一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统的制作方法

本发明涉及一种塔式太阳能热发电系统装置，特别是涉及一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统。

背景技术：

太阳能资源丰富，但能流密度低，应运而生了聚光太阳能技术，聚光太阳发电系统耦合储能技术可克服太阳辐射呈间歇性的缺陷，实现连续发电并具备基本负荷特征，使其明显优于其他可再生能源技术，成为当前新能源和可再生能源开发与利用的最热门研究方向。“十三五”时期，我国太阳能发电产业规模有望得到大幅提升。根据国家能源局提供的规模发展指标，到2020年底，实现7％电力结构比重的太阳能装机规模，其中太阳能热发电总装机容量有望达到1000万千瓦，约占太阳能总装机容量的6％。

根据聚光方式的不同，聚光太阳能热发电技术(CSP)主要有槽式、塔式、碟式和菲涅尔式，前两者已进入商业化运行阶段，后两者处于示范和试验阶段。槽式发电技术最为成熟，商业化最为广泛，约占全球商业化运行太阳能热电站的85％。该技术只对太阳能辐射进行一维跟踪，聚光比低，运行温度基本在50-400℃，热效率较低；与塔式、碟式系统相比，抗风系统差。碟式系统聚光比高达数百到数千，也可使换热工质达到高温，且其系统可单独运行。但系统功率小，主要连接斯特林发电装置。菲涅尔系统聚光效率高，但工作效率低，目前处于示范工程阶段。塔式热发电系统通常利用大量定日镜将太阳辐射聚集在高塔顶端的集热接收器上，使热转换工质(蒸汽、熔盐、空气等)获得高温，并驱动动力系统发电或进入蓄热系统放热。定日镜采用双轴跟踪方式，聚光比可达150-2000倍，聚光效果高，工质温度最高可达1600℃，该特点使得目前一些高效先进的动力系统的应用成为可能，从而提高热功转换效率，同时适合大规模发电。但其定日镜需高精度跟踪系统，且吸热器需达到的温度更高，因而镜场及吸热器造价高，导致发电成本高。相比与其他系统，塔式太阳能发电技术最具发展潜能。当前美国、西班牙、印度、南非、墨西哥、澳大利亚、中国等多国均对塔式太阳能系统投入大量研究，包括概念设计、部件研究、示范工程等，以提高塔式太阳能发电效率，降低投资成本，使塔式太阳能发电技术可与当前传统发电型式发电成本相竞争。本发明涉及塔式太阳能新型换热工质，新型蓄热技术及新型动力系统，因而就这几项对塔式太阳能热发电系统现有技术进行说明。

1)吸热、传热工质：塔式太阳能吸热器传热工质多样化，可以为水/蒸汽、熔盐、常压空气、加压空气、超临界蒸汽以及其他气体。当前商业电站中主要采用水/蒸汽和熔盐，其他介质处于示范、部件研究或概念设计阶段。水/蒸汽是较成熟的吸热工质，冷凝水被送至塔顶的吸热器，依次被加热、蒸发甚至过热，该吸热器技术成熟，换热系数高，且输送不可压水至塔顶的水泵耗功少。饱和或过热蒸气可直接驱动成熟的汽轮机机组，或将热量存储于蓄热系统中。但由于高温蒸汽对应的压力高，当前蒸汽温度范围为400-500℃，压力范围为5-12MPa，若蒸汽参数向火电装置的超临界参数发展，对应的压力将超过20MPa。高压环境要求吸热器中管子厚度增加，管子应力也相应加大，会一定程度上降低吸收太阳辐射热的换热系数，限制了太阳的辐射通量。且吸热器中产生过热蒸汽存在不同区域换热系数差异控制的问题，相比较而言饱和蒸汽对吸热板寿命及吸热控制更有利，因而商业化机组中通常偏向饱和蒸汽。目前世界上采用水/水蒸气作为吸热工质的塔式发电站主要有意大利的EURELIOS，日本的SUNSHINE，美国的Solar One，西班牙的CESA-1，俄罗斯的SPP-5，以及中国的八达岭。

