CN108449049A - 一种基于空地联合的太阳能光热发电系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于空地联合的太阳能光热发电系统，包括驻空聚光装置、地面光热耦合装置及发电装置，驻空聚光装置包括驻空部件及聚光部件，驻空部件用于使驻空聚光装置停留在空中，聚光部件用于将阳光聚拢为聚光光束并将聚光光束射向地面光热耦合装置；地面光热耦合装置用于接收聚光光束并将工质加热后输送至发电装置；发电装置利用加热后的工质进行发电。与现有技术相比，本申请的光热发电系统在空中聚光，光热耦合装置设置在地面，可以加大光热耦合装置规模，从而实现对大型发电机的使用，并且减小了占地面积；此外，在空中将阳光聚拢为聚光光束，可降低阳光的损失，提高光‑热‑电的转化效率。

Description

一种基于空地联合的太阳能光热发电系统

技术领域

本申请涉及太阳能光热发电技术领域，尤其涉及一种基于空地联合的太阳能光热发电系统。

背景技术

“中电联”发布《2016-2017年度全国电力供需形势分析预测报告》中统计：2016年底，全国全口径发电装机容量16.5亿千瓦（其中，火电装机10.5亿千瓦、水电装机3.3亿千瓦、风电装机1.5亿千瓦、太阳能装机0.7742亿千瓦等），同比2015年增长8.2%，1.2kW/人，而同期美国发电总量与中国相当，人口只有中国的1/4，人均可用电力资源是中国的4倍，相对应的生活质量比中国要高出数倍。实现中华民族的伟大复兴，其内涵之一就是人民生活质量的大幅提升，而要实现人民生活质量的大幅提升，人均能源供给量未来要有数量级上的提升（电能源转换能力总量要达到150~200亿kW/每年）。目前发电的主要方式仍然为火力发电，占比最大，但未来要依靠火力发电来扩容，实现发电总量是现有的10倍以上，全国需建设目前数量10倍以上的火力发电站，该路径有违背能源及环境发展的总体思路，其原因之一：化石能源总量有限，大力发展火力电站来提升发电总容量，不可持续；原因之二：火力发电站燃烧化石燃料带来的环境污染，已经逐渐影响到了人类的生存环境，再大力建设火力发电站来获取更多的电力，会造成更为严重的环境污染问题，这与提升人民生活质量的夙愿相违背。而国内水电、风电发电资源有限，无法大力发展；核能目前发电总量较少，其安全问题还无法完全解决，人民群众依然会“谈核色变”，尤其是在中国台湾地区以及日本，人民群众推行无核化，反核运动此起彼伏。而依托太阳能的高温发电技术因其效率稍高，以及可实现性较好近年来受到国内外市场的追捧，2016年在全球范围内光热发电装机总量为5017MW。光热发电的传统市场主要在西班牙、美国等；新型市场主要在澳大利亚、中国、印度。光热发电站目前主要形式有塔式、蝶式、槽式。光热电站主要通过地面上的光汇聚系统实现光能密度的提升来加热工质发电，其效率普遍为16%左右。国家能源局在十三五开局之年公布了《中国可再生能源发展路线图2050》：其中2015-2020年间投资3000亿人民币，依托20个光热电站的示范工程牵引，大力发展光热电站以及周边配套产业，实现1000万千瓦的发电容量，2020-2030年期间为规模化发展阶段，发电容量达到6000万千瓦，2030-2050年为大规模发展阶段，发电容量达到5亿千瓦。

但目前的光热电站也存在相应的问题：（1）加热部分在聚光部分的上方，因此加热部分的体积受到限制，进而限制了被加热的工质量，无法使用高效率的大型发电机组；（2）占地面积大，容易受到地形的影响，且无法大幅度扩容，能收集的太阳能量有限；（3）光在传递过程中损失大，光-热-电转化效率低。

因此，如何使光热发电系统能够使用大型发电机组，减小占地面积，提高光-热-点的转化效率成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本申请需要解决的问题是：如何减小光热电站的占地面积，提高转化效率，提高光热电站的密集程度以及发电容量。

