CN116517645A - 太阳能和燃料电池驱动超临界co2循环系统及运行方法 - Google Patents
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Abstract
太阳能和燃料电池驱动超临界CO2循环系统及运行方法属于发电系统及运行技术领域。本发明采用塔式太阳能集热系统和燃料电池作为互补能源驱动超临界CO2循环，在太阳能光照充足时采用塔式太阳能集热系统作为超临界CO2循环发电，当太阳直接辐射强度不足并且储热罐高度低于释能允许的最小高度时，通过切换燃料电池作为驱动热源，解决了太阳能光热系统间歇性运行的问题，保证集成系统连续稳定的工作。燃料电池能够不受环境的影响持续输出热能，并且在太阳能光照不足以及储热罐高度不够的情况下作为互补热源保证系统稳定运行，提高了系统的运行可靠性。
Description
技术领域
本发明属于发电系统及运行技术领域，特别是涉及到一种太阳能和燃料电池驱动超临界CO2循环系统及运行方法。
背景技术
为了减少对化石能源的依赖，以太阳能为主的可再生能源得到了大力的发展。与蒸汽朗肯循环相比，超临界CO2循环具有效率高和成本低的优势，因此太阳能与超临界CO2循环的集成系统得到了广泛的关注。由于太阳能的间歇性，太阳能光热发电系统的运行也不稳定，同时定日镜场占地面积较大，导致系统投资成本高。
燃料电池以甲烷作为燃料，阳极通入反应燃料阴极通入空气，通过电化学反应将燃料化学能转化为电能。但是燃料电池的工作温度在600℃～700℃，为了防止电池过热通常通入过量的空气带走反应产生的热量，因此导致排气余热的大量损失。
目前尚未有太阳能和燃料电池互补驱动超临界CO2循环发电系统及运行策略的文献报道和实际应用。目前已知申请号为201910085669.8，发明名称为集成燃料电池与超临界二氧化碳太阳能热发电的供能系统及方法的发明专利，采用了聚光太阳能集热系统和固体氧化物燃料电池分别作为超临界CO2循环的低温和高温热源，该专利采用的不是太阳能和燃料电池互补驱动的运行方式。而且由于太阳能具有间歇性，聚光集热系统会随太阳能光照的强度不同而改变输出热量，因此系统的运行稳定性较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种太阳能和燃料电池互补驱动超临界CO2循环发电系统及运行方法用于解决目前尚未有太阳能和燃料电池互补驱动超临界CO2循环发电系统及运行策略的文献报道和实际应用的技术问题。
太阳能和燃料电池驱动超临界CO2循环系统，包括太阳能塔式集热系统、熔融盐储热系统、燃料电池系统和超临界CO2循环系统，所述太阳能塔式集热系统包括定日镜场和集热器，太阳能塔式集热系统还包括直射辐射数据DIN检测装置；所述熔融盐储热系统包括热罐、冷罐、熔融盐加热器、第一阀门和第二阀门；所述燃料电池系统包括燃料电池、第一换热器、第二换热器、压气机、重整器、第三阀门、第四阀门和第五阀门；所述超临界CO2循环系统包括透平、高温回热器、低温回热器、预冷器、主压缩机和再压缩机；
所述定日镜场与集热器的热流入口连接；所述集热器的出口通过第一阀门与热罐的入口连接；所述热罐的出口与熔融盐加热器的热流入口连接；所述熔融盐加热器的热流出口通过第二阀门与冷罐的入口连接，熔融盐加热器的冷流出口与透平的入口连接；所述冷罐的出口与集热器的冷流入口相连；所述透平的出口与高温回热器的热流入口连接；所述高温回热器的热流出口与低温回热器的热流入口连接，高温回热器的冷流出口与熔融盐加热器的冷流入口连接；所述低温回热器的热流出口侧分为两个热流出口，其中一个热流出口与预冷器的热流入口连接，另一个热流出口与再压缩机的入口连接，低温回热器的冷流出口与再压缩机的出口连接后再与高温回热器的冷流入口连接；所述预冷器的热流出口与主压缩机的入口连接；所述主压缩机的出口与低温回热器的冷流入口连接；所述压气机的入口处设置有第五阀门，空气通过第五阀门进入压气机的入口，压气机的出口与第一换热器的冷流入口连接；所述第一换热器的冷流出口与燃料电池的阴极入口连接；所述燃料电池的阴极出口与第一换热器的热流入口连接，燃料电池的阳极出口与熔融盐加热器的热流入口连接；所述第一换热器的热流出口与第二换热器的热流入口连接；所述第二换热器的冷流入口与重整器的出口连接，第二换热器的冷流出口与燃料电池的阳极入口连接；所述重整器的第一入口处设置有第三阀门，燃料通过第三阀门进入重整器的第一入口，重整器的第二入口处设置有第四阀门，H2O通过第四阀门进入重整器的第二入口；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN小于设定的阈值时，第一阀门开启，第二阀门关闭，利用热罐中储存的高温熔融盐为超临界CO2循环系统提供发电所需的能