CN101334012B - 一种分布式太阳能利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能利用技术，公开了一种分布式太阳能利用系统。它包括太阳能热量搜集器、主热利用装置和余热利用装置；其特征在于，所述主热利用装置包含依次组成循环闭路的主热换热器、微型高速涡轮机、余热换热器、循环泵，所述主热换热器与太阳能热量搜集器连接，吸收热量；所述余热利用装置包含斯特林发动机、与斯特林发动机的冷却端连接的冷却器，斯特林发动机的加热端与余热换热器连接，吸收热量。

Description

一种分布式太阳能利用系统
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术，尤其涉及一种分布式太阳能利用系统。
背景技术
太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量在3.3×103～8.4×106kJ/(m2·a)之间，相当于2.4×104亿t标准煤，属太阳能资源丰富的国家之一。目前，我国经济飞速发展，对能源的需求也日益增大，但石油、煤炭、天然气等传统能源资源储量的有限性及其开发利用过程中对生态环境的严重危害是实现可持续发展所要面临的重大问题。因此，开发利用具有清洁、无污染、储量大、可再生等特点的太阳能对于经济发展、社会稳定和环境保护都具有极为重要的意义。
目前对太阳能的利用方式有很多种，包括太阳能电池、太阳能热水器、太阳能电站等，这些方式对太阳能的利用较为直接，但存在制造成本高、电池废料处理和能量利用效率低等缺点。目前已有的采用涡轮机或斯特林发动机来利用太阳能的方式多为单级利用，即仅对太阳能做一次利用开发，其做功完毕后的余热没有充分利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式太阳能利用系统，它可以克服或改进现有的太阳能利用技术中制造成本高、电池废料处理和能量利用效率不高等缺点，克服涡轮机或斯特林发动机单级利用太阳能，没有充分利用余热的缺陷。
为了达到上述目的，本发明采用有以下技术方案予以实现：一种分布式太阳能利用系统，包括太阳能热量搜集器、主热利用装置和余热利用装置；其特征在于，所述主热利用装置包含依次连接组成循环闭路的主热换热器、微型高速涡轮机、余热换热器、循环泵，所述主热换热器与太阳能热量搜集器连接，吸收热量；所述余热利用装置包含斯特林发动机、与斯特林发动机的冷却端连接的冷却器，斯特林发动机的加热端与余热换热器连接，吸收热量。
本发明的进一步改进在于：所述微型高速涡轮机和余热换热器之间串接有回热换热器，所述循环泵通过回热换热器与主热换热器连接。
本发明的更进一步改进在于：所述余热换热器为多个，与之相应连接的余热利用装置也为多个。
本发明结合微型高速涡轮机效率高和斯特林发动机对低温热源利用效果好的优点，通过对这两个设备及其它相关设备的优化组合，建立一套新型的基于微型高速涡轮和斯特林发动机的分布式太阳能利用系统。该系统所使用的设备部件都是基于现有的较为成熟的技术制造的，设备简单，成本较低，安全性和可靠性较好；利用微型高速涡轮机释放的余热来推动斯特林发动机，进行二次利用，从而提高了整个系统的能量利用率。
本发明对太阳能进行分布式能源利用时，通过太阳能热量搜集器将太阳能转化为热量，其特点是热量品位高但数量相对较少。微型高速涡轮机功率在100kW以下，转速3万转以上，其体积、重量相对较小；使用微型高速涡轮机可以在较小的设备体积下充分利用这种能量。采用回热换热器以及余热利用装置，并根据实际余热品位与数量来确定余热利用装置数量和布置方式，可以将微型高速涡轮机释放的余热进行充分利用，提高系统的整体能量利用率。由于各装置是通过余热换热器连接起来的，每装置都是一个独立封闭的循环回路，当某个装置出现问题或进行检修时，其它装置在对运行参数进行调整后仍可照常使用。因此，各装置具有较好的独立性，整体系统具有较好的稳定性。
附图说明
图1是本发明实例1的结构示意图；
图2是本发明实例2的结构示意图；
图3是本发明实例3的结构示意图；
图3是本发明实例4的结构示意图。
具体实施方式
参照图1，本实施例包括太阳能热量搜集器1，一个主热利用装置和一个余热利用装置。主热利用装置由微型高速涡轮机3及其附属装置对太阳能进行搜集利用，输出机械功，或带动发电机输出电能；余热利用装置利用微型高速涡轮机3的排气余热作为斯特林发动机6热源，推动斯特林发动机6输出机械功，或带动发电机输出电能。
主热利用装置具有微型高速主热换热器2、涡轮机3、余热换热器5、循环泵10、冷凝器9和主热发电机4；余热利用装置具有斯特林发动机6、冷却器8和余热发电机7。太阳能热量搜集器1可以是太阳能热水器，也可以通过菲涅耳透镜将搜集到的太阳能传递至主换热器集热端。
