一种太阳能热发电方法及装置的制造方法
一种太阳能热发电方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种太阳能热发电方法及装置，具体属太阳能热利用技术领域。
【背景技术】
[0002]随着可再生能源利用在全世界的蓬勃发展，太阳能聚热发电(CSP)与光伏太阳能发电(PV)得到了较快的发展。利用太阳能光伏发电，只能使波长较短的光得到利用，波长较长的光完全浪费，且使电池的温度升高，导致电池的效率下降，而利用太阳能光热发电，可以充分利用整个波长的太阳光，因而太阳能聚热发电(CSP)逐步为人们所认识、研宄和重视。太阳能聚热发电(CSP)相比光伏太阳能发电(PV)具有规模大、集中度高、效率高等突出特点，但是面临的共同问题是如何降低投资成本以及如何提高发电效率进而降低发电成本，尤其是降低投资成本和提高发电效率就成为两种太阳能发电技术竞争的焦点。
[0003]太阳能聚热发电(CSP)主要有槽式、碟式及塔式等热发电模式，其中槽式太阳能聚热发电(CSP)已经实现商业化，美国SEGS电站以及西班牙AndaSol电站已经具有商业化运行的经验；该技术主要采用导热油为传热工质，经导热油换热后驱动常规蒸汽轮机带动发电机组发电。由于目前的导热油工作温度必须控制在400°C左右，超出这一温度将会导致导热油裂解、粘度提高以及传热效率降低等问题，因此限制了槽式太阳能聚热发电的工作温度及发电效率。
[0004]碟式太阳能热发电系统以单个旋转抛物面反射镜为基础，构成一个完整的聚光、集热和发电单元。采用双轴跟踪装置，其聚光比一般在1000?3000之间。吸热器吸收太阳辐射并将其转换成热能，来加热吸热工质，驱动热机(如燃气轮机、斯特林发动机或其它类型透平等)，实现光电转化。目前单个碟式系统的功率多为5?50kW，峰值发电效率可达29%，在太阳能热发电的各种方式中，其效率最高。碟式太阳能热发电系统主要应用于分散式动力系统，虽然可以将多个碟式装置组成一个较大的发电系统，但它们原则上仍然是小型系统，不易于大型化；同时目前还没有适合于碟式太阳能热发电系统的动力机械，其应用受到了一定的限制。碟式太阳能热发电系统相对其他方式，具有模块化的灵活部署能力、较高的聚光比和发电总效率等优点，其缺点是大型化聚热发电时，成本比同规模的塔式太阳能热发电系统高得多。
[0005]塔式太阳能热发电系统，也称集中型太阳能热发电系统。太阳能塔式热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群，将阳光聚集到固定在塔顶部的接收器上，用以产生高温，加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动汽轮机发电机组或燃气轮机发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。由许多定日镜组成的庞大的定日镜场，其面积非常大，聚光比很高，一个接收器可以收集100丽的辐射功率，运行温度可达到1000?1500°C。用以吸收太阳热能的热流体通常有水、熔盐、空气等。对应不同的热流体，塔式太阳能接收器的类型也不同:
(一)热流体为水(水蒸气)的系统
以水(水蒸气)作为热流体的塔式太阳能热发电系统，直接利用聚焦的太阳能加热类似电站锅炉的蒸汽发生设备。在此系统中，给水一次经过塔式太阳能接收器的预热、蒸发、过热等换热面后，成为朗肯循环汽轮机的做功工质，带动发电机发电；蒸汽轮机的排汽被送往凝汽器中凝结成水后，通过给水泵重新送往接收器中。为保证生产蒸汽的稳定性，常常设置蒸汽蓄热系统，在阳光充足的时候，将多余的蒸汽热量储存在蓄热罐中，从而保证系统运行参数的稳定。由于入射太阳辐射的瞬变特性和分布不均，布置于接收器中的吸热管经常发生泄漏。
[0006]目前采用直接蒸汽生产方式的塔式太阳能热电站主要包括意大利0.75丽的Eurel1s电站、西班牙1.2MW的CESA-1电站、美国1MW的Solar One电站、西班牙IlMW的PSlO电站等。
[0007](二)热流体为熔盐的系统
为了避免直接蒸汽生产方式的塔式太阳能发电系统的接收器泄漏，同时为了获得更高的工作温度，可采用熔盐作为接收器中的吸热流体。使用熔盐作为热流体的塔式太阳能发电站有美国的MSEE电站及Solar Two电站、西班牙的Solar TRES电站等。Solar Two是为了推进塔式太阳能发电系统商业化发展的一个实用性项目，为促进塔式/熔盐太阳能热发电技术的发展作出了重要贡献。
[0008]但是熔盐也存在一定的缺点，即有高温分解和腐蚀问题，相关材料必须耐高温、耐腐蚀，使系统成本增加、可靠性降低；熔盐还有低温凝固问题，必须对相关设备进行保温、预热和伴热等，使系统的能耗增加。新型的结晶点在100°c以下的熔盐研宄值得关注，如美国桑迪亚实验室正在研宄结晶点在100°c以下的熔盐，如果成功将有希望取代导热油。
[0009](三)热流体为空气的系统
以空气作为吸热介质的塔式太阳能发电系统，可达到更高的工作温度。接收器通常采用腔体式接收器。以空气作为吸热介质的塔式太阳能发电系统可以采用以下两种工作方式。
[0010]一种工作方式是将接收器中产生的热空气应用于朗肯循环热电系统，如附图2所示。在该系统中，接收器周围的空气以及来自送风机的回流空气在接受器中吸收来自太阳能镜场的太阳福射，被加热后的热空气送往热量回收蒸汽生产系统(Heat Recovery SteamGenerating，HRSG), HRSG中产生的蒸汽送往汽轮机中做功，带动发电机发电。热空气在HRSG中将热量传递给工质后，变成低温空气，然后被送风机重新送往塔顶的接收器中。这种系统的缺点是采用低压空气作为吸热介质，吸收器的体积庞大，且蒸汽朗肯循环发电机组的蒸汽温度受制于耐高温的材料，目前用于蒸汽朗肯循环的蒸汽温度还没有超过625°C。其流程如附图2所示
另一种工作方式是将接收器中产生的热空气应用于布列顿-朗肯联合循环发电系统。可以直接将高压空气加热到1000°C以上去推动燃气轮机，推动燃气轮机后的气体仍有较高温度，再通过热交换器加热水生成水蒸气，水蒸气再去推动汽轮机，有效利用热量。也可以把经过腔体式接收器加热后的高压空气直接送入燃烧室，进一步加热后进入燃气轮机发电，燃气轮机的排气进入底部朗肯循环进行发电。
[0011]欧洲和以色列对采用空气作为吸热介质的塔式太阳能发电系统的换热技术及蓄热技术的研宄较为关注，并开展了一些著名的研宄项目，如Phoebus-TSA、SOLAIR和DIAPR等，取得了一定的研宄成果。德国于2009年投运的JUlich电站，是一个试验验证电站，也是世界上第一个采用空气作为传热介质的塔式太阳能发电系统。电站的工作示意图如附图3所示。
[0012]中国南京江宁开发区与以色列合作研发建成国内首座70kw塔式太阳能热发电示范工程，于2005年10月底成功并网发电，这是采用布雷顿循环原理建立的中国第一个塔式太阳能热发电站。该电站通过太阳能空腔式接收器以空气作传热工质，辅之以天然气和小型燃气轮机率先实现了利用太阳能和布雷顿循环技术结合的热发电装置，其塔式系统的塔高为33米，采用32台有效反射面积为19.6 m2的定日镜，接收器的出口工作温度为900°C，进口压力为0.4MPa，测试峰值转换效率为85%，燃气轮机热电效率为28.5%。但由于腔式太阳能接收器入口太小，进气温度难于和燃气配套致使实验效果不太理想。但燃气轮机的极高的热电效率值得关注，显然解决匹配性问题后，将是极有应用前景的塔式太阳能热发电系统。以色列和澳大利亚实施的“郁金香”小型塔式太阳能热发电试验项目实际是该技术的继续。目前，由中科院电工所在北京延庆县进行的IMW塔式太阳能发电项目正在试验中。
[0013]中国专利 201020168753.7,201210237402.6,201320792430.2,201310178790.8、201420007400.0等公开了采用气体增压方式的闭式布列顿循环系统。
[0014]值得特别关注的是以空气作为吸热介质的塔式太阳能发电系统，该系统采用空气作为热载体。空气的热传导性能 虽然不好，但它的工作温度范围大、操作简单、无毒性，不仅能和蒸汽驱动的汽轮机相连，还可以直接利用高温空气驱动燃气轮机，效率更高；在这种方案中，聚焦的光线被投射到一种透气材料(例如一种金属丝编织物)，空气从这种被加热的材料中通过，由于空气和这种集热材料的接触面很大，故传热很快，效率很高，而且可以把空气加热到700°C以上的高温。
