技术摘要：
本发明公开了一种布雷顿循环系统，包括布雷顿循环模块、碳粉储罐以及氧气储罐。布雷顿循环模块包括热源、燃烧腔、透平、发电机、回热器、预冷器以及压缩机，碳粉储罐、氧气储罐所提供的碳粉、氧气在燃烧腔内燃烧并生成循环工质，循环工质经加热后依次进入透平膨胀做功  全部
背景技术：
我国的能源结构长期维持以煤炭为主的状态，这导致能源短缺和环境污染等问题 日渐突出，已经成为制约我国社会经济可持续发展的两大问题，因此提倡优化能源结构，大 力发展太阳能等可再生能源是目前最具潜力的选择。相对于其他可再生能源，太阳能具有 丰富、便捷、安全、持续等较为突出的优点。对太阳能的利用，目前主要有光伏发电和光热发 电两种技术。相比于光伏发电，太阳能热发电技术用物理的方式进行光电转换，具有更节 能、环保、可控、长利用周期等优点，拥有良好的应用前景。当前太阳能热发电技术，其原理 为将太阳辐射聚集在点或线上获得大量高温热能，再通过热功转换装置，最终对外输出电 能。布雷顿循环(Brayton  Cycle)，亦称焦耳循环或气体制冷机循环，是以气体为工质的制 冷循环。其中，利用处于超临界状态的气体作为工质的布雷顿循环在效率方面有着明显的 优势，其利用超临界工质在拟临界区物性突变的现象，将压缩机运行点设置在拟临界温度 附近的大密度区域，将换热器的运行点设置在拟临界温度之后的低密度区，可以在保证工 质冷却的前提下，降低压缩耗功，实现较高的系统效率。 目前，布雷顿循环的运行温度可以达到1350℃以上，通过现有技术可以将透平中 叶片的温度冷却到950℃以下。布雷顿循环的系统效率与循环的热端温度(也即工质进入透 平的入口温度)呈正相关，因此提高布雷顿循环的热端温度是提高系统效率的主要方式之 一。因此，提高布雷顿循环的工质，有利于提高布雷顿的系统效率。
技术实现要素：
本发明针对上述技术问题而提出，目的在于提供一种布雷顿循环系统。本发明的 布雷顿循环系统采用了聚光加热与化石燃烧相结合的方式强化了循环工质的吸热能力，循 环工质能够达到更高的温度，进入布雷顿循环模块并在透平中膨胀做功的循环工质的温度 升高，也即布雷顿循环模块的热端温度升高，相应地，布雷顿循环模块的系统效率得到提 高。 具体来说，本发明提供了一种布雷顿循环系统，包括： 布雷顿循环模块，包括热源、燃烧腔、透平、发电机、回热器、预冷器以及压缩机，透 平、发电机以及压缩机由同一根轴联接，燃烧腔、透平、回热器的热侧进口和热侧出口、预冷 器、压缩机以及回热器的冷侧进口和冷侧出口通过管道依次相连并形成循环，管道内循环 流通有循环工质； 碳粉储罐，用于向燃烧腔提供碳粉； 氧气储罐，用于向燃烧腔提供氧气； 在预冷器和回热器之间的管道上还设置有射流放气口； 碳粉储罐、氧气储罐所提供的碳粉、氧气能够在燃烧腔内燃烧并生成循环工质，循 4 CN 111577419 A 说　明　书 2/9 页 环工质经热源加热后依次进入透平膨胀做功、经热侧进口进入回热器放热，循环工质在射 流放气口进行分流：一部分的循环工质依次进入预冷器预冷、经压缩机压缩，然后经冷侧进 口进入回热器；一部分的循环工质自射流放气口进入预冷器然后离开以排出系统，该部分 的循环工质利用射流冷却技术降低预冷器出口的循环工质的温度，离开回热器的所述循环 工质回到燃烧腔，从而形成一个循环的热回路； 循环工质进入透平膨胀做功，透平通过轴带动发电机发电，压缩机工作所需动力 由透平提供，从而形成一个发电循环。 相较于现有技术而言，本发明提供的布雷顿循环系统，循环工质的热量由三部分 组成：热源辐射所直接提供的热量、碳粉和氧气燃烧所释放的热量、黑色碳粉强烈吸收的热 源所辐射的热量。上述三种热量均能够转化为循环工质本身的内能，强化了循环工质的吸 热能力，使得循环工质能够达到更高的温度。