CN108626084A - 一种光热光伏联合发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光热光伏联合发电系统及方法，系统包括：吸热工质存储单元，包括第一储存件、第二存储件及第三存储件，用于存储不同温度阶段的吸热工质；聚光加热单元，用于将第一储存件中的吸热工质通过聚光加热后输送到第二存储件中；辅助电加热单元，用于将第二存储件中的吸热工质通过电加热后输送到第三存储件中；光伏发电单元，用于进行光伏发电并且为辅助电加热单元提供电源；换热单元，用于将吸热工质与发电工质进行换热处理，并将吸热工质输送到第一储存件中，将发电工质输送到发电单元中；发电单元，用于通过发电工质进行发电。本申请能够避免光热集热器高温热损高的问题，同时提高后续工况温度，进而提高发电系统的整体发电效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能光热发电相关技术领域，特别是指一种光热光伏联合发电系统及方法。
背景技术
太阳能是一种清洁的可再生能源，而我国又是一个太阳能储量较丰富的国家，尤其是西北地区，地势平坦，光照充足，日照时间长，气候干燥，有利于建设光热发电站。目前二代光热项目多为使用熔盐作为吸热工质，用来吸收太阳能所转化的热能，之后用于加热水蒸气、超临界二氧化碳等工质用于发电使用。但是当前这一类系统的发电循环效率还是有待提高。常见提高发电循环效率最直接的方法就是提高运行参数，例如压力和温度参数，如果采用目前应用较广泛的二元熔融盐作为吸热介质，一般熔盐光热电站熔盐工作温度为500℃～600℃。如果未来采用新型熔融盐，可使吸热器温度达到700℃，但材料选型及设计等问题一方面会增加吸热器的制造成本。另一方面，光热集热器运行温度越高，热损失越大。例如：在550℃工况下光热集热器的热损失率可达到10％左右，当工况达到700℃时热损失可达到20％。因此当前使用吸热介质的热损导致能量利用率不高。
此外，由于太阳能发电还受自然条件限制，不能长期稳定运行，而目前大部分解决办法为储热和电池储电两种形式。由于电池储电价格高、经济性差、储热系统受储热介质影响，因此对运行温度限制较大。
因此，在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：一方面对于光热集热器来说温度越高则热损越高，另一方面吸热工质最终的温度越高则发电效率越高且能量利用率也越高，而在现有光热发电中这两者存在的矛盾目前还没有有效的解决方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种光热光伏联合发电系统及方法，能够避免光热集热器在高温条件下的热损高的问题，同时提高后续发电循环过程的工况温度，进而提高发电系统的整体发电效率。
基于上述目的本发明提供的光热光伏联合发电系统，包括：
吸热工质存储单元，包括第一储存件、第二存储件以及第三存储件；所述第一储存件、所述第二存储件以及所述第三存储件分别用于存储不同温度阶段的吸热工质并且输送到换热单元中；
聚光加热单元，设置于所述第一储存件和所述第二存储件之间，用于将所述第一储存件中的吸热工质通过聚光加热后输送到所述第二存储件中；
辅助电加热单元，设置于所述第二存储件和所述第三存储件之间，用于将所述第二存储件中的吸热工质通过电加热后输送到所述第三存储件中；
光伏发电单元，与所述辅助电加热单元连接，用于进行光伏发电并且为所述辅助电加热单元提供电源；
换热单元，设置于所述第三存储件与发电单元之间，用于将所述第三存储件中的吸热工质与发电单元中的发电工质进行换热处理，并且将换热后的吸热工质输送到第一储存件中，将换热后的发电工质输送到发电单元中；
发电单元，用于通过所述换热单元输出的发电工质进行发电。
可选的，所述聚光加热单元包括定日镜场和光热集热器；所述定日镜场中设置有多个定日镜，且通过所述定日镜将太阳光线聚集到光热集热器中，所述光热集热器用于对吸热工质进行加热。
可选的，所述辅助电加热单元包括电加热器，所述电加热器以光伏发电单元为电源并且对所述第二存储件中的吸热工质进行加热。
可选的，所述光伏发电单元包括多个太阳能发电板组成的光伏发电装置和交流逆变装置；所述光伏发电装置用于通过太阳能发电板进行光伏发电并通过所述交流逆变装置向辅助电加热单元输入交流电。
可选的，所述换热单元包括热交换器，所述热交换器用于将吸热工质中的热能转换到发电工质中。
可选的，所述发电单元包括透平、发电机以及冷源；所述透平用于将发电工质中的能量通过转化输入到所述发电机中进行发电；所述冷源用于实现设备的散热冷却。
