CN101893327B - 一种太阳能热水热电转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能热水热电转换装置，包括储水水箱、热交换器、透平机及分馏冷凝单元，其中，所述装置包括串联/并联在一起的至少一个真空管集热器，所述真空管集热器的出水口连接储水水箱的进水口，所述储水水箱的出水口连接热交换器的热侧进口，所述热交换器的热侧出口通过第一循环水泵连接真空管集热器的进水口，所述热交换器的冷侧通过Kalina循环二回路分别连接透平机及分馏冷凝单元，所述透平机通过变速箱与发电机相连接。本发明提供的太阳能热水热电转换装置，通过真空管集热器提高光热转化效率，降低系统成本。

Description

一种太阳能热水热电转换装置

技术领域

本发明涉及一种热水热电转换装置，尤其涉及一种太阳能热水热电转换装置。

背景技术

太阳能是指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。太阳能是一种绿色、洁净、取之不尽的能源。人类对太阳能利用大体上就有三种：太阳能光热、光电和光化学的能量转换，而用于产生电力的转换方式只有太阳能光热和光电的转变。光电转换的形式比较单一，主要的利用形式是太阳能电池。太阳能光热电的转换方式和其设备装置就比较多。太阳能光热电转换的一个最常见原则就是设法通过太阳能的收集获得水蒸汽，通过蒸汽透平做功，带动发电机产生电力。

    常规太阳能光热发电系统使用的都是高温太阳能资源。高温太阳能发电系统最主要使用高温热源的原因是其透平发电单元是常规Rankine循环动力系统，为了保证其热经济性，就必须提高热力循环的初始温度和压力。太阳能资源是能量密度较低的资源，这就导致常规太阳能光热发电必须通过特殊的装置来聚集低能量密度的能量，从而能提供足够的热量来加热水，得到高温高压的水蒸汽。比如太阳能塔式发电，槽式发电等，都需要投入巨资建设太阳能聚集装置。以下便介绍几种常见的太阳能光热发电系统。

一、塔式太阳能发电系统

该系统是在空旷平地上建立高大的塔, 塔顶安装固定一个接收器相当于锅炉, 塔的周围安置大量的定日镜, 将太阳光聚集并反射到塔顶的接收器上产生高温, 接收器内生成的高温蒸汽推动汽轮机来发电。

塔式太阳能热发电按加热工质的不同又可以分为两种，一种是加热纯水，另一种为加热盐水溶液。图1为现有盐塔式太阳能热发电简单热力系统示意图，请参见图1，在盐塔式太阳能热利用发电站里，数千块日镜将太阳光聚焦到塔楼顶部吸热体101上，热量转入吸热体内的盐水溶液，其温度从265℃升高到565℃，然后高温溶液送到热盐储存器102中，通过蒸汽发生器103产生蒸汽，蒸汽经汽轮机104透平做功后，通过冷凝器105放热冷却后又重新回到冷盐储存器106里，通过盐溶液泵107升压后再次打入吸热体101内。

尽管塔式热发电系统起步较早, 人们也一直希望通过尽可能多的定日镜将太阳能量聚集到几十兆瓦的水平, 但是塔式系统的造价一直居高不下, 产业化困难重重，其根本原因在于定日镜系统的设计。目前典型的塔式热发电系统的定日镜都有两个特点一是定日镜的反射面几乎都采用普通的球面或平面, 二是定日镜的跟踪都使用传统的方位角仰角公式。这两个设计特点导致塔式太阳能聚光接收器存在着以下难以克服的问题：

1、太阳在塔上聚焦的光斑在一天之内呈现大幅度变化, 导致聚光光强大幅度波动，普通球面或平面反射镜无法克服由于太阳运动而产生的像差。由于太阳的盘面效应，各个反射镜在中央塔上形成的光斑大小随着它与中心塔的距离增加而线性增长，塔上最后形成的太阳聚焦光斑在一天之内可以随定日镜场的大小从几米变化到几十米之大，因此塔式太阳能热发电站光光强出现大幅度波动。再加上各个定日镜的不同余弦效应，塔式系统的光热转换效率仅为60%左右。尽管目前在一些比较讲究的塔式系统的设计中，对不同的定日镜开始采用不同曲率半径的球面以减小太阳在塔上聚焦光斑的尺寸，但光学设计复杂性大大增加导致制造成本也跟着大幅增长。

