用于超临界CO2动力循环的多级串联涡轮发电机系统的制作方法

用于超临界co2动力循环的多级串联涡轮发电机系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年9月4日提交的、名称为“用于超临界co2动力循环的多级串联涡轮发电机设计”、申请号为63/074,766的美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请在此通过引用并入本文以用于所有目的。
技术领域
3.本发明总体上涉及一种利用二氧化碳的太阳能发电站。具体地，本发明涉及一种用于超临界co2(sco2)发电块的多级涡轮发电机设计。


背景技术：

4.许多形式的发电站都依赖包括涡轮机、发电机和压缩机的涡轮机械。基于涡轮机械的发电站效率高、可靠性高，需要的维护少并且费用低。然而，涡轮机不能有效地扩展到更小的尺寸。较小的发电应用所需的较低的质量流量导致低比转速，这使得旋转的涡轮机械与较大的对应部件相比不能达到高效率。在功率输出范围为2至25mwe和高达50mwe的较小尺寸，特别是超临界co2发电块，涡轮机械的机械组件的最佳设计—涡轮机和压缩机—倾向于以10,000rpm至125,000rpm的转速运行，以适应合理的尖端速度、可制造的叶片高度和尖端间隙。这对实现整个动力循环的所需性能至关重要。
5.另一方面，电机往往在速度和功率输出方面受到限制。这类电机通常包括永磁电机，即马达和发电机。以15,000rpm至45,000rpm操作的永磁电机可以很好地扩展到1mwe、2mwe或3mwe。然而，超过这个功率输出范围，高速操作的设计变得非常具有挑战性，而且是亚线性的扩展。可以部署附加的联轴器和轴承，这增加了生产成本和设计的复杂性。同样，可以采用齿轮箱将电机速度与机器速度匹配，但这需要轴端密封来保持超临界co2与齿轮箱中使用的润滑油分离，这导致非封闭设计，在该非封闭设计中co2从系统中泄漏，需要补充。因此，齿轮箱增加了轴端密封的复杂性，也增加了泄漏的风险。因此，需要一种技术来将电机的操作速度与涡轮机械的机械组件相匹配，而没有不适当的复杂性或泄漏。


技术实现要素：

6.根据本公开的一方面，提供一种用于超临界co2(sco2)发电块的高效、多级、涡轮发电机设计。每级在其轴上以其最佳速度单独操作实现了涡轮机级的高效航空热设计。涡轮发电机的设计适合于更简单的桶型或其它低成本的外壳设计和简单、低成本的转子制造工艺。另外，这些单级涡轮机叶轮可以悬挂在轴上，不需要联轴器或附加的轴承。高工作流体(co2)密度、在这些高操作速度下紧凑的轮子尺寸以及在机壳端部容纳相当大的过渡管道的能力的结合，使得每级管道间的压降非常低，每级小于1bar。
7.根据本公开的另一方面，提供一种超临界co2系统，其包括多个涡轮发电机单元、直流母线(direct current bus)、多个有源整流器和电压控制器。多个涡轮发电机单元中的每一个包括：涡轮机，具有超临界co2输入和超临界co2输出；发电机，具有电力输入和电
力输出；轴，连接涡轮机和发电机；以及速度传感器，用于确定相关的轴的速度。多个涡轮发电机单元以级联串联的形式连接，第一涡轮发电机单元的输入连接到加热的超临界co2源。第二涡轮发电机单元的输入连接到第一涡轮发电机单元的输出。第三涡轮发电机单元的输入连接到第二涡轮发电机单元的输出。
8.多个有源整流器中的每一个将发电机的电力输出转换为直流，然后直流母线组合来自多个有源整流器的电力。
9.电压控制器被配置为在启动和操作期间，监测多个涡轮发电机单元中的每一个的速度，并改变每个发电机上的负载或电力输入，从而控制轴速度。
10.在一个实施例中，存在可操作地串联的两个或三个涡轮发电机单元，尽管还可以采用更多个涡轮发电机单元。多个涡轮发电机单元中的每一个中的发电机可以采取永磁体机、感应机或绕组机的形式。涡轮发电机单元中的一个或多个可以包括安装在与相关涡轮机和发电机相同轴上的压缩机叶轮。轴的相对端上增加压缩机叶轮可以潜在地提供轴向推力平衡解决方案，以实现更容易的启动瞬态控制。例如，多个涡轮发电机单元中的每一个的速度传感器可以包括旋转变压器、光电隔离器槽盘传感器、霍尔效应传感器或接近探头。
