技术领域
[0001] 本
发明涉及
能源技术领域，尤其涉及一种燃气轮机系统及储热和放热方法。
背景技术
[0002] 全球
太阳能辐射总量约1.7×1017W，其中我国约占1％(1.8×1015W，相当于1.9万亿吨标
煤/年)，是我国目前年能耗总量的680倍，太阳能蕴藏着巨大的开发潜
力。太阳能发电技术主要分为
光伏发电和光热发电两大类。光伏发电存在昼夜不连续、光伏
电池板
制造过程污染严重、成本高且使用寿命短等诸多缺点。而太阳能热发电可利用廉价储能技术，稳定发电功率的输出，既可以作为
基础负荷供电，又可以作为调峰电源，因此太阳能热发电在未来具有巨大潜力。
[0003] 太阳能热发电主要有槽式热发电、线性菲涅尔热发电、塔式热发电和碟式热发电技术。基本原理主要是利用聚光抛物面反射镜将太阳光聚集起来，通过光热转换及换热装置产生
蒸汽或加热
流体驱动
热机进行发电；其优点在于该技术可吸收全波段的太阳光、通过蓄热以及
燃料补充实现昼夜连续发电。
[0004] 太阳能热发电系统中的热机一般采用蒸
汽轮机，系统复杂、效率不高。燃气轮机也是一种热机，简单燃气轮机系统由
压缩机、
燃烧室和燃气透平组成。其具有比功率大，振动噪声小，寿命长，易于维护等优点，应用越来越广，但是简单燃气轮机循环的效率较低，尾气排放
热损失大，一般与
水蒸汽
朗肯循环联合使用，提高系统整体效率。现有太阳能燃气轮机系统在简单燃气轮机系统中增加太阳能空气吸热器，即从压缩机出来的空气经过太阳能空气吸热器预热，再进入燃烧室燃烧生成高温燃气，最后进入燃气透平对外做功。相比于简单燃气轮机系统而言，太阳能燃气轮机系统提高了进入燃烧室的空气热量，减少了燃料消耗量。但是，无论是简单燃气轮机系统还是太阳能燃气轮机系统，其燃气透平排气
温度均很高，热损失大。尽管采用燃气-蒸汽联合循环系统可提高系统效率，但是过于复杂，成本太高。
[0005] 除此之外，与太阳能燃气轮机结合的热化学储能技术的缺乏和高成本也是另一难题。储能技术按照储能方式可分为
显热储能、
潜热储能和热
化学能储能。显热储能是不改变物质形态通过温度提升将
热能存储起来，储能
密度较低。而潜热储能通过
相变形式将热能存储起来，相变热所需吸收热量较大，因此潜热储能密度比显热储能高。而利用化学能将太阳能存储起来不仅使得储能密度高，而且可以常温长时间存储，便于运输。
[0006] 目前开展的中高温太阳能热化学储能的研究多以制取清洁燃料氢气为目的，常见的有金属
氧化物两步
水解制氢，由于第一步金属氧化物
热分解还原所需温度较高，通常在1500℃左右，对太阳能集热装置要求很高，造成热损失较大。而高温太阳能储能系统设计单一，仅考虑一种热化学反应，反应条件较苛刻，储能形式单一，经济性和适用性有待验证，限制了其商业化推广。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于针对现有太阳能燃气轮机系统热效率低、成本高的问题，提供一种既能提高
能量利用效率、又能降低系统成本的燃气轮机系统以及该燃气轮机系统的储热和放热方法。
[0008] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0009] 本发明提供一种燃气轮机系统，包括：燃烧室和发电装置，燃烧室用于生成高温燃气，所生成的高温燃气进入发电装置并用于发电；
[0010] 此外，燃气轮机系统还包括：
[0011] 颗粒循环装置和空气压缩机；
[0012] 太阳能吸热器，用于吸收太阳能；
[0013] 太阳能
重整器，与太阳能吸热器连接，太阳能重整器内设置有还原性物质；
[0014] 换热器，换热器内设置有反应腔和换热腔，反应腔的两端分别与太阳能重整器和颗粒循环装置连接，换热腔的两端分别与空气压缩机和燃烧室相连接；
[0015] 颗粒循环装置的两端分别连接反应腔和太阳能吸热器；
[0016] 太阳能吸热器内设置有若干储热颗粒，储热颗粒包括高价态金属氧化物颗粒，其中，高价态金属氧化物颗粒在太阳能吸热器所吸收的太阳能的作用下反应，转化为低价态金属氧化物颗粒，储存热能；
