一种光伏电站储能配套系统及其运行方法与流程

1.本发明涉及物理储能领域，具体为一种光伏电站储能配套系统及其运行方法。


背景技术：

2.光资源在短时间的波动较大，而电网也需要根据用户侧负荷进行调度，这催生出光伏电站对储能的需求。当前多省新能源配套储能的政策不断加码，要求新能源电站在并网发电前配套额定发电功率5％到20％的储能系统。虽然电网侧的储能相较于发电侧而言，整体建造成本和容量更低，但是对电网的控制和管理难度较大，因此发电侧的储能有其不可替代性。
3.现阶段成熟的大规模储能技术有抽水蓄能，电化学储能和压缩空气储能。抽水蓄能对地质条件有较高的要求；电化学储能全生命周期内污染较为严重，存在安全隐患，并且无法增加系统的转动惯量用于提高供电系统的稳定性；压缩空气储能对地理条件的限制小，同时污染也较为可控，并且利用同步发电机的特性可以单独调节有功功率和无功功率，提高电网的稳定性和系统转动惯量，是适合配合光伏电站推广的大规模储能之一。
4.此外，在强烈的日照条件下，光伏电池的温度升高，引起光伏板发电效率的降低，导致光伏电站输出功率和系统寿命的降低。光伏电池所在的户外工作环境会导致长时间的工作后，光伏板的表面灰尘和异物，进一步影响光伏电池的发电效率。上述问题影响了光伏电站的长期稳定和高效运行。现阶段的大规模光伏电厂的除尘多采用季度性的人工除尘，即一年4次人工用高压水对光伏电池表面进行冲刷清洁，不仅效率低，而且无法解决正午时刻光伏电池的高温和效率降低的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种光伏电站储能配套系统及其运行方法，能够满足太阳能光伏电站的储能需求；搭配压缩热回收模块和太阳能补热模块，能够显著提高储能系统的效率，降低太阳能电站的维护成本；配合储能增设冷却模块，能够降低光伏电池的运行温度，提高电池寿命。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：一种光伏电站储能配套系统，包括压缩空气储能模块、压缩热回收模块、太阳能补热模块和光伏电池冷却模块；光伏电池冷却模块包括设置在光伏电池上方的冷却喷头，冷却喷头连通有冷却空气或清洁水源；压缩空气储能模块包括储能段和释能段，储能段的出口和释能段的入口通过控制阀连接高压储气室的入口；
7.储能段设置两级压缩机，压缩机的出口均设置冷却器，释能段设置两级膨胀机，两级膨胀机的入口处均设置预热加热器和补热加热器；
8.压缩热回收模块包括所述冷却器、低温蓄水罐、高温蓄水罐、所述预热加热器和补热加热器；
9.冷却器的热介质出口连通高温蓄水罐，冷却器的冷介质出口连通低温蓄水罐，高
温蓄水罐连接所述预热加热器，预热加热器的加热介质出口连通低温蓄水罐；
10.太阳能补热模块的工质出入口连通所述补热加热器的加热介质进出口。
11.压缩空气储能模块中两级压缩机采用直流无刷同步电机驱动；直流无刷同步电机电能输入端与光伏电池组的直流总线直接连接。
12.太阳能补热模块包括太阳能集热器、放热回路进口控制阀、蓄热回路出口控制阀、填充床蓄热器控制阀、放热回路出口控制阀、蓄热回路进口控制阀以及填充床蓄热器，其中设置蓄热回路和放热回路：蓄热回路中，太阳能集热器、蓄热回路出口控制阀、填充床蓄热器、填充床蓄热器控制阀和蓄热回路进口控制阀依次连通；放热回路中，填充床蓄热器、放热回路进口控制阀、补热加热器组、放热回路出口控制阀和填充床蓄热器控制阀依次连通，填充床蓄热器的出入口为太阳能补热模块的工质出入口。
13.太阳能集热器采用线状菲涅耳透镜式太阳能集热器；太阳能补热模块中的换热介质采用导热油，所述导热油采用烷基联苯醚型合成导热油。
