CN110118160B - 太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环*** - Google Patents
太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，包括太阳能吸热器，涡轮单元和布雷顿循环单元，其中，太阳能吸热器和布雷顿循环单元分别与涡轮单元通过管路相连；还包括与太阳能吸热器和涡轮单元之间的管路呈并联或串联的储罐，用于储存金属碳酸盐和金属氧化物；此外，在布雷顿循环单元中还设置有储气罐，用于储存超临界二氧化碳。本发明所提供的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***将基于热化学直接产超临界二氧化碳与超临界二氧化碳布雷顿循环耦合，既能实现高效储能和换热，提高装置效率，又能降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，尤其涉及一种太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***。
背景技术
我国陆地表面每年接受的太阳能辐射相当于4.9万亿吨标准煤，西部青藏高原、甘肃背部、宁夏北部和新疆南部等地区是太阳能资源最丰富的地区，开发潜力超过85万亿千瓦时/年，约占全国的75％，我国的太阳能蕴藏着巨大的开发潜力。太阳能发电技术主要分为光伏发电和光热发电两大类。光伏发电存在昼夜不连续、储能成本高、弃光严重且使用寿命短等诸多缺点。而太阳能热发电可利用廉价储能技术，稳定发电功率的输出，既可以作为基础负荷供电，又可以作为调峰电源，因此太阳能热发电在未来具有巨大潜力，太阳能热发电技术包括塔式、槽式、碟式和菲涅尔式太阳能光热发电，基本原理主要是通过聚光抛物面形成高热流密度的能量，加热做功介质驱动热机进行发电。
太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环以太阳能为热源，以处于超临界状态的二氧化碳(临界压力7.38MPa，临界温度30.98℃)为工质，实现能量的转换。超临界二氧化碳布雷顿循环相对于水蒸气朗肯循环而言，单相做功，***设计简单，降低了操作的复杂性；密度大，压缩功小，换热性能好，可降低涡轮机和换热器的体积，从而达到降低成本，提高整体效率的目的。此外，超临界二氧化碳无毒无害，腐蚀性小，价格便宜，以聚光太阳能(温度范围550℃-800℃)作为热源，热稳定性好。
储能技术按照储能方式可分为显热储能、潜热储能和热化学能储能。显热储能是不改变物质形态通过温度提升将热能存储起来，储能密度较低。而潜热储能通过相变形式将热能存储起来，相变储热所需吸收热量较大，因此潜热储能密度比显热储能高。与上述两种储热方式相比，化学能储热具有储能密度大、储能温度高、储能周期长、热损小，适合长距离运输等优点。
光热发电技术发展几十年来，目前停留在以熔融盐为代表的第二代技术的商业化应用层面，由于受高温腐蚀的影响，市场上熔融盐的平均运行温度在565℃，极大的限制了太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环的整体效率。同时，与太阳能超临界二氧化碳结合的储能和换热技术的不足也是另一难题，储热介质和做功介质大多采用间接换热方式，换热效率低，限制了整体效率的提高。除此之外，超临界二氧化碳布雷顿循环***中，补充超临界二氧化碳装置复杂，步骤繁琐，有待进一步简化装置。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***热效率低、成本高的问题，提供了一种既能实现高效储能和换热，提高***效率、又能降低成本的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，超临界二氧化碳在该***中循环，该***包括：
太阳能吸热器，涡轮单元和布雷顿循环单元，所述太阳能吸热器和所述布雷顿循环单元分别与所述涡轮单元通过管路相连；
还包括与太阳能吸热器和涡轮单元之间的管路呈并联或串联连接的储罐，用于储存金属碳酸盐和金属氧化物；
在所述布雷顿循环单元中还设置有储气罐，用于储存超临界二氧化碳；
当光照条件充足时，循环超临界二氧化碳在太阳能吸热器中吸收热量；同时，传热介质在太阳能吸热器中吸收热量并传递给储罐中的金属碳酸盐,金属碳酸盐发生分解反应，储存热量，产生超临界二氧化碳，与循环超临界二氧化碳一同进入涡轮单元对外做功；做功后的超临界二氧化碳经布雷顿循环单元，一部分储存于储气罐中，另一部分返回太阳能吸热器中吸收热量、循环做功；
