一种用于太阳能光热发电系统的储热系统及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及太阳能光热发电【技术领域】，具体是一种用于太阳能光热发电系统的储热系统及其控制方法,包括集热场、热罐、冷罐和换热装置，所述集热场的出口通过第一管道连接至管道阀门A，再由管道阀门A连接至所述热罐的入口；所述热罐的出口通过第二管道连接至换热装置的入口；所述换热装置的出口通过第三管道连接至所述冷罐的第一入口；所述冷罐的出口通过第四管道连接至所述集热场的入口，本发明储热系统与控制方法主要针对太阳能光热发电系统中包含存储熔融盐的冷、热罐装置，在热罐入口处新增一条通往冷罐的旁路；通过控制熔融盐流动方向，实现在光照强度过剩情况下，最大限度地存储及利用过剩太阳能，同时有效控制热罐存储液位。
【专利说明】-种用于太阳能光热发电系统的储热系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及太阳能光热发电【技术领域】，具体是一种用于太阳能光热发电系统的储 热系统及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 太阳能集热发电是一种可集中进行规模化发电的清洁能源方式。槽式系统是目前 太阳能集热发电方式当中，技术成熟度和商业化验证度最高的。太阳能热发电所需要的热 源全部来自于太阳光照，而太阳光照在一天内各个时间点的光照强度存在很大差异，当系 统所吸收的太阳能不能满足太阳能热发电所需要的热量，导致汽轮机发电量不稳定，对电 网造成巨大冲击。如何保证太阳能热发电持续稳定的发电是当前能源世界的中大难题，为 了解决系统不稳定问题，一般情况下将蓄热系统引入到发电系统中。由于发电工况随时改 变，因此为保持输出功率的稳定，太阳能光热电站的储热系统的设计和控制方法就显得尤 为重要。
[0003] 在利用太阳能这种间歇性资源的光热发电技术中，如何有效存储太阳能以满足全 天持续发电需求是一个重要的问题。目前光热发电系统中对于过剩太阳辐射造成热罐储热 容积到达上限之后的控制策略，一般都采用控制集热场散焦弃光的控制策略。如专利申请 号为CN201010568311.X，申请日为2010-12-01，名称为"大规模全钒液流储能电池系统及 其控制方法和应用"的发明专利，其技术方案为：本发明涉及全钒液流储能电池系统集成领 域，特别是大规模全钒液流储能电池系统设计及其相应的运行控制方法。大规模全钒液流 储能电池系统由若干个不同或者相同功率规模的电池单元系统组成，单元系统之间通过液 体管路连接，通过调节液体连接管路上阀门以及电池模块的进出口阀门，实现电池系统不 同功率规模、不同容量需求的运行模式，以及全钒液流储能电池单元系统的独立运行。上述 方法和现有的方向类似，均无法最大限度的利用太阳能资源，导致在太阳能光照资源最丰 富的时段光热发电系统没有以最大能力捕获太阳能，使得光热发电的效率下降，经济性降 低。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述问题，现提出一种能最大效率地合理利用太阳能资源，在过剩太阳 辐射造成热罐储热容积到达上限之后，避免采用光场散焦弃光方法达到控制热罐内储热熔 融盐质量目的的一种用于太阳能光热发电系统的储热系统及其控制方法。
[0005] 为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下： 一种用于太阳能光热发电系统的储热系统，其特征在于：包括集热场、热罐、冷罐和换 热装置，所述集热场的出口通过第一管道连接至管道阀门A，再由管道阀门A连接至所述热 罐的入口；所述热罐的出口通过第二管道连接至换热装置的入口；所述换热装置的出口通 过第三管道连接至所述冷罐的第一入口；所述冷罐的出口通过第四管道连接至所述集热场 的入口，所述集热场的出口处通过第一管道连接至旁路第七管道，再通过旁路第七管道连 接至管道阀门B，再由管道阀门B通过第六管道连接至所述冷罐的第二入口。