2、众多的定日镜围绕中心塔而建立，占地面积巨大的中央塔的建立必须要保证各个定日镜之间互相不能阻挡光线。各个定日镜之间的距离随着它们与中心塔距离的增加而大幅度增长，因而塔式热发电系统的占地面积随着功率等级的增加而呈指数性激增。

由于上述这些问题，塔式热发电系统尽管可以实现1000℃的聚焦高温, 但一直面临着单位装机容量投资过大的问题。目前塔式系统的初投资成本为3.4万～4.8万元，而且造价降低非常困难，所以塔式系统50多年来始终停留在示范阶段而没有推广开来。

二、槽式太阳能发电系统

该系统是一种借助槽形抛物面反射镜将太阳光聚焦反射到聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽推动汽轮机发电的清洁能源利用装置。槽形抛物面太阳能发电站的功率为10～1000MW。槽式太阳能热发电是目前所有太阳能热发电站中功率最大的。系统集热器采集到的热量传递到管内流动的热载体上，热载体可以是水蒸气、热油或盐水等，所用的反射镜由贫铁玻璃制成，它必须有足够的制造精度以便在任何情况下都能有效地反射太阳光线。

槽形抛物面太阳能收集器所采用的反射镜是抛物面柱。反射的阳光聚焦在一条直线上，安置在焦点线上的真空管玻璃集热器吸收被聚焦的太阳能辐射，温度可以达到400℃，高温载热质在中间换热器中加热水产生水蒸汽，自身温度下降，通过载热质循环泵流回太阳能集热器吸热，构成热源一回路。产生的水蒸汽在汽轮机内透平做功，带动发电机发电，排气在冷凝器中冷凝成水，经冷凝水泵和给水泵升压后，再回中间换热器，继续循环，此构成第二回路。

槽式系统以线聚焦代替了点聚焦并且聚焦的管线随着圆柱抛物面反射镜一起跟踪太阳运动，这样就解决了塔式系统由于聚焦光斑不均匀而导致的光热转换效率不高的问题，将光热转换效率提高到70%左右。但是槽式系统也带来个新的问题是无法实现固定目标下的跟踪，导致系统机械笨重。由于太阳能接收器中间的聚焦管线固定在槽式反射镜上，随着反射每个槽式反射镜都是长、宽的一个大整体镜面，风阻很大，必须要改变或加强反射镜的支撑结构以增加槽式系统的抗风性能，这样必然导致初投资成本和热发电成本增加。

槽式系统的接收器长，散热面积大，槽式系统的太阳能接收器是根很长的吸热管，尽管发展了许多新的吸光技术。但其散热包括由热辐射造成的散热面积要比其有效的受光面积大，因此与点型聚光系统如碟式和塔式相比，槽式系统的热损耗较大。

三、碟式太阳能发电系统

碟式太阳能发电系统是由2000多镜子组成的抛物面反射镜组成。接收器在抛物面的焦点上把收集到的600～2000 ℃的热源引到斯特林发动机内，将传热工质加热到750 ℃左右，最后驱动发电机进行发电。碟形反射镜跟踪太阳的运动而运动，克服了塔式系统较大余弦效应的损失问题，光热转换效率大大提高，一般高达85%左右。

碟式接收器将太阳聚焦于旋转抛物面的焦点上，又因为太阳能聚光器和斯特林发动机能非常好的结合产生电能，其将太阳能转换为电能的净效率可达29.4% ，所以斯特林循环在相同的运行温度范围内是所有太阳能发电中效率最高的。碟式太阳能发电系统使用灵活, 既可以作分布式系统单独供电, 也可以并网发电。

碟式太阳能发电系统与槽式太阳能发电系统及塔式太阳能发电系统的比较如下表所示：

	塔式	槽式	碟式
				工作温度（℃）	500-1000	260-400	500-1500
太阳聚光倍数	600-1000	8-80	200-3000
				光热转换效率（%）	60	70	85
投资成本（太阳能和其他染料组成 的混合系统发电）(万元/KW)	3,4	2,2	4,7
				投资成本(单独使用太阳能发电) （万元/KW）	4,8	4,4	6,4

