CN105429509A - 太阳能蓄热式温差发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太阳能蓄热式温差发电系统，该系统具体分为太阳能集热系统、蓄热换热系统、温差发电系统和变电输电系统四个部分，太阳能集热系统主要收集太阳能并提升其热能品质，蓄热换热系统将收集的太阳能储存起来，并给温差发电系统源源不断的供给热量，温差发电系统通过半导体温差发电机将热能转换为电能，最后通过变电输电系统输送到远方或上网。本发明采用蓄热式换热器进行热量的储存与交换，通过蓄热熔盐，将大量的太阳能储存起来，在没有太阳的晚上或阴天仍然可以通过熔盐储存的热量持续发电，实现太阳能全天候24小时持续不间断发电。

Description

太阳能蓄热式温差发电系统

技术领域

本发明涉及一种可持续的热能温差发电系统，特别是一种太阳能蓄热式温差发电系统。

背景技术

半导体温差发电机可直接将热能转变为电能，即使在只有微小温差存在的情况下也能应用，是使用范围很广的绿色环保型能源，它无需化学反应，也无机械运动，因而具有无噪音、无污染、无磨损、重量轻、使用寿命长等特点，被广泛应用于工业余热、废热的回收利用、航天辅助电力系统中。

利用塞贝克效应将温差直接转换为电能的方法很多，其中以半导体温差发电的技术最为成熟，可选择的半导体温差发电模块的品种也很多，用半导体温差发电模块制造的半导体发电机，只要存在温差即能发电，工作时无噪音、无污染，使用寿命长、免维护、低成本，是一种应用广泛及前景广阔的物理电源。

随着保护环境、节约能源的呼声越来越高，合理的利用蒸汽、太阳能、地热能、工业余热余能及各种温差能，并利用温差来进行大规模的发电可能是未来发展的大方向，人们对使用高效率的温差发电产品的需求也更加迫切。

目前直接利用太阳能发电的原理有光电效应、热电效应等，利用光电效应发电的装置和设备是光伏板，利用热电效应发电的装置和设备是半导体温差发电片。光伏发电的缺点是发电量的大小受直射太阳光强弱的影响明显，故发电系统不稳定，却人为干涉的方法有限，晚上没有太阳的时候光伏发电系统完全处于“瘫痪”状态，所以光伏发电系统一天的最佳发电时间只有6～8小时，不能实现持续稳定发电；半导体温差发电只要有热源，就可以源源不断地发出稳定的电流，但是利用太阳能的半导体温差发电系统还没有大规模的商业应用，更没有持续稳定发电的系统。如果能将太阳能的热能收集并储存起来，就可以实现全天24小时不间断的发电，利用热电效应发电的优势将充分的展现出来，也即半导体温差发电系统将比光伏发电系统更具有优势。

发明内容

本发明的主要目的是利用太阳能蓄热系统和半导体温差发电系统实现24小时全天候持续稳定的发电，既充分利用了免费的太阳能，又不受晚上或阴天的限制。

本发明具体分为太阳能集热系统、蓄热换热系统、温差发电系统和变电输电系统四个部分。

太阳能集热系统的主要作用是将太阳光的热能收集起来，并提高其热能品质。根据太阳能集热方式的不同，可分为塔式太阳能集热系统、槽式太阳能集热系统等。塔式太阳能集热系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群,将阳光聚集到一个固定的塔顶部的接收器上,产生的高温加热传热介质,高温传热介质将热量传递给蓄热器，聚光塔上受热器的温度能达到1000℃以上；槽式太阳能集热系统是利用多个槽式抛物面反射镜将太阳能聚焦在一条线上,在聚焦线上安装有管状集热器，用来吸收聚焦后的太阳辐射能，受热器的温度能达到500℃。根据蓄热器熔盐的最高温度限制可以选择塔式太阳能集热系统或槽式太阳能集热系统，将传热介质提高到足够高的温度后将热量传递给蓄热器的熔盐储存起来。