11.在一些实施例中，每个有源整流器包括被配置为控制发电机的速度的电力电子装置。电力电子装置可以包括绝缘门双极晶体管(igbt)、晶闸管或一些其它金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。而mosfet可以包括硅或碳化硅。联接到有源整流器的电压控制器可以被配置为生成用于电力电子装置的控制信号，以有效保持发电机/轴的旋转速度，从而使超临界co2系统的动力循环效率最大化或使超临界co2系统的总输出功率最大化。
附图说明
12.本发明在附图的图中以举例而非限制的方式示出，其中：
13.图1a是太阳能热电站的实施例的功能框图；
14.图1b是太阳能热电站的实施例的功能框图；
15.图2是级联式涡轮发电机系统的实施例的功能框图；
16.图3是多个涡轮发电机中的一个的实施例的功能框图；以及
17.图4是利用直流母线从多个发电机的实施例到电网的功率流(power flow)的功能框图。
具体实施方式
18.本文公开一种利用超临界co2布雷顿循环(supercritical co2brayton cycle)的太阳能发电站，该超临界co2布雷顿循环具有多级涡轮发电机系统。超临界co2循环的主要优势在于效率高——在温度明显较低(550℃/823k)但压力较高(20mpa/200个正常大气压)的情况下与气体布雷顿循环相当。超临界co2布雷顿循环可以以包括例如通常被称为“简单循环”、“再压缩循环”、“预冷循环”和其它布局的各种配置实现。
19.在一个实施例中，co2布雷顿循环包括用于超临界co2布雷顿循环的涡轮机械，即三个涡轮发电机单元以级联、多级布置方式操作地连接。在这种级联布置中，第一涡轮发电机单元的输出作为输入被提供给第二涡轮发电机单元，而第二涡轮发电机单元的输出作为输入被提供给第三涡轮发电机单元。虽然上述的co2布雷顿循环具有三个涡轮发电机单元，
但在其它实施例中，co2布雷顿循环还可以采用任意数量的涡轮发电机单元。
20.图1a中示出具有多个多级涡轮发电机单元的太阳能发电站。该发电站包括集中的太阳能源、采用再压缩循环布局的超临界co2(sco2)发电块和热能储存(tes)。太阳能源包括多个定日镜(heliostat)110和带有空腔接收器112的太阳能塔111。定日镜110全天跟踪太阳，并将太阳光引导至接收器112，在接收器112处吸收太阳光并获得热量。在一个实施例中，热能储存系统包括热层填料床tes 136，热层填料床tes 136例如包括岩石或砾石作为固体储热介质。在图1b的另一实施例中，tes系统可以由两个罐组成，其中一个罐填充有热颗粒，另一个填充有冷颗粒。在充填过程中，冷颗粒在接收器中被加热并转移到热罐中，而在排放过程中，颗粒从热罐流经冷罐，通过初级热交换器将热量转移到发电块中。颗粒可以采用例如沙子、砾石和/或岩石的形式。
21.超临界co2发电块包括初级热交换器114、涡轮压缩机116、具有级联涡轮发电机单元的多级涡轮发电机系统118、高温换热器(htr)120、低温换热器(ltr)122以及具有风扇128的空气或水冷却器126。涡轮压缩机116通过共同的轴(shaft)或轮轴(axle)刚性地贴在主压缩机(mc)130、再压缩机(rc)124和马达/发电机(m)134上。在替换实施例中，涡轮压缩机和再压缩机可以在单独的涡轮压缩机轴上。再压缩循环有多个旋转组件，包括涡轮机116、主压缩机130、再压缩器124和马达/发电机134。在理想情况下，，根据诸如质量流量、入口状态点(温度和压力)、叶片类型(轴向与径向)、几何形状(叶片高度、泄漏间隙等)和操作速度等参数，这些旋转机构的绝热和等熵过程以低于100％的等熵效率操作。