通过上表可知，碟式太阳能发电工作温度和聚光比是最大的，其光热转换效率高达85%左右, 在类似系统中位居首位。碟式系统的缺点是造价昂贵，在种系统中也是位居首位。目前碟式热发电系统的初投资成本高达4.7万～6.4万元。尽管碟式系统的聚光比非常高，可以达到2000℃ 的高温，但是对于目前的热发电技术而言如此高的温度并不需要甚至是具有破坏性的。所以，碟式系统的接收器一般并不放在焦点上，而是根据性能指标要求适当地放在较低的温度区内，这样高聚光度的优点实际上并不能得到充分的发挥并且热储存困难，热熔盐储热技术危险性大而且造价高。

综上所述，现有的三种太阳能光热发电技术都属于高温太阳能发电技术，这就大大增加了对太阳能集热器性能的要求，也就势必增加了在太阳能集热器装置的资金投入，增加了初期投资。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳能热水热电转换装置，提高光热转化效率，降低系统成本。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种太阳能热水热电转换装置，包括储水水箱、热交换器、透平机及分馏冷凝单元，其中，所述装置包括串联/并联在一起的至少一个真空管集热器，所述真空管集热器的出水口连接储水水箱的进水口，所述储水水箱的出水口连接热交换器的热侧进口，所述热交换器的热侧出口通过第一循环水泵连接真空管集热器的进水口，所述热交换器的冷侧通过Kalina循环二回路分别连接透平机及分馏冷凝单元，所述透平机通过变速箱与发电机相连接。

上述的太阳能热水热电转换装置，其中，所述真空管集热器包括至少一个真空管，所述真空管通过外部的支撑结构固定，在真空管内的管壁上涂有选择性吸收涂层，在真空管内设有水平/竖直放置的至少一片翅片，管中设有中间传热介质的U形管穿过翅片设于真空管内，U形管的两端设于真空管外，相邻的两个U形管的端部相互连接。

上述的太阳能热水热电转换装置，其中，所述装置还包括测温调节器和太阳能热水补燃加热装置，所述测温调节器的输入端和真空管集热器的出水口连接，输出端分两路连接所述储水水箱，其中，一路直接连接储水水箱，另外一路通过第一阀门连接储水水箱；所述太阳能热水补燃加热装置设置在所述储水水箱与所述第一循环水泵的出口之间，在太阳能热水补燃加热装置与储水水箱之间连接有第二阀门，在太阳能热水补燃加热装置与第一循环水泵的出口之间连接有第三阀门，第一循环水泵的出口通过混合器连接所述真空管集热器的进水口，混合器通过第四阀门连接测温调节器。

上述的太阳能热水热电转换装置，其中，所述Kalina循环二回路包括回热器，所述回热器的冷侧出口端与热交换器的冷侧出口端共连后连接汽液分离器的进口，所述分离器的汽出口端及液出口端分别连接第一节流阀及回热器的热侧进口端，所述第一节流阀连接所述透平机，所述透平机的蒸汽出口端与回热器的热侧出口端共连后连接冷凝器的待冷凝侧进口，所述冷凝器的待冷凝侧出口依次连接第二循环水泵及第二节流阀，所述第二节流阀同时连接热交换器及回热器的冷侧进口。

上述的太阳能热水热电转换装置，其中，所述分馏冷凝单元包括冷凝器，在冷凝器内的顶部设有喷雾装置，所述冷凝器的冷凝侧出口连接冷却塔，所述冷却塔的出口依次第三循环水泵及第三节流阀后连接冷凝器的冷凝侧进口。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的太阳能热水热电转换装置，通过真空管集热器提高光热转化效率，降低系统成本。此外，本发明通过增加测温调节器和太阳能热水补燃加热装置，保证太阳能热水热电转换装置能在各种天气状况下正常使用。更进一步，本发明通过在U形管上增加翅片的方式，增加了U 型管与外界高温环境的热量交换面积，增大U 型管内工质吸收的热量，进一步提高光热转化效率，降低系统成本。

附图说明

图1为现有盐塔式太阳能热发电简单热力系统示意图；

图2为本发明的太阳能热水热电转换装置结构示意图；

图3A为本发明的太阳能热水热电转换装置中太阳能真空管集热器的结构示意图；

图3B为图3A中单根真空管的局部放大示意图；

图3C为图3B的俯视图；

图4为本发明带热水补燃加热装置的连接示意图；

图5为本发明冷凝单元的结构示意图；

图6为本发明的太阳能热水热电转换装置的热力循环曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图2为本发明的太阳能热水热电转换装置结构示意图。

