CN103378647A - 一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统 - Google Patents

Abstract

一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统；主要包括至少一套风力发电子系统和至少一套太阳能发电子系统；其特征在于，所述至少一套风力发电子系统的支撑塔筒上布置太阳能发电子系统的接收装置，接收聚光系统汇聚的太阳光发电；通过电源汇合处理装置将风力发电子系统所发电能（风电）和太阳能发电子系统所发电能（光电）进行合并输出；该一体化复合发电系统具有低的建设成本、可实施多种电源的合并稳定输出，且能综合利用场地，以适应中国的风场和广场大多重叠的地理特点。

Description

一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统

技术领域

本发明涉及一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统。

背景技术

风能取之不竭, 耗之不尽。合理利用风能, 既可减少环境污染,又可减轻越来越大的能源短缺所造成的压力。我国电源结构中75%是燃煤火电, 为减少C02等温室气体排放、缓解全球气候变暖, 发展风电等可再生清洁能源是有效措施之一。我国风力资源主要分布在二大风带：一是“三北地区”（东北、华北和西北地区），包括东北三省和河北、内蒙古、甘肃、青海、西藏、新疆等省区近200Km宽的地带，可开发利用的风能储量约2亿kW,约占全国可利用储量的79%。该地区风电场地势平坦，交通方便，没有破坏性风速，是我国最大的连片风能资源区，有利于大规模开发风电场，同时，该片区域的太阳能资源也很丰富；二是东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。

新一代效率更高的兆瓦级风力发电机的转子叶片直径达90米（2.5MW）至100m（3.6MWe），支撑这些转子叶片及发电机的支撑塔筒高度就更高了，最高甚至超过150米。从转子叶片下沿到地面的支撑塔筒部分仍然具有相当高度，此部分目前未见进行其它利用。自然条件下，风速和风向是随时变化的，因此不管哪种型号的风力发电机组都无法改变发电功率频繁变化的不稳定性问题，在风电大规模使用时，会对电网带来冲击。这种特点制约了风电的大规模发展。

太阳能作为另一种可再生清洁能源，也在蓬勃发展，太阳能聚热发电（CSP）逐步为人们所认识和重视。CSP非常重要的优势是可以用很低的成本储存能量（热能），从而稳定输出电力，并且可以按照电网需求随时调节输出功率，而不必依赖当时的光照强度（甚至可以实现每天24小时按需输出电力），因此是一种很有潜力的电网稳定电源。CSP体系由吸热、传热、储热和换热部分组成。常见的CSP体系有槽式、塔式、碟式及菲涅尔阵列方式，其中塔式CSP具有温度参数高，光、热、电转化效率高等优点，但目前仍存在成本偏高的问题，其中集热接收塔的成本是其中的重要部分，降低接收塔建造成本，可提升塔式CSP 的竞争力，目前分布塔式CSP技术发展很快，主要特点就是将以往的单一大型接收塔替换为若干小型接收塔，并减小每组定日镜尺寸，具有较大的竞争优势。其每个小型接收塔对应的发电功率一般为1-5MW左右，与目前的风电单机功率相近。

另外，聚光光伏发电（CPV）是一种能够节省电池用量的新型光伏发电技术，通过将太阳光以一定倍数会聚到光伏电池上，达到节省电池降低成本的目的。该CPV系统中，聚光成本占总体系统成本的大部分，只有聚光成本的大幅下降才能获得CPV系统的长足的发展。

直驱型风电机组一般通过全功率变流器，对所发电能进行变换处理，得到符合电网标准的交流输出电力；光伏系统则通过逆变器进行相关处理。风电变流器和光伏逆变器在主体电路结构上有很大的相似性，均为高频逆变电路，可以共用。

双馈式风机一般通过发电机输出三相交流电后经升压变压器输出并网，而光热发电一般通过热机带动发电机获得三相交流电力输出，二者有可能互相借用和补充，并使用同一套并网控制电路汇合输出并网电力，同时还可以进一步实现风电与光热发电的稳定功率汇合输出。

