制系统读取该信息后，经过信息处理单元，给发电透平旁通阀组和发电透平调节阀组18发送指令，增大发电透平旁通阀组开度，同时减少发电透平调节阀组18开度，使进入发电透平4的二氧化碳压力和流量下降，降低发电透平4的做功能力和输出扭矩，进而使发电透平4转速降至设定值。反之，当发电透平4转速低于设定值时，则减小发电透平旁通阀组开度，同时增大发电透平调节阀组18开度。其中，E为自中间换热器出口。

发电透平4入口温度控制子单元包括与中间换热器9连接的熔盐管线调节阀组21及相关阀门、仪表和控制单元等，逻辑图见图8。具体作用过程为：以发电透平4入口温度作为输入值，用该值与设定值进行比较。当发电透平4入口温度高于设定值时，综合控制系统读取该信息后，经过信息处理单元，给熔盐管线调节阀组21发送指令，减小熔盐管线调节阀组21的阀门开度，使进入中间换热器9的熔盐流量减小，减少熔盐给二氧化碳工质的传热量，进而降低发电透平4入口温度。反之，当发电透平4入口温度低于设定值时，则增大熔盐管线调节阀组21开度。其中，F为去发电透平入口，G为自高温回热器出口，H为自吸热塔或高温储罐，I为自吸热塔或低温储罐。

本发明提出一种用于光热发电的新型超临界二氧化碳循环控制系统，有助于实现负荷变化的自动控制、提升系统瞬态响应速率和负荷跟随性，进一步提高太阳能光热技术的市场竞争力。

本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种太阳能系统，所述系统包括镜场系统、蓄热器和换热器，所述镜场系统包括出液管路和回液管路，出液管路和回液管路之间连接换热器，所述蓄热器设置在回液管路上，其特征在于，所述蓄热器的管路上设置旁通管路，所述旁通管路上设置第一阀门，所述蓄热器的入口管路上设置第二阀门；

所述低温蓄热器的蓄热介质内设置温度传感器，用于检测蓄热介质的温度，所述换热器出口管上设置温度传感器，用于检测换热器出口的热源出口温度，控制器根据检测的热源出口温度和蓄热介质的温度的温差自动控制第一阀门第二阀门的打开和关闭。

2.如权利要求1所述的太阳能系统，其特征在于，当检测的热源出口温度和蓄热介质的温度的温差低于一定数据时，则第一阀门打开，第二阀门关闭，从而使得热源能够通过旁通管路进入镜场系统加热；当检测的热源出口温度和蓄热介质的温度的温差高于一定数据时，则第一阀门关闭，第二阀门打开，从而使得热源能够通过进入低温蓄热器中进行蓄热。

3.一种太阳能二氧化碳循环控制系统，其特征在于，根据二氧化碳流动方向，包括依次连接的中间换热器、发电透平、驱动透平、高温回热器、低温回热器、冷却器、带间冷主压缩机，且所述带间冷主压缩机、所述低温回热器、所述高温回热器、所述中间换热器依次连接，形成闭合回路一；以及，所述低温回热器还与再压缩机连接，所述再压缩机、所述高温回热器、所述中间换热器依次连接，形成闭合回路二，所述再压缩机与所述驱动透平连接；

还包括有总体控制系统，所述总体控制系统包括功率控制单元、指令处理单元和实际控制子单元，所述实际控制子单元包括压缩机入口温度控制子单元、压缩机入口压力控制子单元、驱动透平转速控制子单元、发电透平转速控制子单元和发电透平入口温度控制子单元。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述压缩机入口温度控制子单元包括与所述冷却器连接的冷却水调节阀组，所述冷却水调节阀组包括管线、仪表和控制单元，用于维持所述压缩机入口温度最低值高于环境温度5℃，且最高值低于60℃。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述压缩机入口压力控制子单元包括容积控制罐、排放管线、回注管线及压力调节阀组，所述压力调节阀组包括阀门、仪表和控制单元，所述排放管线上游接至带间冷主压缩机出口，所述回注管线连至冷却器入口。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述驱动透平转速控制子单元包括与所述驱动透平连接的驱动透平旁通管线、驱动透平调节阀组、仪表和控制单元，用于使所述驱动透平转速维持在设定值；

所述驱动透平调节阀组一端连接在所述驱动透平上，另一端连接在混合器上，所述驱动透平旁通管线一端连接在所述混合器上，另一端连接在所述驱动透平的出口线路上。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述发电透平转速控制子单元包括与所述发电透平连接的发电透平旁通阀组、发电透平调节阀组、仪表和控制单元，用于发电透平转速维持在设定值；

所述发电透平与所述发电机连接，所述发电透平调节阀组一端连接在所述发电透平上，其另一端连接在所述中间换热器上，所述发电透平旁通阀组一端连接在混合器上，另一端连接在所述中间换热器的出口管线上。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述发电透平入口温度控制子单元包括与所述中间换热器连接的熔盐管线调节阀组、仪表和控制单元，所述中间换热器与所述熔盐管线调节阀组连接。

9.根据权利要求7-8任一项所述的系统，其特征在于，所述混合器与热源旁通管线的一端连接，所述热源旁通管线的另一端连接在所述中间换热器与所述高温回热器之间的管路上。

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