一种太阳能联合循环发电系统及其方法与流程

本发明涉及太阳能利用，尤其涉及一种太阳能联合循环发电系统及其方法。

背景技术：

随着传统化石能源的巨大消耗，人们面对日益严峻的能源与环境问题。新的能源技术革命要从提高能源利用效率以及优化能源消费结构着手。提高非化石能源比例，特别是可再生能源比例对于未来的能源和环境有着重要的意义。目前可再生能源仅占12%左右，可再生能源已经被作为新一代能源技术的战略制高点。可再生能源包括了水能、风能、太阳能、生物质能、地热能和海洋能等。其中太阳能分布广泛，安全清洁，总量巨大，取之不尽用之不竭，受到了广泛关注，是可再生能源中的重要组成部分。

目前，太阳能主要有热利用和电利用两个方面。热利用是指将太阳光的光能转变为热能，如太阳能热水器。电利用主要有光伏发电和光热发电，光伏发电的原理是光生伏打效应，当太阳光照射光伏电池时，将产生电动势，接上负载产生电能。光热发电的原理是利用吸收器吸收太阳光作为高温热源，热工质吸收热，进入下一步动力循环，产生机械能，带动发电机组发电，常见形式有碟式、槽式和塔式系统等。太阳能光热发电可结合廉价储能，输出稳定，可承担基础负荷，调节迅速，又可作为调峰电源，可进一步提高其他非稳定可再生能源的上网消纳能力，在未来发展前景巨大。

在太阳能光热发电系统中，目前商用的动力循环基本采用水蒸汽朗肯循环，其工作温度较低，因而效率也较低。随着太阳光热技术的发展，工质工作温度不断提高（＞800℃），高温燃气轮机循环受到人们的关注。目前的太阳能燃气轮机循环需要采用承压高温空气吸热器，即从压气机出来的高压空气进入承压高温空气吸热器，将空气加热至所需高温（＞800℃），再进入透平膨胀做功。因此承压高温空气吸热器是整个太阳能燃气轮机系统的关键技术。

空气吸热器根据其传热方式不同，可以分为管式吸热器和容积式吸热器。管式吸热器通过金属管将压力空气密封在管内。聚焦的太阳能被金属管外壁面吸收转化为热能，进而通过管壁传递给管内的压力空气。容积式吸热器一般利用透明石英玻璃窗口将压力气体密封在腔内。聚焦太阳能被腔内的多孔介质（蜂窝陶瓷或者泡沫陶瓷）吸收转化热能，进而再加热空气。由于没有金属材料的直接使用，可以将空气加热到1000℃甚至更高。因此从吸热温度上来说，容积式吸热器具有更大的优势，但其需要使用密封玻璃，保证聚光太阳能能够透过，同时将压力气体有效的密封在腔体内。但是玻璃较脆，易受污染，热应力承受能力弱，易破碎，寿命短。此外，腔体的入口玻璃由于承受压力高，面积不能做大，而且需要采用石英介质的玻璃，造价高。因此，具有石英玻璃窗口的承压高温空气吸热器是该技术进一步推广的最大阻碍。

技术实现要素：

本发明针以上太阳能燃气轮机及具有石英玻璃窗口的承压高温空气吸热器的缺点，提出了一种太阳能联合循环系统，避免了具有石英玻璃窗口的承压高温空气吸热器的应用，提高了系统可靠性，降低成本，促进产业化。

本发明的具体方案如下：

一种太阳能联合循环发电系统，其特征在于包括高温空气吸热器、储热装置、压气机、透平，当太阳光照充足时，低温常压空气流入所述高温空气吸热器，被聚光太阳能加热，加热后的高温空气进入所述储热装置，将热量传递给储热装置，从储热装置流出的空气进入所述透平膨胀做功，从透平出来的低压空气，经过所述压气机压缩升压，排入环境；当太阳光照不足或者没有太阳光时，环境空气流入所述高温空气吸热器再进入所述储热装置或者环境空气直接流入所述储热装置，储热装置将热量传递给空气，被加热后的空气进入所述透平膨胀做功，从透平出来的低压空气，经过所述压气机压缩升压，排入环境。

进一步，在所述透平后增加换热器，用于冷却从透平出来的低压空气，降低所述压气机的进口温度，从而降低压气机耗功，提高系统效率。作为优选，所述换热器为蒸汽发生器，从透平出来的空气，进入蒸汽发生器热侧，加热蒸汽发生器冷侧的水工质，产生高温高压水蒸汽，水蒸汽再进入蒸汽轮机做功，增加了系统的输出功率，从而提高了系统效率。

