CN115523113B - 太阳能发电储能系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太阳能发电储能系统，涉及太阳能发电技术领域。太阳能发电储能系统包括碟式太阳能热发电模块和二氧化碳储能发电模块；碟式太阳能热发电模块吸收的太阳能在保持碟式太阳能热发电模块的发电效率在预设范围内的情况下，将剩余热量则存储到二氧化碳储能发电模块的二氧化碳高压储罐中，在碟式太阳能热发电模块停止吸收太阳能发电的情况下，二氧化碳储能发电模块中二氧化碳高压储罐输出之前存储的二氧化碳，推动透平机和发电机透平发电，使发电机的发电效率相对于碟式太阳能热发电模块的发电效率的浮动在预设区间内，实现对太阳能充分利用，满足延时发电和连续发电的需求，也使太阳能发电储能系统发电效率的浮动较小。

Description

太阳能发电储能系统
技术领域
本发明涉及太阳能发电技术领域，具体而言，涉及一种太阳能发电储能系统。
背景技术
随着太阳能利用的发展，国内外走了多种路线。太阳能光热利用与太阳能光伏利用不同，太阳能光伏通过单晶吸收阳光产生直流电，经过逆变器、调相机变成可用交流电；碟式太阳能热发电是通过碟式镜子将太阳光聚集到集热器上，集热器内的导热流体（理想气体）遇到高温膨胀，推动斯特林活塞运动，四缸斯特林的曲轴旋转运动驱动直连发电机直接发出交流电。
国内青海德令哈塔型和浙江中控槽型太阳能光热发电蓄热都使用了陶瓷熔盐蓄热，介质温度低于700℃，塔型和槽型太阳能光热发电之太阳能利用率低于碟式太阳能热发电。
因此，如何提高太阳能的利用率，并使发电效率的浮动较小，这是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的包括提供了一种太阳能发电储能系统，其能够提高太阳能的利用率，并使发电效率的浮动较小。
本发明的实施例可以这样实现：
本发明提供一种太阳能发电储能系统，太阳能发电储能系统包括碟式太阳能热发电模块和二氧化碳储能发电模块；
二氧化碳储能发电模块包括二氧化碳热交换器、二氧化碳低压储罐、二氧化碳高压储罐、透平机和发电机；二氧化碳热交换器连接到碟式太阳能热发电模块上；二氧化碳热交换器、二氧化碳低压储罐、二氧化碳高压储罐以及透平机依次首尾连通；发电机连接到透平机上；
二氧化碳低压储罐输出的二氧化碳通过二氧化碳热交换器吸收碟式太阳能热发电模块内的导热流体的热量，并存储到二氧化碳高压储罐，使碟式太阳能热发电模块的发电效率在预设范围内；
在碟式太阳能热发电模块停止发电的情况下，二氧化碳高压储罐输出存储的二氧化碳驱动透平机、再存储到二氧化碳低压储罐中，使发电机的发电效率相对于碟式太阳能热发电模块的发电效率的浮动在预设区间内。
在可选的实施方式中，发电机的发电效率相对于碟式太阳能热发电模块的发电效率的浮动在5%内。
在可选的实施方式中，碟式太阳能热发电模块用于自身发电的热量与用于存储到二氧化碳储能发电模块的热量之比为1/3~1/5。
在可选的实施方式中，二氧化碳高压储罐的存储压力的上限为15Mpa，储罐容积为50～500m3。
在可选的实施方式中，二氧化碳储能发电模块还包括加压泵和电动机，加压泵连接在二氧化碳低压储罐与二氧化碳热交换器之间的管路上，电动机与加压泵连接，电动机用于驱动加压泵，加压泵用于将二氧化碳低压储罐排出的二氧化碳压缩后注入二氧化碳热交换器。
在可选的实施方式中，二氧化碳储能发电模块还包括第一阀门和第二阀门，第一阀门连接在二氧化碳低压储罐与二氧化碳热交换器之间的管路上，第二阀门连接在二氧化碳热交换器与二氧化碳高压储罐之间的管路上。
在可选的实施方式中，二氧化碳储能发电模块还包括第一流量调节阀，第一流量调节阀连接在二氧化碳热交换器与二氧化碳高压储罐之间的管路上，第一流量调节阀用于调节进入二氧化碳热交换器吸收碟式太阳能热发电模块热量的二氧化碳的流量。