当光照条件不佳或者无光照时，将太阳能吸热器隔离，在储气罐中储存的超临界二氧化碳与循环超临界二氧化碳一同经过布雷顿循环单元，进入储罐，与金属氧化物发生化合反应，释放热量，加热超临界二氧化碳，进入涡轮单元对外做功。
其中，布雷顿循环单元可以为多种形式，例如简单布雷顿循环单元、再压缩布雷顿循环单元、再压缩部分冷却布雷顿循环单元或再压缩中间冷却布雷顿循环单元。
作为优选，布雷顿循环单元包括：高温回热器、低温回热器、主压缩机、再压缩机和冷却器；经涡轮单元对外做功后的超临界二氧化碳经过高温回热器、低温回热器后，分为两股，一股经过冷却器冷却、主压缩机加压和低温回热器加热后，与另一股经过再压缩机加压的超临界二氧化碳一同进入高温回热器加热，然后进入太阳能吸热器吸收热量后，循环做功。上述布雷顿循环单元为再压缩布雷顿循环的一种形式，在该种布雷顿循环单元中设置了两级回热器和压缩机，避免了夹点温度，提高了回热效率。
作为优选，储气罐设置于低温回热器与冷却器之间。储气罐的位置可以有多种选择，为了降低储气罐的成本，以储存低温低压的超临界二氧化碳为最佳选择，因此，将储气罐设置于低温回热器与冷却器之间是较为适宜的位置。
作为优选，可以将涡轮单元设置为中间再热的结构：涡轮单元包含低压涡轮机、高压涡轮机和设置于低压涡轮机和高压涡轮机之间的太阳能储热罐，太阳能储热罐用于储存太阳能热量；进入涡轮单元的超临界二氧化碳，先进入高压涡轮机对外做功，然后在太阳能储热罐中吸收热量，再进入低压涡轮机对外做功。
作为优选，太阳能吸热器中的吸热介质为超临界二氧化碳，所述超临界二氧化碳同为传热介质和做功介质。超临界二氧化碳在太阳能吸热器中吸收太阳能热量后，作为传热介质把热能传递给储罐中的金属碳酸盐,使得***中的流动介质仅包括超临界二氧化碳，其同时作为吸热介质和做功介质，避免了多次中间换热过程，降低热损，简化***，提高了***效率和经济效益。
作为优选，太阳能吸热器的聚焦***包括塔式聚光***、碟式聚光***、槽式聚光***或线性菲涅尔式聚光***中的一种或多种。
作为优选，储罐包括固定床、鼓泡床、流化床、多孔介质或蜂窝陶瓷，其中，流化床可以为循环流化床或内循环流化床等。储罐既是储存金属碳酸盐/金属氧化物的场所，同时也是储热和放热化学反应的发生器。
更进一步地，作为优选，储罐为多孔介质或蜂窝陶瓷时，以金属氧化物或碳化硅为基体，金属碳酸盐负载在多孔介质或蜂窝结构的表面。多孔介质或蜂窝陶瓷的储罐可实现显热和热化学储热的结合。
作为优选，金属碳酸盐包括锂、钠、钾、铷、铯、钫、铍、镁、钙、锶、钡或镭的碳酸盐中的一种或多种，或者包括对锂、钠、钾、铷、铯、钫、铍、镁、钙、锶、钡或镭的碳酸盐进行改性的多元混合物，例如，MgCO3和Al2O3的二元混合物。
相对于现有技术，本发明所提供的基于热化学直接产超临界二氧化碳与超临界二氧化碳布雷顿循环耦合的***，具有以下技术效果：
1.在本发明所提供的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***中，循环做功的超临界二氧化碳直接通过太阳能吸热器以太阳能热量进行加热，超临界二氧化碳同时作为吸热介质和做功介质，避免了换热
损，简化装置，提高了该***的运行温度，从而提高了***效率和经济效益。
2.运行本发明所提供的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***时，在储热过程中，储能物质金属碳酸盐分解，储热的同时，可直接产生超临界二氧化碳，不仅可以作为超临界二氧化碳的补充源，简化装置、而且可以提高做功量。
3.运行本发明所提供的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***时，在放热过程中，金属氧化物和超临界二氧化碳直接接触，发生化合反应，可直接将热量传递给超临界二氧化碳，提高了换热效率。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***的示意图；
图2是本发明第二实施方式的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***的示意图；
图3和图4是本发明第三实施方式的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***的示意图，其中，图3***中包含再压缩部分冷却布雷顿循环单元，图4***中包含再压缩中间冷却布雷顿循环单元；
图5是本发明第四实施方式的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***的示意图；
图6是本发明第五实施方式的储罐的示意图；
图7是本发明第六实施方式的储罐的示意图；
图8是本发明第七实施方式的储罐的示意图；
图9是本发明第八实施方式的太阳能吸热器的示意图；
图10是本发明第九实施方式的太阳能吸热器的示意图；
