CN102865202B - 分布式多级太阳能热发电及多联产系统 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种分布式多级太阳能热发电及多联产系统，包括太阳能采集系统、太阳能发电机组，至少包含二组太阳能发电系统，每组太阳能发电系统由太阳能采集系统和太阳能发电机组组成，一组太阳能发电系统可以与另外一组太阳能发电系统进行串联和/或并联连接，一组太阳能发电系统发电后的余热被另一组太阳能发电系统利用，二组太阳能发电系统可以由太阳能低温发电系统与太阳能高温发电系统构成。同时由于采用分布式式采集及分布式多级互补发电，实现了分布式多级太阳能热发电，在每一级的太阳能发电系统中，采用制冷、供干燥、热水的应用，即实现了余热利用，又实现了对工作介质的冷凝，增加了系统的整体热能利用效率。

Description

分布式多级太阳能热发电及多联产系统

技术领域

本发明涉及太阳能发电，特别是以分布式多级太阳能热发电及热电联产系统，其余热可以用于供暖、制冷、干燥、热水等应用。

背景技术

现有的太阳能发电主要有光伏和光热两种，光伏发电需要硅或其他特殊材料进行发电，光热发电有槽式、塔式和蝶式。热电主要是大规模的发电，而且主要是单级发电系统，这样的发电系统，主要还是依据传统的煤发电原理实现的发电，缺乏对动态的太阳能热源的适应，除此之外，由于主要的太阳能发电的采集温度单一，因而不需要也没有多级发电系统，因而不能将中国领先的低温热水技术和产业应用于此领域，同时现有的太阳能热发电缺乏小规模、家庭化、低成本化的热发电系统，同时现有的太阳能真空集热管主要应用于太阳能热水器，由于采集温度低，直接发电效率低，因而限制了其应用。

分布式能源系统是指将能源系统以小规模、小容量、模块化、分散式的方式布置在用户端，来双向传输冷、热、电能。由于可以提高能源利用率和供电安全性，实现按需供能以及为用户提供更多选择，分布式能源系统成为全球电力行业和能源产业的重要发展方向。分布式能源系统的能源利用率远远高于多数国家依靠大型主要电站将电力从发电厂向终端用户单向传输的集中供电系统。发电厂最终只能将燃料能源燃烧产生的1/3热能转化成电能，而近50%的热能流失，传输环节损耗近10%的热能。而且，当前20%的发电装机容量只用于满足用电高峰期的需求。因此，这些发电机组运行时间仅占全部机组运行时间的5%，发电量仅占发电总量的1%。由于只依靠几条主要线路传输电力，集中供电系统的供电线路拥堵问题日益凸显。电力供应过剩迫使公用事业单位依靠污染性更高和效率更低的能源发电来满足用电高峰期需求，而不是简单地将剩余电力从需求量低的市场重新配送至需求量高的市场，从而造成能源利用率更为低下。然而，分布式热电联产机组都是采用传统能源实现的热电联产，而且没有蓄热型的热电联产机组，这样障碍了新能源及热电联产机组的应用。

太阳能分布式热发电系统是针对太阳能采集面积大采用的发电方式，但是多级的分布式太阳能发电系统如何进行，需要进行研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种分布式多级太阳能热发电及多联产系统，采用至少一组低温太阳能热发电系统及至少一组太阳能高温发电系统，一个发电系统的发电后的余热被另一个发电系统利用，实现多级余热利用的发电，利用太阳能系统的采集温度特征，将60-300摄氏度的热源实现的发电划分为太阳能低温发电，采用300-1200摄氏度的热源进行发电为太阳能高温发电，双级的发电系统的余热可以被另外一级利用，因而可以将不同的采集温度的太阳能系统进行梯级采集梯级利用，因而实现了多级的互补利用发电。同时由于采用分布式采集及分布式多级互补发电，因而实现了分布式多级太阳能热发电，在每一级的太阳能发电系统中，采用制冷、供干燥、热水的应用，即实现了余热利用，又实现了对工作介质的冷凝，因而增加了系统的整体热能利用效率。

具体发明内容如下：

分布式多级太阳能热发电及多联产系统，包括太阳能采集系统、太阳能发电机组，其特征是：至少包含二组太阳能发电系统，每组太阳能发电系统由太阳能采集系统和太阳能发电机组组成，一组太阳能发电系统可以与另外一组太阳能发电系统进行串联和/或并联连接，一组太阳能发电系统发电后的余热被另一组太阳能发电系统利用，实现多级余热利用的发电，二组太阳能发电系统可以由一组太阳能低温发电系统与一组太阳能高温发电系统构成。

