太陽能熱水熱電轉換裝置的製作方法
2023-12-10 07:09:07
專利名稱：太陽能熱水熱電轉換裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種熱水熱電轉換裝置，尤其涉及一種太陽能熱水熱電轉換裝置。
背景技術：
太陽能是指太陽光 的 輻射能量。在太陽內部進行的由「氫」聚變成「氦」的原子核 反應，不停地釋放出巨大的能量，並不斷向宇宙空間輻射能量，這種能量就是太陽能。太陽 能是一種綠色、潔淨、取之不盡的能源。人類對太陽能利用大體上就有三種太陽能光熱、光 電和光化學的能量轉換，而用於產生電力的轉換方式只有太陽能光熱和光電的轉變。光電 轉換的形式比較單一，主要的利用形式是太陽能電池。太陽能光熱電的轉換方式和其設備 裝置就比較多。太陽能光熱電轉換的一個最常見原則就是設法通過太陽能的收集獲得水蒸 汽，通過蒸汽透平做功，帶動發電機產生電力。常規太陽能光熱發電系統使用的都是高溫太陽能資源。高溫太陽能發電系統 最主要使用高溫熱源的原因是其透平發電單元是常規Rankine循環動力系統，為了保證其 熱經濟性，就必須提高熱力循環的初始溫度和壓力。太陽能資源是能量密度較低的資源，這 就導致常規太陽能光熱發電必須通過特殊的裝置來聚集低能量密度的能量，從而能提供足 夠的熱量來加熱水，得到高溫高壓的水蒸汽。比如太陽能塔式發電，槽式發電等，都需要投 入巨資建設太陽能聚集裝置。以下便介紹幾種常見的太陽能光熱發電系統。一、塔式太陽能發電系統該系統是在空曠平地上建立高大的塔，塔頂安裝固定一個接收器相當於鍋爐， 塔的周圍安置大量的定日鏡，將太陽光聚集並反射到塔頂的接收器上產生高溫，接收器 內生成的高溫蒸汽推動汽輪機來發電。塔式太陽能熱發電按加熱工質的不同又可以分為兩種，一種是加熱純水，另一種 為加熱鹽水溶液。圖1為現有鹽塔式太陽能熱發電簡單熱力系統示意圖，請參見圖1，在鹽 塔式太陽能熱利用發電站裡，數千塊日鏡將太陽光聚焦到塔樓頂部吸熱體101上，熱量轉 入吸熱體內的鹽水溶液，其溫度從265°c升高到565°C，然後高溫溶液送到熱鹽儲存器102 中，通過蒸汽發生器103產生蒸汽，蒸汽經汽輪機104透平做功後，通過冷凝器105放熱冷 卻後又重新回到冷鹽儲存器106裡，通過鹽溶液泵107升壓後再次打入吸熱體101內。儘管塔式熱發電系統起步較早，人們也一直希望通過儘可能多的定日鏡將太陽 能量聚集到幾十兆瓦的水平，但是塔式系統的造價一直居高不下，產業化困難重重，其 根本原因在於定日鏡系統的設計。目前典型的塔式熱發電系統的定日鏡都有兩個特點一是 定日鏡的反射面幾乎都採用普通的球面或平面，二是定日鏡的跟蹤都使用傳統的方位角 仰角公式。這兩個設計特點導致塔式太陽能聚光接收器存在著以下難以克服的問題1、太陽在塔上聚焦的光斑在一天之內呈現大幅度變化，導致聚光光強大幅度波 動，普通球面或平面反射鏡無法克服由於太陽運動而產生的像差。由於太陽的盤面效應，各 個反射鏡在中央塔上形成的光斑大小隨著它與中心塔的距離增加而線性增長，塔上最後形成的太陽聚焦光斑在一天之內可以隨定日鏡場的大小從幾米變化到幾十米之大，因此塔式 太陽能熱發電站光光強出現大幅度波動。再加上各個定日鏡的不同餘弦效應，塔式系統的 光熱轉換效率僅為60%左右。儘管目前在一些比較講究的塔式系統的設計中，對不同的定 日鏡開始採用不同曲率半徑的球面以減小太陽在塔上聚焦光斑的尺寸，但光學設計複雜性 大大增加導致製造成本也跟著大幅增長。