熔盐因其高热容密度、高传热系数及价格低廉成为当前最具潜力及广泛应用的传热介质。熔盐作为吸热工质的同时还可兼做蓄热工质，同时其运行系统压力低，系统工作相对安全，吸热器设计更紧凑，制造成本降低，热损失降低。但熔盐介质仍有一些明显的缺点：1)熔盐作为吸热工质，在整个管路中流动，夜间没有太阳能输入的情况下，吸热器管路中的熔盐在温度降低后会凝固，如现常用的40％KNO₃/60％NaNO₃二元盐熔点温度为220℃，系统需要较好的保温措施并增设防止熔盐凝固的伴热设备；3)若系统停机，需用高压氮气将吸热器中的残余熔盐吹出，以避免熔盐凝固；4)高温熔盐对熔盐泵的腐蚀性导致系统安全运行的隐患，高温熔盐对吸热器换热管子的腐蚀也导致集热器效率降低，导致安全隐患，运行时间短；5)不适合大功率塔式太阳能发电系统，塔高增加和循环熔盐流量的增加都会导致熔盐泵功耗和造价的提高，熔盐泵耗功明显高于水泵。世界上采用熔盐作为吸热、换热介质的塔式太阳能电站主要有美国的MSEE、Solar Two，法国的THEMIS，西班牙的Solar Tres。当前针对换热介质熔盐的主要研究方向为开发低熔点高可靠性的新型熔盐，以期降低系统成本并提高系统安全性。

空气介质因其低成本，高安全性，最重要的是可达到更高工作温度开始备受关注。采用空气作为吸热介质时分为常压空气和加压空气，常压空气作为吸热介质时通过中间换热器耦合汽轮机发电系统，如德国的试验电站Jülich。由于采用低压空气，且气体传热能力低，导致吸热器体积庞大，且蒸汽朗肯循环机组最高温度受限与目前的材料技术(一般不超过625℃)，使得空气换得的高温不能被充分利用。吸热介质为高压空气时主要耦合开式燃机循环或联合循环，该方式可充分基于现有的成熟燃机机组技术。目前该项技术处于部件研究和概念设计阶段。空气吸热器主要有容积式和腔体式结构，以色列的Weizmann研究院、德国航空航天中心DLR等实验室开展了多种高温空气吸热器研究，并对其换热性能和流动特性进行了深入研究。相比于液体，空气比热小，大流量高温空气输送到高空难度较大，且当空气输送压力较高体积流量较大时，系统自用电比例增大，降低系统的净发电效率。

2)蓄热系统：太阳能资源虽取之不尽用之不竭，但太阳辐射能是一种不稳定的随机自然能源，且呈现间歇性，为了满足连续的电力负荷需求，同时避免动力系统的频繁起停，亟需高效的蓄热系统。当太阳辐射能不足或夜间时，启动蓄热系统，从而保证动力系统的连续运行。

蓄热方式有显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热。

显热蓄热介质包括固态和液态，固态蓄热介质有砂石、耐火砖、混凝土、蜂窝陶瓷、复相陶瓷等，液态蓄热介质主要为熔盐，由于熔融盐具备如下特性，使其成为最广泛应用的显热蓄热介质：使用温度范围广，且具有相对的热稳定性；熔融盐导热性能良好；蒸气压低，特别是混合熔融盐；热容量大；黏度低且化学稳定性好。目前商用化塔式系统中基本采用熔盐蓄热，蓄热时间可设计长达15小时，实现了动力系统的不间断供电。

