CN109083811A - 风力光热发电设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风力光热发电设备，包括：风力发电装置；光热发电装置，所述光热发电装置具有太阳能接收装置以及用于容纳介质的冷罐和热罐，所述太阳能接收装置与所述冷罐和热罐相连接，并且配置成可将来自所述冷罐的介质通过太阳能加热并输出到所述热罐中；和电加热装置，所述电加热装置与所述风力发电装置相耦合并且配置成可利用来自所述风力发电装置的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质。本发明还涉及一种风力光热发电方法，包括：将冷罐中的介质引入太阳能接收装置中，加热后输出至热罐中；利用来自风力发电装置的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质；利用所述热罐中的介质进行发电。

Description

风力光热发电设备和方法
技术领域
本发明涉及可再生能源领域，尤其涉及一种可用于电网调峰的风力光热发电设备和方法。
背景技术
传统化石能源发电已经造成了较为严重的空气污染、气候变暖、酸雨等环境问题，过度开采也会加速化石能源耗竭，环保问题和能源结构问题越来越受到重视，由于可再生能源分布广泛且对环境危害极小，可再生能源发电成为传统发电方式不可持续问题的一种解决之道。在新能源发电领域，风能和太阳能是当前应用较多的两种可再生清洁能源。其中太阳能发电又分为光伏发电和光热发电两种方式。光伏发电日趋成熟、商业化应用多，光热发电则处于起步示范阶段。
另外，当前电网存在两方面问题，一是负荷随时间分配不平衡，电力负荷峰谷差大，易导致电网运行不稳定；二是新能源电力并网规模越来越大，而新能源电力普遍存在电能品质差的问题，如风电、光伏发电，增加了电网运行的不稳定，新能源电力并网消纳困难。因此，电网运行中必须采取调峰措施来保证电力***供用电的平衡，同时使接收消纳新能源电力的能力不断提高。当前存在许多调峰方式，传统调峰方式中，火电调峰会排放大气污染物造成环境问题，燃气轮机机组调峰造价较高，水电调峰具有优势但机组更多的要承担电网的基本负荷，弃水调峰会造成很大浪费；新型调峰方式主要有蓄电池储能调峰，超导磁储能调峰，压缩空气储能调峰等，这些调峰方式主要原理是通过各种储能方式将电谷低储存起来，然后在用电高峰时段放出，但基本都处在研究阶段，虽有一定应用但各自都还存在一些问题，主要问题之一是造价较高，成本下降困难。
目前，虽然风力发电和光伏发电在技术上日趋成熟，商业化应用也不断提高，成本不断降低，缓解了空气污染、气候变暖等环境问题，但是风电场的选择受到风资源限制，风力发电的状态和出力大小由风速大小决定，使得风力发电具有能量密度低、不稳定、不可控等劣势；而光伏发电必须具备储能***，较为常用的铅酸蓄电池储能***存在循环寿命短、功率密度低、维护量大等缺点，增加了发电成本，同时太阳光受天气因素影响较大同样存在不稳定的缺点。相比较而言，处于起步示范阶段的光热发电，与传统火力发电原理相近，虽然也具有太阳能光照不稳定的问题，但是其配备储热***，一是可以满足夜间发电要求，二是可以为太阳能不稳定性提供缓冲，使得发电过程更稳定，发出的电能具有较高品质，与火电电能品质相当，具有很大优势。另外，光热发电电站汽轮发电机组可以采用类似火电调峰的变工况运行方式，如低负荷调峰、启停两班制调峰、少蒸汽无负荷调峰、低转速旋转热备用调峰等，来配合电网调峰，虽然存在一些问题，如机组的膨胀与胀差、机组热变形、汽轮机末级叶片工作状况等，但不排放二氧化碳、粉尘、灰渣等污染物，清洁环保，同时，配备的储热***可采用类似各种新型调峰方式的原理来调峰，将低谷电以热的形式储存起来，然后在用电高峰时段将热用来发电，或者用于供热，例如给工厂、居民区、工业设备进行供热，达到调峰目的。
虽然风力发电有一些弱点，但是新能源电力中风电装机量和并网量是最大的，然而弃风量也是最大的，尤其风资源丰富但电网接纳能力较弱的西北部和东北部。西北部风资源丰富、光资源也丰富，早期风电光伏互补电站，利用了太阳能与风能资源互补性强，一定程度上弥补了风力发电和光伏发电独立***在资源上的缺陷，同时两种***在储能***和逆变***是可能通用的，使得***总成本降低，很适用与远离大电网、人烟稀少、交通不便的边远地区，但是仍无法解决电力品质问题。而风电与光热互补电站，则既能拥有风电光伏互补电站的优势，同时，可以将弃风发出的低品质电其储存起来，减少弃风量，与光热电站的高品质电混合输出提高电站电力品质，而光热电站的调峰功能还可帮助电网调峰，提高电网稳定性，以及电网对新能源电力的消纳能力。
图1和图2分别示出了独立的风力发电***和光热发电***。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
相对于现有技术所存在的问题中的一个或多个，本发明提供一种风力光热发电设备，包括：风力发电装置；光热发电装置，所述光热发电装置包括太阳能接收装置以及用于容纳介质的冷罐和热罐，所述太阳能接收装置与所述冷罐和热罐相连接，并且配置成可将来自所述冷罐的介质通过太阳能加热并输出到所述热罐中；和
