CN115263697A - 太阳能发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能领域。针对太阳能发电系统结构复杂、稳定性差、能量利用率低的问题，本发明提供一种太阳能发电系统，包括定日镜场、太阳能集热器、透平膨胀机、发电机、预冷器、压缩机、换热器、第一阀门、第二阀门、低压储气罐、高压蓄热储气罐、补热器、第三阀门。在透平膨胀机前进行分流，通过高压蓄热储气罐，将过剩的太阳能转换为高压二氧化碳的压力能和热能储存起来。在夜晚时释放高压蓄热储气罐中的二氧化碳进入透平做功，做功后的高温低压工质进入低压储气罐中储存，进而实现对过剩太阳能的利用和维持太阳能发电系统在夜晚时的持续使用。

Description

太阳能发电系统

技术领域

本发明属于太阳能技术领域，具体涉及太阳能发电系统。

背景技术

太阳能热发电技术是通过一定的技术方式将太阳能转化为热能，然后利用某种热力循环的方法进行做功，从而使发电机发电的一种发电技术的统称，是对太阳能的一种高品位利用方式。目前有多种热力循环被应用在太阳能发电中，其中超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环具有多方面优势。超临界二氧化碳作为该循环的唯一循环工质，其临界点低(7.38MPa，304K)，相对于水等其他工质更易达到超临界状态，有利于工程应用；兼具液体和气体的特性，密度大、传热效率高、做功能力强，粘性小、流动性强、系统循环损耗小；并且在整个电力系统中，循环在超临界状态下运行，工作流体保持稠密，使得透平膨胀机和压缩机比传统电力循环更小。

但是，由于太阳辐射强度会随时间、天气等因素影响产生波动，因此传统的太阳能热发电系统大多在天气状况较差或是夜晚时输出参数不能达到设定值，影响太阳能系统的正常使用。因此，降低乃至消除太阳能辐射强度的波动对太阳能系统的影响是如今太阳能热发电领域亟待解决的问题。针对该技术改进需求，研究人员提出了不同解决方案：

方案1：申请号为CN201310743891.5的专利申请针对太阳能热发电系统的储热问题，从熔盐储热出发提出了一种新方案：将熔点较低的熔融盐作为太阳能系统的吸热工质，再引入一种二元盐充当储热系统的工质，以此在太阳辐射不足时为系统提供热量。

方案2：申请号为CN202120988320.8的专利申请针对透平不同的输出功要求，提出了一种熔盐储热调峰系统，当所需透平输出功较小时利用高温工质加热熔盐并储存在热罐中，当所需输出功较大时利用熔盐储热加热工质做功，实现储热调峰。

方案3：申请号为CN201911169727.1的专利申请针对白天太阳能过剩现象，为了充分利用能源，提出一种解决方案：在太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统基础上耦合压缩空气储能系统，实现对过剩的太阳能的充分利用。

方案4：申请号为CN201710243325.6的专利申请针对电网高低负荷的变化，提出了一种压缩超临界二氧化碳蓄能蓄热的方案：在电网负荷低谷期将电能用于压缩超临界二氧化碳，在负荷高峰期释放储存的二氧化碳推动透平做功，实现“削峰填谷”。

现有的这些解决方案在系统的复杂性、稳定性、发电效率方面存在明显问题。

方案1提出的在太阳能热发电系统中增加熔盐储热的方法，能量储存形式单一，在太阳辐射较弱时，要保证系统正常运行还需增设加压设备使工质压力增大。这样导致系统耗能增加，发电效率降低，经济性也较差。

方案2提出的熔盐储热调峰系统包括A、B两组熔盐储热系统，系统零部件过多，增大了系统的复杂性，可能增大系统故障的风险，并且增加了系统维护成本。

方案3提出的增设压缩空气储能系统来存储白天过剩太阳能的方法，需要在系统中充注二氧化碳和空气两种工质，增加了系统运行维护成本，并且增大了工质泄漏风险。

方案4提出的储能方案虽然同时实现了储热和储压力，但高温高压的工质需先经过放热过程再被储存进高压储气罐，导致系统结构复杂，换热设备较多也造成系统经济性降低。并且该方案中由导热油充当传热介质，温度不能太高，导致热量品质下降，循环效率降低。

