一种利用太阳能的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用太阳能的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统，包括风力压缩空气系统、太阳能加热系统、燃气轮机发电系统和超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。本发明通过风力机组直接驱动压缩机组压缩空气，压缩空气的热量传递给超临界二氧化碳布雷顿循环中的回热器，太阳能加热系统产生的热量随需求自动分配给燃机燃料或超临界二氧化碳回热器，对于燃气轮机的排气作为超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统的热源实现燃气-超临界二氧化碳联合动力循环，提高了系统的效率，并提供了稳定的供电电源。本发明能够提供稳定的供电系统，同时为风能、太阳能的利用以及超临界二氧化布雷顿动力循环的运用提供了新的思路。
【专利说明】一种利用太阳能的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统
【【技术领域】】
[0001]本发明属于可再生能源利用【技术领域】，具体涉及一种利用太阳能的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统。
【【背景技术】】
[0002]为解决和应对能源短缺和环境污染等问题，近些年来，政府不断加大对可再生能源研究的资金投入和示范推广及产业化力度，可再生能源在中国能源消费结构中所占的比例逐年提升。这其中，风能作为一种清洁可再生能源，对于替代煤炭发电和二氧化碳减排有着重要作用。太阳能同样是一种重要的可在生能源，并具有分布范围广、资源总量大、洁净无污染等特点，目前对太阳能的利用主要集中在转化为电能、热能、化学能等三个方面，太阳能作为热源使用，技术较为成熟，可以很好通过其运行工质提供足够的热能用来加热。
[0003]从80年代以后，由于燃气轮机的单机功率和热效率都有很大程度的提高，特别是燃气-蒸汽联合循环技术渐趋成熟，再加上世界范围内天然气资源的进一步开发，使燃气轮机得到了非常迅速的发展，燃气轮机及其联合循环在世界电力工业中的地位也发生了明显的变化。由于燃机联合循环装置效率高，机动性好，能满足日益严格的环保要求，目前全世界每年新增的装机容量中，有1/3以上系采用燃气-蒸汽联合循环机组，而美国则接近1/2。据不完全统计，全世界现有烧油和烧天然气的燃气轮机及其联合循环的装机总容量已经超过4亿kW。
[0004]利用超临界流体拟临界区物性突变现象，将压缩机运行点设置在拟临界温度附近的大密度区，将换热器运行点设置在拟临界温度之后的低密度区，可以在保证气体冷却的前提下，降低压缩功耗，实现较高的效率。超临界流体的这一性质使其作为能量转换工质时具有明显的优势。二氧化碳(CO2)由于其临界压力相对适中(7.38MPa)，具有较好的稳定性和核物理性质，在一定的温度范围内表现出惰性气体的性质，以及其无毒、储量丰富、天然存在等特性，被认为是最具应用前景的能量传输和能量转换工质之一。由于超临界二氧化碳(S-CO2)在一定的运行参数范围内密度较大且无相变，因此以超临界二氧化碳(S-CO2)为工质的压缩机、气轮机等动力系统设备结构紧凑、体积较小。布雷顿循环每个组合可以产出20MW的电力，占用空间只有四个立方米。超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环轮机通常用于大型热力和核能发电方面，包括下一代动力反应堆，目标是最终取代蒸汽驱动的朗肯循环轮机(效率较低，高温条件存在腐蚀性，同时由于需要非常大的轮机和冷凝器来处理多余的蒸汽，占用空间是30倍)。
【
【发明内容】
】
[0005]本发明的目的在于提供一种利用太阳能的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统，其能够提高发电系统效率，提供稳定供电电源，同时为风能、太阳能的利用以及超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)动力循环的运用提供新思路。
[0006]为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现:
[0007]—种利用太阳能的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统，包括风力压缩空气系统、太阳能加热系统、燃气轮机发电系统和超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统；其中，