在可选的实施方式中，二氧化碳储能发电模块还包括第二流量调节阀，第二流量调节阀连接在二氧化碳高压储罐与透平机之间的管路上，第二流量调节阀用于调节二氧化碳高压储罐输出用于透平发电的二氧化碳的流量。
在可选的实施方式中，碟式太阳能热发电模块包括碟式斯特林定日跟踪装置、碟式聚光镜、碟式聚热器、斯特林气体膨胀活塞、斯特林气体压缩活塞、斯特林发电机曲轴和斯特林发电机；
碟式斯特林定日跟踪装置用于驱动碟式聚光镜跟着太阳回转运动；碟式聚光镜用于将接受的阳光反射到碟式聚热器上；碟式聚热器内的导热流体受热后膨胀、驱动斯特林气体膨胀活塞推动斯特林发电机曲轴，以带动斯特林发电机发电；斯特林气体压缩活塞用于压缩导热流体、并输送回碟式聚热器。
在可选的实施方式中，二氧化碳热交换器换热至少包覆于斯特林气体压缩活塞，二氧化碳热交换器换热的内壁与斯特林气体压缩活塞的外壁之间形成供二氧化碳通过的通道。
本发明实施例提供的太阳能发电储能系统的有益效果包括：
1.在碟式太阳能热发电模块吸收太阳能发电的过程中，例如白天阳光照射的时候，碟式太阳能热发电模块吸收太阳能充足，在保持碟式太阳能热发电模块的发电效率在预设范围内的情况下，将剩余热量则存储到二氧化碳储能发电模块的二氧化碳高压储罐中，具体的，二氧化碳储能发电模块中的二氧化碳低压储罐输出低温的二氧化碳、并在二氧化碳热交换器中吸收碟式太阳能热发电模块内导热流体的热量，吸热的二氧化碳再存储到二氧化碳高压储罐中，实现收集、存储碟式太阳能热发电模块发电后导热流体的剩余热量；
2.在没有太阳光照射的情况下，例如晚上或阴雨天，碟式太阳能热发电模块停止吸收太阳能发电，此时，二氧化碳储能发电模块中二氧化碳高压储罐输出之前存储的二氧化碳，推动透平机和发电机透平发电，使发电机的发电效率相对于碟式太阳能热发电模块的发电效率的浮动在预设区间内，再将二氧化碳存储到二氧化碳低压储罐中，以便下次吸收碟式太阳能热发电模块发电后导热流体的剩余热量，实现对太阳能充分利用，满足延时发电和连续发电的需求，也使太阳能发电储能系统发电效率的浮动较小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的太阳能发电储能系统的组成示意图；
图2为本发明实施例提供的太阳能发电储能系统存储剩余热量的工作示意图；
图3为本发明实施例提供的太阳能发电储能系统释放剩余热量的工作示意图。
图标：100-太阳能发电储能系统；1-碟式太阳能热发电模块；11-碟式斯特林定日跟踪装置；12-碟式聚光镜；13-碟式聚热器；14-斯特林气体膨胀活塞；15-斯特林气体压缩活塞；16-斯特林发电机曲轴；17-斯特林发电机；2-二氧化碳储能发电模块；21-二氧化碳热交换器；22-二氧化碳低压储罐；221-低压安全阀；222-低压入口；23-二氧化碳高压储罐；231-高压安全阀；232-高压入口；24-透平机；25-发电机；26-加压泵；27-电动机；28-第一阀门；29-第二阀门；30-第一流量调节阀；31-第二流量调节阀。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参考图1，本实施例提供了一种太阳能发电储能系统100，太阳能发电储能系统100包括碟式太阳能热发电模块1和二氧化碳储能发电模块2。
其中，碟式太阳能热发电模块1包括碟式斯特林定日跟踪装置11、碟式聚光镜12、碟式聚热器13、斯特林气体膨胀活塞14、斯特林气体压缩活塞15、斯特林发电机曲轴16和斯特林发电机17。
碟式斯特林定日跟踪装置11与碟式聚光镜12连接，碟式斯特林定日跟踪装置11用于驱动碟式聚光镜12跟着太阳回转运动。
碟式聚光镜12用于将接受的阳光反射到碟式聚热器13上；碟式聚热器13、斯特林气体膨胀活塞14和斯特林气体压缩活塞15依次首尾连接，形成循环回路，循环回路内部填充有导热流体，导热流体可以是理想气体。
