CN111287813A - 一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***及方法，包括塔式太阳能集热单元、超临界二氧化碳发电单元、朗肯循环发电单元和有机朗肯循环发电单元，其中，所述塔式太阳能集热单元的超临界二氧化碳出口连接超临界二氧化碳发电单元的入口；所述超临界二氧化碳发电单元的乏汽出口分别与朗肯循环发电单元和有机朗肯循环发电单元连接；所述朗肯循环发电单元的乏汽出口与有机朗肯循环发电单元连接；本发明有效利用超临界二氧化碳布雷顿循环的排汽余热，依次作为朗肯循环和有机朗肯循环的热源，提高能量利用效率。

Description

一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***及方法
技术领域
本发明属于超临界二氧化碳发电技术领域，尤其涉及一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***及方法。
背景技术
能源和环境是人类社会发展面临的两大难题，不断提高发电机组效率是电力行业研究的永恒主题和目标。目前太阳能热发电***较常用的动力循环包括以水为工质的朗肯循环和以空气为工质的布雷顿循环，***效率受到一定限制。
为了突破传统动力***的瓶颈，一些新概念先进动力***受到学术界和工业界越来越多的关注，以超临界二氧化碳为代表的超临界工质具有能量密度大，传热效率高，***简单等先天优势，可以大幅提高热功转换效率，减小设备体积，具有很高的经济性。
由于超临界二氧化碳循环回热器的回热量较大，存在利用空间；而且超临界二氧化碳布雷顿循环排汽温度仍然较高，需要进一步利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***及方法，解决了现有的以超临界二氧化碳为代表的发电***存在上述缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***，包括塔式太阳能集热单元、超临界二氧化碳发电单元、朗肯循环发电单元和有机朗肯循环发电单元，其中，所述塔式太阳能集热单元的超临界二氧化碳出口连接超临界二氧化碳发电单元的入口；所述超临界二氧化碳发电单元的乏汽出口分别与朗肯循环发电单元和有机朗肯循环发电单元连接；所述朗肯循环发电单元的乏汽出口与有机朗肯循环发电单元连接。
优选地，塔式太阳能集热单元包括定日镜、高塔和压力空腔式接收器，其中，压力空腔式接收器安装在高塔的顶部；定日镜以高塔为中心，沿其圆周方向呈阵列式结构分布；所述压力空腔式接收器安装在定日镜的太阳能汇聚点上。
优选地，超临界二氧化碳发电单元包括二氧化碳透平、朗肯循环加热器、第一有机工质加热器、冷却器和预热器，其中，塔式太阳能集热单元的超临界二氧化碳出口与二氧化碳透平的入口相连，二氧化碳透平的乏汽出口与朗肯循环加热器的热端入口相连，朗肯循环加热器的热端出口与第一有机工质加热器的热端入口相连；第一有机工质加热器的热端出口与冷却器的入口相连，冷却器的出口与预热器的二氧化碳入口相连，预热器的二氧化碳出口与塔式太阳能集热单元的二氧化碳入口相连；
所述朗肯循环加热器的工质水冷端和预热器的工质水热端均与朗肯循环发电单元连接；所述第一有机工质加热器的有机工质冷端连接有机朗肯循环发电单元。
优选地，朗肯循环发电单元包括汽轮机、第二有机工质加热器和冷凝器，其中，超临界二氧化碳发电单元的工质水冷端出口与背压汽轮机的入口相连，背压汽轮机的排汽出口与第二有机工质加热器的工质水热端入口相连，第二有机工质加热器的工质水热端出口与超临界二氧化碳发电单元的工质水热端入口相连，超临界二氧化碳发电单元的工质水热端出口与冷凝器的入口相连，冷凝器的出口与超临界二氧化碳发电单元的工质水冷端入口相连；
第二有机工质加热器的有机工质冷端连接有机朗肯循环发电单元。
优选地，有机朗肯循环发电单元包括膨胀机和凝汽器，其中，超临界二氧化碳发电单元的有机工质冷端出口和朗肯循环发电单元的有机工质冷端出口均与膨胀机的入口相连，膨胀机的有机工质出口连接凝汽器的有机工质入口，凝汽器的有机工质出口分别连接超临界二氧化碳发电单元的有机工质冷端入口和朗肯循环发电单元的有机工质冷端入口。
