CN106487325A - 一种槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，包括槽式聚光面、蓝膜真空集热管和聚光光伏电池组件，槽式聚光面下方设有第一支架，蓝膜真空集热管通过第二支架支撑在槽式聚光面上方，在蓝膜真空集热管上套有轴承，轴承的外圈径向与连接支架连接，轴承的外圈轴向与若干个连接杆连接，连接杆与转盘连接，转盘通过旋转气缸带动转动，所述蓝膜真空集热管内填充有导热油，蓝膜真空集热管通过进入管道与工质泵连接，工质泵与换热器连接，换热器位于热水贮存室内，换热器通过排出管道与蓝膜真空集热管连接。本发明不局限于热发电或光伏发电，使其对太阳能的能量利用更加高效灵活，并可有效避免西部地区存在的窝电弃电现象。

Description

一种槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置
技术领域
本发明涉及槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，属于太阳能综合利用系统。
背景技术
太阳能是一种可再生的绿色能源。太阳能的利用，大致可以根据能源转换的方式，分为光－热利用、光－电利用、光－化学利用和光－生物利用等，其中以光－热利用最为成熟，不仅应用范围广泛，经济效益也较明显，有些方面已经可以与常规能源相竞争。相比较于传统的火力发电、燃油发电、水力发电等技术，太阳能的利用更加全面清洁，且其安装简单，建设容易，具有适用性广的优势。
太阳辐射中包含了一个很宽的光谱范围,大概在0.15到4微米之间。在工程领域中，对于太阳光能量的应用主要集中在红外波长部分，且目前太阳能的大规模应用主要以发电为主，主要包括太阳能光伏发电和太阳能热动力发电两种。对于光伏发电，目前应用最为广泛，一般而言要将半导体价带中的电子激发到导带,形成自由电子-空穴对，就需要给电子提供足够越过半导体禁带间隙的能量，这就说明太阳能光谱中只有波长小于1.13μm的太阳光才能发电，此外，对于能量超过最低能量要求的光子,其能量超出部分也是不需要的。因此，虽然太阳能光伏发电可以实现从光能到电能的直接转换，但是受硅系半导体禁带宽度的影响，其光电转化过程中对太阳能的应用效率一般不会超过24％。而热动力发电目前主要包括塔式太阳能电站、槽式太阳能电站和蝶式太阳能电站三类，由于其能量转化过程为：太阳能-热能-机械能-电能。其能量应用效率在20％以内。
当前中国三北地区土地和太阳能辐射资源丰富、冬季采暖和热水供应需求量大要消耗大量燃煤并产生大量污染排放、夏季采暖需求弱而制冷存在额外电力需求高、新能源产业发展迅速但集中在单一光伏或热动力发电造成能源综合利用效率过低、部分新能源能量造成较大浪费的现状，由此我们分析了太阳能不同能量形式的采集效率，提出发明制作该槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置。该设计有效避免了单一光伏或热动力发电造成的能源综合利用效率过低，甚至出现电力过剩窝电现象；具有能量利用率高、适用周期长、投资成本低等特点。该发明在冬季可满足三北地区的供热需求彻底清除燃煤取暖排放、夏季可满足当地制冷的额外电力需求平衡全年燃煤用电量、同时也为近年来太阳能-风电产业旺盛而出现窝电现象提供不同的发展出路。
目前槽式聚光热发电技术已经得到初步发展，但其应用场合一般为超大型光伏发电站，其在能量及场地的使用上均存在较大浪费；高性能太阳能电池技术的研究与发展有了巨大提升，成本也得到有效下降，目前存在的具有高聚光倍率的电池有砷化镓系列电池，对单一的聚光发电系统研究近年来也有了一定进展，如今三结砷化镓电池实验室转换效率已经近40％，加上它的耐热性与耐辐射性，越来越多的聚光砷化镓电池发电系统开始得到应用。但单纯的聚光发电系统目前主要是超高倍率聚光系统，其聚光组件一般采用菲涅尔透镜，建设成本十分昂贵，聚光温度也很高，总体能量利用效率低，电池可靠性也较低，大规模推广难度大。
固体氧化物电解池制气技术(SOFC)的发展以及成熟的西气东输管路，使得过剩电力制气输送成为可能。就目前而言，SOFC的电气能量转化效率可达50％左右，因此采用太阳光制气的总体效率在10％左右。虽然总体能耗低，但综合考虑到西部辽阔的土地资源、优质的太阳能场和风场和庞大的过剩新能源电力，利用该方法来处理解决过剩电力也是本发明要解决的问题之一。
