太陽能超臨界二氧化碳循環發電耦合水蒸汽電解制氫系統的製作方法

2023-05-23 01:26:06 1

本發明屬於太陽能熱發電技術和水電解制氫技術領域，特別是涉及一種太陽能超臨界二氧化碳循環發電耦合水蒸汽電解制氫系統。

背景技術：

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源，在世界範圍內面臨能源緊張和環境汙染的情況下，太陽能已成為今後能源開發的主體，太陽能發電也將成為未來提供大規模電力的主力軍。太陽能發電分為太陽能熱發電和光伏發電，按規模化特點太陽能熱發電未來發展的潛力要大於光伏發電產業。目前商業化太陽能熱發電技術主要採用的是傳統的水蒸汽朗肯循環，熱效率在35%～40%之間，而且需要大量的冷卻水，在太陽能充足的乾旱地區使用受到很大限制。超臨界二氧化碳布雷頓循環的熱效率與水蒸汽朗肯循環相比較有明顯提高，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電系統最有潛力的形式。據研究表明高溫下co2與不鏽鋼材料存在化學不相容的問題，其循環最高溫度取為650℃左右，因此超臨界二氧化碳布雷頓循環的最高溫度為450℃～650℃時具有較高的循環熱效率，而採用高倍聚光（如塔式和蝶式）的太陽能接收器出口的氣體介質溫度可高達800℃～1000℃，與超臨界二氧化碳布雷頓循環的理想最高溫度並不完全匹配，造成高溫熱能能量品位上的貶值利用，因此仍需尋找一種更有效利用高溫熱能同時滿足最優循環熱效率的途徑。

另一方面，氫能資源豐富、發熱值高、清潔無汙染，是21世紀最有發展潛力的燃料和能量載體，同時在工業生產中也有非常廣泛的應用。目前成熟的制氫技術主要是礦石燃料制氫和水電解制氫，礦石燃料制氫消耗一次能源、工藝複雜、汙染嚴重，未能解決能源和環境問題，而水電解制氫是完全清潔的制氫方式，具有產品純度高和操作簡便的特點，同時水資源較為豐富，但是能耗高、效率低。目前各國正積極開發高效的水電解制氫方法，使得水電解技術得到了迅速的發展，已發展了三類電解槽，分別為鹼性電解槽，聚合物薄膜電解槽、固體氧化物電解槽。其中固體氧化物電解槽工作在高溫下，部分電能由熱能代替，因此是三種電解槽中效率最高的，具有很好的發展前景。由於固體氧化物電解槽需要外界提供溫度高達800℃～1000℃的水蒸汽，並且水蒸汽溫度越高，電解槽的效率越高，因此高溫水蒸汽電解制氫必須有合適的高溫熱源與之相匹配，這點上高溫太陽能熱發電系統可為其提供理想的熱源。

採用超臨界二氧化碳布雷頓循環的太陽能熱發電系統本身具有較高的熱效率，可使成本和電價明顯降低，其除了可為高溫水蒸汽電解制氫提供合適的高溫熱源外，更重要的是可提供更為廉價的電力，綜合該兩點非常有利於大幅度降低高溫水蒸汽電解制氫的成本，這是另一研究方向太陽能光伏電解制氫方式所無法比擬的優勢，因此將採用超臨界二氧化碳布雷頓循環的太陽能熱發電系統與高溫水蒸汽電解制氫技術相耦合的研究，有望成為未來實現高效制氫和廉價清潔發電聯合生產的發展方向。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種循環熱效率高、能量利用率高、制氫成本低、發電成本低的太陽能超臨界二氧化碳循環發電耦合水蒸汽電解制氫系統。