一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电方法，基于所述的一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***，包括以下步骤：
利用塔式太阳能集热单元接收汇聚太阳辐射能，通过传热工质将接收的太阳辐射能量转化为高温热能，该高温热能作为热源输送给超临界二氧化碳发电单元；
所述超临界二氧化碳发电单元用于将塔式太阳能集热单元的高温热能加热工质超临界二氧化碳，将热能转化为电能并输出；
所述朗肯循环发电单元用于以超临界二氧化碳发电单元的排汽为热源，加热工质水进行做功发电；
所述有机朗肯循环发电用于以超临界二氧化碳发电单元和所述朗肯循环发电单元的排汽为热源，加热工质水进行做功发电。
优选地，将太阳光聚焦到压力空腔式接收器上，集中加热流经压力空腔式接收器中的超临界二氧化碳工质，用以将太阳辐照能量转化为热能，然后将加热后的超临界二氧化碳工质输送给超临界二氧化碳发电单元。
优选地，高温高压工质超临界二氧化碳进入二氧化碳透平做功发电，之后超临界二氧化碳工质进入朗肯循环加热器加热朗肯循环发电单元的工质水，然后进入第一有机工质加热器，作为有机朗肯循环发电单元的驱动热源，随后超临界二氧化碳工质进入冷却器中冷凝，之后进入预热器中被朗肯循环发电单元的排汽预热，然后进入塔式太阳能集热单元中继续循环。
优选地，被超临界二氧化碳发电单元加热的工质水进入背压汽轮机做功发电，背压汽轮机的排汽作为有机朗肯循环发电单元的热源，随后对超临界二氧化碳发电单元中的预热器中的工质进行预热，随后进入冷凝器冷凝，之后进入超临界二氧化碳发电单元被加热循环使用。
优选地，以朗肯循环发电单元和超临界二氧化碳发电单元的排汽为热源，被加热后的有机工质进入膨胀机做功，从膨胀机出来的有机工质进入凝汽器冷凝，然后进入储罐，储罐出来的有机工质分别进入朗肯循环发电单元和超临界二氧化碳发电单元进行加热，完成一个循环使用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***及方法，有效利用超临界二氧化碳布雷顿循环的排汽余热，依次作为朗肯循环和有机朗肯循环的热源，提高能量利用效率。
进一步的，朗肯循环发电单元采用背压式汽轮机，排汽余热先作为有机朗肯循环的热源，然后为超临界二氧化碳循环预热器提供热源，提高能量利用效率。
进一步的，有机朗肯循环发电单元采用背压式汽轮机排汽和超临界二氧化碳循环排汽双热源驱动，能有效提高有机朗肯循环发电功率。
附图说明
图1是本发明涉及的发电***结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***，包括塔式太阳能集热单元、超临界二氧化碳发电单元、朗肯循环发电单元和有机朗肯循环发电单元，其中，所述塔式太阳能集热单元用于接收汇聚太阳辐射能，通过传热工质将接收的太阳辐射能量转化为高温热能，该高温热能作为热源输送给超临界二氧化碳发电单元；所述超临界二氧化碳发电单元用于将塔式太阳能集热单元的高温热能加热工质超临界二氧化碳，通过透平与发电机组将接收的热能转化为电能并输出；所述朗肯循环发电单元用于以超临界二氧化碳发电单元的二氧化碳透平排汽为热源，被二氧化碳透平排汽加热的水工质进行做功发电；所述有机朗肯循环发电单元用于以超临界二氧化碳发电单元和所述朗肯循环发电单元的排汽为热源，加热有机工质进行做功发电。
具体地：
塔式太阳能集热单元包括定日镜1、高塔2和压力空腔式接收器3，其中，压力空腔式接收器3安装在高塔2的顶部；所述定日镜1以高塔2为中心，沿其圆周方向呈阵列式结构分布。
所述压力空腔式接收器3安装在定日镜1的太阳能汇聚点上。
流程描述：
用于将太阳光聚焦到压力空腔式接收器3上，集中加热流经压力空腔式接收器3中的超临界二氧化碳工质，将太阳辐照能量转化为热能，然后将超临界二氧化碳工质输送给超临界二氧化碳发电单元。
超临界二氧化碳发电单元包括二氧化碳透平4、朗肯循环加热器5、第一有机工质加热器6、冷却器7、二氧化碳增压装置8和预热器9，其中，压力空腔式接收器3的超临界二氧化碳出口与二氧化碳透平4的入口相连，二氧化碳透平4的乏汽出口与朗肯循环加热器5的热端入口相连，朗肯循环加热器5的热端出口与第一有机工质加热器6的热端入口相连，第一有机工质加热器6的热端出口与冷却器7的入口相连，冷却器7的出口与二氧化碳增压装置8的入口相连，二氧化碳增压装置8的出口与预热器9的二氧化碳入口相连，预热器9的二氧化碳出口与压力空腔式接收器3的二氧化碳入口相连。