[0015]上述系统采用了布列顿热发电技术，其最突出的优点是系统热电转换效率高，主要采用空气、空气和水蒸气为动力工质，以及由燃油、燃气等太阳能提供高温热能运行。很明显，布列顿热发电技术在太阳能热发电领域将会有很好的应用前景。但其尾部均配套余热锅炉回收蒸汽，用于蒸汽朗肯循环发电，运行要求高，系统较为复杂。
[0016]燃气轮机的排气温度很高，例如简单循环的燃气轮机机组排气温度一般为470 °C?600 °C，采用高温排气来加热从压气机出口的空气，提高它进入燃烧室的温度，可使燃烧室中加入的燃料量减少，从而提高了热效率，在燃气轮机中加装回热器后，可实现上述工作过程，这就是回热循环。附图4为其方案示意。附图4中:C-压气机，R-回热器，B-燃烧室，T-涡轮机，L-发电机。Daniele Cocco等人研宄了外燃式微型燃气轮机循环，并对涡轮机入口温度分别为800K、1000K、1200K的三种外燃式微型燃气轮机循环进行了仿真计算，其计算结果如附图5所示；显然在输出功率为75kW以上时，外燃式燃气轮机循环的热效率并不低。这种外燃式燃气轮机循环是由回热型燃气轮机循环发展而来，其结构与燃气轮机回热循环相似；在外燃式燃气轮机循环中，燃烧室被高温回热器取代，并在外部增加了一个代用燃料燃烧器，实现了燃气轮机的间接加热；在代用燃料燃烧室中，燃料是在稍高于外界大气压下进行燃烧的。该燃气轮机循环采用的工质为空气，其实质为空气涡轮机，其优点是燃料燃烧后生成的燃气不流经涡轮机，避免了燃料中的污垢对设备的损伤。美国航空航天研宄公司与热化学能源组织合作共同研宄了外燃式微型燃气轮机循环，并在航空航天研宄公司实验室成功地安装、运行了外燃式循环系统，涡轮机入口温度一般保持在750°C，温度上限为800°C。这种型式的循环系统为可再生能源在热电联供中的应用提供了一种新的选择，是一种很有前途的、高效的、廉价的功能方式，如何拓展其应用范围值得深入研宄。
[0017]因此如何解决上述现有技术存在的问题，充分发挥塔式或碟式太阳能聚光比高、温度高的优势，克服太阳能热发电技术中采用蒸汽朗肯循环的固有缺点(如需配套相应的水处理设施、蒸汽冷凝器及循环冷却水系统等)，拓展外燃式微型燃气轮机循环的应用范围，建立效率更高、新式的太阳能热发电模式，成为该领域研宄的难点。
【发明内容】
[0018]本发明是为解决现有技术存在的问题，提供一种太阳能热发电方法及装置，采用顶循环跟底循环均为布列顿循环的联合循环发电系统:顶循环采用空气作为太阳能的吸热介质，拖动空气涡轮机发电；底循环借鉴外燃式燃气轮机循环，选择空气作为循环工质，回收顶循环高温空气涡轮机排出气体的余热用于底循环发电，在使太阳能热利用合理的同时，简化了流程，从而达到经济高效的目的。
[0019]本发明的目的是通过以下措施实现的:
一种太阳能热发电方法及装置，其特征在于:
一种太阳能热发电方法，该方法采用空气作为循环工质，空气经顶循环压气机增压后，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器吸收热量，产生的高温空气驱动高温空气涡轮机拖动顶循环发电机发电，从而将太阳能转换为电能，高温空气涡轮机排出的空气，经回热器降温后，排入大气，从而形成顶部布列顿循环回路；另一路经底循环压气机增压后的压缩空气，送入回热器吸收高温空气涡轮机的排气余热，产生的热空气驱动底循环空气涡轮机，拖动底循环发电机发电，经底循环空气涡轮机降温降压后的空气排入大气，从而形成底部布列顿循环回路。
[0020]所述的太阳能聚热装置包括但不限于能产生高温的塔式或碟式太阳能聚热装置。
[0021]设有双级蓄热子系统，所述的双级蓄热子系统包括高温蓄热器、低温蓄热器:从太阳能聚热系统腔体式接收器出来的高温空气，经高温蓄热器将高温空气的部分显热储存起来，经过高温蓄热器储存显热后的空气，再经低温蓄热器蓄热降温后排出。
[0022]所述的双级蓄热子系统在太阳辐射能量充足时储存热量，在太阳辐射能量不足时，顶循环压气机增压后的压缩空气，经低温蓄热器、高温蓄热器加热后，产生的高温空气，驱动高温空气涡轮机拖动顶循环发电机发电。
[0023]所述的高温蓄热器中包含高温蓄热工质，该高温蓄热工质包括但不限于为熔盐、金属蓄热材料或耐高温的混凝土蓄热材料。
[0024]所述的低温蓄热器中包含低温蓄热工质，该低温蓄热工质包括但不限于为导热油、高压饱和水或相变工质。
[0025]所述的顶循环压气机与高温空气涡轮机之间设有调温器，如采用燃料燃烧器燃烧产生的高温烟气加热顶循环压缩空气，间接补入所需热量，从而保证顶部布列顿循环的运行参数的稳定。
[0026]一种太阳能热发电装置，其特征在于:
该装置利用顶部布列顿循环中高温空气涡轮机排出的温度较高的空气作为底部布列顿循环的热源，底部布列顿循环采用空气作为循环工质，从而形成复叠式太阳能热发电装置； 所述的顶部布列顿循环是指空气20经顶循环压气机21增压后，形成顶循环压缩空气22，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器23吸收热量，产生的高温空气24驱动高温空气涡轮机25拖动顶循环发电机26发电，从而将太阳能转换为电能，高温空气涡轮机25排出的空气，经回热器27降温后，排入大气，从而形成顶部布列顿循环回路；
所述的底部布列顿循环是指空气30经底循环压气机31增压后，产生压缩空气32，通过回热器27回收高温空气涡轮机25的排气余热，产生的热空气33，送入底循环空气涡轮机34拖动底循环发电机35发电，再由底循环空气涡轮机34排出，从而形成底部布列顿循环回路；
所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环通过回热器27组成复叠式太阳能热发电系统。
[0027]所述的太阳能聚热装置包括但不限于能产生高温的塔式或碟式太阳能聚热装置。
[0028]设有双级蓄热子系统，所述的双级蓄热子系统包括高温蓄热器37、低温蓄热器38:从太阳能聚热系统腔体式接收器23出来的高温空气24，经高温蓄热器37将高温空气的部分显热储存起来，再经低温蓄热器38蓄热降温后排出。
[0029]所述的双级蓄热子系统在太阳辐射能量充足时储存热量，在太阳辐射能量不足时，顶循环压气机21增压后的顶循环压缩空气22，经低温蓄热器38、高温蓄热器37加热后，产生的高温空气24，驱动高温空气涡轮机25拖动顶循环发电机26发电。
[0030]所述的高温蓄热器37中包含高温蓄热工质，该高温蓄热工质包括但不限于为熔盐、金属蓄热材料或耐高温的混凝土蓄热材料。
[0031]所述的低温蓄热器38中包含低温蓄热工质，该低温蓄热工质包括但不限于为导热油、高压饱和水或相变工质。
[0032]设有空气滤清器:所述的空气经空气滤清器过滤后送入顶循环压气机21、底循环压气机31 ；
所述的顶循环压气机21、底循环压气机31采用一级压缩，或多级压缩、中间冷却方式；所述的顶循环压气机21、底循环压气机31采用涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机、活塞式压缩机、滑片压缩机或轴流式压缩机；
作为优选，采用湿式螺杆压缩机配套微型燃气轮机机组，采用水作为螺杆压缩机的冷却介质。目前带同步喷液内冷湿式螺杆压缩机单级压缩比可达1:10，压缩终温则不高于850C ;多级螺杆压缩机的终压可达4MPa (级间带中间冷却)，螺杆压缩机的排量已突入离心式压缩机的范围，排气量可达500m3 /min,完全能够满足微型燃气轮机的配套要求。1988年上海711研宄所同上海石油化工总厂炼油化工部化工一厂及上海压缩机厂协作，研制出了用 于石油化工行业火炬气回收用的“湿式螺杆压缩机火炬气回收装置”(ZL89106075.8);“制氨流程中原料气入变换炉前加压工艺的改进”(ZL91108225.5)，以螺杆式压缩机代替现有的活塞式压缩机的低压段，经脱硫后的原料气入螺杆式压缩机加压，同时向压缩机内喷入经脱盐除氧的冷却水，喷水量以使气温保持在I O O 土 5 °C为宜，从压缩机出口排出增压至所需压力的气体、水蒸汽和热水混合物，分离出热水后的气体和水蒸汽一并送入变换工段。显然，采用喷水冷却技术，可使压气机出口的空气温度控制在95°C左右，在避免烟气低温腐蚀的同时，为降低燃气轮机的烟气排出温度创造了极优的条件，采用清洁燃料时，燃气轮机排出的烟气温度可控制在130°C左右，仅降低排烟温度，绝对热效率即可提高1%以上。
