一种基于S-CO2纳米流体的太阳能集热布雷顿动力循环系统

一种基于s-co2纳米流体的太阳能集热布雷顿动力循环系统
技术领域
1.本发明涉及太阳能集热技术领域，尤其涉及一种基于s-co2纳米流体的太阳能集热布雷顿动力循环系统。


背景技术：

2.作为一种取之不尽用之不竭的清洁可再生能源，太阳能的高效利用对于减小化石燃料产生的温室效应和环境污染具有重要意义，但现有的太阳能光热发电系统面临高昂的投资成本和较低的整体效率两个重大挑战，其主要限制因素为：1、蒸汽温度较低：由于存在二次换热，常用的载热介质，如合成油或熔盐，其利用温度仅约为565℃，使蒸汽温度无法达到锅炉燃烧的量值，常低于500℃，与蒸汽朗肯动力循环相结合的循环效率低于30％。2、集热效率低：高温的太阳能集热器与流体之间存在较大的传热热阻和传热温差，集热器表面有很大一部分能量散失到环境中，使得太阳能典型的热利用效率只有55％。这两大缺陷使得太阳能发电厂占地面积和投资成本大，而其综合转换效率通常却低于20％。现有的s-co2布雷顿动力循环在太阳能传递端和热传递端具有明显的缺陷。