碟式聚热器13内的导热流体加热后膨胀、驱动斯特林气体膨胀活塞14，带动斯特林发电机曲轴16做功，从而驱动斯特林发电机17发电，导热流体被送到斯特林气体压缩活塞15的缸体内，并被二氧化碳低压储罐22输出到二氧化碳热交换器21中的低温的二氧化碳降温，降温的导热流体送到碟式聚热器13内，导热流体继续被加热再膨胀，循环往复，斯特林发电机17持续发电，二氧化碳储能发电模块2持续吸收碟式太阳能热发电模块1的剩余热量。
其中，斯特林发电机17可以是双出轴、双离合的发电机，一端连接斯特林发动机，一端连接透平机24，二者交替驱动发电机，进而可以取消发电机25，简化了发电系统。
二氧化碳储能发电模块2包括二氧化碳热交换器21、二氧化碳低压储罐22、二氧化碳高压储罐23、透平机24、发电机25、加压泵26、电动机27、第一阀门28、第二阀门29、第一流量调节阀30和第二流量调节阀31。其中，二氧化碳低压储罐22上配置有低压安全阀221和低压入口222，二氧化碳高压储罐23上配置有高压安全阀231和高压入口232。
二氧化碳热交换器21连接到碟式太阳能热发电模块1上，本实施例中，二氧化碳热交换器21为筒状结构，二氧化碳热交换器21换热至少包覆于斯特林气体压缩活塞15，还可以包覆部分斯特林气体压缩活塞15与碟式聚热器13之间的管路，二氧化碳热交换器21换热的内壁与斯特林气体压缩活塞15的外壁之间以及二氧化碳热交换器21换热的内壁与管路的外壁之间形成供二氧化碳通过的通道，二氧化碳通过通道的过程与斯特林气体压缩活塞15以及管路内的导热流体实现换热。
这样，二氧化碳热交换器21可以方便地安装到碟式太阳能热发电模块1上，而且不需要改变碟式太阳能热发电模块1的设计形式，组装简单方便。
二氧化碳热交换器21、二氧化碳低压储罐22、二氧化碳高压储罐23以及透平机24依次首尾连通；因为二氧化碳高压储罐23需要存储高温高压的二氧化碳，且在太阳能充足的区域，需要存储的高温的二氧化碳的量更多，所以，二氧化碳高压储罐23的存储压力的上限为15Mpa，储罐容积为50～500m3。
发电机25连接到透平机24上；加压泵26连接在二氧化碳低压储罐22与二氧化碳热交换器21之间的管路上，电动机27与加压泵26连接，电动机27用于驱动加压泵26，加压泵26用于将二氧化碳低压储罐22排出的二氧化碳压缩后注入二氧化碳热交换器21。
第一阀门28连接在二氧化碳低压储罐22与二氧化碳热交换器21之间的管路上，第二阀门29连接在二氧化碳热交换器21与二氧化碳高压储罐23之间的管路上。
第一流量调节阀30连接在二氧化碳热交换器21与二氧化碳高压储罐23之间的管路上，第一流量调节阀30用于调节进入二氧化碳热交换器21吸收碟式太阳能热发电模块1热量的二氧化碳的流量，进而影响碟式太阳能热发电模块1的发电量与储热量的比例。这样，实时监控斯特林发电机17的发电效率。
在一个具体的实例下，阳光充足时，本发明碟式太阳能热发电模块1的发电效率可达40kw/h，通过引入二氧化碳储能发电模块2控制实际发电效率为20-25kw/h，其余均转换为热能储存在二氧化碳中。当太阳不充足，实际发电效率低于20-25kw/h时，直接关闭碟式太阳能热发电模块1，启用二氧化碳储能发电模块2发电。
第二流量调节阀31连接在二氧化碳高压储罐23与透平机24之间的管路上，第二流量调节阀31用于调节二氧化碳高压储罐23输出用于透平发电的二氧化碳的流量。现有技术中，由于受制于自然环境的影响，太阳能发电系统无法进行稳定的供电，一种常见的解决方法是将太阳能转化为热能进行储存，再转而进行稳定的发电，而能量的多次转换会导致能耗的增加以及成本的上升。本发明采用多个发电机替换发电模式，将太阳能斯特林发电系统与二氧化碳储能发电系统联用，降低非必要的能量转换，提升能量利用效率的同时获得稳定的发电效率。
能够获得稳定发电效率的同时降低能耗的关键在于如何分配碟式太阳能热发电模块1中用于使斯特林发电机进行发电的热能和利用二氧化碳热交换器21进行储存的热能。发明人经大量研究发现，直径为14m的碟式聚光镜12、斯特林发电机17的功率25kW，将碟式太阳能热发电模块1用于自身发电的热量与用于存储到二氧化碳储能发电模块2的热量之比设置为1/3~1/5在工业上是有利的，也就是说，5~8kW直接发电，其余用于储能。在这个比例下，可以满足以下生产需求：
