CN106655894A - 一种多热源温差发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多热源温差发电系统，包括多热源集热模块、温差发电模块和冷却模块，多热源集热模块和冷却模块分别与温差发电模块形成热源回路和冷源回路。本发明利用太阳能集热和温差发电技术，对太阳光中的热能进行收集，将热能进行储存，经过温差电转换系统不间断发电，实现多种热源的集成发电系统，系统结构简单、便于拆卸和移动、适合多种热源发电、适用范围广、工作稳定且寿命长，而且功能多样化。

Description

一种多热源温差发电系统

技术领域

本发明属于清洁能源再利用技术领域，涉及太阳能集热和温差发电技术，尤其是一种多热源温差发电系统。

背景技术

地球上所能利用的能量的98.98%最初都来自太阳能。利用太阳能发电有两大类型，一类是太阳光发电（亦称太阳能光发电），另一类是太阳热发电（亦称太阳能热发电）。为节约能源和可持续发展提供重要意义。

太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。另一种方式是将太阳热能通过热机（如汽轮机）带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过是其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。

光伏发电，其基本原理就是“光伏效应”。光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。光伏板体积和质量较大，且夜间不能使用和受天气情况影响大。

太阳能经菲涅尔反射镜反射后聚集到吸热管上，冷介质进入吸热管中吸收太阳能成为热介质，从而实现了聚光集热的功能，实现了光与热的转化。

然而太阳能受时间、天气和地域等影响，对于发电系统而言一般要求能够持续不断的产生电能。因此多热源温差发电系统能有效利用各种热能。

一般生活中可供利用的热能有太阳能、地热能、余热能等各种可以和系统冷却循环水有温度差的热能，都可以被该系统利用。

温差发电器件是利用塞贝克效应（Seebeck coefficient)，直接将热能转化为电能的器件，具有无旋转部件、相对体积较小、工作无噪声、无污染、可靠性高等优点。

温差发电器件的发电效率与器件的两端的温差成正比，而输出功率与温差的平方成正比，这就是说要使热电发电器件具有较大的发电能力，就要求尽可能的增加冷热端之间的温度差。

Komatsu公司的碲化铋温差电模块，在高温端280℃、低温段30℃，具有7.2%的热电转换效率，该温度下单体模块最大功率可达24W，能量密度为1W/cm²。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种多热源温差发电系统，该系统利用太阳能集热和温差发电技术，对太阳光中的热能进行收集，将热能进行储存，经过温差电转换系统不间断发电，实现多种热源的集成发电系统，系统结构简单、便于拆卸和移动、适合多种热源发电、适用范围广、工作稳定且寿命长，而且功能多样化。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种多热源温差发电系统，其特征在于：包括多热源集热模块、温差发电模块和冷却模块，所述的多热源集热模块和冷却模块分别与温差发电模块形成热源回路和冷源回路，其中温差发电模块包括矩形冷却水管、温差电模块组和矩形换热管，温差电模块组位于中间，矩形冷却水管和矩形换热管位于温差电模块组的两侧，三者依次紧密叠加，温差电模块组的输出端口依次与DC/AC转换模块和变压器连接；多热源集热模块包括太阳能集热板、太阳能聚光板、中低温储热塔和高温储热塔，所述的矩形换热管的出口管路依次经过太阳能集热板、中低温储热塔、太阳能聚光板、高温储热塔，并返回至矩形换热管的进口，形成热源回路；冷却模块包括冷却水塔和风冷散热器，所述的矩形冷却水管的出口管路依次经冷却水塔和风冷散热器，并返回至矩形冷却水管的进口，形成冷源回路。