整个太阳能集热系统的传热介质Ⅰ通过管道连接起来形成一个封闭的回路系统，并由循环泵Ⅰ驱动，将在换热器Ⅰ进行过放热，温度降低的介质Ⅰ泵送到太阳能集热系统进行吸热，温度升高，温度升高后的传热介质Ⅰ流回换热器Ⅰ向蓄热器内的熔盐进行放热，如此循环往复，通过传热介质Ⅰ将集热器中收集到的高品质的热能源源不断地传输到蓄热器的熔盐中储存起来。

太阳能集热系统的传热介质Ⅰ在不停的循环过程中，由于跑冒滴漏等原因不可避免地造成一些损失，为了保证系统的可持续运行，太阳能集热系统必须有一个传热介质Ⅰ的补给罐Ⅰ，并通过补给泵Ⅰ泵送到太阳能集热系统循环泵Ⅰ的入口，保证太阳能集热系统内传热介质Ⅰ的稳定流动，从而保证太阳能集热系统的稳定连续运行。补给管Ⅰ的出口接在循环泵Ⅰ的入口，因为补给罐Ⅰ内的传热介质Ⅰ温度低，接在循环泵Ⅰ的入口，经循环泵Ⅰ先输送到太阳能集热器中进行吸热，不影响传热介质Ⅰ在换热器Ⅰ内的放热。

蓄热换热系统的主要作用是蓄热和换热，将热能收集并储存起来，实现持续性发电。蓄热换热系统主要由大容罐、换热器Ⅰ、换热器Ⅱ、熔盐、传热介质Ⅱ、补给罐Ⅱ、补给泵Ⅱ、循环泵Ⅱ等组成。首先将太阳能集热器系统传输过来的热量通过换热器Ⅰ传递给熔盐储存起来，熔盐通过换热器Ⅱ将热量传递给传热介质Ⅱ；传热介质Ⅱ吸收热量后温度升高，在循环泵Ⅱ的作用下，流向温差发电系统，传热介质Ⅱ流经温差发电机后，温度降低，通过回流管流回换热器Ⅱ再次吸热，进行下一个循环。

为了保证温差发电系统的稳定运行，蓄热换热系统供给给温差发电系统的传热介质Ⅱ的温度必须稳定在一定的温度波动范围内，同时又具有可调节性，所以蓄热换热系统供给给温差发电系统的传热介质Ⅱ的温度必须可调，稳定运行时保持在某一固定温度，当负荷变化时又能根据需要灵活调节。为实现传热介质Ⅱ温度的可调节性，在传热介质Ⅱ的供回管上安装一个直通阀门，通过调节流经换热器Ⅱ的传热介质Ⅱ的流量来调节供给温差发电系统的传热介质Ⅱ的温度。当需要调高供给温差发电系统的传热介质Ⅱ的温度时，可以适当关闭直通阀门，流经换热器Ⅱ的传热介质Ⅱ的流量增加，达到提高供给温差发电系统的传热介质Ⅱ的温度的目的；当需要降低供给温差发电系统的传热介质Ⅱ的温度时，可以适当开启直通阀门。

蓄热换热系统的传热介质Ⅱ在不停的循环过程中，由于跑冒滴漏等原因不可避免地造成一些损失，为了保证系统的可持续运行，蓄热换热系统必须有一个传热介质Ⅱ的补给罐Ⅱ，并通过补给泵Ⅱ泵送到传热介质Ⅱ的回流管入口处，保证蓄热换热系统内传热介质Ⅱ的稳定流动，从而保证蓄热换热系统的稳定连续运行。补给管Ⅱ的出口接在传热介质Ⅱ回流管上，一方面补给罐Ⅱ内的传热介质Ⅱ的温度低，携带的热量少，接在传热介质Ⅱ回流管上，先进入换热器Ⅱ内进行吸热后再通过供给管进入温差发电机，不影响进入温差发电机的传热介质Ⅱ的温度，另一方面通过直通阀门便于控制和调节进入温差发电机的传热介质Ⅱ的温度，从而保证进入温差发电机的传热介质Ⅱ的温度的稳定性和可控制性。