22.在操作中，来自定日镜110的阳光照射在接收器112上，该接收器112将空气或其它工作流体、颗粒或材料加热到大约800摄氏度。被加热的流体150被引导至热交换器114或热能储存器136。假设能量被利用而不是储存，则被加热的流体152被引导至热交换器114，在热交换器114处能量被转移到超临界co2，超临界co2在本文中被称为sco2。对于双罐tes系统，被加热的材料首先储存在热罐中，然后基于电力需求，通过热交换器114传递到冷罐，以加热sco2。
23.超临界co2 154作为输入被提供给涡轮压缩机116。在一个实施例中，涡轮压缩机116包括径向叶片，该径向叶片以径向流入的方式被输入。在其它实施例中，涡轮叶片是轴向的，涡轮入口是轴向的，这不失为一种通用方法。而涡轮压缩机116驱动轴117以及再压缩机124、主压缩机130和马达/发电机134的旋转。
24.在该实施例中，从涡轮压缩机116排出的sco2然后作为输入被提供到图2中详细示出的级联涡轮发电机单元118。在其它实施例中，超临界co2 154首先作为输入被提供给涡轮发电机118，然后输出导向涡轮压缩机的涡轮部116，从而颠倒这两个组件利用sco2驱动(power)的顺序。
25.从多级涡轮发电机系统118排出的co2 158然后被输送到高温换热器120，在进入初级热交换器114之前，热量在高温换热器120处提取并用于预热co2。而从高温换热器120排出的co2160被转移到低温换热器122，然后co2 162被转移到(i)带有风扇128的冷却器126以及(ii)再压缩器124。冷却器126输出的co2 164被转移到主压缩机130。在一个实施例中，大约38％的co2 162被引导到再压缩机124，而62％的co2 162被引导到主压缩机130。
26.由涡轮压缩机涡轮116驱动的主压缩机130将sco2 166的压力恢复到200bar至300bar之间。然后该sco2流166在低温换热器122中被预热。类似地，再压缩机124也恢复
sco2流170的压力。sco2流168和sco2流170合并为sco2流172，并由高温换热器120再次加热。超临界co2流174被再循环到涡轮压缩机116，并重复上述过程。
27.在上述配置中，从太阳获取的所有能量在获得时被用来发电。在一个实施例中，太阳能发电站被配置为还储存能量以用于例如在夜间发电的目的。在这种配置中，太阳能发电站被配置为将加热的空气或其它工作流体从空腔接收器112引导至热能储存装置136，优选热层填料床或类似的储存系统。在这种配置中，阀180被配置为将加热的空气150从初级热交换器114转移至热能储存装置136。空气在热量转移到热能储存装置136之后，经由具有马达134的鼓风机132被泵送回空腔接收器，在空腔接收器处再次被加热。在稍后的时间点，例如，当日落时，鼓风机132被用来通过热能储存装置136抽吸空气，并且在热能储存装置136处被加热的空气被初级热交换器114用来驱动上述的超临界co2发电块。
28.图2中示出本公开的超临界co2发电块中使用的多级、级联式涡轮发电机系统。级联式涡轮发电机系统118包括多个串联联接的单独的涡轮发电机单元。在一个实施例中，sco2发电块采用了三个或更多个涡轮发电机单元——即串联联接的第一涡轮发电机单元200a、第二涡轮发电机单元200b和第三涡轮发电机单元200c。
29.每个涡轮发电机单元200a至200c包括直接联接到彼此的涡轮机270a至270c和相应的发电机230a至230c、推力轴承210a至210c、磁轴颈轴承220a至220c和240a至240c、热管理系统250a至250c、混合面密封260a至260c、有源整流器290a至290c以及联接到发电机230a至230c中的每一个的发电机控制器280。在一些替代实施例中，轴承可以包括各种形式的磁性轴承和/或气体轴承。
30.第一涡轮发电机单元200a被配置为从涡轮压缩机116接收超临界co2 156。该sco2驱动第一涡轮机270a，而第一涡轮机270a驱动第一发电机230a发电。第一涡轮机270a的sco2输出272a然后作为输入被提供给第二涡轮机270b，以驱动第二发电机230b发电。然后，第二涡轮机270b的sco2输出272b作为输入被提供给第三涡轮机270c以驱动第三发电机230c发电。
