太阳能光热发电设备的制作方法

本发明涉及太阳能技术领域，具体涉及一种太阳能光热发电设备。

背景技术

光热发电是一种传统的利用太阳能发电的技术形式，具有发电效率高、系统输出电网可纳特性以及发电规模效益明显等优势。

碟式太阳能发电系统采用碟(盘)状抛物镜面对太阳光束进行点聚焦集热，加热传热工质。被加热的工质将热能传输给热机驱动发电机发电，从而实现热电转换。该系统一般包括前端的直径10-15米的聚光镜、跟踪控制器、集热器、冷却装置、热电转换装置，以及后端的变电装置、交流稳压装置等。碟式太阳热发电系统由于能达到最大的聚焦比，运行温度高达900℃，因而具有较高的发热效率(斯特林发电机效率可达29.4％)，并且可以模块化生产和安装，独立运行，对场地要求较低，可作为边远地区的小型电源，通常输出功率为10-30kw。

碟式太阳能发电系统的优势在于因地制宜、发电效率高、模块化程度高等，但如同其他光热系统，如塔式、槽式等，对光照依赖程度很大，并有或多或少的弃光问题。且由于大部分碟式太阳能发电采用斯特林电机，价格昂贵，技术要求过高，因而成本上不具备竞争优势，而且斯特林电机机组结构紧凑，太阳光热直接加热发动机的加热器，没有储能装置。

现阶段有一些结合储能装置的技术方案，但大部分都是用于实时发电技术(斯特林机)的输出平滑等，小规模的储能装置一般是与发电部件整合，这在一定程度上限定了总体储热容量，因而无法做到夜间长时间持续供热转电。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种太阳能光热发电设备，以解决现有技术中碟式太阳能发电系统无法做到夜间长时间持续供热转电的问题。

本发明实施例提供了一种太阳能光热发电设备，包括碟式聚光镜，集热管，集热器，热电转换模块和储能模块，其中：

集热管设置在碟式聚光镜的上方；集热器设置在碟式聚光镜的下方，与碟式聚光镜通过集热管连接；热电转换模块与集热器连接；储能模块与热电转换模块并行连接。

可选地，储能模块为储热罐，包括：储热单元和保温层；储热罐的材质包括不锈钢、碳钢或者强度大于预定阈值的塑料；储热单元的储热材料由骨架材料、相变材料和导热增强材料按照预定配比组成；保温层的材料包括高温硅酸针刺棉、岩棉、聚氨酯发泡材料中至少之一。

可选地，还包括第一确定模块和第二确定模块，其中：第一确定模块用于根据所需发电功率确定设备需要储存的热量；第二确定模块用于根据热量确定碟式聚光镜的台数和聚光直径。

可选地，设备还包括传热工质；传热工质为导热油，熔融盐和空气其中的一种。

可选地，当传热工质为空气时，设备还包括：第一进风口，设置在集热器的一端；第二进风口，设置在储能模块和集热器之间；第一出风口和第二出风口，设置在储能模块和热电转换模块之间；第三出风口，设置在热电转换模块和集热器之间；其中，第二进风口、第一出风口、第二出风口和第三出风口均用三通阀与设备的传热管道连接；第一进风口和第二进风口用于吸入第一温度的空气；第一出风口用于排出第二温度的空气；第二出风口用于排出第三温度的空气；第三出风口用于排出第四温度的空气；第一温度低于所述第二温度。

可选地，当传热工质为导热油或熔融盐时，设备还包括：第一循环泵，设置在储能模块和热电转换模块之间；第二循环泵，设置在储能模块和集热器之间；第一循环泵和第二循环泵均用于加速传输传热工质。

可选地，骨架材料包括金属氧化物，陶瓷或卵石中的至少一者；相变材料包括碳酸钠、碳酸钾和碳酸锂其中至少一者；或硝酸钠、硝酸钾和硝酸锂其中至少一者；导热增强材料为石墨或碳化硅粉末。

可选地，还包括：第一冷却装置，设置在热电转换模块和储能模块之间；第二冷却装置，设置在储能模块和集热器之间；第一冷却装置和第二冷却装置均用于使传热工质降温。

可选地，还包括：第一控制器，设置在集热器和储能模块形成的通道之间；第二控制器，设置在集热器和热电转换模块形成的通道之间；第一控制器和第二控制器用于控制传热工质的流量。