技术实现要素：

3.本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种基于超临界二氧化碳(s-co2)纳米流体的直接吸收太阳能集热的布雷顿动力循环系统，将s-co2纳米流体同时作为集热和动力循环的工质，协同利用纳米流体强化传热的特性促进循环中工质的回热和冷却过程，从能量获取和传输两个方面同时提高系统的性能，获得远超蒸气动力循环的效率。
4.为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
5.一种基于s-co2纳米流体的太阳能集热布雷顿动力循环系统，其特征在于：包括依次连接形成循环的s-co2纳米流体制备模块、太阳能集热模块、能量输出模块和冷却模块，所述s-co2纳米流体制备模块包括依次相连接的co2气源、co2贮存罐、纳米粉体存放管和超临界增压泵，所述co2气源为s-co2纳米流体制备模块提供co2气体，所述纳米粉体存放管内储存有纳米粒子粉体，所述太阳能集热模块包括容积集热管和太阳能聚光器，所述容积集热管采用透明壁面，容积集热管的入口与所述超临界增压泵的出口相连，所述太阳能聚光器能够聚焦阳光于容积集热管上，所述能量输出模块包括相互连接的汽轮机和发电机，所述容积集热管的出口与所述汽轮机的入口相连，汽轮机带动发电机输出电能，汽轮机的出口依次连接所述冷却模块和co2贮存罐。
6.进一步的，所述纳米粒子为碳纳米管、石墨烯、负载有tin或ag的碳纳米管、负载有tin或ag的石墨烯其中的一种或几种，纳米粒子的浓度为10-1000ppm。
7.进一步的，所述s-co2纳米流体制备模块还包括真空泵、第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门，所述真空泵设置在所述超临界增压泵和容积集热管之间，所述第一阀门设置在设置在所述co2气源和co2贮存罐之间，所述第二阀门设置在所述纳米粉体存放管和超临界增压泵之间，所述co2贮存罐的出口和超临界增压泵的入口之间还通过所述第三阀
门相连接，所述第四阀门设置在纳米粉体存放管的入口处。
8.进一步的，还包括回热换热器，所述真空泵的出口和汽轮机的出口分别连接到所述回热换热器的入口上，所述容积集热管的入口和冷却模块的入口分别连接到回热换热器的出口上，从真空泵和汽轮机出来的s-co2纳米流体在回热换热器内部换热后分别流入容积集热管和冷却模块。
9.进一步的，所述冷却模块采用若干并联的圆弧状平板换热器，所述平板换热器的表面铜板上覆盖有辐射制冷膜。
10.进一步的，所述冷却模块布置在所述co2气源和容积集热管之间。
11.进一步的，所述太阳能聚光器采用有弧度的反光板。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、纳米流体作为新型的换热工质，可以有效提高太阳能的集热、传热效率，s-co2作为溶剂应用于纳米粒子的制备过程，形成的超临界流体具有低表面张力、极强的润湿性能和渗透能力，有利于纳米粒子的分散。2、利用纳米粒子的吸光和强化传热特性，弥补了s-co2布雷顿动力循环在太阳能传递端和热传递端的缺陷，同时无相变过程的s-co2布雷顿循环也避免了相变干涸对纳米粒子分散性的破坏，通过互补协同利用了s-co2布雷顿动力循环和纳米流体的优点。3、将s-co2纳米流体同时作为集热和动力循环的工质，在加强集热效率的同时，利用纳米流体强化传热的特性促进循环中工质的回热和冷却过程，从能量获取和传输两个方面同时提高系统的性能，获得远超蒸气动力循环的效率。4、利用循环工质s-co2纳米流体直接吸收太阳能进行集热，在提高集热效率的同时减小了尺寸，避免了二次换热，减少了中间换热损失，提高了动力循环工质温度，最大限度提高了太阳能的热利用效率。5、利用容积式集热器，阳光透过透明壁面直接被分散在s-co2中的纳米粒子吸收，可有效避免集热面与载热剂之间的换热，热量直达流体内部，同时避免集热器与载热剂之间的大温差，降低了集热器对环境的辐射散热损失。6、协同利用纳米流体的强化传热特性，回热换热器和冷器模块的布置，可同时促进循环中工质的回热和冷却过程，进一步提升循环效率。
附图说明
13.图1为本发明实施例结构示意图；
14.图2为本发明实施例循环过程的t-s图。
15.其中：1-冷却模块，2-co2气源，3-co2贮存罐，4-纳米粉体存放管，5-超临界增压泵，6-容积集热管，7-太阳能聚光器，8-汽轮机，9-发电机，10-真空泵，11-第一阀门，12-第二阀门，13-第三阀门，14-第四阀门，15-回热换热器。
具体实施方式
16.为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
17.图1示出了一种基于s-co2纳米流体的太阳能集热布雷顿动力循环系统的具体实施例，包括依次连接形成循环的s-co2纳米流体制备模块、太阳能集热模块、能量输出模块和冷却模块1。
18.其中的s-co2纳米流体制备模块包括依次相连接的co2气源2、co2贮存罐3、纳米粉
体存放管4和超临界增压泵5，co2气源2为s-co2纳米流体制备模块提供co2气体，纳米粉体存放管4内储存有纳米粒子粉体，优选地，还包括真空泵10、第一阀门11、第二阀门12、第三阀门13和第四阀门14，真空泵10设置在超临界增压泵5和容积集热管6之间，第一阀门11设置在设置在co2气源2和co2贮存罐3之间，第二阀门12设置在纳米粉体存放管4和超临界增压泵5之间，co2贮存罐3的出口和超临界增压泵5的入口之间还通过第三阀门13相连接，第四阀门14设置在纳米粉体存放管4的入口处。
19.循环系统中所采用的纳米粒子为碳纳米管、石墨烯、负载有tin或ag的碳纳米管、负载有tin或ag的石墨烯其中的一种或几种，纳米粒子的浓度为10-1000ppm。
20.太阳能集热模块包括容积集热管6和太阳能聚光器7，容积集热管6采用透明壁面。优选地，还设置有回热换热器15，真空泵10的出口和汽轮机8的出口分别连接到回热换热器15的入口上，容积集热管6的入口和冷却模块1的入口分别连接到回热换热器15的出口上，从真空泵10和汽轮机8出来的s-co2纳米流体在回热换热器15内部换热后分别流入容积集热管6和冷却模块1。容积集热管6的入口与超临界增压泵5的出口相连，太阳能聚光器7能够聚焦阳光于容积集热管6上，能量输出模块包括相互连接的汽轮机8和发电机9，容积集热管6的出口与汽轮机8的入口相连，汽轮机8带动发电机9输出电能，汽轮机8的出口依次连接冷却模块1和co2贮存罐3。
21.优选地，冷却模块1采用若干并联的圆弧状平板换热器，平板换热器的表面铜板上覆盖有辐射制冷膜。
22.优选地，冷却模块1布置在co2气源2和容积集热管6之间，通过温差带动的空气流动，从而吹走辐射制冷薄膜表面的积灰。
23.优选地，太阳能聚光器7采用有弧度的反光板。
24.上述实施例的具体工作过程及原理如下：
25.结合图1和图2，基于s-co2纳米流体直接吸收太阳能集热的布雷顿动力循环系统，由压缩过程(a-b)、回热过程(b-c)、集热过程(c-d)、膨胀做功过程(d-e)、回热过程(e-f)、冷却过程(f-a)组成，图中箭头代表循环工质的流动方向。
26.首先由s-co2纳米流体制备模块制取s-co2纳米流体作为循环工质：首先关闭第二阀门12，通过第四阀门14装入纳米粉体至纳米粉体存放管4，添加的纳米粒子为碳纳米管、石墨烯、负载有tin或ag的碳纳米管、负载有tin或ag的石墨烯其中的一种或几种，纳米粒子的浓度为10-1000ppm；接着关闭阀门第四14和第二阀门12，打开真空泵10对系统抽真空以保证系统中co2的纯度，同时第二阀门12关闭以保证在抽真空时不会抽出纳米粉体；最后关闭真空泵10，关闭第四阀门14和第三阀门13，打开第一阀门11向co2贮存罐3通入co2，打开第二阀门12使纳米粉体进入循环工质，打开超临界增压泵5制备成s-co2纳米流体，此时超临界增压泵5同时完成系统中的压缩过程(a-b)。
27.然后，s-co2纳米流体依次进入回热换热器15进行初步加热(b-c)，再进入容积集热管6完成集热过程(c-d)，接着经过汽轮机8对外膨胀做功(d-e)，并通过发电机9将机械能对外输出为电能，然后在回热换热器15中完成初步冷却(e-f)，最后经由冷却模块1完成冷却过程(f-a)并回到co2贮存罐3构成循环。
28.其中，回热换热器15利用了纳米流体强化传热的特性，促进循环工质的回热过程(b-c，e-f)。容积集热管6为透明壁面，阳光透过壁面直接被分散在s-co2中的纳米粒子吸
收，s-co2纳米流体同时充当集热和动力循环的工质。太阳能聚光器7为有弧度的反光板，目的是为了让太阳能全方位集中于容积集热管6以收集更多的热量。
29.如图2所示，曲线ac为循环工质的饱和液体线，代表饱和液体状态，曲线bc为饱和蒸汽线，代表饱和蒸汽状态，c为气液之间的临界点，曲线pc为临界压力。曲线a-c-b与临界压力线一起将工质的状态分为4个区域，ac与pc左侧为未饱和液体状态，bc与pc右侧为过热蒸汽状态，ac与bc之间为湿饱和蒸汽状态，pc以上为超临界状态。曲线a-b-c-d-e-f-a代表循环的6个过程，皆在超临界状态下完成。
30.上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。