31.在本实施例中，co2工作流体不与任何其它流体(例如，润滑油)接触或混合，但它确实通过轴封泄漏，例如，进入低压发电机空腔。然后利用外部压缩系统压缩这种co2工作流体，并将其加回超临界co2系统。
32.在本文描述的各种实施例中，每个涡轮发电机单元的涡轮机270a至270c和发电机230a至230c通过共同的轴彼此直接联接，即，刚性地联接。这种配置依靠的是1至2mwe和高达3mwe类型的高速电动发电机。该类型的发电机(1)实现了大于97％的整体转换效率，包括用于变频和调节的电力电子损失，(2)具有很高的成本效益，整套设备(包括磁性轴承包、电机密封和电力电子)的具体成本基础低于$200/kwe，(3)因为与油润滑的机器相比，其具有优越的性能和超低的维护成本，所以在石油和天然气工业(天然气压缩机站)、制冷和冷却(工业冷风机和冷却器)的所有现有应用中都是首选，以及(4)由几个具有性能保证和整合各种工艺气体和应用的能力的供应商制造。
33.涡轮发电机单元200a至200c经由自动电压控制器280以电子方式相互联接。在一个实施例中，控制器280联接到速度传感器并接收来自速度传感器的信号282——例如旋转变压器、光电隔离器槽盘传感器、霍尔效应传感器或接近探头——其确定每个发电机230a至230c中的轴的速度。控制器280还联接到多个有源整流器290a至290c中的每一个，每个整
流器被配置为调节相关发电机230a至230c的速度。特别地，电压控制器280被配置为提供命令信号284，以限制每个整流器290a至290c的功率输出，而这又限制每个发电机230a至230c的转速。例如，在系统启动期间，控制器280被配置为调节发电机230a至230c的速度，并迫使它们以相同的速度或确定的速度旋转，从而优化总功率输出。这有效地平衡了发电机的系统以及发电机之间的co2流。
34.多个有源整流器290a至290c也被配置为从多个发电机230a至230c中的每一个接收高压交流电(ac)形式的电力286。多个有源整流器290a至290c然后将ac电转换成直流电(dc)。然后，来自多个有源整流器290a至290c的dc电力288被传输到直流母线292，该直流母线292被配置为将来自多个有源整流器的电流组合。来自直流母线292的电力经过调节，然后经由电网460被分配给住宅、商业和工业客户(图4)。
35.在一个实施例中，涡轮机械的机械组件，即涡轮机和压缩机的最佳设计可以在高转速(10,000rpm至125,000rpm)下运行，以适应合理的(1)尖端速度，(2)可制造的叶片高度，以及(3)尖端间隙。在涡轮机械设计中，这种设计参数的组合有利于从整个动力循环中实现所需的性能。另一方面，电机在速度和功率输出的可能组合方面往往受到限制。正如该应用所要求的，可以达到95％或更高的电力转换效率的高速电机(10,000rpm至125,000rpm)是永磁电机(马达和发电机)。永磁电机在高速操作时(10,000rpm至45,000rpm)很好地扩展到1mwe、2mwe或3mwe，但超过这个功率输出范围，设计就变得非常具有挑战性，并且是亚线性的扩展。以前采用齿轮箱来匹配机器的速度，但这导致了对轴端密封的要求，以保持sco2和齿轮箱中使用的润滑油的分离。轴端密封的复杂性和泄漏是这种设计的不理想的后果。
36.与本文公开的实施例相反，现有技术系统可以使用单一的涡轮发电机机器。然而，在2至25mwe范围内和高达50mwe的小规模发电中，这导致涡轮机的压力比太小，以至于无法适应高效操作的整体动力循环要求。在这些低质量流量下，在一种配置中，叶片高度相对于尖端间隙来说通常是比较小的，这导致严重的密封泄漏，从而使这种设计无法实现高热转换效率。