其中太阳能低温发电系统采用60-300摄氏度的热源实现发电，太阳能高温发电系统采用300-1200摄氏度的热源进行发电，所述的太阳能低温发电系统由太阳能低温采集系统和太阳能低温发电机组构成，所述的太阳能高温发电系统由太阳能高温采集系统和太阳能高温发电机组组成。

一组太阳能发电系统与另外一组太阳能发电系统进行连接后其中的一组太阳能发电系统称为一级太阳能发电系统，另外一组称为二级发电系统，由至少二级的系统进行连接后组成多级发电系统。

太阳能低温发电系统采用太阳能高温发电系统发电机组所排出的工作介质的热能为能源实现低温太阳能发电，或者太阳能低温发电系统发电后的工作介质的能源被高温太阳能发电的系统用于高温发电。

还设置有不同温度的蓄热器，蓄热器根据需要设置在发电循环中，通常设置在低温发电机组进入发电机组前、高温发电机组进入发电机组前、高温发电机组所排出口，在蓄热器内设置有蓄热材料，蓄热材料选自下列至少一种或其组合:

A、水；

B、导热油；

C、固液相变、固固相变物质；

D、熔融盐。

太阳能低温发电系统发电后的工作介质的能源高温太阳能发电系统加以利用，采用下列方式之一：

A、将高温发电机组所排出的工作介质直接输送到低温发电机组中进行发电；

B、以高温发电机组所排出的工作介质为热源经过一组换热装置，将低温发电的工作介质加热进行发电，高温热发电的发电机组的出口设置有一个换热器，换热器高温端为高温发电的工作介质由高温降低为低温，换热器的低温段将低温发电的工作介质进行升温或蒸发；

C、将高温发电机组所排出的工作介质输送蓄热器中，通过一组换热装置与蓄热器进行换热后将热能进行蓄热，低温发电机组与蓄热器之间设置有一组换热器，在需要发电时通过换热器与低温发电机组进行换热实现发电

太阳能低温发电系统发电后的工作介质的能源作为高温太阳能发电的能源，采用下列方式之一：

A、将低温发电后的余热与高温热源混合共同构成高温发电的能源；

B、将低温发电的余热进行再加热到高温太阳能发电的热源的温度，进行高温发电；

C、将低温发电的余热进行再加压到高温太阳能发电的热源的温度和压力，进行高温发电。

高温发电机组和低温发电机组可以组成两个独立的发电循环系统发电，系统可以实现每级独立发电；又可以实现多级互补利用的梯级发电。这样可以根据系统的采集及发电的需求进行发电，双级发电可以采用同样的发电工作介质，也可以采用不同的发电工作介质，可以采用同样的发现循环，也可以采用不同的发电循环。

太阳能高温发电系统的冷凝温度为60-300摄氏度，太阳能高温发电采用汽轮机或背压汽轮机组发电，太阳能低温采用膨胀机机组发电，太阳能高温发电机组采用蒸汽为工作介质进行发电，太阳了低温采用有机工作介质的郎肯循环发电。

太阳了低温采集系统采用下列一种或其组合：

A、单口太阳能真空集热管；

B、双通太阳能真空集热管；

C、太阳能集热板；

D、在A、B、C采集系统中加入金属、玻璃、薄膜反射或透射板或线聚焦或点聚焦的菲涅尔反射镜、线聚焦或点聚焦的菲涅尔透射镜；

太阳能高温采集系统采用下列一种或其组合：

A、槽式；

B、塔式；

D、碟式；

E、菲涅尔镜式。

任何热发电机组都可以应用于发电系统，高温发电机组或者低温发电机组采用下列一种：

A、涡轮流体发电机；

B、单螺杆流体发电机；

C、双螺杆流体发电机；

D、叶轮流体发电机；

E、转子流体发电机；

F、活塞流体发电机；

G、汽轮机。

发电工作介质可以采用传统的水或者低温有机工作介质，所有的制冷剂类物质及其组合都可以成为发电工作介质，其优选的所述的发电工作介质至少包括下列类型中的至少一个：

A、氟利昂；

B、氨；

C、水；

D、碳氢化合物；

E、醇；

F、温室气体。

还设置有多联产设备，多联产设备设置在发电机组工作介质排出口，多联产设备可以作为发电系统的冷凝器与发电机组进行串联，或者与发电系统冷凝器进行并联，将发电后的工作介质的余热加以利用，多个多联产设备设置之间通过串联、并联、混合连接实现连接；多联产设备选自下列至少一种：

