基于S-CO2循环的SiO2储热换热装置及其发电系统的制作方法

本发明属于储热换热，尤其涉及一种基于s-co2循环的sio2储热换热装置及其发电系统。

背景技术：

1、构建新型电力系统的核心目标是大幅提高清洁能源占比，尤其是以光伏、风电为代表的可再生能源，以实现大幅度减少温室气体排放。然而，这些新能源资源固有的间歇性和不稳定性给电力系统的稳定运行带来了挑战。为解决这一问题，高效且可靠的储能技术至关重要，其中熔盐储热作为一种安全水平较高的储能手段，被广泛研究和应用。

2、熔盐储热利用熔盐作为传热介质，通过熔盐的储热和放热循环来存储和放出能量，能够实现能量的有效迁移。针对不同的应用场景，熔盐的使用温度区间和换热过程均有较大的差异。现有熔盐的选型主要为耐高温熔盐和低熔点盐。耐高温熔盐如技术成熟的solar盐，最高工作温度达565℃，适合于高参数光热发电或火电机组储热调峰系统，它在更高的温度的时候会分解，因此其无法满足在800℃附近的工作环境。低熔点盐通常为多元混合盐，熔点低于240℃，如工程中常用的hitec盐等，能降低熔盐凝固的风险，适用于较低参数的系，很难满足在高温情况的实际应用。除此之外，目前还有技术将纳米化的sio2与熔盐混合，以此提高熔盐的热传导性能，同时还可以增加熔盐的稳定性，降低盐浴在高温环境下的腐蚀和蒸发损失，提高太阳能的利用效率，但是该技术对于熔盐在高温度下的使用提升不大。

3、因此，亟需一种基于s-co2循环的sio2储热换热装置及其发电系统，以解决现有技术问题的不足。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于s-co2循环的sio2储热换热装置及其发电系统，该基于s-co2循环的sio2储热换热装置中熔盐的使用量较低、可在800℃的高温环境下使用、能储存更久的热量、循环效率高，且对管道设备的腐蚀速率较低及能够节约大量水资源。

2、为实现以上目的，本发明第一方面提供了一种基于s-co2循环的sio2储热换热装置，包括co2压缩机、熔盐罐、集热器、第一换热器、sio2存储罐，第一换热器包括第一腔体及与第一腔体相互导热的第二腔体，sio2存储罐包括第三腔体及与第三腔体相互导热的第四腔体，第四腔体内具有二氧化硅颗粒，熔盐罐、集热器及第一腔体依次连通形成供熔盐循环流动的第一回路，co2压缩机、第二腔体、第三腔体连通形成供超临界co2循环流动的第二回路。

3、与现有技术相比，本发明的集热器对储存的熔盐进行加热，熔盐的高热容量和热导率使其能够快速吸收大量热能变成高温熔盐，高温熔盐与超临界co2(s-co2)同时进入第一换热器，两者进行传导换热，高温熔盐的热量会传递给s-co2，s-co2具有高热容量、高热传导率和低粘度特点从而能快速、高效地接纳由高温熔盐传递的热能，逐步升温变成高温高压s-co2，高温高压s-co2进入sio2存储罐并与sio2存储罐内的二氧化硅颗粒进行传导换热进而将热能储存到sio2颗粒中，由此可见，熔盐仅作为最初的热能吸收介质，之后是通过s-co2为工质循环换热及采用sio2颗粒进行热量储存，故熔盐的使用量较低，这能够有效降低成本。其次，二氧化硅(sio2)具有优异的热稳定性和化学稳定性，即使在500～800℃高温环境下也能保持结构稳定，不发生分解或与其他物质发生剧烈反应，这种特性使得其在500～800℃高温环境下仍能长期可靠运行，同时sio2还具有良好的储热能力，能够将热量储存很久，故本发明的基于s-co2循环的sio2储热换热装置可在800℃的高温环境下使用且能储存更久的热量。此外，本发明是以s-co2为工质的循环换热，整个循环过程中s-co2工质始终保持单一相态(超临界流体)，无需经历液态与气态之间的相变，避免了相变潜热造成的能量损失，从而提高了循环效率，故本明的基于s-co2循环的sio2储热换热装置具有较高的循环效率。再者，由于不存在水处理系统，故本明的基于s-co2循环的sio2储热换热装置对管道设备的腐蚀速率较低及能够节约大量水资源。综上，本发明的基于s-co2循环的sio2储热换热装置采用熔盐作为热能吸收介质，再以s-co2为工质循环换热及采用sio2颗粒为热量储存材料，这使得该装置中熔盐使用量低、可在800℃的高温环境下使用、能储存更久的热量、循环效率高，且对管道设备的腐蚀速率较低及能够节约大量水资源。

