一种超临界CO2为循环工质的塔式光热发电装置的制作方法

本发明公开了一种超临界co2为循环工质的塔式光热发电装置，属于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及太阳能塔式熔盐储能光热发电技术领域。

背景技术：

现有的塔式太阳能光热发电技术都是采用传统的汽轮发电机组，储能采用双储罐熔盐储热技术路径和独立的熔盐换热器。

二氧化碳有一个很独特的物理性质：当温度达到30.98℃，压力达到7.38mpa时，其物理状态介于液体和气体之间，密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数约为液体的100倍。这种状态，称为“超临界”状态。处于超临界状态下的二氧化碳，密度比气体大，粘性比液体小，具有流动性强、传热效率高、可压缩性小等特点。二氧化碳的临界条件容易达到，化学性质不活泼，无色无味无毒，安全，价格便宜，纯度高，易获得。这些特性，使得它很适合用于作为热力循环工质。

2019年初，美国西南研究院联合ge研发的10mw超临界二氧化碳涡轮机顺利通过测试；经过测试证明，s-co2作为工质的发电系统在600到700℃的温度范围内运行都可以有良好表现，可以在500℃以上、20mpa的大气压下实现高效率的热能利用，热效率可以达到45%以上，甚至超越50%的热效率。可以预见，在国内科研单位的努力下，我国研制出具有自主知识产权的超临界二氧化碳布雷顿循环系统将指日可待。

鉴于超临界二氧化碳涡轮机的优异热效率性能，必将成为第四代塔式太阳能光热发电技术的核心。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超临界co2为循环工质的塔式光热发电装置，创造性地将塔架、吸热器、熔盐储罐及换热盘管集成为一体，同时摒弃了熔盐泵、熔盐阀以及熔盐管道等易造成熔盐冻结和熔盐输送耗能的附属部件，大大简化了整个发电系统，极大降低了整个发电系统的初投资。和传统的塔式太阳能光热发电技术相比，本技术热效率高，是实现太阳能光热发电电价平价上网的主要技术路径，同时具备安全性、经济性、灵活性，还具备建设周期短、选址要求低和建设规模灵活等特点，为太阳能光热发电开启了下一代全新的技术应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种超临界co2为循环工质的塔式光热发电装置，包括超临界co2布雷顿循环发电机组、熔盐单储罐、定日镜、镜场控制系统、超临界co2输送管道、熔盐电动推送装置、换热盘管以及灌装在该熔盐单储罐内的熔盐，其特征在于，所述的熔盐单储罐整体呈塔状，包括罐体、罐盖以及处于罐体内部中轴线上的熔盐导流器，该罐体的顶部为吸热罐体，该吸热罐体的下端连接储热罐体，该吸热罐体的外表面上涂装有耐高温太阳能吸热涂料，该定日镜受该镜场控制系统的控制，使得来自该定日镜的太阳反射光聚焦到该吸热罐体的外表面上，所述的熔盐导流器的上部为圆柱体状的容器，其下部为导流管；该罐盖上还开设有若干连通罐体的接口；该换热盘管沉浸在该容器内，该熔盐电动推送装置设置在该熔盐导流器的中轴线上，该熔盐电动推送装置包含变频电机、转动轴和桨叶，该转动轴的上端连接该变频电机，其下端则连接该桨叶且该桨叶处于该导流管内，该桨叶旋转时能形成推送力，以推送熔盐在导流管内的向下流动，同时，使得熔盐从该熔盐导流器的敞口处溢流进入该容器内，且和换热盘管产生热交换后再次被该桨叶的向下推送力推送到该熔盐单储罐的底部，形成熔盐在该熔盐单储罐内的上下循环流动；该超临界co2布雷顿循环发电机组通过该超临界co2输送管道和该换热盘管连接形成一个超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。通常，该罐盖上开设的若干贯通储罐内的接口可以作为常压出口或熔盐灌装口，或温度传感器的插口，或为熔盐液位计的插入口；通常，吸热罐体的内壁设置有若干等间距轴向分布的散热翅片，且散热翅片的外缘刚好贴紧熔盐导流器上部的容器外壁，两者之间形成一个熔盐的上升流道，熔盐在上升过程中吸收来自吸热罐体表面聚焦来的太阳能热量，然后，吸热后的熔盐溢流进熔盐导流器内，和容器内的换热盘管产生热交换，使得换热盘管内的超临界co2循环工质得到加热。

