[发明专利]一种太阳能化学回热燃气轮机系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能燃气轮机系统，尤其涉及一种太阳能化学回热燃气轮机系统及其方法。

背景技术

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。电力是世界上消耗量最大的二次能源，太阳能发电技术是缓解当前能源危机的有效手段，应用前景极广。

太阳能发电技术主要分为光伏发电和光热发电两大类。光伏发电主要是利用光伏电池板的光电效应进行发电。该技术目前主要存在三大缺点：(1)发电功率随太阳光强度变化而变化，在晚上和阴雨天完全不能发电，对电网冲击大；(2)太阳光流密度低，单位发电容量所需的光伏电池板面积大，而光伏电池板制造过程污染严重、成本很高；(3)光伏电池板对太阳能光谱的响应波段主要集中在高频短波区域(400<λ<1100nm)，低频长波区域的能量则大部分转化为热量，致使光伏电池板温度升高、光电转换效率降低、使用寿命缩短。采用聚光光伏发电方法可以成倍减少光伏电池板的使用面积、采用薄膜分频方法将太阳光中的低频长波分离后再照射光伏电池板，是目前光伏发电技术的两个重要方向；对于昼夜不连续的问题，光伏发电技术本身难以克服，主要依靠蓄电池或蓄能发电系统(如蓄能水电站等)配套补充，成本很高。

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(槽式镜、线性菲涅尔镜、塔式定日镜以及碟式镜)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、可通过蓄热以及燃料补充实现昼夜连续发电。常见的太阳能热发电系统中的热机采用的是蒸汽轮机，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。一般太阳能燃气轮机系统是在简单燃气轮机系统中增加太阳能空气集热器，即从压缩机出来的空气经过太阳能空气集热器预热，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。燃气轮机系统比功率大，振动噪声小，寿命长，易于维护等应用越来越广，但是简单燃气轮机循环其效率较低，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。简单太阳能燃气轮机系统效率低，而燃气-蒸汽联合循环系统复杂，由于太阳能热发电站相比传统化石燃料电站规模相对较小，整体效率比大型机组要低，投资大，风险高。

发明内容

本发明针对现有的太阳能燃气轮系统所存在的问题，提出了一种太阳能化学回热燃气轮机系统及其方法，提高了系统整体效率，避免了联合循环系统的复杂性，而且增加了太阳能所占比例，提高了系统的环境效益和经济效益。

本发明的具体方案如下：

一种太阳能化学回热燃气轮机系统，其特征在于：包括压缩机、太阳能空气集热器、燃烧室、燃气透平、尾气重整器、余热蒸汽发生器、太阳能重整器，空气进入压缩机，经过压缩后压缩空气进入太阳能空气集热器，空气被聚焦太阳光加热后进入燃烧室，产生的高温燃气进入燃气透平对外做功，燃气透平尾气依次通过尾气重整器和余热蒸汽发生器；给水在余热蒸汽发生器中被尾气加热蒸发成水蒸汽，并与燃料混合进入尾气重整器，尾气加热燃料和水蒸汽，使其发生重整反应，重整反应产生的合成气混合物进入太阳能重整器，吸收聚焦太阳能，进一步发生重整反应，重整反应产生的合成气进入燃烧室与空气进行反应，生产高温燃气。

所述太阳能空气集热器利用聚焦的太阳光加热集热器内流过的空气。常见的结构形式有管式集热器和容积式集热器。管式集热器中空气在管内流动，管外壁接受聚焦太阳光照射而被加热；容积式集热器利用石英玻璃窗将空气密封在集热器腔中，聚焦太阳光被容积式集热器中布置的多孔介质吸收，利用多孔介质再加热空气。空气集热器能够将空气加热到800℃以上，所述的太阳能空气集热器为管式集热器或容积式集热器的一种或两者的组合。

所述尾气重整器利用尾气热量加热水蒸汽和燃料混合物，分为烟气侧和反应侧，烟气侧流过尾气，提供反应所需热量，反应侧发生重整反应生产合成气，以甲烷和水蒸汽为例，重整反应化学方程式为，

CH₄+H₂O＝CO+3H₂；

CO+H₂O＝CO₂+H₂；

重整后，合成气为甲烷、水蒸汽、一氧化碳、二氧化碳和氢气的混合物。该总反应为吸热反应，回收尾气的余热，减小排放，提高系统效率。