技术领域
[0001] 本
发明属于太阳能热发电技术领域，涉及一种基于
超临界流体的塔式太阳能热发电系统。
背景技术
[0002] 太阳能利用技术包括
光伏发电、热发电，以及其他形式的热利用技术。在这些技术中，太阳能热发电技术(又称为光热发电技术)具有极其重要的意义。太阳能热发电是种“光-热-电”的转换过程，先将太阳能的直接
辐射能聚集在吸热器上，加热吸热器中的
传热流体，将光能转换为
热能。然后，利用传热流体的热能产生高温高压
蒸汽，通过
汽轮机发
电机组实现热能到
电能的转换。太阳能热发电技术具有许多其他新
能源难以替代的、独特的优势。首先，通过配置储热系统，太阳能热
发电机组能够保持持续稳定运行，不受光照变化的影响，如果储热系统的容量足够大，机组可实现24小时连续发电。其次，太阳能热发电机组可以根据
电网用电负荷的需要，快速的调节汽轮发电机组的出
力，即参与电网一次调频和二次调频。再次，太阳能热发电具有稳定的电力输出和良好的调节性能，适于集中大规模建设太阳能发电基地，替代燃
煤机组作为电力系统中的主力机组。因此，太阳能热发电技术将在未来世界的能源结构中，尤其是未来我国能源结构中，发挥极其重要的作用。
[0003] 太阳能光热发电主要包括槽式、塔式、线性菲涅尔式和碟式等形式。在这些技术形式中，塔式技术具有聚光倍数高、集热
温度高、光热转换效率较高等优势，是大规模太阳能光热发电的主流技术。目前，塔式太阳能热发电的主流技术路线为：利用众多独立
跟踪太阳光的定向镜，将太阳光反射到设置于高塔顶部的吸收器上，加热其中的传热流体；在换热器内，传热流体将
能量传递给
水，产生高温高压
过热蒸汽；
过热蒸汽推动汽轮机，带动发电机，从而产生电力。
[0004] 塔式
太阳能技术对传热流体的
工作温度、运行压力、安全性(易燃易爆、毒性等)、获取成本、与管道材料的相容性等方面都有较高要求。目前塔式太阳能光热电站中，应用最广泛的传热流体是高温熔盐。虽然熔盐凭其使用温度、成本低廉和易获得等优势被广泛用为传热蓄热介质，但是熔盐也存在
凝固点高导致存在堵管的
风险、高温下
腐蚀较强导致存在
泄漏的风险，保温复杂等难题。为此，不断寻找综合性能更好的传热流体，对促进塔式太阳能电站安全
稳定性具有重要意义。近年来，由于超临界技术的发展，超临界流体已成为一种新型传热流体，在许多领域都取得了良好应用，其在塔式太阳能电站技术中同样具备广阔的应用前景。
[0005] 目前，太阳能塔式电站中的“热-电”转换环节仍利用的是常规火电发电技术，即利用
朗肯循环来实现热能到机械能，再到电能的转换。然而，由于蒸汽参数的限制，朗肯循环的效率难以令人满意。为此，研究人员不断探索新型高效的
热力循环系统，以提高能源的转换效率。近年来，超临界CO2布雷顿循环逐渐成为研究热点，这种循环内没有工质相态的变化，为此压缩功大大降低，循环效率显著提升。
[0006] 为此，本发明提出了一种基于超临界流体的新型塔式太阳能热发电系统。
发明内容
[0007] 本发明的目的是提供一种基于超临界流体的塔式太阳能热发电系统，解决了
现有技术中存在的传热蓄热系统中
传热介质存在凝固点高导致存在堵管的风险、高温下腐蚀较强导致存在泄漏的风险，保温复杂困难的问题。
[0008] 本发明所采用的技术方案是，一种基于超临界流体的塔式太阳能热发电系统，包括三个子系统和发电机，子系统分别为集热系统、传热储热系统和热力循环系统；集热系统包括布置于光照充足区域的
定日镜场，和用于吸收来自定日镜场反射的太阳光的集热器；传热储热系统由集热器、高温储热器、
热交换器、低温储热器和进料
泵通过管道依次首尾相连组成，传热储热系统内的工质为超临界
碳氢化合物；热力循环系统由热交换器、汽轮机、