在上述的一种超临界co2为循环工质的塔式光热发电装置，其特征在于：所述的超临界co2布雷顿循环发电机组包括发电机、透平、二级压缩机、一级压缩机、预冷或冷凝器、低温回热器、高温回热器及超临界co2输送管道。对于闭环超临界co2布雷顿循环发电系统，主要包括压缩系统、预冷系统、换热系统、热源、透平和发电机等系统组成。低温低压的气体经压气机升压，再经回热器高温侧预热后进入热源，吸收大量热量后直接进入透平做功，透平带动发电机系统进行发电，做功后的乏气经回热器低温侧流体冷却后，再由冷却器冷却至所需的压缩机入口温度，进入压缩机形成闭式循环。

在上述的一种超临界co2为循环工质的塔式光热发电装置，其特征在于：所述的换热盘管的管表面上设置有导热翅片。

在上述的一种超临界二氧化碳为循环工质的塔式光热发电装置，其特征在于：在储热罐体下部横置焊接有若干加热套管，该加热套管两端露出，在该加热套管内设置有高温电加热器。通常，该处的高温电加热管作为辅助加热用，比如接入光伏发电系统，以消纳光伏电，另一方面，可以起到保温的作用，一旦熔盐的温度低于该熔盐的熔点，就自动开启电加热，以便保持熔盐在罐体内部冻结。

在上述的一种超临界co2为循环工质的塔式光热发电装置，其特征在于：该吸热罐体内壁上设置有若干轴向等间距分布的散热片。通常，这样的设计会使吸热器的吸热效率提高很多，更利于吸热部和熔盐的充分换热。

在上述的一种超临界co2为循环工质的塔式光热发电装置，其特征在于：所述的熔盐电动推送装置包括变频电机、电机安装座、隔热联轴器、推力球轴承、推力球轴承安装座、耐高温隔热垫、固定安装底座、转动轴套管、转动轴、深沟球轴承、桨叶；所述的转动轴套管的两端口内各设置有一个深沟球轴承，所述的转动轴设置在该转动轴套管内且通过该深沟球轴承形成转动配合；所述的推力球轴承安装在该推力球轴承安装座上，该电机安装座和推力球轴承安装座依次安装在所述的固定安装底座上且在推力球轴承安装座和固定安装底座之间设置有该耐高温隔热垫，该转动轴的上端穿过该推力球轴承后和所述的隔热联轴器连接，其下端则连接该桨叶，该桨叶处于所述的导流管内且旋转时能形成向下的推送力，以推送熔盐的流动；该变频电机安装在所述的电机安装座上。通常，推力球轴承和深沟球轴承为耐高温陶瓷轴承。

在上述的一种超临界co2为循环工质的塔式光热发电装置，其特征在于：在该熔盐单储罐内设置有温度探头。

在上述的一种超临界co2为循环工质的塔式光热发电装置，其特征在于：该转动轴套管或该导流管，或者，该转动轴套管和该导流管的外部设置有隔热层。

在上述的一种超临界co2为循环工质的塔式光热发电装置，其特征在于：所述的熔盐为经过活性金属处理过的高纯氯化物熔盐，其中，所述的活性金属包括锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌和铁中的至少一种，所述的高纯氯化物熔盐包括nacl、kcl、mgcl2和cacl2中的至少一种。由于超临界二氧化碳工质的温度越高，热效率就越高，当超临界二氧化碳工质的温度达到700摄氏度时，热效率就会达到50%以上，现有的硝酸盐熔盐的使用温度上限一般控制在550摄氏度以下，而高纯氯化物熔盐可使用的温度上限接近800摄氏度左右，是一种超高温熔盐。

在上述的一种超临界co2为循环工质的塔式光热发电装置，其特征在于：所述的熔盐为高纯碳酸盐或碳酸盐混合物。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图仅提供参考和说明用，并非用来对本发明加以限制。

图1是本发明提供的一种超临界co2为循环工质的塔式光热发电装置的系统示意图；

图2是本发明提供的一种塔状熔盐单储罐和换热盘管及熔盐电动推送装置集成后的结构示意图；

图3是本发明提供的一种超临界co2布雷顿循环发电机组的结构示意图；

图4是本发明提供的一种塔状熔盐单储罐的结构示意图；

图5是本发明提供的图4中标示的e-e截面示意图；

图6是本发明提供的一种熔盐电动推送装置的结构示意图。

图中：超临界co2布雷顿循环发电机组1、熔盐单储罐2、定日镜3、镜场控制系统4、超临界co2输送管道5、熔盐电动推送装置6、变频电机6a、电机安装座6b、隔热联轴器6c、推力球轴承6d、推力球轴承安装座6e、耐高温隔热垫6f、固定安装底座6g、转动轴套管6h、转动轴6i、深沟球轴承6j、桨叶6k、换热盘管7、熔盐8、温度探头9、发电机10、透平11、二级压缩机12、一级压缩机13、预冷或冷凝器14、低温回热器15、高温回热器16、罐体20、吸热罐体20a、储热罐体20b、太阳能吸热涂料20c、罐盖21、熔盐导流器22、容器22a、导流管22b、接口23、加热套管24、高温电加热器25、散热片26。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1：