37.图3中示出根据另一实施例的多个涡轮发电机单元200a至200c中的一个200a的功能框图。涡轮发电机单元200a包括扩散器310、具有径向或轴向输入的涡轮机312、刚性地贴在涡轮机312上的驱动轴314、第一轴承316、作用于贴在轴314上的推力板320的第一高压co2推力轴承318、第一高压密封322、旋转变压器324、带有用冷co2 354、356冷却的内腔328的发电机326、第二高压密封330、作用在贴在轴314的推力板334上的第二高压co2推力轴承332、第二轴承336和转速传感器327。第一轴承316被注入高压co2 350、352，而第二轴承336被注入高压co2 358、360。在替换实施例中，可以采用一个或多个磁性轴承来代替高压co2轴承。
38.在本实施例中，第一高压密封322和第二高压密封330被配置为形成包含旋转变压器324和发电机326的低压区域。
39.图4中示出直流母线410的功能框图，其示出了从多个发电机230a至230c到电网460的功率流。每个发电机230a至230c将输出功率286a至286c馈送至相应的有源整流器290a至290c，有源整流器290a至290c利用金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)而不是标准二极管将高压交流电(ac)转换为直流电(dc)，以减少通态电阻并因此提高转换效率。
每个发电机230a至230c内的速度传感器(未示出)连接到自动电压控制器280，自动电压控制器280向有源整流器290a至290c发送命令信号以调制内部mosfets的开关频率，从而调节发电机上的负载并因此调节每个发电机的速度。
40.电压控制器280被配置为强制或以其它方式约束多个涡轮发电机轴314以同步速度操作而不在同一轴上，以便简化整体循环控制并消除对每个涡轮机上的节流阀和旁路阀的需求。每个轴314的速度可以被同步以按照相同的速度旋转，或者轴的速度在预先确定的方式或预先确定的差异方面有所不同，同时以同步的方式提高和降低速度，以便在循环操作期间产生尽可能高的功率、效率或保持一些其它操作目标。每个有源整流器290a至290c进一步连接到平滑电容器组430a至430c与电子负载控制器440a至440c，其将电力传送到保护继电器454、逆变器456并最终传送到市政电网460，或者当发电块未连接到电网460或与之同步时，电子负载控制器440a至440c将电力传送到超速电阻器组442。
41.如图所示，功能框图进一步包括可编程序逻辑控制器420、无源整流器450、电池组452、保护继电器454、逆变器456和电阻器组442。可编程逻辑控制器(plc)420被配置为从有源整流器290a至290c和电容器组430a至430c接收频率和波形输入，并针对频率和波形调节控制有源整流器。plc还确定如果例如电网460互连丢失，是否切换关闭继电器454。
42.无源整流器450被配置为将电网交流电(ac)转换为dc电压，供plc 420消耗。电池组452用于在瞬时和动态电力事件的情况下提供缓冲(buffer)。逆变器456被配置为将正在产生的dc电流转换成提供给电网460互连的ac电流。电阻器组442用于在如果且当失去电网互连或发生其它动态事件时为发电机提供负载(电网负载)。保护继电器454被配置为如果电网互连(电网负载)失效(有时被称为“负载丢失”)，则将从发电机输出的电力转移到电阻器组而不是电网460。
43.其它实施例
44.在本公开的实施例中，一种超临界co2系统可以符合以下任意条款：
45.条款1：一种超临界co2系统包括：
46.多个涡轮发电机单元，包括第一涡轮发电机单元，多个涡轮发电机单元中的每一个包括：
47.a)具有超临界co2输入和超临界co2输出的涡轮机；
48.b)具有电力输入和电力输出的发电机；
49.c)连接涡轮机和发电机的轴；以及
50.d)用于确定相关轴的速度的速度传感器；
51.其中，第一涡轮发电机单元的输入被配置为从热源接收超临界co2，而一个或多个附加涡轮发电机单元中的每一个的超临界co2输入联接到第一涡轮发电机单元或附加涡轮发电机单元中的一个的超临界co2输出；其中，多个涡轮发电机单元的特征在于涡轮发电机的串联级联；
52.直流母线；
