CN212202368U

CN212202368U - 基于布雷顿循环的太阳能发电系统

Info

Publication number: CN212202368U
Application number: CN202020596158.0U
Authority: CN
Inventors: 肖刚; 杨嘉敏; 倪东
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2030-04-20

Abstract

本实用新型提供了一种基于布雷顿循环的太阳能发电系统,包括压缩机，用于压缩流体工质；回热器，与压缩机相连接，用于对经压缩机压缩的流体工质进行预热；吸热器，与回热器相连接，用于对经回热器预热的流体工质通过太阳辐射进行加热；聚光系统，设置有对应于吸热器的反射镜面，并能够将太阳辐射反射至吸热器；透平，能够利用经吸热器加热的流体工质的热能输出机械功；以及发电机，用于将机械功转换为交流电力，该系统将太阳能转化成热能以用于加热流体工质，从而替代或补充采用燃气轮机系统进行发电时燃烧室的功能，避免或减少天然气、液化石油气等化石能源的使用，提高清洁可再生能源的发电利用率，减少二氧化碳和氮氧化物的排放。

Description

基于布雷顿循环的太阳能发电系统

技术领域

本实用新型涉及能源技术领域，特别涉及一种基于布雷顿循环的太阳能发电系统。

背景技术

为了减轻化石能源带来的环境污染压力，目前国内外正大力发展以太阳能、风能为代表的清洁可再生能源。其中，光热发电可以通过物理或化学方法进行低成本储热(包括显热储热、潜热储热和热化学储热)，具有发电品质高、对电网友好的优点。

现有技术中，基于太阳能驱动为主的发电系统，通常难以利用传统燃料燃烧的快速响应和调节系统工况的能力来实现系统控制，这导致了其集热和储热部件的响应速率较慢，不足以应对入射太阳辐射突变或者系统负荷突变的情况，进而导致电功率输出不稳定。

因此，有必要对现有发电系统加以改进。

实用新型内容

本实用新型是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够利用清洁可再生能源的发电系统，进一步的，其目的在于提供一种响应速率快和系统稳定性高的太阳能发电系统。

本实用新型提供了一种基于布雷顿循环的太阳能发电系统，包括：压缩机，用于压缩流体工质；回热器，与压缩机相连接，用于对经压缩机压缩的流体工质进行预热；吸热器，与回热器相连接，用于对经回热器预热的流体工质通过太阳辐射进行加热；聚光系统，设置有对应于吸热器的反射镜面，并能够将太阳辐射反射至吸热器；透平，能够利用经吸热器加热的流体工质的热能输出机械功；以及发电机，用于将机械功转换为交流电力。

在该技术方案中，通过能够利用太阳能的吸热器以及聚光系统的配合设置：通过聚光系统收集太阳辐射，并将太阳辐射反射至吸热器，吸热器将太阳辐热的太阳能转化成热能以用于加热流体工质，从而替代或补充采用燃气轮机系统进行发电时燃烧室的功能，避免或减少天然气、液化石油气等化石能源的使用，提高清洁可再生能源的发电利用率，减少二氧化碳和氮氧化物的排放。

在本实用新型的较优技术方案中，还包括：储热模块，与吸热器和透平相连接，并能够储存经吸热器加热的流体工质的热能并选择性地将储存的热能传递至透平。

在该技术方案中，采用储热模块来储存和释放热量，有效解决太阳辐射强度与用户用电需求在时间尺度上不匹配的问题，对于太阳能富余的情况，可减少能量浪费；对于太阳能匮乏的情况，可保证电力输出，延长发电时间；另外，在恶劣的天气条件下，其热惯性可降低太阳辐射波动对系统运行工况的影响。

在本实用新型的较优技术方案中，还包括：变频器，与发电机相连接，并能够调节发电机的输出电功率。

在该技术方案中，变频器的设置，能够使得发电机的输出电功率在透平输出的机械功产生波动时保持在预定的工况内。

在本实用新型的较优技术方案中，回热器具有热端流路和冷端流路，位于热端流路的流体工质用于预热位于冷端流路的流体工质，冷端流路的出口和吸热器的出口分别与透平的入口相连接，且分别连接于回热器的冷端流路的出口与透平的入口之间以及吸热器的出口与透平的入口之间的管路上设置有用于控制流体工质流量的控制阀。