为解决上述技术问题，本申请采用了如下的技术方案：

一种基于空地联合的太阳能光热发电系统，包括驻空聚光装置、地面光热耦合装置及发电装置，其中：

所述驻空聚光装置包括驻空部件及聚光部件，驻空部件用于使所述驻空聚光装置停留在空中，所述聚光部件用于将阳光聚拢为聚光光束并将所述聚光光束射向所述地面光热耦合装置；

所述地面光热耦合装置用于接收所述聚光光束并将工质加热后输送至所述发电装置；

所述发电装置利用加热后的工质进行发电。

优选地，所述聚光部件包括相对设置的聚光镜和反射镜，其中，所述聚光镜用于将阳光聚拢为聚光光束并将聚光光束射向所述反射镜，所述反射镜用于将所述聚光光束反射至所述地面光热耦合装置。

优选地，所述发电装置与电网和/或电能存储装置连接。

优选地，还包括储热装置，所述地面光热耦合装置包括第一输出端及第二输出端，所述地面光热耦合装置的第一输出端与所述储热装置的输入端相连通，所述地面光热耦合装置的第二输出端与所述发电装置的输入端相连通，所述储热装置的输出端与所述发电装置的输入端相连通。

优选地，所述发电装置的输出端与所述地面光热耦合装置的输入端相连通。

优选地，所述发电装置包括超超临界发电机组。

优选地，工质在所述地面光热耦合装置中被加热至超超临界状态。

优选地，还包括照度传感器和聚光控制器；所述聚光部件还包括能够带动聚光镜和反射镜调整各自的朝向和方位的聚光位置调整机构；

所述照度传感器用于感测太阳光朝向；

所述聚光控制器记录有地面光热耦合装置在地面上的地理位置信息，用于采集照度传感器感测到的太阳光朝向信息，并根据所述太阳光朝向信息向所述聚光位置调整机构发送位置调整控制指令，以调整控制所述聚光镜和反射镜各自的朝向和方位，使得所述聚光镜始终正对朝向太阳、并能够将阳光聚拢为聚光光束射向反射镜，且能够根据地面光热耦合装置在地面上的地理位置信息进行方位运算，使得反射镜能够将所述聚光光束反射至地面光热耦合装置。

优选地，所述驻空聚光装置设置在平流层以下。

相比现有太阳能光热发电技术，本发明具有如下有益效果：

1）扩容性：传统光热电站光汇聚系统占地面积大，本发明将该部分占地面积向上搬移，将占地变为占空，而占空面积可进一步扩展，发电容量可大幅提升；

2）兼容性：传统光热电站常建造在西北部戈壁，或人烟稀少的地方，且工质能量密度不够，无法和现有大量的存量资源（火力发电站的发电机组）相兼容，而本发明基于空地联合的太阳能光热发电系统将聚光部分置于现有火力发电站的上空，且依托驻空平台使得聚光部分规模可扩展，能量密度高，可直接利用现有火力发电站的大型机组，与现有资源具有较好的兼容性；

3）高效性：传统光热电站中地面光汇聚能量总量小、且效率较低，利用的都是小机组发电机（一般机组容量为5MW），整体效率无法提高，而本发明基于空地联合的太阳能热发电系统在空中汇聚太阳能总量大，汇聚的聚光光束向下传输的路径上损失较小，且可利用目前最高效的超超临界发电机组（目前国内最大的超超临界机组容量为1000MW），使得基于空地联合的太阳能热发电系统整体效率可达60%以上。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步的详细描述，其中：

图1为本申请公开的一种基于空地联合的太阳能光热发电系统的结构示意图；

图2为一种中空腔体式吸热器的结构示意图。

附图中标号的对应关系为：驻空聚光装置1、地面光热耦合装置2、发电装置3、电网4、聚光镜5、反射镜6、电能存储装置7、冷凝器8、水泵9、储热装置10、吸热管11、隔热层12、反射腔体13、玻璃14、太阳辐射15。

具体实施方式

下面结合附图对本申请作进一步的详细说明。

如图1所示，本申请公开了一种基于空地联合的太阳能光热发电系统，包括驻空聚光装置1、地面光热耦合装置2及发电装置3，其中：

驻空聚光装置1包括驻空部件及聚光部件，驻空部件用于使驻空聚光装置1停留在空中，聚光部件用于将阳光聚拢为聚光光束并将聚光光束射向地面光热耦合装置2；

驻空部件为整个中空聚光装置提供升力，使驻空聚光装置1能够长时间停留在空中。驻空部件包括但不仅限于基于静浮力的飞艇、基于气动升力的旋翼，固定翼、以及未来各类新型的驻空装置（如基于翼上轮轨技术的驻空装置）；聚光部件利用反射光的原理将普通的阳光聚拢为聚光光束并射向地面光热耦合装置2。