[0017] 储热颗粒从太阳能吸热器进入太阳能重整器，与还原性物质发生还原反应，其中，低价态金属氧化物颗粒转化为金属单质颗粒，进一步储存热能；
[0018] 储热颗粒从太阳能重整器进入换热器的反应腔，至少部分或全部储热颗粒与空气发生氧化反应生成高价态金属氧化物颗粒，释放热量预热从空气压缩机送入换热腔中的空气，被预热后的空气进入燃烧室，参与燃烧；
[0019] 储热颗粒从换热器的反应腔进入颗粒循环装置，并被输送至太阳能吸热器。
[0020] 相对于
现有技术而言，本发明所提供的燃气轮机系统可实现以金属氧化物与还原性物质互补储能的方式，将太阳能等外界热源以化学能形式稳定存储；并根据燃气轮机的需求对其供热，从而消除了太阳能的
波动，同时提高了太阳能的占比，减少了
化石燃料的消耗。
[0021] 此外，本发明所提供的燃气轮机系统还具有系统效率高、体积紧凑、成本低的特点。具体来说，高价态金属氧化物还原为低价态金属氧化物时，其所需温度相对较低，在1000℃左右；而进一步将低价态金属氧化物还原为单质金属的温度一般要达到1500℃以上。现有技术中的燃气轮机装置利用太阳能加热到该温度不但造成较大的
散热损失，而且对反应器的材料和制造工艺要求高，从而不可避免地增加了系统成本。而在本发明所提供的燃气轮机系统中，还原性物质与低价态金属氧化物在太阳能重整器中发生重整反应的反应温度在1000℃甚至以下，对反应器的要求大大降低，成本得到有效控制。同时该反应为吸热反应，将热能以化学能的形式存储在反应生成的单质金属以及
合成气当中，生产的合成气和氢气在燃烧室内的反应温度可以高于1500℃，远高于太阳能集热的温度，满足燃气轮机的高温工作需求，保证了本发明所提供的燃气轮机系统的高效率。
[0022] 作为优选，换热器内的反应腔和换热腔相连通，空气压缩机送入换热腔中的空气参与储热颗粒与空气在反应腔中发生的氧化反应。
[0023] 进一步地，作为优选，本发明所提供的燃气轮机系统还包括：热罐，被连接设置于太阳能吸热器和太阳能重整器之间；冷罐，被连接设置于换热器和颗粒循环装置之间；热罐和冷罐都用于暂存储热颗粒。
[0024] 作为优选，太阳能重整器内所设置的还原性物质为含炭和/或氢的物质；太阳能重整器与燃烧室相连接；储热颗粒从太阳能吸热器进入太阳能重整器时，低价态金属氧化物颗粒与还原性物质发生还原反应，转化为金属单质颗粒，同时生成一氧化
碳和/或氢气，
一氧化碳和/或氢气被送入燃烧室参与燃烧反应。
[0025] 进一步地，作为优选，本发明所提供的燃气轮机系统还包括：被连接设置于太阳能重整器和换热器之间的制氢反应器，制氢反应器上设置有水蒸气进口，用于通入水蒸气；制氢反应器与燃烧室连接；储热颗粒从太阳能重整器进入制氢反应器，其中，金属单质颗粒与水蒸气反应生成低价态金属氧化物颗粒和氢气，氢气进入燃烧室参与燃烧；储热颗粒从制氢反应器进入换热器的反应腔。
[0026] 更进一步地，作为优选，本发明所提供的燃气轮机系统还包括：
蒸汽发生器和水
泵，蒸汽发生器内设置有尾气通道和水蒸气通道，尾气通道与发电装置连接，水蒸气通道的一端连接发电装置，另一端连接制氢反应器的水蒸气进口；发电装置产生的尾气经过尾气通道排出，水泵的给水被尾气加热
蒸发，所生成的水蒸气通过水蒸气进口进入制氢反应器。
[0027] 本发明还提供一种燃气轮机系统的储热和放热方法，包括如下步骤：
[0028] 第一级储热步骤：将包含有高价态金属氧化物颗粒的储热颗粒在太阳能吸热器内的高温下反应，其中，高价态金属氧化物颗粒转化为低价态金属氧化物颗粒，储存热能；
[0029] 第二级储热步骤：储热颗粒从太阳能吸热器进入太阳能重整器，与位于太阳能重整器中的还原性物质发生还原反应；其中，低价态金属氧化物颗粒转化为金属单质颗粒，进一步储存热能；
[0030] 放热步骤：储热颗粒从太阳能重整器进入换热器的反应腔，至少部分或全部储热颗粒与空气发生氧化反应生成高价态金属氧化物颗粒，释放热量预热从空气压缩机送入换热腔中的空气，被预热后的空气进入燃烧室，参与燃烧；