在该技术方案中，通过对控制阀的开闭与开度大小的调节，能够控制透平的入口的温度，以保证透平正常运行。

在本实用新型的较优技术方案中，还包括比例-积分-微分控制器，能够根据实际工况和预定工况的差异控制控制阀和/或变频器的运行。

在该技术方案中，使用比例-积分-微分控制器对基于布雷顿循环的太阳能发电系统的多元参数的联合控制，其具有算法简单、鲁棒性强、可靠性高的优点，能够有效保障系统安全稳定运行。不仅有效抵抗太阳辐射波动的干扰，而且能够保障系统各个部件在设计点上稳定运行，从而向电网提供高质量的电力。

在本实用新型的较优技术方案中，吸热器为管式吸热器、容积式吸热器以及颗粒吸热器中的其中一种；压缩机为轴流式压缩机或离心式压缩机；透平为轴流式透平或径流式透平；回热器为顺流式回热器、逆流式回热器以及叉流式回热器中的其中一种。

在本实用新型的较优技术方案中，储热模块具有储热介质，储热介质为显热储热介质、相变潜热储热介质和热化学储热介质中的其中一种。

附图说明

图1是本实用新型的实施方式所提供的基于布雷顿循环的太阳能发电系统的结构示意图；

图2是本实用新型的实施方式所提供的基于布雷顿循环的太阳能发电系统的控制方法的流程示意图；

图3是本实用新型的实施方式所提供的基于布雷顿循环的太阳能发电系统的运行流程图；

图4是图1所示的基于布雷顿循环的太阳能发电系统的透平的入口的温度调节方法示意图。

附图标记说明

1-压缩机；2-回热器；3-吸热器；4-聚光系统，41-反射镜面；5- 透平；6-发电机；7-储热模块；81-第一管路，82-第二管路，83-第三管路；91-第一控制阀，92-第二控制阀，93-第三控制阀；10-变频器； 11-电网。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本申请进一步的详细说明。附图中示意性地简化示出了基于布雷顿循环的太阳能发电系统的结构示意图。

如图1所示，本实施方式提供的一种基于布雷顿循环的太阳能发电系统，主要包括：压缩机1，用于压缩流体工质；回热器2，与压缩机1相连接，用于对经压缩机1压缩的流体工质进行预热；吸热器3，与回热器2相连接，用于对经回热器2预热的流体工质通过太阳辐射进行加热；聚光系统4，设置有对应于吸热器3的反射镜面41，并能够将太阳辐射反射至吸热器3；透平5，与回热器2及吸热器3相连接，能够利用经吸热器3加热和/或经回热器2预热的流体工质的热能输出机械功；以及发电机6，用于将机械功转换为交流电力，并向电网11输出。

具体地，吸热器3上设置有与反射镜面41相对的吸热单元(未图示)，以用于对流经吸热器3的流体工质进行加热。

本实施方式中，采用能够利用太阳能的吸热器3来加热流体工质，从而替代或补充采用燃气轮机系统进行发电时燃烧室的功能，避免或减少天然气、液化石油气等化石能源的使用，提高清洁可再生能源的发电利用率，减少二氧化碳和氮氧化物的排放。

需要说明的是，其中，流体工质为空气、燃气以及超临界二氧化碳的其中一种。

其中，压缩机1为轴流式压缩机或离心式压缩机。

其中，回热器2为顺流式回热器、逆流式回热器以及叉流式回热器中的其中一种，其中，回热器2具有热端流路与冷端流路两条流路，热端流路的流体工质为透平排出的乏气，用于预热冷端流路的流体工质。

其中，吸热器3为管式吸热器、容积式吸热器以及颗粒吸热器中的其中一种。

其中，透平5为轴流式透平或径流式透平。

作为优选，本实施方式中，基于布雷顿循环的太阳能发电系统还包括储热模块7，储热模块7与吸热器3和透平5相连接，并能够储存经吸热器3加热的流体工质的热能并选择性地将储存的热能传递至透平5，设置储热模块7主要出于两方面考虑，一方面，透平5的流体工质入口的温度不能过高，否则可能导致透平5的损坏；另一方面，当流体工质的温度较高时，其热能也相应较大，若不将该能量及时存储，会导致能源的浪费，具体地，本实施方式中的储热模块7内存储有储热介质，流体工质与储热介质进行热交换，以将热能存储在储热模块7 内，其中，储热介质为显热储热介质、相变潜热储热介质和热化学储热介质中的其中一种，具体地，本实施方式中，储热介质可以选用氧化钴等金属氧化物。

本实施方式中，采用储热模块7来储存和释放热量，有效解决太阳辐射强度与用户用电需求在时间尺度上不匹配的问题，对于太阳能富余的情况，可减少能量浪费；对于太阳能匮乏的情况，可保证电力输出，延长发电时间；另外，在恶劣的天气条件下，其热惯性可降低太阳辐射波动对系统运行工况的影响。