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种超临界co2为循环工质的塔式光热发电装置，包括超临界co2布雷顿循环发电机组1、熔盐单储罐2、定日镜3、镜场控制系统4、超临界co2输送管道5、熔盐电动推送装置6、换热盘管7、以及灌装在该熔盐单储罐2内的熔盐8。

该熔盐单储罐2整体呈塔状，包括罐体20、罐盖21以及处于罐体20内部中轴线上的熔盐导流器22，该罐体20的顶部为吸热罐体20a，该吸热罐体20a的下端连接储热罐体20b，该吸热罐体20a的外表面上涂装有耐高温太阳能吸热涂料20c；该定日镜3受该镜场控制系统4的控制，使得来自该定日镜3的太阳反射光聚焦到该吸热罐体20a的外表面上。该罐盖21上还开设有若干连通罐体的接口23。

该熔盐导流器22的上部为圆柱体状的容器22a，其下部为导流管22b；该换热盘管7沉浸在该容器22a内，该熔盐电动推送装置6设置在该熔盐导流器22的中轴线上，所述的熔盐电动推送装置6包括变频电机6a、电机安装座6b、隔热联轴器6c、推力球轴承6d、推力球轴承安装座6e、耐高温隔热垫6f、固定安装底座6g、转动轴套管6h、转动轴6i、深沟球轴承6j、桨叶6k；转动轴套管6h的两端口内各设置有一个深沟球轴承6j，转动轴6i设置在该转动轴套管6h内且通过该深沟球轴承6j形成转动配合；推力球轴承6d安装在该推力球轴承安装座6e上，该电机安装座6b和推力球轴承安装座6e依次安装在所述的固定安装底座6g上且在推力球轴承安装座6e和固定安装底座6g之间设置有该耐高温隔热垫6f，该转动轴6i的上端穿过该推力球轴承6d后和隔热联轴器6c连接，其下端则连接该桨叶6k，该桨叶6k处于导流管22b内且旋转时能形成向下的推送力，以推送熔盐8在导流管22b内的向下流动，同时，使得熔盐8从该熔盐导流器22的敞口处溢流进入该容器22a内，且和换热盘管7产生热交换后再次被该桨叶6k的向下推送力推送到该熔盐单储罐2的底部，形成熔盐8在该熔盐单储罐2内的上下循环流动；该变频电机6a安装在电机安装座6b上。该超临界co2布雷顿循环发电机组1通过该超临界co2输送管道5和该换热盘管7连接形成一个超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。

本实施例中，超临界co2布雷顿循环发电机组1包括发电机10、透平11、二级压缩机12、一级压缩机13、预冷或冷凝器14、低温回热器15、高温回热器16及超临界co2输送管道5。

本实施例中，换热盘管7的管表面上设置有导热翅片。

本实施例中，在储热罐体20b下部横置焊接有若干加热套管24，该加热套管24两端露出，在该加热套管24内设置有高温电加热器25。

本实施例中，该吸热罐体20a内壁上设置有若干轴向等间距分布的散热片26。

本实施例中，在该熔盐单储罐2内设置有温度探头9。

本实施例中，熔盐8为经过活性金属处理过的高纯氯化物熔盐，其中，所述的活性金属包括锂、钾、钙、钠、镁、铝、锌和铁中的至少一种，所述的高纯氯化物熔盐包括nacl、kcl、mgcl2和cacl2中的至少一种。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了超临界co2布雷顿循环发电机组、熔盐单储罐、定日镜、镜场控制系统、超临界co2输送管道、熔盐电动推送装置、变频电机、电机安装座、隔热联轴器、推力球轴承、推力球轴承安装座、耐高温隔热垫、固定安装底座、转动轴套管、转动轴、深沟球轴承、桨叶、换热盘管、熔盐、温度探头、发电机、透平、二级压缩机、一级压缩机、预冷或冷凝器、低温回热器、高温回热器、罐体、吸热罐体、储热罐体、太阳能吸热涂料、罐盖、熔盐导流器、容器、导流管、接口、加热套管、高温电加热器、散热片等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。本技术中以熔盐作为蓄热材料，但并不局限于熔盐一种蓄热材料，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。