适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，包括塔式太阳能加热空气的集热系统、燃气轮机发电系统、朗肯循环发电系统和卡林那循环发电系统。本发明在低辐照时不需要化石燃料补燃，也不需要设置太阳能蓄能装置，当太阳辐照强度较低时，系统通过改变运行模式，绕开燃气轮机循环，直接给朗肯循环和卡林那循环供热，或者绕过燃气轮机循环和朗肯循环，直接给卡林那循环供热，避免低辐照时大量的化石燃料补燃，能充分利用低辐照的太阳能发电。
【专利说明】适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能热发电【技术领域】，尤其是一种适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统。
【背景技术】
[0002]由于太阳能的不稳定性，太阳能热发电系统需要长期处于变辐照运行状态。目前主要的太阳能热发电示范电站变辐照的运行方式主要有蓄能和补燃两种。但蓄能系统的投资较大，以一个12小时储能的100MW槽式太阳能热发电系统为例，储能系统的投资约占总投资的20%。同样，系统在低辐照下补燃运行时，化石燃料的补燃量大，仍会造成严重的环境污染，有悖于发展太阳能的初衷。
[0003]目前槽式太阳能热电站的运行方式主要是当辐照达到一定值(一般为300W/m2)时，系统才开始运行，但300W/m2以下的辐照没有用于发电。但以新疆地区为例，300W/m2以下的年辐照时间为800小时左右，占全年辐照时间的20%左右。因此，这部分辐照是很客观的，同样应该利用。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，以实现太阳能热发电系统在变辐照时发电。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]为达到上述目的，本发明提供了一种适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，该系统包括塔式太阳能加热空气的集热系统10、燃气轮机发电系统20、朗肯循环发电系统30和卡林那循环发电系统40，塔式太阳能加热空气的集热系统10与燃气轮机发电系统20相连接，燃气轮机发电系统20通过第一余热锅炉I与朗肯循环发电系统30相连接，朗肯循环发电系统30通过第二余热锅炉2与卡林那循环发电系统40相连接，其中:
[0008]塔式太阳能加热空气的集热系统10，用于接收并会聚太阳辐照能量，将接收的太阳辐照能量转化为热能传递给压缩空气，然后输出给太阳能驱动的燃气轮机发电系统20 ；
[0009]燃气轮机发电系统20，用于接收塔式太阳能加热空气的集热系统10和燃料燃烧产生的热能，将其转化为电能；
[0010]朗肯循环发电系统30，用于接收燃气轮机发电系统20排气的余热，将其转化为电倉泛;
[0011]卡林那循环发电系统40,以氨水混合物为工质,用于接收燃气轮机发电系统20排气的余热，将其转化为电能。
[0012]上述方案中，所述塔式太阳能加热空气的集热系统10包括定日镜阵列、高塔和压力空腔式接收器，其中压力空腔式接收器位于高塔上，定日镜阵列以高塔为中心，呈圆周状分布，将太阳光聚焦到压力空腔式接收器上，集中加热流经压力空腔式接收器的压缩空气，将其加热为过热压缩空气，将太阳辐照能量转化为热能，然后将过热压缩空气输送给燃气轮机发电系统20。
[0013]上述方案中，所述燃气轮机发电系统20包括空气压缩机、燃气轮机和发电机,该燃气轮机分别连接于空气压缩机和发电机，用以提供空气压缩机的耗功和发电，空气经空气压缩机压缩后，在压力空腔式接收器中被加热为过热压缩空气，然后送入燃气轮机做功并驱动发电机发电。所述过热压缩空气被转化为中温的压缩空气进入第一余热锅炉I，用于驱动朗肯循环发电系统30。
[0014]上述方案中，所述朗肯循环发电系统30是一个双压系统，包括余热锅炉、透平、高压给水泵和低压给水泵，给水在第一余热锅炉I中吸收燃气轮机的排气余热后被加热为过热水蒸气，然后送入透平中膨胀做功，从而驱动给水泵和发电机发电。所述燃气轮机出口的水蒸气进入第二余热锅炉2，用于驱动卡林那循环发电系统40。
[0015]上述方案中，所述卡林那循环发电系统40由双热源驱动，一股为第一余热锅炉I的低温烟气，一股为背压式汽轮机的排气；卡林那循环发电系统40包括透平、气液分离器、吸收器、空冷器和泵，处于饱和液体状态的工作液体通过泵升压，在第二余热锅炉2中吸热后送至气液分离器，一股为过热蒸气，送至透平做功，另一股进入吸收器与透平出口蒸汽混合形成工作溶液，经空冷器冷凝成为饱和工作溶液。