[0033]所述的顶循环压气机21、底循环压气机31可合并为同一台压气机，增压后的压缩空气分成两路，即顶循环压缩空气22、底循环压缩空气32，分别送往顶循环、底循环作为作为循环工质。
[0034]所述的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34可采用共轴或异轴运行方式。
[0035]所述的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34采用共轴方式时，顶循环发电机26、底循环发电机35可合并为同一台发电机。
[0036]所述的回热器27包括表面式和再生式两类；
所述的表面式回热器包括但不限于管壳式、板式、板翅式及原表面式(新型板式);
所述的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。
[0037]所述的顶部布列顿循环、底部布列顿循环的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34采用相同或不同的进气压力。
[0038]所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环可选择不同的压力、温度组织复叠式太阳能热发电系统，比如顶部布列顿循环采用低压、较高温度的运行方式，底部布列顿循环采用高压、较低温度的运行方式，在提高机组效率的同时，降低了材质的选用要求。
[0039]所述的顶循环压气机21与高温空气涡轮机25之间设有调温器，如采用燃料燃烧器燃烧产生高温烟气加热顶循环压缩空气，间接补入所需热量，从而保证顶部布列顿循环的运行参数的稳定。
[0040]所述的燃料包括生物质燃料、煤、气体燃料或液体燃料。
[0041]本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保温、具有调节功能的旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。
[0042]设有与本发明系统配套的安全、调控装置，采用现有成熟的调控技术进行配套，使太阳能热发电系统能经济、安全、高效率运行，达到节能降耗的目的。
[0043]本发明相比现有技术具有如下优点:
1、通过增加底部布列顿循环中的空气量，可有效降低顶部布列顿循环的排气温度，同时拓展了外燃式燃气轮机机组的应用领域，将其应用于太阳能热发电系统，太阳能热发电的效率高，即使采用小微燃气轮机机组时，联合循环机组的热效率仍可达37%以上。
[0044]2、太阳能热发电联合循环机组运行调节灵活方便，无需配备传统燃气-蒸汽联合循环发电机组中的冷凝器，机组的公用工程用水量有较大幅度的降低，设备大为简化，特别适宜于缺水地区。
[0045]3、系统的自保能力强，在顶部布列顿和底部布列顿中的涡轮机之一解列时，仍能通过调节运行方式，确保机组安全运行，增强了整个系统的安全操作弹性及灵活性，便于安全应急措施的迅速实施。
[0046]4、底循环压缩空气可采用大气量、高压力运行方式，在确保有效降低顶循环排气温度、底循环机组热效率的前提下，还可降低回热器的材质要求，从而有效降低设备造价。
[0047]5、联合循环机组中的顶循环和底循环涡轮机可采用共轴方式，底循环和顶循环的发电机可以合并为一台发电机，从而使设备更加简化、紧凑。
[0048]6、整个机组的安全性较传统太阳能热发电技术显著提高，维修工作量显著减少。
【附图说明】
[0049]图1是本发明的一种太阳能热发电方法及装置流程示意图；
图1中:20-空气，21-顶循环压气机，22-顶循环压缩空气，23-腔体式接收器，24-高温空气，25-高温空气涡轮机，26-顶循环发电机，27-回热器，28-排气，29-太阳能定日镜场，30-空气，31-底循环压气机，32-底循环压缩空气，33-热空气，34-底循环空气涡轮机，35-底循环发电机，36-底循环排出空气，37-高温蓄热器，38-低温蓄热器，39-废气。
[0050]图2是一种以空气为热流体的塔式太阳能热发电系统工作原理(发电系统采用朗肯循环)流程示意图。
[0051]图3是一种以空气为热流体的塔式太阳能热发电系统工作原理(发电系统采用联合循环)流程示意图。
[0052]图4是采用回热循环的燃气轮机机组流程示意图。
[0053]图5是以空气为循环工质的外燃型燃气轮机输出功率、效率与压比的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0054]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
[0055]实施例1:
如图1所示，本发明的一种太阳能热发电方法及装置流程示意图。
[0056]一种太阳能热发电方法，该方法采用空气作为循环工质，空气经顶循环压气机增压后，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器吸收热量，产生的高温空气驱动高温空气涡轮机拖动顶循环发电机发电，从而将太阳能转换为电能，高温空气涡轮机排出的空气，经回热器降温后，排入大气；另一路经底循环压气机增压后的压缩空气，送入回热器吸收高温空气涡轮机的排气余热，产生的热空气驱动底循环空气涡轮机，拖动底循环发电机发电，经底循环空气涡轮机降温降压后的空气排入大气，从而形成底部布列顿循环。
[0057]所述的太阳能聚热装置采用塔式太阳能聚热装置，配套太阳能定日镜场。
[0058]设有双级蓄热子系统，所述的双级蓄热子系统包括高温蓄热器、低温蓄热器:从太阳能聚热系统的腔体式接收器出来的高温空气，经高温蓄热器将高温空气的部分显热储存起来，经过高温蓄热器储存显热后的空气，再经低温蓄热器蓄热降温后排出。
[0059]所述的双级蓄热子系统在太阳辐射能量充足时储存热量，在太阳辐射能量不足时，顶循环压气机增压后的压缩空气，经低温蓄热器、高温蓄热器加热后，产生的高温空气，驱动高温空气涡轮机拖动顶循环发电机发电。
[0060]所述的高温蓄热器中包含高温蓄热工质，该高温蓄热工质包括但不限于为熔盐、金属蓄热材料或耐高温的混凝土蓄热材料。
[0061]所述的低温蓄热器中包含低温蓄热工质，该低温蓄热工质包括但不限于为导热油、高压饱和水或相变工质。
[0062]所述的太阳能聚热装置的腔体式接收器与高温空气涡轮机之间设有调温器，采用燃料燃烧器燃烧产生的高温烟气加热顶循环压缩空气，间接补入所需热量，从而保证顶部布列顿循环的运行参数的稳定，所述的燃料采用生物质燃料。
[0063]一种太阳能热发电装置，该装置利用顶部布列顿循环中高温空气涡轮机排出的温度较高的空气作为底部布列顿循环的热源，底部布列顿循环采用空气作为循环工质，从而形成复叠式布列顿联合循环发电装置；
所述的顶部布列顿循环是指空气20经顶循环压气机21增压后，形成顶循环压缩空气22，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器23吸收热量，产生的高温空气24驱动高温空气涡轮机25拖动顶循环发电机26发电，从而将太阳能转换为电能，高温空气涡轮机25排出的空气，经回热器27降温后，排入大气，从而形成顶部布列顿循环回路；
所述的底部布列顿循环是指空气30经底循环压气机31增压后，产生压缩空气32，通过回热器27回收高温空气涡轮机25的排气余热，产生的热空气33，送入底循环空气涡轮机34拖动底循环发电机35发电，再由底循环空气涡轮机34排出， 从而形成底部布列顿循环回路；
所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环通过回热器27组成复叠式太阳能热发电装置。
[0064]所述的太阳能聚热装置采用塔式太阳能聚热装置，配套太阳能定日镜场29。
[0065]设有双级蓄热子系统，所述的双级蓄热子系统包括高温蓄热器37、低温蓄热器38:从太阳能聚热系统腔体式接收器23出来的高温空气24，经高温蓄热器37将高温空气的部分显热储存起来，再经低温蓄热器38蓄热降温后排出。
[0066]所述的双级蓄热子系统在太阳福射能量充足时储存热量，在太阳福射能量不足时，顶循环压气机21增压后的顶循环压缩空气22，经低温蓄热器38、高温蓄热器37加热后，产生的高温空气24，驱动高温空气涡轮机25拖动顶循环发电机26发电。