53.多个有源整流器，每个有源整流器包括电力输入和电力输出；其中每个有源整流器的电力输入连接到多个涡轮发电机单元中的一个的发电机的电力输出；并且其中，每个有源整流器的电力输出连接到直流母线，直流母线被配置为组合来自多个有源整流器的电力；以及
54.电压控制器，被配置为从多个涡轮发电机单元中的每一个的速度传感器接收速度，并进一步被配置为向多个有源整流器输出控制信号；其中，电压控制器被配置为监测每个发电机轴的速度，并命令每个整流器改变电力电子开关频率，以增加或减少每个发电机上的负载，从而控制轴速度。
55.条款2：根据条款1所述的超临界co2系统，其中，串联的涡轮发电机单元的数量为三个。
56.条款3：根据条款1所述的超临界co2系统，其中，串联的涡轮发电机单元的数量为两个。
57.条款4：根据前述任一条款所述的超临界co2系统，其中，多个涡轮发电机单元中的每一个的发电机包括永磁体、感应机或绕组。
58.条款5：根据前述任一条款所述的超临界co2系统，其中，一个或多个涡轮发电机单元包括安装在与相关涡轮机和发电机相同轴上的压缩机叶轮。
59.条款6：根据前述任一条款所述的超临界co2系统，其中，多个涡轮发电机单元中的每一个的速度传感器包括旋转变压器、光电隔离器槽盘传感器、霍尔效应传感器或接近探头。
60.条款7：根据前述任一条款所述的超临界co2系统，其中，多个涡轮发电机单元中的每一个的有源整流器包括带有绝缘门双极晶体管(igbt)、晶闸管或其它一些金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的电力电子装置。
61.条款8：根据条款7所述的超临界co2系统，其中，有源整流器mosfet包括硅或碳化硅。
62.条款9：根据前述任一条款所述的超临界co2系统，其中，电压控制器被配置为保持轴速以使动力循环效率最大化或使总输出功率最大化。
63.条款10：一种联接到热源的超临界co2系统，该超临界co2系统包括：
64.多个涡轮发电机单元，包括第一涡轮发电机单元、第二涡轮发电机单元和第三涡轮发电机单元，该多个涡轮发电机单元中的每一个包括：
65.a)具有超临界co2输入和超临界co2输出的涡轮机；
66.b)发电机；以及
67.c)连接涡轮机和发电机的轴；
68.其中，第一涡轮发电机单元的超临界co2输入被配置为从热源接收超临界co2；
69.其中，第二涡轮发电机单元的超临界co2输入联接到第一涡轮发电机单元的超临界co2输出；
70.其中，第三涡轮发电机单元的超临界co2输入联接到第二涡轮发电机单元的超临界co2输出；
71.多个有源整流器，每个有源整流器连接到多个涡轮发电机单元中的一个的一个发电机；并且其中，多个有源整流器被配置为将来自多个发电机的交流电转换成直流电；以及
72.电压控制器，被配置为向多个有源整流器输出控制信号，以改变每个发电机上的负载，从而控制每个发电机的旋转速度。
73.条款11：根据条款10所述的超临界co2系统，其中，一个或多个涡轮发电机单元包括安装在与相关涡轮机和发电机相同轴上的压缩机叶轮。
74.条款12：根据条款10至11中任一项所述的超临界co2系统，其中，电压控制器被配置为保持每个发电机的旋转速度以使动力循环效率最大化。
75.条款13：根据条款10至12中任一项所述的超临界co2系统，其中，电压控制器被配置为保持每个发电机的旋转速度以使整流器的总输出功率最大化。
76.条款14：一种联接到热源的超临界co2系统，该超临界co2系统包括：
77.多个涡轮发电机单元，包括第一涡轮发电机单元和第二涡轮发电机单元，该多个涡轮发电机单元中的每一个包括：
78.a)具有超临界co2输入和超临界co2输出的涡轮机；
79.b)发电机；以及
80.c)连接涡轮机和发电机的轴；
81.其中，第一涡轮发电机单元的超临界co2输入被配置为从热源接收超临界co2；并且
82.其中，第二涡轮发电机单元的超临界co2输入联接到第一涡轮发电机单元的超临界co2输出；