可选地，热电转换模块采用蒸汽轮机实现热-功-电转换。

1、本发明实施例提供的一种太阳能光热发电设备，包括碟式聚光镜，集热管，集热器，热电转换模块和储能模块，其中：集热管设置在碟式聚光镜的上方；集热器设置在碟式聚光镜的下方，与碟式聚光镜通过集热管连接；热电转换模块与集热器连接；储能模块与热电转换模块并行连接。通过改造传统碟式太阳能发电机，结合基于中高温相变材料的储热模块和热电转换模块，合理设计传热工质吸热-传热-释热-降温的可控循环回路。在光照充足时，储热和发电两个模块并行工作；在夜间及光照不足时，两模块形成串行闭合回路，利用储热材料释放热量进行补充，持续发电，以增加系统的稳定性，实现分时可持续发电，一方面减少弃光情况，提高光热利用率；另一方面能有效解决碟式太阳能设备对光照的依赖。

2、本发明实施例提供的一种太阳能光热发电设备，还包括传热工质；传热工质为导热油，熔融盐和空气其中的一种。在本实施例中，除前述实施方式提到的导热油和空气，传热工质还能采用熔融盐。不同工作温度区段的储能模块与相应传热工质的搭配，例如前述第一实施方式中所需热量较多，采用高温相变材料作为储热材料，空气作为传热工质；第二实施方式中需求的热量较少，因此采用中温相变材料作为储热材料，导热油作为传热工质。根据所需发电量的多少确定系统能够储存多少热量，再选取合适的储热材料及传热工质，根据传热工质的不同选择，搭配不同的传热管路设备的搭配，达到系统建设经济效益的最大化。

3、本发明实施例提供的一种太阳能光热发电设备，骨架材料包括金属氧化物，陶瓷或卵石中的至少一者；相变材料包括碳酸钠、碳酸钾和碳酸锂其中至少一者；或硝酸钠、硝酸钾和硝酸锂其中至少一者；导热增强材料为石墨或碳化硅粉末。选取不同材料的骨架材料和相变材料，例如金属氧化物，陶瓷和卵石中选取1-2种，碳酸钠、碳酸钾和碳酸锂中选取1-2种，优化配方以满足不同的储热密度、潜热和相变温度等要求；同时添加石墨、碳化硅粉末等导热增强材料以提高复合材料的导热性。请参考前述实施方式中储热材料的构成配比，根据不同的应用场景，储热材料可根据具体温度要求进行选型和配方优化。

4、本发明实施例提供的一种太阳能光热发电设备，还包括：第一冷却装置，设置在热电转换模块和储能模块之间；第二冷却装置，设置在储能模块和集热器之间；第一冷却装置和第二冷却装置均用于使传热工质降温。传热工质为导热油和熔融盐的情况下，在传热工质经过热电转换模块以后，设置冷却装置和对传热工质进行降温，避免长期运行后高温传热工质损伤传热管道，提高系统的使用寿命。

5、本发明实施例提供的一种太阳能光热发电设备，还包括：第一控制器，设置在集热器和储能模块形成的通道之间；第二控制器，设置在集热器和热电转换模块形成的通道之间；第一控制器和第二控制器用于控制传热工质的流量。考虑到日间有光照、日间无光照及夜间供电需求，分配设置储能模块和热电转换模块之间的传热工质流量比，以达到系统最优的运行方式。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例中一种太阳能光热发电设备的结构示意图；

图2为本发明实施例中另一种太阳能光热发电设备的结构示意图；

图中附图标记表示为：1-碟式聚光镜，2-集热管，3-集热器，4-热电转换模块，5-储能模块，6-第一确定模块，7-第二确定模块，8-第一进风口，9-第二进风口，10-第一出风口，11-第二出风口，12-第三出风口，13-第一循环泵，14-第二循环泵，15-第一冷却装置，16-第二冷却装置，17-第一控制器，18-第二控制器。

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。基于本发明中的实施例，本领域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。

本发明实施例提供了一种太阳能光热发电设备，如图1所示，包括碟式聚光镜1，集热管2，集热器3，热电转换模块4和储能模块5，其中：

集热管2设置在碟式聚光镜1的上方；集热器3设置在碟式聚光镜1的下方，与碟式聚光镜1通过集热管2连接；热电转换模块4与集热器3连接；储能模块5与热电转换模块4并行连接。