在许多风力资源丰富的地域，往往太阳能资源也很丰富，反之亦然。将太阳能发电技术融合到当前正规模发展的传统风电产业中去，在不新增占地面积的情况下，将同一片区域的风力资源和太阳能资源综合利用起来。因此，是一项很有意义的工作。

 

发明内容

本发明的目的在于提供一种风力发电和太阳能发电复合一体化的解决方案，采用该方案的系统同时具备风力发电和太阳能发电能力，利用两种发电能力的优势互补实现大规模发展，利用风电支撑塔筒安装接收装置，利用CSP系统的储热能力稳定所述复合一体化发电系统的总电力功率输出，系统中的部分组件可同时被两种发电能力所利用，从而消减了一些重合的配置，降低了建造成本。这是一种具有低成本、高可靠性、稳定输出功率的发电系统。

本发明提供一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统；主要包括至少一套风力发电子系统和至少一套太阳能发电子系统；其特征在于，所述至少一套风力发电子系统的支撑塔筒上布置太阳能发电子系统的接收装置，接收聚光系统汇聚的太阳光发电。

进一步地，所述一体化复合发电系统还包括电源汇合处理装置，所述风力发电子系统所发电能（风电）和太阳能发电子系统所发电能（光电）通过电源汇合处理装置合并输出。

进一步地，所述电源汇合处理装置包括功率分配电路和逆变电路，能根据风、光条件和输出需要，对风电、光电的输入电能进行变换处理以获得所需输出参数的电能。

进一步地，所述电源汇合处理装置包括逆变电路或并网控制装置的二者其中之一及功率分配电路。

进一步地，所述电源汇合处理装置在接收光伏电池接收装置的电能时，还包括最大功率点跟踪（MPPT）电路；以提高光伏发电效率。

进一步地，所述电源汇合处理装置具有自动功率分配调节功能，通过对光热发电的输出功率调整，实现对风电的参数波动进行补偿，使合并后的输出电能参数稳定。

进一步地，所述单个电源汇合处理装置连接至少一个风力发电电源和至少一个太阳能发电电源；优选为，多个所述风力发电电源和一个所述光热发电电源对应接入所述电源汇合处理装置。

进一步地，所述太阳能发电子系统的接收装置布置于转子叶片转动时其尖端最低可达位置以下的支撑塔筒外侧。

进一步地，所述太阳能发电子系统为光伏发电系统、光热发电系统或二者的混合系统。

进一步地，所述太阳能发电子系统的接收装置布置于转子叶片转动时其尖端最低可达位置以下的尽量高的位置。

进一步地，所述光伏发电系统的接收装置为光伏电池接收装置；该光伏电池装置所用的光伏电池为聚光光伏电池，如聚光单晶电池、砷化镓电池。

进一步地，所述光热发电系统的接收装置包括吸收结构和辅助聚光器，辅助聚光器布置在吸收结构外部，所述太阳能发电子系统的接收装置围绕支撑塔筒外侧环形布置。

进一步地，所述辅助聚光器为活动结构，可进行开、闭操作；在非吸热工作状态时，可关闭吸热结构的接收窗口，减少热量从接收窗口向外的辐射和对流损失。

进一步地，所述光热发电系统中包括储能装置。

进一步地，所述储能装置的部分或全部与接收装置一体化布置于风力发电的支撑塔筒上，实施太阳能光热的吸收和直接存储。

进一步地，所述储能装置包括储热罐、储热罐内部的储热介质及换热结构，所述换热结构布置于储热罐内部的储热介质中，通过流经该换热结构内部的换热介质对储能装置内部的热量进行输入输出调节。

进一步地，所述太阳能发电子系统包括布置于风力支撑塔筒外侧的冷却装置。

优选地，所述冷却装置布置于所述接收装置位置以上的风电支撑塔筒外壁。

进一步地，所述太阳能发电子系统的冷却装置为空气冷却装置或非主动强制对流空气冷却装置，布置于风电支撑塔筒的外壁；其中光伏发电系统的冷却装置用以冷却光伏电池；光热发电系统的冷却装置用以冷却热机。

