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一种以超临界二 氧化 碳为循环工质的 太阳能发电系统

阅读：141发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种以超临界CO2为循环工质的二次反射塔式太阳能光热发电系统，创造性地将吸热器、熔盐储罐及换热盘管集成为一体，同时摒弃了熔盐泵、熔盐阀以及熔盐管道等易造成熔盐冻结和熔盐输送耗能的附属部件，大大简化了整个发电系统，极大降低了整个发电系统的初投资。和传统的二次反射塔式太阳能光热发电技术相比，本技术热效率高，同时具备安全性、经济性、灵活性，还具备建设周期短、选址要求低和建设规模灵活等特点，为太阳能光热发电开启了下一代全新的技术应用。，下面是一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统, 包括超临界CO2布雷顿循环发电机组（1）、吸热储热换热一体化装置（2）、定日镜（3）、二次曲面反射镜（4）、镜场控制系统（5）、超临界CO2输送管道（6）、换热盘管（7）、熔盐电动推送装置（8）以及处于该吸热储热换热一体化装置（2）内的熔盐（9），其特征在于，该定日镜（3）以二次曲面反射镜（4）为中心呈同心圆状层层分布其四周；该吸热储热换热一体化装置（2）设置在所述的二次曲面反射镜（4）的正下方，包括单熔盐储罐（20）、容积式吸热器（21）以及内导流罩（22），该单熔盐储罐（20）包括倒立圆台状的导流部（20a）和圆柱体状的容器部（20b）；该容积式吸热器（21）整体也呈倒立圆台状，包括吸热腔（21a）、分流板(21b)、出口导流槽（21c），该吸热腔（21a）的底部上方设有分流板（21b），分流板(21b)分为3-5个区域，每个区域均有布流孔及定位板，达到流量分配的目的；所述的出口导流槽(21c)均匀布置在容积式吸热器(21)上段圆形外壁面上，该容积式吸热器（21）和该导流部（20a）外形相似且整体外形尺寸比该导流部（20a）外形尺寸小一号，两者叠加在一起形成一个环形流道（23）；该内导流罩（22）竖立在该容器部（20b）内的中轴线上，且该内导流罩（22）的外壁和该容器部（20b）的内壁之间形成一个环形腔体（24），该换热盘管（7）设置在该环形空腔（24）内，该内导流罩（22）的下端口四周开设有若干均布的导流口（22a），其顶部中轴线上设置有一导流管（22b），该导流管（22b）上端口贯通该熔盐吸热器（21）的底部且处于该导流管（22b）的正上方，且和该容积式吸热器（21）底部固接为一体；该该熔盐电动推送装置（8）至少包含变频电机（8a）、转动轴（8b）和桨叶（8c），该转动轴（8b）上端连接该变频电机（8a），其下端则连接该桨叶（8c）且该桨叶（8c）处于该导流管（22b）内，该桨叶（8c）旋转时能形成向上的推送力，使得熔盐（9）进入该吸热腔（21a）内，然后从该出口导流槽(21c)流入所述的环形流道（23）和环形腔体（24）内，再和所述的换热盘管（7）产生热交换后从底部的导流口（22a）回流到内导流罩（22）内；所述的容积式吸热器（21）的端口大小和该二次曲面反射镜（4）的聚焦的光斑大小匹配，通过该镜场控制系统（5）控制镜场内所有的定日镜（3），将太阳光反射到所述的二次曲面反射镜（4）上，再经二次曲面反射镜（4）将太阳光聚焦到该吸热腔（21a）内；该超临界CO2布雷顿循环发电机组（1）通过该超临界CO2输送管道（6）和该换热盘管（7）连接形成一个超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。
2.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，所述的吸热腔（21a）内还设置有一多孔辅助吸热器（21d）,该多孔辅助吸热器（21d）设置在熔盐液位5至20厘米以下，且在该分流板(21b)以上方。
3.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，所述的超临界CO2布雷顿循环发电机组（1）包括发电机（10）、透平（11）、二级压缩机（12）、一级压缩机（13）、预冷或冷凝器（14）、低温回热器（15）、高温回热器（16）及超临界CO2输送管道（6）。
4.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，所述的容积式吸热器（21）的顶部设置有一耐高温的透明玻璃盖（17）。
5.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，在环形流道（23）或者环形腔体（24）内还设置有若干电加热管（18）。
6.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，所述的熔盐电动推送装置（8）被一个三脚支架（8d）固定在所述的容积式吸热器（21）的沿口上，且保证所述的变频电机（8a）处于二次太阳能反射光聚焦不到的上空。
7.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，在该分流板(21b)的顶端设置有和该转动轴（8b）适配的轴承座（19）。
8.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，所述的容积式吸热器（21）顶端设置有电动开启关闭功能的保温盖（25）。
9.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，所述的内导流罩（22）具有一外夹套（22c）,该外夹套（22c）设置在所述的内导流罩（22）的外层，且其上端口和所述的容积式吸热器（21）的底部焊接为一体，在外夹套（22c）和内导流罩（22）之间设置有隔热层（22d）。
10.根据权利要求1所述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，所述的熔盐（9）为经过活性金属处理过的高纯氯化物熔盐，或者为硝酸盐或碳酸盐或混合盐，熔盐的使用温度范围为200℃～1000℃。