在本实施例中，碟式聚光镜1与位于抛物面底部的集热器3连接，反射的太阳光线汇聚到集热管2，加热吸收管(加热传热管道一部分)内的传热工质达到700℃以上高温。集热管2内的传热工质将一部分热量输送至储能模块5；将另一部分热量输送至热电转换模块4，用于发电。

在具体实施例中，在集热器3和储能模块5之间的传热管道之间设置一个三通阀门，如图1所示，该三通阀门在日间有光照的情况下开启，分别将收集到的热量传输至储能模块5和热电转换模块4，用于维持日间发电；当时间为夜间或日间无光照时，三通阀门关闭，或仅关闭与集热器3连接的一端，此时聚光镜1和集热器3不参与运行，由储能模块5为热电转换模块4提供热量，从而实现无光照条件下的供电。

本发明实施例中提供的一种太阳能光热发电设备，由碟式聚光镜和集热器采集热量，经传热管道将热量分别传输至储能模块和热电转换模块，其中集热器与储能模块、集热器与热电转换模块分别形成两路连接，而储能模块与热电转换模块之间也由传热管道连接，有光照的情况下，由集热器采集到的热量为热电转换模块提供热能；无光照情况下(包括日间及夜间)，由储能模块储存的热量为热电转换模块提供热能，实现二十四小时不间断供电。本发明实施例借鉴了塔式、槽式太阳能发电技术中引入的储热方法，采用中高温相变材料提高储能密度，结合高发电效率的点聚焦碟式太阳能发电设备，通过改造传统碟式太阳能发电机，结合基于中高温相变材料的储热模块和热电转换模块，合理设计传热工质吸热-传热-释热-降温的可控循环回路。在光照充足时，储热和发电两个模块并行工作；在夜间及光照不足时，两模块形成串行闭合回路，利用储热材料释放热量进行补充，持续发电，以增加系统的稳定性，实现分时可持续发电，一方面减少弃光情况，提高光热利用率；另一方面能有效解决碟式太阳能设备对光照的依赖。

作为可选的实施方式，储能模块5为储热罐，包括储热单元和保温层；储热罐的材质包括不锈钢、碳钢或者强度大于预定阈值的塑料；储热单元的储热材料由骨架材料、相变材料和导热增强材料按照预定配比组成；保温层的材料包括高温硅酸针刺棉、岩棉、聚氨酯发泡材料中至少之一。

在本实施例中，储能模块5采用储热罐的形式储存热量，储热罐内填充有储热单元密排堆放的空间几何阵列，通过传热管道进出口接入管道系统。储热单元材料为中高温复合相变材料，由骨架材料、相变材料和导热增强材料按照优化配比组成，在高温煅烧制成砖块形态，储热罐采用不锈钢、碳钢或高强度塑料等材质，储热罐外部的保温层采用高温硅酸针刺棉、岩棉、聚氨酯发泡材料。根据实际需要，结合设备周边情况合理选择设置即可。

作为可选的实施方式，还包括第一确定模块6和第二确定模块7，其中：第一确定模块6用于根据所需发电功率确定设备需要储存的热量；第二确定模块7用于根据热量确定碟式聚光镜的台数和聚光直径。

在碟盘这类点聚焦集热式的光热接受装置的太阳能发电系统中，集热器可达到700℃以上的高温。为了充分有效利用高温热，减少传热过程中的热损，提高储热密度，采用中高温相变温度(350-800℃)的传热介质和相变储热材料，设计优化传热储热、热电转换系统及调控系统成为高温光热分时发电的几个关键技术。

在本实施例中，第一确定模块6的算法程序根据某一发电功率确定所需的储存热量及吸收热量，第二确定模块7的算法程序根据储存热量及吸收热量确定碟式聚光镜的台数和聚光直径。