[0016]上述方案中，当太阳辐照强度大于330W/m2时，集热器出口空气温度在600 °C以上，这时运行整个系统，通过天然气补燃使空气达到设计工况。
[0017]上述方案中，当太阳辐照强度为150W/m2_330W/m2时，集热器出口空气温度在350-600°C，这时切换循环流程，使空气绕过燃气轮机循环，直接进入第一余热锅炉I以驱动朗肯循环，第一余热锅炉I的排气和背压式汽轮机的出口蒸汽共同驱动卡林那循环。
[0018]上述方案中，当太阳辐照强度为70W/m2_150W/m2时，集热器出口空气温度在150-3500C，这时再次改变系统运行流程，使空气绕过燃气轮机循环和蒸汽轮机循环，直接进入第二余热锅炉2驱动卡林那循环。
[0019](三)有益效果
[0020]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0021]1、本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，低辐照时不需要化石燃料补燃，也不需要设置太阳能蓄能装置，当太阳辐照强度较低时，系统通过改变运行模式，绕开燃气轮机循环，直接给朗肯循环和卡林那循环供热，或者绕过燃气轮机循环和朗肯循环，直接给卡林那循环供热，避免低辐照时大量的化石燃料补燃，能充分利用低辐照的太阳能发电。
[0022]2、本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，采用背压式汽轮机，不需要维持高真空度的冷凝器，并能达到节水的效果，使电站的选址不受水源条件的限制。
[0023]3、本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，能达到可观的太阳能热发电效率，计算结果表明，当太阳辐照强度较低(150W/m2)时，空气被太阳能集热器加热后直接驱动卡林那循环，系统的太阳能净发电效率为8%;当太阳辐照强度适中(320W/m2)时，空气被太阳能加热后驱动朗肯底循环和卡林那循环，系统的太阳能净发电效率为17% ;当太阳辐照强度大于320W/m2时，运行整个系统，系统的太阳能净发电效率能达到25% -29%。系统的太阳能年发电效率能达到22.7%，优于现有太阳能热发电的技术水平。
[0024]4、本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，依次采用朗肯循环和卡林那循环来回收燃气轮机的排烟余热，实现了太阳集热的梯级利用，降低了系统的不可逆损失，提高了余热利用效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统的结构示意图；
[0026]图2是本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统在第一种运行模式下运行的示意图；
[0027]图3是本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统在第二种运行模式下运行的示意图；
[0028]图4是本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统在第三种运行模式下运行的示意图。
【具体实施方式】
[0029]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0030]图1是本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统的结构示意图，该系统包括塔式太阳能加热空气的集热系统10、燃气轮机发电系统20、朗肯循环发电系统30和卡林那循环发电系统40，塔式太阳能加热空气的集热系统10与燃气轮机发电系统20相连接，燃气轮机发电系统20通过第一余热锅炉I与朗肯循环发电系统30相连接，朗肯循环发电系统30通过第二余热锅炉2与卡林那循环发电系统40相连接。其中:
[0031]塔式太阳能加热空气的集热系统10，用于接收并会聚太阳辐照能量，将接收的太阳辐照能量转化为热能传递给压缩空气，然后输出给太阳能驱动的燃气轮机发电系统20。燃气轮机发电系统20，用于接收塔式太阳能加热空气的集热系统10和燃料燃烧产生的热能，将其转化为电能。朗肯循环发电系统30，用于接收燃气轮机发电系统20排气的余热，将其转化为电能。卡林那循环发电系统40，以氨水混合物为工质，用于接收燃气轮机发电系统20排气的余热，将其转化为电能。
[0032]塔式太阳能加热空气的集热系统10包括定日镜阵列、高塔和压力空腔式接收器，其中压力空腔式接收器位于高塔上，定日镜阵列以高塔为中心，呈圆周状分布，将太阳光聚焦到压力空腔式接收器上，集中加热流经压力空腔式接收器的压缩空气，将其加热为过热压缩空气，将太阳辐照能量转化为热能，然后将过热压缩空气输送给燃气轮机发电系统20。
