[發(fā)明專利]一種配備電熱儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)及運行方法

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• 申請日: 2021-05-27
• 公開（公告）號: CN113187680A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李紅智;高煒;姚明宇;李晨照;楊玉;楊浦
• 申請（專利權(quán)）人: 西安熱工研究院有限公司
• 主分類號: F03G6/00
• 分類號: F03G6/00;F01K3/00;F01K25/10;H02S10/10
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種配備電熱儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、跨臨界CO₂熱泵系統(tǒng)、儲冷及冷卻系統(tǒng)、電熱及熔鹽儲熱系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)；

所述超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)包括熔鹽換熱器(1-1)、CO₂透平(1-2)、高溫回熱器(1-3)、低溫回熱器(1-4)、再壓縮機(1-5)、預(yù)冷器(1-6)和主壓縮機(1-7)，熔鹽換熱器(1-1)的CO₂側(cè)出口與CO₂透平(1-2)的入口相連通，CO₂透平(1-2)的出口與高溫回熱器(1-3)的熱側(cè)入口相連通，高溫回熱器(1-3)的熱側(cè)出口與低溫回熱器(1-4)熱側(cè)入口相連通，低溫回熱器(1-4)的熱側(cè)出口分為兩路，一路與再壓縮機(1-5)的入口相連通，另一路與預(yù)冷器(1-6)的熱側(cè)入口相連通，預(yù)冷器(1-6)的熱側(cè)出口與主壓縮機(1-7)的入口相連通，主壓縮機(1-7)的出口與低溫回熱器(1-4)的冷側(cè)入口相連通，低溫回熱器(1-4)的冷側(cè)出口與再壓縮機(1-5)的出口匯合后與高溫回熱器(1-3)的冷側(cè)入口相連通，高溫回熱器(1-3)的冷側(cè)出口與熔鹽換熱器(1-1)的CO₂側(cè)入口相連通；

所述跨臨界CO₂熱泵系統(tǒng)包括CO₂熱泵(2-1)、熱泵系統(tǒng)高溫換熱器(2-2)、冷卻塔(2-3)、節(jié)流裝置(2-4)和熱泵系統(tǒng)低溫換熱器(2-5)，CO₂熱泵(2-1)的出口與熱泵系統(tǒng)高溫換熱器(2-2)的熱側(cè)入口相連通，熱泵系統(tǒng)高溫換熱器(2-2)的熱側(cè)出口與冷卻塔(2-3)的入口相連通，冷卻塔(2-3)的出口與節(jié)流裝置(2-4)的入口相連通，節(jié)流裝置(2-4)的出口與熱泵系統(tǒng)低溫換熱器(2-5)的冷側(cè)入口相連通，熱泵系統(tǒng)低溫換熱器(2-5)的冷側(cè)出口與CO₂熱泵(2-1)的入口相連通；

所述儲冷及冷卻系統(tǒng)包括冷水儲罐(3-1)、水泵(3-2)和熱水儲罐(3-3)，冷水儲罐(3-1)的出口與水泵(3-2)的入口相連通，水泵(3-2)的出口分為兩路，一路與預(yù)冷器(1-6)的冷側(cè)入口相連通，另一路與光伏發(fā)電系統(tǒng)(5)冷卻水入口相連通，預(yù)冷器(1-6)的冷側(cè)出口與光伏發(fā)電系統(tǒng)(5)冷卻水出口匯合后與熱水儲罐(3-3)的入口相連通，熱水儲罐(3-3)的出口與熱泵系統(tǒng)低溫換熱器(2-5)的熱側(cè)入口相連通，熱泵系統(tǒng)低溫換熱器(2-5)的熱側(cè)出口與冷水儲罐(3-1)的入口相連通；

所述電熱及熔鹽儲熱系統(tǒng)包括熔鹽泵(4-1)、中溫熔鹽儲罐(4-2)、熔鹽電加熱器(4-3)、高溫熔鹽儲罐(4-4)和低溫熔鹽儲罐(4-5)，熔鹽泵(4-1)的出口與熱泵系統(tǒng)高溫換熱器(2-2)的冷側(cè)入口相連通，熱泵系統(tǒng)高溫換熱器(2-2)的冷側(cè)出口與中溫熔鹽儲罐(4-2)的入口相連通，中溫熔鹽儲罐(4-2)的出口與熔鹽電加熱器(4-3)的入口相連通，熔鹽電加熱器(4-3)的出口與高溫熔鹽儲罐(4-4)的入口相連通，高溫熔鹽儲罐(4-4)的出口與熔鹽換熱器(1-1)的高溫側(cè)入口相連通，熔鹽換熱器(1-1)的高溫側(cè)出口與低溫熔鹽儲罐(4-5)的入口相連通，低溫熔鹽儲罐(4-5)的出口與熔鹽泵(4-1)的入口相連通。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種配備電熱儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述跨臨界CO₂熱泵系統(tǒng)中的CO₂熱泵(2-1)的進口壓力為3MPa～4MPa，出口壓力為24MPa～30MPa，在此壓力范圍內(nèi)CO2熱泵的出口溫度達到300℃以上的設(shè)計溫度，跨臨界CO₂熱泵系統(tǒng)的熱效率高，同時冷端溫度能夠滿足超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)冷卻要求。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種配備電熱儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述光伏發(fā)電系統(tǒng)(5)由多個并聯(lián)的光伏板組成。