相变蓄热可实现恒温蓄热和放热，输出的温度和能量稳定，且蓄热密度大，单位容积蓄热量明显高于显热存储，发展潜力大。目前已实现了采用蒸汽作为相变介质的中低温蓄热，采用高温相变介质的蓄热还处于研究阶段，未有应用于示范项目报道。目前最具潜力的高温蓄热相变蓄热介质主要有高温熔盐和金属合金。高温熔盐的应用瓶颈在于导热系数低，从而影响蓄热系统的充放热速率。金属合金导热系数非常高，且蓄热密度大，具备较高的相变潜热，热循环稳定性好。但明显缺陷是液态金属合金腐蚀性强，对相应容器材料要求高，且金属合金相变材料在蓄热领域的研究很不充分。蓄热材料的温度和相态随系统充发热的过程而变化，相应物性参数也会发生改变，并影响系统蓄热和传热性能，而相关的数据积累少。高温液态金属合金与容器材料相容性研究缺乏系统性和规律性。进一步开发相变蓄热技术的关键是相变蓄热材料热物性强化的研究，并解决不均匀传热、气穴、热应力、侵蚀及材料等问题。

3)动力系统：当前聚光太阳能技术主要配备技术成熟的蒸汽轮机作为动力系统，塔式太阳能系统由于其可提供的高温传热介质的特性可配套基于布雷顿循环或联合循环的高温高效动力系统。目前商业应用中所配备的汽轮机动力装置的蒸汽温度基本处于亚临界范围，蒸汽参数可以向超临界和超超临界参数发展，但限于当前材料和工艺水平，汽轮机朗肯循环系统的效率进一步提升的空间很小，且系统造价高，装备尺寸大。

布雷顿循环包括开式和闭式循环。采用空气作为吸热介质时，直接将高压空气加热到1000℃左右推动燃机，而后将蒸汽朗肯循环作为底循环实现热能的梯级利用，提高热效率，该动力循环即基于开式布雷顿+朗肯的联合循环。当前国内外该项动力系统的应用还处于研究阶段。

基于闭式布雷顿循环的动力系统应用于塔式太阳能系统基本处于概念设计阶段。基于闭式布雷顿循环的动力系统工质可以多样化，包括空气、氦气、超临界CO₂以及其他惰性气体混合气。目前研究最广泛的闭式布雷顿循环工质为超临界CO₂，空气闭式循环应用于塔式太阳能热发电系统在80年代有提出过详细的概念设计，但无后续试验推进。相比较于蒸汽朗肯循环和开式燃机布雷顿循环，基于闭式布雷顿循环的动力系统优势明显：1)循环效率高，如SCO₂工质在温度为600℃时即可达到45％的动力系统热功转换效率，氦气工质在温度为850℃时热功转换效率亦高达45-48％；2)尺寸小，布局紧凑。以氦气工质为例，相同功率水平下动力系统占地空间仅为蒸汽轮机动力系统的1/5；3)可同时保证基本负荷和变负荷情况下系统高效运行：变负荷调节方式多样，且可最大化的维持机组不偏离设计工作点高效运行；4)装置冷却系统冷却源既可为风冷，也可为水冷，即满足无水运行条件。

美国专利US7685820“超临界二氧化碳聚光太阳能发电系统装置”中提出了采用超临界二氧化碳涡轮替换塔式太阳能动力系统中的蒸汽轮机装置，熔盐仍作为吸热、换热和蓄热介质，保证压气机进口二氧化碳参数略高于超临界态，即7.38MPa，30.98℃。该专利的中国同族专利为200710306179.3。后续中国专利201010277740.1亦提出了一种带蓄热的超临界二氧化碳太阳能热发电系统，不同的是循环中二氧化碳的最低温度低于临界点，即压缩机由二氧化碳增压液泵替代，实现跨临界压缩，进一步提高循环效率。超临界二氧化碳动力装置效率高、装置紧凑，但其工作环境高，达20MPa左右，且超临界二氧化碳叶轮机械设计成熟度低，控制系统较复杂，目前仍处于部件和系统的实验阶段。近期中国专利201510068135.6中提出了一种采用闭式循环布雷顿循环的塔式太阳能热发电方法及系统，该系统中采用水蒸气作为吸热工质，即在吸热器中实现再热过程，整个水蒸气循环不同于传统的蒸汽朗肯循环的高压高温蒸汽做功，而是采用低压高温蒸汽推动汽轮机做功，同时耦合燃气轮机装置和底部朗肯循环，利用燃机循环透平的高温尾气加热进入吸热器前的水，使其蒸发为水蒸气；底部朗肯循环作为冷凝器的冷源进一步利用余热，实现热量的梯级利用，提高循环效率。该循环欲充分利用水泵耗功少的优势及热量的梯级利用，但实现起来较困难，且高温低压水蒸气(700-1500℃)做功能力差，密度低(导致设备尺寸大)，同时仍存在水蒸气腐蚀问题，对材料要求高。

