CN115325723A - 一种基于光热发电的清洁能源供应站系统 - Google Patents

一种基于光热发电的清洁能源供应站系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于光热发电的清洁能源供应站系统，包括：光热发电系统和跨临界CO2循环系统，其中，所述光热发电系统包括集热系统、储热系统、蒸汽发生系统和汽轮发电系统，所述集热系统将太阳能转化为热能，所述热能由所述储热系统储存，所述蒸汽发生系统利用所述热能产生符合汽轮机运行要求的蒸汽，所述蒸汽供所述汽轮发电系统发电，所述跨临界CO2循环系统包括压缩机、高温气冷器、低温气冷器、回热器、膨胀阀、第一蒸发器和气液分离器。仅依靠可再生的太阳能资源，便可实现冷热电三联供，稳定高效，不消耗化石能源，温室气体零排放，工质绿色环保无害。

Description

一种基于光热发电的清洁能源供应站系统
技术领域
本发明涉及能源综合利用领域，特别涉及一种基于光热发电的清洁能源供应站系统。
背景技术
绿色低碳为能源发展方向，太阳能作为最为清洁的可再生能源之一，有巨大的开发利用前景，太阳能发电主要分为光伏发电和光热发电两种方式，光伏发电可直接将太阳能转化为电能，但其受日照影响较大，且目前的储能技术不能保证电能大规模储存，造成光伏发电的不稳定性，光热发电能量转化过程为太阳能-热能-电能，并可将能量以热的方式存储下来，满足夜间发电需要，发电过程较为稳定，可调度性高，光热发电热力循环中冷端损失巨大，若将该部分热量回收利用，能源利用效率将显著提高。
现阶段居民生活以及小型工业对冷、热负荷的需求不断增加，一种高效环保的冷热联供系统亟待开发，传统的制冷、采暖、空调系统的制冷剂含有氢氟烃(HFCs)、氯氟烃(CFCs)和氢氯氟烃(HCFCs)，这些制冷剂会破坏臭氧层，全球变暖潜力(GWP)较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光热发电的清洁能源供应站系统，仅依靠可再生的太阳能资源，便可实现冷热电三联供，稳定高效，不消耗化石能源，温室气体零排放，工质绿色环保无害。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于光热发电的清洁能源供应站系统，包括：光热发电系统和跨临界CO2循环系统，其中，所述光热发电系统包括集热系统、储热系统、蒸汽发生系统和汽轮发电系统，所述集热系统将太阳能转化为热能，所述热能由所述储热系统储存，所述蒸汽发生系统利用所述热能产生符合汽轮机运行要求的蒸汽，所述蒸汽供所述汽轮发电系统发电，所述跨临界CO2循环系统包括压缩机、高温气冷器、低温气冷器、回热器、膨胀阀、第一蒸发器和气液分离器，所述压缩机、所述高温气冷器、所述低温气冷器、所述回热器、所述膨胀阀、所述第一蒸发器、所述气液分离器、所述回热器和所述压缩机依次连通。
进一步地，在上述的基于光热发电的清洁能源供应站系统中，所述集热系统包括定日镜场和吸热器，所述吸热器设置在所述定日镜场内，所述储热系统包括储热介质、高温熔盐罐、低温熔盐罐、高温熔盐泵和低温熔盐泵，低温的储热介质通过所述低温熔盐泵输送到所述吸热器中，储热介质在所述吸热器中吸收热量变为高温熔盐后进入所述高温熔盐罐中储存，高温的储热介质从所述高温熔盐罐中由所述高温熔盐泵输送到所述蒸汽发生系统换热，换热后储热介质的温度降低变为低温的储热介质并进入到所述低温熔盐罐储存。
进一步地，在上述的基于光热发电的清洁能源供应站系统中，所述储热介质采用二元熔盐，所述二元熔盐具体为40％KNO3+60％NaNO3。
进一步地，在上述的基于光热发电的清洁能源供应站系统中，所述蒸汽发生系统包括预热器、第三蒸发器、再热器、过热器、汽包，高温的储热介质与给水热交换产生符合汽轮机运行要求的过热蒸汽和再热蒸汽；汽轮发电系统包括汽轮机、发电机、通风冷却塔和第二蒸发器，汽轮发电系统将热能转化为电能并为跨临界CO2循环系统提供电能，汽轮发电系统将多余电能送至电网。