图11是本发明第九实施方式的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***的示意图。
附图标记说明：
1-太阳能吸热器；2-第一阀门；3-涡轮单元；4-再压缩机；5-冷却器；6-主压缩机；7-第二阀门；8-储气罐；9-第三阀门；10-低温回热器；11-高温回热器；12-第四阀门；13-储罐；14-第五阀门；15-第六阀门；16-预压缩机；17-中间冷却器；18-风机；31-低压涡轮机；32-高压涡轮机；33-太阳能储热罐；61-隔板；62-过滤装置。
具体实施方式
下面对照附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明的第一实施方式涉及一种基于MgCO3/MgO储能的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，超临界二氧化碳在该***中循环，该***包括：
太阳能吸热器1，涡轮单元3和布雷顿循环单元，太阳能吸热器1和布雷顿循环单元分别与涡轮单元3通过管路相连，用于储存金属碳酸盐和对应金属氧化物的储罐13与太阳能吸热器1和涡轮单元3之间的循环超临界二氧化碳管路呈并联连接，用于储存超临界二氧化碳的储气罐8设置于布雷顿循环单元中；
在本实施方式中的布雷顿循环单元为再压缩布雷顿循环单元，其包括：高温回热器11、低温回热器10、主压缩机6、再压缩机4和冷却器5；高温回热器11的热端连接涡轮单元3和低温回热器10，高温回热器11的冷端入口连接再压缩机4和低温回热器10，高温回热器11的冷端出口连接太阳能吸热器1；低温回热器10的热端入口连接高温回热器11，低温回热器10的热端出口连接再压缩机4和冷却器5，低温回热器10的冷端连接主压缩机6和高温回热器11；冷却器5连接低温回热器10和主压缩机6；储气罐8设置于低温回热器10与冷却器5之间。
本实施方式的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***的运行过程如下：
当光照条件充足时，打开设于循环超临界二氧化碳的管道中的第一阀门2、第五阀门14和储气罐8的用于进气的第三阀门9，关闭储气罐8的用于出气的第二阀门7和通向储罐13的第四阀门12，循环超临界二氧化碳在太阳能吸热器1中吸收热量，被加热到750℃；同时，通过换热介质将太阳能热量传递给储罐13中的MgCO3，在25MPa、温度达到669℃时，MgCO3发生分解反应，将热量储存，热化学产生的超临界二氧化碳与经过太阳能吸热器1的循环超临界二氧化碳一同进入涡轮单元3，对外做功。
做功后的低压中温超临界二氧化碳经过高温回热器11和低温回热器10后，将等量的热化学产生的超临界二氧化碳储存在储气罐8中，剩余的超临界二氧化碳分为两股，一股经过冷却器5，进入主压缩机6，然后经过低温回热器10加热，与另一股经过再压缩机4的超临界二氧化碳汇合，一同经过高温回热器11加热，最后进入太阳能吸热器1吸收热量，形成高温高压超临界二氧化碳，继续循环做功。
上述吸热过程发生的化学反应如下方程所示，热能以化学能形式储存。
MgCO3→MgO+CO2
当光照条件不佳或无光照时，关闭第四阀门12、第一阀门2和第五阀门14，将太阳能吸热器1隔离。打开储气罐8的用于出气的第二阀门7，关闭用于进气的第三阀门9，储气罐8中储存的热化学产生的超临界二氧化碳与循环超临界二氧化碳汇合成一股物流，然后分为两部分，一股经过冷却器5冷却、主压缩机6加压、低温回热器10加热后，与另一股经过再压缩机4加压的超临界二氧化碳一同进入储罐13，与MgO接触，发生化合反应，释放热量，将循环超临界二氧化碳加热到700℃，进入涡轮单元3，对外做功。
上述放热过程发生的化学反应如下方程所示：
MgO+CO2→MgCO3
本发明的第二实施方式也涉及一种基于MgCO3/MgO储能的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，其结构如图2所示。
与第一实施方式不同之处在于，本实施方式中的涡轮单元3包括低压涡轮机31、高压涡轮机32和设置于低压涡轮机31和高压涡轮机32之间的太阳能储热罐33，用于储存太阳能热量，以及太阳能储罐33的用于进气的第六阀门15。当光照条件充足时，打开第六阀门15，抽取部分经过太阳能吸热器1加热的高温超临界二氧化碳，进入太阳能储热罐，释放热量，将热量以显热、潜热或热化学的形式在太阳能储热罐33中进行储存，释放热量后的低温超临界二氧化碳进入循环回路，完成太阳能储热罐33的储热过程。
本实施方式的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***的运行过程与第一实施方式区别之处在于，进入涡轮单元3的超临界二氧化碳，先进入高压涡轮机32对外做功，然后在太阳能储热罐33中吸收热量，再进入低压涡轮机31对外做功，提高整体效率。
