一种低温工质太阳能光热发电系统及太阳能光热发电设备技术方案

本发明专利技术实施例提供一种低温工质太阳能光热发电系统及太阳能光热发电设备；现用水和蒸汽做发电工质的太阳能光热发电系统，有效热效率仅22％左右，约80％的能量通过冷却塔或者空冷岛释放到环境空气中，造成太阳光热能量的巨大浪费；该系统采用CO2、液氮或液空等低温发电工质，能够充分的吸收太阳能光热镜场集热系统及储热系统的热能量和进行高效率的发电输出；该低温发电工质太阳能光热发电系统没有冷却塔和空冷岛，也不需消耗水资源，该低温工质太阳能光热发电系统的有效热效率可达75％以上，相当于原投资一个太阳能光热发电系统，产生出三个太阳能光热发电系统和发电站的电能输出；为人类提供清洁和更高效的太阳能源。

【技术实现步骤摘要】
一种低温工质太阳能光热发电系统及太阳能光热发电设备
本专利技术涉及太阳能光热发电系统及太阳能光热发电设备，属于太阳能光热发电的
，尤其涉及一种采用低温发电工质液空或者液氮的低温工质超临界太阳能光热发电技术；通过液氮等低温工质吸收太阳能集热系统产生的高温热能量并实现发电和输出，并且是一种非常高效率的太阳能光热发电系统或太阳能光热发电设备。
技术介绍
太阳能光热发电是太阳能利用中的重要项目之一，将太阳能聚集起来加热工质，驱动汽轮机和发电机发电输出。太阳电池价格昂贵，效率较低，相对而言，太阳热发电与光伏发电相比，发电效率较高，技术比较成熟，因此许多工业发达国家都将太阳热能发电作为重点投资兴建太阳能热发电站。2009年底全球投运光热电站装机容量为668.15MW，截至2010年，全球已投入运行的光热装机容量达988.65MW，2018年全球光热发电建成装机容量新增936MW，总装机在2017年5133MW的基础上增至约6069MW，增幅为18.23％。其中，中国光热发电市场新增装机215MW，占全球总新增装机量的22.97％。到2050年光热发电装机容量将达到830GW，每年新增41GW。全球光热资源丰富，全球光热发电市场主要分布在美国、中国、西班牙、印度、南非、伊朗、摩洛哥、澳大利亚等国家。IEA预测到2060年光热直接发电占全球电力结构约30％。美国能源部将光热发电技术定为基础负荷电站。预计到2020年，加州光热发电占可再生能源的40％。此外，在不依赖政策补贴的前提下将光热发电成本推至6美分/KWh。这个价格将使太阳能光热发电拥有与传统火电相竞争的能力。众所周知，传统太阳能光热发电系统，大部分是采用水作发电工质，水通过水泵加压输送到换热器中，吸收太阳能光热能后气化形成高压蒸汽，然后输入和驱动汽轮机高速旋转输出机械能或带动发电机旋转输出电能。汽轮机排出的低温乏汽，通常采用空冷岛或冷却塔与环境中冷空气换热，将乏汽中潜热能量释放掉，蒸汽冷凝还原成水后，再通过水泵输送给换热器中利用太阳能光热能量重新加热成蒸汽，驱动汽轮机并带动发电机输出电能，汽轮机排出的乏汽再通过空冷岛等冷却系统，将乏汽中的潜热能量释放到环境中的冷空气中，乏汽被冷凝成水后，再通过水泵加压到换热器中吸收太阳能光热能量加热，如此不断的循环，不断的发电输出。用水作发电工质的太阳能光热发电技术，发电效率只有大约22％左右，近80％左右的太阳能光热能量通过空冷岛被释放到环境中冷空气或者环境冷水中，造成了聚集的太阳能光热能量资源巨大的损失和浪费。另外，市场上除采用水作发电工质，还有一种低温的有机朗肯循环，该发电采用沸点温度约15℃的有机工质，可实现对80℃以上热水和蒸汽进行发电，该有机朗肯循环与用水作发电工质的原理大体相同。螺杆膨胀机排出乏汽，也是采用环境中空气或者冷水实现冷凝还原。采用螺杆膨胀机替代汽轮机，同时因有机朗肯循环发电用约15℃沸点的低沸点工质，所以能够对80℃(甚至60℃)以上热水或者热蒸汽进行发电。一般仅8-12％左右的有效热效率，最高效率也就约20％，近80-90％的热能量被白白的浪费和释放到环境中。同时该发电技术采用(每吨约10万元)昂贵的有机工质；因此该发电产品不但效率低，同时发电工质成本昂贵。