（1）可以使得碟式太阳能热发电模块1在阳光充足的条件下能够同时满足斯特林发电机的发电需求与阳光非充足条件下二氧化碳储能发电模块2的发电需求，且二者发电效率的差异可以控制在5%以下；
（2）不会造成过多能量多次重复使用造成的能耗上升问题，且整个装置规模可控，成本可控。本实施例中，太阳能发电储能系统100只展示了一个碟式太阳能热发电模块1和一个二氧化碳储能发电模块2，可以想到，在其它实施例中，在太阳能充足的区域，可以在一个碟式太阳能热发电模块1上搭接多个二氧化碳储能发电模块2，提高对太阳能的热量的存储量。
本实施例提供的太阳能发电储能系统100的工作状态包括碟式太阳能热发电模块1发电过程和二氧化碳储能发电模块2发电过程。
请查阅图2，图2中箭头表示导热流体或二氧化碳的流动方向，碟式太阳能热发电模块1发电过程：
在碟式太阳能热发电模块1吸收太阳能发电的过程中，例如白天阳光照射的时候，碟式聚光镜12将接受的阳光反射到碟式聚热器13上，碟式聚热器13内的导热流体加热后膨胀、驱动斯特林气体膨胀活塞14，带动斯特林发电机曲轴16做功，从而驱动斯特林发电机17发电，导热流体被送到斯特林气体压缩活塞15的缸体内，并被二氧化碳低压储罐22输出到二氧化碳热交换器21中的低温的二氧化碳降温，降温的导热流体送到碟式聚热器13内，导热流体继续被加热再膨胀，循环往复，斯特林发电机17持续发电；
同时，二氧化碳低压储罐22输出到二氧化碳热交换器21中的低温的二氧化碳，在二氧化碳热交换器21中升温后存储到二氧化碳高压储罐23中，其中，第一流量调节阀30可以调节存储到二氧化碳高压储罐23中二氧化碳的流量，继而调节二氧化碳储能发电模块2对碟式太阳能热发电模块1的吸热量，并使碟式太阳能热发电模块1的发电效率保持在预设范围内。
请查阅图3，图3中箭头表示导热流体或二氧化碳的流动方向，二氧化碳储能发电模块2发电过程：
在没有太阳光照射的情况下，例如晚上或阴雨天，碟式太阳能热发电模块1停止吸收太阳能发电，此时，二氧化碳储能发电模块2中二氧化碳高压储罐23输出之前存储的高温高压的二氧化碳，推动透平机24和发电机25透平发电，再将降温降压的二氧化碳存储到二氧化碳低压储罐22中，以便下次吸收碟式太阳能热发电模块1发电后导热流体的剩余热量，其中，第二流量调节阀31可以调节二氧化碳高压储罐23输出用于透平发电的二氧化碳的流量，继而使二氧化碳储能发电模块2的发电机25的发电效率相对于碟式太阳能热发电模块1的发电效率的浮动在预设区间内，实现对太阳能充分利用，满足延时发电和连续发电的需求，也使太阳能发电储能系统100发电效率的浮动较小，优选浮动在5%内。
本实施例提供的太阳能发电储能系统100的有益效果包括：
1.通过将碟式太阳能热发电模块1与二氧化碳储能发电模块2结合，能够将碟式太阳能热发电模块1发电后的剩余热量存储到二氧化碳储能发电模块2，以备无太阳光的情况下发电，实现对太阳能充分利用；
2.无太阳光的情况下，将碟式太阳能热发电模块1停止发电，二氧化碳储能发电模块2利用之前存储的二氧化碳发电，且通过调节二氧化碳的流量，实现二氧化碳储能发电模块2的发电机25的发电效率相对于碟式太阳能热发电模块1的发电效率的浮动在预设区间内，实现太阳能发电储能系统100平稳供电的效果；
3.太阳能发电储能系统100的结构形式简单、制造成本低、组装方便。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种太阳能发电储能系统，其特征在于，所述太阳能发电储能系统包括碟式太阳能热发电模块（1）和二氧化碳储能发电模块（2）；