进一步地，在上述的基于光热发电的清洁能源供应站系统中，所述汽轮机的排汽分为两路：一路至通风冷却塔冷却为凝结水，一路进入第二蒸发器为跨临界CO2循环系统提供热源。
进一步地，在上述的基于光热发电的清洁能源供应站系统中，所述跨临界CO2循环系统使用的循环工质为CO2，所述压缩机具有压缩机入口和压缩机出口，工质由所述压缩机入口进入所述压缩机，工质在所述压缩机内被压缩为高温高压气体并由所述压缩机出口排出，由所述出口排出的高温高压气体进入所述高温气冷器冷却换热制取高温热水；在所述高温气冷器内冷却换热后的工质进入所述低温气冷器继续冷却换热制取低温热水。
进一步地，在上述的基于光热发电的清洁能源供应站系统中，回热器具有高温侧入口、高温侧出口、低温侧入口和低温侧出口，在所述低温气冷器内冷却换热后的工质由所述高温侧入口进入所述回热器内加热由所述低温侧入口进入的工质，在所述回热器内加热后的工质由所述低温侧出口流出并进入所述压缩机内；由所述高温侧入口进入所述回热器内的工质由所述高温侧出口排出，由所述高温侧出口排出的工质进入所述膨胀阀节流，节流后的液态工质进入所述第一蒸发器并在所述第一蒸发器中吸热膨胀，在所述第一蒸发器中吸热膨胀的工质由所述第一蒸发器进入所述气液分离器，气态工质由所述气液分离器的气侧出口排出并由所述低温侧入口进入所述回热器内被加热。
进一步地，在上述的基于光热发电的清洁能源供应站系统中，还包括冷用户，所述第一蒸发器将冷量传递给被冷却介质，被冷却介质满足所述冷用户对冷量的需求。
进一步地，在上述的基于光热发电的清洁能源供应站系统中，第二蒸发器能够吸收所述汽轮机的乏汽凝结释放的潜热。
进一步地，在上述的基于光热发电的清洁能源供应站系统中，所述压缩机采用磁悬浮式离心压缩机，所述高温气冷器、所述低温气冷器、所述回热器和所述第一蒸发器均采用间壁式换热器。
分析可知，本发明公开一种基于光热发电的清洁能源供应站系统，实现了如下技术效果：1.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，能量完全由太阳能提供，能够在不消耗任何化石能源的情况下实现冷热电三联供。2.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，光热发电系统自带储能，能够保证能源站系统能量的持续供应。3.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，工质采用绿色环保的二氧化碳，不仅无温室气体排放，还能消纳部分温室气体。4.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，设置了高温气冷器、低温气冷器和回热器，多级换热提高了能源利用率。5.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，设置了高温气冷器、低温气冷器，能够满足多种热水用户的需求。6.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，设置了回热器以提高压缩机入口工质过热度，可减少压缩机功耗。7.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，能够同时供热和供冷，较单一供热或供冷系统能够显著提升系统的制热能效比(COP)。8.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，采用磁悬浮式离心压缩机，不需润滑油，降低了系统复杂性且高度清洁环保、安全。9.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，能够通过第二蒸发器回收汽轮机乏汽凝结释放的潜热，提高能源利用率。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1本发明一实施例的结构示意框图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。各个示例通过本发明的解释的方式提供而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本发明包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
