一种光热超临界二氧化碳循环发电系统及其工作方法与流程

1.本发明属于太阳能热发电技术领域，具体涉及一种光热超临界二氧化碳循环发电系统及其工作方法。


背景技术：

2.太阳能热发电技术清洁低碳，并且自带储热系统，可以作为调节电源，是促进风电、光伏等可再生能源的大规模消纳和电力行业低碳化发展的重要方式。固体颗粒作为太阳能热发电系统的一种新型储热介质，具有价格低廉、储热温度高(高达1000℃)以及性能稳定等优点，可以提高太阳能热发电效率、降低发电成本，在太阳能热发电领域具有广阔应用前景。
3.但是，由于固体颗粒硬度较高，常规的流化态式的固体颗粒换热器管壳壁面磨损严重。此外，固体颗粒储热系统的热罐高位布置，冷罐低位布置，由于固体颗粒质量较大，利用斗提机将其从低位冷罐提升到高位热罐需要消耗大量电能，会导致系统效率降低。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有问题，本发明的目的在于提供一种光热超临界二氧化碳循环发电系统及其工作方法，能够避免对储热罐内部管壳壁面的磨损，保证储热系统安全、稳定运行，提高储热系统使用寿命；并且能够降低系统功耗，提高系统效率。
5.本发明通过以下技术方案来实现：
6.本发明公开的一种光热超临界二氧化碳循环发电系统，包括太阳能集热系统、第一固体颗粒储热罐、第二固体颗粒储热罐和超临界二氧化碳发电系统；
7.第一固体颗粒储热罐与第二固体颗粒储热罐并联，并通过二氧化碳循环管路分别与太阳能集热系统的进出口和超临界二氧化碳发电系统的进出口连接，所述二氧化碳循环管路上设有循环风机。
8.优选地，所述太阳能集热系统包括镜场和集热器，集热器设在镜场的反射光路上，集热器的二氧化碳进口和二氧化碳出口分别与所述二氧化碳循环管路连接。
9.优选地，所述超临界二氧化碳发电系统包括压缩机、回热器、透平和预冷器；透平的二氧化碳进口与所述二氧化碳循环管路连接，透平的二氧化碳出口与回热器的热侧进口连接，回热器的热侧出口与预冷器的进口连接，预冷器的出口与压缩机的进口连接，压缩机的出口与回热器的冷侧进口连接，回热器的冷侧出口与所述二氧化碳循环管路连接。
10.优选地，第一固体颗粒储热罐的上部设有高温工质进/出口，下部设有低温工质进/出口；第二固体颗粒储热罐的上部设有高温工质进/出口，下部设有低温工质进/出口。
11.进一步优选地，第一固体颗粒储热罐的高温工质进/出口与所述太阳能集热系统的出口之间设有第一阀门，所述太阳能集热系统的出口与所述超临界二氧化碳发电系统的进口之间设有第二阀门，第一固体颗粒储热罐的高温工质进/出口与所述超临界二氧化碳发电系统的进口之间设有第三阀门，第二固体颗粒储热罐的高温工质进/出口与所述超临
界二氧化碳发电系统的进口之间设有第四阀门，第一固体颗粒储热罐的低温工质进/出口与所述太阳能集热系统的进口之间设有第五阀门，第一固体颗粒储热罐的低温工质进/出口与所述超临界二氧化碳发电系统的出口之间设有第六阀门，所述太阳能集热系统的进口与所述超临界二氧化碳发电系统的出口之间设有第七阀门，第二固体颗粒储热罐的低温工质进/出口与所述超临界二氧化碳发电系统的出口之间设有第八阀门。
12.优选地，第一固体颗粒储热罐和第二固体颗粒储热罐的结构相同，包括罐体、若干管束和若干绝热板，若干管束竖直布置在罐体内部，罐体内部被若干绝热板分隔为多层并填充有用于传热的固体颗粒。
13.优选地，所述太阳能集热系统内的集热工质为二氧化碳气体，所述超临界二氧化碳发电系统内的循环工质为超临界二氧化碳气体。
14.优选地，所述超临界二氧化碳发电系统的超临界二氧化碳循环构型为一级回热循环或分流再压缩循环。
15.优选地，循环风机的进口与所述超临界二氧化碳发电系统的出口连接，循环风机的出口与所述太阳能集热系统的进口连接。
16.本发明公开的上述光热超临界二氧化碳循环发电系统的工作方法，包括
