CN106545475A - 光热矢量发电系统 - Google Patents

Abstract

一种光热矢量发电系统，主要由蒸发换热器、冷凝换热器和回热换热器通过管道将发电循环系统、回热循环系统和热源系统并联在一起组成的一个总的发电系统。工作原理主要是利用太阳集热器将太阳的热能量集中到负压高效蒸发器中对高比重的工作介质进行加热蒸发，使其汽化蒸发经管道上升至一定高度以上的高端冷凝器中冷凝成液态，并存储在高端储液器中，通过流量调压阀的调节，使高比重液态工作介质通过高压管道进入低端处的涡轮发电机中驱动涡轮工作从而推动发电机发出电力，接着介质再回到太阳集热中吸热蒸发，这样不断的进行周而复始的蒸发向上冷凝储能下降做工的循环发电工作。

Description

光热矢量发电系统

技术领域

本发明涉及光热发电和储能系统的结构设计和应用技术领域，特别是一种将发电能量储存起来有方向性的流向工作实现发电的光热矢量发电系统。

背景技术

随着人类对能源需求的逐渐增加，传统能源在储量、环境污染、能源效率以及成本等方面的约束日益突显。寻求能源替代，对新能源进行研究和利用已经成为全世界的共同主题，也是未来不可逆的能源发展趋势。目前寻找新能源的主要路径是将风能、太阳能逐渐纳入到电力系统中。太阳能发电在传统方式上主要有两种，一是利用光电池将太阳能转化为电能，俗称光伏发电，光伏电池的成本高，铺置面积大，电转换率低；二是利用聚光集热器将太阳能集聚起来，将来某种工质加热到几百度，通过热交换器产生高温高压的过热蒸汽，驱动汽轮机带动发电机发电，俗称为光热发电。传统的光热发电，按太阳能采集方式划分，太阳能热发电站主要有塔式、槽式和盘式三类。其中槽式太阳能热发电技术是目前世界最为成熟的，也是商业化运营规模最大，应用最为广泛的太阳能热发电技术。槽式太阳能热发电是通过槽式抛物面聚光镜将太阳光汇聚到焦线所在位置上，在焦线所在处安放管状吸热器，吸收聚焦后的太阳能。管状吸热器的内部流动介质(导热油)被加热后，流经热交换器加热水，产生水蒸气(蒸汽温度：390℃以上)，借助蒸汽汽轮机产生动力，推动发电机发电。采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势，即太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中，在太阳落山后 几个小时仍然能够带动汽轮发电。因此光热发电技术与太阳能光伏发电技术相比具有度电成本低，规模大，效率高。但是，这样的的太阳光热发电技术，仍然存在有占用地面面积庞大、高温高压工作，储能保温成本高，温度自然下降失效以及受天气限制的缺点。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种比传统的热电技术更有优势，从根本上解决了传统热电系统的占地面积大、高温高压、储热难度高的高效利用多种热源的光热矢量发电系统。

本发明所述的光热矢量发电系统的工作原理，主要是利用太阳集热器将太阳的热能量集中到负压高效蒸发器中对高比重的工作介质进行加热蒸发，使其汽化蒸发经管道上升至一定高度以上的高端冷凝器中冷凝成液态，并存储在高端储液器中，通过流量调压阀的调节，使高比重液态工作介质通过高压管道进入低端处的涡轮发电机中驱动涡轮工作从而推动发电机发出电力，接着介质再回到太阳集热中吸热蒸发，这样不断的进行周而复始的蒸发向上冷凝储能下降做工的循环发电工作。平时不发电时，关闭了流量调节阀，只要有阳光或热量，就将工作介质不断的蒸发上升至冷凝器中冷凝成大量液态工作介质储存在高端储液器中备用，当需要发电时打开流量调压阀即可开始稳定均匀地发电工作。