[0008]风力压缩空气系统包括风力机组和稳压罐，该风力机组通过变速传动装置组与第一压缩机组连接，第一压缩机组上设有空气入口 ；
[0009]太阳能加热系统包括塔式太阳能集热器，该塔式太阳能集热器包括定日镜、接收器以及集热塔，其中，接收器接收来自定日镜太阳光照，其安装在集热塔的上方，接收器的换热工质进口与第一换热器组的换热工质出口连接，接收器的换热工质出口与第一换热器组的换热工质进口连接，构成一个循环回路，第一换热器组上设有燃料出入口，第一换热器组的燃料出口通过管道与燃料储存装置的进口连接；
[0010]燃气轮机发电系统包括燃烧器，燃烧器的气体入口与风力压缩空气系统中的稳压罐的气体出口相连通，燃烧器的燃料入口与太阳能加热系统中的燃料储存装置的出口相连通，燃烧器的出口与燃气透平的进口连接，燃气透平的出口与第二换热器组的进口连接，燃气透平通过轴系与燃气轮机发电机连接；
[0011]超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统包括回热器，第一压缩机组的出口与回热器的空气进口连接，回热器的空气出口与稳压罐的进口连接，接收器的换热工质进口与回热器的换热工质出口连接，接收器的换热工质出口与回热器的换热工质进口连接，构成一个循环回路，回热器的低温侧流体入口与第二压缩机组的流体出口连通，回热器的低温侧流体出口与第二换热器组的进口相连通，回热器的高温侧流体进口与蒸汽透平的出口连通，回热器的高温侧流体出口与冷却器的进口连通，冷却器的出口与第二压缩机组的进口连通，第二换热器组的出口与蒸汽透平的进口连通，蒸汽透平通过轴系分别与第二压缩机组和蒸汽透平发电机连接。
[0012]本发明进一步的改进在于:在回热器的出口与稳压罐的进口连接管路上安装有第一控制阀，稳压罐的出口与燃烧器的空气进口连接管路上安装有第二控制阀；在接收器的换热工质进口与第一换热器组的换热工质出口的连接管道上安装有第三控制阀，在接收器的换热工质进口与回热器的换热工质出口的连接管道上安装有第五控制阀，在接收器的换热工质出口与第一换热器组的换热工质进口的连接管道上安装有第四控制阀，在接收器的换热工质出口与回热器的换热工质进口的连接管道上安装有第六控制阀，在燃料储存装置的出口与燃烧器的燃料进口的连接管道上安装有第七控制阀。
[0013]本发明进一步的改进在于:超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统使用超临界二氧化碳为工质。
[0014]本发明进一步的改进在于:第二换热器组上还设有烟气出口。
[0015]相对于现有技术，本发明通过风力机组直接驱动压缩机组压缩空气，压缩空气的热量传递给超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环中的回热器，太阳能加热系统产生的热量随需求自动分配给燃机燃料或超临界二氧化碳回热器，对于燃气轮机的排气作为超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环发电系统的热源实现燃气-超临界二氧化碳联合动力循环，提高了系统的效率，并提供了稳定的供电电源。本发明综合了风力压缩空气系统、太阳能加热系统、燃气轮机发电系统、超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环发电系统，提供稳定的供电系统，同时为风能、太阳能的利用以及超临界二氧化碳 (S-CO2)布雷顿(Brayton)动力循环的运用提供了新的思路。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0016]图1是本发明一种利用太阳能的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统的整体结构示意图；
[0017]图中:1、风力机组，2、变速传动装置组，3、第一压缩机组，4、稳压罐，5、定日镜，6、接收器，7、集热塔，8、第一换热器组，9、燃料储存装置，10、燃烧器，11、燃气透平，12、燃气轮机发电机，13、第二换热器组，14、回热器，15、冷却器，16、第二压缩机组，17、蒸汽透平，18、蒸汽透平发电机。
【【具体实施方式】】
[0018]下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0019]参见图1，本发明一种利用太阳能的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统，包括风力压缩空气系统、太阳能加热系统、燃气轮机发电系统和超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环发电系统。
[0020]风力压缩空气系统包括风力机组1、变速传动装置组2、第一压缩机组3和稳压罐4，风力机组I通过变速传动装置组2与第一压缩机组3连接，第一压缩机组3上设有空气入口 ；