[0031] 颗粒循环步骤：储热颗粒从换热器的反应腔进入颗粒循环装置，并被循环至太阳能吸热器。
[0032] 相对于现有技术而言，将上述储热和放热方法应用于本发明所提供的燃气轮机系统，利用还原性物质与低价态的金属氧化物进行重整反应，提高了储能密度；且金属单质生成氢气比金属氧化物两步法制氢温度更低，反应条件更温和。结合本发明所提供的燃气轮机系统以及储热和放热方法，将金属氧化物储能与燃气轮机应用相结合，可较好地实现多能互补以及还原性物质化学能的
梯级利用。
[0033] 作为优选，在第一级储热步骤和第二级储热步骤之间，还包括如下步骤：储热颗粒进入热罐暂存；在第二级储热步骤和放热步骤之间，还包括如下步骤：储热颗粒进入冷罐暂存。
[0034] 作为优选，在第二级储热步骤中，还原性物质为含炭和/或氢的物质；储热颗粒从太阳能吸热器进入太阳能重整器时，其中的低价态金属氧化物颗粒与还原性物质发生还原反应，转化为金属单质颗粒，同时生成一氧化碳和/或氢气，一氧化碳和/或氢气被送入燃烧室参与燃烧反应。
[0035] 作为优选，在第二级储热步骤和所述放热步骤之间，还包括如下步骤：储热颗粒从太阳能重整器进入制氢反应器，其中的金属单质颗粒与水蒸气反应生成低价态金属氧化物颗粒和氢气，氢气进入燃烧室参与燃烧；储热颗粒从制氢反应器进入换热器的反应腔。
附图说明
[0036] 图1是本发明第一实施方式的燃气轮机系统的示意图；
[0037] 图2是本发明第二实施方式的燃气轮机系统的示意图。
[0038] 附图标记说明：
[0039] 1-太阳能吸热器；2-热罐；3-太阳能重整器；4-换热器；5-冷罐；6-颗粒循环装置；7-空气压缩机；8-燃烧室；9-发电装置；10-蒸汽发生器；11-水泵；12-制氢反应器。
具体实施方式
[0040] 实施方式一：
[0041] 本发明的第一实施方式提供了一种太阳能燃气轮机系统，参见图1所示，包括：燃烧室8和发电装置9，燃烧室8用于生成高温燃气，所生成的高温燃气进入发电装置9并用于发电；
[0042] 还包括：颗粒循环装置6和空气压缩机7；
[0043] 太阳能吸热器1，用于吸收太阳能；
[0044] 太阳能重整器3，依次连接热罐2和太阳能吸热器1，太阳能重整器3内设置有还原性物质；且太阳能重整器3与燃烧室8相连接；
[0045] 换热器4，换热器4内设置有反应腔和换热腔，反应腔的一端与太阳能重整器3连接，另一端依次连接冷罐5和颗粒循环装置6；换热腔的两端分别与空气压缩机7和燃烧室8相连接；
[0046] 颗粒循环装置6的两端分别连接冷罐5和太阳能吸热器1。
[0047] 下面结合具体的储热和放热方法实例，来阐述本实施方式中的燃气轮机系统的工作方式。
[0048] 太阳能吸热器1内设置有储热颗粒，在本实施方式中的储热颗粒以高价态金属氧化物四氧化三钴(Co3O4)颗粒为例。Co3O4颗粒在太阳能吸热器1所吸收聚焦的太阳能的作用下，被加热到900℃-1000℃时，发生还原反应，吸收热能，释放氧气，生成低价态的CoO，如反应方程式(1)所示。低价态的CoO进入热罐2暂时储存，将太阳能热能转变为化学能形式存储。
[0049] 2Co3O4→6CoO+O2 (1)
[0050] 低价态的CoO颗粒进入太阳能重整器3，与太阳能重整器3中的还原性物质甲烷(CH4)在太阳能的加热下发生重整反应，生成金属单质Co以及含有一氧化碳(CO)和氢气(H2)的合成气，如反应方程式(2)所示，继续将太阳能热能转变为化学能形式存储。
[0051] CoO+CH4→Co+CO+2H2 (2)
[0052] 上述方程式(1)和(2)所表示的为储热过程，太阳能燃气轮机系统中所输入的能量有化学能和太阳能，其中太阳能所占比例可以高达80％以上。
[0053] 生成的金属单质Co从太阳能重整器3进入换热器4的反应腔内，与空气中的氧气发生氧化反应，生成高价态金属氧化物Co3O4，并释放大量热能(800℃-900℃)，如反应方程式(3)所示。
