CN112290656A - 结合制氢储能及燃料电池技术的超临界co2太阳能发电***及方法 - Google Patents

结合制氢储能及燃料电池技术的超临界co2太阳能发电***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电***及方法，太阳能集热器的出口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电***的入口相连通，太阳能集热器的入口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电***的出口相连通，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***的输出端与外界电网及电解池的电源接口相连接，电解池的氧气出口与碳酸盐燃料电池***中的氧气入口相连通，电解池的氢气出口与碳酸盐燃料电池***的氢气入口相连通，碳酸盐燃料电池***的输出端与外界电网相连接，该***及方法能够超临界二氧化碳布雷顿循环发电***、电解制氢***、碳酸盐燃料电池***的集成，实现太阳能的存储及电力的稳定输出。

Description

结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电***及 方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电***及方法，具体涉及一种结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电***及方法。
背景技术
太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，由于太阳能光热发电理论上可以达到与太阳温度一样的高温，而众所周知，温度越高热效率越高，所以太阳能光热发电越发受到重视。
光热发电需要将光能转换为热能，再通过热力循环实现热电转换，目前在众多热力循环当中，超临界布雷顿循环是一种最有优势的循环形式。新型超临界工质二氧化碳、氦气和氧化二氮等具有能量密度大，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。尤其是当热端温度达到500℃以上后超临界二氧化碳布雷顿循环的优势会随着温度越来越明显，其热效率会逐渐拉开与传统蒸汽循环或其他工质循环的距离。
但太阳能不仅存在着日辐射量周期性变化，还存在辐射量季节性变化，同时随时会受到阴雨等天气因素的影响。目前理论上可以采用较为廉价的蓄热储能来解决太阳能昼夜分布不均的问题，这也是太阳能光热发电的重要优势之一，但热力循环希望通过提高循环最高温度来提高热效率，而随着最高温度的提高蓄热温度也不断提高，这给蓄热材料、蓄热***容器、保温措施等都带来了更大的困难。
目前电解水制氢技术、以及燃料电池技术日趋成熟，制氢所需原料为水，无毒无污染，电解水后产生的氢气和氧气又可以成为燃料电池的燃料重新利用。碳酸盐燃料电池采用了热量回收设计后其效率可达到 60％以上。若可以将超临界二氧化碳布雷顿循环发电***、电解制氢***、碳酸盐燃料电池***结合起来，不仅效率高，同时可以实现太阳能的储存以及电力输出的稳定。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电***及方法，该***及方法能够超临界二氧化碳布雷顿循环发电***、电解制氢***、碳酸盐燃料电池***的集成，实现太阳能的存储及电力的稳定输出。
为达到上述目的，本发明所述的结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电***包括太阳能集热器、超临界二氧化碳布雷顿循环发电***、碳酸盐燃料电池***及电解池，其中，太阳能集热器的出口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电***的入口相连通，太阳能集热器的入口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电***的出口相连通，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***的输出端与外界电网及电解池的电源接口相连接，电解池的氧气出口与碳酸盐燃料电池***中的氧气入口相连通，电解池的氢气出口与碳酸盐燃料电池***的氢气入口相连通，碳酸盐燃料电池***的输出端与外界电网相连接。