所附附图中示出了本发明的一个或多个示例。详细描述使用了数字和字母标记来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似标记的已经用于指代本发明的相似或类似的部分。如本文所用的那样，用语“第一”、“第二”和“第三”等可互换地使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示单独构件的位置或重要性。
如图1所示，根据本发明的实施例，提供了一种基于光热发电的清洁能源供应站系统，包括：光热发电系统和跨临界CO2循环系统，其中，光热发电系统包括集热系统、储热系统、蒸汽发生系统和汽轮发电系统，集热系统将太阳能转化为热能，热能由储热系统储存，蒸汽发生系统利用热能产生符合汽轮机运行要求的蒸汽，蒸汽供汽轮发电系统发电，跨临界CO2循环系统包括压缩机、高温气冷器、低温气冷器、回热器、膨胀阀、第一蒸发器和气液分离器，压缩机、高温气冷器、低温气冷器、回热器、膨胀阀、第一蒸发器、气液分离器、回热器和压缩机依次连通。
本发明提供的一种基于光热发电的清洁能源供应站系统，仅依靠可再生的太阳能资源，便可实现冷热电三联供，稳定高效，不消耗化石能源，温室气体零排放，工质绿色环保无害。
优选地，集热系统包括定日镜场和吸热器，吸热器设置在定日镜场内。
储热系统包括储热介质、高温熔盐罐、低温熔盐罐、高温熔盐泵和低温熔盐泵，低温的储热介质通过低温熔盐泵输送到吸热器中，储热介质在吸热器中吸收热量变为高温熔盐后进入高温熔盐罐中储存，完成熔盐吸热过程，高温的储热介质从高温熔盐罐中由高温熔盐泵输送到蒸汽发生系统换热，与汽、水进行换热后，换热后储热介质的温度降低变为低温的储热介质并进入到低温熔盐罐储存，完成熔盐放热过程，进而完成熔盐系统循环。
优选地，储热介质采用二元熔盐，二元熔盐具体为40％KNO3+60％NaNO3。
优选地，蒸汽发生系统包括预热器、第三蒸发器、再热器、过热器、汽包，高温的储热介质与给水热交换产生符合汽轮机运行要求的过热蒸汽和再热蒸汽；汽轮发电系统包括汽轮机、发电机、通风冷却塔和第二蒸发器，汽轮发电系统将热能转化为电能并为跨临界CO2循环系统提供电能，汽轮发电系统将多余电能送至电网。
优选地，汽轮机的排汽分为两路：一路至通风冷却塔冷却为凝结水，一路进入第二蒸发器为跨临界CO2循环系统提供热源。
光热发电系统的工作方式为：集热系统采用塔式集热器，主要由定日镜场和吸热器组成，将太阳能转化为热能；储热系统由储热介质、高温熔盐罐、低温熔盐罐、高温熔盐泵、低温熔盐泵等组成，储热介质采用二元熔盐(40％KNO3+60％NaNO3)，储热系统主要流程：低温熔盐通过低温熔盐泵输送到吸热器中，吸收热量变为高温熔盐后，进入高温熔盐罐中储存起来，完成熔盐吸热过程，高温熔盐从高温熔盐罐中由高温熔盐泵输送到换热系统，与汽、水进行换热后，温度降低变为低温熔盐，进入到低温熔盐罐储存，完成熔盐放热过程，进而完成熔盐系统循环；蒸汽发生系统包括预热器、蒸发器、再热器、过热器等，实现熔盐与汽、水之间的热交换，产生符合汽轮机运行要求的过热蒸汽、再热蒸汽；汽轮发电系统将热能转化为电能，可为跨临界CO2循环系统提供电能，并将多余电能送至电网，汽轮机排汽可分为两路，一路至通风冷却塔冷却为凝结水，一路进入第二蒸发器为跨临界CO2循环系统提供热源。
优选地，跨临界CO2循环系统使用的循环工质为CO2，压缩机具有压缩机入口和压缩机出口，工质由压缩机入口进入压缩机，工质在压缩机内被压缩为高温高压气体并由压缩机出口排出，由出口排出的高温高压气体进入高温气冷器冷却换热制取高温热水；高温热水温度可达95℃，满足小型工业和高温生活热水需求。在高温气冷器内冷却换热后的工质进入低温气冷器继续冷却换热制取低温热水，低温热水可满足采暖等用热需求。