83.多个有源整流器，每个有源整流器连接到多个涡轮发电机单元中的一个的一个发电机；并且其中，多个有源整流器被配置为将来自多个发电机的交流电转换为直流电；以及
84.电压控制器，被配置为向多个有源整流器输出控制信号，以改变每个发电机上的负载，从而控制每个发电机的旋转速度。
85.条款15：根据条款14所述的超临界co2系统，其中，电压控制器被配置为保持每个发电机的旋转速度，以使动力循环效率最大化。
86.本文公开的一个或多个实施例可以通过一个或多个计算机可读介质实现，其中每个介质可被配置为在其上包括数据或用于操作数据的计算机可执行指令。计算机可执行指令包括可以由处理系统，例如与能够执行各种不同功能的通用计算机或处理器相关的处理系统或与能够执行有限数量功能的专用计算机相关的处理系统访问的数据结构、对象、程序、例程或其它程序模块。计算机可执行指令使处理系统执行特定的功能或一组功能，是用于实现本文所公开的方法的步骤的程序代码手段的示例。此外，可执行指令的特定序列提供可以用于实现此类步骤的相应行为的示例。计算机可读介质的示例包括随机存取存储器(“ram”)、只读存储器(“rom”)、可编程只读存储器(“prom”)、可擦除可编程只读存储器(“eprom”)、电可擦除可编程只读存储器(“eeprom”)、光盘只读存储器(“cd-rom”)或任何其它能够提供可以由处理系统访问的数据或可执行指令的装置或组件。例如，包含计算机可读介质的大容量存储装置的示例包括硬盘驱动器、磁盘驱动器、磁带驱动器、光盘驱动器和固态存储芯片。例如，本文所用的术语处理器是指一些处理装置，包括个人计算装置、移动电话、服务器、通用计算机、专用计算机、特定应用集成电路(asic)和具有分立组件的数字/模拟电子电路。
87.尽管上述描述包含许多规格，但这些不应被理解为限制本发明的范围，而只是提供本发明的一些目前优选的实施例的说明。
88.因此，本发明已通过举例而非限制的方式公开，并且应参考所附权利要求书来确定本发明的范围。

技术特征：
1.一种超临界co2系统，包括：多个涡轮发电机单元，包括第一涡轮发电机单元，所述多个涡轮发电机单元中的每一个包括：a)具有超临界co2输入和超临界co2输出的涡轮机；b)具有电力输入和电力输出的发电机；c)连接所述涡轮机和所述发电机的轴；以及d)用于确定相关的轴的速度的速度传感器；其中，所述第一涡轮发电机单元的输入从热源接收超临界co2，而一个或多个附加涡轮发电机单元中的每一个的超临界co2输入联接到所述第一涡轮发电机单元或所述附加涡轮发电机单元中的一个的超临界co2输出；所述多个涡轮发电机单元的特征在于涡轮发电机的串联级联；直流母线；多个有源整流器，每个有源整流器包括电力输入和电力输出；每个有源整流器的电力输入连接到所述多个涡轮发电机单元中的一个的发电机的电力输出；并且每个有源整流器的电力输出连接到所述直流母线，所述直流母线组合来自所述多个有源整流器的电力；以及电压控制器，从所述多个涡轮发电机单元中的每一个的速度传感器接收速度，并进一步向所述多个有源整流器输出控制信号；所述电压控制器监测每个发电机轴的速度，并命令每个整流器改变电力电子开关频率，以增加或减少所述每个发电机上的负载，从而控制轴速度。2.根据权利要求1所述的超临界co2系统，其中，串联的涡轮发电机单元的数量为三个。3.根据权利要求1所述的超临界co2系统，其中，串联的涡轮发电机单元的数量为两个。4.根据权利要求1所述的超临界co2系统，其中，所述多个涡轮发电机单元中的每一个的发电机包括永磁体、感应机或绕组。5.根据权利要求1所述的超临界co2系统，其中，所述一个或多个涡轮发电机单元包括安装在与相关涡轮机和发电机相同轴上的压缩机叶轮。6.根据权利要求1所述的超临界co2系统，其中，所述多个涡轮发电机单元中的每一个的速度传感器包括旋转变压器、光电隔离器槽盘传感器、霍尔效应传感器或接近探头。7.根据权利要求1所述的超临界co2系统，其中，所述多个涡轮发电机单元中的每一个的有源整流器包括带有绝缘门双极晶体管(igbt)、晶闸管或其它一些金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的电力电子装置。