可选的，还包括工质加压输送装置，用于对吸热工质以及发电工质进行加压输送；
节能用工质余热装置，用于与换热后的吸热工质连接并且吸收利用所述吸热工质的余热，或者与发电后的发电工质连接并且吸收利用所述发电工质的余热。
可选的，所述吸热工质为可传输的流体介质，所述吸热工质为在不低于400摄氏度条件下具有稳定化学特性的混合物或单一流体。
可选的，所述第二存储件中的吸热工质温度范围控制为550度～600度；所述第三存储件中的吸热工质温度范围控制为650度～700度。
本申请还提供了一种利用上述任一项所述光热光伏联合发电系统的发电方法，包括：
将所述第一存储件中的吸热工质通过聚光加热单元加热到预设温度后输送到第二存储件中；
将所述第二存储件中的吸热工质通过辅助电加热单元加热预设温度后输送到第三存储件中；其中，所述辅助电加热单元的电源为光伏发电单元；
将所述第三存储件中的吸热工质输送到换热单元中与发电工质进行换热，并且将换热后的吸热工质输送到所述第一存储件中，将换热后的发电工质输送到发电单元中；
发电单元通过发电工质进行发电。
从上面所述可以看出，本发明提供的光热光伏联合发电系统及方法，通过设置多个用于存储不同温度阶段吸热工质的存储件，进而使得聚光加热单元中的光热集热器不需要处于高温工况，进而降低了光热集热器的高温热损，也即能够提高光源利用率，同时通过利用光伏发电给电加热器供电，一方面能够充分利用光伏发电与光热发电的特点，进而提高整体发电系统的稳定性和效率，另一方面，进一步使得进入到换热单元的吸热工质能够加热到较高的温度与发电工质进行换热并实现发电，这样能够进一步提高整体工质循环的发电效率。由此，本申请能够避免光热集热器在高温条件下的热损高的问题，同时提高后续发电循环过程的工况温度，进而提高发电系统的整体发电效率。
附图说明
图1为本发明提供的光热光伏联合发电系统一个实施例的结构框图；
图2为本发明提供的光热光伏联合发电方法一个实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
首选，本申请发明人基于对现有光热发电系统的研究发现当前发电系统的整体循环发电效率以及光源利用率难以达到较为理想状态的问题，进一步通过研究发现，关键在于当前光热集热器对于吸热工质的加热处理后直接就进入换热系统中，而为了保证换热系统中具有较好的换热效率，必须保证吸热工质具有较高的温度，进而使得光热集热器的工况处于较高温度中，这样必将导致光热集热器的高温热损进一步提高，由此，本申请提出可以利用分级加热的方案，利用光热集热器处于效率较高的中温加热工况，然后利用光伏发电对加热工质进一步加热到高温，进而提高整体的循环发电效率。
具体，参照图1所示，为本发明提供的光热光伏联合发电系统一个实施例的结构框图。由图可知，本申请所述光热光伏联合发电系统包括：
吸热工质存储单元1，所述吸热工质存储单元1包括第一储存件11、第二存储件12以及第三存储件13；所述第一储存件11、所述第二存储件12以及所述第三存储件13分别用于存储不同温度阶段的吸热工质并且输送到换热单元5中；
可选的，所述第一储存件11、所述第二存储件12以及所述第三存储件13均为具有隔热层的保温存储罐，其中，这里的储存件通常具有一个用于吸热工质输入的入口以及吸热工质输出的出口，且不同存储罐之间或者与其余单元之间可选的采用输送管路进行吸热工质的输送。
进一步，所述第一储存件11、所述第二存储件12以及所述第三存储件13通常依次对应为低温存储罐、中温存储罐以及高温存储罐。这里的低温、中温以及高温均是相对于吸热工质的不同工况而言的。
聚光加热单元2，设置于所述第一储存件11和所述第二存储件12之间，用于将所述第一储存件11中的吸热工质通过聚光加热后输送到所述第二存储件12中；这样，可以使得聚光加热单元2只需要对吸热工质进行初步的加热即可，不需要加热到最高工况，进而可以避免聚光加热单元2中的光热集热器的高温热损的问题。此外，所述聚光加热单元2既可以是对所述第一储存件11中输出后的吸热工质进行加热处理，也可以是直接对所述第一储存件11中的吸热工质进行加热处理。
在本申请一些可选的实施例中，所述聚光加热单元2包括定日镜场和光热集热器；所述定日镜场中设置有多个定日镜，且通过分布于各个位置的所述定日镜将太阳光线聚集到所述光热集热器中，进而使得所述光热集热器能够对吸热工质进行加热处理。
辅助电加热单元3，设置于所述第二存储件12和所述第三存储件13之间，用于将所述第二存储件12中的吸热工质通过电加热后输送到所述第三存储件13中；