本发明所述的光热矢量发电系统，主要由蒸发换热器、冷凝换热器和回热换热器通过管道将发电循环系统、回热循环系统和热源系统并联在一起组成的一个总的发电系统。所述的蒸发换热器，热介质腔进出口与太阳能热源的管道相连，冷介质腔进出口与发电循环系统的管道相连；所述的冷凝换热器的热介质腔进出口与发电循环系统的管道相连，冷介质腔进出口与回热循环系统的管 道相连；所述的回热换热器的热介质腔进出口与回热循环系统的管道相连，冷介质进出口与发电循环系统相连。所述的发电循环系统由蒸发换热器、冷凝换热器、自然冷凝器、高端储液器、流量调压阀、涡卷发电机、低端储液器、回热换热器通过管道串接组成一个独立的负压密闭循环系统，同时高端储液器和低端储液器之间有平衡管串接连通；所述的回热循环系统由回热换热器、平衡储液罐、冷凝换热器、循环泵通过管道连接组成一个独立密闭循环系统；所述的热源系统由太阳能热源通过管道与蒸发换热器连接组成。

工作时，所述的太阳能热源通入蒸发换热器的热介质腔中放热供应热量；所述的液态的工作介质从低端储液器中进入回热换热器的冷介质腔中吸收热量进行预热，再进入到蒸发换热器的冷介质腔中进行大量吸热蒸发成汽态工作介质，沿着管道上升进入到高处的冷凝器换热的热介质腔放热冷凝成半液态，然后再经过自然冷凝器中进一步冷凝成饱和的液态工作介质，液态工作介质进入高端储液器中储积聚，再根据发电需要，从打开的流量调节阀进入到处于低端处的涡卷发电机，推动涡卷发电机旋转工作实现发电目的；完成发电做功后的液态工作介质进入到低端储液器中，又再重复进入回热换热器的冷介质腔中准备开始下一周的发电循环，就这样不断的进行周而复始的蒸发向上冷凝储能下降做工的循环发电工作；所述的回热循环系统，在所述的循环发电系统开始工作时，回热介质在冷凝换热器的冷介质腔中吸收了汽态发电介质的热量进入到回热换热器的热介质腔中，将热量放出置换给从低端储液器中进入回热换热器的冷介质腔中的液态工作介质，然后再被循环泵泵入冷凝换热器中再次吸热再行周而复始的回热循环。

由工作原理可看出，本光热矢量发电系统与传统的光热发电系统有着明显的优势：

(1)能量储存稳定无流失。因为本工作系统本身是一个密闭的循环系统，在管路中储存的是工作介质的势能，只要流量控制阀不开启，势能一直保持不变；而传统的太阳能热电技术是储存热量，存在着能量自然散失问题；光伏发电直接储存的是电能，不是随电网流失，就是随着电池逆变而损耗；传统的抽水储能则会受日晒消耗抽蓄的影响而导致流失问题。

(2)储能系统灵活，不受地域限制。从本质来说，本发明所述的系统储能类似于抽水储能，但抽水储能一直受地理环境影响，一般只能临近有上下落差的水源附近。而本系统的储能则只对高度有要求，所以既能灵活布置于有高度落差的山峦之中，也可以布置于林立的高楼、工业高塔及电力高塔之侧。

(3)占地面积相对较少，热源利用多样化。传统的太阳能热电和光电系统都需要很大量的太阳能收集器，占地面积相当大；而本发明所述的光热矢量发电系统的热源热品位要求不高只要有60℃就可以工作，则不需要在地面布置大量的收集器，不需要占用太多的地面面积，热源来源还可以利用各种余热回收，所以热源的来源灵活多样。

(4)制作成本更低。与传统的太阳能热电系统相比较，光热矢量发电系统不需要增加追光系统，结构相对简洁，成本相对减少。

附图说明

图1为本发明的系统图，包括有太阳能热源01、蒸发换热器02、冷凝换热器03、自然冷凝器04、高端储液器05、流量调压阀06、涡卷发电机07、低端储液器08、回热换热器09、循环泵10、平衡储液罐11、平衡管12、加油口13。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明所述的光热矢量发电系统，主要由蒸发换热器02、冷凝换热器03和回热换热器09通过管道将发电循环系统、回热循环系统和热源系统并联在一起组成的一个总系统。