进一步地，所述一体化复合发电系统可通过所述电源汇合处理装置及所述光热发电系统的储能装置，在没有合适太阳光照条件时（如阴天、夜晚）利用储热发电，对输出电能进行调度调节，实现调峰电源功能。

进一步地，所述一体化复合发电系统可通过所述电源汇合处理装置及所述光热发电系统的储能装置，在没有合适太阳光照条件时利用储热发电，对风电参数的波动进行稳定补偿调节，实现稳定电源的功能。

进一步地，所述支撑塔筒的外侧设置升降装置，用以升降接收装置、储能装置、冷却装置等，方便并节省一体化发电系统安装、建设和运维成本。

  本发明技术具有以下优点：1、本发明所述一体化复合系统能采用风力发电与太阳能发电一体化装置，在对风力发电基本没有影响的情况下，低成本利用太阳能，达到更好的经济性；2、风力发电、光伏发电和光热发电在电源汇合处理装置的作用下，补偿风电参数的波动，实现所需参数电能的稳定输出；3、电源汇合处理装置和光热发电系统的储能装置协调工作，对输出电能进行调度调节，实施电源的调峰输出；4、太阳能发电子系统的接收装置和储能装置布置于风力发电子系统的支撑塔筒上，减少了太阳能发电子系统原本的支撑装置的建筑成本（尤其减少了塔式光热发电系统的支撑装置建设成本）及土地成本；5、太阳能发电子系统的冷却装置为空气冷却装置，布置于风力发电子系统的支撑塔筒上，该位置高于传统做法，具有较大的风速，减少了传统的空气冷却装置所需功耗，甚至完全使用非主动强制对流空气冷却装置，完全节省了传统冷却装置所需功耗。

附图说明

图1是本发明的风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统装置第1实施例结构示意图；

图2是本发明的风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统装置第2实施例结构示意图；

图3是本发明的风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统装置第3实施例结构示意图。

下面参照附图对本发明的具体实施方案进行详细的说明。

图1是本发明的风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统装置第1实施例结构示意图；如图1所示，该风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统1；主要包括风力发电子系统2和太阳能发电子系统3；该太阳能发电子系统3为塔式光热发电系统，且该塔式光热发电系统接收装置10布置于所述风力发电子系统2的支撑塔筒4位置，接收聚光系统汇聚的太阳光发电。该实施例二的系统中，储能装置6布置于风力发电支撑塔筒4底部附近位置，接收装置10布置于风力发电支撑塔筒4的中段位置，而高端为风力发电子系统2的转子叶片5布置位置，该转子叶片5接收支撑塔筒上的风能，进行风能发电；中部的接收装置10整体为空腔式接收器结构或者为环形阵列集热管式接收器结构，接收布置于地面上的定日镜9反射镜来的太阳光，该接收装置10将太阳光的热量传递至支撑塔筒4底部附近位置布置的储能装置6内部，所需的换热管道较少，传输过程中的热量损失较少；风力发电子系统2取发电厂的风力资源进行发电，而太阳能光热电系统取发电厂的太阳能资源进行发电，二者资源没有相互影响；进一步地，一体化复合发电系统1包括电源汇合处理装置8，所述风力发电子系统2所发电能（风电）和太阳能发电子系统3所发电能（光电）通过电源汇合处理装置8合并输出；该电源汇合处理装置8包括逆变电路或并网控制装置的二者其中之一及功率分配电路，能根据风、光条件和输出需要，对风电、光电输入进行变换处理以获得所需输出参数的电能；另外，电源汇合处理装置8具有自动功率分配调节功能，能通过对光热发电功率的调整实现对风电参数的波动进行补偿，使合并后的输出电参数稳定。优选地，一体化复合发电系统的支撑塔筒的外侧设置升降装置，用以升降接收装置、储能装置、冷却装置等，方便并节省一体化发电系统安装、建设和运营成本；该系统在建设过程中会有较多的高空安装及安装完成后的运行维修过程，且每次安装出动大型吊车的成本非常高昂；一体化复合发电系统外部设置升降装置，将会大大降低安装和维修等操作的难度，降低安装和运营费用。

