CN108869213A - 光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置及方法 - Google Patents

光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置，包括太阳光的聚光器、接收器，接收器与光子增强热离子发射模块组连接，光子增强热离子发射模块组连接冷却回路，经中间换热器与超临界二氧化碳循环连接，超临界二氧化碳循环包括：压缩机、低温回热器、高温回热器、透平、发电机、预冷器。本发明还提供了一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电方法，太阳能先经过光子增强热离子发射模块，将一部分能量转换为电能，其余的能量以阳极余热的形式传递给超临界二氧化碳循环，构成联合循环***。本发明减少了向环境释放热量损失，联合循环***的整体发电效率高，结构紧凑，应用范围广泛。

Description

光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置及方法
技术领域
本发明涉及一种光子增强热离子发射与超临界二氧化碳循环联合发电装置，属于太阳能发电技术领域。
背景技术
太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色能源，太阳能热发电是太阳能利用的主要方式之一。近年来，这项技术发展十分迅速，较为成熟的技术包括槽式、塔式、菲涅尔式、碟式等太阳能聚光集热发电技术。太阳能热通过中间介质和换热器将热量传递给动力循环***，例如：蒸汽轮机发电机组、斯特林发动机，将热能转变为电能。
由于目前动力循环***的运行温度等级不高，能量转换效率相对较低，太阳能热发电相对于光伏发电的竞争力优势不明显。一方面，需要开发更高效率的动力循环***，目前主流研发方向为超临界二氧化碳循环，同时努力提高循环的温度参数；另一方面，引入新型的能量转换方式，不断探索新的突破点，特别是新型的热电转换器，如：热离子发射装置，阴极在高温下运行，阳极产生的较高温度的余热可继续为底循环提供热量。
近年来，国内外正在广泛开发基于光子增强热离子发射效应的太阳能发电技术，并结合阳极余热发电，构成太阳能联合发电装置，可大幅提高太阳能发电的效率。然而，基于光子增强热离子发射效应的太阳能发电技术如何与先进动力循环匹配构成联合发电***是目前亟需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是基于光子增强热离子发射效应的太阳能发电技术如何与先进动力循环匹配构成联合发电***，以提高联合发电***的整体发电效率。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置，其特征在于：包括太阳光的聚光器和接收器，聚光器与接收器相对设置，接收器与光子增强热离子发射模块组连接；
所述光子增强热离子发射模块组分为第一光子增强热离子发射模块组和第二光子增强热离子发射模块组两类，第一光子增强热离子发射模块组对应的阳极温度低于第二光子增强热离子发射模块组对应的阳极温度；
第一光子增强热离子发射模块组、第二光子增强热离子发射模块组的阳极分别连接第一冷却器和第二冷却器；第一冷却器出口连接第一中间换热器传热介质侧进口，第一中间换热器传热介质侧出口连接第一介质泵进口，第一介质泵出口连接第一冷却器进口，构成第一冷却回路；第二冷却器出口连接第二中间换热器传热介质侧进口，第二中间换热器传热介质侧出口连接第二介质泵进口，第二介质泵出口连接第二冷却器进口，构成第二冷却回路；
第一中间换热器二氧化碳侧、第二中间换热器二氧化碳侧与超临界二氧化碳循环***连接，将第一、二冷却回路中传热介质的热量释放给超临界二氧化碳循环***的二氧化碳工质。
优选地，所述超临界二氧化碳循环***包括压缩机，压缩机出口分为两路：一路连接低温回热器低温侧进口，另一路与第一中间换热器二氧化碳侧进口连接；低温回热器低温侧出口和第一中间换热器二氧化碳侧出口两路合并后连接高温回热器低温侧进口，高温回热器低温侧出口连接第二中间换热器二氧化碳侧进口，第二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；压缩机、透平、发电机同轴连接。
优选地，所述聚光器为碟式聚光器、塔式聚光器或菲涅尔透镜聚光器。
优选地，所述接收器为空腔体结构的直接照射式接收器。
优选地，所述第一光子增强热离子发射模块组的阳极温度为150～300℃；所述第二光子增强热离子发射模块组的阳极温度为500～700℃。
优选地，所述第一冷却回路的传热介质为导热油；所述第二冷却回路的传热介质为低熔点金属液(如碱金属液)或熔盐。
优选地，所述第一冷却器和第二冷却器设有扩展散热面，例如：肋片(条)。
优选地，所述第一中间换热器和第二中间换热器为间壁换热器，并且所述第一中间换热器、第二中间换热器二氧化碳侧的换热壁面设有扩展换热面，例如采用外翅片换热管，管外为二氧化碳。
优选地，所述低温回热器和高温回热器为紧凑式换热器。
本发明还提供了一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电方法，其特征在于：采用上述的光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置，步骤为：太阳光经聚光器聚焦至接收器，接收器加热第一光子增强热离子发射模块组和第二光子增强热离子发射模块组的阴极，阴极发射的电子经两极间隙到达阳极同时从两极输出电能，第一冷却器和第二冷却器将阳极冷却并将余热传递给传热介质；
第一介质泵和第二介质泵不断地将传热介质从第一冷却器和第二冷却器循环输送至第一中间换热器和第二中间换热器，传热介质将热量释放给超临界二氧化碳循环***的二氧化碳工质；