说明书全文

一种以超临界二氧化 碳为循环工质的 太阳能发电系统

技术领域

[0001] 本发明公开了一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，属于超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统及太阳能二次反射塔式熔盐储能光热发电技术领域。

背景技术

[0002] 现有的二次反射塔式太阳能光热发电技术都是采用传统的汽轮发电机组，储能采用双储罐熔盐储热技术路径和独立的熔盐换热器,而且，传统的二次反射太阳能吸热器里的熔盐是裸露的，是直接让聚焦的太阳光直接照射，一方面，容易使熔盐温度局部过高而发生分解，另一方面，裸露的熔盐吸热器里容易让砂石等杂质落入其中，同时，熔盐裸露的状态下，熔盐散热更快。

[0003] 我们了解二氧化碳有一个很独特的物理性质：当温度达到30.98℃，压力达到7.38MPa时，其物理状态介于液体和气体之间，密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数约为液体的100倍。这种状态，称为“超临界”状态。处于超临界状态下的二氧化碳，密度比气体大，粘性比液体小，具有流动性强、传热效率高、可压缩性小等特点。二氧化碳的临界条件容易达到，化学性质不活泼，无色无味无毒，安全，价格便宜，纯度高，易获得。这些特性，使得它很适合用于作为热力循环工质。

[0004] 2019年初，美国西南研究院联合GE研发的10MW超临界二氧化碳涡轮机顺利通过测试；经过测试证明，S-CO2作为工质的发电系统在600到700℃的温度范围内运行都可以有良好表现，可以在500℃以上、20MPa的大气压下实现高效率的热能利用，热效率可以达到45%以上，甚至超越50%的热效率。可以预见，在国内科研单位的努力下，我国研制出具有自主知识产权的超临界二氧化碳布雷顿循环系统将指日可待。

[0005] 鉴于超临界二氧化碳涡轮机的优异热效率性能，必将成为第四代二次反射塔式太阳能光热发电技术的核心。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种以超临界CO2为循环工质的二次反射塔式太阳能光热发电系统，创造性地将吸热器、熔盐储罐及换热盘管集成为一体，同时摒弃了熔盐泵、熔盐阀以及熔盐管道等易造成熔盐冻结和熔盐输送耗能的附属部件，大大简化了整个发电系统，极大降低了整个发电系统的初投资。和传统的二次反射塔式太阳能光热发电技术相比，本技术热效率高，同时具备安全性、经济性、灵活性，还具备建设周期短、选址要求低和建设规模灵活等特点，为太阳能光热发电开启了下一代全新的技术应用。