所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电***包括燃气锅炉、二氧化碳透平、发电机、二氧化碳高温回热器、二氧化碳低温回热器、预冷器、二氧化碳主压缩机及二氧化碳再压缩机，其中，太阳能集热器的出口与二氧化碳透平的进口相连通，二氧化碳透平的出口与二氧化碳高温回热器的热侧进口相连通，二氧化碳高温回热器的热侧出口与二氧化碳低温回热器的热侧进口相连通，二氧化碳低温回热器的热侧出口分为两路，一路与二氧化碳再压缩机的入口相连通，另一路与预冷器的二氧化碳侧入口相连通，预冷器的二氧化碳侧出口与二氧化碳主压缩机的入口相连通，二氧化碳主压缩机的出口与二氧化碳低温回热器的冷侧入口相连通，二氧化碳低温回热器的冷侧出口与二氧化碳再压缩机的出口通过管道并管后与二氧化碳高温回热器的冷侧入口连通，二氧化碳高温回热器的冷侧出口分为两路，一路与太阳能集热器的入口相连通，另一路与燃气锅炉的二氧化碳侧入口相连通，燃气锅炉的二氧化碳侧出口与二氧化碳透平的进口相连通，二氧化碳透平与发电机轴连接，发电机的两个电极与电解池连接。
碳酸盐燃料电池***包括外部空气进气管、外部空气入口管道、碳酸盐燃料电池、阴极气预热器及氢气预热器；
电解池的氧气出口与外部空气进气管通过管道并管后与燃气锅炉的空气-氧气进气口连接，电解池的氢气出口与氢气预热器的氢气侧进口连通，氢气预热器的氢气侧出口与碳酸盐燃料电池的阳极进口连通，碳酸盐燃料电池的阳极出口与燃气锅炉的氢气入口连通，燃气锅炉的烟气出口与氢气预热器的烟气侧入口连接，氢气预热器的凝结水出口与电解池的回收水入口连接，氢气预热器的烟气侧出口与外部空气入口管道通过管道并管后与阴极气预热器的阴极气入口相连接，阴极气预热器的阴极气出口与碳酸盐燃料电池的阴极入口相连接，碳酸盐燃料电池的阴极出口与阴极气预热器的过量气体入口连接，阴极气预热器的过量气体出口与外部大气连通。
还包括储氢罐，其中，电解池的氢气出口与储氢罐的入口连接，储氢罐的出口与氢气预热器的氢气侧进口连通。
还包括储氧罐，其中，电解池的氧气出口与储氧罐的入口相连接，储氧罐的出口与外部空气进气管通过管道并管后与燃气锅炉的空气-氧气进气口连接。
一种结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电方法包括以下步骤：
在阳光充足时，太阳能集热器进行集热，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***利用太阳能集热器收集的热量进行发电，其中，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***产生的电能优先供给外界电网，同时电解池利用剩余电能进行电解水，以生成氢气及氧气，同时对氢气及氧气进行存储；
在阳光不足时，太阳能集热器进行集热，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***利用太阳能集热器收集的热量进行发电，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***产生的电能全部供给外部电网，当超临界二氧化碳布雷顿循环发电***产生的电能不能满足外部电网需求时，则启动碳酸盐燃料电池***，碳酸盐燃料电池***利用存储的氧气及氢气发电，并将产生的电能输送至外部电网中，以满足外部电网需求。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电***及方法在具体操作时，在阳光充足时，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***产生的电能优先供给外界电网，同时电解池利用剩余电能进行电解水，以生成氢气及氧气；当阳光不足时，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***产生的电能不能满足外部电网需求时，碳酸盐燃料电池***利用存储的氧气及氢气发电，并将产生的电能输送至外部电网中，以满足外部电网需求，以实现超临界二氧化碳布雷顿循环发电***、电解制氢***、碳酸盐燃料电池***的集成，实现太阳能的存储及电力的稳定输出，***的整体综合效率更高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1-1为太阳能集热器、1-2为二氧化碳透平、1-3为发电机、 1-4为二氧化碳高温回热器、1-5为二氧化碳低温回热器、1-6为预冷器、 1-7为二氧化碳主压缩机、1-8为二氧化碳再压缩机、2-1为燃气锅炉、 2-2为氢气预热器、2-3为电解池、2-4为储氢罐、2-5为碳酸盐燃料电池、2-6为阴极气预热器、2-7为储氧罐。