该太阳能光热发电系统的储能装置6包括储热罐、储热罐内部的储热介质及换热结构，所述换热结构布置于储热罐内部的储热介质中，通过流经该换热结构内部的换热介质对储能装置6内部的热量进行输入输出调节。

该复合一体化发电系统1利用电源汇合处理装置8及储能装置6联合操作，实施所述一体化复合发电系统的电源混合调峰或电源稳定输出，在没有合适太阳光照条件时（阴天或夜晚）利用储热发电，对输出电能进行调度调节，实现调峰电源功能；且对风电参数的波动进行稳定补偿调节，实现稳定电源的功能。

该太阳能光热发电系统利用热机将热能转化成电能，因热机本身只具有大约30~40%热机效率，其中有绝大部分的热量通过冷却装置（图中没有示意）传送至系统外部；该实施例的冷却装置为空气冷却装置（中国的太阳能资源和风力资源丰富区域多为缺水区域），布置于风电支撑塔筒高端位置的外壁（转子叶片转动时其尖端最低可达位置以下的尽量高的位置），且风速离地面越高风速越大，进一步地，空气冷却装置为非主动强制对流空气冷却装置，不需使用散热风机，没有主动强制对流冷却带来的风机功耗问题）。

优选地，该实施例可以进行大规模的布置和安装，每套风力发电和太阳能发电复合一体化发电系统具有一个风力支撑塔筒对应的风力发电子系统2，同时具有一个安装在该支撑塔筒上的集热器7对应的太阳能光热发电系统；单组一体化发电系统具有一个电源汇合处理装置，用以进行功率分配和对电源的逆变处理；也可以实施多组复合一体化装置，即多组风力发电子系统和多组太阳能发电子系统对应一组电源汇合处理装置进行电源功率分配和逆变处理。

图2是本发明的风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统装置第2实施例结构示意图；如图2所示，该风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统1；主要包括风力发电子系统2和太阳能发电子系统3；该太阳能发电子系统3为塔式光热发电系统，且该塔式光热发电系统的储能装置6的部分或全部与接收装置10布置于所述风力发电子系统2的支撑塔筒4特定位置，接收聚光系统汇聚的太阳光发电。该实施例三的系统中，储能装置6布置于中段的风力发电支撑塔筒4的内部；接收装置10布置于储能装置的对应位置的支撑塔筒4的外部；具体为接收装置10布置于转子叶片5转动时其尖端最低可达位置以下的支撑塔筒4外侧，围绕支撑塔筒4外侧环形布置，包括吸收结构和吸收结构外部布置的辅助聚光器；而高端为风力发电子系统的转子叶片5布置位置，该转子叶片接收支撑塔筒上的风能，进行风能发电；接收装置接收布置于地面上的定日镜9反射镜来的太阳光，该接收装置10将太阳光的热量传递至对应位置布置的储能装置6内部，所需的换热管道较少，传输过程中的热量损失较少；进一步地，接收装置的辅助聚光器为活动结构，在非吸收工作状态时，可活动关闭吸收结构的接收窗口，减少热量从接收窗口向外部的辐射和对流损失。

一个具体实施例：风力发电子系统，转子叶片直径80米，支撑塔筒高80米，该风力发电功率为2MW；转子叶片下沿位于40米处，塔式发电系统的接收装置布置于40米位置，对应定日镜场为2万平米，设计2MW功率光热（配合3-4小时储热）。

另一具体实施例：风力发电机的功率3MW，对应的支撑塔筒的高度为100m，对应转子叶片的直径为90m，假定塔式光热发电系统的接收位置为55米，则塔式对应的广场接收面积大约为4.8万平米，则大约能产生太阳能发电功率3MW（3-4小时发电时间）。