A、供暖设备：由换热器或者与换热器连接的蓄热器、供暖的散热器、地板采暖管道、循环泵组成的一个循环密闭系统，该换热器的高温流体为发电循环工作介质，实现对发电工作介质进行冷凝，换热器的低温供暖流体通过换热器将热能转换到低温供暖流体上，低温供暖流体经循环泵将热能传递到供暖的散热器、地板采暖管道上，实现对建筑的供暖；

B、生活热水设备：由换热器或者与换热器连接的蓄热器、水开关、洗浴喷头组成、泵组成，该换热器的高温流体为发电循环工作介质，实现对发电工作介质进行冷凝和利用，低温流体将生活热水加热；

C、制冷设备：由换热器或者与换热器连接的蓄热器、制冷机组、循环泵组成的一个循环密闭系统，该换热器的高温流体为发电循环流体，实现对发电工作介质进行冷凝或利用，换热器的低温制冷流体通过换热器获得热能，通过制冷机组进行制冷；

D、开水设备：由与换热器进行换热的开水蓄热器、水开关组成，换热器将开水蓄热器的热水进行加热成为开水，

E、干燥设备：由与换热器进行换热的干燥设备，换热器为干燥设备提供热能，换热器的发电工作介质高温流体的温度高于40度；

F、烹饪设备：由与换热器进行换热的烹饪设备，换热器为烹饪设备提供热能，换热器的发电工作介质高温流体的温度高于80度。多个太阳了低温采集系统进行采集，采集的后形成多个太阳能低温热源系统，多个低温热源与多个低温发电机组实现分布式发电，发电后的余热用于高温分布式发电，发电后的热源经过制冷、干燥、供暖应用后再进入到低温采集系统进行加热。

通过实施本发明可以获得以下有益效果：

1、本发明充分利用低温太阳能发电以及高温太阳能发电后的余热，因而提高了整体系统的能源利用率，实现了梯级采集以及梯级发电；

2、本发明是分布式、低成本热发电系统，可以用于家庭及电站电网的发电；

3、本热电多联产的成本低、效率高，为太阳能利用提供了全新的技术与产品；

4、本发明也可以用于大规模的发电，用多个分布式的太阳能采集实现。

附图说明

附图中标号具体含义如下：

1：太阳能低温采集系统，2：太阳了低温发电机，3：太阳能高温采集系统，4：太阳能高温发电机，5：太阳能低温发电余热提供高温发电系统，6：太阳能高温发电余热提供给低温发电系统，7：蒸发器，8 ：冷凝器，9：循环泵，10：蓄热换热器，11：增压设备，12：烹饪设备，13：干燥设备，14：制冷机组，15：生活水洗浴设备，16：供暖设备。

图1是多级太阳能热发电系统的示意图；

图2是混合利用式多级太阳能热发电系统的示意图；

图3是两级独立循环与互补循环发电系统的示意图；

图4是两级独立循环与互补循环发电及多联产系统的示意图；

图5是分布式两级独立循环与互补循环发电及多联产系统的示意图。

具体实施方式

实施例1、多级太阳能热发电系统

图1中设置有太阳了低温采集系统1以及太阳能低温发电系统2，太阳能高温采集系统3及太阳能高温采集系统4，太阳能低温发电系统的余热通过太阳能低温发电余热提供高温发电系统5提供给太阳能高温发电系统，太阳能高温发电系统的余热通过太阳能高温发电余热提供给低温发电系统6提供给低温发电系统。

实施例2、混合利用式多级太阳能热发电系统

图2由低温太阳能采集系统1及低温太阳能发电2组成低温发电系统，低温发电系统的余热一部分直接提供给高温太阳能采集系统进行加热，另外一部分提供给高温蓄热换热器，高温太阳能采集系统3将高温直接采集的热能与低温发电的余热进行互补，提供给高温太阳能发电系统4，进行发电，发电后的余热进入到冷凝器进行部分冷凝，部分冷凝后的高温工作介质直接进行高温发电，高温发电的一部分余热直接的进入到蓄热换热器10中，直接提供给低温太阳能采集系统进行采集后进行用于低温太阳能发电。