本發明的目的是通過下述的技術方案加以實現的：

本發明是一種太陽能超臨界二氧化碳循環發電耦合水蒸汽電解制氫系統，包括壓縮機、回熱器、預熱器、高聚光太陽能接收器、水蒸汽過熱器、高壓二氧化碳氣輪機、再熱器、低壓二氧化碳氣輪機、發電機、冷卻器、水蒸汽發生器、固體氧化物電解槽、給水管道、氫氣管道、氧氣管道。所述的壓縮機的出口通過管道分為兩路：一路與回熱器的管程入口連接，另一路與預熱器的殼程入口連接；所述的回熱器的管程出口與預熱器的殼程出口通過管道匯合成一路與高聚光太陽能接收器的工質入口連接；所述的高聚光太陽能接收器的工質出口與水蒸汽過熱器的管程入口連接；所述的水蒸汽過熱器的管程出口與高壓二氧化碳氣輪機的入口連接；所述的高壓二氧化碳氣輪機的出口與再熱器的殼程入口連接；所述的再熱器的殼程出口與低壓二氧化碳氣輪機的入口連接；所述的低壓二氧化碳氣輪機的出口通過管道分為兩路：一路與回熱器的殼程入口連接，另一路與水蒸汽發生器的管程入口連接；所述的水蒸汽發生器的管程出口與回熱器的殼程出口通過管道匯合成一路與冷卻器的殼程入口連接；所述的冷卻器的殼程出口與壓縮機的入口連接；壓縮機與高壓二氧化碳氣輪機以及低壓二氧化碳氣輪機和發電機同軸連接；所述的給水管道與冷卻器的管程入口連接；冷卻器的管程出口與水蒸汽發生器的殼程入口連接；水蒸汽發生器的殼程出口與水蒸汽過熱器的殼程入口連接；水蒸汽過熱器的殼程出口與固體氧化物電解槽的陰極水蒸汽入口連接；所述的固體氧化物電解槽的陰極氫氣出口通過氫氣管道與再熱器內布置的氫氣再熱管束連接，陽極氧氣出口通過氧氣管道與再熱器內布置的氧氣再熱管束連接；再熱器的氫氣再熱管束通過氫氣管道與預熱器內布置的氫氣預熱管束連接，再熱器的氧氣再熱管束通過氧氣管道與預熱器內布置的氧氣預熱管束連接；所述的預熱器的氫氣預熱管束通過氫氣管道與外界的儲氣罐連接，預熱器的氧氣預熱管束通過氧氣管道與外界的儲氣罐連接。

高聚光太陽能接收器的工質出口溫度在830℃～1200℃之間，高聚光太陽能接收器的換熱面材料和水蒸汽過熱器的換熱面材料以及兩個設備之間的管道材料選用鎳鉻鐵合金材料，高壓二氧化碳氣輪機的入口溫度在450℃～650℃之間。

採用上述方案後，本發明實現了太陽能超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統和高溫水蒸汽電解制氫技術的良好耦合，使太陽能發電成本和制氫成本同時降低，具體體現在以下幾個方面：

1）高聚光太陽能接收器出口的高溫二氧化碳氣體可將水蒸汽加熱至800℃以上，滿足水蒸汽電解制氫的溫度參數，拓寬了水蒸汽電解制氫技術的應用領域；

2）太陽能超臨界二氧化碳布雷頓循環發電系統具有較高的熱效率，可為水蒸汽電解制氫提供廉價的電力，降低了水蒸汽電解制氫的成本，提高了該項技術的市場競爭力；

3）水蒸汽電解制氫的產品餘熱通過再熱器進行回收利用，完成對超臨界二氧化碳布雷頓熱力循環的再熱過程，並且該再熱過程無需額外增加太陽能的吸熱量，因此在不增加太陽能集熱系統規模的情況下使熱效率得到大幅度提高；

4）水蒸汽電解制氫的產品餘熱通過預熱器加熱一部分流量的高壓co2氣體，有利於提高太陽能接收器的工質入口溫度，由此提高太陽能接收器的工質出口溫度，從而提高了輸出熱能的品位；

5）本發明採用分流的手段減少了進入回熱器的高壓co2氣體的流量，有效地解決了簡單超臨界二氧化碳布雷頓循環中的回熱器因高低壓兩側流體的比熱容不同而出現換熱夾點的關鍵性難題，該方法比目前提出的雙回熱器再壓縮方法更加簡單可靠；

6）本發明通過冷卻器加熱給水減少了熱力循環的冷源損失，再通過水蒸汽發生器回收低壓二氧化碳氣輪機的部分排氣餘熱用於產生電解過程所需的水蒸汽，使整個系統實現了能量高度集成和優化。

附圖說明

圖1是本發明的系統結構示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明是一種太陽能超臨界二氧化碳循環發電耦合水蒸汽電解制氫系統，包括壓縮機1、回熱器2、預熱器3、高聚光太陽能接收器4、水蒸汽過熱器5、高壓二氧化碳氣輪機6、再熱器7、低壓二氧化碳氣輪機8、發電機9、冷卻器10、水蒸汽發生器11、固體氧化物電解槽12、給水管道13、氫氣管道14、氧氣管道15。