2、眾多的定日鏡圍繞中心塔而建立，佔地面積巨大的中央塔的建立必須要保證各 個定日鏡之間互相不能阻擋光線。各個定日鏡之間的距離隨著它們與中心塔距離的增加而 大幅度增長，因而塔式熱發電系統的佔地面積隨著功率等級的增加而呈指數性激增。由於上述這些問題，塔式熱發電系統儘管可以實現1000°C的聚焦高溫，但一直 面臨著單位裝機容量投資過大的問題。目前塔式系統的初投資成本為3. 4萬 4. 8萬元， 而且造價降低非常困難，所以塔式系統50多年來始終停留在示範階段而沒有推廣開來二、槽式太陽能發電系統該系統是一種藉助槽形拋物面反射鏡將太陽光聚焦反射到聚熱管上，通過管內熱 載體將水加熱成蒸汽推動汽輪機發電的清潔能源利用裝置。槽形拋物面太陽能發電站的功 率為10 1000MW。槽式太陽能熱發電是目前所有太陽能熱發電站中功率最大的。系統集 熱器採集到的熱量傳遞到管內流動的熱載體上，熱載體可以是水蒸氣、熱油或鹽水等，所用 的反射鏡由貧鐵玻璃製成，它必須有足夠的製造精度以便在任何情況下都能有效地反射太 陽光線。槽形拋物面太陽能收集器所採用的反射鏡是拋物面柱。反射的陽光聚焦在一條 直線上，安置在焦點線上的真空管玻璃集熱器吸收被聚焦的太陽能輻射，溫度可以達到 400°C，高溫載熱質在中間換熱器中加熱水產生水蒸汽，自身溫度下降，通過載熱質循環泵 流回太陽能集熱器吸熱，構成熱源一迴路。產生的水蒸汽在汽輪機內透平做功，帶動發電機 發電，排氣在冷凝器中冷凝成水，經冷凝水泵和給水泵升壓後，再回中間換熱器，繼續循環， 此構成第二迴路。槽式系統以線聚焦代替了點聚焦並且聚焦的管線隨著圓柱拋物面反射鏡一起跟 蹤太陽運動，這樣就解決了塔式系統由於聚焦光斑不均勻而導致的光熱轉換效率不高的問 題，將光熱轉換效率提高到70%左右。但是槽式系統也帶來個新的問題是無法實現固定目 標下的跟蹤，導致系統機械笨重。由於太陽能接收器中間的聚焦管線固定在槽式反射鏡上， 隨著反射每個槽式反射鏡都是長、寬的一個大整體鏡面，風阻很大，必須要改變或加強反射 鏡的支撐結構以增加槽式系統的抗風性能，這樣必然導致初投資成本和熱發電成本增加。槽式系統的接收器長，散熱面積大，槽式系統的太陽能接收器是根很長的吸熱管， 儘管發展了許多新的吸光技術。但其散熱包括由熱輻射造成的散熱面積要比其有效的受光 面積大，因此與點型聚光系統如碟式和塔式相比，槽式系統的熱損耗較大。三、碟式太陽能發電系統碟式太陽能發電系統是由2000多鏡子組成的拋物面反射鏡組成。接收器在拋物 面的焦點上把收集到的600 2000 V的熱源引到斯特林發動機內，將傳熱工質加熱到750 °C左右，最後驅動發電機進行發電。碟形反射鏡跟蹤太陽的運動而運動，克服了塔式系統較 大餘弦效應的損失問題，光熱轉換效率大大提高，一般高達85%左右。碟式接收器將太陽聚焦於旋轉拋物面的焦點上，又因為太陽能聚光器和斯特林發動機能非常好的結合產生電能，其將太陽能轉換為電能的淨效率可達29. 4%，所以斯特林 循環在相同的運行溫度範圍內是所有太陽能發電中效率最高的。碟式太陽能發電系統使用 靈活，既可以作分布式系統單獨供電，也可以併網發電。碟式太陽能發電系統與槽式太陽能發電系統及塔式太陽能發電系統的比較如下 表所示
一I塔式 I槽式 I碟式
工作溫度(°C )_500-1000 260-400 500-1500
太陽聚光倍數600-1000 8-80 200-3000
'光熱轉換效率(％)"6070 85 —