[0021]太阳能加热系统包括塔式太阳能集热器，该塔式太阳能集热器包括定日镜5、接收器6、集热塔7、第一换热器组8和燃料储存装置9，其中，接收器6接收来自定日镜5太阳光照，其与集热塔7相连，接收器6的换热工质进口与第一换热器组8的换热工质出口连接，接收器6的换热工质出口与第一换热器组8的换热工质进口连接，构成一个循环回路，第一换热器组8上设有燃料出入口，第一换热器组8的燃料出口通过管道与燃料储存装置9的进口连接；
[0022]燃气轮机发电系统包括燃烧器10、燃气透平11、燃气轮机发电机12和第二换热器组13，燃烧器10的气体入口与风力压缩空气系统中的稳压罐4的气体出口相连通，燃烧器10的燃料入口与太阳能加热系统中的燃料储存装置9的出口相连通，燃烧器10的出口与燃气透平11的进口连接，燃气透平11的出口与第二换热器组13的进口连接，燃气透平11通过轴系与燃气轮机发电机12连接；经由第一换热器组8加热的燃料和经由第一压缩机组3压缩的空气在燃烧器10中混合燃烧，形成高温燃气，进入燃气透平11中做功带动燃气轮发电机12发电，燃气透平11的排气进入第二换热器组13进行换热，换热后的乏汽从烟囱排出。
[0023]超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环动力系统包括回热器14、冷却器15、第二压缩机组16和蒸汽透平17，第一压缩机组3的出口与回热器14的空气进口连接，回热器14的空气出口与稳压罐4的进口连接，接收器6的换热工质进口与回热器14的换热工质出口连接，接收器6的换热工质出口与回热器14的换热工质进口连接，构成一个循环回路，回热器14的低温侧流体入口与第二压缩机组16的流体出口连通，回热器14的低温侧流体出口与第二换热器组13的进口相连通，回热器14的高温侧流体进口与蒸汽透平17的出口连通，回热器14的高温侧流体出口与冷却器15的进口连通，冷却器15的出口与第二压缩机组16的进口连通，第二换热器组13的出口与蒸汽透平17的进口连通，蒸汽透平17通过轴系与蒸汽透平发电机18连接。低温低压的二氧化碳气体经第二压缩机组16压缩升压，再经回热器14高温侧流体预热后，进入第二换热器组13进行换热，吸收热量后直接进入蒸汽透平17做功，带动蒸汽透平发电机18发电，做功后的乏气经回热器14中低温侧流体冷却后，再由冷却器15冷却至所需的压缩机组入口温度，最后从冷却器15出口进入第二压缩机组16，实现闭式循环。
[0024]进一步地，在回热器14的出口与稳压罐4的进口连接管路上安装有第一控制阀Fl，稳压罐4的出口与燃烧器10的空气进口连接管路上安装有第二控制阀F2 ;在接收器6的换热工质进口与第一换热器组8的换热工质出口的连接管道上安装有第三控制阀F3，在接收器6的换热工质进口与回热器14的换热工质出口的连接管道上安装有第五控制阀F5，在接收器6的换热工质出口与第一换热器组8的换热工质进口的连接管道上安装有第四控制阀F4，在接收器6的换热工质出口与回热器14的换热工质进口的连接管道上安装有第六控制阀F6，在燃料储存装置9的出口与燃烧器10的燃料进口的连接管道上安装有第七控制阀F7。
[0025]当风力机工作时，打开第一控制阀F1，关闭第二控制阀F2，风力机组I通过变速传动装置2拖动第一压缩机组3，第一压缩机组3将从外界吸收的空气进行压缩，形成具有高温高压的压缩空气，高温高压的压缩空气进入回热器14中，加热低温侧的超临界二氧化碳流体，经过在回热器14中换热后，进入稳压罐4中，当燃气轮机工作时，关闭第一控制阀F1，打开第二控制阀F2，稳压罐4中的压缩空气进入燃烧室10中，与燃料混合燃烧。
[0026]太阳能的热量可以随需求自动分配给燃机燃料或者超临界二氧化碳回热器，当需要给回热器14提供热量时，关闭第三控制阀F3和第四控制阀F4，打开第五控制阀F5和第六控制阀F6，换热工质在接收器6中吸收热量，吸热后的换热工质进入回热器14中与回热器14的低温侧流体进行换热，换热后的工质从回热器14的换热工质出口流出后，重新进入接收器6中形成循环，当需要加热燃机燃料时，关闭第五控制阀F5和第六控制阀F6，打开第三控制阀F3和第四控制阀F4，换热工质在接收器6中吸收热量，吸热后的换热工质进入第一换热器组8中与燃料进行换热，换热后的工质从第一换热器组8的换热器出口流出后，重新进入接收器6中形成循环，换热后的燃料进入燃料储存装置9中进行储存，待燃气轮机工作时，打开第七控制阀F7，燃料进入燃烧室10中，与压缩空气进行混合燃烧。
[0027]低温低压的CO2气体经第二压缩机组16压缩升压后，沿低温侧流体管道进入回热器14，经回热器14中高温侧流体预热后，进入第二换热器组13进行换热，超临界流体吸收热量后，直接进入蒸汽透平17做功带动蒸汽透平发电机发电，做功后的乏气沿高温侧流体管道进入回热器14，经回热器14中低温侧流体冷却后，进入冷却器15，由冷却器15冷却至所需的压缩机组入口温度，最后从冷却器出口进入第二压缩机组16，实现闭式循环。