地面光热耦合装置2用于接收聚光光束并将工质加热后输送至发电装置3；

地面光热耦合装置2在接收到聚光光束后将聚光光束的光能转换为热能从而加热工质，工质加热到一定温度后，会输送到发电装置3供发电装置3发电。

发电装置3利用加热后的工质进行发电。

利用加热的工质发电的发电装置3为现有的成熟技术，在此，不再赘述。

与现有技术相比，本申请公开的基于空地联合的太阳能光热发电系统，在空中实现聚光，驻空聚光装置1的大小不会受到地形的影响，其面积可以做到极大，经过聚光形成的聚光光束其包含的能量高，在光的传输过程中，损失更小。本申请与现有技术中将地面光热耦合装置2设置在聚光装置的上方相比，由于地面光热耦合装置2直接设置在地面，不会受到自身重量的限制因此可以将体积做得极大，从而可以加热的工质的量也极大，使利用大型发电机作为光热发电系统的发电装置3成为了可能。

由于本申请的聚光部件可以做得极大，因此本申请中的聚光镜5及反射镜均可以采用多块反射板组合拼接而成。

具体实施时，发电装置3与电网4和/或电能存储装置7连接。

发电装置3发电之后，电能可直接供给电网4使用，也可以将电能存储在电能存储装置7中。本申请中的电能存储装置7包括但不仅限于超级电容、大容量电池。

具体实施时，还包括储热装置10，地面光热耦合装置2包括第一输出端及第二输出端，地面光热耦合装置2的第一输出端与储热装置10的输入端相连通，地面光热耦合装置2的第二输出端与发电装置3的输入端相连通，储热装置10的输出端与发电装置3的输入端相连通。

由于本申请中聚光光束由大量的阳光汇聚而成，因此可以对极大量的工质进行加热，加热后的工质，一部分可以存储在储热装置10中，在夜晚或其他阳光不足的情况下使用，发电装置3能够持续不断的工作，减少了光热发电系统供电量的波动，提高了系统发电的稳定性。

具体实施时，发电装置3的输出端与地面光热耦合装置2的输入端相连通。

当加热后的工质经过发电装置3，进行发电之后，可以通过管道回到地面光热耦合装置2进行再次加热，实现工质的循环利用，节约了光热发电系统的运行成本。

具体实施时，发电装置3包括火力发电机组。

由于本申请的技术方案可以解决了现有技术中光热发电系统的尺寸限制，可以加热大量的工质，因此本申请中的发电装置3可以直接沿用已有的火力发电机组，从而节约了光热发电系统的建造成本，实现了老旧设备的再利用。

具体实施时，发电装置3包括超超临界发电机组。

具体实施时，工质在地面光热耦合装置2中被加热至超超临界状态。

本申请中，将工质加热至超超临界状态后再进行发电，使用超超临界发电技术，能够有效的提高发电的效率。以工质是水为例，水在底面光热耦合装置中被加热形成超超临界蒸汽，计入发电装置3中膨胀做功后转变为低温低压的乏汽，乏汽在冷凝器8中放热转变为饱和水，饱和水在水泵9的作用下变为高压饱和水重新进入地面光热耦合装置2。

具体实施时，还包括照度传感器和聚光控制器；聚光部件还包括能够带动聚光镜5和反射镜6调整各自的朝向和方位的聚光位置调整机构；

照度传感器用于感测太阳光朝向；

聚光控制器记录有地面光热耦合装置在地面上的地理位置信息，用于采集照度传感器感测到的太阳光朝向信息，并根据太阳光朝向信息向聚光位置调整机构发送位置调整控制指令，以调整控制聚光镜5和反射镜6各自的朝向和方位，使得聚光镜5始终正对朝向太阳、并能够将阳光聚拢为聚光光束射向反射镜6，且能够根据地面光热耦合装置2在地面上的地理位置信息进行方位运算，使得反射镜6能够将聚光光束反射至地面光热耦合装置2。

