一种温控加热型太阳能燃气联合循环发电系统及其方法

能源与环境密切相关，是社会经济发展的重要战略保障。我国是世界上最大的能源生产消费国，环境污染、温室效应和化石能源短缺三大问题亟待解决。发展先进的供能系统是缓解能源与环境问题、落实我国节能减排战略的重大需求，与能源结构清洁化转型息息相关。太阳能燃气联合循环（ISCC）基于“温度对口，梯度利用”原则，是一种先进可靠的供能系统。ISCC系统中太阳能作为辅助热源加热给水，实现了能源互补，克服了单独太阳能热发电系统负荷变动大、需要大规模蓄热装置的缺陷，大大提升了太阳能的利用效率，减少了污染物排放。

创新点

为了增加变负荷下太阳能集热器出口蒸汽产量，提出从过热蒸汽管道或汽轮机中抽汽加热太阳能集热器进口水的方法，以达到最佳的蒸汽产量，提升联合循环的能量利用率且成本低。根据太阳辐射的强弱和排烟温度自动调整进入太阳能集热器的进水比例和过热蒸汽管道或汽轮机的抽汽量，保证太阳能集热器进口水温度达到其设计接近点温差对应的温度值，实现对能量的梯级互补和综合利用，提高太阳能联合循环系统的运行效率。

市场前景

中国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。根据国家能源局统计，截至2021年底，全国风电装机容量约3.3亿千瓦，太阳能发电装机容量约3.1亿千瓦。到2030年，风电和太阳能发电的总装机容量将达到12亿千瓦以上，且风电与太阳能发电的装机容量占比还要提高。但风电和太阳能发电严重受限于天气、季节、风力等自然气象条件。

太阳能与化石能源互补利用有利于加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系。然而燃煤电站灵活调峰能力尚且不足，现阶段燃气蒸汽联合循环系统以燃气轮机实现化石能向热能的转换，响应速度远快于燃煤锅炉。且集成太阳能集热器构建ISCC系统实现能源互补的技术比较成熟，作为太阳能利用的可靠方式受到了广泛关注。

本团队成果适用于槽式太阳能集热器与燃气蒸汽联合循环集成，可优化机组变负荷与太阳能辐射波动过程中的能量匹配规律，低成本实现多热源梯级利用，允许系统集成更大太阳能面积促进可再生能源利用，逐步推进双碳目标。

获奖情况

2021年12月大学生创新创业训练计划项目：基于温控的复杂热力系统优化北京市优秀。

该成果主要应用于槽式太阳能集热器与燃气蒸汽联合循环系统组成的太阳能燃气联合循环系统。适用于变负荷下槽式太阳能集热器集成燃气蒸汽联合循环系统的多热源匹配利用，可实现低成本的联合循环系统效率提升并允许系统进一步增加太阳能集热场集成面积。

ISCC系统作为太阳能与化石能源系统互补利用方式，对实现“双碳”目标具有非常意义。但受限于排烟温度，集成太阳能集热场面积过大会造成太阳能净发电效率显著下降。本团队成果可允许更多太阳能接入，低成本显著提高太阳能利用效率，为可再生能源逐步替代传统火电提供思路。

采用太阳能集热场进口水加热方法的情况下ISCC系统变工况运行时循环总功率、循环热效率及太阳能净发电效率具有优势。

1、在设计太阳能集成规模下，通过增设太阳能集热场进口水加热器，燃气轮机在100%、75%、50%、30%负荷运行时，ISCC系统的输出功率分别增加0、0.129、0.241、0.240MW，循环热效率分别增加0、0.033%、0.071%、0.083%，太阳能净发电效率分别增加0、0.191%、0.357%、0.355%。

2、在太阳能辐射强度从设计值600W/m2增至800W/m2的情况下，通过增设进口水加热器，燃气轮机在100%、75%、50%、30%负荷运行时，ISCC系统输出功率分别增加0.109、0.358、0.478、0.477MW，循环热效率分别增加0.022%、0.083%、0.127%、0.147%，太阳能净发电效率分别增加0.121%、0.397%、0.530%、0.529%。

3、在环境温度从15℃升至35℃的情况下，通过增设进口水加热器，燃气轮机在100%、75%、50%、30%负荷运行时，ISCC系统输出功率分别增加0.011、0.209、0.252、0.291MW，循环热效率分别增加0.002%、0.053%、0.074%、0.101%，太阳能净发电效率分别增加0.016%、0.309%、0.373%、0.431%。