量；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN小于设定的阈值且热罐中熔融盐的高度小于释能允许的最小高度时，第一阀门和第二阀门关闭，第三阀门、第四阀门和第五阀门开启，启动燃料电池作为超临界CO2循环系统的热源；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN大于或等于设定的阈值时，第三阀门、第四阀门和第五阀门关闭，第一阀门和第二阀门开启，集热器从定日镜场吸收的太阳辐射能维持超临界CO2循环系统的运行外，剩余的能量用于加热热罐中的熔融盐，从而将能量储存在热罐中；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN大于或等于设定的阈值且热罐达到设定的最高温度时，第三阀门、第四阀门和第五阀门关闭，保持流出第二阀门的流量与流出第一阀门的流量相等，此时热罐中的熔融盐不吸收多余的能量，保持熔融盐储热系统中流入和流出热罐的工质质量流量相等。
所述燃料电池为熔融碳酸盐燃料电池。
太阳能和燃料电池驱动超临界CO2循环系统的运行方法，利用所述的太阳能和燃料电池驱动超临界CO2循环系统，所述超临界CO2循环系统在运行的过程中输出的净功率保持不变，且同一时刻所述太阳能塔式集热系统与所述燃料电池系统不同时运行，具体包括：
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN小于设定的阈值时，第一阀门开启，第二阀门关闭，利用热罐中储存的高温熔融盐为超临界CO2循环系统提供发电所需的能量；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN小于设定的阈值且热罐中熔融盐的高度小于释能允许的最小高度时，第一阀门和第二阀门关闭，第三阀门、第四阀门和第五阀门开启，启动燃料电池作为超临界CO2循环系统的热源；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN大于或等于设定的阈值时，第三阀门、第四阀门和第五阀门关闭，第一阀门和第二阀门开启，集热器从定日镜场吸收的太阳辐射能维持超临界CO2循环系统的运行外，剩余的能量用于加热热罐中的熔融盐，从而将能量储存在热罐中；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN大于或等于设定的阈值且热罐达到设定的最高温度时，第三阀门、第四阀门和第五阀门关闭，保持流出第二阀门的流量与流出第一阀门的流量相等，此时热罐中的熔融盐不吸收多余的能量，保持熔融盐储热系统中流入和流出热罐的工质质量流量相等。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：
1、本发明采用塔式太阳能集热系统和燃料电池作为互补能源驱动超临界CO2循环，在太阳能光照充足时采用塔式太阳能集热系统作为超临界CO2循环发电，当太阳直接辐射强度不足并且储热罐高度低于释能允许的最小高度时，通过切换燃料电池作为驱动热源，解决了太阳能光热系统间歇性运行的问题，保证集成系统连续稳定的工作。燃料电池能够不受环境的影响持续输出热能，并且在太阳能光照不足以及储热罐高度不够的情况下作为互补热源保证系统稳定运行，提高了系统的运行可靠性。
2、采用太阳能和燃料电池互补系统作为热源减少了集热和储热系统的运行时间，可以减少定日镜场的面积以及储热罐的容积，进而降低系统投资成本；
3、集成太阳能与其他形式热源可以减少化石燃料的消耗同时充分利用太阳能资源。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明太阳能和燃料电池驱动超临界CO2循环系统及运行方法中系统的结构示意图。
图中，1、定日镜场，2、集热器，3、热罐，4、冷罐，5、熔融盐加热器，6、透平，7、高温回热器，8、低温回热器，9、预冷器，10、主压缩机，11、再压缩机，12、燃料电池，13、第一换热器，14、第二换热器，15、压气机，16、重整器，17、第一阀门，18、第二阀门，19、第三阀门，20、第四阀门，21、第五阀门。
具体实施方式
参照图1，本发明的太阳能和燃料电池驱动超临界CO2循环系统，包括太阳能塔式集热系统、熔融盐储热系统、燃料电池系统和超临界CO2循环系统。所述太阳能塔式集热系统包括定日镜场1和集热器2，太阳能塔式集热系统还包括直射辐射数据DIN检测装置；所述熔融盐储热系统包括热罐3、冷罐4、熔融盐加热器5、第一阀门17和第二阀门18；所述燃料电池系统包括燃料电池12、第一换热器13、第二换热器14、压气机15、重整器16、第三阀门19、第四阀门20和第五阀门21；所述超临界CO2循环系统包括透平6、高温回热器7、低温回热器8、预冷器9、主压缩机10和再压缩机11；