[0067]所述的高温蓄热器37中包含高温蓄热工质，该高温蓄热工质包括但不限于为熔盐、金属蓄热材料或耐高温的混凝土蓄热材料。
[0068]所述的低温蓄热器38中包含低温蓄热工质，该低温蓄热工质包括但不限于为导热油、高压饱和水或相变工质。
[0069]设有空气滤清器:所述的空气经空气滤清器过滤后送入压气机。
[0070]所述的顶循环压气机21、底循环压气机31采用多级压缩、中间冷却方式。
[0071]所述的顶循环压气机21、底循环压气机31采用螺杆式压缩机。
[0072]所述的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34可采用共轴运行方式。
[0073]所述的顶循环发电机26、底循环发电机35合并为同一台发电机。
[0074]所述的回热器27为板翅式或原表面式(新型板式)。
[0075]所述的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34为涡旋式膨胀机。
[0076]所述的顶部布列顿循环、底部布列顿循环的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34采用相同或不同的进气压力。
[0077]所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环可选择不同的压力、温度组织复叠式布列顿太阳能热发电系统，比如顶部布列顿循环采用低压、较高温度的运行方式，底部布列顿循环采用高压、较低温度的运行方式，从而拓宽机组材质的选用范围。
[0078]所述的太阳能聚热装置与高温空气涡轮机之间设有调温器，采用燃料燃烧器燃烧产生的高温烟气加热顶循环压缩空气，间接补入所需热量，从而保证顶部布列顿循环的运行参数的稳定；燃料采用生物质燃料。
[0079]本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保温、具有调节功能的旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。
[0080]设有与本发明系统配套的安全、调控装置，采用现有成熟的调控技术进行配套，使太阳能热发电系统能经济、安全、高效率运行，达到节能降耗的目的。
[0081]虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉本领域专业的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，可作各种简单修改、等同变化，仍属于本发明技术方案的保护范围。
【主权项】
1.一种太阳能热发电方法，其特征在于: 该方法采用经顶循环压气机增压后的空气，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器吸收热量，产生的高温空气驱动高温空气涡轮机，拖动顶循环发电机发电，从而将太阳能转换为电能，高温空气涡轮机排出的空气，经回热器降温后排出，从而形成顶部布列顿循环回路；另一路经底循环压气机增压后的压缩空气，送入回热器吸收高温空气涡轮机的排气余热，产生的热空气驱动底循环空气涡轮机，拖动底循环发电机发电，经底循环空气涡轮机降温降压后的空气排入大气，从而形成底部布列顿循环回路； 所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环通过回热器组成复叠式太阳能热发电系统。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于: 设有双级蓄热子系统:所述的双级蓄热子系统包括高温蓄热器、低温蓄热器:从太阳能聚热系统的腔体式接收器出来的高温空气，经高温蓄热器将高温空气的部分显热储存起来，经过高温蓄热器储存显热后的空气，再经低温蓄热器蓄热降温后排出； 所述的双级蓄热子系统在太阳辐射能量充足时储存热量，在太阳辐射能量不足时，顶循环压气机增压后的压缩空气，经低温蓄热器、高温蓄热器加热后，产生的高温空气，驱动高温空气涡轮机拖动顶循环发电机发电。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于: 所述的高温蓄热器中包含高温蓄热工质，该高温蓄热工质包括熔盐、金属蓄热材料或耐高温的混凝土蓄热材料； 所述的低温蓄热器中包含低温蓄热工质，该低温蓄热工质包括导热油、高压饱和水或相变工质。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于: 所述的太阳能聚热装置是指塔式或碟式太阳能聚热装置。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于: 所述的高温空气涡轮机(25)与底循环空气涡轮机(34)采用相同或不同的进气压力。6.一种太阳能热发电装置，其特征在于: 该装置由顶部布列顿循环和底部布列顿循环复叠而成； 所述的顶部布列顿循环是指空气(20)经顶循环压气机(21)增压后，形成顶循环压缩空气(22)，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器(23)吸收热量，产生的高温空气(24)驱动高温空气涡轮机(25)拖动顶循环发电机(26)发电，从而将太阳能转换为电能，高温空气涡轮机(25)排出的空气，经回热器(27)降温后排出，从而形成顶部布列顿循环回路； 所述的底部布列顿循环是指空气(30)经底循环压气机(31)增压后，产生压缩空气(32)，通过回热器(27)回收高温空气涡轮机(25)的排气余热，产生的热空气(33)，送入底循环空气涡轮机(34)拖动底循环发电机(35)发电，再由底循环空气涡轮机(34)排出，从而形成底部布列顿循环回路； 所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环通过回热器(27)组成复叠式太阳能热发电系统。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于: 设有双级蓄热子系统:所述的双级蓄热子系统包括高温蓄热器(37)、低温蓄热器(38)，从太阳能聚热系统的腔体式接收器(23)出来的高温空气(24)，经高温蓄热器(37)、低温蓄热器(38)蓄热降温后排出； 所述的双级蓄热子系统在太阳辐射能量充足时储存热量，在太阳辐射能量不足时，顶循环压气机(21)增压后的顶循环压缩空气(22)，经低温蓄热器(38)、高温蓄热器(37)加热后，产生高温空气(24)，驱动高温空气涡轮机(25)拖动顶循环发电机(26)发电。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于: 所述的高温蓄热器中包含高温蓄热工质，该高温蓄热工质包括熔盐、金属蓄热材料或耐高温的混凝土蓄热材料； 所述的低温蓄热器中包含低温蓄热工质，该低温蓄热工质包括导热油、高压饱和水或相变工质。9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于: 所述的高温空气涡轮机(25)、底循环空气涡轮机(34)采用共轴或异轴运行方式； 所述的高温空气涡轮机(25)、底循环空气涡轮机(34)采用共轴方式时，顶循环发电机(26)、底循环发电机(35)合并为同一台发电机。10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于: 所述的太阳能聚热装置是指塔式或碟式太阳能聚热装置。
【专利摘要】本发明涉及一种太阳能热发电方法及装置，该方法采用顶部布列顿循环和底部布列顿循环复叠运行方式，采用空气作为循环工质，空气经顶循环压气机增压后，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器吸收热量，利用顶部布列顿循环中高温空气涡轮机排出的温度较高的空气作为底部布列顿循环的热源，从而形成复叠式太阳能热发电系统。该装置能有效提高太阳能热发电的效率，机组的安全性、经济性好，特别适宜于缺水地区。
【IPC分类】F24J2/04, F03G6/00, F03G6/04
【公开号】CN104896764
【申请号】CN201510212830
【发明人】孟宁, 王海波, 魏然