当前塔式太阳能发电系统广泛商业化面临的关键问题即为降低投资成本，使其形成与传统发电成本的竞争能力。降低投资成本主要着力于增大系统装机容量、优化镜场及吸热器设计、开发高效经济的蓄热系统以及配套经济高效热功转换系统。过去统计表明不同吸热工质下系统成本影响因子先后顺序略有差异，如采用熔盐换热介质时依次为增大系统功率、优化定日镜尺寸和结构设计、采用先进的镜场设计、先进的蓄热系统；采用蒸汽换热介质时依次为增大系统功率、优化定日镜尺寸和结构设计、采用超临界蒸汽、先进蓄热、镜场；采用常压空气换热介质依次为增大系统功率、优化定日镜尺寸和结构设计、先进蓄热、提高吸热器性能、先进镜场设计。

本发明的目的在于充分利用塔式太阳能高聚光比，寻求有利于高温吸热器设计的传热气体-新型换热工质，匹配高效且极具功率放大潜力的动力系统-基于闭式布雷顿循环，同时耦合新的高效蓄热系统-高温相变蓄热，以提高塔式太阳能发电系统发电效率，降低发电成本。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，以期通过高温、高效、结构紧凑的闭式氦气轮机动力系统的应用，结合高效氦气吸热器设计、新型蓄热系统设计实现塔式太阳能系统经济性的提高。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，包括：塔式太阳能集热系统、蓄热系统和动力系统，所述塔式太阳能集热系统与所述蓄热系统及所述动力系统组成第一循环系统，所述蓄热系统与所述动力系统组成第二循环系统，所述塔式太阳能集热系统采用氦气作为吸热工质，所述动力系统采用氦气作为动力工质。

作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统的一种优选方案，太阳辐射充足时，塔式太阳能集热系统与蓄热系统及动力系统耦合工作，蓄热系统和动力系统解耦工作，氦气从塔式太阳能集热系统吸热后，一部分高温氦气直接驱动动力系统，另一部分直接进入蓄热系统，经过动力系统后的低温氦气与经过蓄热系统放热的低温氦气汇合后送回至塔式太阳能集热系统，构成第一循环系统。

作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统的一种优选方案，太阳辐射不足时，塔式太阳能集热系统与动力系统解耦工作，蓄热系统和动力系统耦合工作，且蓄热系统作为热源，氦气在蓄热系统中与蓄热介质换热后，高温氦气驱动动力系统，而后低温氦气送回至蓄热系统，构成第二循环系统。

作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统的一种优选方案，所述耦合工作及解耦工作的动作切换由阀门的启闭实现。

作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统的一种优选方案，所述第一循环系统采用氦气作为传热工质，采用氦气作为塔式太阳能集热系统的吸热工质，并采用氦气作为动力系统的动力工质。

作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统的一种优选方案，所述第二循环系统采用氦气作为传热工质，采用氦气作为蓄热系统的吸热工质，并采用氦气作为动力系统的动力工质。

作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统的一种优选方案，所述第一循环系统采用氦气作为传热工质，采用氦气作为塔式太阳能集热系统的吸热工质，采用高温相变材料作为蓄热系统的蓄热工质。

优选地，所述高温相变材料包括高温熔盐，其熔点温度为不低于750℃。

作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统的一种优选方案，所述蓄热系统还包括循环风机，用于为冷却后的氦气提供压头，回送至塔式太阳能集热系统，实现循环。

作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统的一种优选方案，所述动力系统采用闭式循环的氦气轮机系统。

