CN116938127A - 一种电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化系统 - Google Patents
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Abstract
一种电、热输出比例可调节的聚光光伏‑光热一体化系统，属于太阳能利用技术领域。所述光伏/光热一体化装置包含光电转换模块和光热转换模块，具有集成化和可切换的特征。通过机械旋转装置可实现光电转换模块和光热转换模块在空间上翻转，以达到聚光镜聚光的能流可以通过旋转的方式依次投射到两个模块上，实现单个装置的电、热输出类型的物理切换。最后将规模化的电、热输出可切换的光伏/光热装置进行串并联，通过单个装置光电转换、光热转换模式的切换，实现整个系统电、热的柔性输出。一体化系统可实现kW和MW级的规模，具有近0‑100％的电、热比例调节能力，可提高系统出力与需求的匹配性，减少储能利用，降低系统成本。
Description
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，尤其涉及一种新型的电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化系统。
背景技术
当前，太阳能已成为利用最广泛的可再生能资源之一。太阳能发电的方式主要有两种，光伏发电和光热发电。光伏发电系统利用半导体材料的光伏效应进行发电，具有效率较高、系统简单灵活的优势。光热发电系统则利用聚光器、吸热器将太阳辐射能量转化为热能，通过传统的热力循环方式进行发电。光伏和光热两种发电方式有着不同的特点，在各国的持续推动下，均呈现迅速发展的趋势。从能源利用层面，由于技术理论限制，无论是光伏还是光热发电，太阳能到单一的能量形式转变存在利用率低的现状。从需求层面，在建筑、工厂等场景下，电、热两种能量形式为大多数需求中皆必要的能源形式。同时，电、热需求随时间、场景等存在波动性和可变性，叠加太阳能自身的不稳定特性，实现供给匹配的重要性决定了系统运行的稳定、经济。因此，在太阳能多能转化高效利用的需求下，电、热输出可调节、节省空间的聚光太阳能光伏热一体化利用系统具有重要的意义。
传统的光伏热系统(例如专利201210192791.3)在光伏电池板背面增加冷却装置，通过余热回收方式同时具有电、热输出。通过调节流量以改变热质的出口温度，该光伏热系统具有有限的电、热输出比例可调的能力。但是，光伏电池板的温度与冷却介质的流量密切相关。由于光伏电池(例如晶硅电池)效率与温度呈现负相关，温度超过一定数值(硅电池到达85℃)以上发电效率极大衰减，使得热质温度受到极大限制。为了实现热质温度与电池温度的解耦，太阳能分光谱利用受到关注。专利201710527277公开了一种分频式低倍聚光光伏-高倍聚光光热/热电耦合的太阳能全光谱利用系统。该专利利用了选择性透射玻璃实现光电、光热分开转化，但不具备系统电、热输出比例主动可调节的能力。专利201410801519.X公开了一种光热、光伏一体化系统，通过反射镜的运动实现聚光投射到光热吸热器或光伏组件上，但未能实现电池余热回收且多一级反射镜增加了光学损失。专利201310087426.0公开了一共通过调整聚光器结构实现电、热输出分配的聚光系统，但聚光镜的复杂位置变化实际上会造成聚光不精确等问题，同时造成能量损失，效率衰减，甚至影响系统运行稳定性。另一方面，由于聚光器件的成本占比较大(例如聚光光热电站中，聚光器成本占比40％)，采用专门设计的聚光器会大大增加系统成本。综上所述，目前现存的光伏热技术无法同时满足高效率、电热输出可调节、稳定的要求，这使得一体化的光电、光热接收装置且具有电、热输出可调节能力的聚光光伏-光热一体化系统更具有技术可行性和成本的潜力。
发明内容
本发明提出一种可调节电、热输出比例的光伏/光热一体化系统。其目的在于，当外部需求的电、热比例发生变化时，通过物理方式切换器件的运行模式，改变单个装置光电、光热的输出形式，进而调度整个接收系统中光电、光热形式器件比例，实现全系统近0-100％的电、热比例调节能力，提高系统出力与需求的匹配性，提高储能利用率，降低系统成本。
具体的技术方案如下：
电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化系统，其特征为：采用电、热输出可切换的光伏/光热装置，基于可旋转一体化接收模块(11)，通过旋转装置(113)实现光电转换模块(111)和光热转换模块(112)在空间上翻转，达到聚光镜(12)聚光的能流可以通过旋转的方式依次投射到两个模块上，实现单个装置的电、热输出类型的物理切换。最后将规模化的电、热输出可切换的光伏/光热装置进行串并联，通过单个装置光电转换、光热转换模式的切换，实现整个系统电、热的柔性输出。