对于标准大气压沸点温度低于0摄氏度的低温发电工质，国内和国际都还处于研究阶段，对于搞发电的技术人员来说，低温发电工质的储存是一个难点，极其低温液体的发电工质，沸点温度远低于环境，设备里面的低温液体放置在环境中就会气化，形成高压气体后就无法使用和发电了；还有一个最大难点是气轮机做功后，低温乏汽的还原也成最大痛点。通常情况下，汽轮机做功后乏汽都采用冷却塔将乏汽潜热释放到环境空气或冷水中；但是低温发电工质的乏汽，温度要远远的低于环境温度，正常情况下是无法将极其低温的潜热，释放到环境中的空气或者冷水中，因此也就无法实现冷凝和再进行朗肯循环。如果采用压缩机压缩乏汽或者用热泵将乏汽潜热泵到环境温度并释放到冷空气或冷水中，所付出的代价又太高；发电输出的电能都有可能不够压缩机以及热泵所消耗的巨大电能，代价实在太高。因此，这种低温工质太阳能发电系统或者设备，基本没有人去研究。很多从事发电的技术人员，学习和看到的都是用水做发电工质，用低温液体工质绝大多数人员都没去想，也有一些人认为这不可能实现的，还有一部分人员认为这是“永动机”，因此也就不再去深入的研究。另外还有，汽轮机缸体静止不动，汽轮机转子的转速非常快，高速旋转的转轴与静止不动的缸体之间需严格密封，否则汽轮机输入超高压气体，就会顺汽轮机转轴外泄，且泄漏的压力很巨大。汽轮机需要有轴封系统，传统有齿形汽封、布莱登汽封、蜂窝式汽封、刷子汽封、柔齿汽封、弹性齿汽封；高压进气端虽然装有轴封，但仍然不能避免蒸汽通过轴封外漏；现大型汽轮机泄漏量每小时可达10吨以上。尤其是低温有机发电工质，(每吨高达10万元)因此轴封的泄漏代价也相当昂贵。本专利技术实施例采用更低沸点的二氧化碳、液空、液氮等更低温度的发电工质，不但可实现更低温度的发电；同时CO2、液空、液氮，每吨成本仅几百元，相对有机工质成本低很多。标准大气压下，沸点温度低于0℃的低温液体发电工质，对于搞发电的技术人员来说，极其低温的液氮或液空工质，沸点要远低于环境温度，除气化形成气体无法使用外，还有一个最大痛点是低温发电工质驱动气轮机做功后，极其低温的乏汽，如何还原成液体是最大难点。为解决这些技术难题，申请人经过近二十多年的不断研究探索，最终找到了一种高效的，不消耗能量的，低成本的，低温工质冷凝技术和方法，同时也找到了一种解决所述低温工质气轮机或膨胀机转轴两端轴封泄漏的最新密封技术。(备注：汽轮机通常是指水蒸汽工质的，由于低温工质气化以后为气体，一般是不含有水蒸汽的气体，因此特将“汽轮机”改成“气轮机”)
技术实现思路
低温发电工质的储存难题，对长期从事发电技术研发人员来说，每天接触的都是沸点为100℃的水，低温液体工质的沸点温度很低，放置在环境中会气化；但对于搞空分的相关技术人员来说，低温液氮、液氧、液氩甚至液氢、液氦的储存，采用真空绝热等技术就能够很好的解决；不但如此，为防止真空绝热被破坏或者搁置时间长，造成外部热能进入低温液体储罐，一般都会在所述低温液体储罐上安装压力保护装置。当极低温液体吸热气化后，通过压力保护装置释放掉压力，同时，低温液体气化吸收大量汽化潜热，释放后也会迅速降低低温液体温度，这些技术对搞低温和搞空分的技术人员来说不是技术难题，这些也是相关领域很成熟的现有技术，在此就不再过多赘述。但是，所述低温工质超临界气轮机的研发和生产制造，市场上还没有公司和厂家去做，还属于空白市场，也不属于现有技术，没有解决极其低温发电工质的冷凝难题，所述低温工质气轮机(或膨胀机)也就不知道如何设计，之前也没有这方面的市场需求；因此，所述低温工质超临界气轮机或膨胀机也就没有人去进行研究和开发。