【申请人】南京瑞柯徕姆环保科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月29日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种太阳能热发电方法及装置，具体属太阳能热利用技术领域。
【背景技术】
[0002]随着可再生能源利用在全世界的蓬勃发展，太阳能聚热发电(CSP)与光伏太阳能发电(PV)得到了较快的发展。利用太阳能光伏发电，只能使波长较短的光得到利用，波长较长的光完全浪费，且使电池的温度升高，导致电池的效率下降，而利用太阳能光热发电，可以充分利用整个波长的太阳光，因而太阳能聚热发电(CSP)逐步为人们所认识、研宄和重视。太阳能聚热发电(CSP)相比光伏太阳能发电(PV)具有规模大、集中度高、效率高等突出特点，但是面临的共同问题是如何降低投资成本以及如何提高发电效率进而降低发电成本，尤其是降低投资成本和提高发电效率就成为两种太阳能发电技术竞争的焦点。
[0003]太阳能聚热发电(CSP)主要有槽式、碟式及塔式等热发电模式，其中槽式太阳能聚热发电(CSP)已经实现商业化，美国SEGS电站以及西班牙AndaSol电站已经具有商业化运行的经验；该技术主要采用导热油为传热工质，经导热油换热后驱动常规蒸汽轮机带动发电机组发电。由于目前的导热油工作温度必须控制在400°C左右，超出这一温度将会导致导热油裂解、粘度提高以及传热效率降低等问题，因此限制了槽式太阳能聚热发电的工作温度及发电效率。
[0004]碟式太阳能热发电系统以单个旋转抛物面反射镜为基础，构成一个完整的聚光、集热和发电单元。采用双轴跟踪装置，其聚光比一般在1000?3000之间。吸热器吸收太阳辐射并将其转换成热能，来加热吸热工质，驱动热机(如燃气轮机、斯特林发动机或其它类型透平等)，实现光电转化。目前单个碟式系统的功率多为5?50kW，峰值发电效率可达29%，在太阳能热发电的各种方式中，其效率最高。碟式太阳能热发电系统主要应用于分散式动力系统，虽然可以将多个碟式装置组成一个较大的发电系统，但它们原则上仍然是小型系统，不易于大型化；同时目前还没有适合于碟式太阳能热发电系统的动力机械，其应用受到了一定的限制。碟式太阳能热发电系统相对其他方式，具有模块化的灵活部署能力、较高的聚光比和发电总效率等优点，其缺点是大型化聚热发电时，成本比同规模的塔式太阳能热发电系统高得多。
[0005]塔式太阳能热发电系统，也称集中型太阳能热发电系统。太阳能塔式热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群，将阳光聚集到固定在塔顶部的接收器上，用以产生高温，加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动汽轮机发电机组或燃气轮机发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。由许多定日镜组成的庞大的定日镜场，其面积非常大，聚光比很高，一个接收器可以收集100丽的辐射功率，运行温度可达到1000?1500°C。用以吸收太阳热能的热流体通常有水、熔盐、空气等。对应不同的热流体，塔式太阳能接收器的类型也不同:
(一)热流体为水(水蒸气)的系统
以水(水蒸气)作为热流体的塔式太阳能热发电系统，直接利用聚焦的太阳能加热类似电站锅炉的蒸汽发生设备。在此系统中，给水一次经过塔式太阳能接收器的预热、蒸发、过热等换热面后，成为朗肯循环汽轮机的做功工质，带动发电机发电；蒸汽轮机的排汽被送往凝汽器中凝结成水后，通过给水泵重新送往接收器中。为保证生产蒸汽的稳定性，常常设置蒸汽蓄热系统，在阳光充足的时候，将多余的蒸汽热量储存在蓄热罐中，从而保证系统运行参数的稳定。由于入射太阳辐射的瞬变特性和分布不均，布置于接收器中的吸热管经常发生泄漏。
[0006]目前采用直接蒸汽生产方式的塔式太阳能热电站主要包括意大利0.75丽的Eurel1s电站、西班牙1.2MW的CESA-1电站、美国1MW的Solar One电站、西班牙IlMW的PSlO电站等。
[0007](二)热流体为熔盐的系统
为了避免直接蒸汽生产方式的塔式太阳能发电系统的接收器泄漏，同时为了获得更高的工作温度，可采用熔盐作为接收器中的吸热流体。使用熔盐作为热流体的塔式太阳能发电站有美国的MSEE电站及Solar Two电站、西班牙的Solar TRES电站等。Solar Two是为了推进塔式太阳能发电系统商业化发展的一个实用性项目，为促进塔式/熔盐太阳能热发电技术的发展作出了重要贡献。
[0008]但是熔盐也存在一定的缺点，即有高温分解和腐蚀问题，相关材料必须耐高温、耐腐蚀，使系统成本增加、可靠性降低；熔盐还有低温凝固问题，必须对相关设备进行保温、预热和伴热等，使系统的能耗增加。新型的结晶点在100°c以下的熔盐研宄值得关注，如美国桑迪亚实验室正在研宄结晶点在100°c以下的熔盐，如果成功将有希望取代导热油。
[0009](三)热流体为空气的系统
以空气作为吸热介质的塔式太阳能发电系统，可达到更高的工作温度。接收器通常采用腔体式接收器。以空气作为吸热介质的塔式太阳能发电系统可以采用以下两种工作方式。
[0010]一种工作方式是将接收器中产生的热空气应用于朗肯循环热电系统，如附图2所示。在该系统中，接收器周围的空气以及来自送风机的回流空气在接受器中吸收来自太阳能镜场的太阳福射，被加热后的热空气送往热量回收蒸汽生产系统(Heat Recovery SteamGenerating，HRSG), HRSG中产生的蒸汽送往汽轮机中做功，带动发电机发电。热空气在HRSG中将热量传递给工质后，变成低温空气，然后被送风机重新送往塔顶的接收器中。这种系统的缺点是采用低压空气作为吸热介质，吸收器的体积庞大，且蒸汽朗肯循环发电机组的蒸汽温度受制于耐高温的材料，目前用于蒸汽朗肯循环的蒸汽温度还没有超过625°C。其流程如附图2所示
另一种工作方式是将接收器中产生的热空气应用于布列顿-朗肯联合循环发电系统。可以直接将高压空气加热到1000°C以上去推动燃气轮机，推动燃气轮机后的气体仍有较高温度，再通过热交换器加热水生成水蒸气，水蒸气再去推动汽轮机，有效利用热量。也可以把经过腔体式接收器加热后的高压空气直接送入燃烧室，进一步加热后进入燃气轮机发电，燃气轮机的排气进入底部朗肯循环进行发电。
[0011]欧洲和以色列对采用空气作为吸热介质的塔式太阳能发电系统的换热技术及蓄热技术的研宄较为关注，并开展了一些著名的研宄项目，如Phoebus-TSA、SOLAIR和DIAPR等，取得了一定的研宄成果。德国于2009年投运的JUlich电站，是一个试验验证电站，也是世界上第一个采用空气作为传热介质的塔式太阳能发电系统。电站的工作示意图如附图3所示。
[0012]中国南京江宁开发区与以色列合作研发建成国内首座70kw塔式太阳能热发电示范工程，于2005年10月底成功并网发电，这是采用布雷顿循环原理建立的中国第一个塔式太阳能热发电站。该电站通过太阳能空腔式接收器以空气作传热工质，辅之以天然气和小型燃气轮机率先实现了利用太阳能和布雷顿循环技术结合的热发电装置，其塔式系统的塔高为33米，采用32台有效反射面积为19.6 m2的定日镜，接收器的出口工作温度为900°C，进口压力为0.4MPa，测试峰值转换效率为85%，燃气轮机热电效率为28.5%。但由于腔式太阳能接收器入口太小，进气温度难于和燃气配套致使实验效果不太理想。但燃气轮机的极高的热电效率值得关注，显然解决匹配性问题后，将是极有应用前景的塔式太阳能热发电系统。以色列和澳大利亚实施的“郁金香”小型塔式太阳能热发电试验项目实际是该技术的继续。目前，由中科院电工所在北京延庆县进行的IMW塔式太阳能发电项目正在试验中。
[0013]中国专利 201020168753.7,201210237402.6,201320792430.2,201310178790.8、201420007400.0等公开了采用气体增压方式的闭式布列顿循环系统。
[0014]值得特别关注的是以空气作为吸热介质的塔式太阳能发电系统，该系统采用空气作为热载体。空气的热传导性能 虽然不好，但它的工作温度范围大、操作简单、无毒性，不仅能和蒸汽驱动的汽轮机相连，还可以直接利用高温空气驱动燃气轮机，效率更高；在这种方案中，聚焦的光线被投射到一种透气材料(例如一种金属丝编织物)，空气从这种被加热的材料中通过，由于空气和这种集热材料的接触面很大，故传热很快，效率很高，而且可以把空气加热到700°C以上的高温。