优选为：所述太阳能接收场由一定数量的太阳能接收装置组成，不同装置间光伏模块、光热模块分别串并联，用于电和热的输出。聚光的形式可采用且不限于槽式聚光、碟式聚光、菲涅尔聚光或塔式聚光系统。
优选为：聚光镜聚集太阳光后将能流投射到可旋转一体化接收模块上，该可旋转一体化接收模块中的旋转装置通过金属旋转力臂连接在聚光镜支架上，旋转机械装置支撑光伏电池模块、光热吸收器模块；通过旋转机械装置改变光电转化模块和光热转换模块的 位置，实现聚光能流根据运行策略改变照射在光电转化模块或光热转换模块上，实现太阳 能接收装置运行在光电转换或光热转换两种模式上。
优选为：所述太阳能接收装置包括光电转换和光热转换两种模式：当光电转换模式运行时，光电转换模块置于下侧正对聚光镜，光热转换模块置于上侧不运行，聚光能流照射在光电转换模块中的光伏电池上，实现光电转换和电力输出；当光热转换模式运行时，光热转换模块置于下侧正对聚光镜，光电转换模块置于上侧可接收直接来自太阳的非聚光能流，实现非聚光光伏发电；聚光能流照射在光热转换模块的接收器上，通过结构内热流介质吸收太阳能升温，实现光热转换和热输出。
优选为：所述光电转换模块的光伏电池包括但不限于硅电池、砷化镓电池、钙钛矿电池。
优选为：光伏电池背面配备有冷却结构，一方面可以冷却电池提高效率，另一方面可以收集废热，实现梯级利用。
优选为：所述光热转换模块的接收器，包括但不限于商用真空管、圆柱腔体、类球型腔体、专用接收器。
优选为：所述光热转换模式下的热输出可以直接加热产生高温高压蒸汽并通过汽轮机的朗肯循环方式进行直接发电；或可以通过加热熔融盐等方式进行储热后发电，以实现削峰填谷等能源调度；也可以直接以热交换的方式通过供热管道输送到用户侧。
本发明还公开一种电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化储能方法，包括上述的电、热输出比可调节的聚光光伏-光热一体化系统；其特征为：可旋转一体化接收模块(11)集成了光电、光热两种转换输出方式，通过机械旋转方式实现输出类型在电输出和热输出上切换；当光电转换模式运行时，光电转换模块置于下侧正对聚光镜，光热转换模块置于上侧不运行，聚光能流照射在光电转换模块中的光伏电池上，实现光电转换和电力输出；当光热转换模式运行时，光热转换模块置于下侧正对聚光镜，光电转换模块置于上侧可接收直接来自太阳的非聚光能流，实现电力输出；聚光能流照射在光热转换模块的接收器上，通过结构内热流介质吸收太阳能升温，实现光热转换和热输出。
本发明还公开一种采用上述的电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化储能方法获得的光电、光热能量应用于供电、储热系统中。
有益效果
(1)通过太阳能接收场中接收装置的数量变化，用于不同规模和类型的聚光太阳能热电联产系统。
(2)提供的太阳能接收装置，具有可切换的理念，可以通过模式变化实现电能、热能柔性输出，且两种模式运行互不影响效率，同时光电模式和光热模式分别可产出温度不同的热能，可实现太阳能的梯级利用。
(3)本发明充分结合现实中电、热比例实时变化而专门进行太阳能光电、光热可切换集成设计，实现1)通过单一装置集成实现光电转换、光热转换两种模式；2)通过对接收装置不同运行模式数量整体控制，可实现全系统0-100％电、热比调节，显著增强了系统的应用范围；3)仅采用储热进行全系统的能量进行存储，简化了系统构成降低了系统成本。
(4)提出的系统可完全兼容商业化成熟的聚光镜，无需聚光结构的变化，不影响系统整体成本。
附图说明
图1为槽式聚光下可调节电、热输出比例的光伏/光热一体化系统；
图2为槽式聚光下电、热输出可切换的光伏/光热装置；
图3为槽式聚光下实现切换的旋转装置；
图4为槽式聚光下光热转换模式示意图；
图5为光热转换模式下接收器接收太阳能能流分布；
图6为槽式聚光下光电转换模式示意图；
图7为光电转换模式下光伏电池接收太阳能能流分布；
图8为两种运行模式的切换条件；
图9为槽式可切换复合系统与传统槽式光热系统的电网渗透率与度电成本对比；
图10为线性菲涅尔聚光下装置处于光热转换模式时示意图；
图11为线性菲涅尔聚光下装置处于光电转换模式时示意图。
附图标记说明：