目前关于槽式太阳能的系统设计和示范工程已经得到较广泛的发展应用，孟忠阳的专利(201210019268.0)公开了一种槽式太阳能综合利用系统，其创新点在于改善了对抛物面的旋转跟踪驱动系统和提供燃气补给的应急思路，国电青松吐鲁番新能源有限公司的专利(201310222908.2)公开了一种太阳能槽式聚热发电系统，其创新点在于对光热发电过程中的过剩蒸汽进行暂时储存，从而避免了一定程度的能源浪费。但从本质上该两种系统都没有对热发电系统的低效率作出改善。
发明内容
发明目的：为了克服现有太阳能热发电技术中存在的不足，本发明提供一种槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，使其对太阳能的能量利用更加高效灵活，并可有效避免西部地区存在的窝电弃电现象。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，包括槽式聚光面、蓝膜真空集热管和聚光光伏电池组件，所述槽式聚光面下方设有第一支架，蓝膜真空集热管通过第二支架支撑在槽式聚光面上方，蓝膜真空集热管与槽式聚光面弧面相对，在蓝膜真空集热管上套有轴承，轴承的外圈径向与连接支架连接，轴承的外圈轴向与若干个连接杆连接，连接杆与转盘连接，转盘通过旋转气缸带动转动，所述蓝膜真空集热管内填充有导热油，蓝膜真空集热管通过进入管道与工质泵连接，工质泵与换热器连接，换热器位于热水贮存室内，换热器通过排出管道与蓝膜真空集热管连接；所述聚光光伏电池组件通过电子线路与系统控制器连接，系统控制器分别与旋转气缸、电用户端或者蓄电池连接。
作为优选，所述蓝膜真空集热管为双层结构，外层为玻璃套管，内层为涂有高吸收率的玻璃管道，在外层和内层中间为真空腔。
作为优选，所述热水贮存室上装有温度测量计，温度测量计与系统控制器连接。
作为优选，所述槽式聚光面为短焦距聚光面，太阳光照射在聚光面上时，通过反射过程照射在集热管或者光伏电池上时，聚光面宽度恰好能与集热管直径和光伏电池宽度相吻合，从而使聚光面面积相对增大，降低最高聚光温度，减小热量损失同时提高设备可靠性与使用寿命。
作为优选，所述连接支架为中心镂空铝合金结构，连接支架通过焊接安装在轴承外圈上。
作为优选，所述蓝膜真空集热管的轴线离槽式聚光面的焦线距离为r，r为1.1～1.2倍蓝膜真空集热管的外半径。
作为优选，所述进入管道位于蓝膜真空集热管的一端设有小孔，小孔内插入热电偶，热电偶与系统控制器连接，进入管道通过密封件与蓝膜真空集热管连接。
作为优选，所述进入管道和排出管道均位于蓝膜真空集热管的同一端，上半部为热流体管道，下半部为冷流体管道或者两端分别布置进排管道。考虑工质油路温度高、散热损失大，管道使用耐热材料并包覆一层保温棉。
作为优选，所述系统控制器还与SOFC燃料电池连接，SOFC燃料电池与燃料管道连接。
在本发明中，在工作过程中，蓝膜真空集热管与光伏电池板固定在同一个支架上，其中光伏电池板阵列具有旋转功能。系统控制器通过控制旋转气缸带动轴承旋转从而带动光伏电池旋转，当装置热量低于预设值时：光伏板处于热管上侧直接面向太阳，产生的电力用于维持装置本身电控装置的运行；此时真空集热管直接面向聚光器聚光集热。而当装置热量达到预设值时：光伏板处于热管下方直接面向聚光器，以聚光发电为主。热管直接面向太阳起保温作用。
在本发明中，在聚光集热阶段，蓝膜真空集热管吸收槽式抛物面聚光面反射的高密度太阳光能量，加热真空管内导热油介质，导热油介质的温度可达到200℃以上。通过换热器，将导热油的热量与贮存热水室内的水进行热量传递，从而达到供热水或供暖目的。当供热量达到该地区或场合的使用需求量后，进行聚光发电阶段时，高性能光伏电池接受高密度太阳能并将其转换为电能。对于小型应用场合，通过蓄电池将电能储存以方便使用，对于较大应用场合，还需要考虑建设逆变控制并网系统，从而达到能量的高效利用。