[0015]上述系统采用了布列顿热发电技术，其最突出的优点是系统热电转换效率高，主要采用空气、空气和水蒸气为动力工质，以及由燃油、燃气等太阳能提供高温热能运行。很明显，布列顿热发电技术在太阳能热发电领域将会有很好的应用前景。但其尾部均配套余热锅炉回收蒸汽，用于蒸汽朗肯循环发电，运行要求高，系统较为复杂。
[0016]燃气轮机的排气温度很高，例如简单循环的燃气轮机机组排气温度一般为470 °C?600 °C，采用高温排气来加热从压气机出口的空气，提高它进入燃烧室的温度，可使燃烧室中加入的燃料量减少，从而提高了热效率，在燃气轮机中加装回热器后，可实现上述工作过程，这就是回热循环。附图4为其方案示意。附图4中:C-压气机，R-回热器，B-燃烧室，T-涡轮机，L-发电机。Daniele Cocco等人研宄了外燃式微型燃气轮机循环，并对涡轮机入口温度分别为800K、1000K、1200K的三种外燃式微型燃气轮机循环进行了仿真计算，其计算结果如附图5所示；显然在输出功率为75kW以上时，外燃式燃气轮机循环的热效率并不低。这种外燃式燃气轮机循环是由回热型燃气轮机循环发展而来，其结构与燃气轮机回热循环相似；在外燃式燃气轮机循环中，燃烧室被高温回热器取代，并在外部增加了一个代用燃料燃烧器，实现了燃气轮机的间接加热；在代用燃料燃烧室中，燃料是在稍高于外界大气压下进行燃烧的。该燃气轮机循环采用的工质为空气，其实质为空气涡轮机，其优点是燃料燃烧后生成的燃气不流经涡轮机，避免了燃料中的污垢对设备的损伤。美国航空航天研宄公司与热化学能源组织合作共同研宄了外燃式微型燃气轮机循环，并在航空航天研宄公司实验室成功地安装、运行了外燃式循环系统，涡轮机入口温度一般保持在750°C，温度上限为800°C。这种型式的循环系统为可再生能源在热电联供中的应用提供了一种新的选择，是一种很有前途的、高效的、廉价的功能方式，如何拓展其应用范围值得深入研宄。
[0017]因此如何解决上述现有技术存在的问题，充分发挥塔式或碟式太阳能聚光比高、温度高的优势，克服太阳能热发电技术中采用蒸汽朗肯循环的固有缺点(如需配套相应的水处理设施、蒸汽冷凝器及循环冷却水系统等)，拓展外燃式微型燃气轮机循环的应用范围，建立效率更高、新式的太阳能热发电模式，成为该领域研宄的难点。
【发明内容】
[0018]本发明是为解决现有技术存在的问题，提供一种太阳能热发电方法及装置，采用顶循环跟底循环均为布列顿循环的联合循环发电系统:顶循环采用空气作为太阳能的吸热介质，拖动空气涡轮机发电；底循环借鉴外燃式燃气轮机循环，选择空气作为循环工质，回收顶循环高温空气涡轮机排出气体的余热用于底循环发电，在使太阳能热利用合理的同时，简化了流程，从而达到经济高效的目的。
[0019]本发明的目的是通过以下措施实现的:
一种太阳能热发电方法及装置，其特征在于:
一种太阳能热发电方法，该方法采用空气作为循环工质，空气经顶循环压气机增压后，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器吸收热量，产生的高温空气驱动高温空气涡轮机拖动顶循环发电机发电，从而将太阳能转换为电能，高温空气涡轮机排出的空气，经回热器降温后，排入大气，从而形成顶部布列顿循环回路；另一路经底循环压气机增压后的压缩空气，送入回热器吸收高温空气涡轮机的排气余热，产生的热空气驱动底循环空气涡轮机，拖动底循环发电机发电，经底循环空气涡轮机降温降压后的空气排入大气，从而形成底部布列顿循环回路。
[0020]所述的太阳能聚热装置包括但不限于能产生高温的塔式或碟式太阳能聚热装置。
[0021]设有双级蓄热子系统，所述的双级蓄热子系统包括高温蓄热器、低温蓄热器:从太阳能聚热系统腔体式接收器出来的高温空气，经高温蓄热器将高温空气的部分显热储存起来，经过高温蓄热器储存显热后的空气，再经低温蓄热器蓄热降温后排出。
[0022]所述的双级蓄热子系统在太阳辐射能量充足时储存热量，在太阳辐射能量不足时，顶循环压气机增压后的压缩空气，经低温蓄热器、高温蓄热器加热后，产生的高温空气，驱动高温空气涡轮机拖动顶循环发电机发电。
[0023]所述的高温蓄热器中包含高温蓄热工质，该高温蓄热工质包括但不限于为熔盐、金属蓄热材料或耐高温的混凝土蓄热材料。
[0024]所述的低温蓄热器中包含低温蓄热工质，该低温蓄热工质包括但不限于为导热油、高压饱和水或相变工质。
[0025]所述的顶循环压气机与高温空气涡轮机之间设有调温器，如采用燃料燃烧器燃烧产生的高温烟气加热顶循环压缩空气，间接补入所需热量，从而保证顶部布列顿循环的运行参数的稳定。
[0026]一种太阳能热发电装置，其特征在于:
该装置利用顶部布列顿循环中高温空气涡轮机排出的温度较高的空气作为底部布列顿循环的热源，底部布列顿循环采用空气作为循环工质，从而形成复叠式太阳能热发电装置； 所述的顶部布列顿循环是指空气20经顶循环压气机21增压后，形成顶循环压缩空气22，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器23吸收热量，产生的高温空气24驱动高温空气涡轮机25拖动顶循环发电机26发电，从而将太阳能转换为电能，高温空气涡轮机25排出的空气，经回热器27降温后，排入大气，从而形成顶部布列顿循环回路；
所述的底部布列顿循环是指空气30经底循环压气机31增压后，产生压缩空气32，通过回热器27回收高温空气涡轮机25的排气余热，产生的热空气33，送入底循环空气涡轮机34拖动底循环发电机35发电，再由底循环空气涡轮机34排出，从而形成底部布列顿循环回路；
所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环通过回热器27组成复叠式太阳能热发电系统。
[0027]所述的太阳能聚热装置包括但不限于能产生高温的塔式或碟式太阳能聚热装置。
[0028]设有双级蓄热子系统，所述的双级蓄热子系统包括高温蓄热器37、低温蓄热器38:从太阳能聚热系统腔体式接收器23出来的高温空气24，经高温蓄热器37将高温空气的部分显热储存起来，再经低温蓄热器38蓄热降温后排出。
[0029]所述的双级蓄热子系统在太阳辐射能量充足时储存热量，在太阳辐射能量不足时，顶循环压气机21增压后的顶循环压缩空气22，经低温蓄热器38、高温蓄热器37加热后，产生的高温空气24，驱动高温空气涡轮机25拖动顶循环发电机26发电。
[0030]所述的高温蓄热器37中包含高温蓄热工质，该高温蓄热工质包括但不限于为熔盐、金属蓄热材料或耐高温的混凝土蓄热材料。
[0031]所述的低温蓄热器38中包含低温蓄热工质，该低温蓄热工质包括但不限于为导热油、高压饱和水或相变工质。
[0032]设有空气滤清器:所述的空气经空气滤清器过滤后送入顶循环压气机21、底循环压气机31 ；
所述的顶循环压气机21、底循环压气机31采用一级压缩，或多级压缩、中间冷却方式；所述的顶循环压气机21、底循环压气机31采用涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机、活塞式压缩机、滑片压缩机或轴流式压缩机；
作为优选，采用湿式螺杆压缩机配套微型燃气轮机机组，采用水作为螺杆压缩机的冷却介质。目前带同步喷液内冷湿式螺杆压缩机单级压缩比可达1:10，压缩终温则不高于850C ;多级螺杆压缩机的终压可达4MPa (级间带中间冷却)，螺杆压缩机的排量已突入离心式压缩机的范围，排气量可达500m3 /min,完全能够满足微型燃气轮机的配套要求。1988年上海711研宄所同上海石油化工总厂炼油化工部化工一厂及上海压缩机厂协作，研制出了用 于石油化工行业火炬气回收用的“湿式螺杆压缩机火炬气回收装置”(ZL89106075.8);“制氨流程中原料气入变换炉前加压工艺的改进”(ZL91108225.5)，以螺杆式压缩机代替现有的活塞式压缩机的低压段，经脱硫后的原料气入螺杆式压缩机加压，同时向压缩机内喷入经脱盐除氧的冷却水，喷水量以使气温保持在I O O 土 5 °C为宜，从压缩机出口排出增压至所需压力的气体、水蒸汽和热水混合物，分离出热水后的气体和水蒸汽一并送入变换工段。显然，采用喷水冷却技术，可使压气机出口的空气温度控制在95°C左右，在避免烟气低温腐蚀的同时，为降低燃气轮机的烟气排出温度创造了极优的条件，采用清洁燃料时，燃气轮机排出的烟气温度可控制在130°C左右，仅降低排烟温度，绝对热效率即可提高1%以上。