超临界二氧化碳循环***中，压缩机将二氧化碳工质压缩，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，另一路进入第一中间换热器；出来的两路二氧化碳工质一并进入高温回热器，再进入第二中间换热器进一步加热，再进入透平膨胀做功，推动发电机产生电能；透平排气依次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，本发明提供的光子增强热离子发射与超临界二氧化碳循环联合发电装置具有如下有益效果：
1、光子增强热离子发射模块的阳极余热传递给超临界二氧化碳循环，减少了向环境释放热量损失，联合循环***的整体发电效率高。
2、光子增强热离子发射模块为面积型发电装置且功率密度大，发电效率较高，是一种高效紧凑的太阳能发电装置，并且可以根据底循环的特点设计不同的阳极温度。
3、超临界二氧化碳循环结构紧凑，在较大的发电功率跨度(百kW级至百MW级)均保持高效率，与光子增强热离子发射模块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为本实施例提供的光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置示意图；
附图标记说明：
1-聚光器，2-接收器，3-第一光子增强热离子发射模块组，4-第一冷却器，5-第一中间换热器，6-第一介质泵，7-第二光子增强热离子发射模块组，8-第二冷却器，9-第二中间换热器，10-第二介质泵，11-压缩机，12-低温回热器，13-高温回热器，14-透平，15-发电机，16-预冷器。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
图1为本实施例提供的光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置示意图，所述的光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置包括太阳光的聚光器1、接收器2，聚光器1与接收器2相对设置，接收器2与包含多个模块的光子增强热离子发射模块组连接。本实施例中，光子增强热离子发射模块组分为第一光子增强热离子发射模块组3和第二光子增强热离子发射模块组7两类，其对应的阳极有低温和高温两种(此处的低温和高温为相对概念，本实施例中，第一光子增强热离子发射模块组3对应的阳极温度低于第二光子增强热离子发射模块组7对应的阳极温度)。
低温和高温阳极分别连接第一冷却器4和第二冷却器8。第一冷却器4出口连接第一中间换热器5传热介质侧进口，第一中间换热器5传热介质侧出口连接第一介质泵6进口，第一介质泵6出口连接第一冷却器4进口，构成第一冷却回路。第二冷却器8出口连接第二中间换热器9传热介质侧进口，第二中间换热器9传热介质侧出口连接第二介质泵10进口，第二介质泵10出口连接第二冷却器8进口，构成第二冷却回路。
第一中间换热器5、第二中间换热器9与超临界二氧化碳循环***连接。超临界二氧化碳循环***包括：压缩机11，压缩机11出口分为两路，一路连接低温回热器12低温侧进口，另一路与第一中间换热器5二氧化碳侧进口连接；低温回热器12低温侧出口和第一中间换热器5二氧化碳侧出口两路合并后连接高温回热器13低温侧进口，高温回热器13低温侧出口连接第二中间换热器9二氧化碳侧进口，第二中间换热器9二氧化碳侧出口连接透平14进口，透平14出口连接高温回热器13高温侧进口，高温回热器13高温侧出口连接低温回热器12高温侧进口，低温回热器12高温侧出口连接预冷器16进口，预冷器16出口连接压缩机11进口；压缩机11、透平14、发电机15同轴连接。
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***控制需要，管道上还可布置阀门、仪表等设备。***中还可包括辅助设施、电气***、控制***等。
本实施例提供的光子增强热离子发射与超临界二氧化碳循环联合发电装置的具体实施步骤如下：
太阳光经聚光器1聚焦至接收器2，接收器2加热第一光子增强热离子发射模块组3和第二光子增强热离子发射模块组7的阴极，阴极发射的电子经两极间隙到达阳极同时从两极输出电能，第一冷却器4和第二冷却器8将阳极冷却并将余热传递给传热介质。第一冷却器4的传热介质为导热油，其温度约200℃。第二冷却器8的传热介质为钠金属液，其温度约600℃。第一介质泵6和第二介质泵10不断地将传热介质从第一冷却器4和第二冷却器8循环输送至第一中间换热器5和第二中间换热器9，传热介质将热量释放给超临界二氧化碳循环***的工质。
压缩机11将二氧化碳工质压缩至25MPa，压缩机11出口的二氧化碳工质分为两路，一路进入低温回热器12，另一路进入第一中间换热器5，出来的两路二氧化碳工质温度达到约180℃，然后一并进入高温回热器13，再进入第二中间换热器9进一步加热至约580℃，再进入透平14膨胀做功，推动发电机15产生电能。透平14排气进入高温回热器13和低温回热器12，将部分热量传递给二氧化碳工质后，再经预冷器16冷却到常温附近，最后返回到压缩机11。
由上述参数可估算得到，光子增强热离子发射与超临界二氧化碳循环联合发电装置的太阳能发电峰值效率可达45％以上。上述***还可以设置储热设施，在没有太阳光或太阳光较弱时可以持续为超临界二氧化碳循环提供热量输入。