所述朗肯循环加热器5的冷端和预热器9的热端均与朗肯循环发电单元连接；所述第一有机工质加热器6的冷端连接有机朗肯循环发电单元。
流程描述：
超临界二氧化碳工质进入压力空腔式接收器3被太阳能加热，然后高温高压工质超临界二氧化碳进入二氧化碳透平4做功发电，出口超临界二氧化碳进入朗肯循环加热器5加热朗肯循环发电单元的工质水，然后进入第一有机工质加热器6，作为有机朗肯循环发电单元的驱动热源，随后超临界二氧化碳工质进入冷却器7中冷凝，然后在二氧化碳增压装置8中被加压，出口的二氧化碳在预热器9中被朗肯循环发电单元的排汽预热，然后进入压力空腔式接收器3继续循环。
朗肯循环发电单元包括汽轮机10、第二有机工质加热器11、冷凝器12和循环泵13，其中，朗肯循环加热器5的工质水出口与背压汽轮机10的入口相连，背压汽轮机10的出口与第二有机工质加热器11的热端入口相连，第二有机工质加热器11的热端出口与预热器9的热端入口相连，预热器9的热端出口与冷凝器12的入口相连，冷凝器12的出口与循环泵13的入口相连，循环泵13的出口与朗肯循环加热器5的水入口相连。
第二有机工质加热器11的冷端连接有机朗肯循环发电单元。
流程描述：
朗肯循环发电单元以超临界二氧化碳发电单元的二氧化碳透平排汽为热源，被二氧化碳透平排汽加热的工质水进入背压汽轮机10做功发电，背压汽轮机10的排汽作为有机朗肯循环发电单元的热源，随后对超临界二氧化碳发电单元中的二氧化碳增压装置8出口的工质进行预热，随后进入冷凝器12冷凝，然后再循环泵13中升压。
有机朗肯循环发电单元包括膨胀机14、凝汽器15、储罐16和有机工质泵17，其中，第一有机工质加热器6和第二有机工质加热器11的有机工质出口均与膨胀机14的入口相连，膨胀机14的有机工质出口连接凝汽器15的有机工质入口，凝汽器15的有机工质出口连接储罐16的有机工质入口，储罐16的有机工质出口连接有机工质泵17的有机工质入口，有机工质泵17的有机工质出口分别连接第一有机工质加热器6和第二有机工质加热器11的有机工质入口。
流程描述：
有机朗肯循环发电单元以朗肯循环发电单元和超临界二氧化碳发电单元的排汽为热源，被加热后的有机工质进入膨胀机14做功，从膨胀机14出来的有机工质进入凝汽器15冷凝，然后进入储罐16，储罐16出来的有机工质经有机工质泵17升压后，分别进入第一有机工质加热器6和第二有机工质加热器11加热，完成一个循环。

Claims (10)

1.一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***，其特征在于，包括塔式太阳能集热单元、超临界二氧化碳发电单元、朗肯循环发电单元和有机朗肯循环发电单元，其中，所述塔式太阳能集热单元的超临界二氧化碳出口连接超临界二氧化碳发电单元的入口；所述超临界二氧化碳发电单元的乏汽出口分别与朗肯循环发电单元和有机朗肯循环发电单元连接；所述朗肯循环发电单元的乏汽出口与有机朗肯循环发电单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***，其特征在于，塔式太阳能集热单元包括定日镜(1)、高塔(2)和压力空腔式接收器(3)，其中，压力空腔式接收器(3)安装在高塔(2)的顶部；定日镜(1)以高塔(2)为中心，沿其圆周方向呈阵列式结构分布；所述压力空腔式接收器(3)安装在定日镜(1)的太阳能汇聚点上。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***，其特征在于，超临界二氧化碳发电单元包括二氧化碳透平(4)、朗肯循环加热器(5)、第一有机工质加热器(6)、冷却器(7)和预热器(9)，其中，塔式太阳能集热单元的超临界二氧化碳出口与二氧化碳透平(4)的入口相连，二氧化碳透平(4)的乏汽出口与朗肯循环加热器(5)的热端入口相连，朗肯循环加热器(5)的热端出口与第一有机工质加热器(6)的热端入口相连；第一有机工质加热器(6)的热端出口与冷却器(7)的入口相连，冷却器(7)的出口与预热器(9)的二氧化碳入口相连，预热器(9)的二氧化碳出口与塔式太阳能集热单元的二氧化碳入口相连；