作为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统的一种优选方案，所述氦气轮机系统基于闭式循环工作，包括氦气透平、回热器、预冷器、低压压气机、间冷器、高压压气机和电机，所述氦气透平的入口与所述塔式太阳能集热系统及蓄热系统连接，所述电机与所述氦气透平的第一出口连接，所述氦气透平的第二出口及第三出口分别与所述高压压气机的第一入口及回热器的第一入口连接，所述高压压气机的第一出口及第二出口分别与所述回热器的第二入口及所述低压压气机的第一入口连接，所述间冷器的入口与所述低压压气机的出口连接，间冷器的出口与所述高压压气机的第二入口连接，所述回热器的第一出口与所述预冷器的入口连接，出口与所述塔式太阳能集热系统及蓄热系统连接，所述预冷器的出口与所述低压压气机的第二入口连接。

优选地，所述预冷器和间冷器至少将氦气温度冷却至30℃以下。

优选地，所述冷却器的冷却源包括大气及水中的一种。

优选地，所述冷却器为低温余热回收装置，以实现热量的梯级利用。

优选地，所述动力系统设计的压力不小于太阳辐射充足时动力系统的负荷压力确定，并与所述第一循环系统或第二循环系统的氦气流量成正比关系。

优选地，所述蓄热系统在蓄热回路的设计压力不小于蓄热系统作为放热热源时动力系统回路的工作压力。

优选地，所述蓄热系统的蓄热容量为足以保证太阳辐射不足时，蓄热系统和动力系统耦合工作的时长。

如上所述，本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，具有以下有益效果：

采用氦气作为吸热工质，可实现高效紧凑的吸热器设计。氦气为惰性气体，与材料相容性好，系统运行安全性更高，传热介质可达更高的工作温度。氦气热物性良好，比热容约为水蒸气的2.4倍，空气的4.7倍；导热系数约为空气的5.6倍，且氦气的运动粘性小。在温度相同和阻力系数相等时，空气在管道中的流速允许在25-45m/s范围内变化，而氦气的流速允许值则为55-100m/s，这将有利于强化换热。因此设计所得的吸热器温差小、压力损失小、热损失小，结构紧凑。

在其他条件相同时，氦气在管道中的压力损失比空气小2.2倍，蓄热回路所需风机耗功少。

采用高温相变材料作为蓄热介质，可保持充、放热过程温度稳定，从而保证启动蓄热系统时动力系统运行稳定。

采用熔点温度不低于750℃的高温相变材料，保证了启动蓄热系统的动力系统工作的高效性。

采用氦气闭式布雷顿循环，当透平进口温度达到850℃以上的高温范畴时，其热功转换效率达45％及以上，相比于蒸汽朗肯循环优势明显。

采用氦气闭式布雷顿循环，系统循环最大压力明显低于蒸汽朗肯循环和超临界二氧化碳循环，提高了系统安全性，降低了管路及设备的材料及工艺制造要求。

简而言之，新型换热介质氦气的优良物性保证了高效紧凑吸热器设计的可行性，同时可充分借鉴现有的空气吸热器设计和试验经验。高效且经济的蓄热系统克服了太阳能辐射呈现间歇性的缺陷，满足了连续的电力负荷需求，同时避免了动力系统的频繁起停，且维持了动力系统的高效运行。基于闭式循环的氦气轮机动力系统保证了设计工况及宽的变工况范围内高的热功转换效率。最终实现系统总体效率和经济性的提高。

附图说明

图1显示为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统的架构示意图。

图2显示为本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统的一个实施方式结构示意图。

图3显示为不同分流率下第一循环系统中动力系统效率随循环压比的关系曲线图。

图4显示为第一循环系统中蓄热回路循环风机功率与分流率关系曲线图。

图5显示为在蓄热分支回路循环风机功率的影响情况下，不同分流率下第一循环系统中动力系统效率随循环压比的关系曲线图。

元件标号说明

10 塔式太阳能集热系统

101 镜场

102 吸热器

20 蓄热系统

201 高温蓄热罐

202 循环风机

30 动力系统

301 氦气透平

302 电机

303 高压压气机

304 低压压气机

305 间冷器

306 回热器

307 预冷器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，包括：塔式太阳能集热系统10、蓄热系统20和动力系统30，所述塔式太阳能集热系统10与所述蓄热系统20及所述动力系统30组成第一循环系统，所述蓄热系统20与所述动力系统30组成第二循环系统，所述塔式太阳能集热系统10采用氦气作为吸热工质，所述动力系统30采用氦气作为动力工质。

