CN209179830U - 集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置，中间换热器碱金属侧进、出口分别连接以碱金属为工质的主换热器出口和碱金属热电转换器高温端进口，碱金属热电转换器高温端出口通过电磁泵连接主换热器进口；压缩机出口连接低温回热器低温侧进口和碱金属热电转换器低温端冷凝器进口，低温回热器低温侧出口与碱金属热电转换器低温端冷凝器出口汇合后与高温回热器低温侧进口连接，高温回热器低温侧出口与中间换热器二氧化碳侧进口连接，中间换热器二氧化碳侧出口连接透平进口，透平出口连接高温回热器、低温回热器、预冷器和压缩机；发电机连接透平。相比每个单独的发电系统，本实用新型集成系统的整体热效率显著提高。

Description

集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置

技术领域

本实用新型涉及一种集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置，属于热能发电技术领域。

背景技术

热能转换为电能是最常用的发电方式，包括采用动力机械的热力发电技术和无运动部件的直接热电转换技术。前者主要用于大功率的发电装置，例如：汽轮机组；后者主要用于小功率的发电装置，例如：温差发电装置。随着新型热能发电技术不断被开发，这一领域的创新空间也不断得到拓展。近一二十年来，对发电装置的要求越来越高，高效、紧凑、灵活、可靠的发电装置成为研发趋势。

近年来，新型的超临界二氧化碳循环成为研究热点，理论和试验均证实这一循环的热效率高，并且系统紧凑、动力机械体积小、制造成本较低。但是，临界二氧化碳循环中工质运行于高温高压参数，受制于高温材料的许用条件，目前最高700℃等级，所以效率提高的空间有限。与此同时，新型的直接热电转换技术——碱金属热电转换器也得到快速发展，碱金属热电转换器是以β″氧化铝固体电解质为选择性渗透膜，以液态或气态碱金属(如：钠)为循环工质的高效面积型热电能量直接转换装置，工质运行在常压附近，适用于温度为600～1000℃的热源。碱金属热电转换器无运动部件、无声、无需维护，但是，其冷凝器释放的热量温度品位高，效率损失严重。

从现有问题来看，单独的某种发电技术难以满足全方位的要求，如何集成不同技术，实现优势互补，从而充分发挥热电转换的潜力，是目前亟需解决的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置，以提高系统的热电转换效率。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是提供一种集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置，其特征在于：包括以碱金属为工质的主换热器和一侧以所述碱金属为工质、另一侧以二氧化碳为工质的中间换热器，主换热器出口连接中间换热器碱金属侧进口，中间换热器碱金属侧出口与碱金属热电转换器高温端进口连接，碱金属热电转换器低温端出口连接电磁泵进口，电磁泵出口连接主换热器进口；

压缩机出口分为两路，一路连接低温回热器低温侧进口，另一路与碱金属热电转换器低温端冷凝器进口连接；低温回热器低温侧出口与碱金属热电转换器低温端冷凝器出口汇合后与高温回热器低温侧进口连接，高温回热器低温侧出口连接中间换热器二氧化碳侧进口，中间换热器二氧化碳侧出口连接透平进口，透平出口连接高温回热器高温侧进口，高温回热器高温侧出口连接低温回热器高温侧进口，低温回热器高温侧出口连接预冷器进口，预冷器出口连接压缩机进口；发电机连接透平。

所述主换热器连接外部热源。

优选地，所述碱金属热电转换器高温端内设有β″氧化铝固体电解质，所述碱金属热电转换器低温端内设有冷凝器。

优选地，所述β″氧化铝固体电解质与外部用电负载连接。

优选地，所述碱金属热电转换器设有并联设置的多组。

优选地，所述发电机、透平、压缩机依次同轴相连。

优选地，所述主换热器可以设计成不同的结构以适应不同的热源形式，例如：聚光型太阳能集热器、外燃式加热炉或管壳式换热器。

上述的集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置使用时，步骤为：

由外部热源加热主换热器内的碱金属至气态，气态碱金属进入中间换热器将一部分热量传递给二氧化碳后，再进入碱金属热电转换器高温端，经碱金属热电转换器内的β″氧化铝固体电解质BASE降压并产生电能，然后被冷凝并将凝结热释放给二氧化碳侧，冷凝后的液态碱金属由电磁泵增压并传输回主换热器；