本系统采用将部分余热直接提供给另外一级，部分余热通过冷凝器、蓄热换热器进行交换后加以利用的方式，将余热根据需要的分别利用。

实施例3、两级独立循环与互补循环发电系统

如图3所示，本实施例中太阳能低温采集系统1采集的太阳能低温热源提供给低温蒸发器7，通过低温发电机2实现发电，发电后的余热进行到冷凝器8冷凝，经过冷凝器的工作介质循环泵9进入到蒸发器中，从而构成低温太阳能热发电系统，该循环采用ORC有机工作介质郎肯循环进行发电，其发电工作介质为制冷剂氟利昂的混合介质，发电机采用螺杆膨胀机组进行发电。

太阳能高温采集系统3及太阳能高温发电系统4构成的太阳能高温发电系统由蒸发器7冷凝器8循环泵9构成一个循环发电系统，该系统采用水为工作介质发电，采用被压汽轮机组进行发电，低温发电系统的余热与高温发电系统冷凝后的工作介质进行换热，将高温冷凝后的水进行初级加热后再进入到高温的太阳能采集系统进行升温，换热后的低温工作介质经冷凝器后进行低温循环发电；高温发电的余热与低温发电的余热通过蓄热换热器10进行换热，低温的工作介质被直接加热后蒸发器的气体进行混合或者直接进入到发电机组进行发电。

双级发电系统采用不同的工作介质和不同的发电机组，实现双级独立或者互补的进行发电。

实施例4、两级独立循环与互补循环发电及多联产系统

如图4所示，本实施例采用两个独立可以运行的发电系统，但是采用相同的工作介质水进行发电，低温发电系统与高温发电系统的冷凝部分都是采用余热利用的方式实现，低温发电部分的余热直接用于供暖15和热水16，高温余热部分用于制冷12、干燥13等应用，低温的余热蒸汽被压缩装置11压缩后进入到高温蒸发室内7，加以利用，高温的余热经由蓄热换热器10进入到低温蒸发器7中加以利用。由于采用对联产装置，因而可以将余热进行利用，因而本实施例为多级多联产的发电系统。

实施例5、分布式两级独立循环与互补循环发电及多联产系统

如图5所示，本实施例是三个太阳了低温采集系统及三个低温发电机组进行分布式采集和发电，其余热被用于进入到二个高温太阳能采集系统被加热后直接被加入后进进入到高温太阳能发电机组进行发电，部分余热进入到蓄热换热器10中，与高温采集的热能进行混合或者换热，高温热能进入到二个高温发电机组中，实现高温发电，高温发电后的余热直接进入到低温发电机组发电或者经过太阳能低温采集系统加热后发电。

根据本发明的原理及结构，可以设计其他的实施案例，只要符合本发明的原理及结构，都属于本发明的实施。

Claims (7)

1.分布式多级太阳能热发电及多联产系统，包括太阳能采集系统、太阳能发电机组，至少包含二组太阳能发电系统，每组太阳能发电系统由太阳能采集系统和太阳能发电机组组成，一组太阳能发电系统可以与另外一组太阳能发电系统进行串联或并联连接，一组太阳能发电系统发电后的余热被另一组太阳能发电系统利用，实现多级余热利用的发电，二组太阳能发电系统可以由一组太阳能低温发电系统与一组太阳能高温发电系统构成；其特征是：

太阳能低温发电系统发电后的工作介质的能源被高温太阳能发电的系统用于高温发电；

太阳能低温发电系统发电后的工作介质的能源作为高温太阳能发电系统加以利用，采用下列方式之一：

A、将低温发电后的余热与高温热源混合共同构成高温发电的能源；

B、将低温发电的余热进行再加热到高温太阳能发电的热源的温度，进行高温发电；

C、将低温发电的余热进行再加压到高温太阳能发电的热源的温度和压力，进行高温发电；

多个太阳能低温采集系统进行分布式采集以及多个太阳能高温采集系统进行分布式采集，采集后形成多个太阳能低温热源系统，多个低温热源与多个低温发电机组实现分布式发电，多个高温采集系统采集的能源进入到高温发电系统进行分布式发电；低温发电与高温发电的发电后的余热进行相互利用，发电后的热源经过制冷、干燥、供暖多联产应用后再进入到低温或者高温采集系统进行循环发电；

