CN115200233A - 一种太阳能光伏光热混合发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能光伏光热混合发电系统，包括点聚光太阳能集热器、线聚光太阳能集热器、热泵、电加热器、高温储罐、低温储罐、蒸汽发生器、汽轮机发电系统、光伏发电系统，传热介质经过所述线聚光太阳能集热器加热后，流入所述热泵，经过热泵作用将传热介质热量传递给从所述低温储罐出来的储热介质，加热后的高温储热介质进入所述电加热器进一步加热，最后进入高温储罐；从所述低温储罐出来的部分储热介质进入点聚光太阳能集热器，被加热后流入高温储罐；从高温储罐出来的储热介质进入所述蒸汽发生器，加热水工质产生高温蒸汽，高温蒸汽进入所述汽轮机发电系统中做功发电；所述热泵以及电加热器所需电能来自于所述光伏发电系统。

Description

一种太阳能光伏光热混合发电系统

技术领域

本发明涉及太阳能发电利用，尤其涉及一种太阳能光伏光热混合发电系统。

背景技术

随着传统化石能源的巨大消耗，人们正面对日益严峻的能源与环境问题。新的能源技术革命要从提高能源利用效率以及优化能源消费结构着手。提高非化石能源比例，特别是可再生能源比例对于未来的能源和环境有着重要的意义。可再生能源已经被作为新一代能源技术的战略制高点。可再生能源包括水能、风能、太阳能、生物质能、地热能和海洋能等。其中太阳能分布广泛，安全清洁，总量巨大，取之不尽用之不竭，受到了广泛关注，是可再生能源中的重要组成部分。

随着我国能源安全与碳减排要求逐渐提高，清洁低碳的光伏和风力发电装机持续增长，电力系统进入高比例可再生能源并网的时代。高比例光伏风电出力的强波动性与随机性将对电力系统灵活性提出更高要求，其通过电力电子装置并网带来系统低惯量与安全稳定等问题，新能源的大规模消纳成了一个亟需突破的难点。

太阳能热发电的原理是利用吸收器将聚焦太阳光转化为高温热能，作为动力循环的热源，产生机械能，带动发电机组发电。太阳能热发电技术集发电与大容量储能为一身，是具有灵活调节能力的可再生能源。在高比例风电光伏并网下能够发挥调峰、调频、备用等作用。未来光热发电应作为电力系统重要的清洁灵活调节电源，成为高比例可再生能源基地重要的组成部分。随着可再生能源利用比例的大幅增加，太阳能热发电可作为基础负荷以及调峰电源，对提高电网对光伏、风电等不稳定的可再生能源的消纳能力具有重要作用。

常见太阳能热发电形式点聚光和线聚光两种聚光集热形式。点聚光太阳能集热器主要有塔式、碟式等，其特点为聚光比高，集热温度高，但成本较高。线聚光太阳能集热器有槽式、线性菲涅尔式等，其主要特点为聚光比和集热温度相对较低，同时成本也低。太阳能热发电可以通过廉价的储热，提高发电时长和效率，具有良好的电力输出稳定性和可调度性。

太阳能热发电技术种类较多，目前逐步成熟，进入商业化阶段，但是成本依然较高，竞争力不强，亟需进行技术创新以提高效率和降低成本。太阳能热发电工作温度越高，效率越高。以蒸汽朗肯循环为例，汽轮机的蒸汽参数从530℃提高到550℃，其热耗将下降1%，对于100兆瓦的机组，全年可增加发电量近400万千瓦时；当蒸汽参数达到620℃时，发电效率可达48%，大幅高于目前太阳能热发电站中的朗肯循环效率（~40%）。

综上，目前太阳能发电技术面临的主要问题是：光伏发电成本较低，但波动性大，电网消纳成为其进一步发展的瓶颈，若配备电池储能，则成本高，难以盈利；太阳能热发电输出稳定，但是造价高，需进一步提高工作温度及发电效率。

