基于布雷顿循环的碟式太阳能发电系统热性能研究

刘德利， 王 军， 徐志成

(东南大学 能源与环境学院， 南京 210096)

在20世纪90年代，诸多学者对太阳能与布雷顿循环相结合的发电系统开展研究[1]。太阳能与布雷顿循环系统通常采用塔式或者碟式集热系统，与槽式系统相比，塔式和碟式系统能够将空气加热到更高的温度。对于70 kW塔式太阳能热发电系统，其建设装置昂贵，尤其是定日镜场中每块镜面所需的跟踪定位机构。定日镜围绕一个高塔按一定规律排列，具有各自的焦距，为保证聚焦质量，定日镜表面是具有微弧度的曲面，由于位置不同，定日镜也不同，因此定日镜无法实现标准化、规模化生产，增加了成本，定日镜的投资接近整个系统投资的50%。为降低成本，笔者将70 kW塔式电站改造为碟式电站，选择三种循环方案对系统进行热性能研究[2-4]。

1 循环方案

1.1 方案一

方案一为简单循环，系统不带有回热器，不利用太阳能，仅采用燃气发电。系统原理见图1。

图1 简单循环系统原理图

1.2 方案二

方案二为回热循环，系统加入回热器，不使用太阳能热量，仅采用燃气发电。系统原理见图2。

图2 带回热器的系统原理图

1.3 方案三

方案三为燃气与太阳能联合循环，系统采用回热器，并使太阳能与燃气联合循环。系统原理图和T-S图[5]分别见图3、图4，整个循环过程中空气的状态变化可表示为：进入压气机状态点为1，从压力机出来可达到的理想状态点为2s，实际状态点为2，从回热器出来状态点为2′，由碟式太阳能接收器加热后为状态点2″，从燃烧室出来状态点为3，燃烧室中空气和燃料混合燃烧，变成高温烟气，从燃气轮机内出来理想状态点为4s，实际可达到点为4，为充分利用从燃气轮机内出来的气体热量，经由换热器对压气机里出来的空气进行预热，换热后状态点为4′，排入大气后恢复到状态点1。

图3 基于布雷顿循环的碟式太阳能热发电系统原理图

图4 基于布雷顿循环的碟式太阳能热发电系统T-S图

2 燃气轮机选型

对三种方案计算时，需要对燃气轮机进行选型，其主要参数见表1[6]：ISO基本功率Pgt为70 kW，压气比π为3.3，燃气轮机(理论)排气温度t4s*为650 ℃。ISO基本功率是指在国际标准化委员会所规定的环境条件[环境温度ta(或t1*)为15 ℃，环境压力pa(或p1*)为0.101 3 MPa]下，燃气轮机连续运行所能达到的功率。由于天然气具有绿色环保、经济实惠、安全可靠等优点，该燃气轮机中燃料选取天然气，其低位发热量为35 990 kJ/kg。

表1 燃气轮机参数

实际循环过程中，需考虑一些主要的影响因素[7]，压气机的等熵效率ηc取0.88，透平的等熵效率ηT取0.90，燃烧室效率ηB取0.9。工质流过压气机进入气道、燃烧室和透平排气道时都会产生一定的压力损失，工程中通常采用压损率ε来表示各处压力损失的大小，进气道的压损率εC取0.015，燃烧室的压损率εB取0.04，排气道的压损率εT取0.04，空气的比定压热容cpa=1.005 kJ/(kg·K),空气的等熵过程指数ka取1.4，燃气比定压热容cp=1.15 kJ/(kg·K)，燃气的等熵过程指数kg取1.33。

3 热力计算与分析

分别对三种方案进行计算[8]，计算结果见表2。

表2 热效率计算结果

由方案二和方案一对比分析得到：方案二中回热器的引入可提高燃气轮机效率，笔者所用的70 kW微型燃气轮机自身效率很高，结构紧凑，使得机组体积增加不多且回热效果好，迎合市场走向[9]，方案二较方案一优良。

方案三中，太阳能的引入，使得燃烧室进口空气温度升高，系统热效率提高，燃气耗量减少。由于t2″为变化量，且燃气轮机初温为939 ℃，因此t2″不能大于939 ℃。假设回热器出口的温度为327 ℃，以20 K为间隔，t2″可以在600～920 ℃内进行取值，分别对系统热效率和成本进行计算(见表3)。

表3 成本计算结果

系统效率从22.23%提高到44.06%，燃气成本由15万元/a降低到0.86万元/a，集热器成本为初投资，由52.79万元增加到114.67万元。随着运行时间的增长，节约的燃气成本可在一定时间内回收集热器投资成本。

4 结语

笔者设计的基于布雷顿的碟式太阳能发电系统采用太阳能-燃气联合循环，减少了对太阳能的依赖和机组的频繁启停，全面提高了机组发电效率。燃气轮机组的引入降低了对太阳能集热系统产生高温蒸汽的要求，电站不需要储热系统，降低了电站成本，即使初投资中集热器成本较大，但随着系统运行时间的增加，所占总成本比例越来越小，在一定时间内将收回成本，具有经济优势。