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的结合制氢储能及燃料电池技术的超临界 CO2太阳能发电***包括太阳能集热器1-1、超临界二氧化碳布雷顿循环发电***、碳酸盐燃料电池***及电解池2-3，其中，太阳能集热器 1-1的出口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电***的入口相连通，太阳能集热器1-1的入口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电***的出口相连通，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***的输出端与外界电网及电解池 2-3的电源接口相连接，电解池2-3的氧气出口与碳酸盐燃料电池***中的氧气入口相连通，电解池2-3的氢气出口与碳酸盐燃料电池***的氢气入口相连通，碳酸盐燃料电池***的输出端与外界电网相连接。
所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电***包括燃气锅炉2-1、二氧化碳透平1-2、发电机1-3、二氧化碳高温回热器1-4、二氧化碳低温回热器1-5、预冷器1-6、二氧化碳主压缩机1-7及二氧化碳再压缩机1-8，其中，太阳能集热器1-1的出口与二氧化碳透平1-2的进口相连通，二氧化碳透平1-2的出口与二氧化碳高温回热器1-4的热侧进口相连通，二氧化碳高温回热器1-4的热侧出口与二氧化碳低温回热器1-5的热侧进口相连通，二氧化碳低温回热器1-5的热侧出口分为两路，一路与二氧化碳再压缩机1-8的入口相连通，另一路与预冷器1-6的二氧化碳侧入口相连通，预冷器1-6的二氧化碳侧出口与二氧化碳主压缩机1-7的入口相连通，二氧化碳主压缩机1-7的出口与二氧化碳低温回热器1-5 的冷侧入口相连通，二氧化碳低温回热器1-5的冷侧出口与二氧化碳再压缩机1-8的出口通过管道并管后与二氧化碳高温回热器1-4的冷侧入口连通，二氧化碳高温回热器1-4的冷侧出口分为两路，一路与太阳能集热器1-1的入口相连通，另一路与燃气锅炉2-1的二氧化碳侧入口相连通，燃气锅炉2-1的二氧化碳侧出口与二氧化碳透平1-2的进口相连通，二氧化碳透平1-2与发电机1-3轴连接，发电机1-3的两个电极与电解池2-3连接。
碳酸盐燃料电池***包括外部空气进气管、外部空气入口管道、碳酸盐燃料电池2-5、阴极气预热器2-6及氢气预热器2-2；电解池2-3 的氧气出口与外部空气进气管通过管道并管后与燃气锅炉2-1的空气- 氧气进气口连接，电解池2-3的氢气出口与氢气预热器2-2的氢气侧进口连通，氢气预热器2-2的氢气侧出口与碳酸盐燃料电池2-5的阳极进口连通，碳酸盐燃料电池2-5的阳极出口与燃气锅炉2-1的氢气入口连通，燃气锅炉2-1的烟气出口与氢气预热器2-2的烟气侧入口连接，氢气预热器2-2的凝结水出口与电解池2-3的回收水入口连接，氢气预热器2-2的烟气侧出口与外部空气入口管道通过管道并管后与阴极气预热器2-6的阴极气入口相连接，阴极气预热器2-6的阴极气出口与碳酸盐燃料电池2-5的阴极入口相连接，碳酸盐燃料电池2-5的阴极出口与阴极气预热器2-6的过量气体入口连接，阴极气预热器2-6的过量气体出口与外部大气连通。
本发明还包括储氢罐2-4，其中，电解池2-3的氢气出口与储氢罐 2-4的入口连接，储氢罐2-4的出口与氢气预热器2-2的氢气侧进口连通。
本发明还包括储氧罐2-7，其中，电解池2-3的氧气出口与储氧罐 2-7的入口相连接，储氧罐2-7的出口与外部空气进气管通过管道并管后与燃气锅炉2-1的空气-氧气进气口连接。
本发明所述的结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电方法包括以下步骤：
在阳光充足时，太阳能集热器1-1进行集热，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***利用太阳能集热器1-1收集的热量进行发电，其中，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***产生的电能优先供给外界电网，同时电解池2-3利用剩余电能进行电解水，以生成氢气及氧气，同时对氢气及氧气进行存储；