电加热装置，所述电加热装置与所述风力发电装置相耦合并且配置成可利用来自所述风力发电装置的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质。
根据本发明的一个方面，所述风力光热发电设备还包括逆变器，所述风力发电装置通过所述逆变器连接到所述电加热装置。
根据本发明的一个方面，所述电加热装置还可连接到外部电网，以利用外部电网的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质。
根据本发明的一个方面，所述风力光热发电设备还包括发电装置，所述发电装置利用来自所述热罐的介质进行发电。
根据本发明的一个方面，所述发电装置是汽轮发电装置。
根据本发明的一个方面，所述热罐的出口具有第一支路和第二支路，所述第一支路连接到所述太阳能接收装置的介质入口，所述第二支路连接到所述发电装置。
根据本发明的一个方面，当所述热罐中的介质的温度低于预设阈值时，所述介质被引导到所述第一支路；当所述热罐中的介质的温度高于或等于所述预设阈值时，所述介质被引导到所述第二支路。
根据本发明的一个方面，还包括控制装置，所述控制装置与所述电加热装置耦合，并配置成当满足预设条件时，控制所述电加热装置以利用来自所述风力发电装置的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质。
根据本发明的一个方面，所述预设条件包括以下条件中的一个或多个：阴天；多云；电网不接受所述风力发电装置的电能。
根据本发明的一个方面，所述太阳能接收装置是线性菲涅尔镜场、槽式抛物面镜场、塔式镜场中的一种或多种。
本发明还涉及一种风力光热发电方法，包括：将冷罐中的介质引入太阳能接收装置中，加热后输出至热罐中；利用来自风力发电装置的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质；利用所述热罐中的介质进行发电。
根据本发明的一个方面，所述利用热罐中的介质进行发电的步骤包括：利用热罐中的介质与水换热产生高温高压蒸汽，驱动汽轮发电机。
根据本发明的一个方面，该风力光热发电方法还包括：利用来自外部电网的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质。
根据本发明的一个方面，该风力光热发电方法还包括：当所述热罐中的介质的温度低于预设阈值时，所述热罐中的介质被引导到所述太阳能接收装置的介质入口；当所述热罐中的介质的温度高于或等于所述预设阈值时，所述热罐中的介质被用于进行发电。
通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。其中：
图1示出独立的风力发电***图；
图2示出独立的光热发电***图；
图3示出根据本发明一个实施例的风力光热发电装置的***图；和
图4示出了根据本发明一个实施例的风力光热发电方法。
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的实施例。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明关系不大的、本领域技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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，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，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参考图3描述根据本发明一个实施例的风力光热发电装置。
如图3所示，根据本发明一个实施例的风力光热发电设备1包括风力发电装置11、光热发电装置13和电加热装置15。
其中，所述风力发电装置11例如是各种风力发电设施，包括风机、变频器、控制***、逆变***等。本发明不限于具体的风力发电设施的种类。所述光热发电装置13包括太阳能接收装置131以及用于容纳介质的冷罐135和热罐133，所述太阳能接收装置131与所述冷罐135和热罐133相连接，并且配置成可将来自所述冷罐的介质通过太阳能加热并输出到所述热罐中，并利用所述热罐中介质的热量进行发电。所述电加热装置15与所述风力发电装置11相耦合并且配置成可利用来自所述风力发电装置11的电能加热所述冷罐135和/或热罐133中的介质。所述热罐133中被加热后的介质，温度高于一定阈值的，例如高于550℃的，可以用于进行发电。所述太阳能接收装置例如可以是线性菲涅尔镜场、槽式抛物面镜场、塔式镜场中的一种或多种。电加热***例如可以是冷、热罐电加热棒装置、汽轮发电***中给水预热装置等。所述介质可以采用熔融盐。所述电加热装置15可以加热热罐中的介质，也可以加热冷罐中的介质，也可以对二者都进行加热，这都在本发明的保护范围内。
根据本发明的一个优选实施例，所述风力光热发电设备1还包括逆变器17，所述风力发电装置11通过所述逆变器连接到所述电加热装置15，从而将风力发电装置11产生的电能转变为交流220V市电，接入外部电网或者用于电加热装置15。