1-太阳能接收场，11-可旋转一体化接收模块，111-光电转换模块，1111-光伏电池，1112-电池冷却结构，1113-反射镜，112-光热转换模块，113-旋转装置，1131-金属旋转力臂，1132-旋转机械装置，114-旋转装置支撑，12-聚光镜，13-聚光镜支架，2-储热系统，3-发电系统，4-输电系统。
具体实施方式
本发明提供了一种电、热输出比可调节的聚光光伏-光热一体化系统，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
实施例一
请参照图1所示，一种可调节电、热输出比例的光伏/光热一体化系统采用槽式聚光器，太阳能接收场(1)采用槽式聚光形式，将输出的电能直接用于电网需求(4)，将输出的热能存储于储热模块(2)，以在需要时通过发电模块(3)转换为电能或直接输出热能。所述的槽式聚光可切换电、热输出的太阳能接收装置如图2所示，聚光支架(13)支撑抛物面聚光镜(12)和可旋转一体化接收器(11)等部件。可旋转一体化接收模块(11)包括光电转换模块(111)、光热转换模块(112)、旋转装置(113)、旋转装置支撑(114)。旋转装置(113)固定光伏模块(111)和光热转换模块(112)的形式如图3所示，通过金属旋转力臂(1131)连接各个部件，通过旋转机械装置(1132)实现两个模块的翻转。装置运行于光热转换模式下如图4所示，光热转换模块(112)位于聚光镜(12)焦点上，接收聚光能流并通过热流介质转换成热能，光电转换模块(111)背面的反光镜(1113)可反射部分溢出的能流到光热转换模块(112)上，此时光热转换模块(112)上的能流分布如图5所示。光电转换模块(111)处于非聚光运行模式下，光伏电池(1111)表面正对太阳，直接接收来自太阳的非聚光辐照产生电能，无法完全转换成电能的剩余能量通过电池冷却模块(1112)吸收并转换成热能利用。装置运行于光电转换模式时如图6所示，光电转换模块(111)正对聚光镜(12)，光伏电池(1111)处于聚光镜(14)焦点上，接收聚光能流并产生电能，聚光能流在光伏电池(1111)上的能流分布如图7所示。电池冷却模块(112)吸收光伏电池(111)预热并转换成热能利用。光热转换模块(112)此时不位于聚光镜(12)的焦点上，不产生热能。根据用户侧电、热需求变化，太阳能接收场(1)实时改变运行光电转换模式和光热转换模式的装置数量，从而实现系统级别的柔性电、热输出。
两种模式的切换条件依据以下运行策略进行，如图8所示。为了最大限度的利用可再生资源和产生更高效率的电力输出，对于全天第n小时，分别获得一体化接收器(11)在光电转换模块(111)的发电功率(其中P表示功率，n表示第n小时，cpv表示光电转换模块)和光热转换模块(112)的发电功率(/>其中P表示功率，n表示第n小时，csp-pv表示光热转换模块)，并根据输入太阳辐照大小可分别计算光电转换模块(111)的发电效率(/>其中η表示效率，n表示第n小时，cpv表示光电转换模块)和光热转换模块(112)的发电效率(其中η表示效率，n表示第n小时，csp-pv表示光热转换模块)。运行策略共有五种运行方式，以下详细说明：
方式一：在第n小时，如果接收模块(11)在光电转化效率大于光热发电总效率/>即/>此时可旋转一体化接收器(11)优先使用光电转换模块(111)发电，即光电转换模式下运行。根据太阳能接收场(1)所有接收模块都运行在光电模式下的总发电量(/>其中P表示功率，n表示第n小时，tcpv表示所有接收模块都运行在光电模式下)超过负载的功率需求(/>其中P表示功率，n表示第n小时，load表示负载)，即此时仅保留恰好满足负载电力需求的可旋转一体化接收器(11)处于光电模式直接发电，调整剩余可旋转一体化接收器(11)转换为光热模式，光热转换模块(112)产生热能被储热模块(2)存储。系统各种参数描述如公式(1)所示：
除了已说明的简称外，其中out表示输出，i表示接收装置(11)的数量，total表示总的接收装置(11)，Q表示热能，n+1表示第n+1小时，tes表示储热模块(2)，in表示储热输入。则表示整个系统在第n小时向外的输出功率，/>表示太阳能接收场(1)中在第n小时接收装置(11)运行在光电转换模式下的光电转换模块(111)的发电功率之和，/>表示在第n小时负载所需求的功率，icsp-pv表示太阳能接收场(1)中接收装置(11)运行在在光热转换模式下的光热转换模块(112)的数量，表示太阳能接收场(1)中接收装置(11)的总数量，icpv表示太阳能接收场(1)中接收装置(11)运行在在光电转换模式下的光电转换模块(111)的数量，/>表示在n+1小时储热模块(2)存储的总热能，/>表示在n小时储热模块(2)存储的总热能，/>表示在n小时太阳能接收场(1)运行在在光热转换模式下的光热转换模块(112)向储热模块(2)输入的热能。
