CN112576466A - 一种太阳能回热布雷顿循环发电系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能回热布雷顿循环发电系统及其方法，该系统包括高温空气吸热器、高温储热装置、压气机、透平、蒸汽发生器、高温空气冷却器、低温空气冷却器；当太阳光照充足时，高温空气吸热器从环境中吸入空气，被聚焦太阳光加热，流经储热装置，将热量传递给储热装置，从储热装置出来的高温空气进入透平膨胀做功，对外输出电能；从透平排出的低压空气，依次经过高温空气冷却器、空气回热器及低温空气冷却器，冷却后的空气最后进入压气机，经过压气机压缩升压进入空气回热器加热后进入高温空气吸热器进口；当太阳光照不足或者没有太阳光时，储热装置将存储的热量传递给空气，使得系统能够连续稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能利用，尤其涉及一种太阳能回热布雷顿循环发电系统及其方法。
背景技术
随着传统化石能源的巨大消耗，人们面对日益严峻的能源与环境问题。新的能源技术革命要从提高能源利用效率以及优化能源消费结构着手。提高非化石能源比例，特别是可再生能源比例对于未来的能源和环境有着重要的意义。目前可再生能源仅占12%左右，可再生能源已经被作为新一代能源技术的战略制高点。可再生能源包括了水能、风能、太阳能、生物质能、地热能和海洋能等。其中太阳能分布广泛，安全清洁，总量巨大，取之不尽用之不竭，受到了广泛关注，是可再生能源中的重要组成部分。
目前，太阳能主要有热利用和电利用两个方面。热利用是指将太阳光的光能转变为热能，如太阳能热水器。电利用主要有光伏发电和光热发电，光伏发电的原理是光生伏打效应，当太阳光照射光伏电池时，将产生电动势，接上负载产生电能。光热发电的原理是利用吸收器吸收太阳光作为高温热源，热工质吸收热，进入下一步动力循环，产生机械能，带动发电机组发电，常见形式有碟式、槽式和塔式系统等。太阳能光热发电可结合廉价储能，输出稳定，可承担基础负荷，调节迅速，又可作为调峰电源，可进一步提高其他非稳定可再生能源的上网消纳能力，在未来发展前景巨大。
在太阳能光热发电系统中，目前商用的动力循环基本采用水蒸汽朗肯循环，其工作温度较低，因而效率也较低。随着太阳光热技术的发展，工质工作温度不断提高（＞800℃），高温燃气轮机循环受到人们的关注。目前的太阳能燃气轮机循环需要采用承压高温空气吸热器，即从压气机出来的高压空气进入承压高温空气吸热器，将空气加热至所需高温（＞800℃），再进入透平膨胀做功。因此承压高温空气吸热器是整个太阳能燃气轮机系统的关键技术。
空气吸热器根据其传热方式不同，可以分为管式吸热器和容积式吸热器。管式吸热器通过金属管将压力空气密封在管内。聚焦的太阳能被金属管外壁面吸收转化为热能，进而通过管壁传递给管内的压力空气。容积式吸热器一般利用透明石英玻璃窗口将压力气体密封在腔内。聚焦太阳能被腔内的多孔介质（蜂窝陶瓷或者泡沫陶瓷）吸收转化热能，进而再加热空气。由于没有金属材料的直接使用，可以将空气加热到1000℃甚至更高。因此从吸热温度上来说，容积式吸热器具有更大的优势，但其需要使用密封玻璃，保证聚光太阳能能够透过，同时将压力气体有效的密封在腔体内。但是玻璃较脆，易受污染，热应力承受能力弱，易破碎，寿命短。此外，腔体的入口玻璃由于承受压力高，面积不能做大，而且需要采用石英介质的玻璃，造价高。因此，具有石英玻璃的承压高温空气吸热器是该技术进一步推广的最大阻碍。
发明内容
本发明针以上太阳能燃气轮机及具有石英玻璃的承压高温空气吸热器的缺点，提出了一种太阳能回热布雷顿循环系统，避免了具有石英玻璃的承压高温空气吸热器的应用，提高了系统可靠性，降低成本，促进产业化。
本发明的具体方案如下：
一种太阳能回热布雷顿循环发电系统，其特征在于包括高温空气吸热器、储热装置、压气机、透平、空气回热器，当太阳光照条件良好时，低温环境空气流入所述高温空气吸热器，被聚光太阳能加热，加热后的高温空气进入所述储热装置，将热量传递给储热装置，从储热装置流出的空气进入所述透平膨胀做功，从透平出来的低压空气，流经所述空气回热器高温侧，冷却后的空气经过所述压气机压缩升压，所排出口空气流经所述空气回热器的冷侧，加热后再流入高温空气吸热器；当太阳光照不足或者没有太阳光时，从所述空气回热器冷侧出来的空气流入所述高温空气吸热器或者直接流入所述储热装置进口，储热装置将热量传递给空气，被加热后的空气进入所述透平膨胀做功，再进入空气回热器热侧，冷却后的空气经过所述压气机压缩升压，所排出口空气流经所述空气回热器的冷侧，从所述空气回热器冷侧出来的空气再流入所述高温空气吸热器或者直接流入所述储热装置进口，形成循环。