[0007] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统, 包括超临界CO2布雷顿循环发电机组、吸热储热换热一体化装置、定日镜、二次曲面反射镜、镜场控制系统、超临界CO2输送管道、换热盘管、熔盐电动推送装置以及处于该吸热储热换热一体化装置内的熔盐，其特征在于，该定日镜以二次曲面反射镜为中心呈同心圆状层层分布其四周；该吸热储热换热一体化装置设置在所述的二次曲面反射镜的正下方，包括单熔盐储罐、容积式吸热器以及内导流罩，该单熔盐储罐包括倒立圆台状的导流部和圆柱体状的容器部；该容积式吸热器整体也呈倒立圆台状，包括吸热腔、分流板、出口导流槽，该吸热腔的底部上方设有分流板，分流板分为3-5个区域，每个区域均有布流孔及定位板，达到流量分配的目的，所述的分流板整体呈椭圆封头或碟式封头状；所述的出口导流槽均匀布置在容积式吸热器上段圆形外壁面上，该容积式吸热器和该导流部外形相似且整体外形尺寸比该导流部外形尺寸小一号，两者叠加在一起形成一个环形流道；该内导流罩竖立在该容器部内的中轴线上，且该内导流罩的外壁和该容器部的内壁之间形成一个环形腔体，该换热盘管设置在该环形空腔内，该内导流罩的下端口四周开设有若干均布的导流口，其顶部中轴线上设置有一导流管，该导流管上端口贯通该熔盐吸热器的底部且处于该导流管的正上方，且和该容积式吸热器底部固接为一体；该该熔盐电动推送装置至少包含变频电机、转动轴和桨叶，该转动轴上端连接该变频电机，其下端则连接该桨叶且该桨叶处于该导流管内，该桨叶旋转时能形成向上的推送力，使得熔盐进入该吸热腔内，然后从该出口导流槽流入所述的环形流道和环形腔体内，再和所述的换热盘管产生热交换后从底部的导流口回流到内导流罩内；所述的容积式吸热器的端口大小和该二次曲面反射镜的聚焦的光斑大小匹配，通过该镜场控制系统控制镜场内所有的定日镜，将太阳光反射到所述的二次曲面反射镜上，再经二次曲面反射镜将太阳光聚焦到该吸热腔内；该超临界CO2布雷顿循环发电机组通过该超临界CO2输送管道和该换热盘管连接形成一个超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。

[0008] 在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于：所述的吸热腔内还设置有一多孔辅助吸热器,该多孔辅助吸热器设置在熔盐液位5至20厘米以下，且在该分流板以上方。通常，该多孔辅助吸热器用以增强太阳能吸热效果，均衡熔盐的温度，防止熔盐局部温度过高。

[0009] 在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于：所述的超临界CO2布雷顿循环发电机组包括发电机、透平、二级压缩机、一级压缩机、预冷或冷凝器、低温回热器、高温回热器及超临界CO2输送管道。对于闭环超临界CO2布雷顿循环发电系统，主要包括压缩系统、预冷系统、换热系统、热源、透平和发电机等系统组成。低温低压的气体经压气机升压，再经回热器高温侧预热后进入热源，吸收大量热量后直接进入透平做功，透平带动发电机系统进行发电，做功后的乏气经回热器低温侧流体冷却后，再由冷却器冷却至所需的压缩机入口温度，进入压缩机形成闭式循环。

[0010] 在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，所述的容积式吸热器的顶部设置有一耐高温的透明玻璃盖。通常，该透明玻璃盖不仅能阻止杂质等异物进入吸热器内，还能阻隔熔盐和对流空气的热交换，有效减少热损耗。

[0011] 在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，在环形流道或者环形腔体内还设置有若干电加热管。通常，该电加热管呈盘管状设置在顶部的环形流道，且完全浸泡在熔盐里，这样便于更换维修。