还设置有多联产设备，多联产设备设置在发电机组工作介质排出口，多联产设备可以作为发电系统的冷凝器与发电机组进行串联，或者与发电系统冷凝器进行并联，将发电后的工作介质的余热加以利用，多个多联产设备设置之间通过串联、并联、混合连接实现连接；多联产设备选自下列至少一种：

A、供暖设备：由换热器或者与换热器连接的蓄热器、供暖的散热器、地板采暖管道、循环泵组成的一个循环密闭系统，该换热器的高温流体为发电循环工作介质，实现对发电工作介质进行冷凝，换热器的低温供暖流体通过换热器将热能转换到低温供暖流体上，低温供暖流体经循环泵将热能传递到供暖的散热器、地板采暖管道上，实现对建筑的供暖；

B、生活热水设备：由换热器或者与换热器连接的蓄热器、水开关、洗浴喷头、泵组成，该换热器的高温流体为发电循环工作介质，实现对发电工作介质进行冷凝和利用，低温流体将生活热水加热；

C、制冷设备：由换热器或者与换热器连接的蓄热器、制冷机组、循环泵组成的一个循环密闭系统，该换热器的高温流体为发电循环流体，实现对发电工作介质进行冷凝或利用，换热器的低温制冷流体通过换热器获得热能，通过制冷机组进行制冷；

D、开水设备：由与换热器进行换热的开水蓄热器、水开关组成，换热器将开水蓄热器的热水进行加热成为开水，

E、干燥设备：由与换热器进行换热的干燥设备，换热器为干燥设备提供热能，换热器的发电工作介质高温流体的温度高于40度；

F、烹饪设备：由与换热器进行换热的烹饪设备，换热器为烹饪设备提供热能，换热器的发电工作介质高温流体的温度高于80度。

2.根据权利要求1所述的分布式多级太阳能热发电及多联产系统，其特征是:还设置有不同温度的蓄热器，在低温发电机组进入发电机组前、高温发电机组进入发电机组前、高温发电机组所排出口，在蓄热器内设置有蓄热材料，蓄热材料选自下列至少一种或其组合:

A、水；

B、导热油；

C、固液相变、固固相变物质；

D、熔融盐。

3.根据权利要求1所述的分布式多级太阳能热发电及多联产系统，其特征是: 高温发电机组和低温发电机组可以组成两个独立的发电循环系统发电，系统可以实现每级独立发电；又可以实现多级互补利用的梯级发电，双级发电可以采用同样的发电工作介质，也可以采用不同的发电工作介质，可以采用同样的发电循环，也可以采用不同的发电循环。

4.根据权利要求1或3所述的分布式多级太阳能热发电及多联产系统，其特征是: 太阳能高温发电系统的冷凝温度为60-300摄氏度，太阳能高温发电采用汽轮机或背压汽轮机组发电，太阳能低温采用膨胀机机组发电，太阳能高温发电机组采用蒸汽为工作介质进行发电，太阳能低温采用有机工作介质的郎肯循环发电。

5.根据权利要求1所述的分布式多级太阳能热发电及多联产系统，其特征是： 太阳能低温采集系统采用下列一种或其组合：

A、单口太阳能真空集热管；

B、双通太阳能真空集热管；

C、太阳能集热板；

D、在A、B、C采集系统中加入金属、玻璃、薄膜反射或透射板或线聚焦或点聚焦的菲涅尔反射镜、线聚焦或点聚焦的菲涅尔透射镜；

太阳能高温采集系统采用下列一种或其组合：

A、槽式；

B、塔式；

D、碟式；

E、菲涅尔镜式。

6.根据权利要求1所述的分布式多级太阳能热发电及多联产系统，其特征是：高温发电机组或者低温发电机组采用下列一种：

A、涡轮流体发电机；

B、单螺杆流体发电机；

C、双螺杆流体发电机；

D、叶轮流体发电机；

E、转子流体发电机；

F、活塞流体发电机；

G、汽轮机。

7.根据权利要求1所述的分布式多级太阳能热发电及多联产系统，其特征是：所述的发电工作介质至少包括下列类型中的至少一个：

A、氟利昂；

B、氨；

C、水；

D、碳氢化合物；

E、醇；

F、温室气体。