温差发电系统是太阳能蓄热式温差发电系统最核心的部分，主要完成热电转换，将热能转变为电能。温差发电系统最基本的单元是温差发电机，如一种超导液传热温差发电机（专利号ZL2012100002775），根据地形或实际情况进行排列组合，构成一个温差发电阵列，多个温差发电阵列即构成一个温差发电系统，温差发电阵列的个数即决定了该温差发电系统的容量，阵列越多，容量越大。温差发电阵列的组合形式多种多样，其组合形式为M×N×L，M、N为相互垂直的水平方向温差发电机的个数，L为垂直方向温差发电机的个数（层数），如2×2×2阵列、3×3×3阵列、4×4×4阵列、4×4×3阵列等等。图4所示的为2×2×2阵列。

温差发电系统由多组相同的温差发电阵列、传热介质Ⅱ的供给管道和回流管道、冷却水的供给管道和回流管道等组成。传热介质Ⅱ的供给管道将介质Ⅱ从蓄热器熔盐中获得的热量通过流动传递到温差发电阵列的每一个温差发电机，然后通过温差发电机的散热模块将热量传递给温差发电片，形成温差发电片的高温热源，经过散热模块的传热介质Ⅱ通过回流管流回蓄热器，并再次从熔盐中吸收热量，进行下一个循环，传热介质Ⅱ的循环过程为闭式循环。冷却水通过循环泵Ⅲ和供给管道将冷却水输送到温差发电阵列中的每一个温差发电机，然后通过温差发电机的放热模块吸收温差发电片高温端传递到低温端的热量，形成温差发电片的低温热源。冷却水系统可以是开式循环，也可以是闭式循环。如果循环冷却水直接取自江、河、海水等，则可以为开式循环，经过温差发电机放热模块的冷却水通过回流管直接排放到江、河、海水中；闭式循环的冷却水，经过温差发电机的放热模块后通过回流管流回到散热器或冷凝塔中，经过散热冷却后进入下一个循环。

变电输送系统有两种形式，一种是交流高压输电，一种是直流高压输电。交流高压输电系统由三相逆变站、交流升压站、输送线路等组成，其主要任务是将温差发电系统发出的直流电先转换成三相交流电，然后经交流升压站升压后上网或直接输送给用户；高压直流输电系统由直流升压站、输送线路等组成，其主要任务是将温差发电系统发出的直流电经直流升压站升压后上网或直接输送给用户。

各个温差发电阵列之间的电气接线法根据最优供电原则采用串联、并联或混联。

本发明的有益效果：

本发明与传统的火力、水力发电相比较，没有高速旋转部件及其复杂的控制系统，具有工作时无噪音、无污染，使用寿命长、免维护、低成本、不用附加其它能源、控制简单等优点，只要有热量即可发电，是一种前景广阔的绿色可持续发展的发电系统。

本发明采用蓄热式换热器进行热量的储存与交换，通过蓄热熔盐，可以将大量的太阳能储存起来，在没有太阳的晚上或阴天仍然可以通过熔盐储存的热量持续发电，真正实现全天候24小时持续不间断发电；通过换热器可以根据外界负荷的变化，灵活控制进入发电阵列的热源温度，从而控制发电系统的发电量。

附图说明

图1为本发明太阳能蓄热式温差发电系统的全系统图。

图2为本发明太阳能蓄热式温差发电系统的交流变电输电系统图。

图3为本发明太阳能蓄热式温差发电系统的直流变电输电系统图。

图4为本发明太阳能蓄热式温差发电系统的温差发电阵列Ⅰ。

1——太阳能集热器、11——传热介质Ⅰ供给管、12——传热介质Ⅰ回流管、13——循环泵Ⅰ、14——补给罐Ⅰ、15——补给管Ⅰ、16——补给泵Ⅰ、17——换热器Ⅰ。