17.白天时，来自所述太阳能集热系统的高温二氧化碳工质进入第一固体颗粒储热罐放热，第一固体颗粒储热罐内的固体颗粒吸热并存储高温热量，二氧化碳工质由第一固体颗粒储热罐流出后由循环风机送入所述太阳能集热系统再次集热，不断循环后第一固体颗粒储热罐进行储热；第二固体颗粒储热罐利用二氧化碳工质向所述超临界二氧化碳发电系统不断释放之前存储的热量；
18.夜晚时，所述太阳能集热系统停止集热，第一固体颗粒储热罐停止储热，第二固体颗粒储热罐继续放热；
19.白天时，第二固体颗粒储热罐热量释放完毕后停止放热并开始储热，第一固体颗粒储热罐开始放热；
20.夜晚时，第一固体颗粒储热罐继续放热，第二固体颗粒储热罐停止储热；
21.上述过程不断循环，所述超临界二氧化碳发电系统连续不间断运行。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
23.本发明公开的一种光热超临界二氧化碳循环发电系统，采用第一固体颗粒储热罐和第二固体颗粒储热罐双罐布置，以二氧化碳气体工质为热量载体，利用太阳能集热系统对第一固体颗粒储热罐和第二固体颗粒储热罐内的固体颗粒进行加热储能，实现超临界二氧化碳发电系统的连续24小时不间断稳定运行。固体颗粒静态存储在第一固体颗粒储热罐和第二固体颗粒储热罐内，能够避免对储热罐壁面的磨损，提高储热罐运行的安全性和稳定性，增加储热罐的使用寿命；同时相比现有的流化态式的固体颗粒换热器，无需改变固体颗粒的高度位置，避免了因克服固体颗粒重力势能而需要消耗额外能量，减少了换热器系统功耗，提高了发电系统性能。另外，本系统将主换热器和储热系统合二为一，简化了系统结构，降低了制造成本和运行成本。
24.本发明公开的上述光热超临界二氧化碳循环发电系统的工作方法，操作简便，系统的安全性和稳定性高，寿命长，且能耗低，运行效率高。
附图说明
25.图1为本发明的光热超临界二氧化碳循环发电系统的整体结构示意图；
26.图2为本发明的光热超临界二氧化碳循环发电系统不同运行状态下的阀门启闭状态示意图。
27.图中：1为镜场，2为吸热器，3为第一固体颗粒储热罐，4为第二固体颗粒储热罐，5为第一阀门，6为第二阀门，7为第三阀门，8为第四阀门，9为第五阀门，10为第六阀门，11为第七阀门，12为第八阀门，13为循环风机，14为压缩机，15为回热器，16为透平，17为预冷器。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
29.本发明的一种光热超临界二氧化碳循环发电系统，包括太阳能集热系统、第一固体颗粒储热罐3、第二固体颗粒储热罐4和超临界二氧化碳发电系统；
30.第一固体颗粒储热罐3与第二固体颗粒储热罐4并联，并通过二氧化碳循环管路分别与太阳能集热系统的进出口和超临界二氧化碳发电系统的进出口连接，所述二氧化碳循环管路上设有循环风机13。
31.在本发明的一个较优的实施例中，所述太阳能集热系统包括镜场1和集热器2，集热器2设在镜场1的反射光路上，集热器2的二氧化碳进口和二氧化碳出口分别与所述二氧化碳循环管路连接。
32.在本发明的一个较优的实施例中，所述超临界二氧化碳发电系统包括压缩机14、回热器15、透平16和预冷器17；透平16的二氧化碳进口与所述二氧化碳循环管路连接，透平16的二氧化碳出口与回热器15的热侧进口连接，回热器15的热侧出口与预冷器17的进口连接，预冷器17的出口与压缩机14的进口连接，压缩机14的出口与回热器15的冷侧进口连接，回热器15的冷侧出口与所述二氧化碳循环管路连接。