4、进一步地，本发明的二氧化硅颗粒的粒径为1～5mm。相较于大尺寸的二氧化硅颗粒，1～5mm粒径的二氧化硅颗粒具有更高的表面积与体积比，这种高比表面积通常对应着较高的颗粒强度，故选择这个粒径范围的二氧化硅颗粒可以降低二氧化硅颗粒在储能过程中因受力不均或外力冲击导致的破碎风险，从而提高基于s-co2循环的sio2储热换热装置的稳定性和使用寿命。此外，1～5mm粒径的二氧化硅颗粒可以缩短热能的传输路径，加快内部的能量扩散速率，即1～5mm的sio2颗粒能够更快速地吸收或释放能量，从而提高循环效率。

5、进一步地，本发明的第四腔体内还设有搅拌装置。搅拌装置可为但不限于搅拌桨、气流搅拌。高温高压的s-co2与二氧化硅颗粒在进行传导换热时并搅拌二氧化硅颗粒，能够确保高温高压的s-co2中的热能迅速、均匀地分布到sio2颗粒间以及颗粒内部，避免热能集中在sio2颗粒表面或某一局部，导致储热效率降低。具体地，高温高压的s-co2与二氧化硅颗粒在进行传导换热后可将颗粒化的sio2加热到500～800℃。

6、进一步地，本发明还包括回热器和冷却器，冷却器与co2压缩机连通，回热器包括第五腔体及和第五腔体相互导热的第六腔体，第五腔体分别与第三腔体、冷却器连通，第六腔体分别与集热器、熔盐罐连通。经co2压缩机排出的s-co2进入第一换热器中逐步升温变成高温高压s-co2，高温高压s-co2进入sio2存储罐内进行传导换热，换热后排出的s-co2进入回热器进行换热，达到预冷的目的，冷却后的s-co2进入冷却器进一步冷却，最后进入co2压缩机压缩，如此s-co2完成了整个循环。

7、进一步地，本发明还包括第一气轮机，第一气轮机与co2压缩机连接，第一气轮机与第二腔体连通。高温高压s-co2进入sio2存储罐内进行传导换热，换热后排出的s-co2还可以进入第一换热器的第二腔体中，可利用加热s-co2剩下的高温熔盐对排出的s-co2余气进行加热从而带动第一气轮机工作，运行的第一气轮机则带动co2压缩机进行工作，这可提高对能量的利用率。

8、进一步地，本发明的第一气轮机与第五腔体连通。从第一气轮机中排出的s-co2进入回热器进行换热，达到预冷的目的，冷却后的s-co2进入冷却器进一步冷却，最后进入co2压缩机。

9、进一步地，本发明的集热器为太阳能集热器。太阳能集热器可将太阳辐射能高效地转化为热能，使得储存的熔盐达到极高的温度，进而使得热量存储在sio2颗粒中，这可进一步提高对能量的利用率。具体地，可使用大面积的聚光镜将太阳辐射聚焦于集热器上，集热器内部通过传热介质吸收太阳能，进而使得熔盐被加热达到极高的温度。

10、进一步地，本发明的集热器为废热换热器。废热换热器也称为余热回收换热器或废热回收器，废热换热器可高效回收并利用原本废弃的热能，进而将废热存储在sio2存储罐中，这也可进一步提高对能量的利用率。

11、为实现以上目的，本发明第二方面提供了一种基于s-co2循环的sio2储热换热发电系统，包括上述提及的基于s-co2循环的sio2储热换热装置，还包括与第四腔体连接的气轮发电机组。

12、进一步地，本发明的气轮发电机组包括依次连接的第二换热器、第二气轮机、发电机，第二换热器与第四腔体连通。当电力需求增加时，sio2存储罐中的sio2会释放储存的热能，通过第二换热器，将热能传递给工作流体(如空气、水)，从而带动第二气轮机工作，运行的第二气轮机则带动发电机产生电能，满足电网的需求。