14.呈矩阵布置光伏电池组成光伏电池阵列，光伏电池阵列的每一行设置供气管道，每行设置冷却气流控制阀和冷却气流换热器，每一行的供气管道连通主管道，主管道连接高压储气室的出口；冷却喷头设置在每块光伏电池几何中心的上方，冷却喷头的出气孔距离光伏电池表面0.5厘米到3厘米。
15.冷却喷头包括供气段和收缩加速段，供气段为直管形，供气段的上端设置上端顶盖，供气段的上端为喇叭形开口，形成下型面，上端顶盖采用弧形面，为上型面，上端顶盖与供气段的上端形成所述收缩加速段，上端顶盖与供气段的上端之间间隔设置连接柱。
16.下型面的圆弧半径为供气段管道半径的1/4到2/3，上型面的圆弧半径为供气段管道半径的3倍到7倍，上下型面在出口处的距离为供气管道半径的1/20到1/10，冷却喷头的上端顶盖与供气段的上端之间存在3
‑
6个连接点。
17.填充床蓄热器内的填充材料选用直径小于3厘米的鹅卵石或直径小于5厘米的钢渣块。
18.进一步的，本发明还提供所述光伏电站储能配套系统的运行方法，包括储能过程和释能过程；
19.储能阶段：压缩空气储能模块中的压缩机将空气分级压缩，压缩后的高压空气进入高压储气室，冷却器利用低温蓄水罐的冷却水回收压缩过程中产生的热能，所述冷却水吸收热量后进入高温蓄水罐；
20.释能阶段：高压空气经过预热加热器和补热加热器分别预热和加热后进入膨胀机做功发电；高温蓄水罐中的热水通过预热加热器对压缩空气进行预热；
21.太阳能补热模块的工质通过补热加热器对预热后的空气进行加热，所述工质换热后回流太阳能补热模块；光伏电池上方的冷却喷头通过冷却空气对光伏电池冷却，冷却喷头中通入清洁水，按照设定时间对光伏电池进行清洗。
22.储能阶段：首先启动冷却水循环，利用光伏电池直流总线中的功率盈余，根据直流无刷电机对应功率下的转速，启动直流无刷同步电机，进行变工况压缩空气储能过程，将压缩空气存储在高压储气室内；
23.释能阶段：首先启动预热循环，然后调节对应的阀门状态，释能时在太阳能补热模块内，需要根据环境确定补热回路：若阳光充足，太阳能集热器出口温度能达到额定出口温
度，则补热加热器的热量由太阳能集热器直接提供；若太阳能集热器出口温度或出口速度达不到额定值，热量缺口通过填充床蓄热器提供；
24.日常冷却除尘时，冷却喷头内通高压空气，当检测到光伏电池的温度达到或高于设定温度时，启动日常冷却除尘；
25.冷却除尘过程以间歇方式运行：以2到4行的光伏电池为一组，在打开其中一行的冷却气流控制阀，对光伏电池进行冷却时，关闭其余行的冷却气流控制阀；每一行的冷却气流控制阀依次打开和关闭；
26.定期清洁时，冷却喷头内通高压水流，逐行打开冷却气流控制阀，利用水流的强力冲刷效果，除去光伏电池表面日常除尘难以去除的污渍。
27.与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：
28.本发明的光伏电站储能配套系统，通过压缩空气储能，配套压缩热回收和太阳能补热，显著提高了储能系统的运行效率；通过光伏，光热和压缩空气储能的相互配合，形成无碳清洁能源的稳定供给；相较于现阶段无补热的压缩空气储能，本发明提出的太阳能光热补热能够显著提高储能系统的效率；相较于化石燃料补热的压缩空气储能，本发明的太阳能补热又更加的清洁无污染，能够有效减少碳排放。
29.进一步的，在太阳能补热模块的集热器采用线性聚光菲涅耳透镜式太阳能集热器，导热流体采用烷基联苯醚型合成导热油，既能满足系统整体建造和维护简单的需求，又满足了各自的工作区间特性，形成良好的配合关系。在本发明中采用菲涅耳透镜式聚热器相较于采用槽式或蝶式的太阳能聚热器能够显著降低整体系统的建造和维护的成本，槽式太阳能聚热器反光面的加工成本较高，维护也比较麻烦，而菲涅耳透镜更好的适应性能够提高系统的应用范围。烷基联苯醚型合成导热油循环利用率高，毒性低，虽然工作的温度区间不是特别大，但是刚好能够适应菲涅耳透镜的温度范围，两者形成良好的组合。