在本申请一些可选的实施例中，所述辅助电加热单元3包括电加热器，所述电加热器以光伏发电单元为电源并且对所述第二存储件12中的吸热工质进行加热。这样可以进一步将吸热工质加热到更高的工况进行换热发电。
光伏发电单元4，与所述辅助电加热单元3连接，用于进行光伏发电并且为所述辅助电加热单元提供电源；
在本申请一些可选的实施例中，所述光伏发电单元4包括多个太阳能发电板组成的光伏发电装置和交流逆变装置；所述光伏发电装置用于通过太阳能发电板进行光伏发电并通过所述交流逆变装置向辅助电加热单元3输入交流电。这样，一方面可以利用光伏发电对吸热工质进一步加热以提高最后的换热发电的工况问题，进而提高循环发电效率，另一方面，可以充分利用光伏发电与光热发电的特点实现两者的优势互补，继而提高整体发电系统的稳定性和可靠性。
换热单元5，设置于所述第三存储件与发电单元之间，用于将所述第三存储件中的吸热工质与发电单元中的发电工质进行换热处理，并且将换热后的吸热工质输送到第一储存件中，将换热后的发电工质输送到发电单元中；
在本申请一些可选的实施例中，所述换热单元5包括热交换器，所述热交换器用于将吸热工质中的热能转换到发电工质中。
发电单元6，用于通过所述换热单元输出的发电工质进行发电。
在本申请一些可选的实施例中，所述发电单元6包括透平、发电机以及冷源；所述透平用于将发电工质中的能量通过转化输入到所述发电机中进行发电；所述冷源用于实现设备的散热冷却。其中，所述冷源可采用冷凝器或其他冷却设备。
需要说明的是，虽然本申请上述实施例中给出了采用三个存储件进行分级加热的方案，但是实际上根据需要还可以增加更多的中间存储件以实现更多分级，本申请并不限制具体采用存储件的数量。
由上述实施例可知，本申请所述光热光伏联合发电系统，通过设置多个用于存储不同温度阶段吸热工质的存储件，进而使得聚光加热单元中的光热集热器不需要处于高温工况，进而降低了光热集热器的高温热损，也即能够提高光源利用率，同时通过利用光伏发电给电加热器供电，一方面能够充分利用光伏发电与光热发电的特点，进而提高整体发电系统的稳定性和效率，另一方面，进一步使得进入到换热单元的吸热工质能够加热到较高的温度与发电工质进行换热并实现发电，这样能够进一步提高整体工质循环的发电效率。因此，本申请能够避免光热集热器在高温条件下的热损高的问题，同时提高后续发电循环过程的工况温度，进而提高发电系统的整体发电效率。
在本申请一些可选的实施例中，所述光热光伏联合发电系统还包括工质加压输送装置，例如泵或压缩机等，用于对吸热工质以及发电工质进行加压输送；这样可以使得所述吸热工质在不同储存罐或者单元中具有足够的输送动力，保证整个发电系统的运行稳定安全。
进一步，还包括节能用工质余热装置，用于与换热后的吸热工质连接并且吸收利用所述吸热工质的余热，或者与发电后的发电工质连接并且吸收利用所述发电工质的余热。其中，所述节能用工质余热装置可选为任何可利用热能的设备。这样，可以充分利用余热，避免能源浪费。
在本申请一些可选的实施例中，所述吸热工质为可传输的流体介质，且所述吸热工质为在不低于400摄氏度条件下具有稳定化学特性的混合流体或单一流体。
在本申请一些可选的实施例中，所述第二存储件中的吸热工质温度范围控制为550度～600度，从而保证电加热单元出口温度可以达到设计的较高温度，以及保证电加热单元的稳定运行，例如温度为550度、560度、570度、580度、590度、600度等等；所述第三存储件中的吸热工质温度范围控制为650度～700度，从而保证后端发电单元的高效和稳定的运行，例如温度为650度、660度、670度、680度、690度、700度等等。这样，可以在保证充分利用光热集热器的基础上尽可能降低高温热损，同时结合后续的光伏发电使得后续吸热工质的工况温度最佳，达到更好的换热发电效率。
在本申请另一些可选的实施例中，所述聚光加热单元以及光伏发电单元可采用分布式设置方式，也即通过多个聚光加热单元对吸热工质进行加热，通过多个光伏发电单元对不同的电加热器进行供电，这样使得发电系统能够适应不同的环境工况，同时能够更加充分的利用光能。
进一步，所述发电单元还可以连接到辅助电加热单元中作为所述辅助电加热单元的备用电源，这样可以在光伏发电设备出现问题是保证整体发电系统的稳定运行。
参照图2所示，为本发明提供的光热光伏联合发电方法一个实施例的流程图。所述光热光伏联合发电方法包括：
步骤S1，将所述第一存储件中的吸热工质通过聚光加热单元加热到预设温度后输送到第二存储件中；
步骤S2，将所述第二存储件中的吸热工质通过辅助电加热单元加热预设温度后输送到第三存储件中；其中，所述辅助电加热单元的电源为光伏发电单元；