33.在本发明的一个较优的实施例中，第一固体颗粒储热罐3的上部设有高温工质进/出口，下部设有低温工质进/出口；第二固体颗粒储热罐4的上部设有高温工质进/出口，下部设有低温工质进/出口。优选地，第一固体颗粒储热罐3的高温工质进/出口与所述太阳能集热系统的出口之间设有第一阀门5，所述太阳能集热系统的出口与所述超临界二氧化碳发电系统的进口之间设有第二阀门6，第一固体颗粒储热罐3的高温工质进/出口与所述超临界二氧化碳发电系统的进口之间设有第三阀门7，第二固体颗粒储热罐4的高温工质进/出口与所述超临界二氧化碳发电系统的进口之间设有第四阀门8，第一固体颗粒储热罐3的低温工质进/出口与所述太阳能集热系统的进口之间设有第五阀门9，第一固体颗粒储热罐3的低温工质进/出口与所述超临界二氧化碳发电系统的出口之间设有第六阀门10，所述太阳能集热系统的进口与所述超临界二氧化碳发电系统的出口之间设有第七阀门11，第二固体颗粒储热罐4的低温工质进/出口与所述超临界二氧化碳发电系统的出口之间设有第八阀门12。
34.在本发明的一个较优的实施例中，第一固体颗粒储热罐3和第二固体颗粒储热罐4的结构相同，包括罐体、若干管束和若干绝热板，若干管束竖直布置在罐体内部，罐体内部被若干绝热板分隔为多层并填充有用于传热的固体颗粒。
35.在本发明的一个较优的实施例中，所述太阳能集热系统内的集热工质为二氧化碳气体，所述超临界二氧化碳发电系统内的循环工质为超临界二氧化碳气体。
36.在本发明的一个较优的实施例中，所述超临界二氧化碳发电系统的超临界二氧化碳循环构型为一级回热循环或分流再压缩循环。
37.在本发明的一个较优的实施例中，循环风机13的进口与所述超临界二氧化碳发电系统的出口连接，循环风机13的出口与所述太阳能集热系统的进口连接。
38.上述光热超临界二氧化碳循环发电系统工作方法：
39.白天时，来自所述太阳能集热系统的高温二氧化碳工质进入第一固体颗粒储热罐3放热，第一固体颗粒储热罐3内的固体颗粒吸热并存储高温热量，二氧化碳工质由第一固体颗粒储热罐3流出后由循环风机13送入所述太阳能集热系统再次集热，不断循环后第一固体颗粒储热罐3进行储热；第二固体颗粒储热罐4利用二氧化碳工质向所述超临界二氧化碳发电系统不断释放之前存储的热量；
40.夜晚时，所述太阳能集热系统停止集热，第一固体颗粒储热罐3停止储热，第二固体颗粒储热罐4继续放热；
41.白天时，第二固体颗粒储热罐4热量释放完毕后停止放热并开始储热，第一固体颗粒储热罐3开始放热；
42.夜晚时，第一固体颗粒储热罐3继续放热，第二固体颗粒储热罐4停止储热；
43.上述过程不断循环，所述超临界二氧化碳发电系统连续不间断运行。
44.下面以一个具体实施例来对本发明进行进一步地解释说明：
45.如图1，本实施例的系统中，太阳能集热系统包括镜场1和集热器2，集热器2设在镜场1的反射光路上；
46.超临界二氧化碳发电系统包括压缩机14、回热器15、透平16和预冷器17；透平16的二氧化碳出口与回热器15的热侧进口连接，回热器15的热侧出口与预冷器17的进口连接，预冷器17的出口与压缩机14的进口连接，压缩机14的出口与回热器15的冷侧进口连接。
47.第一固体颗粒储热罐3的上部设有高温工质进/出口，下部设有低温工质进/出口；第二固体颗粒储热罐4的上部设有高温工质进/出口，下部设有低温工质进/出口。第一固体颗粒储热罐3的高温工质进/出口与集热器2的出口之间设有第一阀门5，集热器2的出口与透平16的二氧化碳进口之间设有第二阀门6，第一固体颗粒储热罐3的高温工质进/出口与透平16的二氧化碳进口之间设有第三阀门7，第二固体颗粒储热罐4的高温工质进/出口与透平16的二氧化碳进口之间设有第四阀门8，第一固体颗粒储热罐3的低温工质进/出口与集热器2的进口之间设有第五阀门9，第一固体颗粒储热罐3的低温工质进/出口与回热器15的冷侧出口之间设有第六阀门10，集热器2的进口与回热器15的冷侧出口之间设有第七阀门11，第二固体颗粒储热罐4的低温工质进/出口与回热器15的冷侧出口之间设有第八阀门12。
48.如图2，本实施例的系统在运行时：
