本發(fā)明屬于太陽能熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種太陽能空氣-二氧化碳聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源，在世界范圍內(nèi)面臨能源緊張和環(huán)境污染的情況下，太陽能已成為今后能源開發(fā)的主體，太陽能發(fā)電也將成為未來提供大規(guī)模電力的主力軍。太陽能發(fā)電分為太陽能熱發(fā)電和光伏發(fā)電，按規(guī)?；攸c太陽能熱發(fā)電未來發(fā)展的潛力要大于光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)。太陽能熱發(fā)電根據(jù)聚光方式可分為槽式、塔式、碟式、反射菲涅爾四種，根據(jù)工質(zhì)以及所采用的動力模式，可分為水蒸汽朗肯循環(huán)熱發(fā)電、有機朗肯循環(huán)熱發(fā)電、布雷頓循環(huán)熱發(fā)電和斯特林外燃動力發(fā)電四種。目前商業(yè)化太陽能熱發(fā)電主要采用的是適用于槽式的水蒸汽朗肯循環(huán)，該循環(huán)由于受金屬材料的限制目前蒸汽最高溫度約在600℃左右，因此循環(huán)熱效率處在35～45%之間無法再提高，而且需要大量的冷卻水，在太陽能充足的干旱地區(qū)使用受到很大限制。目前處于實驗開發(fā)階段的塔式或蝶式太陽能聚光裝置可提供高達800℃～1200℃的高溫?zé)嵩?，未來可突破至更高溫度，其與水蒸汽朗肯循環(huán)的最高溫度難以匹配，必然造成高溫?zé)崮苣芰科肺簧系馁H值利用。太陽能熱發(fā)電若采用空氣為介質(zhì)的開式布雷頓循環(huán)則可利用塔式或蝶式太陽能聚光裝置將空氣溫度提高到1000℃，由此實現(xiàn)了高溫?zé)崮艿挠行Ю?，但空氣渦輪機的排氣溫度高達550℃～650℃之間，其經(jīng)回?zé)崞鬟M行余熱回收后由于受限于壓縮空氣的初溫最多只能降至300℃～350℃之間，仍有大量的中低溫余熱未能回收利用，因此開式布雷頓循環(huán)的效率一般在30～38%之間，其數(shù)值比較低。而太陽能熱發(fā)電采用超臨界二氧化碳為介質(zhì)的閉式布雷頓循環(huán)的熱效率與上述兩種循環(huán)相比較有明顯提高，可達到50%以上，而且用水量很少，其有望成為未來太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)最有潛力的形式。但研究表明高溫下二氧化碳與不銹鋼材料存在化學(xué)不相容的問題，其循環(huán)保守最高溫度大約在650℃左右，因此該循環(huán)的熱效率受限于溫度無法再進一步提高，并且與塔式或蝶式太陽能聚光裝置提供的高溫?zé)嵩匆矡o法完全匹配。綜合上述分析，太陽能熱發(fā)電仍需尋找一種更有效利用高溫?zé)崮芡瑫r做到進一步提高循環(huán)熱效率的途徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)電效率高、用水量少、運行成本低、環(huán)保性能好的太陽能空氣-二氧化碳聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是通過下述的技術(shù)方案加以實現(xiàn)的：