[0006] 储热系统的热罐和冷罐中的导热介质与集热场的导热流体均为熔融盐。
[0007] -种用于太阳能光热发电系统的储热系统的控制方法，其特征在于： 第一步，热罐内当前时刻存储熔融盐质量m为参考输入，设定热罐存储熔融盐上限为L，存储熔融盐下限为Mmin，并且0 <Mmin <M_ ;当太阳能光照加热集热场且所述热罐内存 储熔融盐已达到上限，即m彡M_时，关闭热罐的入口处的管道阀门A，同时打开冷罐的第二 入口处配置的管道阀门B，使加热后的熔融盐汇入至冷罐中； 第二步，熔融盐汇入至冷罐后，当热罐内存储熔融盐在设定热罐存储熔融盐上下限之 间，即lin〈m〈M_时，控制系统保持管道阀门A和管道阀门B状态不变； 第三步，熔融盐继续汇入至冷罐，在有太阳能光照加热集热场的情况下，热罐内存储熔 融盐随发电系统的运行下降至下限，即m<Mmin时，打开热罐入口处的管道阀门A，同时关闭 冷罐的第二入口处配置的管道阀门B，使热罐能够继续储热； 第四步，当热罐内存储熔融盐在设定热罐存储熔融盐上下限之间时，即Mmin〈m〈M_时， 保持管道阀门A和管道阀门B状态不变； 当即m>M_后，再继续循环执行第一步。
[0008] 所述管道阀门A和管道阀门B均为通过电信号控制其开和关的电动阀门。
[0009] 本发明的优点在于： 1、本发明储热系统与控制方法主要针对太阳能光热发电系统中包含存储熔融盐的冷、 热罐装置，在热罐入口处新增一条通往冷罐的旁路；通过控制熔融盐流动方向，实现在光照 强度过剩情况下，最大限度地存储及利用过剩太阳能，同时有效控制热罐存储液位。
[0010] 2、常规散焦控制策略虽然能够完成对热罐存储熔融盐质量的控制，但是通过散焦 控制损失了对日间丰富光照资源的利用率，本发明在达到控制热罐存储熔融盐质量的同 时，不通过将集热场散焦来减少光热发电系统对光照资源吸收效率，而是通过在热罐存储 熔融盐到达上限时改变熔融盐流向，将经集热场加热后的热熔融盐导入冷罐中，提升冷罐 熔融盐温度，到达合理利用过剩光照资源的目的。
[0011] 3、通过该控制方法能够有效控制在日间热罐存储熔融盐质量维持在设定的热罐 存储熔融盐上限与下限之间，并且由于槽式光热发电系统内除去熔融盐损耗，熔融盐常规 存储介质仅冷罐与热罐，当热罐存储熔融盐质量得到有效控制的同时，也保证冷罐在日间 系统运行中，不会出现熔融盐耗尽的情况。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明储热系统的结构示意图。
[0013] 图2为本发明储热系统控制方法的控制流程图。
[0014] 图3为本发明中的熔融盐流向互补关系曲线图。
[0015] 图4为本发明中的热罐内存储熔融盐质量变化曲线图。
[0016] 图5为本发明中的冷罐内存储熔融盐质量变化曲线图。
[0017] 图6为本发明中的冷罐内存储熔融盐温度变化曲线图。
【具体实施方式】
[0018] 实施例1 一种用于太阳能光热发电系统的储热系统包括集热场、热罐、冷罐和换热装置，所述集 热场的出口通过第一管道连接至管道阀门A，再由管道阀门A连接至所述热罐的入口；所述 热罐的出口通过第二管道连接至换热装置的入口；所述换热装置的出口通过第三管道连接 至所述冷罐的第一入口；所述冷罐的出口通过第四管道连接至所述集热场的入口，所述集 热场的出口处通过第一管道连接至旁路第七管道，再通过旁路第七管道连接至管道阀门B， 再由管道阀门B通过第六管道连接至所述冷罐的第二入口。
[0019] 实施例2 一种用于太阳能光热发电系统的储热系统包括集热场、热罐、冷罐和换热装置，所述集 热场的出口通过第一管道连接至管道阀门A，再由管道阀门A连接至所述热罐的入口；所述 热罐的出口通过第二管道连接至换热装置的入口；所述换热装置的出口通过第三管道连接 至所述冷罐的第一入口；所述冷罐的出口通过第四管道连接至所述集热场的入口，所述集 热场的出口处通过第一管道连接至旁路第七管道，再通过旁路第七管道连接至管道阀门B， 再由管道阀门B通过第六管道连接至所述冷罐的第二入口。储热系统的热罐和冷罐中的导 热介质与集热场的导热流体均为熔融盐。