[0054] 3Co+2O2→Co3O4 (3)
[0055] 上述方程式(3)所表示的为放热过程。
[0056] 释放的热能预热从空气压缩机7送入换热器4的换热腔中的空气，被预热的空气进入燃烧室8，与在太阳能重整器3中生成的合成气发生燃烧反应，产生高温燃气(大于1200℃)，高温燃气进入
发动机发电装置9，用于使发动机发电装置9发电。所生成的高价态金属氧化物Co3O4从换热器4的反应腔出来，进入冷罐5暂时储存，再经过颗粒循环装置6重新输送至太阳能吸热器1，完成颗粒循环。
[0057] 综上，利用本实施方式的太阳能燃气轮机系统所进行的上述储热和放热过程中，包含了如下步骤：
[0058] 第一级储热步骤：将包含有高价态金属氧化物颗粒的储热颗粒在太阳能吸热器1内的高温下反应，其中，高价态金属氧化物颗粒转化为低价态金属氧化物颗粒，储存热能；
[0059] 第二级储热步骤：令储热颗粒从太阳能吸热器1进入太阳能重整器3，与位于太阳能重整器3中的还原性物质发生还原反应；其中，低价态金属氧化物颗粒转化为金属单质颗粒，进一步储存热能；
[0060] 放热步骤：令储热颗粒从太阳能重整器3进入换热器4的反应腔，储热颗粒与空气发生氧化反应生成高价态金属氧化物颗粒，释放热量预热从空气压缩机7送入换热腔中的空气，被预热后的空气进入燃烧室，参与燃烧；
[0061] 颗粒循环步骤：储热颗粒从换热器4的反应腔进入颗粒循环装置6，并被循环至太阳能吸热器1。
[0062] 需要说明的是，在上述实施方式中，太阳能吸热器1和太阳能重整器3中的聚焦太阳光由塔式聚光系统、碟式聚光系统、槽式聚光系统或者线性菲涅尔式聚光系统中的一种或者多种提供。高价态金属氧化物可以为
铁、锰、钴、
铜、钡、锑、铬、
锡、镉的高价态氧化物中的一种或者多种。还原性物质可以为煤炭、石油、
天然气、
生物质中的一种或者多种，或者其衍生物。本领域技术人员可以根据需要进行选择，这并不对本发明的技术方案构成限定。
[0063] 在上述实施方式中，发电装置9包括有
涡轮(燃气透平)和发
电机，在燃烧室8燃烧生成的高温燃气是高温高压的气体，随后进入到涡轮(燃气透平)膨胀做功，推动涡轮(燃气透平)带动作为外负荷
转子的发电机一起高速旋转，实现了燃料的化学能部分转化为机械功，并通过发电机输出电功。
[0064] 相对于现有技术而言，本发明的燃气轮机系统实现了以金属氧化物与还原性物质互补储能的方式，将太阳能等外界热源以化学能形式稳定存储；并根据燃气轮机的需求对其供热，从而消除了太阳能的波动，同时提高了太阳能的占比，减少了化石燃料的消耗。且该系统具有系统效率高、体积紧凑、成本低的特点。
[0065] 实施方式二：
[0066] 本发明的第二实施方式提供了一种太阳能燃气轮机系统，第二实施方式是第一实施方式的进一步改进，主要改进之处在于，还包括：
[0067] 被连接设置于太阳能重整器3和换热器4之间的制氢反应器12，制氢反应器12上设置有水蒸气进口，用于通入水蒸气；制氢反应器12与燃烧室8连接；储热颗粒从太阳能重整器3进入制氢反应器12，其中，金属单质颗粒与水蒸气反应生成低价态金属氧化物颗粒和氢气，氢气进入燃烧室8参与燃烧；储热颗粒从制氢反应器12进入换热器的反应腔。
[0068] 蒸汽发生器10和水泵11，蒸汽发生器10内设置有尾气通道和水蒸气通道，尾气通道与发电装置9连接，水蒸气通道的一端连接发电装置9，另一端连接制氢反应器12的水蒸气进口；发电装置9产生的尾气经过尾气通道排出，水泵11的给水被尾气加热蒸发，所生成的水蒸气通过水蒸气进口进入制氢反应器12。
[0069] 下面结合具体的储热和放热方法实例，来阐述本实施方式的燃气轮机系统的工作方式。其中，高价态金属氧化物仍以四氧化三钴(Co3O4)为例，还原性物质仍以甲烷(CH4)为例。