30.进一步的，在太阳能光伏电池的中心位置设置冷却喷头，冷却喷头即可通高压空气用于日常的冷却和除尘，也可以通水用于年度的除污工作。喷头设置在光伏电池的几何中心位置能够充分的利用空气的动能向四周扩散，避免了将喷头布置在一端带来的能量损耗，喷头可通压缩空气用于日常的冷却和除尘，能够提高光伏电池的运行效率，延长光伏电池由于热衰减带来的使用寿命的降低，喷头还可以通低温水，用于年度的光伏电池表面的除污，除去压缩空气难以解决的污渍，省去了人工除污带来的额外操作，光伏电池的除污工作更加便捷。
31.进一步的，太阳能光伏电池的冷却喷头日常通入的压缩空气直接来自于高压储气室，用于气流冷却的水直接来自于低温蓄水罐，相较于单独配置压缩泵和水池，减少了系统和投资，另一方面充分利用了大型压缩机效率更高的特性，降低冷却除尘所用高压空气压缩过程带来的能量损耗。
32.基于本发明所述方法，冷却喷头中通高压空气用于日常的冷却和除尘，冷却空气对光伏电池表面进行冷却使得在正午时光伏电池也能稳定高效工作，冷却喷头中通水用于年度的除污工作，无需人工对光伏电池表面进行冲刷清洁，而且还能根据需要提高清洗频次，提高清洗效率；储能系统能实现对光伏电池的电能直接利用，采用压缩热回收模块和太阳能补热模块对压缩空气进行预热和加热，实现能量梯级利用，而且不产生碳排放。
附图说明
33.图1为本发明一种光伏电站储能配套系统的示意图。
34.图2为本发明实例中所述的光伏电池冷却模块的系统示意图。
35.图3为本发明实例中所述的光伏电池冷却模块中光伏电池和冷却喷头的安装主视图。
36.图4为本发明实例中所述的光伏电池冷却模块中光伏电池和冷却喷头的安装俯视图。
37.图5为本发明实例中所述的光伏电池冷却喷头的主视图。
38.图6为本发明实例中所述的光伏电池冷却喷头的截面图。
39.附图中，11为低压压气机，12为高压压气机，13为高压膨胀机，14为低压膨胀机；21为第一级冷却器，22为第二级冷却器，23为第一级预热加热器，24为第一级补热加热器，25为第二级预热加热器，26为第二级补热加热器；31为高压储气室控制阀，32为冷却气流总控制阀，33为储气控制阀，34为排气控制阀，35为放热回路进口控制阀，36为蓄热回路出口控制阀，37为填充床蓄热器控制阀，38为放热回路出口控制阀，39为蓄热回路进口控制阀；41为高压储气室，42为低温蓄水罐，43为高温蓄水罐，44为填充床蓄热器；5为太阳能集热器；6为光伏电池阵列，61为冷却喷头，611冷却喷头供气段，612为冷却喷头下型面，613为冷却喷头上型面，62为光伏电池；71为第一冷却气流换热器、72为第二冷却气流换热器、73为第三冷却气流换热器，81为第一冷却气流控制阀、82为第二冷却气流控制阀、83为第三冷却气流控制阀；91为电动机，92为发电机。
具体实施方式
40.下面结合具体的实例对本发明做进一步的详细说明：
41.参考图1，本发明提供的一种光伏电站储能配套系统，包括压缩空气储能模块、压缩热回收模块、太阳能补热模块和光伏电池冷却模块；光伏电池冷却模块包括设置在光伏电池上方的冷却喷头61，冷却喷头61连通有冷却空气或清洁水源；压缩空气储能模块包括储能段和释能段，储能段的出口和释能段的入口通过控制阀连接高压储气室41的入口；
42.储能段设置两级压缩机，压缩机的出口均设置冷却器，释能段设置两级膨胀机，两级膨胀机的入口处均设置预热加热器和补热加热器；
43.压缩热回收模块包括所述冷却器、低温蓄水罐42、高温蓄水罐43、所述预热加热器和补热加热器；
44.冷却器的热介质出口连通高温蓄水罐43，冷却器的冷介质出口连通低温蓄水罐42，高温蓄水罐43连接所述预热加热器，预热加热器的加热介质出口连通低温蓄水罐42；
45.太阳能补热模块的工质出入口连通所述补热加热器的加热介质进出口。