[0020] 实施例3 一种用于太阳能光热发电系统的储热系统的控制方法， 第一步，热罐内当前时刻存储熔融盐质量m为参考输入，设定热罐存储熔融盐上限为lax，存储熔融盐下限为Mmin，并且0彡Mmin彡Mmax ; 当太阳能光照加热集热场且所述热罐内存储熔融盐已达到上限，即m>M_时，关闭热 罐的入口处的管道阀门A，同时打开冷罐的第二入口处配置的管道阀门B，使加热后的熔融 盐汇入至冷罐中； 第二步，熔融盐汇入至冷罐后，当热罐内存储熔融盐在设定热罐存储熔融盐上下限之 间，即lin〈m〈M_时，控制系统保持管道阀门A和管道阀门B状态不变； 第三步，熔融盐继续汇入至冷罐，在有太阳能光照加热集热场的情况下，热罐内存储熔 融盐随发电系统的运行下降至下限，即m<Mmin时，打开热罐入口处的管道阀门A，同时关闭 冷罐的第二入口处配置的管道阀门B，使热罐能够继续储热； 第四步，当热罐内存储熔融盐在设定热罐存储熔融盐上下限之间时，即Mmin〈m〈M_时， 保持管道阀门A和管道阀门B状态不变； 当即m>M_后，再继续循环执行第一步。
[0021] 实施例4 一种用于太阳能光热发电系统的储热系统的控制方法， 第一步，热罐内当前时刻存储熔融盐质量m为参考输入，设定热罐存储熔融盐上限为lax，存储熔融盐下限为Mmin，并且0彡Mmin彡Mmax ; 当太阳能光照加热集热场且所述热罐内存储熔融盐已达到上限，即m>M_时，关闭热 罐的入口处的管道阀门A，同时打开冷罐的第二入口处配置的管道阀门B，使加热后的熔融 盐汇入至冷罐中； 第二步，熔融盐汇入至冷罐后，当热罐内存储熔融盐在设定热罐存储熔融盐上下限之 间，即Mmin〈m〈M_时，控制系统保持管道阀门A和管道阀门B状态不变； 第三步，熔融盐继续汇入至冷罐，在有太阳能光照加热集热场的情况下，热罐内存储熔 融盐随发电系统的运行下降至下限，即m<Mmin时，打开热罐入口处的管道阀门A，同时关闭 冷罐的第二入口处配置的管道阀门B，使热罐能够继续储热； 第四步，当热罐内存储熔融盐在设定热罐存储熔融盐上下限之间时，即Mmin〈m〈M_时， 保持管道阀门A和管道阀门B状态不变； 当即m>M_后，再继续循环执行第一步。
[0022] 所述管道阀门A和管道阀门B均为通过电信号控制其开和关的电动阀门。
[0023] 实施例5 一种用于太阳能光热发电系统的储热系统，其特征在于：包括集热场、热罐、冷罐和换 热装置，所述集热场的出口通过第一管道连接至管道阀门A，再由管道阀门A连接至所述热 罐的入口；所述热罐的出口通过第二管道连接至换热装置的入口；所述换热装置的出口通 过第三管道连接至所述冷罐的第一入口；所述冷罐的出口通过第四管道连接至所述集热场 的入口，所述集热场的出口处通过第一管道连接至旁路第七管道，再通过旁路第七管道连 接至管道阀门B，再由管道阀门B通过第六管道连接至所述冷罐的第二入口。
[0024] 储热系统的热罐和冷罐中的导热介质与集热场的导热流体均为熔融盐。
[0025] -种用于太阳能光热发电系统的储热系统的控制方法，其特征在于： 第一步，热罐内当前时刻存储熔融盐质量m为参考输入，设定热罐存储熔融盐上限为lax，存储熔融盐下限为Mmin，并且0彡Mmin彡Mmax ; 当太阳能光照加热集热场且所述热罐内存储熔融盐已达到上限，即m>M_时，关闭热 罐的入口处的管道阀门A，同时打开冷罐的第二入口处配置的管道阀门B，使加热后的熔融 盐汇入至冷罐中； 第二步，熔融盐汇入至冷罐后，当热罐内存储熔融盐在设定热罐存储熔融盐上下限之 间，即lin〈m〈M_时，控制系统保持管道阀门A和管道阀门B状态不变； 第三步，熔融盐继续汇入至冷罐，在有太阳能光照加热集热场的情况下，热罐内存储熔 融盐随发电系统的运行下降至下限，即m<Mmin时，打开热罐入口处的管道阀门A，同时关闭 冷罐的第二入口处配置的管道阀门B，使热罐能够继续储热； 第四步，当热罐内存储熔融盐在设定热罐存储熔融盐上下限之间时，即Mmin〈m〈M_时， 保持管道阀门A和管道阀门B状态不变； 当即m>M_后，再继续循环执行第一步。