发明内容

本发明针以上太阳能发电所面临的问题，提出了一种太阳能光伏光热混合发电系统，利用光伏发电系统不能被电网消纳的余电提高储热介质温度。一方面通过提高储热温度实现更高的发电效率，另一方面将光伏发电系统所产生的“弃电”进行储能，根据电网需要再通过热功转换输出。本发明的具体方案如下：

一种太阳能光伏光热混合发电系统，其特征在于包括点聚光太阳能集热器、线聚光太阳能集热器、热泵、高温储罐、低温储罐、蒸汽发生器、汽轮机发电系统，其特征在于所述线聚光太阳能集热器与所述热泵的低温热源侧相连，即所述线聚光太阳能集热器出口与所述热泵的低温热源侧进口相连，所述热泵的低温热源侧出口与所述线聚焦太阳能集热器进口相连；所述低温储罐出口与所述热泵的高温热源侧进口相连，所述热泵的高温热源侧出口与所述高温储罐进口相连；所述低温储罐出口与所述点聚太阳能集热器的进口相连，所述点聚光太阳能集热器的出口与所述高温储罐进口相连；所述高温储罐出口与所述蒸汽发生器热侧进口相连，所述蒸汽发生器热侧出口与所述低温储罐进口相连；所述汽轮机发电系统的水工质出口与所述蒸汽发生器冷侧进口相连，所述蒸汽发生器冷侧出口与所述汽轮机发电系统的水工质进口相连。

传热介质在所述线聚光太阳能集热器中被加热，进入所述热泵中作为低温热源提供热量；从所述低温储罐出来的储热介质进入所述热泵高温热源侧被加热，再进入所述高温储罐。经过热泵作用，将原先温度较低的传热介质的热量传递给温度较高的储热介质，提高所述蒸汽发生器的工作温度，提高系统效率，同时将所述热泵消耗的电能以热能的形式进行存储。从所述低温储罐出来的另一路储热介质进入所述点聚光太阳能集热器加热，再进入所述高温储罐。所述蒸汽发生器利用高温储热介质加热从所述汽轮机发电系统出来的水工质，产生高温蒸汽，再进入所述汽轮机发电系统做功发电。

进一步，本发明还包括电加热器，所述热泵的高温热源侧出口连接所述电加热器进口，所述电加热器出口连接所述高温储罐进口。作为优选，所述点聚光太阳能集热器出口连接所述电加热器进口，所述电加热器出口再连接所述高温储罐进口。利用电加热器进一步加热储热介质，提高储热介质温度，将电能以热能的形式存储。

进一步，本发明还包括光伏发电系统，所述电加热器以及所述热泵消耗的电能来自于光伏发电系统，将光伏发电系统不能被电网消纳的余电用于加热储热介质，提高储热介质温度，同时将该部分电能以热能的形式进行存储。

作为优选，所述点聚光太阳能集热器包括塔式、碟式，所述线聚光太阳能集热器包括槽式、线性菲涅尔式。所述传热介质为导热油、熔盐、水工质、空气、液态金属中的任一种，所述储热介质为熔盐、固体颗粒中任一种。

作为优选，所述热泵的高温热源侧出口分为两路，一路连接所述高温储罐进口，另一路连接所述点聚光太阳能集热器的进口。当所述热泵不工作或者热泵出口储热介质温度较低时，储热介质进入所述点聚光太阳能集热器中进一步加热，提高温度，最后再进入所述高温储罐中存储。

本发明利用成本相对较低的线聚光太阳能集热器加热传热介质，作为热泵的低温热源加热高温储热介质，同时通过电加热器进一步加热高温储热介质。热泵以及电加热器所需电能由光伏发电系统提供。本发明一方面提高储热介质温度，提高后续汽轮机发电系统的工作温度，进而提高发电效率；另一方面将光伏发电系统不能被电网消纳的多余电量以热能的形式进行存储，根据电网需求在阴天或者夜间通过汽轮机发电系统对外输出电能。

