CN112944697A - 一种太阳能光热/光伏综合能源梯级利用系统 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能光热/光伏综合能源梯级利用系统，包括定日镜场、光伏电池阵列、吸热器、高温储热系统、低温储热系统、一级换热系统、二级换热系统、三级换热系统、四级换热系统、热化学系统、发电单元、电解水制氢系统、一级余热利用系统和二级余热利用系统。所述的太阳能光热通过定日镜场和吸热器将太阳能转换为热能，并将此热能通过换热系统以换热介质热能的形式在循环过程中用于不同温度下的梯级利用。所述的光伏电池阵列以直接发电和通过电解水制取氢气的形式进行太阳能高效转换。所述的太阳能光热/光伏综合能源系统可实现连续稳定高效梯级运行，提高太阳能的能量利用效率。

Description

一种太阳能光热/光伏综合能源梯级利用系统
技术领域
本发明涉及一种太阳能光热/光伏综合能源梯级利用系统。
背景技术
光热/光伏耦合系统可有效提高太阳能消纳水平。聚光型太阳能光热系统包括槽式、塔式、蝶式、菲涅尔式四种，塔式太阳能光热系统由于其高聚光比、低成本等特点越来越受到广泛关注。光伏与光热发电具有天然的互补优势，光伏发电只在有太阳辐照时发电，同时发电过程中受光照影响敏感，波动性强。聚光型光热系统中有储热系统，可充分弥补光伏系统的波动性，且在太阳辐照波动和夜晚时代替光伏发电继续运行，以达到光伏光热耦合系统连续平稳运行的目的。另一方面，由于光伏电池技术的飞速发展，电池组件的价格越来越低；光热/光伏耦合系统在提高太阳能综合利用的同时可整体降低系统成本。
高聚光比太阳能光热具有宽温度范围特点，光热/光伏综合能源系统可实现能量的连续稳定高效梯级运行，提高太阳能的能量利用效率。
由于太阳能光伏发电技术日趋成熟，发电成本较低，但存在电能难以存储和储电成本较高，使得单一的光伏发电遭遇发展应用瓶颈；另一方面，太阳能光热系统凭借其可储热、可连续用能的优点，逐步成为应用和研究热点。光伏发电和光热利用相结合可相辅相成，共同发展。
发明内容
本发明的目的是为解决现有高聚光比太阳能光热技术的宽温度范围未能充分利用，大量高、中、低品位的热能无法得到有效利用，使得太阳能利用效率较低和系统成本较高的问题，提出一种太阳能光热/光伏综合能源系统，本发明可实现温度对口、能量梯级利用，提高系统能量利用效率。
本发明太阳能光热/光伏综合能源梯级利用系统包括光伏电池阵列、定日镜场、吸热器、高温储热系统、低温储热系统、一级换热系统、二级换热系统、三级换热系统、四级换热系统、热化学系统、发电单元、电解水制氢系统、一级余热利用系统和二级余热利用系统。所述的定日镜场、吸热器、高温储热系统、低温储热系统、一级换热系统、二级换热系统、三级换热系统和四级换热系统组成太阳能光热。
所述的太阳能光热利用定日镜场将太阳能汇聚反射至吸热器，吸热器内的介质吸收太阳热辐射能后形成高温介质，吸热器与高温储热系统通过管道相连，高温介质经管道传输至高温储热系统。高温储热系统中的传热介质经过一级换热系统换热后流通至二级换热系统；所述一级换热系统与热化学系统通过管道连接，一级换热系统经换热获得的热量通过传热介质通道传输至热化学系统；所述二级换热系统与一级换热系统通过传热介质通道分别与所述三级换热系统和四级换热系统连接，通过循环传热介质逐级释放热量。