[0070] 储热过程与第一实施方式中相同，简要来说，如方程式(1)和(2)所示，包含高价态金属氧化物Co3O4颗粒的储热颗粒在太阳能吸热器1内的高温下反应，Co3O4颗粒转化为低价态CoO颗粒，储存热能；储热颗粒从太阳能吸热器1进入太阳能重整器3，与位于太阳能重整器3中的还原性物质CH4发生还原反应；CoO颗粒转化为Co单质颗粒，进一步储存热能。燃气轮机系统中所输入能量中的太阳能占比可以达80％以上。
[0071] 与第一实施方式的主要区别在于放热过程：当完成储热过程之后，单质金属Co与水蒸气(H2O)进入制氢反应器12，生成低价态的CoO和H2，如方程(4)所示。生成的CoO再进入换热器4，进一步与空气中的氧气反应，生成高价态金属氧化物Co3O4颗粒，同时释放大量热量(800℃-900℃)，如反应方程式(5)所示，预热从空气压缩机7出来的压缩空气。
[0072] Co+H2O→CoO+H2 (4)
[0073] 6CoO+O2→2Co3O4 (5)
[0074] 预热后的空气进入燃烧室8，与在太阳能重整器3中生成的合成气以及在制氢反应器12中生成的H2发生燃烧反应，产生高温燃气(大于1200℃)。高温燃气进入发电装置9用于发电。发电装置9产生的尾气经过尾气通道排出，水泵11的给水被尾气加热蒸发，所生成的水蒸气通过水蒸气进口进入制氢反应器12并与单质金属反应。从换热器4出来的高价态金属氧化物Co3O4颗粒进入冷罐5暂时存储后，通过颗粒循环装置6重新进入太阳能吸热器1，完成颗粒循环。
[0075] 利用本实施方式的燃气轮机系统所进行的放热过程中，储热颗粒从太阳能重整器3进入制氢反应器12，其中的金属单质颗粒Co与水蒸气反应生成低价态金属氧化物CoO颗粒和氢气，氢气进入燃烧室8参与燃烧；储热颗粒从制氢反应器12进入换热器4的反应腔，储热颗粒与空气发生氧化反应生成高价态金属氧化物颗粒，释放热量预热从空气压缩机7送入换热腔中的空气，被预热后的空气进入燃烧室，参与燃烧。此外，本实施方式的燃气轮机系统以蒸汽发生器11回收发电装置9排出尾气的余热，提高了系统热功转化效率，其效率可达
45％以上。
[0076] 实施方式三：
[0077] 本发明的第三实施方式提供了一种太阳能燃气轮机系统，第三实施方式是第一实施方式或第二实施方式的改进，主要改进之处在于，换热器4内的反应腔和换热腔相连通，空气压缩机7送入换热腔中的空气参与储热颗粒与空气在反应腔中发生的氧化反应。
[0078] 在本实施方式中，反应腔与换热腔共用同一个腔室，空气压缩机7空气参与储热颗粒与空气在反应腔中发生的氧化反应，即实现了直接换热，使得本实施方式的燃气轮机系统的结构更为紧凑、运行过程更为高效。
[0079] 实施方式四：
[0080] 本发明的第四实施方式提供了一种太阳能燃气轮机系统，第四实施方式是第一至第三实施方式中任意一实施方式的进一步改进，主要改进之处在于，太阳能吸热器1、太阳能重整器3、换热器4的反应腔内均设置有斜坡，且太阳能吸热器1、太阳能重整器3和换热器4自高处向低处依次设置，储热颗粒在重力作用下在燃气轮机系统中从高处向低处运动，并在颗粒循环装置的输送下回到高处；颗粒循环装置为螺旋输送器。
[0081] 在本实施方式中，对储热颗粒在燃气轮机系统中流动运行的驱动方式提出了优选的方案。值得说明的是，本实施方式中所描述的仅仅是驱动储热颗粒在燃气轮机系统中流动运行的一种可行方式，即为基于重力驱动的流动运行方式。除此之外还可选择其他方式以驱动储能颗粒在系统中的流动运行，例如且不限于基于气体的驱动方式、基于机械力的驱动方式等。此外，本实施方式中的颗粒循环装置，除了可以为螺旋输送器之外，也可以选择其他可实现储热颗粒循环功能的装置，例如且不限于斗式输送器等。
[0082] 本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本
申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和
修改，也可以基本实现本申请各
权利要求所要求保护的技术方案，因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