本發(fā)明是一種太陽能空氣-二氧化碳聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，包括空氣壓縮機、高溫太陽能鍋爐、空氣渦輪發(fā)電機組、高溫換熱器、低溫換熱器、高溫蓄熱器、低溫蓄熱器、二氧化碳壓縮機、二氧化碳渦輪發(fā)電機組、回?zé)崞饕弧⒒責(zé)崞鞫?、冷卻器；所述的空氣壓縮機的出口與高溫太陽能鍋爐的空氣入口連接；所述的高溫太陽能鍋爐的空氣出口與空氣渦輪發(fā)電機組的入口連接；所述的空氣渦輪發(fā)電機組的出口分為第一管路和第二管路：第一管路上依次安裝高溫換熱器和低溫換熱器后通向外界，第二管路上依次安裝高溫蓄熱器和低溫蓄熱器后通向外界；所述的二氧化碳壓縮機的出口與第三管路和第四管路連接；第三管路分為兩條支管：一條第三支管與低溫換熱器的管程入口連接，另一條第三支管與回?zé)崞饕坏墓艹倘肟谶B接；所述的低溫換熱器的管程出口與回?zé)崞饕坏墓艹坛隹谕ㄟ^管道匯合成一路后與高溫換熱器的管程入口連接；所述的高溫換熱器的管程出口與二氧化碳渦輪發(fā)電機組的入口連接；第四管路分為兩條第四支管：一條第四支管與低溫蓄熱器的管程入口連接，另一條第四支管與回?zé)崞鞫墓艹倘肟谶B接；所述的低溫蓄熱器的管程出口與回?zé)崞鞫墓艹坛隹谕ㄟ^管道匯合成一路后與高溫蓄熱器的管程入口連接；所述的高溫蓄熱器的管程出口與二氧化碳渦輪發(fā)電機組的入口連接；所述的二氧化碳渦輪發(fā)電機組的出口首先分為兩路支管然后匯合成一路與冷卻器的入口連接，在兩路支管上分別安裝回?zé)崞饕缓突責(zé)崞鞫凰龅睦鋮s器的出口與二氧化碳壓縮機的入口連接。

采用上述方案后，本發(fā)明實現(xiàn)了太陽能開式空氣布雷頓循環(huán)和閉式超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的良好耦合，大幅度提高太陽能熱發(fā)電動力循環(huán)的熱效率，使太陽能熱發(fā)電的成本顯著降低，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）發(fā)電效率高。本發(fā)明利用開式空氣布雷頓循環(huán)具有平均吸熱溫度高的特點和閉式超臨界二氧化碳循環(huán)具有循環(huán)溫度低、壓縮功小的特點，各取所長。作為頂部循環(huán)工質(zhì)的空氣吸收聚光太陽能輻射熱后經(jīng)空氣渦輪做功，具有較高溫度的排氣作為底部循環(huán)的熱源使用后排向大氣，從而構(gòu)成開式循環(huán)，作為底部循環(huán)工質(zhì)的二氧化碳吸收排氣余熱后經(jīng)二氧化碳渦輪做功再進入冷卻器冷卻，從而構(gòu)成閉式循環(huán)。該聯(lián)合循環(huán)與單一循環(huán)的太陽能熱發(fā)電相比，具有發(fā)電效率高、太陽能利用率高等優(yōu)點，經(jīng)理論分析計算得知發(fā)電效率隨著空氣溫度的升高而提高，整個聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率可達55%~65%之間。

2）連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。本發(fā)明設(shè)計獨特的蓄熱系統(tǒng)，白天運行時太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)以聯(lián)合循環(huán)的動力模式進行發(fā)電，同時利用部分排氣的余熱進行中低溫蓄熱，夜間運行時則依靠蓄熱系統(tǒng)放熱進行單獨的閉式二氧化碳循環(huán)發(fā)電，由此實現(xiàn)利用太陽能進行長時間持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電的功能。

3）解決co2換熱夾點問題。本發(fā)明采用分流的技術(shù)使部分流量的高壓低溫co2氣體進入回?zé)崞髋c做功后全流量的低壓高溫co2排氣進行換熱，有效地解決了簡單超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)中的回?zé)崞饕蚋叩蛪簝蓚?cè)流體的比熱容不同而出現(xiàn)換熱夾點的關(guān)鍵性難題，該方法比目前提出的采用高低溫回?zé)崞髟賶嚎s的方法更加簡單可靠。

4）用水量少。本發(fā)明采用了空氣-二氧化碳聯(lián)合循環(huán)動力模式，頂部開式空氣循環(huán)不用冷卻水，底部閉式二氧化碳循環(huán)的冷源損失遠小于傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)的冷源損失，因此可采用空氣冷卻達到少用冷卻水甚至不用冷卻水的目的。

5）運行成本低、環(huán)保性能好。本發(fā)明采用清潔太陽能作為熱源，以廉價的空氣和二氧化碳作為循環(huán)工質(zhì)，故具有運行成本低、環(huán)保性能好的特點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明是一種太陽能空氣-二氧化碳聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，包括空氣壓縮機1、高溫太陽能鍋爐2、空氣渦輪發(fā)電機組3、高溫換熱器4、低溫換熱器5、高溫蓄熱器6、低溫蓄熱器7、二氧化碳壓縮機8、二氧化碳渦輪發(fā)電機組9、回?zé)崞饕?0、回?zé)崞鞫?1、冷卻器12。