本专利技术实施例是这样实现的：第一方面，一种低温工质太阳能光热发电系统及太阳能光热发电设备，包括有太阳能光热镜场集热系统、换热系统、以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低温工质太阳能光热发电系统及太阳能光热发电设备，其特征在于，包括有太阳能光热镜场集热系统、换热系统、以及低温工质超临界发电系统共同构成；优选的，还设置有储热系统；/n所述太阳能光热镜场集热系统为收集太阳光热能量的主设备；/n所述储热系统将太阳光热能量进行储存和释放所储存的热能量；/n所述换热系统将太阳能光热镜场集热系统和/或储热系统中的热能量传递给所述低温工质超临界发电系统；/n所述低温工质超临界发电系统包括依次连通的低温液体储罐、低温液体泵、乏汽回热器低温管道、主换热器、低温工质超临界气轮机、乏汽回热器高温管道构成；所述乏汽回热器高温管道出口返回和连通所述低温液体储罐入口，形成循环；/n所述低温液体储罐设置有限压阀安全阀保护设备，并具有高效保温绝热的低温工质存储的压力容器；所存储的工质为标准大气压下，沸点温度低于零摄氏度的低温液体发电工质；/n所述低温液体泵为提升低温液体发电工质压力的驱动设备；所述低温液体泵设置在低温液体储罐与乏汽回热器低温管道之间；/n所述主换热器是所述换热系统的主要设备，设置在所述乏汽回热器低温管道出口与低温工质超临界气轮机之间；/n所述乏汽回热器高温管道与乏汽回热器低温管道充分的换热，共同构成高效换热的乏汽回热器；所述乏汽回热器单独设置或者与所述低温工质超临界气轮机组合到一起；/n所述低温工质超临界气轮机的入口连接主换热器出口，所述低温工质超临界气轮机排气管道出口连接乏汽回热器高温管道入口；/n所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管输入的高压气体温度，必须明显高于低温发电工质的临界温度；所述低温工质超临界气轮机排出的乏汽温度，达到或者略微高于所述低温发电工质的临界温度；/n所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管输入的高压气体，压力必须明显高于低温发电工质的临界压力；所述低温工质超临界气轮机排出的乏汽压力，达到或者接近所述低温发电工质的临界压力；/n储存在所述低温液体储罐中的低温发电工质，通过低温液体泵提升压力；流经乏汽回热器低温管道，输送至所述主换热器中吸收太阳光聚集的热能，体积迅速膨胀，形成高温高压气体后，输送并驱动低温工质超临界气轮机高速旋转输出机械能或者带动发电机输出电能；低温工质超临界气轮机排出的乏汽，温度达到低温发电工质的临界温度，令低温液体泵输出的极其低温液体冷凝临界温度的高温乏汽；/n所述低温工质超临界气轮机属于一种将高温高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械，又称气体透平，所述气体透平包括但不仅限于气轮机、气动机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机；/n所述低温工质超临界气轮机设备的构造，需要满足低温发电工质的密度、成分、温度、以及压力的物理特性；/n所述低温工质超临界气轮机的低温零部件需要采用耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢。/n...

【技术特征摘要】
1.一种低温工质太阳能光热发电系统及太阳能光热发电设备，其特征在于，包括有太阳能光热镜场集热系统、换热系统、以及低温工质超临界发电系统共同构成；优选的，还设置有储热系统；
所述太阳能光热镜场集热系统为收集太阳光热能量的主设备；
所述储热系统将太阳光热能量进行储存和释放所储存的热能量；
所述换热系统将太阳能光热镜场集热系统和/或储热系统中的热能量传递给所述低温工质超临界发电系统；
所述低温工质超临界发电系统包括依次连通的低温液体储罐、低温液体泵、乏汽回热器低温管道、主换热器、低温工质超临界气轮机、乏汽回热器高温管道构成；所述乏汽回热器高温管道出口返回和连通所述低温液体储罐入口，形成循环；
所述低温液体储罐设置有限压阀安全阀保护设备，并具有高效保温绝热的低温工质存储的压力容器；所存储的工质为标准大气压下，沸点温度低于零摄氏度的低温液体发电工质；
所述低温液体泵为提升低温液体发电工质压力的驱动设备；所述低温液体泵设置在低温液体储罐与乏汽回热器低温管道之间；
所述主换热器是所述换热系统的主要设备，设置在所述乏汽回热器低温管道出口与低温工质超临界气轮机之间；