作为示例，太阳辐射充足时，塔式太阳能集热系统10与蓄热系统20及动力系统30耦合工作，蓄热系统20和动力系统30解耦工作，氦气从塔式太阳能集热系统10吸热后，一部分高温氦气直接驱动动力系统30，另一部分直接进入蓄热系统20，经过动力系统30后的低温氦气与经过蓄热系统20放热的低温氦气汇合后送回至塔式太阳能集热系统10，构成第一循环系统。太阳辐射不足时，塔式太阳能集热系统10与动力系统30解耦工作，蓄热系统20和动力系统30耦合工作，且蓄热系统20作为热源，氦气在蓄热系统20中与蓄热介质换热后，高温氦气驱动动力系统30，而后低温氦气送回至蓄热系统20，构成第二循环系统。

具体地，所述带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统所述系统24小时内包含两个工作循环过程，如图1所示：

1)白天太阳辐射充足时，氦气通过塔式太阳能集热系统10的吸热器吸收太阳辐射热，使其温度达到850℃甚至更高，一部分高温氦气直接驱动动力系统30，另一部分直接进入蓄热系统20，经过动力系统30后的低温氦气与经过蓄热系统20放热的低温氦气汇合后一并进去吸热器吸热，上述组件及过程构成第一循环系统。

2)太阳辐射不足时，包括阴雨天气和夜里，蓄热系统20进入放热模式，氦气在蓄热系统20中与蓄热介质换热获得高温后驱动动力系统，而后回到蓄热系统20进行吸热，上述组件及过程构成第二循环系统。

所述工作第一循环系统中，进入动力系统30与进入蓄热系统20的氦气流量比例影响系统热功转换效率及蓄热系统的热容量，可以基于高效、经济原则优化确定。

作为示例，所述耦合工作及解耦工作的动作切换由阀门的启闭实现。

作为示例，所述第一循环系统采用氦气作为传热工质，采用氦气作为塔式太阳能集热系统10的吸热工质，并采用氦气作为动力系统30的动力工质。

作为示例，所述第二循环系统采用氦气作为传热工质，采用氦气作为蓄热系统20的吸热工质，并采用氦气作为动力系统30的动力工质。

作为示例，所述第一循环系统采用氦气作为传热工质，采用氦气作为塔式太阳能集热系统10的吸热工质，采用高温相变材料作为蓄热系统20的蓄热工质。优选地，所述高温相变材料包括高温熔盐，其熔点温度为不低于750℃。

如图2所示，作为示例，所述蓄热系统20还包括循环风机，用于为冷却后的氦气提供压头，回送至塔式太阳能集热系统10，实现循环。优选地，所述蓄热系统20在蓄热回路的设计压力不小于蓄热系统20作为放热热源时动力系统30回路的工作压力。优选地，所述蓄热系统20的蓄热容量为足以保证太阳辐射不足时，蓄热系统20和动力系统30耦合工作的时长。具体地，所述蓄热系统20蓄热容量以保证放热时长内动力系统30维持高效工作，并综合考虑蓄热系统20尺寸、造价最终确定。

作为示例，所述动力系统30采用闭式循环的氦气轮机系统。

如图2所示，所述氦气轮机系统基于闭式循环工作，包括氦气透平、回热器、预冷器、低压压气机、间冷器、高压压气机和电机，所述氦气透平的入口与所述塔式太阳能集热系统10及蓄热系统20连接，所述电机与所述氦气透平的第一出口连接，所述氦气透平的第二出口及第三出口分别与所述高压压气机的第一入口及回热器的第一入口连接，所述高压压气机的第一出口及第二出口分别与所述回热器的第二入口及所述低压压气机的第一入口连接，所述间冷器的入口与所述低压压气机的出口连接，间冷器的出口与所述高压压气机的第二入口连接，所述回热器的第一出口与所述预冷器的入口连接，出口与所述塔式太阳能集热系统10及蓄热系统20连接，所述预冷器的出口与所述低压压气机的第二入口连接。