46.压缩空气储能模块包括储能段和释能段：储能段包括依次相连的电动机91、低压压气机11、第一级冷却器21、高压压气机12、第二级冷却器22、储气控制阀33、高压储气室控制阀31和高压储气室41；释能段包括依次相连的高压储气室41、高压储气室控制阀31、排气控制阀34、第一级预热加热器23、第一级补热加热器24、高压膨胀机13、第二级预热加热器25、第二级补热加热器26、低压膨胀机14以及发电机92。
47.压缩空气储能模块工作介质是空气，压缩热回收模块工作介质是水，光伏电池冷
却模块工作介质是空气或水，太阳能补热模块工作介质是导热油。在太阳能补热模块中的导热油采用烷基联苯醚型合成导热油。在太阳能补热模块中导热流体采用烷基联苯醚型合成导热油，既能满足系统整体建造和维护简单的需求，又满足了各自的工作区间特性，形成良好的配合关系。在本发明中采用菲涅耳透镜式聚热器相较于采用槽式或蝶式的太阳能聚热器能够显著降低整体系统的建造和维护的成本，槽式太阳能聚热器反光面的加工成本较高，维护也比较麻烦，而菲涅耳透镜更好的适应性能够提高系统的应用范围。烷基联苯醚型合成导热油循环利用率高，毒性低，虽然工作的温度区间不是特别大，但是刚好能够适应菲涅耳透镜的温度范围，两者形成良好的组合。
48.压缩空气储能模块中，低压压气机11、第一级冷却器21、高压压气机12、第二级冷却器22、储气控制阀33、高压储气室控制阀31和高压储气室41依次相连，组成储能时的空气回路；高压储气室41、高压储气室控制阀31、排气控制阀34、第一级预热加热器23、第一级补热加热器24、高压膨胀机13、第二级预热加热器25、第二级补热加热器26，低压膨胀机14依次相连，组成释能时的空气回路。
49.优选的，两级压缩机采用单轴结构，由直流无刷同步电机驱动；直流无刷同步电机的电源由光伏电池的直流总线提供。两级膨胀机采用单轴结构，驱动交流同步发电机并网发电。
50.作为可选的实施例，每级压缩机内可包含级内冷却过程。
51.压缩热回收模块包括低温蓄水罐42、冷却器组、高温蓄水罐43和预热加热器组，低温蓄水罐42、冷却器组、高温蓄水罐43和预热加热器组依次首尾相连；其中，冷却器组包括并联的第一级冷却器21和第二级冷却器22，预热加热器组包括并联的第一级预热加热器23和第二级预热加热器25。
52.太阳能补热模块包括填充床蓄热器44、填充床蓄热器控制阀37、蓄热回路进口控制阀39、太阳能集热器5、蓄热回路出口控制阀36、放热回路进口控制阀35、补热加热器组和放热回路出口控制阀38，太阳能补热模块包括两个回路：填充床蓄热器44、填充床蓄热器控制阀37、蓄热回路进口控制阀39、太阳能集热器5和蓄热回路出口控制阀36连通形成蓄热回路；以及填充床蓄热器44、放热回路进口控制阀35、补热加热器组、放热回路出口控制阀38和填充床蓄热器控制阀37连通形成放热回路。其中，补热加热器组包括并联的第一级补热加热器和第二级补热加热器。
53.填充床蓄热器44内的填充材料选用直径小于3厘米的鹅卵石或直径小于5厘米的钢渣块。
54.参考图2，光伏电池冷却模块包括光伏电池阵列6、连接管路、冷却气流换热器和冷却气流控制阀；控制阀兼具节流效果。呈矩阵布置的光伏电池阵列6，光伏电池上均设置冷却喷头，每一行为一组，一行内所有光伏电池上的冷却喷头连接在同一根管道上。以图2中光伏电池阵列最上方一行为例，该行内的所有光伏电池的冷却喷头都连接在同一根供气管道上，管道的一端封闭，另一端连接冷却气流换热器和冷却气流控制阀后连接到供气主管道上。
55.作为一个示例，设置多组冷却气流换热器和冷却气流控制阀连接于供气主管道，即第一行中的喷头通过管道接第一冷却气流换热器71和第一冷却气流控制阀81、第二行接第二冷却气流换热器72和第二冷却气流控制阀82，第三行接第三冷却气流换热器73和第三