冷凝器和
压缩机通过管道依次首尾相连组成，热力循环系统中的循环工质为超临界CO2，汽轮机与发电机驱动相连。
[0009] 本发明的特点还在于：
[0010] 传热储热系统的循环运行过程为：超临界碳氢化合物在集热器内吸收定日镜场聚集的太阳光能，然后高温储热器储存在集热器内吸热后流出的高温超临界碳氢化合物，之后在热交换器内高温碳氢化合物将能量传递给热力循环系统中的循环工质，再通过低温储热器储存经热交换器换热后流出的低温超临界碳氢化合物，进料泵将低温超临界碳氢化合物升压后输送至集热器内再次吸收太阳能。
[0011] 热力循环系统的循环运行过程为：在热交换器内高温超临界碳氢化合物将能量传递给热力循环系统中的超临界CO2，使得超临界CO2温度和压力升高，然后推动汽轮机
叶片做功，将超临界CO2携带的热能转变为汽轮机的机械能，汽轮机带动与其同轴相连的发电机发电，置于汽轮机出口处的冷凝器将做功后的超临界CO2进行等压冷凝，然后通过置于冷凝器之后的压缩机对超临界CO2进行等熵压缩，使之压力升高，并进入热交换器内再次吸热。
[0012] 低温储热器的温度范围为400摄氏度以下，高温储热器的温度范围为400摄氏度以上。
[0013] 集热器为吸热塔。
[0014] 吸热塔为
框架—
支撑结构的
钢结构体系。
[0015] 吸热塔为框架—剪力墙结构或单筒式结构的
混凝土结构体系。
[0016] 本发明的有益效果是：
[0017] 1.本发明所提出的新型塔式太阳能光热发电系统的能量转换效率更高，安全稳定性更好，与传统的朗肯循环相比较，超临界CO2布雷顿循环的效率显著提高，其热效率最高可达55％一般可达45％以上，且由于循环参数的降低，热力循环系统的安全性提升、寿命延长；
[0018] 2.本发明中采用超临界碳氢化合物的传热能力强于熔盐的传热能力，且前者的
比热也大于后者，这有利于增强传热储热系统的能量传输能力，另外超临界碳氢化合物对金属材料的兼容性更好，可降低对金属管道和设备的腐蚀；
[0019] 3.本发明的系统发电成本更低，由于功率
密度提高，本发明中的传热储热系统和热力循环系统紧凑，储热器、热交换器、汽轮机等关键设备的尺寸都能缩小，而且超临界CO2和超临界碳氢化合物都易于获取，工质成本也能降低。
附图说明
[0020] 图1是本发明一种基于超临界流体的塔式太阳能热发电系统的结构示意图；
[0021] 图2是本发明一种基于超临界流体的塔式太阳能热发电系统中集热系统的结构示意图；
[0022] 图3是本发明一种基于超临界流体的塔式太阳能热发电系统中传热储热系统的结构示意图；
[0023] 图4是本发明一种基于超临界流体的塔式太阳能热发电系统中热力循环系统的结构示意图。
[0024] 图中，1.定日镜场，2.集热器，3.进料泵，4.低温储热器，5.超临界碳氢化合物，6.高温储热器，7.热交换器，8.压缩机，9.冷凝器，10.超临界CO2，11.汽轮机，12.发电机。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0026] 本发明一种基于超临界流体的塔式太阳能热发电系统，如图1至4所示，一种基于超临界流体的塔式太阳能热发电系统，包括三个子系统和发电机12，子系统分别为集热系统、传热储热系统和热力循环系统；集热系统包括布置于光照充足区域的定日镜场1，和用于吸收来自定日镜场反射的太阳光的集热器2；传热储热系统由集热器2、高温储热器6、热交换器7、低温储热器4和进料泵3通过管道依次首尾相连组成，传热储热系统内的工质为超临界碳氢化合物5；热力循环系统由热交换器7、汽轮机11、冷凝器9和压缩机8通过管道依次首尾相连组成，热力循环系统中的循环工质为超临界CO210，汽轮机11与发电机12同轴相连。