所述乏汽回热器高温管道与乏汽回热器低温管道充分的换热，共同构成高效换热的乏汽回热器；所述乏汽回热器单独设置或者与所述低温工质超临界气轮机组合到一起；
所述低温工质超临界气轮机的入口连接主换热器出口，所述低温工质超临界气轮机排气管道出口连接乏汽回热器高温管道入口；
所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管输入的高压气体温度，必须明显高于低温发电工质的临界温度；所述低温工质超临界气轮机排出的乏汽温度，达到或者略微高于所述低温发电工质的临界温度；
所述低温工质超临界气轮机主蒸汽管输入的高压气体，压力必须明显高于低温发电工质的临界压力；所述低温工质超临界气轮机排出的乏汽压力，达到或者接近所述低温发电工质的临界压力；
储存在所述低温液体储罐中的低温发电工质，通过低温液体泵提升压力；流经乏汽回热器低温管道，输送至所述主换热器中吸收太阳光聚集的热能，体积迅速膨胀，形成高温高压气体后，输送并驱动低温工质超临界气轮机高速旋转输出机械能或者带动发电机输出电能；低温工质超临界气轮机排出的乏汽，温度达到低温发电工质的临界温度，令低温液体泵输出的极其低温液体冷凝临界温度的高温乏汽；
所述低温工质超临界气轮机属于一种将高温高压气体能量转换成为机械功的旋转动力机械，又称气体透平，所述气体透平包括但不仅限于气轮机、气动机、气体螺杆膨胀机、气体透平膨胀机；
所述低温工质超临界气轮机设备的构造，需要满足低温发电工质的密度、成分、温度、以及压力的物理特性；
所述低温工质超临界气轮机的低温零部件需要采用耐低温材料，包括但不仅限于奥氏体低温钢、铁素体低温钢。


2.根据权利要求1所述的低温工质太阳能光热发电系统及太阳能光热发电设备，其特征在于，还包括有膨胀机或叶轮机，所述膨胀机或叶轮机设置在乏汽回热器高温管道出口与低温液体储罐入口之间；所述膨胀机或叶轮机为一种节流降压装置，包括但不仅限于透平膨胀机、螺杆膨胀机；膨胀机或叶轮机的入口为高压，出口为低压，所述膨胀机或叶轮机高速旋转输出机械能或带动发电机输出电能；
所述膨胀机或叶轮机在实现节流降压的同时对外做功，同时消耗流经的高压流体内能，实现对流经所述膨胀机或叶轮机的高压流体进行更加深层的制冷，并将更加低温的低温工质液体，返回到所述低温液体储罐中储存备用；
所述膨胀机单独设置，所有高压流体直接进入所述膨胀机做功，高压流体通过所述膨胀机实现节流降压，同时消耗掉所述高压流体的内能对外做功和实现深冷，令乏汽液体返回低温液体储罐中；同时输出机械能或者带动发电机旋转输出电能；
优选的，还设置有节流阀，所述节流阀为一种节流降压装置，包括但不仅限于节流阀、截止阀、膨胀阀；
优选的，所述膨胀机与所述节流阀同时设置；所述膨胀机与所述节流阀为并联设置的关系，共同设置在所述乏汽回热器高温管道出口与所述低温液体储罐入口之间；
进一步的，当所述乏汽回热器高温管道出口所输出的高压乏汽流体为气液混合状态时，优选的，高压液体通过所述节流阀节流降压后返回低温液体储罐中；高压气体经所述膨胀机节流降压，同时消耗所述高压气体的内能做功和深冷，令乏汽冷凝成为液体返回低温液体储罐中；同时输出机械能或者带动发电机旋转输出电能；
进一步的，所述节流阀入口与所述膨胀机入口之间还设置有气液分离器，所述气液分离器输出的液体连通所述节流阀入口；所述气液分离器输出的高压气体，输入并驱动所述膨胀机高速旋转输出机械能或者带动发电机输出电能；在做功的同时消耗所述高压流体的内能，令低温低压液体返回所述低温液体储罐中储存备用。


3.根据权利要求1-2所述的低温工质太阳能光热发电系统及太阳能光热发电设备，其特征在于，所述低温液体储罐还设置有降温装置，所述降温装置包括依次连接的所述低温液体储罐、压缩机、冷凝器，第二节流阀或者第二膨胀机或第二叶轮机构成；所述压缩机单独设置或者同轴连接所述膨胀机或叶轮机；或者在同轴连接的所述膨胀机和压缩机转轴上，再同轴连接一套电动发电一体机；
所述压缩机启动或者压缩机动力不够时，所述电动发电一体机为电动机，消耗电能输出动力驱动所述压缩机；当所述膨胀机输出的机械能大于所述压缩机的动力需求时，所述电动发电一体机则为发电机，将所述膨胀机高速旋转产生的多余机械能转为电能输出；
