[发明专利]太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统

说明书

本发明公开了一种太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统，它包括压缩机、回热器、预热器、高聚光太阳能接收器、水蒸汽过热器、高压二氧化碳气轮机、再热器、低压二氧化碳气轮机、发电机、冷却器、水蒸汽发生器、固体氧化物电解槽。太阳能热发电系统采用超临界二氧化碳循环，为水蒸汽电解制氢提供了高温热源和廉价电力。水蒸汽电解制氢的余热通过再热器和预热器进行回收利用，提高了太阳能热发电系统的循环热效率，并提高了其输出热能的品位。另外采用分流的手段减少了进入回热器的气体流量，解决了回热器因高低压两侧流体的比热容不同而出现换热夹点的难题。本发明具有循环热效率高、能量利用率高、制氢成本低、发电成本低的特点。

技术领域

本发明属于太阳能热发电技术和水电解制氢技术领域，特别是涉及一种太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统。

背景技术

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，在世界范围内面临能源紧张和环境污染的情况下，太阳能已成为今后能源开发的主体，太阳能发电也将成为未来提供大规模电力的主力军。太阳能发电分为太阳能热发电和光伏发电，按规模化特点太阳能热发电未来发展的潜力要大于光伏发电产业。目前商业化太阳能热发电技术主要采用的是传统的水蒸汽朗肯循环，热效率在35%～40%之间，而且需要大量的冷却水，在太阳能充足的干旱地区使用受到很大限制。超临界二氧化碳布雷顿循环的热效率与水蒸汽朗肯循环相比较有明显提高，可达到50%以上，而且用水量很少，其有望成为未来太阳能热发电系统最有潜力的形式。据研究表明高温下CO₂与不锈钢材料存在化学不相容的问题，其循环最高温度取为650℃左右，因此超临界二氧化碳布雷顿循环的最高温度为450℃～650℃时具有较高的循环热效率，而采用高倍聚光（如塔式和蝶式）的太阳能接收器出口的气体介质温度可高达800℃～1000℃，与超临界二氧化碳布雷顿循环的理想最高温度并不完全匹配，造成高温热能能量品位上的贬值利用，因此仍需寻找一种更有效利用高温热能同时满足最优循环热效率的途径。

另一方面，氢能资源丰富、发热值高、清洁无污染，是21世纪最有发展潜力的燃料和能量载体，同时在工业生产中也有非常广泛的应用。目前成熟的制氢技术主要是矿石燃料制氢和水电解制氢，矿石燃料制氢消耗一次能源、工艺复杂、污染严重，未能解决能源和环境问题，而水电解制氢是完全清洁的制氢方式，具有产品纯度高和操作简便的特点，同时水资源较为丰富，但是能耗高、效率低。目前各国正积极开发高效的水电解制氢方法，使得水电解技术得到了迅速的发展，已发展了三类电解槽，分别为碱性电解槽，聚合物薄膜电解槽、固体氧化物电解槽。其中固体氧化物电解槽工作在高温下，部分电能由热能代替，因此是三种电解槽中效率最高的，具有很好的发展前景。由于固体氧化物电解槽需要外界提供温度高达800℃～1000℃的水蒸汽，并且水蒸汽温度越高，电解槽的效率越高，因此高温水蒸汽电解制氢必须有合适的高温热源与之相匹配，这点上高温太阳能热发电系统可为其提供理想的热源。

采用超临界二氧化碳布雷顿循环的太阳能热发电系统本身具有较高的热效率，可使成本和电价明显降低，其除了可为高温水蒸汽电解制氢提供合适的高温热源外，更重要的是可提供更为廉价的电力，综合该两点非常有利于大幅度降低高温水蒸汽电解制氢的成本，这是另一研究方向太阳能光伏电解制氢方式所无法比拟的优势，因此将采用超临界二氧化碳布雷顿循环的太阳能热发电系统与高温水蒸汽电解制氢技术相耦合的研究，有望成为未来实现高效制氢和廉价清洁发电联合生产的发展方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种循环热效率高、能量利用率高、制氢成本低、发电成本低的太阳能超临界二氧化碳循环发电耦合水蒸汽电解制氢系统。

本发明的目的是通过下述的技术方案加以实现的：