[0012] 在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，所述的熔盐电动推送装置被一个三脚支架固定在所述的容积式吸热器的沿口上，且保证所述的变频电机处于二次太阳能反射光聚焦不到的上空。通常，二次反射塔的下方，总有一个太阳光聚焦不到的盲区，变频电机必须设置在该盲区里。

[0013] 在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，在该分流板的顶端设置有和该转动轴适配的轴承座。

[0014] 在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于：所述的容积式吸热器顶端设置有电动开启关闭功能的保温盖。

[0015] 在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，所述的内导流罩具有一外夹套,该外夹套设置在所述的内导流罩的外层，且其上端口和所述的容积式吸热器的底部焊接为一体，在外夹套和内导流罩之间设置有隔热层。

[0016] 在上述的一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统，其特征在于，所述的熔盐为经过活性金属处理过的高纯氯化物熔盐，或者为硝酸盐或碳酸盐或混合盐，熔盐的使用温度范围为200℃～1000℃。附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图仅提供参考和说明用，并非用来对本发明加以限制。

[0018] 图1是本发明提供的一种超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统示意图；图2是本发明提供的一种吸热储热换热一体化装置和熔盐电动推送装置结合后的结构示意图；
图3是本发明提供的一种单熔盐储罐的结构示意图；
图4是本发明提供的一种容积式吸热器的结构示意图；
图5是本发明提供的一种内导流罩的结构示意图；
图6是本发明提供的一种容积式吸热器和内导流罩焊接为一体后的结构示意图。

[0019] 图中：超临界CO2布雷顿循环发电机组1、吸热储热换热一体化装置2、定日镜3、二次曲面反射镜4、镜场控制系统5、超临界CO2输送管道6、换热盘管7、熔盐电动推送装8、变频电机8a、转动轴8b、桨叶8c、三脚支架8d、熔盐9、发电机10、透平11、二级压缩机12、一级压缩机13、预冷或冷凝器14、低温回热器15、高温回热器16、透明玻璃盖17、电加热管18、轴承座19、单熔盐储罐20、导流部20a、容器部20b、容积式吸热器21、吸热腔21a、分流板21b、出口导流槽21c、多孔辅助吸热器21d、内导流罩22、导流口22a、导流管22b、外夹套22c、隔热层22d、环形流道23、环形腔体24、保温盖25。

具体实施方式

[0020] 以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

[0021] 实施例：如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种以超临界二氧化碳为循环工质的太阳能发电系统, 包括超临界CO2布雷顿循环发电机组1、吸热储热换热一体化装置2、定日镜3、二次曲面反射镜4、镜场控制系统5、超临界CO2输送管道6、换热盘管7、熔盐电动推送装置8以及处于该吸热储热换热一体化装置2内的熔盐9，该定日镜3以二次曲面反射镜4为中心呈同心圆状层层分布其四周。

[0022] 该吸热储热换热一体化装置2设置在二次曲面反射镜4的正下方，包括单熔盐储罐20、容积式吸热器21以及内导流罩22，该单熔盐储罐20包括倒立圆台状的导流部20a和圆柱体状的容器部20b；该容积式吸热器21整体也呈倒立圆台状，包括吸热腔21a、分流板21b、出口导流槽21c，该吸热腔21a的底部上方设有分流板21b，分流板21b分为3-5个区域，每个区域均有布流孔及定位板，达到流量分配的目的；所述的出口导流槽21c均匀布置在容积式吸热器21上段圆形外壁面上，该容积式吸热器21和该导流部20a外形相似且整体外形尺寸比该导流部20a外形尺寸小一号，两者叠加在一起形成一个环形流道23；该内导流罩22竖立在该容器部20b内的中轴线上，且该内导流罩22的外壁和该容器部20b的内壁之间形成一个环形腔体24，该换热盘管7设置在该环形空腔24内，该内导流罩22的下端口四周开设有若干均布的导流口22a，其顶部中轴线上设置有一导流管22b，该导流管22b上端口贯通该熔盐吸热器21的底部且处于该导流管22b的正上方，且和该容积式吸热器21底部固接为一体；该该熔盐电动推送装置8至少包含变频电机8a、转动轴8b和桨叶8c，该转动轴8b上端连接该变频电机8a，其下端则连接该桨叶8c且该桨叶8c处于该导流管22b内，该桨叶8c旋转时能形成向上的推送力，使得熔盐9进入该吸热腔21a内，然后从该出口导流槽21c流入所述的环形流道23和环形腔体24内，再和所述的换热盘管7产生热交换后从底部的导流口22a回流到内导流罩
22内；所述的容积式吸热器21的端口大小和该二次曲面反射镜4的聚焦的光斑大小匹配，通过该镜场控制系统5控制镜场内所有的定日镜3，将太阳光反射到所述的二次曲面反射镜4上，再经二次曲面反射镜4将太阳光聚焦到该吸热腔21a内；该超临界CO2布雷顿循环发电机组1通过该超临界CO2输送管道6和该换热盘管7连接形成一个超临界二氧化碳布雷顿循环发电系统。