2——大容罐、21——传热介质Ⅱ供给管、22——传热介质Ⅱ回流管、23——循环泵Ⅱ、24——补给罐Ⅱ、25——补给管Ⅱ、26——补给泵Ⅱ、27——换热器Ⅱ、28——直通阀门。

31——温差发电阵列Ⅰ、32——温差发电阵列Ⅱ、33——冷却水供给管、34——冷却水回流管、35——循环泵Ⅲ、36——温差发电机、37——底座、311——温差发电阵列Ⅰ正极输出端接线、312——温差发电阵列Ⅰ负极输出端接线、321——温差发电阵列Ⅱ正极输出端接线、322——温差发电阵列Ⅱ负极输出端接线。

41——直流正极、42——直流负极、43——三相逆变站、44——交流升压站、451——三相电a、452——三相电b、453——三相电c、461——三相电A、462——三相电B、463——三相电C。

51——直流正极、52——直流负极、53——直流升压站、54——高压直流正极、55——高压直流负极。

具体实施方式

大容罐2内布置有换热器Ⅰ17和换热器Ⅱ27，其间装满蓄热熔盐。传热介质Ⅰ在循环泵Ⅰ13的作用下，通过传热介质Ⅰ供给管11输送到太阳能集热器1中，吸收太阳的热能并传递给传热介质Ⅰ，传热介质Ⅰ的温度升高，然后通过传热介质Ⅰ回流管12将高温传热介质Ⅰ送回到换热器Ⅰ17中，在换热器Ⅰ27中将传热介质Ⅰ的高温热量传递给蓄热熔盐，换热后的传热介质Ⅰ温度降低，然后再次进入循环泵Ⅰ，如此循环，将从太阳能集热器1中收集的太阳能源源不断的传递给蓄热熔盐，达到收集并储存热量的目的。

大容罐2内蓄热熔盐的热量通过换热器1127传递给传热介质11，传热介质11在循环泵1123的作用下，通过传热介质11供给管21输送到温差发电阵列Ⅰ31、温差发电阵列1132等，然后进入温差发电机36形成温差发电机的高温热源，将热量传递给温差发电机，传递完热量后通过传热介质11回流管22送回换热器1127内，在换热器1127内吸收热量后进行下一个循环，源源不断的将热量输送到温差发电阵列，达到连续发电的目的。

冷却水在循环泵Ⅲ35的作用下通过冷却水管33输送到温差发电阵列Ⅰ31、温差发电阵列1132等，然后进入温差发电机36，吸收温差发电机传递的热量，达到冷却温差发电机形成温差发电机低温热源的目的。

温差发电阵列Ⅰ31和温差发电阵列Ⅱ32的结构、部件完全相同，每个温差发电阵列都有一个正极输出端接线和一个负极输出端接线，如温差发电阵列Ⅰ的正极输出端接线311，温差发电阵列Ⅰ的负极输出端接线312，发电阵列11的正极输出端接线321，温差发电阵列11的负极输出端接线322，温差发电阵列通过输出端接线形成串联、并联或混联的形式连接，最后形成一个直流正极输出端和直流负极输出端。

变电输电有两种方式：一种是交流输送，一种是直流输送。交流输送的方式为：温差发电系统最终有一个正极输出端和一个负极输出端，直流正极41和直流负极42与三相逆变站43相连接，通过三相逆变站43将直流电逆变为三相交流电，次时的三相交流电再通过交流升压站44升压后输送到远方或上网；直流输送的方式为：温差发电系统最终有一个正极输出端和一个负极输出端，直流正极51和直流负极52通过直流升压站53升压后直接输送到远方或上网。

补给罐Ⅰ14内装有传热介质Ⅰ，通过补给管Ⅰ15和补给泵Ⅰ16将传热介质Ⅰ泵送到太阳能集热系统循环泵Ⅰ13的入口，根据系统运行的需要补充传热介质Ⅰ，保证太阳能集热系统内传热介质Ⅰ的稳定流动，从而保证太阳能集热系统的稳定连续运行。