在阳光不足时，太阳能集热器1-1进行集热，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***利用太阳能集热器1-1收集的热量进行发电，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***产生的电能全部供给外部电网，当超临界二氧化碳布雷顿循环发电***产生的电能不能满足外部电网需求时，则启动碳酸盐燃料电池***，碳酸盐燃料电池***利用存储的氧气及氢气发电，并将产生的电能输送至外部电网中，以满足外部电网需求。
具体的，在阳光充足时，高压低温二氧化碳气体在太阳能集热器1-1 中被加热，然后进入二氧化碳透平1-2中做功，做功后的低压二氧化碳气体在二氧化碳高温回热器1-4中放热，然后进入二氧化碳低温回热器 1-5继续放热，随后分为两路，其中，一路进入二氧化碳再压缩机1-8 被压缩，另一路在预冷器1-6被继续冷却，冷却后的二氧化碳气体进入二氧化碳主压缩机1-7中压缩，压缩后的二氧化碳气体进入二氧化碳低温回热器1-5中预热，预热后的二氧化碳气体与经二氧化碳再压缩机1-8 压缩的气体汇合后进入二氧化碳高温回热器1-4中吸热，随后进入太阳能集热器1-1中被加热到理想的高温，完成整个二氧化碳回路循环。
在阳光充足时，二氧化碳透平1-2带动发电机1-3发出的电能分为两路，其中一路用于输出电网，多余的电能用于电解电解池2-3中的水制氢，产生的氢气储存于储氢罐2-4中，产生的氧气储存于储氧罐2-7 中。
当阳光不足时，高压低温二氧化碳气体分为两路，其中一路进入太阳能集热器1-1中，另一路进入燃气锅炉2-1中被补充加热，被加热后的高温高压二氧化碳气体继续完成上述二氧化碳侧循环，并且向电网输出电能，但停止电解电解池2-3中的水。
同时在阳光不足时，燃料电池***开始工作，补充输出电能，此时，储氢罐2-4中的氢气开始输出，首先进入氢气预热器2-2中被预热，随后进入碳酸盐燃料电池2-5的阳极进行化学反应，部分氢气反应生成水蒸气，并且碳酸盐燃料电池2-5中释放部分二氧化碳，反应方程为：
Figure BDA0002791803000000091
同时储氧罐2-7中的氧气与空气汇流后进入燃气锅炉2-1中与碳酸盐燃料电池2-5阳极反应后残余的氢气进行燃烧，部分热量用于加热高压二氧化碳，烟气进入氢气预热器2-2中被冷却，烟气中的水蒸气被冷凝后，进入电解池2-3中被回收，剩余的二氧化碳及部分未燃烧的氧气则与外部空气混合后进入阴极气预热器2-6中被重新加热，被加热后的阴极气体进入碳酸盐燃料电池2-5的阴极进行化学反应，反应后的废气进入阴极气预热器2-6中释放热量，然后排出，反应方程为：
Figure BDA0002791803000000092
碳酸盐燃料电池2-5输出的电能用于补充太阳能发电缺口。
当无阳光时，超临界二氧化碳布雷顿循环***无法启动工作，但碳酸盐燃料电池***仍然可以单独工作，补充部分电能，工作过程如上所述。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电***，其特征在于，包括太阳能集热器(1-1)、超临界二氧化碳布雷顿循环发电***、碳酸盐燃料电池***及电解池(2-3)，其中，太阳能集热器(1-1)的出口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电***的入口相连通，太阳能集热器(1-1)的入口与超临界二氧化碳布雷顿循环发电***的出口相连通，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***的输出端与外界电网及电解池(2-3)的电源接口相连接，电解池(2-3)的氧气出口与碳酸盐燃料电池***中的氧气入口相连通，电解池(2-3)的氢气出口与碳酸盐燃料电池***的氢气入口相连通，碳酸盐燃料电池***的输出端与外界电网相连接。
2.根据权利要求1所述的结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电***，其特征在于，所述超临界二氧化碳布雷顿循环发电***包括燃气锅炉(2-1)、二氧化碳透平(1-2)、发电机(1-3)、二氧化碳高温回热器(1-4)、二氧化碳低温回热器(1-5)、预冷器(1-6)、二氧化碳主压缩机(1-7)及二氧化碳再压缩机(1-8)，其中，太阳能集热器(1-1)的出口与二氧化碳透平(1-2)的进口相连通，二氧化碳透平(1-2)的出口与二氧化碳高温回热器(1-4)的热侧进口相连通，二氧化碳高温回热器(1-4)的热侧出口与二氧化碳低温回热器(1-5)的热侧进口相连通，二氧化碳低温回热器(1-5)的热侧出口分为两路，一路与二氧化碳再压缩机(1-8)的入口相连通，另一路与预冷器(1-6)的二氧化碳侧入口相连通，预冷器(1-6)的二氧化碳侧出口与二氧化碳主压缩机(1-7)的入口相连通，二氧化碳主压缩机(1-7)的出口与二氧化碳低温回热器(1-5)的冷侧入口相连通，二氧化碳低温回热器(1-5)的冷侧出口与二氧化碳再压缩机(1-8)的出口通过管道并管后与二氧化碳高温回热器(1-4)的冷侧入口连通，二氧化碳高温回热器(1-4)的冷侧出口分为两路，一路与太阳能集热器(1-1)的入口相连通，另一路与燃气锅炉(2-1)的二氧化碳侧入口相连通，燃气锅炉(2-1)的二氧化碳侧出口与二氧化碳透平(1-2)的进口相连通，二氧化碳透平(1-2)与发电机(1-3)轴连接，发电机(1-3)的两个电极与电解池(2-3)连接。