本发明的第三实施方式也涉及一种基于MgCO3/MgO储能的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，与第二实施方式不同之处在于布雷顿循环单元添加中间冷却器17，根据中间冷却器17位置不同，其结构如图3或图4所示。
图3所示***中所包括的为再压缩部分冷却布雷顿循环单元，与第二实施方式不同之处在于，本实施方式中添加了预压缩机16和中间冷却器17，预压缩机16位于主压缩机6和再压缩机4之前，中间冷却器17位于预压缩机16和主压缩机6之间，经过冷却器5降温后的超临界二氧化碳进入预压缩机16加压，分为两股流，一股经过中间冷却器17降温，主压缩机6增压，低温回热器10加热后，与另一股经过再压缩机4加压的超临界二氧化碳混合，进入高温回热器11。
图4所示***中所包括的为再压缩中间冷却布雷顿循环单元，与第二实施方式不同之处在于，本实施方式中添加了预压缩机16和中间冷却器17，预压缩机16位于冷却器5之后，中间冷却器17之前，中间冷却器17位于预压缩机16和主压缩机6之间。从低温回热器10流出的超临界二氧化碳分为两股流，一股经过冷却器5预冷，预压缩机16加压，中间冷却器17冷却，主压缩机6加压，低温回热器10加热与另一股经过再压缩机4加压的超临二氧化碳混合，共同进入高温回热器11。
本实施方式的再压缩部分冷却布雷顿单元和再压缩中间冷却布雷顿单元与第二实施方式运行效果区别之处在于，增加了预压缩机16和中间冷却器17，降低了对压比变化的敏感性和压缩机耗功，提高了整体效率，更加适用于较大的涡轮机压比***。
本发明的第四实施方式也涉及一种基于MgCO3/MgO储能的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，其结构如图5所示。
与第一实施方式不同之处在于，本实施方式中的储罐13与太阳能吸热器1和涡轮单元3之间的循环超临界二氧化碳管路呈串联连接。
本发明的第五实施方式涉及第一至第四实施方式中的储罐的结构。如图6所示，本实施方式中的储罐为固定床结构，该种结构简单，无颗粒磨损。
本发明的第六实施方式也涉及第一至第四实施方式中的储罐的结构。如图7所示，本实施方式中的储罐为隔板型内循环流化床结构，在循环流化床结构中设有隔板61和过滤装置62，采用循环流化床可增强传热传质效果，从而增强反应速率，保证化学反应完全。
本发明的第七实施方式也涉及第一至第四实施方式中的储罐的结构。如图8所示，本实施方式中的储罐为蜂窝结构或者多孔结构，以金属氧化物或碳化硅为基体，MgCO3负载在蜂窝结构或者多孔结构表面，该种结构可实现以热化学和显热的形式储存太阳能。
本发明的第八实施方式涉及第一至第四实施方式中的太阳能吸热器的结构。如图9所示，本实施方式中的太阳能吸热器为螺旋管腔式吸热器，该结构通过增加加热管路长度，可提高太阳能吸热器出口处超临界二氧化碳的温度。
本发明的第九实施方式涉及另一种适用于本发明***的太阳能吸热器的结构和对应的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***。
本实施方式中的太阳能吸热器的结构如图10所示，该种太阳能吸热器为埋管式颗粒流化床吸热器，将太阳能吸热器填充适当颗粒，以二氧化碳或其他气体为流化气体，使得太阳能吸热器中的固体颗粒处于流化状态，固体颗粒吸收太阳能，热量主要以对流和导热的方式传递给管道，从而加热管道中的超临界二氧化碳，此种加热方式使得温度分布更加均匀，减小管道热应力。
埋管式颗粒流化床太阳能吸热器对应的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***如图11所示，本实施方式中的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***与第三实施方式不同之处在于添加了太阳能吸热器1的流化气体循环回路和用于回路气体循环的风机18，流化气体进入太阳能吸热器1，使得太阳能吸热器1中的固体颗粒呈流化状态，流化气体在太阳能吸热器1中吸收热量，吸热后的高温流化气体由太阳能吸热器1排出，进入太阳能储热罐33，释放热量，将热量以显热、潜热或化学热的形式在太阳能储热罐33中进行储存，释放热量后的低温流化气体经过风机18进入太阳能吸热器1，循环流动。