所述高温空气吸热器为敞开式空气吸热器，与大气环境直接相通，即工作压力为大气压，避免了采用承压式高温空气吸热器，提高吸热器可靠性，降低成本。

所述的高温空气吸热器其内部填充有固体吸热介质。当太阳光照充足时，该固体吸热介质吸收聚焦太阳光，提高温度进而加热流过的空气，因此在高温空气吸热器中能流的传递方向为聚焦太阳光到吸热器中的固体吸热介质再到空气，所述储热装置则利用高温空气加热储热装置中的储热介质；当太阳光不足或者没有时，即空气温度低于储热装置中的储热介质温度时，能流传递方向为储热介质到空气，即利用储热介质加热空气。高温空气吸热器的吸热介质为蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、泡沫金属、金属丝网中的一种或者多种；所述储热装置的储热介质为蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、泡沫金属、金属丝网、堆积砂砾、相变材料、热化学储热材料中的一种或者多种。由于高温空气吸热器与储热装置内部填充的都为具有空气流道的介质，因此，作为改进方案，所述高温空气吸热器与所述储热装置布置成一个整体，减少热损失。

从所述压气机出来的空气，其温度高于环境温度。为充分利用压气机排气的热能，将压气机的排气出口布置于高温空气吸热器的进口处。当该系统工作时，从压气机排出的空气与高温空气吸热器进口附近的低温环境空气混合，再进入高温空气吸热器，从而提高吸热器的进口温度，减少吸热量，提高系统效率。

此外，本发明提出一种太阳能联合循环发电系统，包括高温空气吸热器、储热装置、压气机、透平、蒸汽发生器，所述高温空气吸热器进口直接与大气相通，高温空气吸热器出口与所述储热装置进口相连，储热装置出口与所述透平进口相连，透平出口与蒸汽发生器热侧工质进口相连，蒸汽发生器热侧工质出口与所述压气机进口相连。作为优选，将所述压气机出口布置在所述高温空气吸热器进口处或者所述储热装置进口处。

所述压气机是指能够提供压缩气体的装置；所述透平是指利用高温压力气体做功的装置；储热装置是指利用显热、潜热或者化学能将热量暂时存储的装置；所述高温空气吸热器是指利用聚焦太阳能将空气加热的装置。

附图说明

图1是具体实施方式1的示意图；

图2是具体实施方式2的示意图；

图3是具体实施方式3的示意图；

图4是具体实施方式4的示意图；

图5是具体实施方式5的示意图。

图中：1-高温空气吸热器；2-储热装置；3-透平；4-压气机；5-发电机；6-蒸汽发生器；7-旁通阀。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种太阳能联合循环发电系统，包括高温空气吸热器1、储热装置2、透平3、压气机4和发电机5。当太阳光照充足时，聚焦太阳光加热高温空气吸热器1中的固体吸热介质，加热从环境中吸入的空气，提高温度，可加热800℃以上；高温空气流入储热装置2，加热储热装置2中的储热介质；从储热装置2中流出的高温空气进入透平3膨胀做功，从透平3出来的低压空气进入压气机4，经过压气机4压缩升压的空气排入大气环境中；当太阳光照不足或者没有时，空气依次流过高温空气吸热器1和储热装置2，由于此时空气温度低于储热装置2中的储热介质温度，因此储热介质放热，加热空气温度，再进入透平3中做功。储热装置2使得该系统能够高效稳定运行，提高了系统可控性和经济性。

透平3、压气机4与发电机5通过轴相连，发电机5对外输出电能。高温空气吸热器1的吸热介质为蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、泡沫金属、金属丝网中的一种或者多种；所述储热装置2的储热介质为蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷、泡沫金属、金属丝网、堆积砂砾、相变材料、热化学储热材料中的一种或者多种。

实施例2

如图2所示，对实施方式1进行改进，由于空气依次流过高温空气吸热器1和储热装置2，且两者内部都布置具有气流流道的填充介质，因此可以将高温空气吸热器1和储热装置2布置在一起，提高系统紧凑性。当太阳光照充足时，热量由高温空气吸热器1传递给空气，通过空气传递给储热装置2中的储热介质；当太阳光照不足或者没有时，即空气温度低于储热装置2中的储热介质温度时，储热装置放热，提高空气温度，使得系统稳定运行。

实施例3

如图3所示，对实施方式1进行进一步改进，主要改进在于在透平3出口处布置蒸汽发生器6。当系统工作时，从透平3中出来的空气，温度在500℃以上，可以用于加热蒸汽发生器6，将水工质加热产生高温高压蒸汽，进入蒸汽轮机做功，提高系统效率。本发明将燃气轮机循环与水蒸汽朗肯循环结合，可使整个系统的热效率从常规的40%提高到50%以上，经济效益大大提高。

实施例4

如图4所示，对实施方式3做进一步改进，将压气机4出口布置在高温空气吸热器1的进口附近。压气机4出口空气温度高于环境温度，可达100℃以上。按照图4布置方式，当系统工作时，压气机4出口空气与环境空气混合，提高高温空气吸热器1的空气进口温度，减少了所需的太阳能，从而提高了系统效率。

实施例5

如图5所示，对实施方式4做进一步改进，将压气机4出口布置在高温空气吸热器1的进口附近，同时设置一旁通管路，将压气机4出口直接连通储热装置的进口。当太阳光充足时，关闭旁通阀7，使得压气机4出口空气与环境空气混合，再进入高温空气吸热器1，减少了所需吸热量，提高系统效率；当太阳光不足或者没有时，打开旁通阀7，使得压气机4出口空气直接进入储热装置2的进口，避免了与环境低温空气的混合。