二级换热系统经换热获得的热量通过传热介质通道传输至发电单元，二级换热系统中的传热介质经换热后通过传热介质通道流通至三级换热级系统；所述三级换热系统与二级换热系统通过传热介质通道连接，三级换热系统经换热获得的热量通过传热介质通道传输至一级余热利用系统，三级换热系统中的传热介质经换热后通过传热介质通道流通至四级换热级系统；所述四级换热系统与三级换热系统通过传热介质通道连接，四级换热系统经换热获得的热量通过传热介质通道传输至二级余热利用系统，四级换热系统中的传热介质经换热后通过传热介质通道传输至低温储热系统；所述一级余热利用系统通过三级换热系统获得的热量用于工业用热，所述二级余热利用系统通过四级换热系统获得的热量用于用户采暖。
换热单元通过管道分别与热化学系统、发电单元、余热利用单元连接，高温储热系统中高温介质经过一级换热系统、二级换热系统、三级换热系统和四级换热系统后依次将介质中各品位的热能传输至热化学系统、发电单元、一级余热利用系统和二级余热利用系统加以梯级综合利用。四级换热系统与低温储热系统通过管道相连，高温介质经四级换热系统后通过管道传输至低温储热系统。低温储热系统与吸热器通过管道相连，低温储热系统中的介质通过管道传输至吸热器加热。
所述的定日镜场用于将由多台定日镜组成，定日镜面积1平米～100平米，镜场的聚光比至少在1000以上，定日镜自动跟踪太阳并将太阳辐射能反射汇聚至吸热器。所述吸热器的结构为腔式或外置式，以固体颗粒为吸热/传热介质，用于吸收定日镜场反射的太阳辐射热能。所述的高温储热系统以固体颗粒为储热介质，通过管道与所述吸热器连接，用于存储吸热器所获得的热能。所述一级换热系统与高温储热系统通过管道连接，所述四级换热系统与低温储热系统通过管道连接，高温储热系统中的传热介质经过传热介质通道分别通过一级换热系统、二级换热系统、三级换热系统和四级换热系统释放热量进行逐级放热，逐级放热后的传热介质经过传热介质通道传输至低温储热系统。
所述热化学系统经过传热介质通道与所述一级换热系统连接，经换热获得的热量用于热化学反应过程制取氢气和氧气。所述的发电单元包括动力循环设备、冷凝器和发电机，发电单元通过传热介质通道与二级换热系统相连，经换热获得的热能用于发电，通过电缆供用户使用。所述的一级余热利用系统和二级余热利用系统经过传热介质通道分别与所述三级换热系统和四级换热系统连接，通过传热介质循环逐级释放热量。所述的低温储热系统以固体颗粒为储热介质，通过管道与所述四级换热系统连接，将换热后的低温传热介质输送至低温储热系统存储，同时，低温储热系统与吸热器连接，将存储的低温储热介质输送至吸热器加热。
所述吸热器中的吸热/传热介质为碳化硅颗粒；所述高温除热系统和低温储热系统中的储热介质为碳化硅颗粒。
所述一级换热系统、二级换热系统、三级换热系统和四级换热系统通过介质传输通道分别与热化学系统、发电单元、一级余热利用系统和二级余热利用系统相连。一级换热系统中的传热介质经换热后将热能传输给热化学系统中传热介质，热化学系统利用换热单元获得的热量进行化学反应，参与化学反应后的传热介质通过通道进入二级换热系统进行换热；经热化学系统换热后，二级换热系统中的传热介质再经换热将热能传输至发电单元中传热介质，发电单元利用换热单元获得的热量进行发电；经发电单元换热后，三级换热系统中的传热介质再经换热将热能传输至一级余热利用系统中传热介质，一级余热利用系统利用三级换热系统获得的热量用于工业用热；经一级余热利用系统换热后，四级换热系统中的传热介质再经换热将热能传输至二级余热利用系统中传热介质，二级余热利用系统利用四级换热系统获得的热量用于采暖。
所述的光伏电池阵列通过电缆分别与发电单元中输电线缆及电解水制氢系统相连。光伏电池阵列将太阳能直接转换为电能，与发电单元中产生的电力经电缆传输给用户使用；另一方面所述的电解水制氢系统与所述光伏电池阵列通过电缆相连，将光伏电池阵列所获得的电能对电解水制氢系统中的水蒸气进行电解制氢反应，生成氢气，制取的氢气通过管道输送至热化学系统制取的氢气管道中，供用户使用。