作为优选，回热器2的冷端流路的出口和吸热器3的出口分别与透平5的入口相连接，且连接于回热器2的冷端流路的出口与透平5 的入口之间以及吸热器3的出口与透平5的入口之间的管路上设置有用于控制流体工质流量的控制阀，其中，连接于回热器2的冷端流路的出口与透平5的入口之间的第一管路81上的控制阀为第一控制阀 91，连接于吸热器3的出口与透平5的入口之间的第二管路82上的控制阀9为第二控制阀92。

作为优选，吸热器3的进口与第二管路82之间还连接有第三管路 83，第三管路83上设置有第三控制阀93。

作为优选，透平5还具有排气口，用于排出做功后产生的乏气，该排气口与回热器2的热端流路的入口相连接，并最终将乏气经回热器的热端流路的出口排出。

由于太阳辐射所带来的能量和太阳光的强度正相关，因此，当太阳光强度较弱时(例如阴天时)，若将流体工质引入吸热器3，不仅不会起到加热流体工质的作用，还会对流体工质的热能造成损耗，此时，可以选择关闭第二控制阀92，打开第三控制阀93，利用经回热器2预热和储热模块7加热的流体工质的热能。当太阳光强度较强时，例如正午时间，可以选择关闭第三控制阀93，利用经吸热器3加热的流体工质的热能。

作为优选，第一控制阀91与第二控制阀92也可以通过阀门的开度大小以更为精准地控制流体工质的温度。

本实施方式中，解决了储热过程中储热温度的设计值与透平5的进口处的流体工质温度的设计值不匹配的问题，在确保透平5的进口处流体工质温度不超标的前提下，提高储热模块进口温度，增大储热量，从而提升能量利用率。

作为优选，基于布雷顿循环的太阳能发电系统还包括变频器10，变频器10与发电机6相连接，并能够调节发电机6的输出电功率。

变频器10的设置，能够使得发电机6的输出电功率保持在预定的工况内。

作为优选，基于布雷顿循环的太阳能发电系统，还包括比例-积分 -微分控制器(未图示)，能够根据实际工况和预定工况的差异控制控制阀和/或变频器10的运行。

本实施方式中，使用比例-积分-微分控制器对基于布雷顿循环的太阳能发电系统的多元参数的联合控制，其具有算法简单、鲁棒性强、可靠性高的优点，能够有效保障系统安全稳定运行。不仅有效抵抗太阳辐射波动的干扰，而且能够保障系统各个部件在设计点上稳定运行，从而向电网提供高质量的电力。

如图2所示，本实施方式提供了一种基于布雷顿循环的太阳能发电系统的控制方法，包括步骤：

流体工质压缩步骤，将工质压缩至高压流体工质；

流体工质预热步骤，将流体工质预热；

流体工质加热步骤，将经预热的流体工质通过太阳辐射进行加热，其中，根据太阳辐射量与设定范围的比较，确定是否进行流体工质加热步骤；

热能转化步骤，将经加热/预热的流体工质的热能转化为机械功；以及

发电步骤，将机械功转化为交流电力。

作为优选，还包括：输出电功率调节步骤，通过对太阳能发电系统输出电功率的调节将透平5的转速或透平5进口/出口处流体工质的温度控制在设定范围内。

作为优选，还包括：

控制阀调节步骤，通过对控制阀开度的调节将透平进口/出口处流体工质的温度控制在设定范围内。

下面结合图3对本实施方式所提供的的基于布雷顿循环的太阳能发电系统的运行流程进行说明：

系统启动后，判断透平5的转速或透平5的进口/出口温度是否在设定范围内：

若否，则比例-积分-微分控制器通过调节变频器10运行参数调节输出电功率，进而将透平5的转速或透平5的进口/出口温度调整至设定范围，使系统保持在预定工况内运行；

若是，则保持现有运行参数并实时检测透平5的转速或透平5的进口/出口温度是否在设定范围内。

具体地，以对透平5进口温度进行控制为例，由于流入透平5的流体工质的温度需在设定范围内，流体工质的温度过高可能会导致透平5的损坏，流体工质的温度过低又会因热能不足而导致发电功率不符合要求，因此，需要对透平5的进口处的流体工质的温度进行调节以保持其在设定范围内。

下面结合图4，对透平5的进口的流体工质的温度调节流程进行简单的说明：

首先，根据太阳辐射量判断太阳辐射是否充足，若太阳辐射充足，则关闭第三控制阀93，并判断透平5的进口处的温度是否在设定范围内，若透平5的进口处的温度超过设定范围，则进一步判断吸热器3 的出口处的温度是否小于透平5的进口处的温度的上限值：

