CN102787981A - 太阳能储能发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能储能发电系统，其包括太阳能光伏发电装置、空气压缩机、集热储能装置、热气流风道装置以及设置在热气流风道内的风力发电装置。其中太阳能光伏发电装置发出的电力用于空气压缩机工作形成压缩气体并输入集热储能装置形成高压加热的空气，并在热气流风道内利用烟囱效应提高风速，利用上述风推动设置于热气流风道内上方的风力发电装置发电。本发明综合利用太阳能形成的压缩空气能(风能)和热能，产生的人工风稳定可控并且携带的能力密度大，可保证发电装置稳定运行，提高发电效率。而且本发明的系统还兼具储能的特点，可以将存储的空气能和热能存放到夜间以供发电使用。

Description

太阳能储能发电系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电系统，更具体的说，本发明涉及一种利用太阳能产生的热能和空气能的综合发电系统，该系统还兼有储能的特点。
背景技术
随着人口增加和经济发展，人类对能源的消费需求越来越大，煤炭、石油、天然气等常规、一次能源不仅储量有限而且不可再生，可再生能源的开发与利用日益重要。目前大规模发展的可再生清洁能源包括太阳能、风能、生物质能等，照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源；而且太阳能发电干净，不产生公害。
采用太阳能发电主要有以下两种方式：
第一种方法是光电转换：利用光伏电池发电，发电效率可达10-15％左右，但是目前技术条件下光伏电池发电由于电池材料价格昂贵、发电效率不高，与传统的火电、水电和核电相比不具有经济上的优势。太阳能光伏发电技术的原理是利用太阳能光伏电池板把吸收到的太阳辐射转化为直流电能输出。尽管目前太阳能光伏发电技术在国内外已经得到了非常广泛的应用，但是，光伏电池的价格、发电效率和对太阳光光强的高要求也严重制约了太阳能光伏发电的发展，并且短期内难以有较大的突破。另外，对薄膜太阳能电池的研究开始于20世纪80年代，其大部分都采用硅作为基体材料，它是将多层的不同导电类型的多晶硅薄膜或非晶硅薄膜沉积起来，以达到增加太阳能光电转化效率的效果，其光电转换效率一般稳定在11％-13％。薄膜型太阳电池技术具有可吸收散射光、可挠性与可制作大面积太阳电池等特性，特别是与结晶硅型太阳电池相比，其所消耗的材料成本更为经济，但是与传统的火电、水电和核电相比仍然不具有经济上的优势，而且光伏发电多余电力的存储问题也是亟待解决和突破的难题。
第二种方法是光热转换发电：例如把太阳光聚焦转换为550℃左右的高温热能，用于加热热机工质，再由热机将热能转化为机械能，最后由发电机发电完成机电能量转换。高温太阳能热发电的循环通常采用斯特林循环，其装置是外燃式斯特林发动机。目前斯特林发动机有一些技术问题需要进一步解决，如膨胀室、压缩室、加热器、冷却室、再生器等的成本高，热量损失是内燃发动机的2-3倍等，不能批量生产等。又如，利用太阳能集热器，获得150℃以上的中温太阳能，利用朗肯循环发电。
利用地理和地形条件形成的风场进行风能发电的技术得到了开发和应用，不足之处是风能的日变化和季节变化剧烈，以及风能的获取与储存影响其大规模应用。另外，风力发电装置必须建设在风力资源丰富的地方，对风场选址要求较高；而且自然风的风力时强时弱，常常是在阴雨天气时伴随有强风，而在天气晴好的时候风力较弱，有时甚至会停止。这种风力的间歇性使得发电机的输出波动很大，严重影响了发电机的暂态稳定、系统频率控制和负荷潮流，同时，其发电效率及设备的利用率也不高，造成了资源浪费。