所述的热化学系统利用一级换热系统换热获得的热能应用于金属氧化物与水蒸气的氧化还原反应中，经化学反应后生成氧气和氢气。
本发明综合能源梯级利用系统的工作过程如下：
太阳能充足时，本发明综合能源梯级利用系统利用定日镜场直接供热及储热，光伏电池阵列直接发电及制氢，太阳辐照波动或者无太阳辐照时高温储热器放热，此时光伏电池阵列不再发电及制氢。
本发明具有如下优点：
本发明采用太阳能光热系统，具有更高的聚光比参数，为太阳能高效梯级利用提供了多级能量品位，可显著提高太阳能利用效率；带储热的热能梯级利用系统可克服太阳能间歇性的限制，同时由于低成本光伏系统的特点，还提高了系统整体的经济性。本发明采用固体颗粒为吸热/储热/传热介质，避免了传统塔式电站中传热介质，如熔融盐、空气、水蒸气等存在的强腐蚀性、高压、易冻堵的问题。同时，由于吸热/储热/传热均为同一种介质，避免了中间换热环节，降低系统成本，提高系统效率。
附图说明
图1是本发明系统基本原理的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明太阳能光热/光伏综合能源梯级利用系统包括定日镜场2、光伏电池阵列1、吸热器3、高温储热系统4、低温储热系统15、一级换热系统5、二级换热系统7、三级换热系统11、四级换热系统13、热化学系统6、发电单元、电解水制氢系统16、一级余热利用系统12和二级余热利用系统14。所述的定日镜场2、吸热器3、高温储热系统4、低温储热系统15、一级换热系统5、二级换热系统7、三级换热系统11和四级换热系统13组成太阳能光热。
所述的太阳能光热利用定日镜场2将太阳能汇聚反射至吸热器3，吸热器3内的介质吸收太阳热辐射能后形成高温介质，吸热器3与高温储热系统4通过管道相连，高温介质经管道传输至高温储热系统4。高温储热系统4与一级换热系统5通过管道相连，高温储热系统4中的介质经管道传输至一级换热系统5。一级换热系统5、二级换热系统7、三级换热系统11和四级换热系统13通过管道分别与热化学系统6、发电单元、一级余热利用系统12和二级余热利用系统14连接，高温储热系统4中高温介质经过一级换热系统5、二级换热系统7、三级换热系统11和四级换热系统13后依次将介质中各品位的热能传输至热化学系统6、发电单元、一级余热利用系统12和二级余热利用系统14加以梯级综合利用。四级换热系统13与低温储热系统15通过管道相连，高温介质经一级换热系统5、二级换热系统7、三级换热系统11和四级换热系统13后通过管道传输至低温储热系统15。低温储热系统15与吸热器3通过管道相连，低温储热系统15中的介质通过管道传输至吸热器3加热。
定日镜场2由数量众多的定日镜组成，控制系统根据气象条件和系统工况要求控制定日镜自动跟踪太阳反射汇聚辐射能量至吸热器，单台定日镜聚光面积为1平米～150平米，定日镜场的聚光比至少在1000以上。
吸热器3的结构为腔式或外置式，吸热/传热介质为固体颗粒，介质运行温度为700～1500℃。
高温储热系统4与吸热器3通过管道相连。吸热器3中的传热介质吸收太阳辐射热能后通过管道传输至高温储热系统4存储，直至高温介质充满整个高温储热系统4，而后高温介质通过管道进入一级换热系统5。
一级换热系统)中换热介质为气体，高温固体颗粒介质经换热后将热能传递给气体，并通过传热通道将热量输送至热化学系统6。
热化学系统6在高温条件下将金属氧化物与水蒸气在反应器中经过两步或者多步氧化还原反应生成氧气和氢气，通过气体收集分离环节将氢气和氧气进行收集分离。
二级换热系统7中换热介质为气体，固体颗粒介质经换热后将热能传递给气体，并通过传热通道将热量输送至发电单元。