49.白天时，第一阀门5和第五阀门9开启，第四阀门8和第八阀门12开启，第二阀门6和第三阀门7关闭，第六阀门10和第七阀门11关闭，来自集热器2出口的高温集热工质经第一阀门5进入第一固体颗粒储热罐3放热，固体颗粒吸热并将存储高温热量，从第一固体颗粒储热罐3出来的集热工质流经第五阀门9，并由循环风机13输送到集热系统再次集热，此时
第一固体颗粒储热罐3储热，第二固体颗粒储热罐4放热，如图2中的(a)所示；当由白天进入夜间时，集热系统停止集热，第一阀门5和第五阀门9关闭，其它阀门状态不变，此时第一固体颗粒储热罐3停止储热，第二固体颗粒储热罐4继续放热，如图2中的(b)所示；当由夜间进入白天时，第二固体颗粒储热罐4热量释放完毕，第四阀门8和第八阀门12缓慢关闭，同时第三阀门7和第六阀门10缓慢开启，其他阀门状态不变，此时第一固体颗粒储热罐3开始放热，第二固体颗粒储热罐4停止放热，如图2中的(c)所示；当前述步骤阀门开闭到位后，太阳能集热系统开始集热，第二阀门6和第七阀门11开启，第一固体颗粒储热罐3继续放热，第二固体颗粒储热罐4开始储热，如图2中的(d)所示。进入夜间后，关闭第二阀门6和第七阀门11，第一固体颗粒储热罐3继续放热，第二固体颗粒储热罐4停止储热。
50.上述步骤完成了由第一固体颗粒储热罐3储热、第二固体颗粒储热罐4放热到第一固体颗粒储热罐3放热、第二固体颗粒储热罐4储热的切换，实现了系统的连续24小时稳定运行。
51.以上所述仅为本发明实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易想到的变化或者替换，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或直接、间接运用在其他相关技术领域的情况，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光热超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，包括太阳能集热系统、第一固体颗粒储热罐(3)、第二固体颗粒储热罐(4)和超临界二氧化碳发电系统；第一固体颗粒储热罐(3)与第二固体颗粒储热罐(4)并联，并通过二氧化碳循环管路分别与太阳能集热系统的进出口和超临界二氧化碳发电系统的进出口连接，所述二氧化碳循环管路上设有循环风机(13)。2.根据权利要求1所述的光热超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，所述太阳能集热系统包括镜场(1)和集热器(2)，集热器(2)设在镜场(1)的反射光路上，集热器(2)的二氧化碳进口和二氧化碳出口分别与所述二氧化碳循环管路连接。3.根据权利要求1所述的光热超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳发电系统包括压缩机(14)、回热器(15)、透平(16)和预冷器(17)；透平(16)的二氧化碳进口与所述二氧化碳循环管路连接，透平(16)的二氧化碳出口与回热器(15)的热侧进口连接，回热器(15)的热侧出口与预冷器(17)的进口连接，预冷器(17)的出口与压缩机(14)的进口连接，压缩机(14)的出口与回热器(15)的冷侧进口连接，回热器(15)的冷侧出口与所述二氧化碳循环管路连接。4.根据权利要求1所述的光热超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，第一固体颗粒储热罐(3)的上部设有高温工质进/出口，下部设有低温工质进/出口；第二固体颗粒储热罐(4)的上部设有高温工质进/出口，下部设有低温工质进/出口。5.