一种太阳能布雷顿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布雷顿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，但承压式容积吸热器需要使用密封玻璃，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。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，提出了一种太阳能布雷顿发电系统，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：

一种太阳能布雷顿循环发电方法，其特征在于包括高温空气吸热器、压气机、透平，环境低温空气流入所述高温空气吸热器，被聚焦太阳光加热，加热后的高温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出到环境中。

进一步，增设储热装置a和引风机，从所述高温空气吸热器出来的高温空气分成两路：一路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出到环境中；另一路进入所述储热装置a，高温空气将热量传递给储热装置a进行热能存储，降温后的空气经过所述引风机排出到环境中。

作为优选，增设储热装置b，从所述高温空气吸热器出来的高温空气分成两路：一路进入所述储热装置b，再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出到环境中；另一路进入所述储热装置a，高温空气将热量传递给储热装置a进行热能存储，降温后的空气经过所述引风机排出到环境中。储热装置b能够稳定透平进口空气的温度，克服太阳能的波动性。

进一步，在所述透平后增设换热器，从所述透平排出的空气，流经换热器，冷却空气，低温低压空气再进入所述压气机，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，从所述透平出来的空气流经所述蒸汽发生器热侧，加热蒸汽发生器冷侧的水工质，产生高温高压蒸汽，蒸汽进入蒸汽轮机做功，降温后的空气进入所述压气机，从而提高系统效率。

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，环境空气可直接流入高温空气吸热器，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或者高温空气吸热器的进口处，使得所述压气机出口空气进入所述高温空气吸热器或者所述储热装置a和储热装置b，减少压气机排气余热损失，提高系统效率。

此外，本发明提出一种太阳能布雷顿循环发电系统，其特征在于包括高温空气吸热器、储热装置a、储热装置b、引风机、压气机、透平，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a和储热装置b的进口相连，储热装置b出口与所述透平进口相连，透平出口与所述压气机进口相连，所述储热装置a的出口与所述引风机进口相连。作为优选，所述透平出口增设蒸汽发生器，即透平出口与蒸汽发生器热侧进口相连，蒸汽发生器热侧出口与所述压气机进口相连，所述压气机出口布置在所述高温空气吸热器进口处或者高温空气吸热器的出口处。

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-透平；3-压气机；4-发电机；5-储热装置a；6-引风机；7-储热装置b；8-蒸汽发生器；9-旁通阀。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种太阳能布雷顿循环发电系统，包括高温空气吸热器1、透平2、压气机3和发电机4。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；高温空气流入透平2膨胀做功，从透平2出来的低压空气进入压气机3，经过压气机3压缩升压的空气排入大气环境中。透平2、压气机3与发电机4通过轴相连，发电机4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。高温空气吸热器1工作于常压下，不需要额外的密封装置，提高了可靠性，降低成本。

实施例2

如图2所示，对实施方式1进行改进，增设储热装置a5和引风机6。从高温空气吸热器1出来的空气分成两路，一路进入透平2，再进入压气机3；另一路进入储热装置a5，在通过引风机6。当太阳光波动时，可以调节引风机6的功率大小进而调节进入高温空气吸热器1中的空气量，使得高温空气吸热器1的出口空气温度稳定。例如，当太阳光增强时，相应地调节引风机6使得空气流量增大，从而稳定高温空气吸热器1的出口空气温度以及透平2的进口空气温度。高温空气进入储热装置a5，将热量存储在储热装置a5中的储热介质中，降温后的空气进入引风机6。存储在储热装置a5中的热量可在没有太阳时利用，提高了系统可控性和经济性。所述储热装置a5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3

如图3所示，对实施方式2进行进一步改进，在透平进口增加储热装置b7。从高温空气吸热器1出来的空气分成两路，一路经过储热装置b7后进入透平2，再进入压气机3；另一路进入储热装置a5，在通过引风机6。当太阳光充足时，高温空气温度高于储热装置b7中的储热介质时，高温空气放热，将热量存储在储热装置b7中；当太阳光照不足或者没有时，即空气温度低于储热装置b7中的储热介质温度时，储热装置b7放热，提高空气温度，稳定透平2的进口温度，使得系统稳定运行。储热装置b7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。所述储热装置b7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4

如图4所示，对实施方式3做进一步改进，在透平2出口处布置蒸汽发生器8。当系统工作时，从透平2中出来的空气，温度在500℃以上，可以用于加热蒸汽发生器8，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。本发明将布雷顿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5

如图5所示，对实施方式4做进一步改进，将压气机3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，其上有旁通阀9，将压气机3出口布置在高温空气吸热器1的出口，即直接连通储热装置a5和储热装置b7的进口。当太阳光充足时，关闭旁通阀9，使得压气机3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9，使得压气机3出口空气直接进入储热装置a5和储热装置b7的进口，避免了与环境低温空气的混合。