8.根据权利要求7所述的超临界co2系统，其中，所述有源整流器mosfet包括硅或碳化硅。9.根据权利要求1所述的超临界co2系统，其中，所述电压控制器保持轴的速度以使动力循环效率最大化或使总输出功率最大化。10.一种联接到热源的超临界co2系统，所述超临界co2系统包括：多个涡轮发电机单元，包括第一涡轮发电机单元、第二涡轮发电机单元和第三涡轮发电机单元，所述多个涡轮发电机单元中的每一个包括：a)具有超临界co2输入和超临界co2输出的涡轮机；
b)发电机；以及c)连接所述涡轮机和所述发电机的轴；其中，所述第一涡轮发电机单元的超临界co2输入从所述热源接收超临界co2；所述第二涡轮发电机单元的超临界co2输入联接到所述第一涡轮发电机单元的超临界co2输出；所述第三涡轮发电机单元的超临界co2输入联接到所述第二涡轮发电机单元的超临界co2输出；多个有源整流器，每个有源整流器连接到所述多个涡轮发电机单元中的一个涡轮发电机单元的一个发电机；并且所述多个有源整流器将来自多个多个发电机的交流电转换成直流电；以及电压控制器，向所述多个有源整流器输出控制信号，以改变每个发电机上的负载，从而控制所述每个发电机的旋转速度。11.根据权利要求10所述的超临界co2系统，其中，所述一个或多个涡轮发电机单元包括安装在与相关的涡轮机和发电机相同轴上的压缩机叶轮。12.根据权利要求11所述的超临界co2系统，其中，所述电压控制器保持所述每个发电机的旋转速度以使动力循环效率最大化。13.根据权利要求11所述的超临界co2系统，其中，所述电压控制器保持所述每个发电机的旋转速度以使所述整流器的总输出功率最大化。14.一种联接到热源的超临界co2系统，所述超临界co2系统包括：多个涡轮发电机单元，包括第一涡轮发电机单元和第二涡轮发电机单元，所述多个涡轮发电机单元中的每一个包括：a)具有超临界co2输入和超临界co2输出的涡轮机；b)发电机；以及c)连接所述涡轮机和所述发电机的轴；其中，所述第一涡轮发电机单元的超临界co2输入从所述热源接收超临界co2；并且所述第二涡轮发电机单元的超临界co2输入联接到所述第一涡轮发电机单元的超临界co2输出；多个有源整流器，每个有源整流器连接到所述多个涡轮发电机单元中的一个涡轮发电机单元的一个发电机；并且所述多个有源整流器将来自多个发电机的交流电转换为直流电；以及电压控制器，向所述多个有源整流器输出控制信号，以改变每个发电机上的负载，从而控制所述每个发电机的旋转速度。15.根据权利要求14所述的超临界co2系统，其中，所述电压控制器保持所述每个发电机的旋转速度，以使动力循环效率最大化。

技术总结
本公开提供一种超临界CO2涡轮发电机系统。该涡轮发电机系统包括：多个涡轮发电机单元(200A至200C)、直流母线(410)、多个有源整流器(290A至290C)和电压控制器(280)。多个涡轮发电机单元中的每一个包括：具有超临界CO2输入和超临界CO2输出的涡轮机(312)；具有电力输入和电力输出的发电机(326)；连接涡轮机和发电机的轴(314)；以及用于确定相关的轴的速度的速度传感器(327)。多个涡轮发电机单元以级联串联的形式连接，其中第一涡轮发电机单元(200A)的输入连接到加热的超临界CO2源。第二涡轮发电机单元(200B)的输入连接到第一涡轮发电机单元的输出。第三涡轮发电机单元(200C)的输入连接到第二涡轮发电机单元的输出。电压控制器(280)被配置为监测多个涡轮发电机单元中的每一个的速度传感器(327)，并改变每个发电机(230A至230C)上的负载，从而控制轴(314)的速度。然后，多个有源整流器(290A至290C)中的每一个将发电机(230A至230C)的电力输出转换为直流，然后直流母线组合来自多个有源整流器的电力。器的电力。器的电力。


技术研发人员：赤拉尼维
受保护的技术使用者：海丽晶控股有限公司
技术研发日：2021.09.03
技术公布日：2023/6/28