所述的蒸发换热器02，其热介质腔和冷介质腔是相对独立不连通的，热介质腔进出口与太阳能热源01的管道相连，冷介质腔进出口与发电循环系统的管道相连；

所述的冷凝换热器03，其热介质腔和冷介质腔是相对独立不连通的，热介质腔进出口与发电循环系统的管道相连，冷介质腔进出口与回热循环系统的管道相连；

所述的回热换热器09，其热介质腔和冷介质腔是相对独立不连通的，热介质腔进出口与回热循环系统的管道相连，冷介质腔进出口与发电循环系统相连。

所述的发电循环系统由蒸发换热器02、冷凝换热器03、自然冷凝器04、高端储液器05、流量调压阀06、涡卷发电机07、低端储液器08、回热换热器09以及连接管道组成，其中用连接管道将设置在低处的低端储液器08、回热换热器09的冷介质腔、蒸发换热器02的冷介质腔、冷凝换热器03的热介质腔、自然冷凝器04、高端储液器05、流量调压阀06、涡卷发电机07、低端储液器08串接成一个密闭式的循环系统，从设置在高端储液器05的加注口13将系统抽成负压状态，然后从该加注口13注入工作介质，高端储液器05和低端储液器08之间设置有平衡管12连通；

所述的回热循环系统由回热换热器09、平衡储液罐11、冷凝换热器03、循 环泵10及连接管道组成，其中用连接管道将回热换热器09的热介质腔、冷凝换热器03的冷介质腔、循环泵10连接成一个闭合循环系统，所述的平衡储液罐11通过三通联接在冷凝换热器03的冷介质腔进口前，并位于回热循环系统的最高处，回热工作介质从平衡储液罐11处注入，同时，平衡储液罐中设有压力开关，当系统超压时自然泄压；

所述的热源系统由太阳能热源01通过管道与蒸发换热器02及连接管道组成，其中用连接管道将太阳能热源01与蒸发换热器02的热介质腔连接组成。

工作时，所述的太阳能热源通01入蒸发换热器02的热介质腔中放热供应热量；所述的发电循环系统在负压状态下，液态的工作介质从低端储液器08中进入回热换热器09的冷介质腔中吸收热量进行预热，再进入到蒸发换热器02的冷介质腔中进行大量吸热蒸发形成汽态工作介质，沿着管道上升进入到高处的冷凝器换热03的热介质腔放热冷凝成液态，然后再经过自然冷凝器04进一步冷凝成饱和的液态工作介质，液态工作介质进入高端储液器05中储存积聚，从打开的流量调节阀06进入到处于低端处的涡卷发电机07，推动涡卷发电机07旋转工作实现发电目的。完成发电做功后的液态工作介质进入到低端储液器中08，又再重复开始进入回热换热器09准备下一周的发电循环，就这样不断的进行周而复始的蒸发向上冷凝储能下降做功的循环发电工作。

所述的回热循环系统，在所述的循环发电系统开始工作时，回热介质在冷凝换热器03的冷介质腔中吸收了汽态发电介质的热量后进入到回热换热器09的热介质腔中，将热量放出置换给从低端储液器08中进入回热换热器09的冷介质腔中的液态工作介质，然后再被循环泵10泵回冷凝换热器03中再次吸热进行周而复始的回热循环。回热循环系统，主要是将发电循环系统的冷凝环节中要放出的热量回收传送到蒸发环节中，充分利用热源供应的热量，大大提高 发电循环系统的冷凝和蒸发效率，从而也大大的提高发电效率。

进一步的，在所述的热源系统中，热源不仅限于是太阳能热源，可以是锅炉供热，亦可以是各种回收的余热废热。

进一步地，蒸发换热器02冷介质腔和冷凝换热器03热介质腔之间连接的管道，是加粗直径的管道，形成一个工作介质的蒸汽管道腔，同时，管道外设置有保温层。

进一步地，所述的平衡管12的两端分别进入到高端储液器05和低端储液器08内部的并处于最高处，平衡管12的管口切口为斜切的，或者是花形的，目的是使到平衡管12的管口不会被储液器的内壁堵住；

进一步地，所述的冷凝换热器03、自然冷凝器04、高端储液器05位于本发明所述的光热矢量发电系统的最高处，同时三者的高度依次下降，高端储液器05不得高于自然冷凝器04，自然冷凝器04不得高于冷凝换热器03。

进一步地，所述的涡卷发电机07、低端储热器08、回热换热器09、蒸发换热器02位于本发明所述的光热矢量发电系统的最低处，同时四者的高度依次下降，蒸发换热器02不得高于回热换热器09，回热换热器09不得高于低端储液器08，低端储液器08不得高于涡卷发电机07。