在第一实施方式中，传热工质采用空气：

某工业园区建设新能源应用示范，使用光热发电对园区员工平房式办公区设施进行全天候供电。拟建碟式太阳能光热发电平台，白天吸收的光热部分通过热电转换模块对设施直接供电，部分存储，在光照不充足、无光照和夜间释放储热供电。办公区占地面积500m²，白天12小时工作时间的平均供电功率为60w/m²，夜间12小时利用储热模块放热持续以30kw功率发电，可供园区内的一个30kw的直流充电桩为两辆180kwh容量的电动巴士过夜充电；在电动巴士不需要充电或充满后仍有电能余量时，也可全部或部分以分布式新能源并网形式入区域网。

采用较高储能密度的高温储能材料，以空气作为传热工质，系统结构如图1所示。通过五个三通阀和两个流量控制装置控制整个系统：在光照充足时，储热通路和发热通路并行工作；在光照不足时，两路串联形成孤岛系统，储热模块作为独立热源。

高温储热材料的相变材料为碳酸类共晶盐，配方为na2co3(58.7)k2co3(41.3)，mgo和sic，质量比5.5：3.6：0.9。储能模块充放热区间为400-750℃。经测试，材料的热物理参数如下表1所示：

表1高温相变材料参数

该地区直射光光照一天4小时，光照功率400w/m²，拟布局直径10m的聚光镜发电系统，每台的聚光功率约为40kw。光热转换效率为80％，系统的储热效率为98％，热电转换效率25％。

热电转换装置需要的热功率为：

光照充足的4小时内，直接由光热发电所需要的总热量为：

q1＝120kw×4h＝480kwh

光照充足的4小时内，储热模块存储的总热量需满足光照不充足的8小时内发电的热能供应，则储热模块需要存储的热能为：

来自于储热模块夜间发电的热能为：

第一控制器17和第二控制器18调节空气的流量比：

材料在放热区间内的储热密度为：

所需材料体积不小于：

光热转换模块需要提供的光功率为：

按照每台直径10m的聚光镜吸收光功率：

p0＝400w/m²×π×25m²≈31.4kw

则需要聚光镜台数不少于29台。

在第二实施方式中，传热工质采用导热油：

某边远地区勘探站需要建设点聚焦太阳能光热发电设备平台，24小时不间断供电。白天太阳光供热源充足，平均最佳日照时长6小时，无日照18小时。每天12小时发电设备运行组件供电(冷却设备和控制装置)、科研设备供电和生活用电需要10kw的可再生能源发电功率，12小时维持科研设备运行以及部分便携式储能设备充电平均需要5kw功率。选择therminol66导热油(常压下沸点359℃)作为传热流体，中温相变材料制备储热砖，主要相变成分为硝酸盐类，例如nano3、蛭石和石墨，质量比为7：2：1。系统结构如图2所示。经测试，材料的热物理参数如下表2所示：

表2中温相变材料参数

相变焓128kj/kg，相变温度为303℃，固态比热容1.26kj/k·kg，液态比热容1.54kj/k·kg，平均密度为1800kg/m³。储能模块充放热区间为200-340℃。系统的储热效率为98％，太阳能聚光镜的光热转换效率为80％，蒸汽轮机的热电效率25％。该地区的光照强度600w/m²，环境温度为30℃。

不考虑传热工质的热损。

白天总储热量部分用来晚上供电，所需热量为：

部分用来在无充分光照的白天供电，所需热量为：

材料在放热区间内的储热密度为：

所需材料体积不小于：

白天发电所需热量为：

所需要的光功率为：

聚光镜总面积不小于：

由此确定聚光镜的台数和聚光镜的直径：

故需建设两台碟式太阳能聚光系统，聚光直径12.7米。

第一控制器17和第二控制器18调节传热工质的流量比：

作为可选的实施方式，设备还包括传热工质；传热工质为导热油，熔融盐和空气其中的一种。

在本实施例中，除前述实施方式提到的导热油和空气，传热工质还能采用熔融盐。不同工作温度区段的储能模块与相应传热工质的搭配，例如前述第一实施方式中所需热量较多，采用高温相变材料作为储热材料，空气作为传热工质；第二实施方式中需求的热量较少，因此采用中温相变材料作为储热材料，导热油作为传热工质。根据所需发电量的多少确定系统能够储存多少热量，再选取合适的储热材料及传热工质，根据传热工质的不同选择，搭配不同的传热管路设备的搭配，达到系统建设经济效益的最大化。