因此，有必要研究一种结构简单、稳定性好，能量利用率高的太阳能发电系统。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种太阳能发电系统，在传统的基于超临界二氧化碳布雷顿循环的太阳能热发电系统的基础上，在透平膨胀机前进行分流，通过高压蓄热储气罐，将过剩的太阳能转换为高压二氧化碳的压力能和热能储存起来。经过换热器后的高温高压工质储存在高压蓄热储气罐内，同时将低压罐中的高温低压工质与透平膨胀机出口的工质汇合进入其他循环。在夜晚时释放高压蓄热储气罐中的二氧化碳进入透平做功，做功后的高温低压工质进入低压储气罐中储存，进而实现对过剩太阳能的利用和维持太阳能发电系统在夜晚时的持续使用。

本发明技术方案如下：

太阳能发电系统，包括定日镜场、太阳能集热器、透平膨胀机、发电机、预冷器、压缩机、换热器、第一阀门、第二阀门、低压储气罐、高压蓄热储气罐、补热器、第三阀门；

所述定日镜场与太阳能集热器相连，太阳能集热器出口与透平膨胀机入口相连，同时透平膨胀机与发电机相连，透平膨胀机出口与换热器高温侧入口相连，连接管路上设置第一阀门，换热器高温侧出口与预冷器入口相连，预冷器出口与压缩机入口相连，压缩机出口与换热器低温侧入口相连，换热器低温侧出口与太阳能集热器入口相连；太阳能集热器出口与透平膨胀机入口之间的管路上设置补热器，该管路与补热器出口通过第三阀门连接，补热器入口与高压蓄热储气罐相连，低压储气罐通过第二阀门连接到透平膨胀机出口与第一阀门之间的管路上。

进一步的，所述补热器改设在太阳能集热器入口与换热器低温侧出口之间的管路上，补热器入口与高压蓄热储气罐连接，补热器出口与第四阀门连接，所述太阳能发电系统还包括直接加热式蓄热器，所述直接加热式蓄热器集成到太阳能集热器中，直接加热式蓄热器的一端连接到太阳能集热器出口与透平膨胀机入口之间的管路上，另一端通过第三阀门连接到太阳能集热器入口与补热器出口之间的管路上。

进一步的，当白天光照条件充足时，第一阀门打开，第二阀门、第三阀门关闭，太阳能集热器吸收的热量用来加热管道中的二氧化碳流体，高温流体在透平膨胀机中做功，带动透平膨胀机转动，使其通过发电机向外发电；做完功后的高温低压超临界二氧化碳经过第一阀门，再经过换热器将余热回收到系统中，之后流经预冷器，使超临界二氧化碳流体状态到达临界点附近，从预冷器中流出的流体由压缩机进行压缩，压缩后通过换热器加热，流出换热器后进入太阳能集热器开始新一轮循环；

当白天太阳能过剩，第二阀门、第三阀门打开，从太阳能集热器流出的部分高温高压超临界二氧化碳流体，经过第三阀门和补热器到达高压蓄热储气罐进行蓄热储气，低压储气罐中的二氧化碳流体通过第二阀门流入系统中补充循环系统减少的二氧化碳流量，当低压储气罐中的气体全部补充到系统时，高压蓄热储气罐储存量达到最大，最大值为低压储气罐中的气体量，此时第二阀门和第三阀门关闭，压缩二氧化碳储能系统工作完毕；

当光照条件不佳或夜晚无光照时，第一阀门关闭，第二阀门、第三阀门打开，高压二氧化碳流体从高压蓄热储气罐中流出，经过补热器和第三阀门，流入透平进行做功，带动透平转动，使其通过发电机向外发电，做完功后的低压二氧化碳气体通过第二阀门再流入低压储气罐中，在这个过程中，若蓄热器热量不足，补热器将会开启辅助加热二氧化碳流体。

进一步的，在白天太阳通过定日镜场加热太阳能集热器时，一起加热蓄热器，使其储存热量；当夜晚光照条件不佳或无光照时，第四阀门关闭，第三阀门打开，高压二氧化碳流体在高压储气罐中放出后通过阀门经过蓄热器，再经过透平做功最后回到低压储气罐中。