优选地，回热器具有高温侧入口、高温侧出口、低温侧入口和低温侧出口，在低温气冷器内冷却换热后的工质由高温侧入口进入回热器内加热由低温侧入口进入的工质，在回热器内加热后的工质由低温侧出口流出并进入压缩机内，工质提高压缩机入口工质过热度，减少压缩机的功耗；由高温侧入口进入回热器内的工质由高温侧出口排出，由高温侧出口排出的工质进入膨胀阀节流，节流后的液态工质进入第一蒸发器并在第一蒸发器中吸热膨胀，在第一蒸发器中吸热膨胀的工质由第一蒸发器进入气液分离器，气态工质由气液分离器的气侧出口排出并由低温侧入口进入回热器内被加热，工质被加热后进入压缩机入口被压缩继续循环过程。
优选地，还包括冷用户，第一蒸发器将冷量传递给被冷却介质(水)，被冷却介质满足冷用户对冷量的需求。
优选地，第二蒸发器能够吸收汽轮机的乏汽凝结释放的潜热，达到余热回收利用的目的，提高能源利用率。
优选地，压缩机采用磁悬浮式离心压缩机，不需润滑油，降低了系统复杂性且高度清洁环保、安全。高温气冷器、低温气冷器、回热器、第一蒸发器和第二蒸发器均采用间壁式换热器。图1中未列出手动阀、温度传感器、压力传感器、过滤网等配件及配电、控制系统等。
跨临界CO2循环系统的工作方式为：循环工质为CO2，工质由压缩机入口进入压缩机，被压缩为高温高压气体由压缩机出口排出，进入高温气冷器冷却换热制取高温热水，高温热水温度可达95℃，满足小型工业和高温生活热水需求；高温气冷器出口工质进入低温气冷器继续冷却换热制取低温热水，低温热水可满足采暖等用热需求；低温气冷器出口工质再进入回热器高温侧加热压低温侧压缩机入口工质，工质提高压缩机入口工质过热度，减少压缩机的功耗；回热器高温侧出口工质进入膨胀阀节流，节流后的液态工质进入蒸发器，在蒸发器中吸热膨胀，该系统设置第一蒸发器和第二蒸发器，第一蒸发器将冷量传递给被冷却介质(水)满足空调系统等冷用户对冷量的需求，第二蒸发器可吸收乏汽凝结释放的潜热，达到余热回收利用的目的，提高能源利用率；蒸发器出口工质进入气液分离器，气态工质由气液分离器气侧出口进入回热器低温侧被加热后进入压缩机入口被压缩继续循环过程。
CO2是一种天然制冷剂，环保性好、不可燃、无毒、无腐蚀，其GWP仅为1。跨临界CO2循环系统既能提供冷源又能提供热源，且清洁环保对环境友好，冷热联供循环效率高，具有很高的应用价值。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
1.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，能量完全由太阳能提供，能够在不消耗任何化石能源的情况下实现冷热电三联供。2.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，光热发电系统自带储能，能够保证能源站系统能量的持续供应。3.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，工质采用绿色环保的二氧化碳，不仅无温室气体排放，还能消纳部分温室气体。4.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，设置了高温气冷器、低温气冷器和回热器，多级换热提高了能源利用率。5.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，设置了高温气冷器、低温气冷器，能够满足多种热水用户的需求。6.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，设置了回热器以提高压缩机入口工质过热度，可减少压缩机功耗。7.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，能够同时供热和供冷，较单一供热或供冷系统能够显著提升系统的制热能效比(COP)。8.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，采用磁悬浮式离心压缩机，不需润滑油，降低了系统复杂性且高度清洁环保、安全。9.该基于光热发电的清洁能源供应站系统，能够通过第二蒸发器回收汽轮机乏汽凝结释放的潜热，提高能源利用率。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光热发电的清洁能源供应站系统，其特征在于，包括：