步骤S3，将所述第三存储件中的吸热工质输送到换热单元中与发电工质进行换热，并且将换热后的吸热工质输送到所述第一存储件中，将换热后的发电工质输送到发电单元中；
步骤S4，发电单元通过发电工质进行发电。
也即，吸热工质首选通过低温存储罐，即第一存储件，进入聚光集热单元加热至550℃～600℃后进入中温存储罐，即第二存储件，后经过电加热器加热至650℃～700℃高温工况后进入高温存储罐，即第三存储件。最后，吸热工质从高温存储罐流出后经过换热器与发电工质进行换热，之后返回低温存储罐。而加热后的发电工质经过发电单元中的透平推动发电机产电。且电加热器由光伏发电单元直接供电。本申请通过光伏发电实现辅助电加热，规避了集热器高温热损高的问题，另外进一步提高了后续发电循环的工况温度，从而提高了整体循环的发电效率。例如：当熔盐温度达到700℃时，可比600℃工况下提高整体发电效率3％以上。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光热光伏联合发电系统，其特征在于，包括：
吸热工质存储单元，包括第一储存件、第二存储件以及第三存储件；所述第一储存件、所述第二存储件以及所述第三存储件分别用于存储不同温度阶段的吸热工质并且输送到换热单元中；
聚光加热单元，设置于所述第一储存件和所述第二存储件之间，用于将所述第一储存件中的吸热工质通过聚光加热后输送到所述第二存储件中；
辅助电加热单元，设置于所述第二存储件和所述第三存储件之间，用于将所述第二存储件中的吸热工质通过电加热后输送到所述第三存储件中；
光伏发电单元，与所述辅助电加热单元连接，用于进行光伏发电并且为所述辅助电加热单元提供电源；
换热单元，设置于所述第三存储件与发电单元之间，用于将所述第三存储件中的吸热工质与发电单元中的发电工质进行换热处理，并且将换热后的吸热工质输送到第一储存件中，将换热后的发电工质输送到发电单元中；
发电单元，用于通过所述换热单元输出的发电工质进行发电。
2.根据权利要求1所述的光热光伏联合发电系统，其特征在于，所述聚光加热单元包括定日镜场和光热集热器；所述定日镜场中设置有多个定日镜，且通过所述定日镜将太阳光线聚集到光热集热器中，所述光热集热器用于对吸热工质进行加热。
3.根据权利要求1所述的光热光伏联合发电系统，其特征在于，所述辅助电加热单元包括电加热器，所述电加热器以光伏发电单元为电源并且对所述第二存储件中的吸热工质进行加热。
4.根据权利要求1所述的光热光伏联合发电系统，其特征在于，所述光伏发电单元包括多个太阳能发电板组成的光伏发电装置和交流逆变装置；所述光伏发电装置用于通过太阳能发电板进行光伏发电并通过所述交流逆变装置向辅助电加热单元输入交流电。
5.根据权利要求1所述的光热光伏联合发电系统，其特征在于，所述换热单元包括热交换器，所述热交换器用于将吸热工质中的热能转换到发电工质中。
6.根据权利要求1所述的光热光伏联合发电系统，其特征在于，所述发电单元包括透平、发电机以及冷源；所述透平用于将发电工质中的能量通过转化输入到所述发电机中进行发电；所述冷源用于实现设备的散热冷却。
7.根据权利要求1所述的光热光伏联合发电系统，其特征在于，还包括工质加压输送装置，用于对吸热工质以及发电工质进行加压输送；
节能用工质余热装置，用于与换热后的吸热工质连接并且吸收利用所述吸热工质的余热，或者与发电后的发电工质连接并且吸收利用所述发电工质的余热。
8.根据权利要求1所述的光热光伏联合发电系统，其特征在于，所述吸热工质为可传输的流体介质，所述吸热工质为在不低于400摄氏度条件下具有稳定化学特性的混合物或单一流体。
9.根据权利要求1所述的光热光伏联合发电系统，其特征在于，所述第二存储件中的吸热工质温度范围控制为550度～600度；所述第三存储件中的吸热工质温度范围控制为650度～700度。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述光热光伏联合发电系统的发电方法，其特征在于，包括：
将所述第一存储件中的吸热工质通过聚光加热单元加热到预设温度后输送到第二存储件中；
将所述第二存储件中的吸热工质通过辅助电加热单元加热预设温度后输送到第三存储件中；其中，所述辅助电加热单元的电源为光伏发电单元；
将所述第三存储件中的吸热工质输送到换热单元中与发电工质进行换热，并且将换热后的吸热工质输送到所述第一存储件中，将换热后的发电工质输送到发电单元中；
发电单元通过发电工质进行发电。
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