请参见图2，本发明提供的太阳能热水热电转换装置包括储水水箱2、热交换器3、透平机5及分馏冷凝单元，其中，所述装置包括串联在一起的至少一个真空管集热器1，所述真空管集热器1的出水口连接储水水箱2的进水口，所述储水水箱2的出水口连接热交换器3的热侧进口，所述热交换器3的热侧出口通过第一循环水泵4连接真空管集热器1的进水口，所述热交换器3的冷侧通过Kalina循环二回路分别连接透平机5及分馏冷凝单元，所述透平机5通过变速箱6与发电机7相连接。

图3A为本发明的太阳能热水热电转换装置中太阳能真空管集热器的结构示意图；图3B为图3A中单根真空管的局部放大示意图；图3C为图3B的俯视图。

请参见3A、3B和3C，本发明提供的太阳能热水热电转换装置的真空管集热器1包括至少一个真空管8，通过外部的支撑结构11固定，在真空管8内的管壁上涂有选择性吸收涂层，其吸收率αs≥95％，其转换效率ε≥90%，在真空管8内设有水平/竖直放置的多片翅片9，管中没有中间传热介质的U形管10穿过翅片9设于真空管8内，U形管10的两端设于真空管8外，相邻的两个U形管10的端部相互连接，这样如图3A所示12个真空管8便呈串联排列。

Kalina循环在低温（≤150℃）段，循环效率高，比常规Rankine循环高20～50%，因此，本发明采用Kalina循环二回路作为热源循环回路，如图2所示，该Kalina循环二回路包括回热器19，回热器19的冷侧出口端与热交换器3的冷侧出口端共连后连接汽液分离器20的进口，分离器20的汽出口端及液出口端分别连接第一节流阀21及回热器19的热侧进口端，第一节流阀21连接透平机5，透平机5的蒸汽出口端与回热器19的热侧出口端共连后连接冷凝器22的待冷凝侧进口，冷凝器22的待冷凝侧出口依次连接第二循环水泵23及第二节流阀24，第二节流阀24同时连接热交换器3及回热器19的冷侧进口。Kalina（卡琳娜）循环透平，其特点是采用变浓度的氨水混合物为工质，通过控制氨浓度来达到基本等温放热，增加作功量。Ka1ina循环排汽是过热蒸汽，因而没有Rankine循环中凝汽透平湿蒸汽损失和冲刷侵蚀叶片的问题。具体来说，其循环工质采用氨-水混合工质，氨水混合工质具有如下物化特性：

（1）不固定的沸点和凝结点温度；

（2）热物理特性能随氨浓度的改变而改变；

（3）在热容量的不变的情况下，混合物的温度会变化；

（4）非常低的冰点温度；

（5）弱碱性。

不同的压力、温度及浓度情况下氨水热力参数：焓、比容及熵的计算可基于NIST（美国国家技术标准研究所）所制定的氨水混合物的状态方程。运用NIST8.0计算程序计算。

本发明利用的就是氨水混合物具有不稳定的沸点温度的特点，可以缩小与热源的换热温差。在如图6所示的热力曲线上，在吸热蒸发段，氨水混合物没有定压吸热过程，它可以比常规的纯水多吸一部分热量。在冷凝段，同理氨水没有固定的凝结点，在放热冷凝段，它就可以少放一部分热量。多吸热，少放热，热力循环效率可获提高。

图4为本发明带热水补燃加热装置的连接示意图。

为了在夜晚和阳光不足的冬季或者是连续的阴雨天气情况下使用，本发明可以进一步增加热水补燃加热装置，请参见图4，真空管集热器1的出水口连接测温调节器12，测温调节器12分两路连接所述储水水箱2，其中，一路直接连接储水水箱2，另外一路通过第一阀门13连接储水水箱2，在储水水箱2与第一循环水泵4的出口之间连接有太阳能热水补燃加热装置15，在太阳能热水补燃加热装置15与储水水箱2之间连接有第二阀门16，在太阳能热水补燃加热装置15与第一循环水泵4的出口之间连接有第三阀门17，第一循环水泵4的出口通过混合器18连接所述真空管集热器1的进水口，混合器18通过第四阀门14连接测温调节器12。