[0033]燃气轮机发电系统20包括空气压缩机、燃气轮机和发电机,该燃气轮机分别连接于空气压缩机和发电机，用以提供空气压缩机的耗功和发电，空气经空气压缩机压缩后，在压力空腔式接收器中被加热为过热压缩空气，然后送入燃气轮机做功并驱动发电机发电。所述过热压缩空气被转化为中温的压缩空气进入第一余热锅炉1，用于驱动朗肯循环发电系统30。该系统采用背压式燃气轮机，不需要维持高真空度的冷凝器，并能达到节水的效果，使电站的选址不受水源条件的限制。[0034]朗肯循环发电系统30是一个双压系统，包括余热锅炉、透平、高压给水泵和低压给水泵，给水在第一余热锅炉I中吸收燃气轮机的排气余热后被加热为过热水蒸气，然后送入透平中膨胀做功，从而驱动给水泵和发电机发电。所述燃气轮机出口的水蒸气进入第二余热锅炉2，用于驱动卡林那循环发电系统40。
[0035]卡林那循环发电系统40由双热源驱动，一股为第一余热锅炉I的低温烟气，一股为背压式汽轮机的排气；卡林那循环发电系统40包括透平、气液分离器、吸收器、空冷器和泵，处于饱和液体状态的工作液体通过泵升压，在第二余热锅炉2中吸热后送至气液分离器，一股为过热蒸气，送至透平做功，另一股进入吸收器与透平出口蒸汽混合形成工作溶液，经空冷器冷凝成为饱和工作溶液。
[0036]本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，低辐照时不需要化石燃料补燃，也不需要设置太阳能蓄能装置，当太阳辐照强度较低时，系统通过改变运行模式，绕开燃气轮机循环，直接给朗肯循环和卡林那循环供热，或者绕过燃气轮机循环和朗肯循环，直接给卡林那循环供热，避免低辐照时大量的化石燃料补燃，能充分利用低辐照的太阳能发电。
[0037]本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统可以采用以下三种运行模式运行。
[0038]如图2所示，图2是本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统在第一种运行模式下运行的示意图。其具体运行方式为:当太阳辐照强度大于330W/m2时，集热器出口空气温度在600°C以上，这时运行整个系统，通过天然气补燃使空气达到设计工况。
[0039]如图3所示，图3是本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统在第二种运行模式下运行的示意图。其具体运行方式为:当太阳辐照强度为150W/m2-330W/m2时，集热器出口空气温度在350-600°C，这时切换循环流程，使空气绕过燃气轮机循环，直接进入第一余热锅炉I以驱动朗肯循环，第一余热锅炉I的排气和背压式汽轮机的出口蒸汽共同驱动卡林那循环。
[0040]如图4所示，图4是本发明提供的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统在第三种运行模式下运行的示意图。其具体运行方式为:当太阳辐照强度为70W/m2-150W/m2时，集热器出口空气温度在150-350°C，这时再次改变系统运行流程，使空气绕过燃气轮机循环和蒸汽轮机循环，直接进入第二余热锅炉2驱动卡林那循环。
[0041]为研究所述的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统三种运行模式的性能，选取新疆地区夏至日800W/m2，330W/m2，150ff/m2为研究对象进行研究。
[0042]模拟结果表明，当太阳辐照强度较低(70W/m2_150W/m2)时，空气被太阳能集热器加热后直接驱动卡林那循环，系统的太阳能净发电效率为2% -8% ;当太阳辐照强度适中(150ff/m2-320ff/m2)时，空气被太阳能加热后驱动朗肯底循环和卡林那循环，系统的太阳能净发电效率为9% -17% ;当太阳辐照强度大于320W/m2时，运行整个系统，系统的太阳能净发电效率为25% -29%，系统的太阳能年发电效率能达到22.7%。