4.權(quán)利要求1至3任一項所述的一種配備電熱儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行方法，其特征在于：在陽光充足的白天，主要由光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，同時，跨臨界CO₂熱泵系統(tǒng)為儲冷及冷卻系統(tǒng)提供冷源，為電熱及熔鹽儲熱系統(tǒng)提供預(yù)熱熱源，儲冷及冷卻系統(tǒng)為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供冷卻水，電熱及熔鹽儲熱系統(tǒng)儲存熱量，此時，超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)不工作；CO₂熱泵(2-1)首先將亞臨界CO₂壓縮至超臨界壓力，壓力升高至超臨界狀態(tài)的CO₂的溫度也將隨之升高，高溫高壓的CO₂在熱泵系統(tǒng)高溫換熱器(2-2)中釋放熱量，然后進入冷卻塔(2-3)進一步被冷卻，然后在節(jié)流裝置(2-4)通過等焓過程降溫降壓，溫度降低到比環(huán)境溫度更低，然后在熱泵系統(tǒng)低溫換熱器(2-5)中吸收冷卻水的熱量；與此同時，水泵(3-2)將冷水儲罐(3-1)中儲存的冷水輸送給光伏發(fā)電系統(tǒng)(5)冷卻水入口，對光伏發(fā)電系統(tǒng)(5)進行冷卻，吸收熱量后的冷卻水進入熱水儲罐(3-3)，然后再進入熱泵系統(tǒng)低溫換熱器(2-5)被冷卻；與此同時，熔鹽泵(4-1)將低溫熔鹽先輸送至熱泵系統(tǒng)高溫換熱器(2-2)中進行預(yù)熱，預(yù)熱后的熔鹽再進入中溫熔鹽儲罐(4-2)，然后再進入熔鹽電加熱器(4-3)中被加熱至高溫，高溫熔鹽進入高溫熔鹽儲罐(4-4)儲存起來；在此過程中熔鹽電加熱器(4-3)的電能來自電網(wǎng)或直接取自光伏發(fā)電系統(tǒng)(5)，即將光伏發(fā)電系統(tǒng)(5)在白天陽光充足時所發(fā)出的多余電能轉(zhuǎn)換成熱能儲存起來；

在夜間沒有陽光時，超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)開始運行并輸出電能，同時，跨臨界CO₂熱泵系統(tǒng)為儲冷及冷卻系統(tǒng)提供冷源，為電熱及熔鹽儲熱系統(tǒng)提供預(yù)熱熱源，儲冷及冷卻系統(tǒng)為超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)提供冷卻水，電熱及熔鹽儲熱系統(tǒng)釋放熱量，在此期間光伏發(fā)電系統(tǒng)(5)不工作；首先，高溫熔鹽儲罐(4-4)儲存的高溫熔鹽進入熔鹽換熱器(1-1)釋放熱量，然后進入低溫熔鹽儲罐(4-5)，然后由熔鹽泵(4-1)將低溫熔鹽先輸送至熱泵系統(tǒng)高溫換熱器(2-2)中進行預(yù)熱，預(yù)熱后的熔鹽再進入中溫熔鹽儲罐(4-2)儲存起來；與此同時，在熔鹽換熱器(1-1)的中被加熱后的超臨界CO₂進入CO₂透平(1-2)做功，做功后的低壓氣體依次進入高溫回熱器(1-3)、低溫回熱器(1-4)中釋放熱量，然后分為兩路，一路被再壓縮機(1-5)直接增壓，另一路在預(yù)冷器(1-6)中進一步冷卻，然后被主壓縮機(1-7)增壓，被增壓后的CO₂進入低溫回熱器(1-4)吸收熱量，然后與再壓縮機(1-5)出口的CO₂匯合后在高溫回熱器(1-3)進一步吸收熱量，最后再進入熔鹽換熱器(1-1)被加熱至高溫；與此同時，跨臨界CO₂熱泵系統(tǒng)與白天工作流程相同；與此同時，水泵(3-2)將冷水儲罐(3-1)中儲存的冷水輸送預(yù)冷器(1-6)的冷卻水入口，對CO₂進行冷卻，吸收熱量后的冷卻水進入熱水儲罐(3-3)，然后再進入熱泵系統(tǒng)低溫換熱器(2-5)被冷卻；

當光伏發(fā)電系統(tǒng)供電不足，同時電熱及熔鹽儲熱系統(tǒng)尚有儲存的熱量時，光伏發(fā)電系統(tǒng)與超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)同時運行輸出電能，此時儲冷及冷卻系統(tǒng)為光伏發(fā)電系統(tǒng)與超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)同時提供低溫冷卻水，而光伏發(fā)電系統(tǒng)與超臨界CO₂布雷頓循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)本身的運行流程與單獨運行時相同，在此過程中，電熱及熔鹽儲熱系統(tǒng)的工作流程與夜間的工作流程相同。