若结果为是，则关闭第一控制阀91，并调节第二控制阀92的开度大小，以控制透平5的进口处的流体工质的温度；

若结果为否，则关闭第二控制阀92，并调节第一控制阀91的开度大小，以控制透平5的进口处的流体工质的温度。

若太阳辐射不足，则将第三控制阀93打开，并关闭第一控制阀91，若透平5的进口处的温度超过设定范围，则通过调节第二控制阀92的开度调节透平5的进口处的温度。

由于，当透平5的进口温度过高时，容易将用于测量流体工质温度的温度传感器(未图示)损坏，因此，也可以通过管控透平5的出口温度以实现对流入透平5的流体工质的温度的调节，其管控方法与上文中透平5的进口的流体工质的温度管控方法基本相同，在此不再赘述。

作为优选，本实施方式中，根据太阳辐射量与设定范围的比较，确定是否进行流体工质加热，由于当太阳辐射量较小时，进行流体工质加热步骤不仅无法实现流体工质的加热，而且还会导致流体工质热能的损失，因此，根据太阳辐射量与设定范围的比较，确定是否进行流体工质加热步骤可以避免上述损失的发生。

作为优选，基于布雷顿循环的太阳能发电系统的控制方法，还包括：

热能存储步骤，当经加热/预热的流体工质的温度超过设定范围时，存储加经加热/预热的所述流体工质的热能；以及

热能释放步骤，释放热能存储步骤中存储的热能以用于进行热能转化步骤。

通过经加热/预热的流体工质的热能的存储与释放，实现能源的充分利用与透平5的进口处的流体工质的温度的调节。

需要说明的是，以上各步骤均可在比例-积分-微分控制器的控制下进行，本实施方式中，通过比例-积分-微分控制器能够对透平5的进口或出口温度、透平5的转速、变频器的运行参数等多个运行变量进行协同调节，以提高太阳能发电系统运行的稳定性。

作为优选，控制方法还包括步骤：

联控步骤：通过比例-积分-微分控制器对太阳能发电系统的多个运行变量进行协同调节。

本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims

1.一种基于布雷顿循环的太阳能发电系统，其特征在于，包括：

压缩机，用于压缩流体工质；

回热器，与所述压缩机相连接，用于对经所述压缩机压缩的所述流体工质进行预热；

吸热器，与所述回热器相连接，用于对经所述回热器预热的所述流体工质通过太阳辐射进行加热；

聚光系统，设置有对应于所述吸热器的反射镜面，并能够将太阳辐射反射至所述吸热器；

透平，能够利用经所述吸热器加热的所述流体工质的热能输出机械功；以及

发电机，用于将所述机械功转换为交流电力。

2.如权利要求1所述的基于布雷顿循环的太阳能发电系统，其特征在于，还包括：储热模块，与所述吸热器和所述透平相连接，并能够储存经所述吸热器加热的所述流体工质的热能并选择性地将储存的热能传递至所述透平。

3.如权利要求2所述的基于布雷顿循环的太阳能发电系统，其特征在于，还包括：变频器，与所述发电机相连接，并能够调节所述发电机的输出电功率。

4.如权利要求3所述的基于布雷顿循环的太阳能发电系统，其特征在于，所述回热器具有热端流路和冷端流路，位于所述热端流路的流体工质用于预热位于所述冷端流路的流体工质，所述冷端流路的出口和所述吸热器的出口分别与所述透平的入口相连接，所述冷端流路的出口和所述吸热器的出口分别连接于设置在所述回热器的冷端流路的出口与所述透平的入口之间的管路上以及设置在所述吸热器的出口与所述透平的入口之间的管路上的第二控制阀，所述第二控制阀用于控制所述流体工质的流量。

5.如权利要求4所述的基于布雷顿循环的太阳能发电系统，其特征在于，还包括比例-积分-微分控制器，能够根据实际工况和预定工况的差异控制所述第二控制阀和/或所述变频器的运行。

6.如权利要求2-5中任一项所述的基于布雷顿循环的太阳能发电系统，其特征在于，

所述吸热器为管式吸热器、容积式吸热器以及颗粒吸热器中的其中一种；

所述压缩机为轴流式压缩机或离心式压缩机；

所述透平为轴流式透平或径流式透平；

所述回热器为顺流式回热器、逆流式回热器以及叉流式回热器中的其中一种；

所述储热模块具有储热介质，所述储热介质为显热储热介质、相变潜热储热介质和热化学储热介质中的其中一种。