所述朗肯循环加热器(5)的工质水冷端和预热器(9)的工质水热端均与朗肯循环发电单元连接；所述第一有机工质加热器(6)的有机工质冷端连接有机朗肯循环发电单元。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***，其特征在于，朗肯循环发电单元包括汽轮机(10)、第二有机工质加热器(11)和冷凝器(12)，其中，超临界二氧化碳发电单元的工质水冷端出口与背压汽轮机(10)的入口相连，背压汽轮机(10)的排汽出口与第二有机工质加热器(11)的工质水热端入口相连，第二有机工质加热器(11)的工质水热端出口与超临界二氧化碳发电单元的工质水热端入口相连，超临界二氧化碳发电单元的工质水热端出口与冷凝器(12)的入口相连，冷凝器(12)的出口与超临界二氧化碳发电单元的工质水冷端入口相连；
第二有机工质加热器(11)的有机工质冷端连接有机朗肯循环发电单元。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***，其特征在于，有机朗肯循环发电单元包括膨胀机(14)和凝汽器(15)，其中，超临界二氧化碳发电单元的有机工质冷端出口和朗肯循环发电单元的有机工质冷端出口均与膨胀机(14)的入口相连，膨胀机(14)的有机工质出口连接凝汽器(15)的有机工质入口，凝汽器(15)的有机工质出口分别连接超临界二氧化碳发电单元的有机工质冷端入口和朗肯循环发电单元的有机工质冷端入口。
6.一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电方法，其特征在于，基于权利要求1-5中任一项所述的一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电***，包括以下步骤：
利用塔式太阳能集热单元接收汇聚太阳辐射能，通过传热工质将接收的太阳辐射能量转化为高温热能，该高温热能作为热源输送给超临界二氧化碳发电单元；
所述超临界二氧化碳发电单元用于将塔式太阳能集热单元的高温热能加热工质超临界二氧化碳，将热能转化为电能并输出；
所述朗肯循环发电单元用于以超临界二氧化碳发电单元的排汽为热源，加热工质水进行做功发电；
所述有机朗肯循环发电用于以超临界二氧化碳发电单元和所述朗肯循环发电单元的排汽为热源，加热工质水进行做功发电。
7.根据权利要求6所述一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电方法，其特征在于，将太阳光聚焦到压力空腔式接收器(3)上，集中加热流经压力空腔式接收器(3)中的超临界二氧化碳工质，用以将太阳辐照能量转化为热能，然后将加热后的超临界二氧化碳工质输送给超临界二氧化碳发电单元。
8.根据权利要求6所述一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电方法，其特征在于，高温高压工质超临界二氧化碳进入二氧化碳透平(4)做功发电，之后超临界二氧化碳工质进入朗肯循环加热器(5)加热朗肯循环发电单元的工质水，然后进入第一有机工质加热器(6)，作为有机朗肯循环发电单元的驱动热源，随后超临界二氧化碳工质进入冷却器(7)中冷凝，之后进入预热器(9)中被朗肯循环发电单元的排汽预热，然后进入塔式太阳能集热单元中继续循环。
9.根据权利要求6所述一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电方法，其特征在于，被超临界二氧化碳发电单元加热的工质水进入背压汽轮机(10)做功发电，背压汽轮机(10)的排汽作为有机朗肯循环发电单元的热源，随后对超临界二氧化碳发电单元中的预热器(9)中的工质进行预热，随后进入冷凝器(12)冷凝，之后进入超临界二氧化碳发电单元被加热循环使用。
10.根据权利要求6所述一种太阳能超临界二氧化碳三重循环发电方法，其特征在于，以朗肯循环发电单元和超临界二氧化碳发电单元的排汽为热源，被加热后的有机工质进入膨胀机(14)做功，从膨胀机(14)出来的有机工质进入凝汽器(15)冷凝，然后进入储罐(16)，储罐(16)出来的有机工质分别进入朗肯循环发电单元和超临界二氧化碳发电单元进行加热，完成一个循环使用。
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