进一步，在所述透平后增加高温空气冷却器，从所述透平排出的空气，流经所述高温空气冷却器，冷却后的空气再进入空气回热器的热侧。作为优选，所述高温空气冷却器的冷却工质为水工质，利用所述透平出来的高温空气产生高温高压水蒸汽，水蒸汽再进入蒸汽轮机做功，提高系统效率。
作为优选，增设低温空气冷却器，从所述空气回热器热侧出来的空气，流经低温空气冷却器，进一步冷却之后再进入压气机，该低温空气回热器降低了压气机的空气进口温度，从而降低了压缩耗功，提高了系统效率。
所述高温空气吸热器为敞开式空气吸热器，与大气环境直接相通，即工作压力为大气压，低温环境空气可直接流入高温空气吸热器，避免了采用承压式高温空气吸热器，提高吸热器可靠性，大幅降低成本。
所述的高温空气吸热器其内部填充有固体吸热介质。当太阳光照充足时，该固体吸热介质吸收聚焦太阳光，提高温度进而加热流过的空气，因此在高温空气吸热器中能流的传递方向为聚焦太阳光到吸热器中的固体吸热介质再到空气，所述储热装置则利用高温空气加热储热装置中的储热介质；当太阳光不足或者没有时，即空气温度低于储热装置中的储热介质温度时，能流传递方向为储热介质到空气，即利用储热介质加热空气。高温空气吸热器的吸热介质为蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、泡沫金属、金属丝网中的一种或者多种；所述储热装置的储热介质为蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、泡沫金属、金属丝网、堆积砂砾、相变材料、热化学储热材料中的一种或者多种。由于高温空气吸热器与储热装置内部填充的都为具有空气流道的介质，因此，作为改进方案，所述高温空气吸热器与所述储热装置布置成一个整体，空气依次流过所述高温空气吸热器与储热装置，减少热损失。
此外，本发明提出一种太阳能回热布雷顿循环发电系统，其特征在于包括高温空气吸热器、储热装置、压气机、透平、高温空气冷却器、低温空气冷却器、空气回热器，所述高温空气吸热器进口直接与大气相通，高温空气吸热器出口与所述储热装置进口相连，储热装置出口与所述透平进口相连，透平出口与高温空气冷却器进口相连，高温空气冷却器出口与空气回热器热侧进口相连，空气回热器热侧出口与低温空气冷却器进口相连，低温空气冷却器进口与所述压气机进口相连，所述压气机出口与空气回热器冷侧进口相连。作为优选，所述空气回热器冷侧出口布置在所述高温空气吸热器进口或者所述空气回热器冷侧出口与所述储热装置进口相连。
作为优选，将所述储热装置分成2个及以上的独立储热装置，每个储热装置串联，即第一个储热装置的进口与所述高温空气吸热器出口相连，第二个储热装置的进口与第一个储热装置的出口相连，依次类推，最后一个储热装置的出口与所述储热装置的进口相连，并且从第二个储热装置起，其进口通过旁通管路与所述高温空气吸热器出口相连，并在旁通管路上设置相应的旁通阀。实际运行过程中，储热装置内的储热介质的储/放热条件不相同，因而其温度并不相同。当太阳辐照变化或者空气流量变化时，高温空气吸热器出口温度将引起变化。通过调节旁通阀，使得高温空气吸热器出口空气入对应温度的储热装置内部，提高储热效率，降低㶲损。
所述压气机是指能够提供压缩气体的装置；所述透平是指利用高温压力气体做功的装置；储热装置是指利用显热、潜热或者化学能将热量暂时存储的装置；所述高温空气吸热器是指利用聚焦太阳能将空气加热的装置；所述空气回热器是指能够利用其热侧的高温空气加热冷侧的低温空气的换热装置，即将高温空气工质的热量传递给低温空气工质。
附图说明
图1是具体实施方式1的示意图；
图2是具体实施方式2的示意图；
图3是具体实施方式3的示意图；
图4是具体实施方式4的示意图。