方式二：在光电转化效率大于光热发电总效率/>的条件下，即如果全部太阳能接收场(1)在光电模式下的总发电量/>不满足负载需求即/>此时太阳能接收场(1)中所有的可旋转一体化接收器(11)均处于光电模式直接发电，并调用储热模块(2)中存储的热能使用发电模块(3)进行热发电补偿不足的部分。如果储热模块(2)存储的热能可以补足当前负载需求，则不需要外部电网额外补偿，系统总发电量仍可满足负载需求。系统各种参数描述如公式(2)所示：
除了已说明的简称外，h表示热。则表示在第n小时储热模块(2)向外输出的热能，/>表示热能经过发电模块(3)转化成电能的效率，/>表示在第n小时储热模块(2)向外输出的热能并转化成的电能功率。
方式三：在光电转化效率大于光热发电总效率/>的条件下，即如果全部太阳能接收场(1)在光电模式下的总发电量/>不满足负载需求即/>此时太阳能接收场(1)中所有的可旋转一体化接收器(11)均处于光电模式直接发电，并调用储热模块(2)中存储的热能使用发电模块(3)进行热发电补偿不足的部分。如果储热模块(2)存储热能不足以满足当前负载需求，则需要外部电网补偿剩余需求。系统各种参数描述如公式(3)所示：
方式四：上述情况为光电转化效率大于光热发电总效率的条件，在冬季或早晚等太阳入射角较低和辐照较弱时往往采用上述三种模式切换。另外，如果光电转化效率小于光热发电总效率/>即/>此时太阳能接收场(1)中所有的可旋转一体化接收器(11)优先使用光热转换模块(112)发电。如果全部太阳能接收场(1)在光热模式下的总发电量/>和储热模块(2)存储热能发电之和可以补足当前负载需求，则不需要外部电网功能。系统各种参数描述如公式(4)所示：
方式五：在光电转化效率小于光热发电总效率/>的条件下，即此时太阳能接收场(1)中所有的可旋转一体化接收器(11)优先使用光热转换模块(112)发电。如果全部太阳能接收场(1)在光热模式下的总发电量/>如果加上储热模块(2)存储热能发电量不足以满足当前负载需求，则需要外部电网补充剩余需求。该情况为模式五。系统各种参数描述如公式(5)所示：
根据国内典型太阳辐照数据针对提出的新系统采用上述运行策略，图9展示了经过技术经济性分析后传统的聚光光热系统与提出的新型系统的系统度电成本(LCOE)对比。采用的公式如下：
其中inv表示投资，t表示在第t年，el表示发电，i表示折损(0.05)，则Cinv表示系统直接总投资，At表示在第t年的运行、维护等非直接费用，表示在运行周期n年中的非直接费用之和，Mel,t表示在第t年系统的总发电量，/>表示在系统总运行周期n年中的发电量之和。结果表明，电、热输出比可调节的聚光光伏-光热一体化系统可将系统渗透率提高24.8％，度电成本降低8.8％，显著提升太阳能利用能力。
实施例二
请参照图10所示，一种可调节电、热输出比例的光伏/光热一体化系统采用线性菲涅尔聚光器。为了适应不同的电、热需求场景，本实施例采用线性菲涅尔聚光结构，可输出相比于槽式更低的热能温度，降低了系统成本，实现与实施例一的有效互补。线性菲涅尔聚光镜(12a)直接铺装在地面上，通过旋转装置支撑(114)将可旋转一体化接收模块(11)固定在一定高度。可旋转一体化接收模块(11)的切换方式、条件与实施例一相同，具有光热转换模式(图9)和光电转换模式(图11)。
本发明通过可旋转一体化接收模块实现了太阳能接收器件在光电转换和光热转化上的变换，可通过同一器件实现电、热输出柔性化调节。减少了中间传输环节降低了损失；针对不同地区、季节、全天时段变化，系统均可以选择最优效率运行，提升了全年发电量降低度电成本；电、热输出比可调节的聚光光伏-光热一体化系统仅需要成本低的储热作为唯一储能配置，大大减少储能成本，有利于太阳能复合电站的推广应用，提升可再生能源消纳能力。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (10)
1.一种新型的电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化系统，其特征在于：采用电、热输出可切换的光伏/光热装置，基于可旋转一体化接收模块(11)，通过旋转装置(113)实现光电转换模块(111)和光热转换模块(112)在空间上翻转，达到聚光镜(12)聚光的能流通过旋转的方式依次投射到两个模块上，实现单个装置的电、热输出类型的物理切换；最后将规模化的电、热输出可切换的光伏/光热装置进行串并联，通过单个装置光电转换、光热转换模式的切换，实现整个系统电、热的柔性输出。