[0028]本发明的风力压缩空气系统中，风力机组直接通过变速传动装置带动压缩机组做功，不需要转化为电能再由电动机组拖动压缩机组，减少了设备，节约了成本。
[0029]本发明的超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿(Brayton)循环动力系统中，由于超临界二氧化碳(S-CO2)在一定的运行参数范围内密度较大且无相变，因此以超临界二氧化碳(S-CO2)为工质的压缩机、气轮机等动力系统设备结构紧凑、体积较小，既节约成本，又节省空间。
【权利要求】
1.一种利用太阳能的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统，其特征在于:包括风力压缩空气系统、太阳能加热系统、燃气轮机发电系统和超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统；其中， 风力压缩空气系统包括风力机组(I)和稳压罐(4)，该风力机组(I)通过变速传动装置组(2)与第一压缩机组(3)连接，第一压缩机组(3)上设有空气入口 ； 太阳能加热系统包括塔式太阳能集热器，该塔式太阳能集热器包括定日镜(5)、接收器(6)以及集热塔(7)，其中，接收器(6)接收来自定日镜(5)太阳光照，其安装在集热塔(7)的上方，接收器出)的换热工质进口与第一换热器组(8)的换热工质出口连接，接收器(6)的换热工质出口与第一换热器组(8)的换热工质进口连接，构成一个循环回路，第一换热器组(8)上设有燃料出入口，第一换热器组(8)的燃料出口通过管道与燃料储存装置(9)的进口连接； 燃气轮机发电系统包括燃烧器(10)，燃烧器(10)的气体入口与风力压缩空气系统中的稳压罐⑷的气体出口相连通，燃烧器(10)的燃料入口与太阳能加热系统中的燃料储存装置(9)的出口相连通，燃烧器(10)的出口与燃气透平(11)的进口连接，燃气透平(11)的出口与第二换热器组(13)的进口连接，燃气透平(11)通过轴系与燃气轮机发电机(12)连接； 超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统包括回热器(14)，第一压缩机组(3)的出口与回热器(14)的空气进口连接，回热器(14)的空气出口与稳压罐⑷的进口连接，接收器(6)的换热工质进口与回热器(14)的换热工质出口连接，接收器(6)的换热工质出口与回热器(14)的换热工质进口连接，构成一个循环回路，回热器(14)的低温侧流体入口与第二压缩机组(16)的流体出口连通，回热器(14)的低温侧流体出口与第二换热器组(13)的进口相连通，回热器(14)的高温侧流体进口与蒸汽透平(17)的出口连通，回热器(14)的高温侧流体出口与冷却器(15)的进口连通，冷却器(15)的出口与第二压缩机组(16)的进口连通，第二换热器组(13)的出口与蒸汽透平(17)的进口连通，蒸汽透平(17)通过轴系分别与第二压缩机组(16)和蒸汽透平发电机(18)连接。
2.根据权利要求1所述的利用可再生能源的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统，其特征在于:在回热器(14)的出口与稳压罐(4)的进口连接管路上安装有第一控制阀(Fl)，稳压罐(4)的出口与燃烧器(10)的空气进口连接管路上安装有第二控制阀(F2);在接收器(6)的换热工质进口与第一换热器组(8)的换热工质出口的连接管道上安装有第三控制阀(F3)，在接收器(6)的换热工质进口与回热器(14)的换热工质出口的连接管道上安装有第五控制阀(F5)，在接收器￠)的换热工质出口与第一换热器组(8)的换热工质进口的连接管道上安装有第四控制阀(F4)，在接收器(6)的换热工质出口与回热器(14)的换热工质进口的连接管道上安装有第六控制阀(F6)，在燃料储存装置(9)的出口与燃烧器(10)的燃料进口的连接管道上安装有第七控制阀(F7)。
3.根据权利要求1所述的利用可再生能源的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统，其特征在于:超临界二氧化碳布雷顿循环动力系统使用超临界二氧化碳为工质。
4.根据权利要求1所述的利用可再生能源的燃气-超临界二氧化碳联合动力发电系统，其特征在于:第二换热器组(13)上还设有烟气出口。
【文档编号】F01K23/02GK104405599SQ201410494094
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】谢永慧, 陈会勇, 张荻 申请人:西安交通大学