该回路的工作过程为：在阳光的辐射下，阀门16及第阀门17关闭，装置15关闭，系统正常运行时，被加热水依次通过一组串联的真空管8，在集热器内吸热，被加热成95℃的热水，进入储水水箱2。集热器1管束数量依发电机组的设计输出电功率而定，阀门13常开，阀门14常处于关闭状态。在阴天阳光较弱的情况下，当流经真空管集热器1的水未达到95℃时，阀门14被打开，没有达到指定温度的热水与循环回来的冷水混合后，通入太阳能热水补燃加热装置15中再次被加热，达到指定温度。这个过程是由测温调节器控制的。热源一回路的循环动力都来自于循环水泵4，循环水泵4提供必要的压头来克服在集热器1、换热器3、阀门和管道中的压损。

在夜晚和阳光不足的冬季或者是连续的阴雨天气情况下，阀门16及阀门17开启，热源回路中不足的热量就由太阳能热水补燃加热装置15提供，热源循环继续正常运作。

图5为本发明冷凝单元的结构示意图。

请参见图5，本发明冷凝单元包括冷凝器22，在冷凝器22内的顶部设有喷淋装置25，冷凝器22的冷凝侧出口连接冷却塔26，冷却塔26的出口依次经第三循环水泵27及第三节流阀28后连接冷凝器22的冷凝侧进口。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种太阳能热水热电转换装置，包括储水水箱（2）、热交换器（3）、透平机（5）及分馏冷凝单元，其特征在于，所述太阳能热水热电转换装置包括串联/并联在一起的至少一个真空管集热器（1），所述真空管集热器（1）的出水口连接储水水箱（2）的进水口，所述储水水箱（2）的出水口连接热交换器（3）的热侧进口，所述热交换器（3）的热侧出口通过第一循环水泵（4）连接真空管集热器（1）的进水口，所述热交换器（3）的冷侧通过Kalina循环二回路分别连接透平机（5）及分馏冷凝单元，所述透平机（5）通过变速箱（6）与发电机（7）相连接，其中，Kalina循环二回路包括回热器（19），所述回热器（19）的冷侧出口端与热交换器（3）的冷侧出口端共连后连接汽液分离器（20）的进口，所述分离器（20）的汽出口端及液出口端分别连接第一节流阀（21）及回热器（19）的热侧进口端，所述第一节流阀（21）连接所述透平机（5），所述透平机（5）的蒸汽出口端与回热器（19）的热侧出口端共连后连接冷凝器（22）的待冷凝侧进口，所述冷凝器（22）的待冷凝侧出口依次连接第二循环水泵（23）及第二节流阀（24），所述第二节流阀（24）同时连接热交换器（3）及回热器（19）的冷侧进口。

2.如权利要求1所述的太阳能热水热电转换装置，其特征在于，所述真空管集热器（1）包括至少一个真空管（8），所述真空管（8）通过外部的支撑结构（11）固定，在真空管（8）内的管壁上涂有选择性吸收涂层，在真空管（8）内设有水平/竖直放置的至少一片翅片（9），管中设有中间传热介质的U形管（10）穿过翅片（9）设于真空管（8）内，U形管（10）的两端设于真空管（8）外，相邻的两个U形管（10）的端部相互连接。

3.如权利要求1所述的太阳能热水热电转换装置，其特征在于，所述太阳能热水热电转换装置还包括测温调节器（12）和太阳能热水补燃加热装置（15），所述测温调节器（12）的输入端和真空管集热器（1）的出水口连接，输出端分两路连接所述储水水箱（2），其中，一路直接连接储水水箱（2），另外一路通过第一阀门（13）连接储水水箱（2）；所述太阳能热水补燃加热装置（15）设置在所述储水水箱（2）与所述第一循环水泵（4）的出口之间，在太阳能热水补燃加热装置（15）与储水水箱（2）之间连接有第二阀门（16），在太阳能热水补燃加热装置（15）与第一循环水泵（4）的出口之间连接有第三阀门（17），第一循环水泵（4）的出口通过混合器（18）连接所述真空管集热器（1）的进水口，混合器（18）通过第四阀门（14）连接测温调节器（12）。

4.如权利要求1所述的太阳能热水热电转换装置，其特征在于，所述分馏冷凝单元包括冷凝器（22），在冷凝器（22）内的顶部设有喷雾装置（25），所述冷凝器（22）的冷凝侧出口连接冷却塔（26），所述冷却塔（26）的出口依次经第三循环水泵（27）及第三节流阀（28）后连接冷凝器（22）的冷凝侧进口。

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