应当理解的是，虽然在这里可能使用量术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明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，在不脱离本发明方法的前提下，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发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明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，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明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，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置，其特征在于：包括太阳光的聚光器(1)和接收器(2)，聚光器(1)与接收器(2)相对设置，接收器(2)与光子增强热离子发射模块组连接；
所述光子增强热离子发射模块组分为第一光子增强热离子发射模块组(3)和第二光子增强热离子发射模块组(7)两类，第一光子增强热离子发射模块组(3)对应的阳极温度低于第二光子增强热离子发射模块组(7)对应的阳极温度；
第一光子增强热离子发射模块组(3)、第二光子增强热离子发射模块组(7)的阳极分别连接第一冷却器(4)和第二冷却器(8)；第一冷却器(4)出口连接第一中间换热器(5)传热介质侧进口，第一中间换热器(5)传热介质侧出口连接第一介质泵(6)进口，第一介质泵(6)出口连接第一冷却器(4)进口，构成第一冷却回路；第二冷却器(8)出口连接第二中间换热器(9)传热介质侧进口，第二中间换热器(9)传热介质侧出口连接第二介质泵(10)进口，第二介质泵(10)出口连接第二冷却器(8)进口，构成第二冷却回路；
第一中间换热器(5)二氧化碳侧、第二中间换热器(9)二氧化碳侧与超临界二氧化碳循环***连接，将第一、二冷却回路中传热介质的热量释放给超临界二氧化碳循环***的二氧化碳工质。
2.如权利要求1所述的一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置，其特征在于：所述超临界二氧化碳循环***包括压缩机(11)，压缩机(11)出口分为两路：一路连接低温回热器(12)低温侧进口，另一路与第一中间换热器(5)二氧化碳侧进口连接；低温回热器(12)低温侧出口和第一中间换热器(5)二氧化碳侧出口两路合并后连接高温回热器(13)低温侧进口，高温回热器(13)低温侧出口连接第二中间换热器(9)二氧化碳侧进口，第二中间换热器(9)二氧化碳侧出口连接透平(14)进口，透平(14)出口连接高温回热器(13)高温侧进口，高温回热器(13)高温侧出口连接低温回热器(12)高温侧进口，低温回热器(12)高温侧出口连接预冷器(16)进口，预冷器(16)出口连接压缩机(11)进口；压缩机(11)、透平(14)、发电机(15)同轴连接。
3.如权利要求1所述的一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置，其特征在于：所述聚光器(1)为碟式聚光器、塔式聚光器或菲涅尔透镜聚光器。
4.如权利要求1所述的一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置，其特征在于：所述接收器为空腔体结构的直接照射式接收器。
5.如权利要求1所述的一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置，其特征在于：所述第一光子增强热离子发射模块组(3)的阳极温度为150～300℃；所述第二光子增强热离子发射模块组(7)的阳极温度为500～700℃。
6.如权利要求1所述的一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置，其特征在于：所述第一冷却回路的传热介质为导热油；所述第二冷却回路的传热介质为碱金属液或熔盐。
7.如权利要求1所述的一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置，其特征在于：所述第一冷却器(4)和第二冷却器(8)设有扩展散热面。
8.如权利要求1所述的一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置，其特征在于：所述第一中间换热器(5)和第二中间换热器(9)为间壁换热器，并且所述第一中间换热器(5)、第二中间换热器(9)二氧化碳侧的换热壁面设有扩展换热面。
9.如权利要求1所述的一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置，其特征在于：所述低温回热器(12)和高温回热器(13)为紧凑式换热器。
10.一种光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电方法，其特征在于：采用如权利要求1～9任一项所述的光子增强热离子发射与二氧化碳循环联合发电装置，步骤为：太阳光经聚光器(1)聚焦至接收器(2)，接收器(2)加热第一光子增强热离子发射模块组(3)和第二光子增强热离子发射模块组(7)的阴极，阴极发射的电子经两极间隙到达阳极同时从两极输出电能，第一冷却器(4)和第二冷却器(8)将阳极冷却并将余热传递给传热介质；
第一介质泵(6)和第二介质泵(10)不断地将传热介质从第一冷却器(4)和第二冷却器(8)循环输送至第一中间换热器(5)和第二中间换热器(9)，传热介质将热量释放给超临界二氧化碳循环***的二氧化碳工质；
超临界二氧化碳循环***中，压缩机(11)将二氧化碳工质压缩，压缩机(11)出口的二氧化碳工质分为两路：一路进入低温回热器(12)，另一路进入第一中间换热器(5)；出来的两路二氧化碳工质一并进入高温回热器(13)，再进入第二中间换热器(9)进一步加热，再进入透平(14)膨胀做功，推动发电机(15)产生电能；透平(14)排气依次进入高温回热器(13)和低温回热器(12)，将部分热量传递给二氧化碳工质后，再经预冷器(16)冷却，最后返回到压缩机(11)。
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