压缩机将二氧化碳工质增压，压缩机出口的二氧化碳工质分为两路，一路进入低温回热器，另一路进入碱金属热电转换器低温端的冷凝器吸收碱金属的凝结热，出来的两路二氧化碳工质汇合进入高温回热器，再进入中间换热器，经碱金属加热后二氧化碳工质升温，再进入透平膨胀做功，推动发电机产生电能，透平排气进入高温回热器和低温回热器将部分热量传递给二氧化碳工质后，再经预冷器冷却，最后返回到压缩机。

相比现有技术，本实用新型提供的集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置具有如下有益效果：

1、碱金属热电转换器释放的凝结热全部被超临界二氧化碳循环中的工质吸收，没有向环境释放而损失，所以，相比每个单独的发电系统，集成系统的整体热效率显著提高。

2、碱金属既是碱金属热电转换器的工质，也是超临界二氧化碳循环从外界获取热量的传热介质，碱金属在整个回路中的最高压力与大气压接近；主换热器受到材料许用限制小，中间换热器仅需要考虑二氧化碳侧压力边界的承压设计，碱金属在主换热器内为液-气转变，中间换热器内为气-液转变，均是高效的传热方式。

3、超临界二氧化碳循环结构紧凑，并且发电容量设计范围跨度大，与碱金属热电转换器既可组成小型紧凑的发电装置，也可组成中、大型的发电装置，满足不同的应用需求。

附图说明

图1为本实施例提供的集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置示意图；

附图标记说明：

1-主换热器，2-中间换热器，3-碱金属热电转换器，4-电磁泵，5-压缩机，6-低温回热器，7-高温回热器，8-透平，9-发电机，10-预冷器，31-β″氧化铝固体电解质，32-冷凝器。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。

图1为本实施例提供的集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置示意图，所述的集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置包括主换热器1、中间换热器2、碱金属热电转换器等。主换热器1内的工质为碱金属，本实施例中采用钠。中间换热器2内的工质一侧为钠、另一侧为二氧化碳。碱金属热电转换器3包括高温端和低温端，高温端内设有β″氧化铝固体电解质31，低温端内设有冷凝器32，β″氧化铝固体电解质的正负极31与外部用电负载连接。

主换热器1出口连接中间换热器2钠侧进口，中间换热器2钠侧出口分多路并联，且分别与多个并联的碱金属热电转换器3高温端进口连接，各碱金属热电转换器3低温端出口汇合后连接电磁泵4的进口，电磁泵4的出口连接主换热器1的进口。

压缩机5出口分为两路，一路连接低温回热器6低温侧的进口，另一路分为并联的多路分别与多个并联的碱金属热电转换器3的冷凝器32进口连接，低温回热器6低温侧的出口与各碱金属热电转换器3的冷凝器32出口汇合后与高温回热器7低温侧进口连接，高温回热器7低温侧出口连接中间换热器2二氧化碳侧进口连接，中间换热器2二氧化碳侧出口连接透平8进口，透平8出口连接高温回热器7高温侧进口，高温回热器7高温侧出口连接低温回热器高温侧进口，低温回热器高温侧出口连接预冷器10进口，预冷器10出口连接压缩机5进口。发电机9、透平8、压缩机5依次同轴相连。

主换热器1、碱金属热电转换器3和电磁泵4组成碱金属热电转换回路，压缩机5、低温回热器6、高温回热器7、透平8、发电机9、预冷器10和中间换热器2组成超临界二氧化碳循环回路。两个回路组成高效率的联合发电装置，并且既可组成小型紧凑的发电装置，也可组成中、大型的发电装置，满足不同的应用需求。