所述的壓縮機1的出口通過管道分為兩路：一路與回熱器2的管程入口連接，另一路與預熱器3的殼程入口連接；所述的回熱器2的管程出口與預熱器3的殼程出口通過管道匯合成一路與高聚光太陽能接收器4的工質入口連接；所述的高聚光太陽能接收器4的工質出口與水蒸汽過熱器5的管程入口連接；所述的水蒸汽過熱器5的管程出口與高壓二氧化碳氣輪機6的入口連接；所述的高壓二氧化碳氣輪機6的出口與再熱器7的殼程入口連接；所述的再熱器7的殼程出口與低壓二氧化碳氣輪機8的入口連接；所述的低壓二氧化碳氣輪機8的出口通過管道分為兩路：一路與回熱器2的殼程入口連接，另一路與水蒸汽發生器11的管程入口連接；所述的水蒸汽發生器11的管程出口與回熱器2的殼程出口通過管道匯合成一路與冷卻器10的殼程入口連接；所述的冷卻器10的殼程出口與壓縮機1的入口連接；壓縮機1與高壓二氧化碳氣輪機6以及低壓二氧化碳氣輪機8和發電機9同軸連接；所述的給水管道13與冷卻器10的管程入口連接；冷卻器10的管程出口與水蒸汽發生器11的殼程入口連接；水蒸汽發生器11的殼程出口與水蒸汽過熱器5的殼程入口連接；水蒸汽過熱器5的殼程出口與固體氧化物電解槽12的陰極水蒸汽入口連接；所述的固體氧化物電解槽12的陰極氫氣出口通過氫氣管道14與再熱器7內布置的氫氣再熱管束連接，陽極氧氣出口通過氧氣管道15與再熱器7內布置的氧氣再熱管束連接；再熱器7的氫氣再熱管束通過氫氣管道14與預熱器3內布置的氫氣預熱管束連接，再熱器7的氧氣再熱管束通過氧氣管道15與預熱器3內布置的氧氣預熱管束連接；所述的預熱器3的氫氣預熱管束通過氫氣管道14與外界的儲氣罐連接，預熱器3的氧氣預熱管束通過氧氣管道15與外界的儲氣罐連接。

高聚光太陽能接收器4的工質出口溫度在830℃～1200℃之間，高聚光太陽能接收器4的換熱面材料和水蒸汽過熱器5的換熱面材料以及兩個設備之間的管道材料選用鎳鉻鐵合金材料，高壓二氧化碳氣輪機6的入口溫度在450℃～650℃之間。

本發明的工作原理：

如圖1所示，溫度為32℃，壓力為7.7mpa的超臨界狀態co2氣體經壓縮機1壓縮後分為兩路，分別經過回熱器2和預熱器3被加熱後匯合成一路並進入高聚光太陽能接收器4；超臨界co2氣體在高聚光太陽能接收器4內吸收太陽能輻射熱變成溫度處於830℃～1200℃之間的高溫co2氣體，高溫co2氣體進入水蒸汽過熱器5內進行放熱，溫度降至500℃～650℃之間，並將水蒸汽加熱至800℃以上；500℃～650℃之間的co2氣體進入高壓二氧化碳氣輪機6做功，高壓二氧化碳氣輪機6的排氣經再熱器7吸熱升溫後進入低壓二氧化碳氣輪機8做功，高壓二氧化碳氣輪機6和低壓二氧化碳氣輪機8共同驅動壓縮機1以及發電機9運轉，發電機9輸出電能；低壓二氧化碳氣輪機8的排氣分為兩路，分別經過回熱器2和水蒸汽發生器11進行放熱後匯合成一路並進入冷卻器10被冷卻至溫度為32℃，壓力為7.7mpa的co2氣體，冷卻後co2氣體進入壓縮機1完成新一輪的循環。

預處理的給水首先經冷卻器10吸熱升溫，然後一部分給水進入水蒸汽發生器11完成加熱蒸發過程產生飽和水蒸汽，飽和水蒸汽進入水蒸汽過熱器5被加熱成800℃以上的過熱蒸汽，過熱蒸汽進入固體氧化物電解槽12進行電解過程產生高溫氫氣和氧氣，高溫氫氣和氧氣依次經過再熱器7和預熱器3進行放熱後作為產品輸出。

以上所述僅是對本發明的較佳實施方式而已，並非對本發明作任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施方式所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬於本發明技術方案的範圍內。