[发明专利]太阳能风能与燃气互补联合制氢制甲烷循环热发电装置

摘要

本发明太阳能风能与燃气互补联合制氢制甲烷循环热发电装置充分利用太阳能风能等可再生能源与半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统实现互补循环发电；主要利用太阳能风能产生的电力对系统发电产生的水进行电解制氢制氧，对排出物二氧化碳进行加氢甲烷制备，而氧气用于半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统对天然气或自产甲烷气进行助燃，充分混合的高温燃气和超临界二氧化碳动力工质共同驱动涡轮透平做工发电；系统冷凝和甲烷化制备排出的水经收集不仅用于电解制氢，多余的水用于清洗太阳能镜场或光伏板。该装置依靠可再生能源实现循环热发电，为替代化石能源发电奠定技术基础。该发明属太阳能热发电和高温热化学跨学科技术领域。

主权项

1.所述太阳能风能与燃气互补联合制氢制甲烷循环热发电装置包括塔式太阳能固体粒子聚光系统，风电系统，光伏发电系统，半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统；电解水制氢装置，氧气储罐、二氧化碳加氢甲烷化制备装置；三通阀、二氧化碳气体传热管道；冷凝器、汽水分离装置，储气柜，储水罐，二氧化碳气包，压力泵；换热器，蒸发器，电源整流器，其特征在于：塔式太阳能固体粒子聚光系统的流化床换热器出口经三通阀连接主、副涡轮透平进口，主涡轮透平同轴驱动发电机，主涡轮透平出口连接蒸发器一端进口，蒸发器出口连接回热器一端进口，回热器出口连接冷凝器，冷凝出口连接汽水分离装置，汽水分离装置出口分别连接储水罐和二氧化碳汽包，二氧化碳汽包连接主、副压气机进口，主压气机出口连接另一端回热器进口，回热器出口经三通阀连接塔式太阳能固体粒子聚光系统流化床换热器进口，实现太阳能与半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿互补热发电循环；副涡轮透平同轴带动主、副压气机运转，副涡轮透平出口连接回热器进口；副压气机出口连接二氧化碳加氢甲烷化制备装置进口；储水罐一端连接压力泵，压力泵出口连接电解水制氢装置，或经过蒸发器另一端进出口连接电解水制氢装置进行高温蒸汽电解制氢；制取的氧气通过气体管道连接氧气储罐至燃烧室与甲烷混合燃烧，制取的氢气通过气体管道连接二氧化碳加氢甲烷化制备装置另一进口，与来自副压气机的二氧化碳气混合制备甲烷，出口连接储气柜；储气柜另一进口连接天然气输送管道；储气柜出口连接燃烧室，输送天然气或两者的混合气体；燃烧室出口连接主、副涡轮透平进口；电解水制氢装置连接电源整流器，电源整流器接收来自太阳能、风能或其他可再生能源电力，或电网负载过剩电力；二氧化碳加氢甲烷化制备装置高温蒸汽出口连接换热器，出口连接储水罐，换热器另一端或接入有机朗肯热发电装置，或连接其他热利用装置；或将高温蒸汽直接输送蒸发器升温后用于电解制氢；此为该装置运行模式一；/n运行模式二：在太阳能光照充足时完全利用塔式太阳能聚光热能实现闭式超临界二氧化碳布雷顿热发电运行，期间关闭燃烧室，即经过加压的二氧化碳气通过动力工质传热管道进入塔式太阳能固体粒子聚光系统的流化床换热器进行高温换热，经高温换热的超临界二氧化碳气进入主涡轮透平做功带动发电机发电；经主涡轮透平做功排出的动力工质二氧化碳经回热器进入冷凝器，冷凝后的二氧化碳动力工质进入主压气机，经主压气机提升压力后经回热器换热再次进入塔式太阳能固体粒子聚光接收系统中设置的流化床换热器进口，完成闭式超临界二氧化碳布雷顿热发电循环；电解水制氢装置和二氧化碳加氢甲烷化制备装置利用储存的水和二氧化碳进行甲烷合成制备，经制备的甲烷气进入储气柜存储备用，制备的氧气另行存储，待光照不稳定或无光照时再行启动互补燃气发电模式；/n运行模式三：在上述装置构造中关闭或不设置塔式太阳能固体粒子聚光系统，仅依靠风电、光伏电力或其他可再生能源电力进行电解制氢制氧，与半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统排出的水和二氧化碳互补制氢制甲烷，也即来自储气柜的甲烷或天然气与氧气在燃烧室燃烧产生高温气体混合超临界二氧化碳驱动主、副涡轮透平做功，经主涡轮透平做功排出的混合气体经蒸发器、回热器进入冷凝器，冷凝产生的混合物进入汽水分离装置，分离出的水进入储水罐，分离出的二氧化碳气一部分作为动力工质进入主压气机，经主压气机提升压力后经回热器换热成超临界二氧化碳再次与来自燃烧室的天然气与氧气混合燃烧实现循环热发电；另一部分二氧化碳经副压气机加压进入二氧化碳加氢甲烷化制备装置；储水罐一端连接压力泵，压力泵出口连接电解水制氢装置，或经过蒸发器连接电解水制氢装置进行高温蒸汽电解，制取的氧气通过气体管道输送燃烧室；制取的氢气通过气体管道连接二氧化碳加氢甲烷化制备装置，与来自副压气机的二氧化碳气加氢混合制备甲烷，合成制备的甲烷气进入储气柜，储气柜另一进口连接天然气输送管道；储气柜出口连接燃烧室，输送天然气或两者的混合气体；甲烷制备产生的高温蒸汽经换热器冷凝产生的水进入储水罐存储，换热器另一端或接入有机朗肯热发电装置，或连接其他热利用装置；电解水制氢装置主要接收来自风电、光伏发电或其他可再生能源电力，或电网负载过剩电力以及自产电力；或在主涡轮透平出口增设闭式超临界二氧化碳布雷顿发电机组，更充分利用燃气发电排放热值；/n1)所述塔式太阳能固体粒子聚光系统包括设置在接收塔顶端的陶瓷接收器，固体粒子传热介质，固体粒子输送装置，高温固体粒子储藏室，固体粒子流化床换热器，固体粒子储藏室，定日镜聚光阵列；所述固体粒子传热介质选择陶瓷、花岗岩、玄武岩、火成岩、石英岩经粉碎成细微颗粒的一种或混合物；或回收的具有较高导热系数的金属粉尘；或经球磨的燃煤电厂废弃物粉煤灰、或水泥粉料；/n2)所述半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统包括主涡轮透平、副涡轮透平、燃烧室、回热器、主压气机、副压气机、冷凝器、汽水分离装置、二氧化碳气包、储水罐；发电机组；控制系统、气体三通控制阀、二氧化碳气体管道；储气柜，压力泵；/n3)所述半闭式超临界二氧化碳燃气布雷顿热发电系统和风电系统配置电源整流器以便将直流电输送给电解水制氢装置进行制氢制氧；/n4)所述电解水制氢装置优选固体氧化物电解制氢装置(SOEC)；或聚合物(SPE)制氢设备；或高温电解水制氢装置；或碱性电解水制氢装置。/n