根据权利要求4所述的光热超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，第一固体颗粒储热罐(3)的高温工质进/出口与所述太阳能集热系统的出口之间设有第一阀门(5)，所述太阳能集热系统的出口与所述超临界二氧化碳发电系统的进口之间设有第二阀门(6)，第一固体颗粒储热罐(3)的高温工质进/出口与所述超临界二氧化碳发电系统的进口之间设有第三阀门(7)，第二固体颗粒储热罐(4)的高温工质进/出口与所述超临界二氧化碳发电系统的进口之间设有第四阀门(8)，第一固体颗粒储热罐(3)的低温工质进/出口与所述太阳能集热系统的进口之间设有第五阀门(9)，第一固体颗粒储热罐(3)的低温工质进/出口与所述超临界二氧化碳发电系统的出口之间设有第六阀门(10)，所述太阳能集热系统的进口与所述超临界二氧化碳发电系统的出口之间设有第七阀门(11)，第二固体颗粒储热罐(4)的低温工质进/出口与所述超临界二氧化碳发电系统的出口之间设有第八阀门(12)。6.根据权利要求1所述的光热超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，第一固体颗粒储热罐(3)和第二固体颗粒储热罐(4)的结构相同，包括罐体、若干管束和若干绝热板，若干管束竖直布置在罐体内部，罐体内部被若干绝热板分隔为多层并填充有用于传热的固体颗粒。7.根据权利要求1所述的光热超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，所述太阳能集热系统内的集热工质为二氧化碳气体，所述超临界二氧化碳发电系统内的循环工质为超临界二氧化碳气体。8.根据权利要求1所述的光热超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，所述超临界二氧化碳发电系统的超临界二氧化碳循环构型为一级回热循环或分流再压缩循环。9.根据权利要求1所述的光热超临界二氧化碳循环发电系统，其特征在于，循环风机(13)的进口与所述超临界二氧化碳发电系统的出口连接，循环风机(13)的出口与所述太阳能集热系统的进口连接。
10.权利要求1～9所述的光热超临界二氧化碳循环发电系统的工作方法，其特征在于，包括：白天时，来自所述太阳能集热系统的高温二氧化碳工质进入第一固体颗粒储热罐(3)放热，第一固体颗粒储热罐(3)内的固体颗粒吸热并存储高温热量，二氧化碳工质由第一固体颗粒储热罐(3)流出后由循环风机(13)送入所述太阳能集热系统再次集热，不断循环后第一固体颗粒储热罐(3)进行储热；第二固体颗粒储热罐(4)利用二氧化碳工质向所述超临界二氧化碳发电系统不断释放之前存储的热量；夜晚时，所述太阳能集热系统停止集热，第一固体颗粒储热罐(3)停止储热，第二固体颗粒储热罐(4)继续放热；白天时，第二固体颗粒储热罐(4)热量释放完毕后停止放热并开始储热，第一固体颗粒储热罐(3)开始放热；夜晚时，第一固体颗粒储热罐(3)继续放热，第二固体颗粒储热罐(4)停止储热；上述过程不断循环，所述超临界二氧化碳发电系统连续不间断运行。

技术总结
本发明公开的一种光热超临界二氧化碳循环发电系统及其工作方法，属于太阳能热发电技术领域。包括太阳能集热系统、第一固体颗粒储热罐、第二固体颗粒储热罐和超临界二氧化碳发电系统；第一固体颗粒储热罐与第二固体颗粒储热罐并联，并通过二氧化碳循环管路分别与太阳能集热系统的进出口和超临界二氧化碳发电系统的进出口连接，所述二氧化碳循环管路上设有循环风机。本发明能够避免对储热罐内部管壳壁面的磨损，保证储热系统安全、稳定运行，提高储热系统使用寿命；并且能够降低系统功耗，提高系统效率。系统效率。系统效率。


技术研发人员：杨艳彦 张佳 李海建 朱耿峰 张旭伟 蒋世希 吴帅帅 张一帆 李红智 张磊 周毓佳
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/23