发电单元为卡诺循环发电系统、超临界二氧化碳布雷顿发电系统之一。
三级换热系统11换热介质为水、相变材料、气体的一种或多种组合，固体颗粒介质经换热后将热能传递给换热介质，并通过传热通道将热量输送至一级余热利用系统12。
一级余热利用系统12为工业用热、制冷、海水淡化等其中之一或其组合。
四级换热系统13换热介质为水，固体颗粒介质经换热后将热能传递给水，并通过传热通道将热量输送至二级余热利用系统14。
二级余热利用系统14为采暖、生活热水等其中之一或其组合。
光伏电池阵列1为固定光伏、跟踪光伏、双面光伏等其中之一或其组合。光伏电池阵列1和太阳能光热共用一套控制系统，根据气象条件和系统工况要求，光伏电池阵列1可以直接发电或者用于电解水制氢。电解水制氢系统16为碱性电解、质子交换膜电解、高温电解等其中之一或其组成。
如图1所示，在太阳能充足时，光伏电池阵列1根据系统工况要求直接发电或者电解水制氢系统16制取氢气；定日镜场2跟踪太阳反射太阳辐射能量至吸热器3，通过吸热/传热将热量输送至高温储热系统4，高温储热系统4一边吸收传热介质的热量，一边将热量通过一级换热系统5输送给换热介质。
换热单元第一阶段：一级换热系统)的换热介质为气体，此气体将热量传输给热化学系统6，在反应器中金属氧化物与水蒸气经过两步或者多步氧化还原反应生成氧气和氢气，通过气体收集分离环节将氢气和氧气进行收集分离；
换热单元第二阶段：一级换热系统5经换热后固体颗粒介质通过传热通道传输至二级换热系统7，二级换热系统7的换热介质为气体，此气体将热量传输给发电单元，通过发电机、冷凝器、动力循环完成发电流程；
换热单元第三阶段：二级换热系统7经换热后固体颗粒介质通过传热通道传输至三级换热系统11，三级换热系统11的换热介质为水、相变材料、气体等，此介质将热量传输给一级余热利用系统12，用于工业用热、制冷、海水淡化等；
换热单元第四阶段：三级换热系统11经换热后固体颗粒介质通过传热通道传输至四级换热系统13，四级换热系统13的换热介质为水等，此介质将热量传输给二级余热利用系统14，用于采暖、生活热水等；
四级换热系统13经换热后固体颗粒介质通过传热通道传输至低温储热系统15，低温储热系统15中固体颗粒通过传热通道传输给吸热器3内，经过定日镜场2反射汇聚太阳辐射能量完成热能吸收。
在阴雨天、晚上时，停运定日镜场2；高温储热系统4开始放热将高温固体颗粒热量通过换热系统输送给换热介质，经热能梯级换热完成太阳能高效利用；光伏电池阵列1停运。

Claims (6)

1.一种太阳能光热/光伏综合能源梯级利用系统，包括光伏电池阵列(1)、定日镜场(2)、吸热器(3)、高温储热系统(4)、低温储热系统(15)、一级换热系统(5)、二级换热系统(7)、三级换热系统(11)、四级换热系统(13)、热化学系统(6)、发电单元、电解水制氢系统(16)、一级余热利用系统(12)和二级余热利用系统(14)；所述的太阳能光热通过定日镜场和吸热器将太阳能转换为热能，并将此热能通过换热系统以换热介质热能的形式在循环过程中用于不同温度下的梯级利用；
所述的光伏电池阵列(1)用于将太阳能直接转换为电能；所述的定日镜场(2)用于将太阳辐射能反射汇聚至吸热器，定日镜场(2)的聚光比至少在1000以上；所述的吸热器(3)用于吸收定日镜场(2)反射的太阳辐射热能，结构为腔式或外置式，以固体颗粒为吸热/传热介质；所述的高温储热系统(4)以固体颗粒为储热介质，通过管道与所述吸热器(3)连接，用于存储吸热器(3)所获得的热能；所述的换热单元分别与高温储热系统(4)和低温储热系统(15)通过管道连接，同时通过传热介质通道经过一级换热系统(5