本发明中所述热泵是指利用电能将低温热源的热量传递给高温热源的装置，例如从线聚光太阳能集热器中出来的传热介质温度为400℃，经过热泵作用可将传热介质的热量传递给高温储热介质，经热泵加热后的高温储热介质温度可达500℃以上；所述蒸汽发生器是利用高温热源将液态水加热蒸发及过热的装置，一般包括预热器、蒸发器、汽包、过热器、再热器等；所述汽轮机发电系统是指利用高温高压蒸汽进行做功发电的系统，主要包括蒸汽轮机、凝汽器、抽汽回热器、给水泵等。

附图说明

图1是具体实施例1的示意图；

图2是具体实施例2的示意图；

图3是具体实施例3的示意图；

图4是具体实施例4的示意图；

图中：1-线聚光太阳能集热器；2-点聚光太阳能集热器；3-热泵；4-高温储罐；5-低温储罐；6-蒸汽发生器；7-汽轮机发电系统；8-光伏发电系统；9-电加热器；10-三通阀。

具体实施方式

实施例1

本发明提出一种太阳能光伏光热混合发电系统，如图1所示，包括线聚光太阳能集热器1、点聚光太阳能集热器2、热泵3、高温储罐4、低温储罐5、蒸汽发生器6、汽轮机发电系统7、光伏发电系统8。线聚焦太阳能集热器1出口与热泵3的低温热源侧进口相连，热泵3的低温热源侧出口与线聚焦太阳能集热器1进口相连。低温储罐5出口分为两路，一路与热泵3的高温热源侧进口相连，另一路与点聚光太阳能集热器2进口相连。热泵3的高温热源侧出口与高温储罐4的进口相连，点聚光太阳能集热器2出口与高温储罐4进口相连。高温储罐4出口与蒸汽发生器6热侧进口相连，蒸汽发生器6热侧出口与低温储罐5的进口相连。汽轮机发电系统7的水工质出口与蒸汽发生器6冷侧进口相连，蒸汽发生器6冷侧出口与汽轮机发电系统7的水工质进口相连。

传热介质在线聚光太阳能集热器1中被加热至约400℃，进入热泵3中作为低温热源提供热量，用于加热从低温储罐5出来的储热介质至500-600℃。被热泵3加热后的储热介质进入高温储罐4进行存储。根据发电需求，利用高温储罐4中存储的高温储热介质在蒸汽发生器6中加热水工质成高温高压蒸汽，用于汽轮机发电系统7进行发电。经过热泵3作用，将原先温度较低的传热介质的热量传递给温度较高的储热介质，进而提高所述蒸汽发生器6的工作温度，提高汽轮机发电系统7的效率，同时将热泵3消耗的电能以热能的形式进行存储。光伏发电系统8发出电量一部分与汽轮机发电系统7所发出电量共同对外输出电能；另一部分光伏所发电量用于热泵3，即热泵3消耗的电能来自于光伏发电系统8所产生的电量。通过本发明案例可将光伏不能被电网消纳的部分电量用于热泵，转化成高温热能进行存储。

实施例2

如图2所示，在实施例1的基础上增设电加热器9，从热泵3高温热源侧出口连接电加热器9进口，电加热器9出口连接高温储罐4进口。储热介质经过热泵3加热后，再通过电加热器9进行加热，可进一步提高储热介质温度。电加热器9通过电阻将电能直接转化为热能存储在储热介质中，其结构简单可靠，加热温度高。

实施例3

如图3所示，在实施方式1的基础上，增设三通阀10。三通阀10进口与热泵3高温热源侧出口相连。三通阀10的一路出口与高温储罐4的进口相连，另一路出口与点聚光太阳能集热器2进口相连。当光伏发电系统8供给热泵3的电量不足时，经过热泵3加热后的储热介质温度没有达到设计温度，通过调节三通阀10使得储热介质流入点聚光太阳能集热器2中继续加热，提高温度后进入高温储罐4中。