3.根据权利要求2所述的结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电***，其特征在于，碳酸盐燃料电池***包括外部空气进气管、外部空气入口管道、碳酸盐燃料电池(2-5)、阴极气预热器(2-6)及氢气预热器(2-2)；
电解池(2-3)的氧气出口与外部空气进气管通过管道并管后与燃气锅炉(2-1)的空气-氧气进气口连接，电解池(2-3)的氢气出口与氢气预热器(2-2)的氢气侧进口连通，氢气预热器(2-2)的氢气侧出口与碳酸盐燃料电池(2-5)的阳极进口连通，碳酸盐燃料电池(2-5)的阳极出口与燃气锅炉(2-1)的氢气入口连通，燃气锅炉(2-1)的烟气出口与氢气预热器(2-2)的烟气侧入口连接，氢气预热器(2-2)的凝结水出口与电解池(2-3)的回收水入口连接，氢气预热器(2-2)的烟气侧出口与外部空气入口管道通过管道并管后与阴极气预热器(2-6)的阴极气入口相连接，阴极气预热器(2-6)的阴极气出口与碳酸盐燃料电池(2-5)的阴极入口相连接，碳酸盐燃料电池(2-5)的阴极出口与阴极气预热器(2-6)的过量气体入口连接，阴极气预热器(2-6)的过量气体出口与外部大气连通。
4.根据权利要求3所述的结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电***，其特征在于，还包括储氢罐(2-4)，其中，电解池(2-3) 的氢气出口与储氢罐(2-4)的入口连接，储氢罐(2-4)的出口与氢气预热器(2-2)的氢气侧进口连通。
5.根据权利要求3所述的结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电***，其特征在于，还包括储氧罐(2-7)，其中，电解池(2-3)的氧气出口与储氧罐(2-7)的入口相连接，储氧罐(2-7)的出口与外部空气进气管通过管道并管后与燃气锅炉(2-1)的空气-氧气进气口连接。
6.一种结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电方法，其特征在于，权利要求1所述的结合制氢储能及燃料电池技术的超临界CO2太阳能发电***，包括以下步骤：
在阳光充足时，太阳能集热器(1-1)进行集热，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***利用太阳能集热器(1-1)收集的热量进行发电，其中，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***产生的电能优先供给外界电网，同时电解池(2-3)利用剩余电能进行电解水，以生成氢气及氧气，同时对氢气及氧气进行存储；
在阳光不足时，太阳能集热器(1-1)进行集热，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***利用太阳能集热器(1-1)收集的热量进行发电，超临界二氧化碳布雷顿循环发电***产生的电能全部供给外部电网，当超临界二氧化碳布雷顿循环发电***产生的电能不能满足外部电网需求时，则启动碳酸盐燃料电池***，碳酸盐燃料电池***利用存储的氧气及氢气发电，并将产生的电能输送至外部电网中，以满足外部电网需求。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113005475A (zh) * 2021-03-12 2021-06-22 浙江工业大学 一种基于氨基热化学能储能的太阳能高温电解水耦合制氢的***及工艺
CN113540504A (zh) * 2021-07-16 2021-10-22 中国科学院上海应用物理研究所 热泵式-氢能复合储能发电方法及装置
CN117128060A (zh) * 2022-12-01 2023-11-28 上海慕帆动力科技有限公司 一种基于可再生能源的联合循环发电***

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