2.根据权利要求1所述的一种新型的电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化系统，其特征在于：聚光镜聚集太阳光后将能流投射到可旋转一体化接收模块上，该可旋转一体化接收模块中的旋转装置通过金属旋转力臂连接在聚光镜支架上，旋转机械装置支撑光伏电池模块、光热吸收器模块；通过旋转机械装置改变光电转化模块和光热转换模块的位置，实现聚光能流根据运行策略改变照射在光电转化模块或光热转换模块上，实现光电转换或光热转换两种模式。
3.根据权利要求1所述的一种新型的电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化系统，其特征在于：所述太阳能接收装置包括光电转换和光热转换两种模式：当光电转换模式运行时，光电转换模块置于下侧正对聚光镜，光热转换模块置于上侧不运行，聚光能流照射在光电转换模块中的光伏电池上，实现光电转换和电力输出；当光热转换模式运行时，光热转换模块置于下侧正对聚光镜，光电转换模块置于上侧可接收直接来自太阳的非聚光能流，实现非聚光光伏发电；聚光能流照射在光热转换模块的接收器上，通过结构内热流介质吸收太阳能升温，实现光热转换和热输出。
4.根据权利要求1所述的一种新型的电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化系统，其特征在于：所述光热转换模式下的热输出直接加热产生高温高压蒸汽并通过汽轮机的朗肯循环方式进行直接发电；或通过加热熔融盐等方式进行储热后发电，以实现削峰填谷等能源调度；或直接以热交换的方式通过供热管道输送到用户侧。
5.根据权利要求1所述的一种新型的电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化系统，其特征在于，所述光电转换模块(111)的光伏电池类型包含但不限于晶硅电池、砷化镓电池、钙钛矿电池，几何形态包括但不限于电池阵列模块为方形、圆形和正多边形。
6.根据权利要求1所述的一种新型的电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化系统，其特征在于，所述聚光镜的类型包含但不限于槽式、塔式、菲涅尔式、线性菲涅尔式、碟式。
7.根据权利要求1所述的一种新型的电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化系统，其特征在于，所述光电转换模块(111)的冷却结构包含且不限于肋片、翅片、微通道。
8.根据权利要求1所述的一种新型的电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化系统，其特征在于，所述光热转换模块(112)的几何结构包含但不限于真空管、圆柱腔体、类球型腔体。
9.一种电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化储能方法，包括权利要求1所述的电、热输出比可调节的聚光光伏-光热一体化系统；其特征为：可旋转一体化接收模块(11)集成了光电、光热两种转换输出方式，通过机械旋转方式实现输出类型在电输出和热输出上切换；当光电转换模式运行时，光电转换模块置于下侧正对聚光镜，光热转换模块置于上侧不运行，聚光能流照射在光电转换模块中的光伏电池上，实现光电转换和电力输出；当光热转换模式运行时，光热转换模块置于下侧正对聚光镜，光电转换模块置于上侧可接收直接来自太阳的非聚光能流，实现电力输出；聚光能流照射在光热转换模块的接收器上，通过结构内热流介质吸收太阳能升温，实现光热转换和热输出。
10.采用权利要求9所述的电、热输出比例可调节的聚光光伏-光热一体化储能方法获得的光电、光热能量应用于供电、储热系统中。
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- 2023-07-26 CN CN202310928318.5A patent/CN116938127A/zh active Pending
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| CN117823985B (zh) * | 2024-03-06 | 2024-05-31 | 山西启远思行能源科技有限公司 | 一种复合型蓄能供暖供冷系统 |
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