所述定日镜场1与集热器2的热流入口连接；所述集热器2的出口通过第一阀门17与热罐3的入口连接；所述热罐3的出口与熔融盐加热器5的热流入口连接；所述熔融盐加热器5的热流出口通过第二阀门18与冷罐4的入口连接，熔融盐加热器5的冷流出口与透平6的入口连接；所述冷罐4的出口与集热器2的冷流入口相连；所述透平6的出口与高温回热器7的热流入口连接；所述高温回热器7的热流出口与低温回热器8的热流入口连接，高温回热器7的冷流出口与熔融盐加热器5的冷流入口连接；所述低温回热器8的热流出口侧分为两个热流出口，其中一个热流出口与预冷器9的热流入口连接，另一个热流出口与再压缩机11的入口连接，低温回热器8的冷流出口与再压缩机11的出口连接后再与高温回热器7的冷流入口连接；所述预冷器9的热流出口与主压缩机10的入口连接；所述主压缩机10的出口与低温回热器8的冷流入口连接；所述压气机15的入口处设置有第五阀门21，空气通过第五阀门21进入压气机15的入口，压气机15的出口与第一换热器13的冷流入口连接；所述第一换热器13的冷流出口与燃料电池12的阴极入口连接；所述燃料电池12的阴极出口与第一换热器13的热流入口连接，燃料电池12的阳极出口与熔融盐加热器5的热流入口连接；所述第一换热器13的热流出口与第二换热器14的热流入口连接；所述第二换热器14的冷流入口与重整器16的出口连接，第二换热器14的冷流出口与燃料电池12的阳极入口连接；所述重整器16的第一入口处设置有第三阀门19，燃料通过第三阀门19进入重整器16的第一入口，重整器16的第二入口处设置有第四阀门20，H2O通过第四阀门20进入重整器16的第二入口。
太阳能和燃料电池驱动超临界CO2循环系统的工作流程为：
太阳能塔式集热系统驱动超临界CO2循环系统：定日镜场1将太阳辐射能集中到集热器2，熔融盐从集热器2中吸热后流入热罐3中，热罐3中流出的热的熔融盐，进入熔融盐加热器5加热CO2。CO2从熔融盐加热器5中吸热后进入透平6做功，从透平6出来的CO2进入高温回热器7和低温回热器8放热，从低温回热器8出来的CO2分为两个部分，一部分进入预冷器9再进入主压缩机10升压，另一部分直接进入再压缩机升压，从主压缩机10出来的CO2进入低温回热器8与再压缩机11出来的CO2汇合，经过高温回热器7回到熔融盐加热器5完成超临界CO2循环。
燃料电池系统驱动超临界CO2循环系统：空气在压气机15升压后进入第一换热器13中预热，在第一换热器13中升温后进入燃料电池12的阴极。燃料可以使用甲烷，甲烷和水H2O在重整器16中发生重整反应生成合成气，在第二换热器14中预热后进入燃料电池12的阳极。在燃料电池12中发生电化学反应，将燃料的化学能转化为电能。阳极的排气进入熔融盐加热器15用于加热CO2驱动超临界CO2循环发电。
太阳能和燃料电池互补运行策略：
运行的过程中，系统输出的净功率保持不变，且同一时刻太阳能集热系统和燃料电池系统不同时运行；
当太阳能塔式集热系统检测到直射辐射数据DIN不足时，第一阀门17开启，第二阀门18关闭，利用热罐3中储存的高温熔融盐为超临界CO2循环提供发电所需的能量，保障了系统的连续稳定运行；
当太阳能塔式集热系统检测到DNI不足且热罐3中熔融盐的高度小于释能允许的最小高度时，为了保证超临界CO2循环的正常运行，第一阀门17和第二阀门18关闭，第三阀门19、第四阀门20和第五阀门21开启，启动燃料电池12作为发电系统的热源；
当太阳能塔式集热系统检测到DNI充足时，第三阀门19、第四阀门20和第五阀门21关闭，第一阀门17和第二阀门18开启，太阳能集热器2从定日镜场1吸收的太阳辐射能足以维持超临界CO2循环的运行，剩余的能量用于加热熔融盐储存在热罐3中；
当太阳能塔式集热系统检测到DNI充足且储罐高度达到最高温度时，第三阀门19、第四阀门20和第五阀门21关闭，控制流出第二阀门18的流量与流出第一阀门17的流量相等，此时熔融盐不吸收多余的能量，保持储热系统中流入和流出热罐3的工质质量流量相等。
进一步，第一换热器13和第二换热器14的热流来自于燃料电池12的阴极出口排气。
进一步，燃料电池类型选择为熔融碳酸盐燃料电池。
本发明通过太阳能和燃料电池互补驱动超临界CO2循环发电系统，当DNI充足时采用太阳能作为热源，并采用了熔融盐储热系统将多余的热量储存起来。当DNI不足时，控制第一阀门17开启，第二阀门18关闭，利用热罐3中储存的热的熔融盐加热CO2。当熔融盐不足时，第一阀门17和第二阀门18关闭，第三阀门19、第四阀门20和第五阀门21开启，启动燃料电池12作为热源，保障了系统连续稳定运行。当DNI满足太阳能集热系统运行条件时，第三阀门19、第四阀门20和第五阀门21关闭，第一阀门17和第二阀门18开启，将热源切换为太阳能。通过太阳能和燃料电池12互补热源的切换充分利用了太阳能资源同时也充分利用了燃料电池的余热，提高了系统的循环效率和能量利用率。同时燃料电池12作为互补能源减少了太阳能系统的工作时间，减少了定日镜场1的面积以及热罐3的体积，降低了系统的投资成本。