[0033]所述的顶循环压气机21、底循环压气机31可合并为同一台压气机，增压后的压缩空气分成两路，即顶循环压缩空气22、底循环压缩空气32，分别送往顶循环、底循环作为作为循环工质。
[0034]所述的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34可采用共轴或异轴运行方式。
[0035]所述的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34采用共轴方式时，顶循环发电机26、底循环发电机35可合并为同一台发电机。
[0036]所述的回热器27包括表面式和再生式两类；
所述的表面式回热器包括但不限于管壳式、板式、板翅式及原表面式(新型板式);
所述的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。
[0037]所述的顶部布列顿循环、底部布列顿循环的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34采用相同或不同的进气压力。
[0038]所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环可选择不同的压力、温度组织复叠式太阳能热发电系统，比如顶部布列顿循环采用低压、较高温度的运行方式，底部布列顿循环采用高压、较低温度的运行方式，在提高机组效率的同时，降低了材质的选用要求。
[0039]所述的顶循环压气机21与高温空气涡轮机25之间设有调温器，如采用燃料燃烧器燃烧产生高温烟气加热顶循环压缩空气，间接补入所需热量，从而保证顶部布列顿循环的运行参数的稳定。
[0040]所述的燃料包括生物质燃料、煤、气体燃料或液体燃料。
[0041]本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保温、具有调节功能的旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。
[0042]设有与本发明系统配套的安全、调控装置，采用现有成熟的调控技术进行配套，使太阳能热发电系统能经济、安全、高效率运行，达到节能降耗的目的。
[0043]本发明相比现有技术具有如下优点:
1、通过增加底部布列顿循环中的空气量，可有效降低顶部布列顿循环的排气温度，同时拓展了外燃式燃气轮机机组的应用领域，将其应用于太阳能热发电系统，太阳能热发电的效率高，即使采用小微燃气轮机机组时，联合循环机组的热效率仍可达37%以上。
[0044]2、太阳能热发电联合循环机组运行调节灵活方便，无需配备传统燃气-蒸汽联合循环发电机组中的冷凝器，机组的公用工程用水量有较大幅度的降低，设备大为简化，特别适宜于缺水地区。
[0045]3、系统的自保能力强，在顶部布列顿和底部布列顿中的涡轮机之一解列时，仍能通过调节运行方式，确保机组安全运行，增强了整个系统的安全操作弹性及灵活性，便于安全应急措施的迅速实施。
[0046]4、底循环压缩空气可采用大气量、高压力运行方式，在确保有效降低顶循环排气温度、底循环机组热效率的前提下，还可降低回热器的材质要求，从而有效降低设备造价。
[0047]5、联合循环机组中的顶循环和底循环涡轮机可采用共轴方式，底循环和顶循环的发电机可以合并为一台发电机，从而使设备更加简化、紧凑。
[0048]6、整个机组的安全性较传统太阳能热发电技术显著提高，维修工作量显著减少。
【附图说明】
[0049]图1是本发明的一种太阳能热发电方法及装置流程示意图；
图1中:20-空气，21-顶循环压气机，22-顶循环压缩空气，23-腔体式接收器，24-高温空气，25-高温空气涡轮机，26-顶循环发电机，27-回热器，28-排气，29-太阳能定日镜场，30-空气，31-底循环压气机，32-底循环压缩空气，33-热空气，34-底循环空气涡轮机，35-底循环发电机，36-底循环排出空气，37-高温蓄热器，38-低温蓄热器，39-废气。
[0050]图2是一种以空气为热流体的塔式太阳能热发电系统工作原理(发电系统采用朗肯循环)流程示意图。
[0051]图3是一种以空气为热流体的塔式太阳能热发电系统工作原理(发电系统采用联合循环)流程示意图。
[0052]图4是采用回热循环的燃气轮机机组流程示意图。
[0053]图5是以空气为循环工质的外燃型燃气轮机输出功率、效率与压比的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0054]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
[0055]实施例1:
如图1所示，本发明的一种太阳能热发电方法及装置流程示意图。
[0056]一种太阳能热发电方法，该方法采用空气作为循环工质，空气经顶循环压气机增压后，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器吸收热量，产生的高温空气驱动高温空气涡轮机拖动顶循环发电机发电，从而将太阳能转换为电能，高温空气涡轮机排出的空气，经回热器降温后，排入大气；另一路经底循环压气机增压后的压缩空气，送入回热器吸收高温空气涡轮机的排气余热，产生的热空气驱动底循环空气涡轮机，拖动底循环发电机发电，经底循环空气涡轮机降温降压后的空气排入大气，从而形成底部布列顿循环。
[0057]所述的太阳能聚热装置采用塔式太阳能聚热装置，配套太阳能定日镜场。
[0058]设有双级蓄热子系统，所述的双级蓄热子系统包括高温蓄热器、低温蓄热器:从太阳能聚热系统的腔体式接收器出来的高温空气，经高温蓄热器将高温空气的部分显热储存起来，经过高温蓄热器储存显热后的空气，再经低温蓄热器蓄热降温后排出。
[0059]所述的双级蓄热子系统在太阳辐射能量充足时储存热量，在太阳辐射能量不足时，顶循环压气机增压后的压缩空气，经低温蓄热器、高温蓄热器加热后，产生的高温空气，驱动高温空气涡轮机拖动顶循环发电机发电。
[0060]所述的高温蓄热器中包含高温蓄热工质，该高温蓄热工质包括但不限于为熔盐、金属蓄热材料或耐高温的混凝土蓄热材料。
[0061]所述的低温蓄热器中包含低温蓄热工质，该低温蓄热工质包括但不限于为导热油、高压饱和水或相变工质。
[0062]所述的太阳能聚热装置的腔体式接收器与高温空气涡轮机之间设有调温器，采用燃料燃烧器燃烧产生的高温烟气加热顶循环压缩空气，间接补入所需热量，从而保证顶部布列顿循环的运行参数的稳定，所述的燃料采用生物质燃料。
[0063]一种太阳能热发电装置，该装置利用顶部布列顿循环中高温空气涡轮机排出的温度较高的空气作为底部布列顿循环的热源，底部布列顿循环采用空气作为循环工质，从而形成复叠式布列顿联合循环发电装置；
所述的顶部布列顿循环是指空气20经顶循环压气机21增压后，形成顶循环压缩空气22，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器23吸收热量，产生的高温空气24驱动高温空气涡轮机25拖动顶循环发电机26发电，从而将太阳能转换为电能，高温空气涡轮机25排出的空气，经回热器27降温后，排入大气，从而形成顶部布列顿循环回路；
所述的底部布列顿循环是指空气30经底循环压气机31增压后，产生压缩空气32，通过回热器27回收高温空气涡轮机25的排气余热，产生的热空气33，送入底循环空气涡轮机34拖动底循环发电机35发电，再由底循环空气涡轮机34排出， 从而形成底部布列顿循环回路；
所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环通过回热器27组成复叠式太阳能热发电装置。
[0064]所述的太阳能聚热装置采用塔式太阳能聚热装置，配套太阳能定日镜场29。
[0065]设有双级蓄热子系统，所述的双级蓄热子系统包括高温蓄热器37、低温蓄热器38:从太阳能聚热系统腔体式接收器23出来的高温空气24，经高温蓄热器37将高温空气的部分显热储存起来，再经低温蓄热器38蓄热降温后排出。
[0066]所述的双级蓄热子系统在太阳福射能量充足时储存热量，在太阳福射能量不足时，顶循环压气机21增压后的顶循环压缩空气22，经低温蓄热器38、高温蓄热器37加热后，产生的高温空气24，驱动高温空气涡轮机25拖动顶循环发电机26发电。
[0067]所述的高温蓄热器37中包含高温蓄热工质，该高温蓄热工质包括但不限于为熔盐、金属蓄热材料或耐高温的混凝土蓄热材料。