1 資成本(太陽能和其他染料組成的混合系統發電)(萬元/Kff)3；4 2,2 "4,7
￥資成本(單獨使用太陽能發電)(萬元/Kff)|4，8 |4，4 |6，4通過上表可知，碟式太陽能發電工作溫度和聚光比是最大的，其光熱轉換效率高 達85%左右，在類似系統中位居首位。碟式系統的缺點是造價昂貴，在種系統中也是位居 首位。目前碟式熱發電系統的初投資成本高達4. 7萬 6. 4萬元。儘管碟式系統的聚光比 非常高，可以達到2000°C的高溫，但是對於目前的熱發電技術而言如此高的溫度並不需要 甚至是具有破壞性的。所以，碟式系統的接收器一般並不放在焦點上，而是根據性能指標要 求適當地放在較低的溫度區內，這樣高聚光度的優點實際上並不能得到充分的發揮並且熱 儲存困難，熱熔鹽儲熱技術危險性大而且造價高。綜上所述，現有的三種太陽能光熱發電技術都屬於高溫太陽能發電技術，這就大 大增加了對太陽能集熱器性能的要求，也就勢必增加了在太陽能集熱器裝置的資金投入， 增加了初期投資。
發明內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種太陽能熱水熱電轉換裝置，提高光熱 轉化效率，降低系統成本本實用新型為解決上述技術問題而採用的技術方案是提供一種太陽能熱水熱電 轉換裝置，包括儲水水箱、熱交換器、透平機及分餾冷凝單元，其中，所述裝置包括串聯/並 聯在一起的至少一個真空管集熱器，所述真空管集熱器的出水口連接儲水水箱的進水口， 所述儲水水箱的出水口連接熱交換器的熱側進口，所述熱交換器的熱側出口通過第一循環 水泵連接真空管集熱器的進水口，所述熱交換器的冷側通過Kalina循環二迴路分別連接 透平機及分餾冷凝單元，所述透平機通過變速箱與發電機相連接。上述的太陽能熱水熱電轉換裝置，其中，所述真空管集熱器包括至少一個真空管， 所述真空管通過外部的支撐結構固定，在真空管內的管壁上塗有選擇性吸收塗層，在真空 管內設有水平/豎直放置的至少一片翅片，管中設有中間傳熱介質的U形管穿過翅片設於 真空管內，U形管的兩端設於真空管外，相鄰的兩個U形管的端部相互連接。上述的太陽能熱水熱電轉換裝置，其中，所述裝置還包括測溫調節器和太陽能熱 水補燃加熱裝置，所述測溫調節器的輸入端和真空管集熱器的出水口連接，輸出端分兩路 連接所述儲水水箱，其中，一路直接連接儲水水箱，另外一路通過第一閥門連接儲水水箱； 所述太陽能熱水補燃加熱裝置設置在所述儲水水箱與所述第一循環水泵的出口之間，在太陽能熱水補燃加熱裝置與儲水水箱之間連接有第二閥門，在太陽能熱水補燃加熱裝置與第 一循環水泵的出口之間連接有第三閥門，第一循環水泵的出口通過混合器連接所述真空管 集熱器的進水口，混合器通過第四閥門連接測溫調節器 上述的太陽能熱水熱電轉換裝置，其中，所述Kalina循環二迴路包括回熱器，所 述回熱器的冷側出口端與熱交換器的冷側出口端共連後連接汽液分離器的進口，所述分離 器的汽出口端及液出口端分別連接第一節流閥及回熱器的熱側進口端，所述第一節流閥連 接所述透平機，所述透平機的蒸汽出口端與回熱器的熱側出口端共連後連接冷凝器的待冷 凝側進口，所述冷凝器的待冷凝側出口依次連接第二循環水泵及第二節流閥，所述第二節 流閥同時連接熱交換器及回熱器的冷側進口。上述的太陽能熱水熱電轉換裝置，其中，所述分餾冷凝單元包括冷凝器，在冷凝器 內的頂部設有噴霧裝置，所述冷凝器的冷凝側出口連接冷卻塔，所述冷卻塔的出口依次第 三循環水泵及第三節流閥後連接冷凝器的冷凝側進口。本實用新型對比現有技術有如下的有益效果本實用新型提供的太陽能熱水熱電 轉換裝置，通過真空管集熱器提高光熱轉化效率，降低系統成本。此外，本實用新型通過增 加測溫調節器和太陽能熱水補燃加熱裝置，保證太陽能熱水熱電轉換裝置能在各種天氣狀 況下正常使用。更進一步，本實用新型通過在U形管上增加翅片的方式，增加了 U型管與外 界高溫環境的熱量交換面積，增大U型管內工質吸收的熱量，進一步提高光熱轉化效率，降 低系統成本。