聚光位置调整机构能够调节聚光部件的朝向及角度等，使聚光部件在白天能够一直朝向太阳，延长聚光时间，提高聚光效率，进而提高发电效率。

具体实施时，驻空聚光装置1设置在空中的优点：1）接收太阳光受天气环境影响较弱；2）聚光装置可停驻在现有电站的上空，实现空地联合，一方面可改造及利用现有大型火力发电站，另一方面可减少占地面积。

具体实施时，驻空高度设置在平流层以下的优点：1）驻空装置无论是采用静浮力还是气动升力的方式，都需要空气，而平流层及以上的空中空气稀薄，不利于驻空装置驻空。2）驻空聚光装置1在平流层以下的具体高度需根据具体情况而定，所述具体情况如：光照强度、海拔、天气状况、环境条件等等。

具体实施时，所述地面光热耦合装置2为腔体式结构，顶部为耐高压透光材料，例如高强度玻璃，侧壁为耐高压、耐高温，绝热材料。例如，可以采用如图2所示的中空腔体式吸热器，汇聚光透过玻璃进入腔体内，经过椭圆反射腔体不断反射至吸热管后，被吸热管内的工质吸收，椭圆反射腔体外包裹了隔热材料，确保能量不被散失。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管通过参照本申请的优选实施例已经对本申请进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本申请的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于空地联合的太阳能光热发电系统，其特征在于，包括驻空聚光装置、地面光热耦合装置及发电装置，其中：

所述驻空聚光装置包括驻空部件及聚光部件，驻空部件用于使所述驻空聚光装置停留在空中，所述聚光部件用于将阳光聚拢为聚光光束并将所述聚光光束射向所述地面光热耦合装置；

所述地面光热耦合装置用于接收所述聚光光束并将工质加热后输送至所述发电装置；

所述发电装置利用加热后的工质进行发电。

2.如权利要求1所述的基于空地联合的太阳能光热发电系统，其特征在于，所述聚光部件包括相对设置的聚光镜和反射镜，其中，所述聚光镜用于将阳光聚拢为聚光光束并将聚光光束射向所述反射镜，所述反射镜用于将所述聚光光束反射至所述地面光热耦合装置。

3.如权利要求1所述的基于空地联合的太阳能光热发电系统，其特征在于，所述发电装置与电网和/或电能存储装置连接。

4.如权利要求1所述的基于空地联合的太阳能光热发电系统，其特征在于，还包括储热装置，所述地面光热耦合装置包括第一输出端及第二输出端，所述地面光热耦合装置的第一输出端与所述储热装置的输入端相连通，所述地面光热耦合装置的第二输出端与所述发电装置的输入端相连通，所述储热装置的输出端与所述发电装置的输入端相连通。

5.如权利要求1所述的基于空地联合的太阳能光热发电系统，其特征在于，所述发电装置的输出端与所述地面光热耦合装置的输入端相连通。

6.如权利要求1所述的基于空地联合的太阳能光热发电系统，其特征在于，所述发电装置包括超超临界发电机组。

7.如权利要求6所述的基于空地联合的太阳能光热发电系统，其特征在于，工质在所述地面光热耦合装置中被加热至超超临界状态。

8.如权利要求2所述的基于空地联合的太阳能光热发电系统，其特征在于，还包括照度传感器和聚光控制器；所述聚光部件还包括能够带动聚光镜和反射镜调整各自的朝向和方位的聚光位置调整机构；

所述照度传感器用于感测太阳光朝向；

所述聚光控制器记录有地面光热耦合装置在地面上的地理位置信息，用于采集照度传感器感测到的太阳光朝向信息，并根据所述太阳光朝向信息向所述聚光位置调整机构发送位置调整控制指令，以调整控制所述聚光镜和反射镜各自的朝向和方位，使得所述聚光镜始终正对朝向太阳、并能够将阳光聚拢为聚光光束射向反射镜，且能够根据地面光热耦合装置在地面上的地理位置信息进行方位运算，使得反射镜能够将所述聚光光束反射至地面光热耦合装置。

9.如权利要求1所述的基于空地联合的太阳能光热发电系统，其特征在于，所述驻空聚光装置设置在平流层以下。