[0027] 低温储热器4的温度范围是400摄氏度以下，高温储热器6的温度范围是400摄氏度以上，温度界限随储热工质不同有所差异。
[0028] 如图2所示，集热器2为吸热塔。吸热塔属于高耸结构，设备
质量主要集中布置在顶部，对其强度
刚度要求较高，因此，可采用钢结构体系或混凝土结构体系。
[0029] 吸热塔为框架—支撑结构的钢结构体系。
[0030] 吸热塔为框架—剪力墙结构或单筒式结构的混凝土结构体系。
[0031] 如图3所示，传热储热系统的循环运行过程为：超临界碳氢化合物5在集热器2内吸收定日镜场1聚集的太阳光能，然后高温储热器6储存在集热器2内吸热后流出的高温超临界碳氢化合物，然后在热交换器7内高温碳氢化合物将能量传递给热力循环系统中的循环工质，再通过低温储热器4储存经热交换器7换热后的低温超临界碳氢化合物，进料泵3将低温超临界碳氢化合物升压后输送至集热器2内再次吸收太阳能。
[0032] 如图4所示，热力循环系统的循环运行过程为：在热交换器7内高温超临界碳氢化合物将能量传递给热力循环系统中的超临界CO2，使得超临界CO2温度、压力升高变为高温高压状态，推动汽轮机11的叶片做功，将超临界CO2携带的热能转变为汽轮机11的机械能，汽轮机11带动发电机12发电，置于汽轮机11出口处的冷凝器9对做功后的超临界CO2进行等压冷凝，然后通过置于冷凝器9之后的压缩机8对超临界CO210进行等熵压缩，使之压力升高，并进入热交换器7内再次吸热。
[0033] 本发明一种基于超临界流体的塔式太阳能热发电系统，其工作过程如下：
[0034] 首先，在集热系统中，太阳光经定日镜场1反射后到达集热器2，然后由集热器2收集高热量太阳光进行能量的预先存储，吸热高塔的建设应根据特定需求进行设计建造。一般而言，钢结构
塔架价格要比混凝土塔架价格高，随着塔高的增加，差价越大。然而在我国西北某些地区，冬季寒冷且地处大风地区，混凝土材料较难获得，混凝土施工具有很大的困难，采用钢结构反而是一种较好的方案。采用混凝土结构体系时，采用框架—剪力墙结构或单筒式结构，单筒式结构造价低且施工速度相对较快。采用钢结构体系时，应采用框架—支撑结构，如无必要不建议对结构进行压型钢板封闭。
[0035] 其次，在传热储热系统中，低温液态碳氢化合物5由进料泵3送到塔顶集热器2，吸收定日镜场1聚集的光能。此种低温液态碳氢化合物的传热能力强于熔盐的传热能力，且前者的比热也大于后者，这有利于增强传热储热系统的能量传输能力，另外超临界碳氢化合物对金属材料的兼容性更好，可降低对材料的腐蚀。
[0036] 低温液态碳氢化合物吸热之后形成的高温超临界碳氢化合物进入热交换器7中进行能量交换与热传递。所述热交换器7是一种能够实现吸热介质与储热介质、储热介质与做功介质之间进行能量交换的装置，其中吸热介质与储热介质的能量交换实现的是能量存储，储热介质与做功介质的能量交换实现的是储能释放。
[0037] 接着由高温储热器6储存多余的热量，高温储热器6具有耐高温、高压的特性，并且能长期昼夜更替地供给低温液态碳氢化合物进入热交换器7换热所需的热量。
[0038] 最后，经换热进入高温高压状态下的超临界CO2在汽轮机11中膨胀推动汽轮机11带动发电机12进行发电。做功后的超临界CO2经冷凝器9冷凝，压缩机8压缩后再次进行布雷顿循环做工。基于超临界CO2布雷顿循环的发电技术以超临界CO2代替传统朗肯循环中的水蒸气，可显著降低电站的耗水量，减少工程投资。
[0039] 本发明一种基于超临界流体的塔式太阳能热发电系统，其优点在于：本发明能提高塔式
太阳能热电站的能量转换效率，提升系统的安全稳定性，并降低发电成本。