优选的，所述压缩机与所述膨胀机为同轴连接的一体设备；所述膨胀机高速旋转驱动同轴连接的压缩机高速旋转；所述压缩机吸收从低温液体储罐中蒸发出来的低温气体并进行压缩，通过设置在乏汽回热器高温管道出口与所述膨胀机之间的冷凝器，将压缩机压缩气体所产生出来的热能，释放进入膨胀机入口前端的低温工质流体中；
所述膨胀机单独设置时，所述冷凝器的低温管道设置在所述乏汽回热器高温管道出口与所述膨胀机入口之间；所述冷凝器的高温管道设置在所述压缩机与所述第二节流阀或者第二膨胀机或第二叶轮机之间，当系统中设置有所述节流阀时，所述冷凝器的低温管道设置在所述气液分离器高压气体出口与所述膨胀机之间；
令所述冷凝器的高温端与所述膨胀机入口端的高压流体换热，令所述冷凝器的低温端与乏汽回热器高温管道出口的高压流体换热；所述冷凝器连接所述压缩机出口的一端为冷凝器的高温端；
所述低温液体储罐中的低温液体所蒸发出的气体，携带着大量的气化潜热，经低温液体储罐顶部收集以及管道输送至所述压缩机后，被压缩机压缩并通过所述冷凝器，令高压气体冷凝成液体，再经第二节流阀或第二膨胀机节流降压制冷后，返回低温液体储罐中；
优选的，当采用第二膨胀机或第二叶轮机实现节流降压做功和实现更加深冷时，所述第二膨胀机或第二叶轮机入口为高压流体，出口为低压流体，驱动所述第二膨胀机或或第二叶轮机高速旋转做功输出机械能，消耗流经的高压流体蕴藏的内能，从而实现更加深层的制冷，令更加低温的液体返回所述低温液体储罐中；进一步的，第二膨胀机或第二叶轮机同轴连接第二压缩机，第二压缩机为增压机，设在所述压缩机与所述冷凝器之间；进一步提升冷凝器中高压流体的压力。


4.根据权利要求1-3所述的低温工质太阳能光热发电系统及太阳能光热发电设备，其特征在于，所述降温装置或者所述压缩系统还有提高低温液体储罐中气体密度的技术方案，该技术方案通过提高低温工质超临界气轮机排气管道排出乏汽的压力，进而提高膨胀机的输出压力，进而提高低温液体储罐中的气体密度；
令所述压缩机不断的将低温液体储罐中的高密度气体压缩，经冷凝器释放能量后还原成为液体；经第二节流阀或者第二膨胀机或者第二叶轮机节流降压后，返回低温液体储罐中储存备用。


5.根据权利要求1-4所述的低温工质太阳能光热发电系统及太阳能光热发电设备，其特征在于，还包括但不仅限于太阳能光热镜场集热系统和换热系统；优选的，还包括有储热系统；
所述太阳能光热镜场集热系统是收集太阳光热能量的主设备；包括但不仅限于塔式集热器系统、槽式集热器系统、蝶式集热器系统、菲涅尔式集热器系统；
有所述储热系统是将太阳光热能量进行储存和释放所储存的热能量；包括但不仅限于熔融盐储热系统、和导热油储热系统；
所述换热系统是将太阳能光热镜场集热系统和/或储热系统中的热能量传递给所述低温工质超临界发电系统；
所述太阳能光热镜场集热系统接收和聚集的太阳能光热能量；直接加热所述主换热器中的低温发电工质；或者加热熔融盐、或导热油介子，再通过换热系统将熔融盐介子或者导热油介子的热能量置换到所述主换热器中的低温发电工质中；令所述所述主换热器中的低温发电工质吸热气化形成高温高压气体，输入并驱动低温工质超临界气轮机高速旋转输出机械能或者带动发电机输出电能；
优选的，还设置有包括但不仅限于熔融盐介子或者导热油介子的储热系统；通过所述储热系统将太阳能光热镜场集热系统多余的热能量进行储存，待太阳能光热镜场集热系统日照减弱或者阴天或者夜晚时，所述储热系统释放出所储存的热能量，继续维持所述低温工质超临界发电系统继续做功，输出机械能或者带动发电机输出电能；
优选的，所述主换热器还设置有低温主换热器，所述低温主换热器利用极其低温的发电工质，先与环境中的热空气或者环境中的热水等介子换热，吸收环境中空气或者...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁志远，
申请(专利权)人：北京宏远佰思德科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11