圖1為現有鹽塔式太陽能熱發電簡單熱力系統示意圖；圖2為本實用新型的太陽能熱水熱電轉換裝置結構示意圖；圖3A為本實用新型的太陽能熱水熱電轉換裝置中太陽能真空管集熱器的結構示 意圖；圖3B為圖3A中單根真空管的局部放大示意圖；圖3C為圖3B的俯視圖；圖4為本實用新型帶熱水補燃加熱裝置的連接示意圖；圖5為本實用新型冷凝單元的結構示意圖；圖6為本實用新型的太陽能熱水熱電轉換裝置的熱力循環曲線圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的描述。圖2為本實用新型的太陽能熱水熱電轉換裝置結構示意圖。請參見圖2，本實用新型提供的太陽能熱水熱電轉換裝置包括儲水水箱2、熱交換 器3、透平機5及分餾冷凝單元，其中，所述裝置包括串聯在一起的至少一個真空管集熱器 1，所述真空管集熱器1的出水口連接儲水水箱2的進水口，所述儲水水箱2的出水口連接 熱交換器3的熱側進口，所述熱交換器3的熱側出口通過第一循環水泵4連接真空管集熱 器1的進水口，所述熱交換器3的冷側通過Kalina循環二迴路分別連接透平機5及分餾冷 凝單元，所述透平機5通過變速箱6與發電機7相連接。[0041]圖3A為本實用新型的太陽能熱水熱電轉換裝置中太陽能真空管集熱器的結構示 意圖；圖3B為圖3A中單根真空管的局部放大示意圖；圖3C為圖3B的俯視圖 請參見3A、3B和3C，本實用新型提供的太陽能熱水熱電轉換裝置的真空管集熱器 1包括至少一個真空管8，通過外部的支撐結構11固定，在真空管8內的管壁上塗有選擇性 吸收塗層，其吸收率as >95%，其轉換效率ε > 90%，在真空管8內設有水平/豎直放置 的多片翅片9，管中沒有中間傳熱介質的U形管10穿過翅片9設於真空管8內，U形管10 的兩端設於真空管8外，相鄰的兩個U形管10的端部相互連接，這樣如圖3Α所示12個真 空管8便呈串聯排列。Kalina循環在低溫(彡150°C )段，循環效率高，比常規Rankine循環高20 50%， 因此，本實用新型採用Kalina循環二迴路作為熱源循環迴路，如圖2所示，該Kalina循環 二迴路包括回熱器19，回熱器19的冷側出口端與熱交換器3的冷側出口端共連後連接汽 液分離器20的進口，分離器20的汽出口端及液出口端分別連接第一節流閥21及回熱器 19的熱側進口端，第一節流閥21連接透平機5，透平機5的蒸汽出口端與回熱器19的熱側 出口端共連後連接冷凝器22的待冷凝側進口，冷凝器22的待冷凝側出口依次連接第二循 環水泵23及第二節流閥24，第二節流閥24同時連接熱交換器3及回熱器19的冷側進口。 Kalina (卡琳娜)循環透平，其特點是採用變濃度的氨水混合物為工質，通過控制氨濃度來 達到基本等溫放熱，增加作功量。Kalina循環排汽是過熱蒸汽，因而沒有Rankine循環中凝 汽透平溼蒸汽損失和衝刷侵蝕葉片的問題。