作为可选的实施方式，当传热工质为空气时，设备还包括：第一进风口8，设置在集热器3的一端；第二进风口9，设置在储能模块5和集热器3之间；第一出风口10和第二出风口11，设置在储能模块5和热电转换模块4之间；第三出风口12，设置在热电转换模块4和集热器3之间；其中，第二进风口9、第一出风口10、第二出风口11和第三出风口12均用三通阀与设备的传热管道连接；第一进风口8和第二进风口9用于吸入第一温度的空气；第一出风口10用于排出第二温度的空气；第二出风口11用于排出第三温度的空气；第三出风口12用于排出第四温度的空气；第一温度低于第二温度。

在本实施例中，如图1所示，第一进风口8和第二进风口以及第三出风口处均设置一个鼓风机，用于加速管道内外空气热量传递。

在有光照的情况下，第一进风口8的鼓风机开启，从外部抽取空气送进传热管道，第一控制器17连接的三通阀开启，加热空气分成两路分别传输至储能模块5和热电转换模块4，第二进风口9和第三出风口12的三通阀与传热管道连接一侧关闭，经过储能模块5和热电转换模块4换热的空气分别通过第一出风口10和第二出风口11排出，第一出风口10和第二出风口11与传热管道连接的两个三通阀，互相连接的一侧阀门关闭。

在无光照情况下，关闭第一进风口8的鼓风机，关闭与第一控制器17连接的三通阀；第二进风口9的鼓风机开启，吸入室温空气用于传热；同第二进风口9鼓风机连接的三通阀与集热器2连接的一侧阀门关闭；第一出风口10和第二出风口11的三通阀关闭与出风口连接的一侧阀门，开启传热管道两侧的阀门，使储能模块5和热电转换模块4连通；开启第三出风口12的鼓风机，用于将经过热电转换模块4的低温空气排出。

作为可选的实施方式，当传热工质为导热油或熔融盐时，设备还包括：第一循环泵13，设置在储能模块5和热电转换模块4之间；第二循环泵14，设置在储能模块5和集热器3之间；第一循环泵13和第二循环泵14均用于加速传输传热工质。

在本实施例中，如图2所示，传热工质为导热油或熔融盐时，设置循环泵以加速传热工质的流动，加快系统的传热速度。在有光照和无光照情况下，系统的运行方式不同，因此在两路运行模式的线路中，各设置一个循环泵。

作为可选的实施方式，骨架材料包括金属氧化物，陶瓷或卵石中的至少一者；相变材料包括碳酸钠、碳酸钾和碳酸锂其中至少一者；或硝酸钠、硝酸钾和硝酸锂其中至少一者；导热增强材料为石墨或碳化硅粉末。

在本实施例中，选取不同材料的骨架材料和相变材料，例如金属氧化物，陶瓷和卵石中选取1-2种，碳酸钠、碳酸钾和碳酸锂中选取1-2种，优化配方以满足不同的储热密度、潜热和相变温度等要求；同时添加石墨、碳化硅粉末等导热增强材料以提高复合材料的导热性。请参考前述实施方式中储热材料的构成配比，根据不同的应用场景，储热材料可根据具体温度要求进行选型和配方优化。

作为可选的实施方式，还包括：第一冷却装置15，设置在热电转换模块4和储能模块5之间；第二冷却装置16，设置在储能模块5和集热器3之间；第一冷却装置15和第二冷却装置16均用于使传热工质降温。

在本实施例中，如图2所示，传热工质为导热油和熔融盐的情况下，在传热工质经过热电转换模块4以后，设置冷却装置15和16对传热工质进行降温，避免长期运行后高温传热工质损伤传热管道，提高系统的使用寿命。

作为可选的实施方式，还包括：第一控制器17，设置在集热器3和储能模块5形成的通道之间；第二控制器18，设置在集热器3和热电转换模块4形成的通道之间；第一控制器17和第二控制器18用于控制传热工质的流量。

在本实施例中，如图2所示，请参照前述实施方式，考虑到日间有光照、日间无光照及夜间供电需求，分配设置储能模块5和热电转换模块4之间的传热工质流量比，以达到系统最优的运行方式。

作为可选的实施方式，热电转换模块4采用蒸汽轮机实现热-功-电转换。

在本实施例中，利用传热工质传递的热量加热水产生水蒸汽，蒸汽高压推动机械做功，从而完成发电。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。