[0026] 所述管道阀门A和管道阀门B均为通过电信号控制其开和关的电动阀门。
[0027] 实施例6 在光照强度过剩情况下，当热罐内存储熔融盐已达到上限时，传统控制策略在此时通 常采用控制集热场的集热器进行散焦控制，降低经集热场熔融盐流入热罐的流量，由此防 止热罐发生溢罐。但这样会损失对日间丰富光照资源的利用率，降低太阳能光热发电系统 的发电效率以及经济性。本发明提出了一种新的太阳能光热发电系统的储热系统结构及其 控制方法。
[0028] 如图1所示该种用于太阳能光热发电系统的储热系统，包括集热场(装置1)、热罐 (装置2)、换热装置(装置3)和冷罐(装置4)。在太阳能光热发电站设计上进行了改进，上 述集热场的出口通过第一管道连接至管道阀门A，再由管道阀门A连接至上述热罐的入口； 上述集热场的出口处通过第一管道连接至旁路第七管道，再通过旁路第七管道连接至管道 阀门B，再由管道阀门B通过第六管道连接至上述冷罐的第二入口。通过控制管道阀门A与 管道阀门B开合，控制熔融盐流动方向。
[0029] 在光照强度过剩情况下，当热罐内存储熔融盐已达到上限时，常规控制策略在此 时通常采用控制集热场的集热器进行散焦控制，降低集热场输出的热熔融盐流入热罐的流 量，同时由于热罐输出流入换热发电系统用于换热发电的热熔融盐流量恒定情况下，达到 控制热罐内存储熔融盐质量低于上限值的目的。本发明中太阳能光热发电系统的储热控制 方法为，通过关闭热罐的入口处配置的管道阀门A，打开上述冷罐的第二入口处配置的管道 阀门B，将加热后的熔融盐汇入冷罐，使冷罐作为过剩太阳能存储装置。当热罐内存储熔融 盐下降至下限时，打开热罐的入口处配置的管道阀门A，关闭上述冷罐的第二入口处配置的 管道阀门B，恢复热罐储热状态。
[0030] 具体控制方法如图2所示： 第一步，以上述热罐内存储熔融盐质量m为参考输入，设定上述热罐存储熔融盐上限 (U，以及存储熔融盐下限（U并且〇 M"x。
[0031] 第二步，在有太阳能光照加热集热场的情况下，且上述热罐内存储熔融盐已达到 上限，即m彡M_时，控制系统关闭上述热罐的入口处配置的上述管道阀门A，同时打开上述 冷罐的第二入口处配置的上述管道阀门B，使加热后的熔融盐汇入冷罐。当上述热罐内存储 熔融盐在设定热罐存储熔融盐上下限之间，即时，控制系统保持上述管道阀门A 和上述管道阀门B状态不变。
[0032] 第三步，在有太阳能光照加热集热场的情况下，当上述热罐内存储熔融盐随发电 系统的运行下降至下限，即m<Mmin时，控制系统打开上述热罐的入口处配置的管道阀门A， 同时关闭上述冷罐的第二入口处配置的管道阀门B，使热罐能够继续储热。
[0033] 第四步，当上述热罐内存储熔融盐在设定热罐存储熔融盐上下限之间，即 Mmin〈m〈M_时，控制系统保持上述管道阀门A和上述管道阀门B状态不变。当即m彡M_后， 再继续循环执行第一步。
[0034] 如图3所示，1号坐标系为热罐存储熔融盐质量，2号坐标系为流向热罐熔融盐流 量，3号坐标系为流向冷罐熔融盐流量。可以看到以热罐内存储熔融盐质量为参考输入，以 热罐内存储熔融盐总容量的95%作为滞环控制上限，存储熔融盐总容量的85%作为滞环控 制下限。热罐内存储熔融盐已达到上限，即m> 95%时，流向热罐熔融盐流量降低至零，集 热场输出熔融盐流向冷罐。反之，当热罐内存储熔融盐下降至下限，即m< 85%时，流向冷 罐熔融盐流量降低至零，集热场输出熔融盐流向热罐。当热罐内存储熔融盐在设定热罐存 储熔融盐上下限之间，即85%〈m〈95%时，熔融盐流向控制保持当前状态。由此可得，运用本 发明的太阳能光热发电系统的储热系统结构及其控制方法，太阳能光热发电系统能够有效 地控制熔融盐流动方向。
[0035] 如图4所示，通过该控制方法能够有效控制在日间热罐存储熔融盐质量占总容积 的85~95%之间，并且由于槽式光热发电系统内除去熔融盐损耗，熔融盐常规存储介质仅冷 罐与热罐，当热罐存储熔融盐质量得到有效控制的同时，也保证冷罐在日间系统运行中，不 会出现熔融盐耗尽的情况，如图5所示，冷罐内存储熔融盐质量维持在5~15%。