为了解决风力发电和太阳能发电所存在的问题和缺陷，人们想到了将太阳能与风能方法结合起来，利用热成风的原理，建造类似烟囱的风塔发电。太阳能热风发电技术最早是由德国J.Schlaich教授于1978年提出来的，其原理是利用太阳能集热器以及烟囱效应驱动风力涡轮带动发电机发电。热风发电技术被提出以来，引起了国内外学者的普遍关注。1982年德国和西班牙合作建造了世界上第1座太阳能热风试验型电站。随后，美国、德国、西班牙、印度、澳大利亚、埃及、摩洛哥和南非等国家的学者都对此产生了浓厚的研究兴趣并进行了大量的理论和实践研究。太阳能加热风塔下部的吸热空间的空气，热空气向上流动，带动风塔内的风力发电机发电。风塔一般都要搭建300米的高度，才有可实际利用的价值。就目前的发展来看，太阳能热风发电技术还存在着一些不够完善的地方，比如发电效率偏低，太阳能烟囱的需要比较高的高度等问题。
发明内容
在了解和回顾了现有技术中作为可再生资源的太阳能发电和风力发电的情况的基础上，本发明的目的在于解决以下一个或多个技术问题：
(1)现有技术中太阳能光伏发电效率低下、发电成本高昂以及电力存储的技术问题；
(2)现有技术中的风力发电受自然条件制约严重，而且发出的电力不稳定，并且由于频率和功率不稳定而导致储存和输送困难；
(3)太阳能热风技术需要建造高度达到300米以上的高塔，并且发电效率偏低；而且不能在夜间发电。
为了解决上述技术问题中的一个或多个。本发明提供了以下技术手段，本发明的思想是基于对太阳能的综合利用，并利用了太阳能热风发电的烟囱效率，来实现对太阳能的综合利用。具体地说，本发明利用太阳能光伏电池发出的电力传输给空气压缩机，利用压缩机将太阳能发出的电能转换为压缩的空气能(其能产生风力)，相当于将太阳能发出的电能通过空气能的形式存储起来；另一方面，本发明还通过太阳能集热技术，通过采用合适的吸收涂层，对储存的空气能进一步进行加热；从而形成了高压和加热的空气能；然后利用高塔的烟囱效应，通过控制高压和加热的空气能在高塔内形成的热风流效应，利用风力发电设备进行发电。应当注意的是，以上发明的技术手段对现有技术至少有以下创造性的贡献：
(1)本发明的太阳能储能系统综合利用了光伏电池所发出的电能并将其转化为可以储存的空气能；另一方面又利用了太阳能的热效应，通过吸收热量进一步对空气能进行加热，从而提高了能量密度，实现了对太阳能的综合利用，并实现了存储，从而与传统的太阳能发电系统相比具有效率高、且可以依据需要在夜间发电，一定程度上解决了太阳能的存储难题。
(2)本发明电力的实现最终是通过热风发电的原理，但是与传统的热风发电相比，由于本发明中的空气能是加压和加热的，其能量密度更高，而且是可控可调节的，其发出的电力功率稳定可调，而且频率稳定；另外由于所利用的风力所携带的能量更大，可以减少风塔的设计高度，减少投入成本；而且由于综合利用了太阳能，还可以实现提高发电功率的目的。
具体地，本发明采用了以下技术方案：
一种太阳能储能发电系统，其包括太阳能光伏发电装置、空气压缩机、集热储能装置、热气流风道装置以及设置在热气流风道内的风力发电装置；其特征在于：太阳能光伏发电装置发出的电力经过DC/AC转换，用于空气压缩机工作形成压缩气体并经过管道输入集热储能装置形成高压加热的空气，通过控制高压加热空气的释放，并在热气流风道内利用烟囱效应提高风速，利用上述风推动设置于热气流风道内上方的风力发电装置发电。
优选的，本发明的太阳能光伏发电装置为太阳能电池板发电阵列；更优选的所述的太阳能电池为薄膜太阳能电池，例如硅基太阳能薄膜电池、铟锗镓锡基薄膜太阳能电池或铟锗铝锡基薄膜太阳能电池。
优选的，所述的空气压缩机选自活塞式空气压缩机、螺杆式空气压缩机、离心式压缩机、滑片式空气压缩机或涡旋式空气压缩机中的一种或几种。更优选的选自离心式压缩机。所述的空气压缩机的功率选自1KW-10KW，例如2.2KW等功率级别的空气压缩机。
优选的，所述的集热储能装置为罐体结构。其形状可以任意选择，例如常用的长方体、立方体、圆柱体、椭圆柱体等。所述的集热储能装置的基体材料优选高强的金属或合金材料，例如但不仅限于铁以及铁基金属，例如不锈钢、合金钢、高强钢等；又例如铜及铜合金、镍及镍合金等；此外，所述的集热储能装置的基体材料更优选采用高强透明的材料制成，例如钢化玻璃、微晶玻璃等。而且所述的集热储能装置的外表面还设置有太阳能吸收涂层。优选的所述的太阳能吸收涂层从基体开始依次包括红外反射层、吸收层和减反射层。