进一步地，自然冷凝器04不限于是自然对流式冷凝器，也可以是强制对流式冷凝器。

进一步地，所述的发电循环系统中的工作介质是比重大于水，且通过温度变化会进行汽液两态转化的介质；工作介质的加注量，不能超过整个发电循环系统总容量的60％。

进一步地，所述的回热循环系统中的回热介质，是冷却液水，或者是导热油等液态导热介质；回热介质的加注量为回热循环系统总容量减去30％平衡储液 罐容积的容量。

进一步地，所述的加注口，不限于只设置在高端储液器05上，还可以设置在发电循环系统中的其它可以和系统连通的任意位置上。

进一步地，所述的发电循环系统的工作介质循环方向与回热循环系统的回热介质循环方互为逆向。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于些，在所属技术领域的技术人员所具备的知道范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下还可以作出各种变化。

Claims (10)

1.一种光热矢量发电系统，其特征在该系统于主要由蒸发换热器、冷凝换热器和回热换热器通过管道将发电循环系统、回热循环系统和热源系统并联在一起组成的一个总的发电系统；所述的发电循环系统由蒸发换热器、冷凝换热器、自然冷凝器、高端储液器、流量调压阀、涡卷发电机、低端储液器、回热换热器以及连接管道组成，通过连接管道将设置在低处的低端储液器、回热换热器的冷介质腔、蒸发换热器的冷介质腔、冷凝换热器的热介质腔、自然冷凝器、高端储液器、流量调压阀、涡卷发电机、低端储液器串接成一个密闭式的循环系统，从设置在高端储液器的加注口将系统抽成负压状态，然后从该加注口注入发电工作介质，高端储液器和低端储液器同时设置有平衡管连通；所述的回热循环系统由回热换热器、平衡储液罐、冷凝换热器、循环泵及连接管道组成，通过连接管道将回热换热器的热介质腔、冷凝换热器的冷介质腔、循环泵连接成一个闭合循环系统，所述的平衡储液罐通过三通联接在冷凝换热器的冷介质腔进口前，并位于回热循环系统的最高处，回热工作介质从平衡储液罐处注入，同时，平衡储液罐中设有压力开关，当系统超压时自然泄压；所述的热源系统由太阳能热源通过管道与蒸发换热器及连接管道组成，通过连接管道将太阳能热源与蒸发换热器的热介质腔连接组成。

2.如权利要求1所述的光热矢量发电系统，其特征在于热源系统中，热源不仅限于是太阳能热源，可以是锅炉供热或各种回收的余热废热。

3.如权利要求1所述的光热矢量发电系统，其特征在于蒸发换热器冷介质腔和冷凝换热器热介质腔之间连接的管道，是加粗直径的管道，形成一个工作介质的蒸汽管道腔，管道外设有保温层。

4.如权利要求1所述的光热矢量发电系统，其特征在于所述的冷凝换热器、自然冷凝器、高端储液器位于本光热矢量发电系统的最高处，同时三者的高度依次下降，高端储液器不得高于自然冷凝器，自然冷凝器不得高于冷凝换热器。

5.如权利要求1所述的光热矢量发电系统，其特征在于涡卷发电机、低端储热器、回热换热器、蒸发换热器位于本光热矢量发电系统的最低处，同时四者的高度依次下降，蒸发换热器不得高于回热换热器，回热换热器不得高于低端储液器，低端储液器不得高于涡卷发电机。

6.如权利要求1所述的光热矢量发电系统，其特征在于自然冷凝器不限于是自然对流式冷凝器，也可以是强制对流式冷凝器。

7.如权利要求1所述的光热矢量发电系统，其特征在于所述的发电循环系统中的工作介质是比重大于水，且通过温度变化会进行汽液两态转化的介质；工作介质的加注量，不能超过整个发电循环系统总容量的60％。

8.如权利要求1所述的光热矢量发电系统，其特征在于所述的回热循环系统中的回热介质，是冷却液水，或者是导热油等液态导热介质；回热介质的加注量为回热循环系统总容量减去30％平衡储液罐容积的容量。

9.如权利要求1所述的光热矢量发电系统，其特征在于所述的加注口，不限于只设置在高端储液器上，还可以设置在发电循环系统中的其它可以和系统内部连通的任意位置上。

10.如权利要求1所述的光热矢量发电系统，其特征在于所述的平衡管的两端分别进入到高端储液器和低端储液器内部并处于最高处，平衡管的管口切口为斜切的，或者是花形的。