根据本发明的一个优选实施例，所述电加热装置15还可耦合到外部电网，从而例如在用电低谷期，利用外部电网的电能加热所述冷罐135和/或热罐133中的介质，将外部电网的电能储存起来。
根据本发明的一个优选实施例，所述光热发电装置13包括汽轮发电装置137和换热装置139，所述换热装置139接收所述热罐133中的介质，与水进行换热以产生高温高压蒸汽，驱动所述汽轮发电装置137进行发电，并将介质返回到所述冷罐中。所述汽轮发电装置137还包括凝汽器、再热器、冷凝器等部件，这里不再赘述。此外，通过调节所述热罐133中的介质的流量，可调节换热装置139的产汽量，和/或直接调节汽轮机的进汽阀门，进而改变汽轮发电机的运行工况，对电网调度调峰。
根据本发明，除了用于发电外，热罐133中介质所存储的热能，还可以用于供热，例如给工厂、居民区、工业设备进行供热。
根据本发明的一个优选实施例，所述热罐133的出口具有第一支路1331和第二支路1332，所述第一支路连接到所述太阳能接收装置131的介质入口，所述第二支路连接到所述换热器139。例如当所述热罐133中的介质的温度低于预设阈值时，介质被引导到所述第一支路1331，进入所述太阳能接收装置131再次加热；当所述热罐中的介质的温度高于或等于所述预设阈值时，所述介质被引导到所述第二支路1332，通过换热器139进行换热、发电。
根据本发明的一个优选实施例，电加热装置15采用电加热棒，太阳能接收装置131包括多个‘一字形’的平行支路，熔融盐由冷盐罐135出发，经输入侧母管分配给各个平行的支路，经各支路加热后汇聚到输出侧母管并进入热盐罐133，由此完成太阳热能的收集和储存。满足温度要求的熔盐经过换热器与水进行换热产生高温高压蒸汽，进而推动汽轮发电装置137发电，如果熔盐温度未达到要求，则将熔盐再次导入输入侧母管进行第二次集热，然后经输出侧母管进入热盐罐，如此反复。
本发明的光热***配备储能***(即冷罐和热罐)，设计满足晴天24小时连续发电要求，阴雨天、多云天等低DN I时期则无法满足，而阴雨天、多云天并不影响风资源，可由风电装置经逆变器提供电力补充储能***储热量，可增加汽轮发电***连续发电时长，减少停机损失，发出更多高品质电，实现风电光热互补。储能***可以表现为熔融盐双罐***或熔融盐单罐***。
电网接收风电时则风电直接上网，电网不接收风电时，则将风电用于补充储能***储热量，可实现风机不停机，最大程度利用风资源。
本发明的风力发电装置中可以不包括储电***，实现风机不停机，节省了成本。
当电网需要调峰时，风电光热互补电站可以从电网吸纳低谷电来加热熔盐，将电能转换为热能储存在熔盐中，用电高峰时将熔盐与水换热进而发电，达到调峰效果。
另外，也可以通过汽轮发电***变工况运行来配合电网的调峰。
根据本发明的一个优选实施例，风力光热发电设备1还包括控制装置(未示出)，所述控制装置与所述电加热装置15耦合，并配置成当满足预设条件时，控制所述电加热装置以利用来自所述风力发电装置的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质。所述预设条件包括以下条件中的一个或多个：阴天；多云；电网不接受所述风力发电装置的电能。
根据本发明，电加热装置可由风力发电装置的逆变器后端供电，也可由电网供电，电加热装置可以将电能以其他能量形式储存到光热发电***的储热***。晴天时期，风电***弃风电量仍然可以用于补充储能***储热量，提高汽轮发电***满负荷运行时长，增加高品质电发电量。电网接收风电时，可将风电***发出电力直接上网，电网不接收风电时，则将风电用于补充储能***储热量，可实现风机不停机，最大程度利用风资源，且省去风电储电***，节省了总成本。
如图4所示，本发明还提供一种风力光热发电方法100，包括：
S101：将冷罐中的介质引入太阳能接收装置中，加热后输出至热罐中；
S103：利用来自风力发电装置的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质；
S105：利用所述热罐中的介质进行发电。
根据本发明的一个优选实施例，所述利用热罐中的介质进行发电的步骤包括：利用热罐中的介质与水换热产生高温高压蒸汽，驱动汽轮发电机。
根据本发明的一个优选实施例，还包括：利用来自外部电网的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质。
根据本发明的一个优选实施例，当发生阴天、多云、和电网不接受所述风力发电装置的电能中的一个或多个情况时，利用来自所述风力发电装置的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质。
根据本发明的一个优选实施例，还包括：利用所述热罐中的介质进行供热。
根据本发明的一个优选实施例，还包括：调节所述热罐中的介质的流量，和/或直接调节汽轮机的进汽阀门，以改变汽轮发电机的运行工况，对电网进行调峰。
根据本发明的一个优选实施例，还包括：当所述热罐中的介质的温度低于预设阈值时，所述热罐中的介质被引导到所述太阳能接收装置的介质入口；当所述热罐中的介质的温度高于或等于所述预设阈值时，所述热罐中的介质被用于进行发电。
