一种集成太阳能聚光分光光伏-热的压缩二氧化碳储能系统

本发明属于太阳能光伏发电及储能，涉及一种利用光谱分离和压缩二氧化碳储能技术的综合系统，具体是一种集成太阳能聚光分光光伏-热的压缩二氧化碳储能系统，通过优化能量利用路径，提高光伏发电效率和储能能力。

背景技术：

1、光伏发电作为清洁可再生能源的重要形式，其大规模应用是应对气候变化、实现碳中和的重要途径之一。然而，当前光伏发电技术在实际应用中仍面临着诸多挑战，一定程度上限制了其大规模应用：

2、首先，目前光伏发电效率远低于兰茨贝格极限。根据热力学第二定律，单结太阳能电池的理论最高效率，即兰茨贝格极限(landsberg limit)，约为29.43％。然而，目前商用光伏电池的实际效率远低于这一理论极限。以单晶硅电池为例，其实验室条件下的最高效率约为26.7％，与理论极限仍存在一定差距。这种效率瓶颈严重制约了光伏发电的经济性和大规模应用。

3、其次，太阳能的间歇性(intermittency)给大规模储能带来巨大挑战。由于太阳能的可用性受昼夜交替、季节变化和天气条件等因素影响，其发电输出呈现不稳定和间歇性特征。这种特性与电网对稳定可靠供电的要求存在矛盾，因此需要配套大规模储能系统来平衡供需。然而，现有储能技术在成本、容量和效率等方面仍难以满足大规模光伏发电的需求，导致全球范围内普遍存在大规模弃光现象，在光伏发电量高峰期，由于电网无法完全消纳过剩电力，大量光伏电力被迫弃用，造成了能源资源的严重浪费。

4、此外，现有的储能系统主要包括充电和放电两个阶段，在充电阶段由太阳能光伏电池为储能系统提供电力。太阳能光伏电池的工作原理是通过光生伏特效应将光能直接转化为电能，然而光伏电池在能量转换过程中有两种主要的能量损失：一是能量低于光伏电池带隙能的光子不能被光伏电池吸收和利用，反而转化为热量；二是能量高于光伏电池带隙能的光子中多余能量也作为废热耗散(热化现象)。这些损失的光谱能转化为热量，导致电池温度升高，反而降低了光伏效率和电池寿命。现有的一些研究表明，光伏电池的温度每升高1℃，其效率就会下降约0.5％。

5、储能系统的技术瓶颈也严重制约了光伏发电的广泛应用。常规电池储能技术受限于容量、充放电速度、寿命和成本等因素，难以满足大规模储能需求。抽水蓄能虽然具有较高的效率和大容量储能能力，但其受限于地理条件，不适用于所有地区。飞轮储能技术虽然具有高功率密度和快速响应能力，但在能量密度和长期储能稳定性方面存在不足。此外，现有的光伏发电系统往往忽视了对低品位热能的利用。在光伏发电过程中，大量的太阳能被转化为热量，但这部分热能通常被直接排放到环境中，造成了能源的浪费。

6、综上所述，当前光伏发电技术在效率和储能方面仍然存在一定的技术瓶颈，制约了其大规模应用和推广。如何有效提高光伏发电效率，解决太阳能间歇性问题，实现大规模高效储能，充分利用各种形式的太阳能，以及降低系统成本，是当前光伏发电技术领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、针对现有光伏发电系统存在的效率低、储能困难、能源利用不充分等缺陷和不足，为了解决现有技术中的这些以及其他方面的至少一种技术问题，基于先进的分光技术和光伏电池技术以及二氧化碳的独特特性，本发明提出了一种集成太阳能聚光分光光伏-热的压缩二氧化碳储能系统，以最大限度地利用不间断的太阳能电力，解决光伏电池能量转换中的光谱能量损失问题，并通过高效的储能和放电过程，实现太阳能的稳定输出。本发明通过将低于光伏电池带隙能的太阳光谱分离并转化为热能，结合压缩二氧化碳储能系统，优化了能量利用路径，显著提升了系统的整体效率和经济性，确保光伏发电在大规模应用中的可行性和可靠性。

3、(二)技术方案

4、为实现该发明目的，解决其技术问题，本发明采用如下技术方案：

5、一种集成太阳能聚光分光光伏-热的压缩二氧化碳储能系统，用于提高太阳能利用效率并实现大规模储能，至少包括一太阳能聚光分光光伏-热单元和一压缩二氧化碳储能单元，具体而言：