[0068]所述的低温蓄热器38中包含低温蓄热工质，该低温蓄热工质包括但不限于为导热油、高压饱和水或相变工质。
[0069]设有空气滤清器:所述的空气经空气滤清器过滤后送入压气机。
[0070]所述的顶循环压气机21、底循环压气机31采用多级压缩、中间冷却方式。
[0071]所述的顶循环压气机21、底循环压气机31采用螺杆式压缩机。
[0072]所述的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34可采用共轴运行方式。
[0073]所述的顶循环发电机26、底循环发电机35合并为同一台发电机。
[0074]所述的回热器27为板翅式或原表面式(新型板式)。
[0075]所述的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34为涡旋式膨胀机。
[0076]所述的顶部布列顿循环、底部布列顿循环的高温空气涡轮机25、底循环空气涡轮机34采用相同或不同的进气压力。
[0077]所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环可选择不同的压力、温度组织复叠式布列顿太阳能热发电系统，比如顶部布列顿循环采用低压、较高温度的运行方式，底部布列顿循环采用高压、较低温度的运行方式，从而拓宽机组材质的选用范围。
[0078]所述的太阳能聚热装置与高温空气涡轮机之间设有调温器，采用燃料燃烧器燃烧产生的高温烟气加热顶循环压缩空气，间接补入所需热量，从而保证顶部布列顿循环的运行参数的稳定；燃料采用生物质燃料。
[0079]本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保温、具有调节功能的旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。
[0080]设有与本发明系统配套的安全、调控装置，采用现有成熟的调控技术进行配套，使太阳能热发电系统能经济、安全、高效率运行，达到节能降耗的目的。
[0081]虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉本领域专业的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，可作各种简单修改、等同变化，仍属于本发明技术方案的保护范围。
【主权项】
1.一种太阳能热发电方法，其特征在于: 该方法采用经顶循环压气机增压后的空气，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器吸收热量，产生的高温空气驱动高温空气涡轮机，拖动顶循环发电机发电，从而将太阳能转换为电能，高温空气涡轮机排出的空气，经回热器降温后排出，从而形成顶部布列顿循环回路；另一路经底循环压气机增压后的压缩空气，送入回热器吸收高温空气涡轮机的排气余热，产生的热空气驱动底循环空气涡轮机，拖动底循环发电机发电，经底循环空气涡轮机降温降压后的空气排入大气，从而形成底部布列顿循环回路； 所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环通过回热器组成复叠式太阳能热发电系统。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于: 设有双级蓄热子系统:所述的双级蓄热子系统包括高温蓄热器、低温蓄热器:从太阳能聚热系统的腔体式接收器出来的高温空气，经高温蓄热器将高温空气的部分显热储存起来，经过高温蓄热器储存显热后的空气，再经低温蓄热器蓄热降温后排出； 所述的双级蓄热子系统在太阳辐射能量充足时储存热量，在太阳辐射能量不足时，顶循环压气机增压后的压缩空气，经低温蓄热器、高温蓄热器加热后，产生的高温空气，驱动高温空气涡轮机拖动顶循环发电机发电。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于: 所述的高温蓄热器中包含高温蓄热工质，该高温蓄热工质包括熔盐、金属蓄热材料或耐高温的混凝土蓄热材料； 所述的低温蓄热器中包含低温蓄热工质，该低温蓄热工质包括导热油、高压饱和水或相变工质。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于: 所述的太阳能聚热装置是指塔式或碟式太阳能聚热装置。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于: 所述的高温空气涡轮机(25)与底循环空气涡轮机(34)采用相同或不同的进气压力。6.一种太阳能热发电装置，其特征在于: 该装置由顶部布列顿循环和底部布列顿循环复叠而成； 所述的顶部布列顿循环是指空气(20)经顶循环压气机(21)增压后，形成顶循环压缩空气(22)，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器(23)吸收热量，产生的高温空气(24)驱动高温空气涡轮机(25)拖动顶循环发电机(26)发电，从而将太阳能转换为电能，高温空气涡轮机(25)排出的空气，经回热器(27)降温后排出，从而形成顶部布列顿循环回路； 所述的底部布列顿循环是指空气(30)经底循环压气机(31)增压后，产生压缩空气(32)，通过回热器(27)回收高温空气涡轮机(25)的排气余热，产生的热空气(33)，送入底循环空气涡轮机(34)拖动底循环发电机(35)发电，再由底循环空气涡轮机(34)排出，从而形成底部布列顿循环回路； 所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环通过回热器(27)组成复叠式太阳能热发电系统。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于: 设有双级蓄热子系统:所述的双级蓄热子系统包括高温蓄热器(37)、低温蓄热器(38)，从太阳能聚热系统的腔体式接收器(23)出来的高温空气(24)，经高温蓄热器(37)、低温蓄热器(38)蓄热降温后排出； 所述的双级蓄热子系统在太阳辐射能量充足时储存热量，在太阳辐射能量不足时，顶循环压气机(21)增压后的顶循环压缩空气(22)，经低温蓄热器(38)、高温蓄热器(37)加热后，产生高温空气(24)，驱动高温空气涡轮机(25)拖动顶循环发电机(26)发电。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于: 所述的高温蓄热器中包含高温蓄热工质，该高温蓄热工质包括熔盐、金属蓄热材料或耐高温的混凝土蓄热材料； 所述的低温蓄热器中包含低温蓄热工质，该低温蓄热工质包括导热油、高压饱和水或相变工质。9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于: 所述的高温空气涡轮机(25)、底循环空气涡轮机(34)采用共轴或异轴运行方式； 所述的高温空气涡轮机(25)、底循环空气涡轮机(34)采用共轴方式时，顶循环发电机(26)、底循环发电机(35)合并为同一台发电机。10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于: 所述的太阳能聚热装置是指塔式或碟式太阳能聚热装置。
【专利摘要】本发明涉及一种太阳能热发电方法及装置，该方法采用顶部布列顿循环和底部布列顿循环复叠运行方式，采用空气作为循环工质，空气经顶循环压气机增压后，送入太阳能聚热装置的腔体式接收器吸收热量，利用顶部布列顿循环中高温空气涡轮机排出的温度较高的空气作为底部布列顿循环的热源，从而形成复叠式太阳能热发电系统。该装置能有效提高太阳能热发电的效率，机组的安全性、经济性好，特别适宜于缺水地区。
【IPC分类】F24J2/04, F03G6/00, F03G6/04
【公开号】CN104896764
【申请号】CN201510212830
【发明人】孟宁, 王海波, 魏然
【申请人】南京瑞柯徕姆环保科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年4月29日
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