因此，进入布雷顿循环模块并在透平中膨胀做 功的循环工质的温度升高，也即布雷顿循环模块的热端温度升高，相应地，布雷顿循环模块 的系统效率得到提高。 另外，作为优选，还包括碳粉提纯模块，碳粉提纯模块能够将碳基原料进行提纯并 得到纯净的碳粉，碳粉提纯模块提纯后得到的碳粉被输送至碳粉储罐。 根据该优选方案，碳粉提纯模块能够向燃烧腔源源不断地提供碳粉，碳粉的实时、 不间断地供应有利于布雷顿循环模块的循环、不间断地工作，从而有利于布雷顿循环模块 的稳定、不间断地输出电能。 进一步地，作为优选，碳粉提纯模块包括： 碱洗单元，利用碱液对碳基原料进行清洗； 酸洗单元，与碱洗单元相连，利用酸液对经碱洗单元处理后的碳基原料进行清洗； 中和单元，与酸洗单元相连，对经酸洗单元处理后的碳基原料进行清洗，得到碳 粉； 水洗过滤单元，与中和单元相连，对经中和单元处理后的碳粉进行水洗过滤； 干燥单元，与水洗过滤单元以及碳粉储罐相连，对经水洗过滤单元处理后的碳粉 进行干燥，并将干燥后的碳粉输送给碳粉储罐。 根据该优选方案，碳基原料依次经过碱洗、酸洗、中和清洗进行提纯，可以得到含 碳量95％以上的碳粉，碳粉提纯模块具有设备投资少、产品能量品位较高、工艺适应性强等 优点。 另外，作为优选，碱洗单元还与中和单元相连，中和单元能够直接对经碱洗单元处 理后的碳基原料进行中和清洗； 酸洗单元还与水洗过滤单元相连，水洗过滤单元能够直接对经酸洗单元处理后的 碳基原料进行水洗过滤； 中和单元还与水洗过滤单元逆向相连，中和单元能够对经水洗过滤单元处理后的 碳基原料进行中和清洗。。 根据该优选方案，能够根据碳基原料的实际情况选择对碳基原料进行不同形式的 清洗，清洗提纯工序灵活多变，有利于更加快速有效地得到碳粉，提高碳粉提纯模块的提纯 效率。 进一步地，作为优选，还包括空分模块，空分模块能够将空气中的各组分进行分离 5 CN 111577419 A 说　明　书 3/9 页 并得到纯净的氧气，经过空分模块分离后得到的氧气被输送至氧气储罐。 根据该优选方案，由空分模块直接提纯并提供氧气，并能够向燃烧腔源源不断地 提供氧气，氧气的实时、不间断供应有利于布雷顿循环模块的循环、不间断工作，有利于布 雷顿循环模块的稳定、不间断地输出电能。 另外，作为优选，碳粉储罐与燃烧腔之间设置有碳粉调节阀，用于调节碳粉储罐的 碳粉供给量；和/或 氧气储罐与燃烧腔之间设置有氧气调节阀，用于调节氧气储罐的氧气供给量。 根据该优选方案，能够根据实际情况，调节燃烧腔内的燃烧效率以及碳粉的辐射 吸热能力，以此来平衡太阳能不稳定波动导致的热端功率变化，从而提供稳定的布雷顿循 环系统的热端温度。 另外，作为优选，燃烧腔包括主燃烧腔和补充燃烧腔，主燃烧腔、补充燃烧腔均能 够接收碳粉储罐、氧气储罐所提供的碳粉和氧气。 透平包括高压透平和低压透平，高压透平、低压透平通过轴相联，自主燃烧腔出来 的循环工质依次地进入高压透平膨胀做功、进入补充燃烧腔补充加热、进入低压透平膨胀 做功，然后离开低压透平，高压透平、低压透平均通过轴带动发电机发电。 回热器包括高温回热器和低温回热器，离开低压透平后的循环工质依次流经高温 回热器、低温回热器放热。 压缩机包括主压缩机和再压缩机，预冷器位于主压缩机和低温回热器之间，与低 温回热器的热侧出口相连的管道上具有分流冷却口，循环工质在分流冷却口进行分流：一 部分的循环工质经再压缩机压缩后、进入高温回热器，一部分的循环工质依次进入预冷器 预冷、经主压缩机压缩、进入低温回热器预热，然后进入高温回热器。 自高温回热器的冷侧出口离开的循环工质回到主燃烧腔内。 根据该优选方案，主燃烧腔、补充燃烧腔能够强化对循环工质的温度提升，同时， 分别从主燃烧腔、补充燃烧腔出来的循环工质分别进入高压透平、低压透平做功，提高发电 机的发电效率，提高布雷顿循环模块的光电转化效率。