特别是，作为本发明的另一个重要方面，所述的太阳能吸收涂层由下述多层材料构成：从基体开始依次包括红外反射层、吸收层和减反射层；所述的红外反射层由钛镍合金制成，并且其中钛的含量为15-32wt％，红外反射层的厚度为20-75nm；所述的吸收层由12-25wt％的Al2O3、22-38wt％的TiN、18-32wt％的AlN和余量的TiO2组成，所述的吸收层的厚度为120-500nm；所述的减反射层为TiO2，厚度为20-50nm。上述的涂层在记载所述层结构和组分的前提下，可以通过涂层领域多种公知的方法制备，例如上述涂层可通过但不仅限于磁控溅射法、化学气相沉积法、喷镀法等多种方法制备，具体的制备工艺参数对所属技术领域的技术人员而言是显而易见的，在此不作详细说明。采用优选的上述涂层，作为本发明的集热储能装置的表面涂层具有吸收率高、发射率低、热稳定性好、耐久性好的优点。
优选的，所述的热气流风道装置为高塔结构，具体地其可以为上下开口的锥体结构。其高度通常可以设置为50-500m，优选的其高度为100-300m；更优选的其高度为100-200m。
优选的，所述的热气流风道装置内设置有温度传感器、风速传感器。
优选的，所述的风力发电装置包括一个或多个叶轮和发电机主体，所述的发电机主体通过机轴与一个或多个叶轮连接。
优选的，本发明的太阳能储能发电系统还具有控制单元，用于控制集热储能装置阀门的开关以及流量大小的控制。
本发明与现有技术相比，具有下列优点：
1.由于本发明综合利用太阳能形成的压缩空气能(风能)和热能，以此产生高压和加热的气流并形成风，由于产生的人工风稳定可控并且携带的能力密度大，可保证发电装置稳定运行，提高发电效率。
2.本发明采用太阳能发电，光照充足的地区均可利用，因而选址不会受地域的严格限制，有利于推广应用。
3.本发明的系统还兼具储能的特点，可以将存储的空气能和热能存放到夜间以供发电使用，因而本发明的系统不仅充分利用了清洁的太阳能资源，还大大提高了设备的利用率，具有良好的经济效益。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的太阳能储能发电系统的结构示意图；
图2为本发明的集热储能装置涂层的结构示意图。
其中，各附图所代表的含义分别为：1-太阳能光伏发电装置，2-DC/AC转换器，3-空气压缩装置，4-管道，5-预加热翅片，6-集热储能装置，7-太阳能吸收涂层，8-热气流风道装置，9-叶轮，10-机轴，11-发电机主体；12-集热储能装置基体；13-红外反射层；14-吸收层；15-减反射层。
具体实施方式
下面将结合说明书附图详细描述依据本发明的实施例。虽然本发明将通过具体实施例来进行说明，但应理解的这些实施例的目的不是为了限制本发明。相反的，本发明旨在涵盖所有替代、改进和等同的方式依据，它们均包含在依据权利要求解释的本发明的范围内。另外，在下面所详细描述的依据本发明的实施例中，为了对本发明深入的理解，还提供了许多具体的细节。虽然如此，没有这些具体的细节，实施本发明对于本领域的技术人员而言也是显而易见的。另一方面，熟知的方法、进程、元件和电路没有进行具体的描述，因为它们是本发明的非必要方面。
如附图1所示，其为本发明的一个具体实施例的结构示意图。该实施例包括太阳能光伏发电装置、空气压缩机、集热储能装置、热气流风道装置以及设置在热气流风道内的风力发电装置。
具体的说，太阳能光伏发电装置发出的电力经过DC/AC转换，用于空气压缩机工作形成压缩气体，所述的压缩气体经过多路管道输入到集热储能装置中形成高压加热的空气。而为了更好的利用太阳能，所述的集热储能装置的外表面如附图2所示镀覆有由红外反射层、吸收层和减反射层所形成的太阳能吸收涂层，用于进一步对储存在集热储能装置中的压缩气体进行加热，进一步提高空气能所携带的能量密度。当需要开启风力发电设备进行发电的时候，通过控制器开启集热储能装置的阀门并控制其流量将高压加热空气的释放，并在热气流风道内利用烟囱效应提高风速，利用上述风推动设置于热气流风道内上方的风力发电装置发电。