第2实施例具有第1实施例描述的储热结构、冷却装置和电源汇合处理装置，且能实施阵列大规模布置等相同或相似的运行效果，此次不在做过多赘述。

图3是本发明的风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统装置第3实施例结构示意图；如图3所示，该风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统1；主要包括风力发电子系统2和太阳能发电子系统3；该太阳能发电子系统3为光伏发电系统，且该光伏发电系统的接收装置10布置于所述风力发电子系统的支撑塔筒4的特定位置，接收聚光系统汇聚的太阳光发电，具体为布置于转子叶片5转动时其尖端最低可达位置以下的支撑塔筒4外侧，接收装置10可以为平板光伏电池装置或聚光光伏电池装置；聚光光伏电池装置所用的光伏电池如聚光单晶电池、砷化镓电池。实施例中，聚光光伏电池装置布置于支撑塔筒的外侧面，接收太阳能镜场平面镜或定日镜的太阳光照射，获得高倍的太阳光汇聚；进一步地，所述光伏电池接收装置包括冷却装置，例如冷却装置为空气冷却装置，优选为，所述空气冷却装置实施非强制对流空气冷却操作。进一步地，所述光伏接收装置的冷却装置布置于所述光伏电池接收装置上部的风电支撑塔筒外壁，以获得更加良好的冷却效果。进一步地，所述一体化复合发电系统包括电源汇合处理装置8，所述风力发电子系统所发电能（风电）和太阳能发电子系统所发电能（光电）通过电源汇合处理装置8合并输出。

该实施例4的复合一体化装置包括电源汇合处理装置8，该装置至少包括功率分配电路和逆变电路和最大功率点跟踪（MPPT）电路，能根据风、光条件和输出需要，对风电、光电输入进行变换处理以获得所需输出参数的电能；同时MPPT电路以便提高光伏电池的发电效率。

需要特殊说明的是，该复合一体化装置的太阳能发电子系统为光伏发电系统、光热发电系统或二者的混合系统，实现风电、光伏发电和光热发电系统的综合利用。

显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围由所述的权利要求书进行限定。

Claims (16)

1.一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统；主要包括至少一套风力发电子系统和至少一套太阳能发电子系统；其特征在于，所述至少一套风力发电子系统的支撑塔筒上布置太阳能发电子系统的接收装置，接收聚光系统汇聚的太阳光发电。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述一体化复合发电系统还包括电源汇合处理装置，所述风力发电子系统所发电能（风电）和太阳能发电子系统所发电能（光电）通过电源汇合处理装置合并输出。

3.根据权利要求2所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述电源汇合处理装置包括逆变电路或并网控制装置的二者其中之一及功率分配电路。

4.根据权利要求3所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述单个电源汇合处理装置连接至少一个风力发电电源和至少一个太阳能发电电源。

5.根据权利要求1所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述太阳能发电子系统为光伏发电系统、光热发电系统或二者的混合系统。

6.根据权利要求1所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述太阳能发电子系统的接收装置布置于转子叶片转动时其尖端最低可达位置以下。

7.根据权利要求6所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述太阳能发电子系统的接收装置布置于转子叶片转动时其尖端最低可达位置以下的尽量高的位置。

8.根据权利要求6所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述太阳能发电子系统的接收装置围绕支撑塔筒外侧环形布置。

9.根据权利要求6所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述光热发电系统的接收装置包括吸收结构和辅助聚光器。

10.根据权利要求5所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述太阳能发电子系统包括布置于风力支撑塔筒外侧的冷却装置。

11.根据权利要求10所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述冷却装置为空气冷却装置或非主动强制对流空气冷却装置。

12.根据权利要求6所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述光热发电系统中包括储能装置。

13.根据权利要求10所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述储能装置的部分或全部与接收装置一体化布置于风力发电的支撑塔筒上。

14.根据权利要求9所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述辅助聚光器为活动结构，可进行开、闭操作。

15.根据权利要求2所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述电源汇合处理装置及储能装置联合操作，实施所述一体化复合发电系统的电源混合调峰或电源稳定输出。

16.根据权利要求1所述的一种风力发电和太阳能发电一体化复合发电系统，其特征在于，所述支撑塔筒的外侧设置升降装置。

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