在本发明中，所述高性能光伏电池具有在较高温度下的工作特性，温度较高情况下仍然能保持较高工作效率。电池组通过串联而成，呈长条形状，其长度与真空管集热器接近，以最大化程度利用聚光太阳能发电。电池背部设有一定余量用以布置线路、传热铝合金板和冷却管道，用来对聚光情况下的高温光伏电池进行降温，从而保持光伏电池处于高效率工作状态，并通过管道将热量传递给用水端。
在本发明中，利用不同地区和场合对能量使用需求的差异和建设规模的不同，设计针对不同使用场合的应用策略与控制方案，并提供可视化界面方便操控。在具体布置过程中，事先分析好该地区和应用场景的具体状况，输入已知的参数，通过控制策略方案计算给出其他带球参数量，最终确定好具体的布置大小和形式。
有益效果：本发明的槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，根据温度测量计和热电偶分别测量热水贮存室和蓝膜真空集热管的温度，系统控制器控制旋转气缸的转动角度，最优化的利用太阳能，使得太阳能的利用最大化，本装置从太阳能的光谱特点出发，考虑最大程度利用太阳能，将太阳能制热与发电在一套装置上却又分开进行，从而有效解决了光热发电的效率低的问题，辅助的燃料电池装置在规模足够大时应用，既可以作为阴雨天气发电的备用能源，又为西部地区庞大的过剩新能源电力提供了解决方案。
附图说明
图1为本发明的系统示意图。
图2为图1中发电装置的结构示意图。
图3为包含旋转气缸的发电装置的结构示意图。
图4为本发明另一种组成示意图。
具体实施方式
实施例一
槽式聚光型热电联产应用装置，考虑在某建筑上的应用。以长三角地区某宾馆夏季使用情况为例，总建筑面积约为9800m2，房顶面积约1800m2，房间以100间计算，宾馆满员状态为400人，每人日用热水100L，用电量为不定项，待计算。由于考虑装置安装布置影响因素，屋顶实用面积约1500m2。
考虑该地区及场合等综合因素，不考虑使用制气装置，故使用热电联产系统进行布置。如图1至图3所示，包括槽式聚光面1、蓝膜真空集热管3和聚光光伏电池组件4，所述槽式聚光面1下方设有第一支架2，蓝膜真空集热管3通过第二支架支撑在槽式聚光面1上方，蓝膜真空集热管3与槽式聚光面1弧面相对，在蓝膜真空集热管3上套有轴承21，轴承21的外圈径向通过与连接支架5连接，连接包覆件20用来连接轴承21和连接支架5，轴承21的外圈轴向与若干个连接杆连接，连接杆与转盘连接，转盘通过旋转气缸带动转动，所述蓝膜真空集热管3内填充有导热油，蓝膜真空集热管3通过进入管道6与工质泵8连接，工质泵8与换热器9连接，换热器9位于热水贮存室10内，换热器9通过排出管道7与蓝膜真空集热管3连接；所述聚光光伏电池组件4通过电子线路16与系统控制器17连接，系统控制器17分别与旋转气缸26、电用户端18或者蓄电池19连接。
槽式太阳能聚光热电联产多级应用系统，使用在某建筑上时，此时属于小规模利用。考虑夏季太阳能光照充足且用热需求主要集中在下午傍晚时分，故夏季装置控制策略为上午阶段优先发电，系统控制器17控制聚光光伏电池组件4光伏发电一定时间后，控制聚光光伏电池组件4旋转背朝槽式聚光面1，下午时分再以集热加热蓝膜真空集热管3优先，热量满足要求后，剩余时间控制聚光光伏电池组件4旋转面朝槽式聚光面1发电。
蓝膜真空集热管3与槽式聚光面1弧面相对，蓝膜真空集热管3并不在弧面所在的焦点中心线上而是稍远离中心线，所述蓝膜真空集热管3的轴线离槽式聚光面1的焦线距离为r，r为1.1～1.2倍蓝膜真空集热管的外半径，使得蓝膜真空集热管3集热面积相对增大，减小局部过高温度。所述聚光光伏电池组件4表面旋转面对槽式聚光面1时，该平面离槽式聚光器的焦线距离使得聚光面宽度恰好等于电池宽度
蓝膜真空集热管3为双层结构，外表面为一层玻璃套管，内壁层为涂有高吸收率的玻璃管道，中间为真空腔。每个蓝膜真空管内充满导热油，在受到槽式聚光面1反射过来的较高密度太阳光照射后，温度升高且最高温度可高达200℃。导热油工质通过工质泵8强制循环，并通过热交换器9将热量传递给热水贮存室10中的热水。