[0036] 如图6所示，通过利用冷罐对过剩太阳能进行存储，在正常状态下冷罐内以及从 换热发电系统流回冷罐的熔融盐温度均为290°C左右。而当太阳能光照强度过剩情况下，例 如在夏季光照资源比较丰富时段，采用本发明的控制方法时，通过冷罐储热控制算法可将 冷罐内存储熔融盐温度从290°C提升至370°C。这意味着光热发电的储热系统存储了更多 的热量可用于发电。
[0037] 由此可以看出，本发明的优点在于：常规散焦控制策略虽然能够完成对热罐存储 熔融盐质量的控制，但是通过散焦控制损失了对日间丰富光照资源的利用率，本发明在达 到控制热罐存储熔融盐质量的同时，不通过将集热场散焦来减少光热发电系统对光照资源 吸收效率，而是在热罐入口处新增一条通往冷罐的旁路，在热罐存储熔融盐到达上限时改 变熔融盐流向，实现了控制热罐熔融盐液位的功能；同时将过剩太阳能存储于冷罐相比散 焦控制对太阳能光热资源有着更高的利用率，能够延长光热发电系统发电时间；最后在太 阳能光热发电系统工程设计中，冷罐与热罐间隔距离通常较近，新增旁路所带来的工程成 本代价很小。
[0038] Mmin和Mmax的设定跟光热电站的额定设计值有关，m为当前时刻热罐内实际存储的 熔融盐质量，M_是我们设定的控制逻辑内，启动冷罐储热控制策略的热罐内存储的熔融盐 质量上限值，Mmin是我们设定的控制逻辑内，停止冷罐储热控制策略的热罐内存储的熔融盐 质量下限值，正常情况下应满足关系Mmin <m<M_。M_和Mmin的选取可以根据实际运行 经验,并满足0 < <M_即可，例如热罐能够存储熔融盐的最大质量（即热罐 容积)，Mmax=85%*热罐能够存储熔融盐的最大质量。
【权利要求】
1. 一种用于太阳能光热发电系统的储热系统，其特征在于：包括集热场、热罐、冷罐和 换热装置，所述集热场的出口通过第一管道连接至管道阀门A，再由管道阀门A连接至所述 热罐的入口；所述热罐的出口通过第二管道连接至换热装置的入口；所述换热装置的出口 通过第三管道连接至所述冷罐的第一入口；所述冷罐的出口通过第四管道连接至所述集热 场的入口，所述集热场的出口处通过第一管道连接至旁路第七管道，再通过旁路第七管道 连接至管道阀门B，再由管道阀门B通过第六管道连接至所述冷罐的第二入口。
2. 根据权利要求1所述的一种用于太阳能光热发电系统的储热系统，其特征在于：储 热系统的热罐和冷罐中的导热介质与集热场的导热流体均为熔融盐。
3. 根据权利要求1或2所述的一种用于太阳能光热发电系统的储热系统的控制方法， 其特征在于： 第一步，热罐内当前时刻存储熔融盐质量m为参考输入，设定热罐存储熔融盐上限为 lax，存储熔融盐下限为Mmin，并且0彡Mmin彡Mmax ; 当太阳能光照加热集热场且所述热罐内存储熔融盐已达到上限，即m > Mmax时，关闭热 罐的入口处的管道阀门A，同时打开冷罐的第二入口处配置的管道阀门B，使加热后的熔融 盐汇入至冷罐中； 第二步，熔融盐汇入至冷罐后，当热罐内存储熔融盐在设定热罐存储熔融盐上下限之 间，即lin <m〈Mmax时，控制系统保持管道阀门A和管道阀门B状态不变； 第三步，熔融盐继续汇入至冷罐，在有太阳能光照加热集热场的情况下，热罐内存储熔 融盐随发电系统的运行下降至下限，即m < Mmin时，打开热罐入口处的管道阀门A，同时关闭 冷罐的第二入口处配置的管道阀门B，使热罐能够继续储热； 第四步，当热罐内存储熔融盐在设定热罐存储熔融盐上下限之间时，即Mmin <m〈Mmax时， 保持管道阀门A和管道阀门B状态不变； 当即m > Mmax后，再继续循环执行第一步。
4. 根据权利要求3所述的一种用于太阳能光热发电系统的储热系统的控制方法，其特 征在于：所述管道阀门A和管道阀门B均为通过电信号控制其开和关的电动阀门。
【文档编号】F24J2/34GK104236130SQ201410375633
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2014年8月1日
【发明者】吴建东, 刘征宇, 周宏林, 冯玲 申请人:中国东方电气集团有限公司