具體來說，其循環工質採用氨_水混合工質，氨 水混合工質具有如下物化特性(1)不固定的沸點和凝結點溫度；(2)熱物理特性能隨氨濃度的改變而改變；(3)在熱容量的不變的情況下，混合物的溫度會變化；(4)非常低的冰點溫度；(5)弱鹼性。不同的壓力、溫度及濃度情況下氨水熱力參數焓、比容及熵的計算可基於NIST (美國國家技術標準研究所)所制定的氨水混合物的狀態方程。運用NIST8. 0計算程序計算。本實用新型利用的就是氨水混合物具有不穩定的沸點溫度的特點，可以縮小與熱 源的換熱溫差。在如圖6所示的熱力曲線上，在吸熱蒸發段，氨水混合物沒有定壓吸熱過 程，它可以比常規的純水多吸一部分熱量。在冷凝段，同理氨水沒有固定的凝結點，在放熱 冷凝段，它就可以少放一部分熱量。多吸熱，少放熱，熱力循環效率可獲提高。圖4為本實用新型帶熱水補燃加熱裝置的連接示意圖。為了在夜晚和陽光不足的冬季或者是連續的陰雨天氣情況下使用，本實用新型可 以進一步增加熱水補燃加熱裝置，請參見圖4，真空管集熱器1的出水口連接測溫調節器 12，測溫調節器12分兩路連接所述儲水水箱2，其中，一路直接連接儲水水箱2，另外一路通 過第一閥門13連接儲水水箱2，在儲水水箱2與第一循環水泵4的出口之間連接有太陽能 熱水補燃加熱裝置15，在太陽能熱水補燃加熱裝置15與儲水水箱2之間連接有第二閥門 16，在太陽能熱水補燃加熱裝置15與第一循環水泵4的出口之間連接有第三閥門17，第一 循環水泵4的出口通過混合器18連接所述真空管集熱器1的進水口，混合器18通過第四 閥門14連接測溫調節器12。[0053]該迴路的工作過程為在陽光的輻射下，閥門16及第閥門17關閉，裝置15關閉， 系統正常運行時，被加熱水依次通過一組串聯的真空管8，在集熱器內吸熱，被加熱成95°C 的熱水，進入儲水水箱2。集熱器1管束數量依發電機組的設計輸出電功率而定，閥門13常 開，閥門14常處於關閉狀態。在陰天陽光較弱的情況下，當流經真空管集熱器1的水未達 到95°C時，閥門14被打開，沒有達到指定溫度的熱水與循環回來的冷水混合後，通入太陽 能熱水補燃加熱裝置15中再次被加熱，達到指定溫度。這個過程是由測溫調節器控制的。 熱源一迴路的循環動力都來自於循環水泵4，循環水泵4提供必要的壓頭來克服在集熱器 1、換熱器3、閥門和管道中的壓損。在夜晚和陽光不足的冬季或者是連續的陰雨天氣情況下，閥門16及閥門17開啟， 熱源迴路中不足的熱量就由太陽能熱水補燃加熱裝置15提供，熱源循環繼續正常運作。圖5為本實用新型冷凝單元的結構示意圖請參見圖5，本實用新型冷凝單元包括冷凝器22，在冷凝器22內的頂部設有噴淋 裝置25，冷凝器22的冷凝側出口連接冷卻塔26，冷卻塔26的出口依次經第三循環水泵27 及第三節流閥28後連接冷凝器22的冷凝側進口。雖然本實用新型已以較佳實施例揭示如上，然其並非用以限定本實用新型，任何 本領域技術人員，在不脫離本實用新型的精神和範圍內，當可作些許的修改和完善，因此本 實用新型的保護範圍當以權利要求書所界定的為準。
權利要求一種太陽能熱水熱電轉換裝置，包括儲水水箱(2)、熱交換器(3)、透平機(5)及分餾冷凝單元，其特徵在於，所述裝置包括串聯/並聯在一起的至少一個真空管集熱器(1)，所述真空管集熱器(1)的出水口連接儲水水箱(2)的進水口，所述儲水水箱(2)的出水口連接熱交換器(3)的熱側進口，所述熱交換器(3)的熱側出口通過第一循環水泵(4)連接真空管集熱器(1)的進水口，所述熱交換器(3)的冷側通過Kalina循環二迴路分別連接透平機(5)及分餾冷凝單元，所述透平機(5)通過變速箱(6)與發電機(7)相連接。