优选地，所述预冷器和间冷器至少将氦气温度冷却至30℃以下。

优选地，所述的压气机压比由吸热器提供稳定温度(如850℃)、及动力系统30中各部件性能优化计算确定。

优选地，所述冷却器的冷却源包括大气及水中的一种。另外，所述冷却器也可以为低温余热回收装置，以实现热量的梯级利用。

优选地，所述动力系统30设计的压力不小于太阳辐射充足时动力系统30的负荷压力确定，并所述第一循环系统或第二循环系统的氦气流量成正比关系。

如图2所示，所述动力系统30工作流程为：

1)高温高压氦气进入氦气透平膨胀做功，带动发电机发电；

2)膨胀后氦气进入回热器低压侧回收部分热量；

3)随后进入预冷器冷却；

4)冷却后氦气进去低压压气机压缩至一定压力；

5)随后进去中间冷却器再度冷却；

6)冷却后氦气进入高压压气机继续压缩增压；

7)高压氦气进去回热器高压侧升温；

8)最后进入吸热器吸收太阳辐射能或进入蓄热系统20吸收蓄热介质放热，为进入透平做功做好准备，并完成一个循环。

以下对本实施例的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统进一步说明。

如图1所示，本实施例的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，包括塔式太阳能集热系统10，蓄热系统20和动力系统30。

如图2所示，所述塔式太阳能集热系统10主要包括镜场101和吸热器102，蓄热系统20包括高温蓄热罐201和循环风机202，热功转换系统主要包括氦气透平301，氦气回热器306，预冷器307，氦气低压压气机304，间冷器305，氦气高压压气机303和电机302。

白天太阳辐射充足时，阀门c关闭，阀门a、b打开。蓄热系统蓄热过程和动力系统工作过程同时启动，且由于流量分配不同互相影响。

吸热器102加热吸热工质，稳定温度后一部分工质直接进入动力系统驱动透平301，带动发电机302发电，另一部分高温工质进入蓄热系统。进入动力系统的工作介质经透平膨胀后经回热器306低压侧释放余热，而后进入预冷器307冷却，随后进入低压压气机304压缩，高压工作介质进入间冷器305再度被冷却，后进入高压压气机303进一步压缩，此时工作介质压力为循环最大压力，高压工作介质进入回热器306吸收低压侧工作介质的余热，而后与来自蓄热回路释放热量给蓄热介质后的氦气汇合回到吸热器102吸收太阳辐射热，完成一个循环。进入蓄热系统的工作介质靠循环风机202提供压头克服经管路及蓄热系统产生的压损，并与来自动力系统的工作介质形成压力平衡。

太阳辐射不足时或夜间，吸热器停止加热吸热工质，阀门a、b关闭，阀门c开启，蓄热系统放热直接驱动动力系统做功。高温蓄热系统的蓄热介质释放潜热加热工作介质，而后驱动透平301，带动发电机302发电，工作介质经透平膨胀后经回热器306低压侧释放余热，而后进入预冷器307冷却，随后进入低压压气机304压缩，高压工作介质进入间冷器305再度被冷却，后进入高压压气机303进一步压缩，此时工作介质压力为该动力循环下最大工作压力，高压工作介质进入回热器306吸收低压侧传热介质的余热，而后回到蓄热系统被继续加热，完成一个循环。