所述的空氣壓縮機1的出口與高溫太陽能鍋爐2的空氣入口連接；所述的高溫太陽能鍋爐2的空氣出口與空氣渦輪發(fā)電機組3的入口連接；所述的空氣渦輪發(fā)電機組3的出口分為第一管路31和第二管路32：第一管路31上依次安裝高溫換熱器4和低溫換熱器5后通向外界，第二管路32上依次安裝高溫蓄熱器6和低溫蓄熱器7后通向外界；所述的二氧化碳壓縮機8的出口與第三管路81和第四管路82連接；第三管路81分為兩條支管：一條第三支管與低溫換熱器5的管程入口連接，另一條第三支管與回?zé)崞饕?0的管程入口連接；所述的低溫換熱器5的管程出口與回?zé)崞饕?0的管程出口通過管道匯合成一路后與高溫換熱器4的管程入口連接；所述的高溫換熱器4的管程出口與二氧化碳渦輪發(fā)電機組9的入口連接；第四管路82分為兩條第四支管：一條第四支管與低溫蓄熱器7的管程入口連接，另一條第四支管與回?zé)崞鞫?1的管程入口連接；所述的低溫蓄熱器7的管程出口與回?zé)崞鞫?1的管程出口通過管道匯合成一路后與高溫蓄熱器6的管程入口連接；所述的高溫蓄熱器6的管程出口與二氧化碳渦輪發(fā)電機組9的入口連接；所述的二氧化碳渦輪發(fā)電機組9的出口首先分為兩路支管然后匯合成一路與冷卻器12的入口連接，在兩路支管上分別安裝回?zé)崞饕?0和回?zé)崞鞫?1；所述的冷卻器12的出口與二氧化碳壓縮機8的入口連接。

本發(fā)明的工作原理：

如圖1所示，當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)白天運行時，外界空氣經(jīng)空氣壓縮機1壓縮后進入高溫太陽能鍋爐2吸收太陽能輻射熱變成800℃～1200℃之間的高溫空氣，高溫空氣進入空氣渦輪發(fā)電機組3做功發(fā)電?？諝鉁u輪發(fā)電機組3的排氣分別進入第一管路31和第二管路32，進入第一管路31的空氣經(jīng)高溫換熱器4和低溫換熱器5逐級放熱后排向大氣，進入第二管路32的空氣經(jīng)高溫蓄熱器6和低溫蓄熱器7完成儲熱后排向大氣。二氧化碳壓縮機8出口的超臨界二氧化碳氣體經(jīng)第三管道81分別進入低溫換熱器5和回?zé)崞饕?0進行預(yù)熱，兩股預(yù)熱后的氣體匯合成一路進入高溫換熱器4繼續(xù)被加熱，高溫換熱器4出口的高溫高壓二氧化碳氣體進入二氧化碳渦輪發(fā)電機組9做功發(fā)電。二氧化碳渦輪發(fā)電機組9的排氣進入回?zé)崞饕?0進行放熱，放熱后的氣體經(jīng)冷卻器12冷卻后進入二氧化碳壓縮機8完成一次閉式循環(huán)。

當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)夜間運行時，頂部開式空氣循環(huán)停止運行，空氣壓縮機1、高溫太陽能鍋爐2和空氣渦輪發(fā)電機組3處于關(guān)閉狀態(tài)。二氧化碳壓縮機8出口的超臨界二氧化碳經(jīng)第四管道82分別進入低溫蓄熱器7和回?zé)崞鞫?1進行預(yù)熱，兩股預(yù)熱后的氣體匯合成一路進入高溫蓄熱器6繼續(xù)被加熱，高溫蓄熱器6出口的高溫高壓二氧化碳氣體進入二氧化碳渦輪發(fā)電機組9做功發(fā)電。二氧化碳渦輪發(fā)電機組的排氣9進入回?zé)崞鞫?1進行放熱，放熱后的氣體經(jīng)冷卻器12冷卻后進入二氧化碳壓縮機8完成一次閉式循環(huán)。

以上所述僅是對本發(fā)明的較佳實施方式而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施方式所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。