[0023] 本实施例中，吸热腔21a内还设置有一多孔辅助吸热器21d,该多孔辅助吸热器21d设置在熔盐液位5至20厘米以下，且在该分流板21b以上方。

[0024] 本实施例中，分流板21b整体呈椭圆封头或碟式封头状。

[0025] 本实施例中，超临界CO2布雷顿循环发电机组包括发电机、透平、二级压缩机、一级压缩机、预冷或冷凝器、低温回热器、高温回热器及超临界CO2输送管道。对于闭环超临界CO2布雷顿循环发电系统，主要包括压缩系统、预冷系统、换热系统、热源、透平和发电机等系统组成。低温低压的气体经压气机升压，再经回热器高温侧预热后进入热源，吸收大量热量后直接进入透平做功，透平带动发电机系统进行发电，做功后的乏气经回热器低温侧流体冷却后，再由冷却器冷却至所需的压缩机入口温度，进入压缩机形成闭式循环。

[0026] 本实施例中，容积式吸热器21的顶部设置有一耐高温的透明玻璃盖17。

[0027] 本实施例中，在环形流道23内还设置有若干电加热管18。

[0028] 本实施例中，熔盐电动推送装置8被一个三脚支架8d固定在容积式吸热器21的沿口上，且保证变频电机8a处于二次太阳能反射光聚焦不到的上空。通常，二次反射塔的正下方，总有一个太阳光聚焦不到的盲区，变频电机必须设置在该盲区里。

[0029] 本实施例中，在该分流板21b的顶端设置有和该转动轴8b适配的轴承座19。

[0030] 本实施例中(如图4所示)，容积式吸热器21顶端还设置有电动开启关闭功能的保温盖25。

[0031] 本实施例中，内导流罩22具有一外夹套22c,该外夹套22c设置在内导流罩22的外层，且其上端口和容积式吸热器21的底部焊接为一体，在外夹套22c和内导流罩22之间设置有隔热层22d。

[0032] 本实施例中，熔盐9为经过活性金属处理过的高纯氯化物熔盐。

[0033] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

[0034] 尽管本文较多地使用了超临界CO2布雷顿循环发电机组、吸热储热换热一体化装置、定日镜、二次曲面反射镜、镜场控制系统、超临界CO2输送管道、换热盘管、熔盐电动推送装、变频电机、转动轴、桨叶、三脚支架、熔盐、发电机、透平、二级压缩机、一级压缩机、预冷或冷凝器、低温回热器、高温回热器、透明玻璃盖、电加热管、轴承座、单熔盐储罐、导流部、容器部、容积式吸热器、吸热腔、分流板、出口导流槽、多孔辅助吸热器、内导流罩、导流口、导流管、外夹套、隔热层、环形流道、环形腔体、保温盖等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。本技术中以熔盐作为蓄热材料，但并不局限于熔盐一种蓄热材料，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

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