补给罐Ⅱ24内装有传热介质Ⅱ，通过补给管Ⅱ25和补给泵Ⅱ26将传热介质Ⅱ泵送到传热介质Ⅱ的回流管入口处，根据系统运行的需要补充传热介质Ⅱ，保证蓄热换热系统内传热介质Ⅱ的稳定流动，从而保证蓄热换热系统的稳定连续运行。在换热器Ⅱ27的出入口处安装一个直通阀门28，便于控制和调节进入温差发电机的传热介质Ⅱ的温度，从而保证进入温差发电机的传热介质Ⅱ的温度的稳定性和可控性。

Claims (10)

1.一种太阳能蓄热式温差发电系统，包括太阳能集热系统、蓄热换热系统、温差发电系统和变电输电系统四个部分：

其特征在于：

太阳能集热系统由太阳能集热器（1）、传热介质Ⅰ供给管（11）、传热介质Ⅰ回流管（12）、循环泵Ⅰ（13）、补给罐Ⅰ（14）、补给管Ⅰ（15）、补给泵Ⅰ（16）和换热器Ⅰ（17）组成；

蓄热换热系统由大容罐（2）、传热介质Ⅱ供给管（21）、传热介质Ⅱ回流管（22）、循环泵Ⅱ（23）、补给罐Ⅱ（24）、补给管Ⅱ（25）、补给泵Ⅱ（26）、换热器Ⅱ（27）、直通阀门（28）组成；

温差发电系统由温差发电阵列Ⅰ（31）、温差发电阵列Ⅱ（32）、冷却水供给管（33）、冷却水回流管（34）、循环泵Ⅲ（35）组成；

变电输电系统由直流正极（41）、直流负极（42）、三相逆变站（43）、交流升压站（44）、三相电a（451）、三相电b（452）、三相电c（453）、三相电A（461）、三相电B（462）和三相电C（463）组成。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能蓄热式温差发电系统，其特征在于所述换热器Ⅰ（17）和换热器Ⅱ（27）均布置在大容罐（2）内，换热器Ⅰ（17）、换热器Ⅱ（27）和大容罐（2）之间装有蓄热熔盐。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能蓄热式温差发电系统，其特征在于所述温差发电阵列Ⅰ（31）由温差发电机（36）、底座（37）、温差发电阵列Ⅰ正极输出端接线（311）、温差发电阵列Ⅰ负极输出端接线（312）组成。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能蓄热式温差发电系统，其特征在于所述温差发电阵列Ⅰ（31）的温差发电机（36）的组合形式为M×N×L，M、N为相互垂直的水平方向温差发电机的个数，L为垂直方向温差发电机的个数。

5.根据权利要求1所述的一种太阳能蓄热式温差发电系统，其特征在于所述温差发电阵列Ⅰ（31）和温差发电阵列Ⅱ（32）的结构、部件完全相同。

6.根据权利要求1所述的一种太阳能蓄热式温差发电系统，其特征在于所述温差发电系统由多组相同的温差发电阵列Ⅰ（31）和温差发电阵列Ⅱ（32）并联组成。

7.根据权利要求1所述的一种太阳能蓄热式温差发电系统，其特征在于所述变电输电系统还可以由直流正极（51）、直流负极（52）、直流升压站（53）、直流高压正极（54）和直流高压负极（55）组成。

8.根据权利要求1所述的一种太阳能蓄热式温差发电系统，其特征在于所述补给管Ⅰ（15）的出口接在循环泵Ⅰ（13）的入口。

9.根据权利要求1所述的一种太阳能蓄热式温差发电系统，其特征在于所述补给管Ⅱ（25）的出口接在传热介质Ⅱ回流管（22）上。

10.根据权利要求1所述的一种太阳能蓄热式温差发电系统，其特征在于所述传热介质Ⅱ供给管（21）和传热介质Ⅱ回流管（22）之间靠近换热器Ⅱ（27）的地方安装有直通阀门（28）。