有益效果：

(1)与方案1相比，本发明在白天可以储存多余的热量，使得系统在夜晚光照条件不佳或无光照时也可以使用。

(2)与方案2相比，本发明不仅储存热量，也储存了高压气体，使得系统在夜晚光照条件不佳或无光照使用时无需多余设备提高二氧化碳压力，提高了系统的效率。

(3)与方案3相比，本发明不需要增加一些额外的系统与其同步运行，减小了循环发电系统整体结构的复杂性，节约了生产和维护成本。

(4)与方案4相比，本发明不需要额外的压缩机，也不需要额外的空气作为工质，整个系统的储能与做功都由二氧化碳一种工质完成，大大减少了系统的结构复杂性和工质泄漏的可能性。

附图说明

图1为实施例1太阳能发电系统的结构示意图；

图2为实施例2太阳能发电系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

一种太阳能发电系统，主要结构及连接关系如图1所示，包括定日镜场1、太阳能集热器2、透平膨胀机3、发电机4、预冷器5、压缩机6、电机7、换热器8、第一阀门9、第二阀门10、低压储气罐11、高压蓄热储气罐12、补热器13、第三阀门14。

定日镜场1与太阳能集热器2相连，太阳能集热器2出口与透平膨胀机3入口相连，同时透平膨胀机3与发电机4相连，透平膨胀机3出口与换热器8高温侧入口相连，连接管路上设置第一阀门9，换热器8高温侧出口与预冷器5入口相连，预冷器5出口与压缩机6入口相连，同时压缩机6与电机7相连，压缩机6出口与换热器8低温侧入口相连，换热器8低温侧出口与太阳能集热器2入口相连。太阳能集热器2出口与透平膨胀机3入口之间的管路上设置补热器13，该管路与补热器13出口通过第三阀门14连接，补热器13入口与高压蓄热储气罐12相连。低压储气罐11通过第二阀门10连接到透平膨胀机3出口与第一阀门9之间的管路上。

本发明的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环运行过程如下：

当白天光照条件充足时，定日镜场1将太阳光聚集到太阳能集热器2吸收热量，吸收的热量用来加热管道中的二氧化碳流体，使流体温度升高。高温流体在透平膨胀机3中做功，带动透平膨胀机3转动，使其通过发电机4向外发电。做完功后的高温低压超临界二氧化碳经过第一阀门9，再经过换热器8将余热回收到系统中，之后流经预冷器5，使超临界二氧化碳流体状态到达临界点附近，以便减少压缩机6消耗的压缩功，从预冷器5中流出的流体在电机7的带动下由压缩机6进行压缩，压缩后通过换热器8加热，流出换热器8后进入太阳能集热器2开始新一轮循环。

当白天太阳能过剩，需在稳定系统对外发电的基础上，对多余能量进行存储。此时，在上述循环的基础上，第三阀门14打开，此时补热器13处于关闭状态，部分高温高压超临界二氧化碳流体从太阳能集热器2流出后，经过第三阀门14和补热器13到达高压蓄热储气罐12进行蓄热储气，将高温高压的二氧化碳流体储存起来。为了避免分流造成的循环中二氧化碳流量减少，保证循坏流量，第二阀门10打开，低压储气罐11中的二氧化碳流体通过第二阀门10流入系统中补充循环系统减少的二氧化碳流量。当低压储气罐11中的气体全部补充到系统时，高压蓄热储气罐12储存量达到最大，最大值为低压储气罐11中的气体量。此时第二阀门10和第三阀门14关闭，压缩二氧化碳储能系统工作完毕。

当光照条件不佳或夜晚无光照时，第一阀门9关闭，第二阀门10、第三阀门14打开。高压二氧化碳流体从高压蓄热储气罐12中流出，经过补热器13和第三阀门14，流入透平3进行做功，带动透平3转动，使其通过发电机4向外发电。做完功后的低压二氧化碳气体通过第二阀门10再流入低压储气罐11中，以备在第二天白天继续使用。在这个过程中，若蓄热器热量不足，补热器13将会开启辅助加热二氧化碳流体。