本发明的风力光热发电方法可以利用本发明的风力光热发电设备来执行。
本发明充分利用风资源和太阳能资源的互补性，提出风力发电与光热发电互补型能源利用方案，既更充分地利用风资源，减少弃风量，除去风电储电***，降低了成本，又更充分发挥光热发电的储能优势和高品质电力优势，还可进行电网调峰，增加电网稳定性，提高电网对新能源电力的消纳能力。
尽管上面已经通过本发明的具体实施例的描述对本发明进行了披露，但是，应该理解，本领域技术人员可在所附权利要求的精神和范围内设计对本发明的各种修改、改进或者等同物。这些修改、改进或者等同物也应当被认为包括在本发明所要求保护的范围内。

Claims (17)

1.一种风力光热发电设备，包括：
风力发电装置；
光热发电装置，所述光热发电装置包括太阳能接收装置以及用于容纳介质的冷罐和热罐，所述太阳能接收装置与所述冷罐和热罐相连接，并且配置成可将来自所述冷罐的介质通过太阳能加热并输出到所述热罐中，所述光热发电装置配置成利用所述热罐中介质的热量进行发电；和
电加热装置，所述电加热装置与所述风力发电装置相耦合并且配置成可利用来自所述风力发电装置的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质。
2.根据权利要求1所述的风力光热发电设备，其特征在于，所述风力光热发电设备还包括逆变器，所述风力发电装置通过所述逆变器连接到所述电加热装置。
3.根据权利要求1或2所述的风力光热发电设备，其特征在于，所述电加热装置还可连接到外部电网，以利用外部电网的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的风力光热发电设备，其特征在于，所述光热发电装置包括汽轮发电装置和换热装置，所述换热装置接收所述热罐中的介质，与水进行换热产生蒸汽，驱动所述汽轮发电装置进行发电，并将介质返回到所述冷罐中。
5.根据权利要求4所述的风力光热发电设备，其特征在于，所述热罐的出口具有第一支路和第二支路，所述第一支路连接到所述太阳能接收装置的介质入口，所述第二支路连接到所述换热装置。
6.根据权利要求5所述的太阳能接收装置，其特征在于，当所述热罐中的介质的温度低于预设阈值时，所述介质被引导到所述第一支路；当所述热罐中的介质的温度高于或等于所述预设阈值时，所述介质被引导到所述第二支路。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的太阳能接收装置，其特征在于，还包括控制装置，所述控制装置与所述电加热装置耦合，并配置成当满足预设条件时，控制所述电加热装置以利用来自所述风力发电装置的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质。
8.根据权利要求7所述的太阳能接收装置，其特征在于，所述预设条件包括以下条件中的一个或多个：阴天；多云；电网不接受所述风力发电装置的电能。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的太阳能接收装置，其特征在于，所述太阳能接收装置是线性菲涅尔镜场、槽式抛物面镜场、塔式镜场中的一种或多种。
10.一种风力光热发电方法，包括：
将冷罐中的介质引入太阳能接收装置中，加热后输出至热罐中；
利用来自风力发电装置的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质；
利用所述热罐中的介质进行发电。
11.根据权利要求10所述的风力光热发电方法，其特征在于，所述利用热罐中的介质进行发电的步骤包括：利用热罐中的介质与水进行换热产生蒸汽，驱动汽轮发电机进行发电。
12.根据权利要求10或11所述的风力光热发电方法，其特征在于，还包括：利用来自外部电网的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的风力光热发电方法，其特征在于，还包括：当所述热罐中的介质的温度低于预设阈值时，所述热罐中的介质被引导到所述太阳能接收装置的介质入口；当所述热罐中的介质的温度高于或等于所述预设阈值时，所述热罐中的介质被用于进行发电。
14.根据权利要求10-13中任一项所述的风力光热发电方法，其特征在于，当发生阴天、多云、和电网不接受所述风力发电装置的电能中的一个或多个情况时，利用来自所述风力发电装置的电能加热所述冷罐和/或热罐中的介质。
15.根据权利要求10-14中任一项所述的风力光热发电方法，其特征在于，还包括：利用所述热罐中的介质进行供热。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的风力光热发电方法，其特征在于，还包括：调节所述热罐中的介质的流量，控制产汽量，和/或直接调节汽轮机的进汽阀门，以改变汽轮发电机的运行工况，对电网进行调峰。
17.根据权利要求10-13中任一项所述的风力光热发电方法，其特征在于，所述风力光热发电方法利用如权利要求1-9中任一项所述的风力光热发电设备来实施。
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