另外，在附图1所表示的实施例中压缩空气经过的管道上也镀覆有太阳能吸收涂层，以使得压缩空气在进入集热储能装置之前已经得到了预热，进一步提高了储存的压缩空气的能量密度。
另外，由于本发明用于发电的空气能密度相较于传统的热风，其所携带的能量密度更高，因而所述的热气流风道装置，在本实施例中为高塔结构，本申请的发明人经过理论计算和计算机模拟实验，在本发明中所述的高塔结构只要采用50m以上的高度，就可以实现传统的热风发电所需的300m以上的烟囱效应。可见采用本发明的太阳能储能发电系统还可以避免单独建造几百米、上千米高大烟囱的技术难题，从而达到太阳能热气流发电系统中高塔建造的可靠性、安全性、经济性和服务年限长的要求。
另外，在本发明的实施例中，如附图2所示可以采用由下述多层材料构成：从基体开始依次包括红外反射层、吸收层和减反射层；所述的红外反射层由钛镍合金制成，并且其中钛的含量为15-32wt％，红外反射层的厚度为20-75nm；所述的吸收层由12-25wt％的Al2O3、22-38wt％的TiN、18-32wt％的AlN和余量的TiO2组成，所述的吸收层的厚度为120-500nm；所述的减反射层为TiO2，厚度为20-50nm。上述的涂层在记载所述层结构和组分的前提下，可以通过涂层领域多种公知的方法制备，例如上述涂层可通过但不仅限于磁控溅射法、化学气相沉积法、喷镀法等多种方法制备，具体的制备工艺参数对所属技术领域的技术人员而言是显而易见的，在此不作详细说明。采用优选的上述涂层，作为本发明的集热储能装置的表面涂层具有吸收率高、发射率低、热稳定性好、耐久性好的优点。另外上述耐腐蚀性良好，经过长时间的使用，其吸收功率保持稳定。

Claims (10)

1.一种太阳能储能发电系统，其包括太阳能光伏发电装置、空气压缩机、集热储能装置、热气流风道装置以及设置在热气流风道内的风力发电装置；其特征在于：太阳能光伏发电装置发出的电力经过DC/AC转换，用于空气压缩机工作形成压缩气体并经过管道输入集热储能装置形成高压加热的空气，通过控制高压加热空气的释放，并在热气流风道内利用烟囱效应提高风速，利用上述风推动设置于热气流风道内上方的风力发电装置发电。
2.权利要求1所述的太阳能储能发电系统，其特征在于所述的太阳能光伏发电装置为太阳能电池板发电阵列。
3.权利要求1所述的太阳能储能发电系统，其特征在于所述的空气压缩机选自活塞式空气压缩机、螺杆式空气压缩机、离心式压缩机、滑片式空气压缩机或涡旋式空气压缩机中的一种或几种。
4.权利要求1所述的太阳能储能发电系统，其特征在于所述的集热储能装置的基体材料为铁、铁基合金、铜、铜合金、镍或镍合金。
5.权利要求1所述的太阳能储能发电系统，其特征在于所述的集热储能装置的基体材料为钢化玻璃或微晶玻璃。
6.权利要求4或5所述的太阳能储能发电系统，其特征在于所述的集热储能装置的外表面设置有太阳能吸收涂层。
7.权利要求6所述的太阳能储能发电系统，其特征在于所述的太阳能吸收涂层由下述多层材料构成：从基体开始依次包括红外反射层、吸收层和减反射层；所述的红外反射层由钛镍合金制成，并且其中钛的含量为15-32wt％，红外反射层的厚度为20-75nm；所述的吸收层由12-25wt％的Al2O3、22-38wt％的TiN、18-32wt％的AlN和余量的TiO2组成，所述的吸收层的厚度为120-500nm；所述的减反射层为TiO2，厚度为20-50nm。
8.权利要求1所述的太阳能储能发电系统，其特征在于所述的热气流风道装置为高塔结构，其高度通常为50-500m，优选为100-300m，更优选为100-200m。
9.权利要求1所述的太阳能储能发电系统，其特征在于所述的热气流风道装置内设置有温度传感器和/或风速传感器。
10.权利要求1所述的太阳能储能发电系统，其特征在于所述的太阳能储能发电系统还具有控制单元，用于控制集热储能装置阀门的开关以及其流量大小的控制。
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