)、二级换热系统(7)、三级换热系统(11)、四级换热系统(13)释放热量进行逐级放热；所述的热化学系统(6)经过传热介质通道与所述一级换热系统(5)连接并获得热化学反应所需热量制取氢气和氧气；所述的发电单元包括动力循环设备(8)、冷凝器(9)和发电机(10)；所述的一级余热利用系统(12)和二级余热利用系统(14)经过传热介质通道分别与所述三级换热系统(11)和四级换热系统(13)连接，通过循环传热介质逐级释放热量；所述的低温储热系统(15)以固体颗粒为储热介质，通过管道与所述吸热器(3)连接，用于存储经四级换热系统(13)放热后的低温储热介质；所述的电解水制氢系统(16)与所述光伏电池阵列(1)连接对水蒸气进行电解制氢反应生成氢气。
2.根据权利要求1所述的太阳能光热/光伏综合能源梯级利用系统，其特征在于：所述吸热器(3)中的吸热/传热介质为碳化硅颗粒；所述高温储热系统(4)和低温储热系统(15)中的储热介质为碳化硅颗粒。
3.根据权利要求1所述的太阳能光热/光伏综合能源梯级利用系统，其特征在于：所述的太阳能光热包括定日镜场(2)、吸热器(3)、高温储热系统(4)、低温储热系统(15)、一级换热系统(5)、二级换热系统(7)、三级换热系统(11)和四级换热系统(13)；定日镜场(2)将太阳辐射能反射汇聚至吸热器(3)，通过管道将高温传热介质输送至高温储热系统(4)，经管道与换热单元连接，管道中的传热介质经一级换热系统(5)、二级换热系统(7)、三级换热系统(11)和四级换热系统(13)后输送至低温储热系统(15)，再经管道流通至吸热器(3)。
4.根据权利要求1所述的太阳能光热/光伏综合能源梯级利用系统，其特征在于：所述一级换热系统(5)与高温储热系统(4)通过管道连接，所述高温储热系统(4)中的传热介质经过一级换热系统(5)换热后流通至二级换热系统(7)；所述一级换热系统(5)与热化学系统(6)通过管道连接，一级换热系统(5)经换热获得的热量通过传热介质通道传输至热化学系统(6)；所述二级换热系统(7)与一级换热系统(5)通过传热介质通道连接，二级换热系统(7)经换热获得的热量通过传热介质通道传输至发电单元，二级换热系统(7)中的传热介质经换热后通过传热介质通道流通至三级换热级系统(11)；所述三级换热系统(11)与二级换热系统(5)通过传热介质通道连接，三级换热系统(11)经换热获得的热量通过传热介质通道传输至一级余热利用系统(12)，三级换热系统(11)中的传热介质经换热后通过传热介质通道流通至四级换热级系统(13)；所述四级换热系统(13)与三级换热系统(11)通过传热介质通道连接，四级换热系统(13)经换热获得的热量通过传热介质通道传输至二级余热利用系统(14)，四级换热系统(13)中的传热介质经换热后通过传热介质通道传输至低温储热系统(15)；所述一级余热利用系统(12)通过三级换热系统(11)获得的热量用于工业用热，所述二级余热利用系统(14)通过四级换热系统(13)获得的热量用于用户采暖。
5.根据权利要求1所述的太阳能光热/光伏综合能源梯级利用系统，其特征在于：所述的热化学系统(6)反应过程为：金属氧化物与水蒸气利用一级换热系统(5)获得的热能发生氧化还原化学反应，生产氧气和氢气。
6.根据权利要求1所述的太阳能光热/光伏综合能源梯级利用系统，其特征在于：所述的综合能源梯级利用系统在太阳能充足时，利用定日镜场直接供热及储热，光伏电池阵列直接发电及制氢，太阳辐照波动或者无太阳辐照时高温储热器放热，此时光伏电池阵列不再发电及制氢。
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