光热发电系统和跨临界CO2循环系统，其中，
所述光热发电系统包括集热系统、储热系统、蒸汽发生系统和汽轮发电系统，
所述集热系统将太阳能转化为热能，所述热能由所述储热系统储存，所述蒸汽发生系统利用所述热能产生符合汽轮机运行要求的蒸汽，所述蒸汽供所述汽轮发电系统发电，
所述跨临界CO2循环系统包括压缩机、高温气冷器、低温气冷器、回热器、膨胀阀、第一蒸发器和气液分离器，
所述压缩机、所述高温气冷器、所述低温气冷器、所述回热器、所述膨胀阀、所述第一蒸发器、所述气液分离器、所述回热器和所述压缩机依次连通。
2.根据权利要求1所述的基于光热发电的清洁能源供应站系统，其特征在于，
所述集热系统包括定日镜场和吸热器，所述吸热器设置在所述定日镜场内，
所述储热系统包括储热介质、高温熔盐罐、低温熔盐罐、高温熔盐泵和低温熔盐泵，
低温的储热介质通过所述低温熔盐泵输送到所述吸热器中，储热介质在所述吸热器中吸收热量变为高温熔盐后进入所述高温熔盐罐中储存，
高温的储热介质从所述高温熔盐罐中由所述高温熔盐泵输送到所述蒸汽发生系统换热，换热后储热介质的温度降低变为低温的储热介质并进入到所述低温熔盐罐储存。
3.根据权利要求2所述的基于光热发电的清洁能源供应站系统，其特征在于，
所述储热介质采用二元熔盐，
所述二元熔盐具体为40％KNO3+60％NaNO3。
4.根据权利要求2所述的基于光热发电的清洁能源供应站系统，其特征在于，
所述蒸汽发生系统包括预热器、第三蒸发器、再热器、过热器、汽包，
高温的储热介质与给水热交换产生符合汽轮机运行要求的过热蒸汽和再热蒸汽；
汽轮发电系统包括汽轮机、发电机、通风冷却塔和第二蒸发器，
汽轮发电系统将热能转化为电能并为跨临界CO2循环系统提供电能，
汽轮发电系统将多余电能送至电网。
5.根据权利要求1所述的基于光热发电的清洁能源供应站系统，其特征在于，
所述汽轮机的排汽分为两路：一路至通风冷却塔冷却为凝结水，一路进入第二蒸发器为跨临界CO2循环系统提供热源。
6.根据权利要求1所述的基于光热发电的清洁能源供应站系统，其特征在于，
所述跨临界CO2循环系统使用的循环工质为CO2，所述压缩机具有压缩机入口和压缩机出口，
工质由所述压缩机入口进入所述压缩机，工质在所述压缩机内被压缩为高温高压气体并由所述压缩机出口排出，
由所述出口排出的高温高压气体进入所述高温气冷器冷却换热制取高温热水；
在所述高温气冷器内冷却换热后的工质进入所述低温气冷器继续冷却换热制取低温热水。
7.根据权利要求1所述的基于光热发电的清洁能源供应站系统，其特征在于，
回热器具有高温侧入口、高温侧出口、低温侧入口和低温侧出口，
在所述低温气冷器内冷却换热后的工质由所述高温侧入口进入所述回热器内加热由所述低温侧入口进入的工质，
在所述回热器内加热后的工质由所述低温侧出口流出并进入所述压缩机内；
由所述高温侧入口进入所述回热器内的工质由所述高温侧出口排出，
由所述高温侧出口排出的工质进入所述膨胀阀节流，节流后的液态工质进入所述第一蒸发器并在所述第一蒸发器中吸热膨胀，
在所述第一蒸发器中吸热膨胀的工质由所述第一蒸发器进入所述气液分离器，
气态工质由所述气液分离器的气侧出口排出并由所述低温侧入口进入所述回热器内被加热。
8.根据权利要求1所述的基于光热发电的清洁能源供应站系统，其特征在于，
还包括冷用户，所述第一蒸发器将冷量传递给被冷却介质，被冷却介质满足所述冷用户对冷量的需求。
9.根据权利要求1所述的基于光热发电的清洁能源供应站系统，其特征在于，
第二蒸发器能够吸收所述汽轮机的乏汽凝结释放的潜热。
10.根据权利要求1所述的基于光热发电的清洁能源供应站系统，其特征在于，
所述压缩机采用磁悬浮式离心压缩机，
所述高温气冷器、所述低温气冷器、所述回热器和所述第一蒸发器均采用间壁式换热器。
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