实施例4

如图4所示，在实施方式1的基础上增设电加热器9，从热泵3高温热源侧出口连接电加热器9进口，点聚光太阳能集热器2出口连接电加热器9进口，电加热器9出口连接高温储罐4进口。储热介质经过热泵3加热后，再通过电加热器9进行加热，可进一步提高储热介质温度。同时从点聚光太阳能集热器2出来的储热介质经过电加热器9进一步加热，提高储热介质温度。电加热器9通过电阻将电能直接转化为热能存储在储热介质中，其结构简单可靠，加热温度高。

上述具体实施例1-4仅是本发明的部分实施案例，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员对相关技术特征作出等同的更改或替换的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。本说明书未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种太阳能光伏光热混合发电系统，其特征在于包括点聚光太阳能集热器、线聚光太阳能集热器、热泵、高温储罐、低温储罐、蒸汽发生器、汽轮机发电系统，其特征在于所述线聚光太阳能集热器与所述热泵的低温热源侧相连，即所述线聚光太阳能集热器出口与所述热泵的低温热源侧进口相连，所述热泵的低温热源侧出口与所述线聚焦太阳能集热器进口相连；所述低温储罐出口与所述热泵的高温热源侧进口相连，所述热泵的高温热源侧出口与所述高温储罐进口相连；所述低温储罐出口与所述点聚太阳能集热器的进口相连，所述点聚光太阳能集热器的出口与所述高温储罐进口相连；所述高温储罐出口与所述蒸汽发生器热侧进口相连，所述蒸汽发生器热侧出口与所述低温储罐进口相连；所述汽轮机发电系统的水工质出口与所述蒸汽发生器冷侧进口相连，所述蒸汽发生器冷侧出口与所述汽轮机发电系统的水工质进口相连。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热混合发电系统，其特征在于传热介质在所述线聚光太阳能集热器中被加热，进入所述热泵中作为低温热源提供热量；从所述低温储罐出来的储热介质进入所述热泵高温热源侧被加热，再进入所述高温储罐；从所述低温储罐出来的储热介质进入所述点聚光太阳能集热器加热，再进入所述高温储罐；所述蒸汽发生器加热从所述汽轮机发电系统出来的水工质，产生高温蒸汽，再进入所述汽轮机发电系统做功发电。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热混合发电系统，其特征在于还包括电加热器，所述热泵的高温热源侧出口连接所述电加热器进口，所述电加热器出口连接所述高温储罐进口。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热混合发电系统，其特征在于还包括光伏发电系统，所述热泵所需电能来自于所述光伏发电系统。

5.根据权利要求3所述的一种太阳能光伏光热混合发电系统，其特征在于还包括光伏发电系统，所述热泵和所述电加热器所需电能来自于所述光伏发电系统。

6.根据权利要求1、2、3、4或5中任一所述的一种太阳能光伏光热混合发电系统，其特征在于所述点聚光太阳能集热器包括塔式、碟式，所述线聚光太阳能集热器包括槽式、线性菲涅尔式。

7.根据权利要求1、2、3、4或5中任一所述的一种太阳能光伏光热混合发电系统，其特征在于所述传热介质为导热油、熔盐、水工质、空气、液态金属中的任一种，所述储热介质为熔盐、固体颗粒中的任一种。

8.根据权利要求1、2或4中任一所述的一种太阳能光伏光热混合发电系统，其特征在于所述热泵的高温热源侧出口分为两路，一路连接所述高温储罐进口，另一路连接所述点聚光太阳能集热器的进口。

9.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏光热混合发电系统，其特征在于还包括电加热器，所述电加热器进口连接所述点聚光太阳能集热器出口及所述热泵的高温热源测出口，所述电加热器出口连接所述高温储罐进口。

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