以50MW超临界CO2发电厂为例，集成燃料电池系统后燃料电池工作时间占全年运行时间的23.5％，太阳能集热系统工作时间减少1880小时，因此定日镜场面积减少108237m2。相比于聚光太阳能发电系统，太阳能和燃料电池互补驱动的超临界CO2发电系统LCOE降低了0.069元/kWh，投资回收期约为5.2年。
以上具体实施方案仅限于本发明的技术方案而非穷举，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不经过创造性劳动的复制和改进均属于本发明权利保护的范围。
Claims (3)
1.太阳能和燃料电池驱动超临界CO2循环系统，其特征是：包括太阳能塔式集热系统、熔融盐储热系统、燃料电池系统和超临界CO2循环系统，所述太阳能塔式集热系统包括定日镜场(1)和集热器(2)，太阳能塔式集热系统还包括直射辐射数据DIN检测装置；所述熔融盐储热系统包括热罐(3)、冷罐(4)、熔融盐加热器(5)、第一阀门(17)和第二阀门(18)；所述燃料电池系统包括燃料电池(12)、第一换热器(13)、第二换热器(14)、压气机(15)、重整器(16)、第三阀门(19)、第四阀门(20)和第五阀门(21)；所述超临界CO2循环系统包括透平(6)、高温回热器(7)、低温回热器(8)、预冷器(9)、主压缩机(10)和再压缩机(11)；
所述定日镜场(1)与集热器(2)的热流入口连接；所述集热器(2)的出口通过第一阀门(17)与热罐(3)的入口连接；所述热罐(3)的出口与熔融盐加热器(5)的热流入口连接；所述熔融盐加热器(5)的热流出口通过第二阀门(18)与冷罐(4)的入口连接，熔融盐加热器(5)的冷流出口与透平(6)的入口连接；所述冷罐(4)的出口与集热器(2)的冷流入口相连；所述透平(6)的出口与高温回热器(7)的热流入口连接；所述高温回热器(7)的热流出口与低温回热器(8)的热流入口连接，高温回热器(7)的冷流出口与熔融盐加热器(5)的冷流入口连接；所述低温回热器(8)的热流出口侧分为两个热流出口，其中一个热流出口与预冷器(9)的热流入口连接，另一个热流出口与再压缩机(11)的入口连接，低温回热器(8)的冷流出口与再压缩机(11)的出口连接后再与高温回热器(7)的冷流入口连接；所述预冷器(9)的热流出口与主压缩机(10)的入口连接；所述主压缩机(10)的出口与低温回热器(8)的冷流入口连接；所述压气机(15)的入口处设置有第五阀门(21)，空气通过第五阀门(21)进入压气机(15)的入口，压气机(15)的出口与第一换热器(13)的冷流入口连接；所述第一换热器(13)的冷流出口与燃料电池(12)的阴极入口连接；所述燃料电池(12)的阴极出口与第一换热器(13)的热流入口连接，燃料电池(12)的阳极出口与熔融盐加热器(5)的热流入口连接；所述第一换热器(13)的热流出口与第二换热器(14)的热流入口连接；所述第二换热器(14)的冷流入口与重整器(16)的出口连接，第二换热器(14)的冷流出口与燃料电池(12)的阳极入口连接；所述重整器(16)的第一入口处设置有第三阀门(19)，燃料通过第三阀门(19)进入重整器(16)的第一入口，重整器(16)的第二入口处设置有第四阀门(20)，H2O通过第四阀门(20)进入重整器(16)的第二入口；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN小于设定的阈值时，第一阀门(17)开启，第二阀门(18)关闭，利用热罐(3)中储存的高温熔融盐为超临界CO2循环系统提供发电所需的能量；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN小于设定的阈值且热罐(3)中熔融盐的高度小于释能允许的最小高度时，第一阀门(17)和第二阀门(18)关闭，第三阀门(19)、第四阀门(20)和第五阀门(21)开启，启动燃料电池(12)作为超临界CO2循环系统的热源；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN大于或等于设定的阈值时，第三阀门(19)、第四阀门(20)和第五阀门(21)关闭，第一阀门(17)和第二阀门(18)开启，集热器(2)从定日镜场(1)吸收的太阳辐射能维持超临界CO2循环系统的运行外，剩余的能量用于加热热罐(3)中的熔融盐，从而将能量储存在热罐(3)中；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN大于或等于设定的阈值且热罐(3)达到设定的最高温度时，第三阀门(19)、第四阀门(20)和第五阀门(21)关闭，保持流出第二阀门(18)的流量与流出第一阀门(17)的流量相等，此时热罐(3)中的熔融盐不吸收多余的能量，保持熔融盐储热系统中流入和流出热罐(3)的工质质量流量相等。