6、--所述太阳能聚光分光光伏-热单元至少包括一聚光装置、一分光装置及一多结太阳能电池组，其中：所述聚光装置用于收集和聚焦太阳光；所述分光装置设置于聚光装置的光路下游，用于将聚焦的太阳光分离成不同波长的光谱；所述多结太阳能电池组设置于分光装置的光路下游，包括多个串联的窄带隙光伏电池，用于吸收和转化不同波长的光谱能量并将光能转换为电能；

7、--所述压缩二氧化碳储能单元至少包括压缩装置、膨胀装置、储气装置、储热装置，其中：所述压缩装置用于基于太阳能光伏电力压缩二氧化碳，至少包括一第一压缩机组和一第二压缩机组，二者的动力输入端均与多结太阳能电池组的输出端电连接；所述膨胀装置至少包括一第一膨胀机组和一第二膨胀机组，用于通过二氧化碳膨胀做功发电；所述储气装置至少包括一高压储气罐和一低压储气罐，二者分别用于储存高压和低压状态的二氧化碳；所述储热装置至少包括一第一压缩储热换热器、一第二压缩储热换热器、一第一太阳储热换热器和一第二太阳储热换热器，其中：所述第一、二压缩储热换热器分别用于存储第一、二压缩机组在压缩过程中产生的热能，所述第一、二太阳储热换热器均设置于分光装置的光路下游并均用于收集和存储光谱能量低于多结太阳能电池组最小带隙能量的光谱部分转化的热能，并在释能过程中将热能分别传递给第一、二膨胀机组；

8、并且其中：

9、所述第一压缩机组的进气口通过管路与所述低压气储罐的出口连通，其排气口通过管路依次经所述第一压缩热存储装置的热侧、第二压缩机组、第二压缩储热换热器的热侧后与所述高压储气罐的进口连通；

10、所述高压储气罐的出口通过管路依次经所述第二压缩储热换热器的冷侧、第一太阳储热换热器的冷侧、第一膨胀机组、第一压缩储热换热器的冷侧、第二太阳储热换热器的冷侧、第二膨胀机组后与所述低压储罐的进口连通。

11、(三)技术效果

12、同现有技术相比，本发明的集成太阳能聚光分光光伏-热的压缩二氧化碳储能系统，具有以下有益且显著的技术效果：

13、(1)本发明通过结合太阳能聚光分光光伏技术与压缩二氧化碳储能技术，实现了高效的太阳能转换和大规模储能。通过采用多结太阳能电池组，能够有效吸收和转化不同波长的光谱能量，大大提高了光电转换效率。用多结光伏电池取代了单结电池，多结电池组的结构设计，使得其能够利用更广泛的太阳光谱，相较于传统的单结光伏电池，其能量转换效率显著提升。此外，采用分光装置将聚焦的太阳光分离成不同波长的光谱，不仅优化了光伏电池的吸收，还采用聚光分离方法将低于多结电池中最小带隙能的太阳光谱分离出来，分离的太阳光谱被转换成热能并存储在太阳能热能存储装置中，以提高放电过程中膨胀机组的入口进气温度，进一步提高了整体能量利用率。

14、(2)本发明具备高效的热回收能力。由于膨胀机组入口温度升高而使从膨胀机出来的工质仍然具有较高的温度，因此系统配置了第一、二热回收器，能够回收膨胀过程中未被完全利用的热能，并将回收的热能重新输送至热能存储系统中。通过热回收装置的使用，系统能够在循环过程中尽量减少热能损失，进一步提高了系统的热效率和整体能效。

15、(3)本发明有效解决了太阳能发电的间歇性问题。通过集成压缩二氧化碳储能单元，系统能够在太阳能充足时将能量存储起来，在光照不足或夜间进行放电，实现了稳定的电力供应。压缩二氧化碳储能技术具有较高的能量密度和效率，能够在不增加系统复杂性的情况下，显著提升储能能力，确保了系统在各种工况下的可靠运行。

16、(4)发明的集成太阳能聚光分光光伏-热的压缩二氧化碳储能系统，通过多结太阳能电池组、压缩二氧化碳储能单元、热能管理系统及热回收装置的协同作用，cces系统在放电阶段的光伏效率和发电量都有所提高，从而提高了太阳能的整体利用效率，具有显著的技术进步和应用前景。