冷却气流控制阀83。
56.光伏电池冷却模块的供气主管道内可以流经高压空气或水；其中高压空气由高压储气室41提供，水由低温蓄水罐42提供。
57.作为可选的实施例，光伏电池冷却模块的供气主管道内高压空气还可由：低压压气机11出口经第一级冷却器21冷却后的空气提供。
58.参考图3和图4，冷却喷头61布置在光伏电池62的几何中心上方，冷却喷头的出气孔距离光伏电池0.5厘米到3厘米。
59.参考图5和图6，冷却喷头61包括供气段611和收缩加速段，供气段611为直管形，供气段611的上端设置上端顶盖，收缩加速段的上下型面分别为一段圆弧形，其中下型面612的圆弧半径为供气段611管道半径的1/4到2/3，上型面613的圆弧半径为供气段611管道半径的3倍到7倍，上下型面在出口处的距离为供气管道半径的1/20到1/10，冷却喷头的上端顶盖与下部的主体之间沿周向均匀地设置3
‑
6个连接柱。
60.基于上述系统，基本工作方式包括4个部分：储能、释能、日常冷却除尘和年度清洁。
61.在储能阶段，具体实施包括以下步骤：步骤1，启动冷却水循环：低温水从低温蓄水罐42泵出，流经并联的两级冷却器后进入高温蓄水罐43。
62.步骤2，调节阀门状态：在压缩空气储能模块，打开储气控制阀33和高压储气室控制阀31，关闭冷却气流总控制阀32和排气控制阀34；在太阳能补热模块，打开蓄热回路进口控制阀39、蓄热回路出口控制阀36和填充床蓄热器控制阀37，关闭放热回路进口控制阀35和放热回路出口控制阀38。
63.步骤3，启动储能：在压缩空气储能模块，利用光伏电池直流总线中的功率盈余，计算直流无刷电机对应功率下的转速，启动直流无刷同步电机91，进行压缩空气储能过程，将压缩空气存储在高压储气室41内；在太阳能补热模块，根据太阳能集热器5出口的温度调节导热油流动速度，使高温导热油从填充床蓄热器44上端流入，将热量存储在填充床蓄热器内。
64.在释能阶段的具体实施包括以下步骤：步骤1，启动预热循环：高温水从高温蓄水罐43泵出，流经并联的两级预热加热器后进入低温蓄水罐42。
65.步骤2，调节阀门状态：在压缩空气储能模块，打开排气控制阀34和高压储气室控制阀31，关闭冷却气流总控制阀32和储气控制阀33。在太阳能补热模块，若此时太阳能集热器5出口温度能达到额定出口温度，则打开放热回路进口控制阀35、放热回路出口控制阀38、蓄热回路进口控制阀39和蓄热回路出口控制阀36，关闭填充床蓄热器控制阀37；若此时太阳能集热器出口温度达不到额定出口温度，则打开放热回路进口控制阀35、放热回路出口控制阀38和填充床蓄热器控制阀37，关闭蓄热回路进口控制阀39和蓄热回路出口控制阀36。
66.步骤3，启动释能：在压缩空气储能模块，利用高压空气的膨胀作功，带动交流同步电机92发电，待发电机输出功率稳定，达到并网条件后进行并网发电。在太阳能补热模块，根据补热加热器组出口气流的温度是否达到设定温度，对导热油流动速度进行调节，使高温导热油从填充床蓄热器44上端流出，流经补热加热器对高压空气进行加热。
67.在日常冷却除尘阶段，具体实施包括以下步骤：步骤1，引入高压空气：中午时刻，
当检测到光伏电池的温度达到或高于设定温度时，打开冷却气流总控制阀32，将高压空气导入冷却主管道内；步骤2，间歇运行：以图2中3行的光伏电池为一组，打开第一行的冷却气流控制阀81，对光伏电池进行冷却时，关闭第二行和第三行的冷却气流控制阀82、83；对第一行光伏电池进行预设时间的冷却后，关闭第一行的冷却气流控制阀81，打开第二行的冷却气流控制阀82，逐行对光伏电池进行冷却。
68.在年度清洁时，冷却主管道内通高压水流，利用水流的强力冲刷效果，除去光伏电池表面日常除尘难以去除的污渍。为了降低主管道内的水流流速，可逐行打开冷却气流控制阀进行逐行光伏电池的清洁。