所述二氧化碳储能发电模块（2）包括二氧化碳热交换器（21）、二氧化碳低压储罐（22）、二氧化碳高压储罐（23）、透平机（24）和发电机（25）；所述二氧化碳热交换器（21）连接到所述碟式太阳能热发电模块（1）上；所述二氧化碳热交换器（21）、所述二氧化碳低压储罐（22）、所述二氧化碳高压储罐（23）以及所述透平机（24）依次首尾连通；所述发电机（25）连接到所述透平机（24）上；
所述二氧化碳低压储罐（22）输出的二氧化碳通过所述二氧化碳热交换器（21）吸收所述碟式太阳能热发电模块（1）内的导热流体的热量，并存储到所述二氧化碳高压储罐（23），使所述碟式太阳能热发电模块（1）的发电效率在预设范围内；
所述碟式太阳能热发电模块（1）包括碟式斯特林定日跟踪装置（11）、碟式聚光镜（12）、碟式聚热器（13）、斯特林气体膨胀活塞（14）、斯特林气体压缩活塞（15）、斯特林发电机曲轴（16）和斯特林发电机（17）；
所述碟式斯特林定日跟踪装置（11）用于驱动所述碟式聚光镜（12）跟着太阳回转运动；所述碟式聚光镜（12）用于将接受的阳光反射到所述碟式聚热器（13）上；所述碟式聚热器（13）内的导热流体受热后膨胀、驱动所述斯特林气体膨胀活塞（14）推动所述斯特林发电机曲轴（16），以带动所述斯特林发电机（17）发电；所述斯特林气体压缩活塞（15）用于压缩导热流体、并输送回所述碟式聚热器（13）；
所述二氧化碳热交换器（21）换热至少包覆于所述斯特林气体压缩活塞（15），所述二氧化碳热交换器（21）换热的内壁与所述斯特林气体压缩活塞（15）的外壁之间形成供二氧化碳通过的通道；
在所述碟式太阳能热发电模块（1）停止发电的情况下，所述二氧化碳高压储罐（23）输出存储的二氧化碳驱动所述透平机（24）、再存储到所述二氧化碳低压储罐（22）中，使所述发电机（25）的发电效率相对于所述碟式太阳能热发电模块（1）的发电效率的浮动在预设区间内；
所述二氧化碳储能发电模块（2）还包括第一流量调节阀（30），所述第一流量调节阀（30）连接在所述二氧化碳热交换器（21）与所述二氧化碳高压储罐（23）之间的管路上，所述第一流量调节阀（30）用于调节进入所述二氧化碳热交换器（21）吸收所述碟式太阳能热发电模块（1）热量的二氧化碳的流量，所述碟式太阳能热发电模块（1）用于自身发电的热量与用于存储到所述二氧化碳储能发电模块（2）的热量之比为1/3~1/5。
2.根据权利要求1所述的太阳能发电储能系统，其特征在于，所述发电机（25）的发电效率相对于所述碟式太阳能热发电模块（1）的发电效率的浮动在5%内。
3.根据权利要求1所述的太阳能发电储能系统，其特征在于，所述二氧化碳高压储罐（23）的存储压力的上限为15Mpa，储罐容积为50～500m3。
4.根据权利要求1所述的太阳能发电储能系统，其特征在于，所述二氧化碳储能发电模块（2）还包括加压泵（26）和电动机（27），所述加压泵（26）连接在所述二氧化碳低压储罐（22）与所述二氧化碳热交换器（21）之间的管路上，所述电动机（27）与所述加压泵（26）连接，所述电动机（27）用于驱动所述加压泵（26），所述加压泵（26）用于将所述二氧化碳低压储罐（22）排出的二氧化碳压缩后注入所述二氧化碳热交换器（21）。
5.根据权利要求1所述的太阳能发电储能系统，其特征在于，所述二氧化碳储能发电模块（2）还包括第一阀门（28）和第二阀门（29），所述第一阀门（28）连接在所述二氧化碳低压储罐（22）与所述二氧化碳热交换器（21）之间的管路上，所述第二阀门（29）连接在所述二氧化碳热交换器（21）与所述二氧化碳高压储罐（23）之间的管路上。
6.根据权利要求1所述的太阳能发电储能系统，其特征在于，所述二氧化碳储能发电模块（2）还包括第二流量调节阀（31），所述第二流量调节阀（31）连接在所述二氧化碳高压储罐（23）与所述透平机（24）之间的管路上，所述第二流量调节阀（31）用于调节所述二氧化碳高压储罐（23）输出用于透平发电的二氧化碳的流量。
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