主压缩机、再压缩机能够通过多消耗 一部分压缩功，大幅减小回热过程中的不可逆损失，布雷顿循环模块的系统效率得以明显 提升。 另外，作为优选，射流放气口位于冷却分流口和低温回热器之间。 根据该优选方案，将过量的循环工质导入预冷器并通过射流冷却技术冷却预冷器 出口的循环工质的温度，提高预冷器的冷却效果。 另外，作为优选，透平包括具有冷却工质进口以及冷却工质射流口的叶片，叶片设 置为内部中空的腔体，冷却工质射流口开设于叶片的表面，冷却工质射流能够通过冷却工 质进口进入叶片进行冷却，叶片的表面设置有光谱转化涂层，进入叶片内的冷却工质射流 还能够通过冷却工质射流口流出并在光谱转化涂层的表面形成为冷却工质射流隔膜层； 光谱转化涂层能够将叶片表面的热量转化为转化特征波段辐射，转化特征波段辐 射是冷却工质的冷却工质特征波段辐射邻近的辐射能； 离开透平的冷却工质在回热器冷凝，然后排出系统。 根据该优选方案，循环工质的温度高于透平的叶片的温度，循环工质会将部分热 量通过热传导和热辐射的形式传至叶片，但是，循环工质传至叶片表面的热量会被光谱转 6 CN 111577419 A 说　明　书 4/9 页 化涂层转化为转化特征波段辐射，转化特征波段辐射与冷却工质的冷却工质特征波段辐射 邻近，易于被冷却工质射流强烈吸收后带走，减少循环工质对叶片表面的热辐射，强化叶片 的冷却。本发明能够采用特征光谱涂层技术强化对叶片的冷却，保证叶片的安全，并在叶片 材料所允许的范围内尽可能地提高循环工质的温度，提高循环工质的温度也即提高透平的 做功温度、提高布雷顿循环模块的热端温度，从而相应地提高了布雷顿循环模块的系统效 率。 另外，作为优选，转化特征波段辐射的特征吸收峰的中心波长与冷却工质特征波 段辐射的特征吸收峰的中心波长相同，转化特征波段辐射的谱线宽度远小于冷却工质特征 波段辐射的谱线宽度； 转化特征波段辐射不与在透平内流动的循环工质的循环工质特征波段辐射有所 重合。 根据该优选方案，光谱转化涂层转化的转化特征波段辐射更多地集中于冷却工质 特征波段辐射的特征吸收峰邻近较窄的波长范围内，冷却工质射流隔膜层对转化特征波段 辐射的吸收效率最高，导致光谱转化涂层对叶片的冷却效果较佳。相应地，循环工质的温度 能够得到较大的提高，进一步提高布雷顿循环模块的系统效率。 附图说明 图1是本发明实施方式一的布雷顿循环系统的示意图； 图2是本发明实施方式一中碳粉提纯模块的流程示意图； 图3是本发明透平内部的简单结构示意图； 图4是本发明实施方式一中叶片强化冷却的结构示意图； 图5是本发明中转化特征波段辐射与水蒸气、二氧化碳的特征波段辐射的关系示 意图； 图6是本发明实施方式一中循环工质与叶片之间的热传递示意图； 图7是本发明实施方式二的布雷顿循环系统的示意图。 附图标记说明： 10、布雷顿循环模块；1、燃烧腔；2、透平；3、回热器；31、3a1、3b1、热侧进口；32、 3a2、3b2、热侧出口；33、3a3、3b3、冷侧进口；34、3a4、3b4、冷侧出口；4、预冷器；41、射流放气 口；42、分流冷却口；5、压缩机；6、发电机；7、轴；8、循环工质；9、热源；20、碳粉提纯模块；21、 碳基原料；22、碱洗单元；23、酸洗单元；24、中和单元；25、水洗过滤单元；26、干燥单元；27、 清水单元；201、碳粉储罐；202、碳粉调节阀；30、空分模块；301、氧气储罐；302、氧气调节阀； 12、叶片；12a、冷却工质进口；12b、冷却工质射流口；13、冷却工质射流隔膜层；14、光谱转化 涂层；15、中间基层；16、旋转元件；A、转化特征波段辐射；B、冷却工质特征波段辐射；C、循环 工质特征波段辐射；1a、主燃烧腔；1b、补充燃烧腔；2a、高压透平；2b、低压透平；3a、高温回 热器；3b、低温回热器；5a、再压缩机；5b、主压缩机。