图中：1-高温空气吸热器；2-储热装置A；3-透平；4-压气机；5-发电机；6-空气回热器；7-旁通阀A；8-高温空气冷却器；9-低温空气冷却器；10-旁通阀B；11-储热装置B。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种太阳能回热布雷顿循环发电系统，包括高温空气吸热器1、储热装置A2、透平3、压气机4、发电机5和空气回热器6。当太阳光照充足时，聚焦太阳光加热高温空气吸热器1中的固体吸热介质，加热从环境中吸入的空气，提高温度，可加热800℃以上；高温空气流入储热装置2，加热储热装置A2中的储热介质；从储热装置A2中流出的高温空气进入透平3膨胀做功，从透平3出来的空气压力低于大气压，该低压空气进入空气回热器6热侧，冷却后的空气经过所述压气机4压缩升压，所排出口空气流经所述空气回热器6的冷侧，加热后再流入高温空气吸热器1；当太阳光照不足或者没有时，打开旁通阀A7，使得从所述空气回热器冷侧出来的空气流入所述储热装置A2的进口，储热装置A2将热量传递给空气，被加热后的空气进入所述透平3膨胀做功，再进入空气回热器6热侧。储热装置A2使得该系统能够高效稳定运行，提高了系统可控性和经济性。
透平3、压气机4与发电机5通过轴相连，发电机5对外输出电能或者作为电动机对系统进行启动。高温空气吸热器1的吸热介质为蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、泡沫金属、金属丝网中的一种或者多种；所述储热装置A2的储热介质为蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、泡沫金属、金属丝网、堆积砂砾、相变材料、热化学储热材料中的一种或者多种。
实施例2
如图2所示，对实施方式1进行改进，在透平3与空气回热器6之间增设高温空气冷却器8，从透平出来的高温低压空气进入高温空气冷却器8，经过冷却后的空气再进入空气回热器6的热侧。高温空气冷却器8的冷却介质采用水工质，经过加热后产生高温高压水蒸汽，水蒸汽可再进入蒸汽轮机做功。空气动力循环与水蒸汽动力循环两者联合，可使整个系统的热效率从常规的40%提高到50%以上，经济效益大大提高。
实施例3
如图3所示，对实施方式2进行进一步改进，在空气回热器6与压气机4之间增设低温空气冷却器9。从空气回热器6热侧出来的空气进入低温空气冷却器9进一步冷却，再进入压气机4压缩升压。所排出口空气流经所述空气回热器6的冷侧，加热后再流入高温空气吸热器1；当太阳光照不足或者没有时，打开旁通阀A7，使得从所述空气回热器冷侧出来的空气流入所述储热装置A2的进口，储热装置A2将热量传递给空气，被加热后的空气进入所述透平3膨胀做功，空气形式一个闭合循环。
同实施方式2，低温空气冷却器9的冷却介质选用水工质。采用低温空气冷却器9之后，可降低压气机4的进气温度，从而降低压气机4的功耗，提高系统效率。
实施例4
如图4所示，对实施方式3进一步改进，增设储热装置B11及旁通阀B10。储热装置B11的进口与储热装置A2的出口相连；储热装置B11的进口通过旁通管路与高温空气吸热器1的出口相连，并通过旁通阀B10控制该旁通管路的通断。实际运行过程中，储热装置内的储热介质的储/放热条件不相同，因而其温度并不相同。当太阳辐照变化或者空气流量变化时，高温空气吸热器出口温度将引起变化。通过调节旁通阀，使得高温空气吸热器出口空气入对应温度的储热装置内部，提高储热效率，降低㶲损。例如，储热装置A2的温度为700℃，储热装置B11的温度为900℃，当高温空气吸热器1的出口空气温度为1000℃时，打开旁通阀B10，此时从高温空气吸热器1出口的高温空气直接进入储热装置B11，利用1000℃的高温空气对900℃的储热装置B11进行加热存储多余能量，降低了换热温差及㶲损。
Claims (10)