热水贮存室上装有温度测量计11，用来测量贮存室内热水温度，该温度将反馈给系统控制器17，从而控制发电装置是否旋转。热水贮存室有进排水道阀门12和13，用来在不同时刻控制热用户端18与热水贮存室10的温度的相互调节使用。当热量满足基本需要，且贮存室内温度达到上限值，系统控制器17将使聚光光伏电池组件4旋转至面朝槽式聚光面1，此时光伏电池接受较高密度太阳光照射，将发出的电量直接提供给电用户端18或者储存在蓄电池19中或者可并网。聚光光伏电池组件4背部设有一定余量用以布置线路、传热铝合金板22和冷却管道23，用来对聚光情况下的高温光伏电池进行降温，从而保持光伏电池处于高效率工作状态，并通过管道将热量传递给用水端。
对夏季白天情况分别进行能流量分析与具体产出分析。分析与实验结果类推得到数据结果。
在装置使用阶段，秉承制热为先，发电补充原则。对热量进行分析计算得到该具体使用建筑夏季对热量需求为5861800kJ，由集热器集热效率0.55，对应下午时间2—3点平均太阳辐照强度为700Wm2,1500m2面积每小时产热值为2079000kJ，即577.5kW，则需要有效供热时间2.82小时。由此得出，只需要在下午用热水高峰期前进行2.82小时的集热即可满足宾馆用水需求。该计算为理论计算用热需求及装置使用时间。实际使用时，可在此参照时间下，根据贮存热水室10的温度测量计11的反馈温度以及用热端的实际需求进行确定最终集热时间。
其余时间段利用高性能耐热太阳能光伏电池聚光发电。实际使用时，考虑到正常天气状况下上午时间段对用热需求量较小，在上午时分一般先进行一定时间段的发电。以每天平均5小时光照时间计算，平均太阳辐照强度600W/m2。已知在25-30倍聚光条件下，该类砷化镓电池的平均输出效率约为24％，考虑系统损失，整个系统输出效率约为22％，因此得到单位辐照面积发电功率132W，则每个装置30m2的辐照面积可发出电功率为3.96kW，整个屋顶1500m2面积可发出最大电功率为198kw，由建筑的逐时负荷可知，不考虑冷量使用情况下该系统基本满足用电要求。考虑蓄电情况，每天可蓄电约990kWh，可满足基本用电状况。在天气不佳情况下，也可使用蓄电池所储存的电量。
为应对不同用电需求状况，一般仍需要考虑购买电网用电。另外需考虑额外提供冷量供应系统。计算结果如表1所示：
表1
而在天气情况不好时，直接考虑制热而不考虑发电。
在冬季使用情况下，先满足用热需求，在上午和下午阶段对热量使用需求均较高，在对热量进行需求计算的情况下，每天光照时间约5小时，此时每天太阳能光伏电池聚光发电平均时间约2小时。具体使用时按照实际用热需求进行集热，在热水贮存室10和温度测量计11以及用热端满足需求情况下进行发电。下午太阳辐射较高时分，平均辐照强度达500Wm2，1500m2面积每小时产热值为1485000kJ，则需要有效供热时间3.94小时。由此得出，只需要在下午用热水高峰期前进行3.94小时的集热即可满足宾馆用水需求。
平均太阳辐照强度约400Wm2。已知在25-30倍聚光条件下，若采用砷化镓电池的平均输出效率约为24％，考虑系统损失，整个系统输出效率约为22％，因此得到单位辐照面积发电功率88W，则每个装置30m2的辐照面积可发出电功率为2.64kW，整个屋顶1500m2面积可发出最大电功率132kW，考虑蓄电情况，每天可蓄电约264kWh，由建筑的逐时负荷以及全天用电情况可知，该系统在用电方面尚有缺口，需要购买电网用电方面尚有缺口，需要购买电网用电。计算结果如表2所示：
表2
本发明充分利用槽式聚光器的高聚光特性以及常规使用情况下只有受到聚光的特点，充分利用了太阳能；在能源的梯级利用方面，充分分析计算需求端的能源使用情况，并作出相应的控制策略，使得装置的能量产出达到最大化。
实施例二
结合我国西北新疆地区1000人的供能规模为例进行分析计算：我国西北地区由于纬度比较高，存在广阔的沙漠和戈壁，冬、夏季能量需求结构差异很大。冬季的能量消耗以采暖为主，而夏季基本无热量需求。由于目前主要采用燃烧燃煤、燃烧天然气和电加热三种方式进行集中供暖。对应产出的有效热需消耗43758吨煤，并排放约109086吨温室气体。因此冬季的西北不仅需要消耗大量的煤-电-气用于供暖，同时将产生大量污染和温室气体。而新疆的夏季则基本对供热没有任何的需求，主要以消耗电力制冷为主。