实施例2

本发明的另外一种结构如图2所示，在实施例1的基础上对蓄能回路进行改进，将补热器13改设在太阳能集热器2入口与换热器8低温侧出口之间的管路上，补热器13入口与高压蓄热储气罐12连接，补热器13出口与第四阀门15连接。该太阳能发电系统还包括直接加热式蓄热器16，直接加热式蓄热器16集成到太阳能集热器2中，直接加热式蓄热器16的一端连接到太阳能集热器2出口与透平膨胀机3入口之间的管路上，另一端通过第三阀门14连接到太阳能集热器2入口与补热器13出口之间的管路上。在白天太阳通过定日镜场加热太阳能集热器时，一起加热蓄热器16，使其储存热量。当夜晚光照条件不佳或无光照时，第四阀门15关闭，第三阀门14打开，高压二氧化碳流体在高压储气罐12中放出后通过阀门14经过蓄热器16，在经过透平3做功最后回到低压储气罐11中。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.太阳能发电系统，其特征在于：包括定日镜场、太阳能集热器、透平膨胀机、发电机、预冷器、压缩机、换热器、第一阀门、第二阀门、低压储气罐、高压蓄热储气罐、补热器、第三阀门；

所述定日镜场与太阳能集热器相连，太阳能集热器出口与透平膨胀机入口相连，同时透平膨胀机与发电机相连，透平膨胀机出口与换热器高温侧入口相连，连接管路上设置第一阀门，换热器高温侧出口与预冷器入口相连，预冷器出口与压缩机入口相连，压缩机出口与换热器低温侧入口相连，换热器低温侧出口与太阳能集热器入口相连；太阳能集热器出口与透平膨胀机入口之间的管路上设置补热器，该管路与补热器出口通过第三阀门连接，补热器入口与高压蓄热储气罐相连，低压储气罐通过第二阀门连接到透平膨胀机出口与第一阀门之间的管路上。

2.根据权利要求1所述的太阳能发电系统，其特征在于：所述补热器改设在太阳能集热器入口与换热器低温侧出口之间的管路上，补热器入口与高压储气罐连接，补热器出口与第四阀门连接，所述太阳能发电系统还包括直接加热式蓄热器，所述直接加热式蓄热器集成到太阳能集热器中，直接加热式蓄热器的一端连接到太阳能集热器出口与透平膨胀机入口之间的管路上，另一端通过第三阀门连接到太阳能集热器入口与补热器出口之间的管路上。

3.根据权利要求2所述的太阳能发电系统，其特征在于：所述压缩机连接电机，以获得动能。

4.根据权利要求1所述的太阳能发电系统，其特征在于：当白天光照条件充足时，第一阀门打开，第二阀门、第三阀门关闭，太阳能集热器吸收的热量用来加热管道中的二氧化碳流体，高温流体在透平膨胀机中做功，带动透平膨胀机转动，使其通过发电机向外发电；做完功后的高温低压超临界二氧化碳经过第一阀门，再经过换热器将余热回收到系统中，之后流经预冷器，使超临界二氧化碳流体状态到达临界点附近，从预冷器中流出的流体由压缩机进行压缩，压缩后通过换热器加热，流出换热器后进入太阳能集热器开始新一轮循环；

当白天太阳能过剩，第二阀门、第三阀门打开，从太阳能集热器流出的部分高温高压超临界二氧化碳流体，经过第三阀门和补热器到达高压蓄热储气罐进行蓄热储气，低压储气罐中的二氧化碳流体通过第二阀门流入系统中补充循环系统减少的二氧化碳流量，当低压储气罐中的气体全部补充到系统时，高压蓄热储气罐储存量达到最大，最大值为低压储气罐中的气体量，此时第二阀门和第三阀门关闭，压缩二氧化碳储能系统工作完毕；

当光照条件不佳或夜晚无光照时，第一阀门关闭，第二阀门、第三阀门打开，高压二氧化碳流体从高压蓄热储气罐中流出，经过补热器和第三阀门，流入透平进行做功，带动透平转动，使其通过发电机向外发电，做完功后的低压二氧化碳气体通过第二阀门再流入低压储气罐中，在这个过程中，若蓄热器热量不足，补热器将会开启辅助加热二氧化碳流体。

5.根据权利要求2所述的太阳能发电系统，其特征在于：在白天太阳通过定日镜场加热太阳能集热器时，一起加热蓄热器，使其储存热量；当夜晚光照条件不佳或无光照时，第四阀门关闭，第三阀门打开，高压二氧化碳流体在高压储气罐中放出后通过阀门经过蓄热器，在经过透平做功最后回到低压储气罐中。

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