本实施例提供的集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置的各个设备之间通过管道连接，根据系统控制需要，管道上还可布置阀门、仪表等设备。系统中还可包括辅助设施、电气系统、控制系统等。

本实施例提供的集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置的具体实施步骤如下：

由外部热源加热主换热器1内的钠至气态，如：900℃/1atm，气态钠进入中间换热器2将一部分热量传递给超临界二氧化碳循环中的二氧化碳工质，再进入碱金属热电转换器3，钠经β″氧化铝固体电解质31后为低压气态并产生电能，然后经冷凝器32在220℃温度下冷凝，将凝结热释放给另一侧的二氧化碳，同时钠转变为液态，液态钠由电磁泵4增压并传输回主换热器1。

压缩机5将二氧化碳工质增压至高压，如：25MPa，在压缩机5出口，二氧化碳工质分为两路，一路进入低温回热器6，另一路再分为并联的多路，分别进入各碱金属热电转换器3中的冷凝器32吸收钠的凝结热至约200℃，从各冷凝器32出来再合并后与回热器6出来的二氧化碳工质一并进入高温回热器7，再进入中间换热器2，经高温钠加热后二氧化碳工质升温，例如：至600℃，再进入透平8膨胀做功，推动发电机9产生电能，透平8排气压力为7.5MPa左右，进入高温回热器7和低温回热器6将部分热量传递给压缩机5输出的一路二氧化碳工质，再经预冷器10冷却，如：约25℃，然后返回到压缩机5。

由上述参数可估算得到，集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置的热效率可达50％以上，并且可通过优化碱金属热电转换器(如：减少散热损失)和超临界二氧化碳循环(如：压缩机中间冷却、透平多级再热)，进一步提高热效率。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本实用新型的等效实施例；同时，凡依据本实用新型的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本实用新型的技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置，其特征在于：包括以碱金属为工质的主换热器(1)和一侧以所述碱金属为工质、另一侧以二氧化碳为工质的中间换热器(2)，主换热器(1)出口连接中间换热器(2)碱金属侧进口，中间换热器(2)碱金属侧出口与碱金属热电转换器(3)高温端进口连接，碱金属热电转换器(3)高温端出口连接电磁泵(4)进口，电磁泵(4)出口连接主换热器(1)进口；

压缩机(5)出口分为两路，一路连接低温回热器(6)低温侧进口，另一路与碱金属热电转换器(3)低温端冷凝器(32)进口连接；低温回热器(6)低温侧出口与碱金属热电转换器(3)低温端冷凝器(32)出口汇合后与高温回热器(7)低温侧进口连接，高温回热器(7)低温侧出口连接中间换热器(2)二氧化碳侧进口，中间换热器(2)二氧化碳侧出口连接透平(8)进口，透平(8)出口连接高温回热器(7)高温侧进口，高温回热器(7)高温侧出口连接低温回热器(6)高温侧进口，低温回热器(6)高温侧出口连接预冷器(10)进口，预冷器(10)出口连接压缩机(5)进口；发电机(9)连接透平(8)。

2.如权利要求1所述的一种集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置，其特征在于：所述主换热器(1)连接外部热源。

3.如权利要求1所述的一种集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置，其特征在于：所述碱金属热电转换器(3)高温端内设有β″氧化铝固体电解质(31)，所述碱金属热电转换器(3)低温端内设有冷凝器(32)。

4.如权利要求3所述的一种集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置，其特征在于：所述β″氧化铝固体电解质(31)与电源连接。

5.如权利要求1或3所述的一种集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置，其特征在于：所述碱金属热电转换器(3)设有并联设置的多组。

6.如权利要求1所述的一种集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置，其特征在于：所述发电机(9)、透平(8)、压缩机(5)依次同轴相连。

7.如权利要求1所述的一种集成碱金属热电转换器与二氧化碳循环的发电装置，其特征在于：所述主换热器(1)为聚光型太阳能集热器、外燃式加热炉或管壳式换热器。