考虑该地区及场合等综合因素，考虑使用制气装置而不使用蓄电池，故使用热电气联产系统进行布置。如图4所示，包括槽式聚光面1、蓝膜真空集热管3和聚光光伏电池组件4，所述槽式聚光面1下方设有第一支架2，蓝膜真空集热管3通过第二支架支撑在槽式聚光面1上方，蓝膜真空集热管3与槽式聚光面1弧面相对，在蓝膜真空集热管3上套有轴承21，轴承21的外圈径向与连接支架5连接，轴承21的外圈轴向与若干个连接杆连接，连接杆与转盘连接，转盘通过旋转气缸带动转动，所述蓝膜真空集热管3内填充有导热油，蓝膜真空集热管3通过进入管道6与工质泵8连接，工质泵8与换热器9连接，换热器9位于热水贮存室10内，换热器9通过排出管道7与蓝膜真空集热管3连接；所述聚光光伏电池组件4通过电子线路16与系统控制器17连接，系统控制器17分别与旋转气缸26、SOFC燃料电池24连接，SOFC燃料电池24与燃料管道25连接。
总体使用思路为在一定的热量需求预设情况下，以采集太阳能热能为主，在满足热量的情况下，生产电力。最后在满足电力需求的情况下，采用SOFC制气并输送气体。
具体使用时，首先计算该地区能量需求，对供热需求、供电需求等进行计算并留有一定余量。其次根据装置及地区光照情况确定装置实际布置面积大小。装置部分的安装与运行与前述说明一致，总体策略是根据地区用户热量需求进行集热时间计算，并根据热水贮存室10和温度测量计11情况确定实际集热时间，在此基础上进行太阳能光伏电池发电。对地区电用户进行能量需求运算，满足地区用户电能使用前提下，将剩余电力进行SOFC燃料电池逆向制气，储存或直接给用户使用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，其特征在于：包括槽式聚光面、蓝膜真空集热管和聚光光伏电池组件，所述槽式聚光面下方设有第一支架，蓝膜真空集热管通过第二支架支撑在槽式聚光面上方，蓝膜真空集热管与槽式聚光面弧面相对，在蓝膜真空集热管上套有轴承，轴承的外圈径向与连接支架连接，轴承的外圈轴向与若干个连接杆连接，连接杆与转盘连接，转盘通过旋转气缸带动转动，所述蓝膜真空集热管内填充有导热油，蓝膜真空集热管通过进入管道与工质泵连接，工质泵与换热器连接，换热器位于热水贮存室内，换热器通过排出管道与蓝膜真空集热管连接；所述聚光光伏电池组件通过电子线路与系统控制器连接，系统控制器分别与旋转气缸、电用户端或者蓄电池连接。
2.根据权利要求1所述的槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，其特征在于：所述蓝膜真空集热管为双层结构，外层为玻璃套管，内层为涂有高吸收率的玻璃管道，在外层和内层中间为真空腔。
3.根据权利要求1所述的槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，其特征在于：所述热水贮存室上装有温度测量计，温度测量计与系统控制器连接。
4.根据权利要求1所述的槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，其特征在于：所述槽式聚光面为短焦距聚光面。
5.根据权利要求1所述的槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，其特征在于：所述连接支架为中心镂空铝合金结构，连接支架通过焊接安装在轴承外圈上。
6.根据权利要求1所述的槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，其特征在于：所述蓝膜真空集热管的轴线离槽式聚光面的焦线距离为r，r为1.1～1.2倍蓝膜真空集热管的外半径。
7.根据权利要求1所述的槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，其特征在于：所述进入管道位于蓝膜真空集热管的一端设有小孔，小孔内插入热电偶，热电偶与系统控制器连接。
8.根据权利要求1所述的槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，其特征在于：所述进入管道和排出管道均位于蓝膜真空集热管的同一端。
9.根据权利要求1所述的槽式太阳能聚光热电气联产多级应用装置，其特征在于：所述系统控制器还与SOFC燃料电池连接，SOFC燃料电池与燃料管道连接。
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