[0043]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，其特征在于，该系统包括塔式太阳能加热空气的集热系统(10)、燃气轮机发电系统(20)、朗肯循环发电系统(30)和卡林那循环发电系统(40)，塔式太阳能加热空气的集热系统(10)与燃气轮机发电系统(20)相连接，燃气轮机发电系统(20)通过第一余热锅炉(I)与朗肯循环发电系统(30)相连接，朗肯循环发电系统(30)通过第二余热锅炉(2)与卡林那循环发电系统(40)相连接，其中: 塔式太阳能加热空气的集热系统(10)，用于接收并会聚太阳辐照能量，将接收的太阳辐照能量转化为热能传递给压缩空气，然后输出给太阳能驱动的燃气轮机发电系统(20)； 燃气轮机发电系统(20)，用于接收塔式太阳能加热空气的集热系统(10)和燃料燃烧产生的热能，将其转化为电能； 朗肯循环发电系统(30)，用于接收燃气轮机发电系统(20)排气的余热，将其转化为电倉泛; 卡林那循环发电系统(40)，以氨水混合物为工质，用于接收燃气轮机发电系统(20)排气的余热，将其转化为电能。
2.根据权利要求1所述的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，其特征在于，所述塔式太阳能加热空气的集热系统(10)包括定日镜阵列、高塔和压力空腔式接收器，其中压力空腔式接收器位于高塔上，定日镜阵列以高塔为中心，呈圆周状分布，将太阳光聚焦到压力空腔式接收器上，集中加热流经压力空腔式接收器的压缩空气，将其加热为过热压缩空气，将太阳辐照能量转化为热能，然后将过热压缩空气输送给燃气轮机发电系统(20)。
3.根据权利要求1所述的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，其特征在于，所述燃气轮机发电系统(20)包括空气压缩机、燃气轮机和发电机,该燃气轮机分别连接于空气压缩机和发电机，用以提供空气压缩机的耗功和发电，空气经空气压缩机压缩后，在压力空腔式接收器中被加热为过热压缩空气，然后送入燃气轮机做功并驱动发电机发电。
4.根据权利要求3所述的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，其特征在于，所述过热压缩空气被转化为中温的压缩空气进入第一余热锅炉(I)，用于驱动朗肯循环发电系统(30)。
5.根据权利要求1所述的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，其特征在于，所述朗肯循环发电系统(30)是一个双压系统，包括余热锅炉、透平、高压给水泵和低压给水泵，给水在第一余热锅炉(I)中吸收燃气轮机的排气余热后被加热为过热水蒸气，然后送入透平中膨胀做功，从而驱动给水泵和发电机发电。
6.根据权利要求5所述的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，其特征在于，所述燃气轮机出口的水蒸气进入第二余热锅炉(2)，用于驱动卡林那循环发电系统(40)。
7.根据权利要求1所述的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，其特征在于，所述卡林那循环发电系统(40)由双热源驱动，一股为第一余热锅炉(I)的低温烟气，一股为背压式汽轮机的排气；卡林那循环发电系统(40)包括透平、气液分离器、吸收器、空冷器和泵，处于饱和液体状态的工作液体通过泵升压，在第二余热锅炉(2)中吸热后送至气液分离器，一股为过热蒸气，送至透平做功，另一股进入吸收器与透平出口蒸汽混合形成工作溶液，经空冷器冷凝成为饱和工作溶液。
8.根据权利要求1所述的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，其特征在于，当太阳辐照强度大于330W/m2时，集热器出口空气温度在600°C以上，这时运行整个系统，通过天然气补燃使空气达到设计工况。
9.根据权利要求1所述的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，其特征在于，当太阳辐照强度为150W/m2-330W/m2时，集热器出口空气温度在350_600°C，这时切换循环流程，使空气绕过燃气轮机循环，直接进入第一余热锅炉(I)以驱动朗肯循环，第一余热锅炉(I)的排气和背压式汽轮机的出口蒸汽共同驱动卡林那循环。
10.根据权利要求1所述的适合于变辐照调控的太阳能联合循环发电系统，其特征在于，当太阳辐照强度为70W/m2-150W/m2时，集热器出口空气温度在150_350°C，这时再次改变系统运 行流程，使空气绕过燃气轮机循环和蒸汽轮机循环，直接进入第二余热锅炉(2)驱动卡林那循环。
【文档编号】F01K11/02GK103925178SQ201310013791
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2013年1月15日 优先权日:2013年1月15日
【发明者】洪慧, 彭烁, 金红光 申请人:中国科学院工程热物理研究所