需要说明的是，在本发明的实施方式中，布雷顿循环单元除了可以为再压缩布雷顿循环单元之外，也可以选择其他多种形式，例如简单布雷顿循环单元、再压缩部分冷却布雷顿循环单元或再压缩中间冷却布雷顿循环单元。太阳能吸热器的聚焦***可以为现有技术中的各种聚焦***，例如塔式聚光***、碟式聚光***、槽式聚光***或线性菲涅尔式聚光***中的一种或多种。金属碳酸盐也可以包括锂、钠、钾、铷、铯、钫、铍、镁、钙、锶、钡或镭的碳酸盐中的一种或多种；或者包括对锂、钠、钾、铷、铯、钫、铍、镁、钙、锶、钡或镭的碳酸盐进行改性的多元混合物。本领域技术人员可以根据需要进行选择，这并不对本发明的技术方案构成限定。
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，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (9)
1.一种太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，超临界二氧化碳在该***中循环，其特征在于，包括：
太阳能吸热器，涡轮单元和布雷顿循环单元，所述太阳能吸热器和所述布雷顿循环单元分别与所述涡轮单元通过管路相连；
还包括与所述太阳能吸热器和所述涡轮单元之间的管路呈并联或串联连接的储罐，用于储存金属碳酸盐和金属氧化物；
在所述布雷顿循环单元中还设置有储气罐，用于储存超临界二氧化碳；
当光照条件充足时，循环超临界二氧化碳在所述太阳能吸热器中吸收热量；同时，传热介质在所述太阳能吸热器中吸收热量并传递给所述储罐中的金属碳酸盐,金属碳酸盐发生分解反应，储存热量，产生超临界二氧化碳，与循环超临界二氧化碳一同进入所述涡轮单元对外做功；做功后的超临界二氧化碳经所述布雷顿循环单元，一部分储存于所述储气罐中，另一部分返回所述太阳能吸热器中吸收热量、循环做功；
当光照条件不佳或者无光照时，将所述太阳能吸热器隔离，在所述储气罐中储存的超临界二氧化碳与循环超临界二氧化碳一同经所述布雷顿循环单元，进入所述储罐，与金属氧化物发生化合反应，释放热量，加热超临界二氧化碳，进入所述涡轮单元对外做功；
所述太阳能吸热器中的吸热介质为超临界二氧化碳，所述超临界二氧化碳同为传热介质和做功介质。
2.根据权利要求1所述的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，其特征在于，所述布雷顿循环单元为简单布雷顿循环单元、再压缩布雷顿循环单元、再压缩部分冷却布雷顿循环单元或再压缩中间冷却布雷顿循环单元中的任一种。
3.根据权利要求1所述的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，其特征在于，所述布雷顿循环单元包括：高温回热器、低温回热器、主压缩机、再压缩机和冷却器；
经涡轮单元对外做功后的超临界二氧化碳经过所述高温回热器、所述低温回热器后，分为两股，一股经过所述冷却器冷却、所述主压缩机加压和所述低温回热器加热后，与另一股经过所述再压缩机加压的超临界二氧化碳一同进入所述高温回热器加热，然后进入所述太阳能吸热器吸收热量后，循环做功。
4.根据权利要求3所述的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，其特征在于：所述储气罐设置于所述低温回热器与所述冷却器之间。
5.根据权利要求1所述的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，其特征在于：所述涡轮单元包括低压涡轮机、高压涡轮机和设置于所述低压涡轮机和所述高压涡轮机之间的太阳能储热罐，所述太阳能储热罐用于储存太阳能热量；
进入所述涡轮单元的超临界二氧化碳，先进入所述高压涡轮机对外做功，然后在所述太阳能储热罐中吸收热量，再进入所述低压涡轮机对外做功。
6.根据权利要求1所述的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，其特征在于：所述太阳能吸热器的聚焦***包括塔式聚光***、碟式聚光***、槽式聚光***或线性菲涅尔式聚光***中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，其特征在于：所述储罐为固定床、鼓泡床、流化床、多孔介质或蜂窝陶瓷中的任一种。
8.根据权利要求7所述的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，其特征在于：所述储罐为多孔介质或蜂窝陶瓷时，以金属氧化物或碳化硅为基体，金属碳酸盐负载在所述多孔介质或所述蜂窝陶瓷的表面。
9.根据权利要求1所述的太阳能超临界二氧化碳布雷顿循环***，其特征在于：所述金属碳酸盐包括锂、钠、钾、铷、铯、钫、铍、镁、钙、锶、钡或镭的碳酸盐中的一种或多种；或者包括对锂、钠、钾、铷、铯、钫、铍、镁、钙、锶、钡或镭的碳酸盐进行改性的多元混合物。
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