2.如權利要求1所述的太陽能熱水熱電轉換裝置，其特徵在於，所述真空管集熱器(1) 包括至少一個真空管(8)，所述真空管(8)通過外部的支撐結構(11)固定，在真空管(8)內 的管壁上塗有選擇性吸收塗層，在真空管(8)內設有水平/豎直放置的至少一片翅片(9)， 管中設有中間傳熱介質的U形管(10)穿過翅片(9)設於真空管(8)內，U形管(10)的兩端 設於真空管(8 )外，相鄰的兩個U形管(10 )的端部相互連接。
3.如權利要求1所述的太陽能熱水熱電轉換裝置，其特徵在於，所述裝置還包括測溫 調節器(12)和太陽能熱水補燃加熱裝置(15)，所述測溫調節器(12)的輸入端和真空管集 熱器(1)的出水口連接，輸出端分兩路連接所述儲水水箱(2)，其中，一路直接連接儲水水 箱(2)，另外一路通過第一閥門(13)連接儲水水箱(2);所述太陽能熱水補燃加熱裝置(15) 設置在所述儲水水箱(2)與所述第一循環水泵(4)的出口之間，在太陽能熱水補燃加熱裝 置(15)與儲水水箱(2)之間連接有第二閥門(16)，在太陽能熱水補燃加熱裝置(15)與第 一循環水泵(4)的出口之間連接有第三閥門(17)，第一循環水泵(4)的出口通過混合器 (18)連接所述真空管集熱器(1)的進水口，混合器(18)通過第四閥門(14)連接測溫調節 器(12)。
4.如權利要求1所述的太陽能熱水熱電轉換裝置，其特徵在於，所述Kalina循環二回 路包括回熱器(19)，所述回熱器(19)的冷側出口端與熱交換器(3)的冷側出口端共連後連 接汽液分離器(20)的進口，所述分離器(20)的汽出口端及液出口端分別連接第一節流閥 (21)及回熱器(19 )的熱側進口端，所述第一節流閥(21)連接所述透平機(5 )，所述透平機 (5)的蒸汽出口端與回熱器(19)的熱側出口端共連後連接冷凝器(22)的待冷凝側進口，所 述冷凝器(22)的待冷凝側出口依次連接第二循環水泵(23)及第二節流閥(24)，所述第二 節流閥(24)同時連接熱交換器(3 )及回熱器(19 )的冷側進口。
5.如權利要求1所述的太陽能熱水熱電轉換裝置，其特徵在於，所述分餾冷凝單元包 括冷凝器(22 )，在冷凝器(22 )內的頂部設有噴霧裝置(25 )，所述冷凝器(22 )的冷凝側出口 連接冷卻塔(26)，所述冷卻塔(26)的出口依次第三循環水泵(27)及第三節流閥(28)後連 接冷凝器(22)的冷凝側進口。
專利摘要本實用新型公開了一種太陽能熱水熱電轉換裝置，包括儲水水箱、熱交換器、透平機及分餾冷凝單元，其中，所述裝置包括串聯/並聯在一起的至少一個真空管集熱器，所述真空管集熱器的出水口連接儲水水箱的進水口，所述儲水水箱的出水口連接熱交換器的熱側進口，所述熱交換器的熱側出口通過第一循環水泵連接真空管集熱器的進水口，所述熱交換器的冷側通過Kalina循環二迴路分別連接透平機及分餾冷凝單元，所述透平機通過變速箱與發電機相連接。本實用新型提供的太陽能熱水熱電轉換裝置，通過真空管集熱器提高光熱轉化效率，降低系統成本。
文檔編號F24J2/05GK201705598SQ20102029251
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月16日 優先權日2010年8月16日
發明者張高佐, 戴軍, 施德容, 郭佳 申請人:上海盛合新能源科技有限公司