1.一种太阳能回热布雷顿循环发电方法，其特征在于：包括高温空气吸热器、储热装置、压气机、透平、空气回热器，当太阳光照条件良好时，低温环境空气流入所述高温空气吸热器，被聚光太阳能加热，加热后的高温空气进入所述储热装置，将热量传递给储热装置，从储热装置流出的空气进入所述透平膨胀做功，从透平出来的低压空气，流经所述空气回热器高温侧，冷却后的空气经过所述压气机压缩升压，所排出口空气流经所述空气回热器的冷侧，加热后再流入高温空气吸热器；当太阳光照不足或者没有太阳光时，从所述空气回热器冷侧出来的空气流入所述高温空气吸热器或者直接流入所述储热装置进口，储热装置将热量传递给空气，被加热后的空气进入所述透平膨胀做功，再进入空气回热器热侧，冷却后的空气经过所述压气机压缩升压，所排出口空气流经所述空气回热器的冷侧，从所述空气回热器冷侧出来的空气再流入所述高温空气吸热器或者直接流入所述储热装置进口，形成循环。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能回热布雷顿循环发电方法，其特征在于增设高温空气冷却器，从所述透平排出的空气，流经所述高温空气冷却器，冷却后的空气再进入空气回热器的热侧，进一步冷却之后进入压气机。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能回热布雷顿循环发电方法，其特征在于增设低温空气冷却器，从所述空气回热器热侧出来的空气，流经低温空气冷却器，进一步冷却之后再进入压气机。
4.根据权利要求2所述的一种太阳能回热布雷顿循环发电方法，其特征在于增设低温空气冷却器，从所述空气回热器热侧出来的空气，流经低温空气冷却器，进一步冷却之后再进入所述压气机。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能回热布雷顿循环发电方法，其特征在于所述高温空气吸热器为敞开式空气吸热器，与大气环境直接相通，即工作压力为大气压。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能回热布雷顿循环发电方法，其特征在于所述高温空气吸热器的作用为利用其内部固体吸热介质，吸收高倍太阳聚光，提高介质本身温度，再将热量传递给空气，提高空气温度，所述高温空气吸热器的吸热介质为蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、泡沫金属、金属丝网中的一种或者多种；当太阳能光照充足时，所述储热装置中的储热介质被高温空气吸热器加热后的空气加热，当太阳光不足时，即空气温度低于储热介质温度时，储热装置放热，将热量传递给空气，提高空气温度，所述储热装置的储热介质为蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、泡沫金属、金属丝网、堆积砂砾、相变材料、热化学储热材料中的一种或者多种。
7.根据权利要求1所述的一种太阳能回热布雷顿循环发电方法，其特征在于将所述的高温空气吸热器和储热装置内部具有气体流道，并将所述高温空气吸热器与所述储热装置布置成一个整体，空气依次流过所述高温空气吸热器与储热装置。
8.一种太阳能回热布雷顿循环发电系统，其特征在于包括高温空气吸热器、储热装置、压气机、透平、高温空气冷却器、低温空气冷却器、空气回热器，所述高温空气吸热器进口直接与大气相通，高温空气吸热器出口与所述储热装置进口相连，储热装置出口与所述透平进口相连，透平出口与高温空气冷却器进口相连，高温空气冷却器出口与空气回热器热侧进口相连，空气回热器热侧出口与低温空气冷却器进口相连，低温空气冷却器进口与所述压气机进口相连，所述压气机出口与空气回热器冷侧进口相连。
9.根据权利要求8所述的一种太阳能回热布雷顿循环发电系统，其特征在于所述空气回热器冷侧出口布置在所述高温空气吸热器进口或者空气回热器冷侧出口与所述储热装置进口相连。
10.根据权利要求8所述的一种太阳能回热布雷顿循环发电系统，其特征在于所述储热装置分成2个及以上的独立储热装置，每个储热装置串联，即第一个储热装置的进口与所述高温空气吸热器出口相连，第二个储热装置的进口与第一个储热装置的出口相连，依次类推，最后一个储热装置的出口与所述透平的进口相连；并且从第二个储热装置起，包括第二个储热装置，每个储热装置的进口通过旁通管路与所述高温空气吸热器出口相连。
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2019
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