主热利用装置通过太阳能搜集器1将热量传递至主热换热器2，然后由循环泵10驱动工质进入主热换热器2中获得汽化能，通过汽相工质膨胀做功驱动微型高速涡轮机3输出机械功或带动主热发电机4发电，由冷凝器9将做功后的汽相工质冷凝为液相。冷凝器9中冷凝方式可以为空冷、水冷或其他冷凝方式。
在微型高速涡轮机3与冷凝器9之间串接有余热换热器5，余热换热器5吸收微型高速涡轮机3排气的部分热量，传递至斯特林发动机6受热端，用以加热其中工质并推动斯特林发动机6做功，输出机械功或带动余热发电机7输出电能，然后由冷却器8将斯特林发动机6中工质冷却。
两装置所配置的换热工质，与其热量来源及品质相适配。工质包括氟利昂、烷烃类等有机工质以及水、氨等无机工质等。各发电装置发出的电能，可经调节处理后送给用电设备使用，或送入蓄电池存储。
参照图2，本实例2是实例1的一种改进方案：在微型高速涡轮机3与余热换热器5之间，还串联有回热换热器11，该回热换热器11的汽相工质进口连通微型高速涡轮机3的出口，汽相工质出口连通冷凝器9的进口；回热换热器11的液相工质进口连通循环泵10的出口，液相工质出口连通主热换热器2的工质进口。
对于主热利用装置，工质由冷凝器10中被循环泵11抽出，输送至回热换热器11中进行预热，然后进入主热换热器2，加热气化后进入微型高速涡轮机3中，膨胀做功，推动微型高速涡轮机3转动，从而带动与微型高速涡轮机3相连的主热电机4转动发电。工质做功完毕后由微型高速涡轮机3中排出，进入回热换热器11中，对液相工质预热后进入余热换热器5中，放热后进入冷凝器9中冷凝。冷凝器9中冷凝方式可以为空冷、水冷或其他冷凝方式。
余热换热器5将主热利用装置中微型高速涡轮机3排气的部分热量，传递至斯特林发动机6受热端，用以加热其中工质并推动斯特林发动机6做功，输出机械功或带动余热发电机7输出电能，然后由冷却器8将斯特林发动机6中工质冷却。冷却器8中冷凝工质可以为空气、水或其他工质。
实施例3和实施例4是对实例2的进一步改进：若主热利用装置中微型涡轮机排气经过余热换热器换热后温度仍较高，或主热利用装置中工质冷凝温度相对余热利用装置中工质而言较高，可增设第二、或第三余热利用装置，充分利用余热。
参照图3，该系统工作方式与图2基本相同，区别在于增设第二余热利用装置，即在第一斯特林发动机61、第一余热发电机71和第一冷却器81的基础上，增加了第二斯特林发动机62、第二余热发电机72和第二冷却器82，以及相应的增加了第二余热换热器52，第二余热换热器52串联在第一余热换热器51之后。增加了第二余热换热器52后，主热利用装置原有的冷凝器可以省去。第一冷却器81和第二冷却器82中的冷却工质可以选择独立管路运行或进行串联组合运行。
参照图4，该结构与图3结构基本相同，区别在于增设第三余热利用装置，在第二余热换热器52之后增加了第三余热换热器53，相应地了增加了第三斯特林发动机63、第三余热发电机73和第三冷却器83。第一冷却器81、第二冷却器82和第三冷却器83中的冷却工质可以选择独立管路运行或进行串联组合运行。
本发明的主热利用装置采用微型高速涡轮机，其体积、重量相对较小，并在工质流量较小时可以采用部分进汽以适应工况，同时其技术目前较为成熟，保证了制造上的可行性。主热利用装置中采用了回热结构，即用微型高速涡轮机的排气对由循环泵中输出的工质进行预热，减少了工质冷凝时的热量损失，并提高了系统能量利用率。
系统中主热利用装置和余热利用装置之间设置了余热换热器，将两个相对独立的装置联接起来，将在主热利用装置中原先无法利用的的热量，用来驱动余热利用装置中的斯特林发动机，从而提高了该太阳能利用系统的整体能量利用率。而且，系统中两类装置之间通过余热换热器联接在一起，但各个装置中的工质是隔开的，只有能量交换而没有质量交换，因此根据实际的热量来源与品质，决定系统中的部分结构，即决定回热换热器、余热换热器、斯特林发动机等的设置方式与数量，实现热量的多级利用，以达到最佳的能量利用和投入产出比；各装置可以选用不同的工质进行循环工作，包括氟利昂、烷烃类等有机工质和水、氨等无机工质等，以达到最佳效率。

Claims (1)

1.一种分布式太阳能利用系统，包括太阳能热量搜集器、主热利用装置和余热利用装置；其特征在于，所述主热利用装置包含依次连接组成循环闭路的主热换热器、微型高速涡轮机、余热换热器、循环泵，所述主热换热器与太阳能热量搜集器连接，吸收热量；所述余热利用装置包含斯特林发动机、与斯特林发动机的冷却端连接的冷却器，斯特林发动机的加热端与余热换热器连接，吸收热量；所述微型高速涡轮机和余热换热器之间串接有回热换热器，所述循环泵通过回热换热器与主热换热器连接；所述余热换热器为多个，与之相应连接的余热利用装置也为多个。
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