所述工作过程中吸热介质和传热介质均为氦气。热功转换系统以氦气为动力循环工质。

蓄热系统采用潜热蓄热，蓄热介质为高温相变材料，可以选择但不限于高温相变熔盐，

且熔点温度至少达750℃。

蓄热系统蓄热时，由高温氦气不断释放热量加热蓄热介质，并将热量以潜热型式储存。

蓄热系统作为放热热源时，稳定释放蓄热介质相变潜热，加热动力系统工作介质氦气使其达到接近相变材料的高温熔点温度。

动力系统中冷却器和预冷器将氦气温度降低至30℃及以下。

进入动力系统氦气流量与进入蓄热系统蓄热的氦气流量比例影响循环系统的热功转换效率及循环最佳设计压力选择。

动力系统循环最大设计压力由部件设计需求和系统紧凑性、经济性综合确定，如设计负荷为50MWe,该压力约2.5-3.5MPa左右。

动力系统循环实际压力由实际功率水平决定，并与闭式循环中工质的流量成正比关系。

蓄热系统蓄热回路设计压力由动力系统设计压力确定。

蓄热系统蓄热回路风机压头需足以克服途径管路及蓄热系统造成的氦气压损。

本发明实施了系统循环的建模计算，以确定第一循环系统中进入动力系统氦气流量与进入蓄热系统蓄热的氦气流量的最佳比例，以及动力系统的最佳设计压比。所述效率均指热-电转换效率。所述η_{cycle1+cycle2}中cycle2以蓄热容量可维持动力系统工作14小时以估算系统总效率，其中，cycle1、cycle2分别与图1中的第一循环系统、第二循环系统对应。

下表1中给出固定循环压比为2.86时，不同分流率下系统各性能参数。

表1固定循环压比下系统各性能参数

性能预测一方面可综合考虑系统经济性和蓄热系统造价以确定系统最终设计参数，另一方面也体现了该带蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统在热功转换效率上的优势，且适合大型化。

下图3给出进入动力系统氦气流量与进入蓄热系统蓄热的氦气流量比例(简称分流率)不同时，系统效率随循环压比的变化。其中图5中第一循环系统的回路系统效率考虑了蓄热分支回路风机功率的影响，因而低于第一循环系统的回路动力系统效率，且风机功率随分流率的提高而降低，如图4所示。

如上所述，本发明的带有蓄热的闭式氦气轮机塔式太阳能热发电系统，具有以下有益效果：

采用氦气作为吸热工质，可实现高效紧凑的吸热器设计。氦气为惰性气体，与材料相容性好，系统运行安全性更高，传热介质可达更高的工作温度。氦气热物性良好，比热容约为水蒸气的2.4倍，空气的4.7倍；导热系数约为空气的5.6倍，且氦气的运动粘性小。在温度相同和阻力系数相等时，空气在管道中的流速允许在25-45m/s范围内变化，而氦气的流速允许值则为55-100m/s，这将有利于强化换热。因此设计所得的吸热器温差小、压力损失小、热损失小，结构紧凑。

在其他条件相同时，氦气在管道中的压力损失比空气小2.2倍，蓄热回路所需风机耗功少。

采用高温相变材料作为蓄热介质，可保持充、放热过程温度稳定，从而保证启动蓄热系统20时动力系统30运行稳定。

采用熔点温度不低于750℃的高温相变材料，保证了启动蓄热系统20的动力系统30工作的高效性。

采用氦气闭式布雷顿循环，当透平进口温度达到850℃以上的高温范畴时，其热功转换效率达45％及以上，相比于蒸汽朗肯循环优势明显。

采用氦气闭式布雷顿循环，系统循环最大压力明显低于蒸汽朗肯循环和超临界二氧化碳循环，提高了系统安全性，降低了管路及设备的材料及工艺制造要求。

简而言之，新型换热介质氦气的优良物性保证了高效紧凑吸热器设计的可行性，同时可充分借鉴现有的空气吸热器设计和试验经验。高效且经济的蓄热系统20克服了太阳能辐射呈现间歇性的缺陷，满足了连续的电力负荷需求，同时避免了动力系统30的频繁起停，且维持了动力系统30的高效运行。基于闭式循环的氦气轮机动力系统30保证了设计工况及宽的变工况范围内高的热功转换效率。最终实现系统总体效率和经济性的提高。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。