2.根据权利要求1所述的太阳能和燃料电池驱动超临界CO2循环系统，其特征是：所述燃料电池(12)为熔融碳酸盐燃料电池。
3.太阳能和燃料电池驱动超临界CO2循环系统的运行方法，利用权利要求1所述的太阳能和燃料电池驱动超临界CO2循环系统，其特征是：所述超临界CO2循环系统在运行的过程中输出的净功率保持不变，且同一时刻所述太阳能塔式集热系统与所述燃料电池系统不同时运行，具体包括：
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN小于设定的阈值时，第一阀门(17)开启，第二阀门(18)关闭，利用热罐(3)中储存的高温熔融盐为超临界CO2循环系统提供发电所需的能量；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN小于设定的阈值且热罐(3)中熔融盐的高度小于释能允许的最小高度时，第一阀门(17)和第二阀门(18)关闭，第三阀门(19)、第四阀门(20)和第五阀门(21)开启，启动燃料电池(12)作为超临界CO2循环系统的热源；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN大于或等于设定的阈值时，第三阀门(19)、第四阀门(20)和第五阀门(21)关闭，第一阀门(17)和第二阀门(18)开启，集热器(2)从定日镜场(1)吸收的太阳辐射能维持超临界CO2循环系统的运行外，剩余的能量用于加热热罐(3)中的熔融盐，从而将能量储存在热罐(3)中；
当直射辐射数据DIN检测装置检测到直射辐射数据DIN大于或等于设定的阈值且热罐(3)达到设定的最高温度时，第三阀门(19)、第四阀门(20)和第五阀门(21)关闭，保持流出第二阀门(18)的流量与流出第一阀门(17)的流量相等，此时热罐(3)中的熔融盐不吸收多余的能量，保持熔融盐储热系统中流入和流出热罐(3)的工质质量流量相等。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310473248.9A CN116517645A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 太阳能和燃料电池驱动超临界co2循环系统及运行方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310473248.9A CN116517645A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 太阳能和燃料电池驱动超临界co2循环系统及运行方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116517645A true CN116517645A (zh) | 2023-08-01 |
Family
ID=87405980
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310473248.9A Pending CN116517645A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 太阳能和燃料电池驱动超临界co2循环系统及运行方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116517645A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117703554A (zh) * | 2024-01-16 | 2024-03-15 | 山东大学 | 一种核电站运行中的综合能源利用系统及其应用 |
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2023
- 2023-04-28 CN CN202310473248.9A patent/CN116517645A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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