对上述结构作进一步补充，还包括加热炉，所述的加热炉的进口与矩形换热管的出口连通，加热炉的出口与高温储热塔连接。

对上述结构作进一步补充，还包括换热器，所述的换热器的进口与矩形换热管的出口连通，换热器的出口与高温储热塔连接。

对上述结构作进一步限定，所述的矩形换热管出口的支管路上均设有截止阀，在中低温储热塔和太阳能聚光板之间的管路上设有单向阀。

对上述结构作进一步限定，所述的热源回路和冷源回路均设有循环水泵和流量计，所述的中低温储热塔和高温储热塔上分别设有温度计。

对上述结构作进一步限定，所述的温差电模块组连接方式采用阵列形式，在温度分布相同的区域将模块串联起来，串联起来的模块组之间并联，进行分流。

对上述结构作进一步限定，所述的多热源集热模块及该模块内个各结构之间的连接管均用保温材料进行隔热处理。

对上述结构作进一步限定，所述的矩形冷却水管、温差电模块组和矩形换热管表面布置导热硅脂，并通过夹紧装置使三者紧密贴合。

对上述结构作进一步限定，所述的夹紧装置为包括上板、下板以及连接上板和下板的螺栓，所述的上板和下板分别置于的温差发电模块两侧，螺栓分布与温差发电模块四周。

对上述结构作进一步限定，所述的矩形冷却水管和矩形换热管分别设有热电偶，所述的热电偶与温控仪的信号输入端连接，循环水泵与温控仪的信号输出端连接。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

（1）本发明中的多热源温差发电系统开辟了太阳能集热和温差电技术的新应用，利用温差电效应将热能直接转化为电能，这样实现发电站一年365天持续供应电量，不需要用电时或多余的电量可并入电网运行，利用多种热源进行发电，而且对于边远地区的人们来说，如海岛、高原、牧区。除了满足生活中源源不断提供热水外，还可以持续不断提供电能；

（2）本发明中的温差电模块组连接方式采用m×n阵列形式，在温度分布相同的区域将模块串联起来，然后将串联起来的模块组之间通过并联连接的方式进行分流，由于模块额定电压和电流的限制，需要通过并联对模块进行分流，且相应的串联温差电模块的实际工作温度要在相同的温度区间，尽可能提高输出功率；

（3）本发明中的储热塔分为两个，分别为中低温储热塔和高温储热塔，中低温储热塔利用平板吸热，能快速提高温度，吸热面积大，高温储热塔利用聚光板提高能量品位，温度达到280℃，以便最大限度提高温差，提高温差电模块转换效率；

（4）本发明中的热量存储和导热介质流经装置需要进行保温处理，重点对中低温储热塔、高温储热塔和连接管需要用保温材料进行隔热处理，尽量减小了热量的损失；

（5）本发明中的太阳能聚光板和中低温储热塔通过单项阀连接，可以有效地防止品位较高的导热介质流入中低温储热塔；

（6）本发明中的热源的导热介质采用闭循环，减小热量损失，冷源的导热介质采用水，在矩形冷却水管和风冷散热器之间的连接管上布置生活用热水管，方便人们实际生活；

（7）本发明与现有技术相比，系统结构简单、便于拆卸和移动、适合多种热源发电、适用范围广、工作稳定且寿命长，而且功能多样化。

附图说明

图1是本发明中实施例一的组成框图；

图2是本发明中实施例二的组成框图；

图3是本发明中温差电模块组布置示意图；

图4是本发明中能量转换示意图；

图5是本发明中矩形冷却水管、矩形换热管及温差点模块组装配图；

图6是根据本发明中温控组成框图；

其中：1、太阳能集热板，2、太阳能聚光板，3、中低温储热塔，4、高温储热塔，5、变压器，6、加热炉，7、换热器，8、DC/AC转换模块，9、矩形冷却水管，10、温差电模块组，11、矩形换热管，12、温控仪，13、冷却水塔，14、风冷散热器，15、连接管，16、截止阀，17、温度计，18、单向阀，19、循环水泵，20、流量计，21、热电偶，24、夹紧装置，25、螺栓，26、垫片，27、螺母。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明具体涉及一种多热源温差发电系统，具体包括多热源集热模块、温差发电模块和冷却模块，多热源集热模块和冷却模块分别与温差发电模块形成热源回路和冷源回路。

在附图1中为一种多热源温差发电系统的组成框图，其中温差发电模块包括矩形冷却水管9、温差电模块组10和矩形换热管11，温差电模块组10位于中间，矩形冷却水管9和矩形换热管11位于温差电模块组10的两侧，三者依次紧密叠加，实现热能转换为电能，温差电模块组10的输出端口依次与DC/AC转换模块8和变压器5连接，变压器5和DC/AC转换模块8实现电能转化，为日常生活提供220AC电源或系统发电并网；多热源集热模块包括太阳能集热板1、太阳能聚光板2、中低温储热塔3和高温储热塔4，在中低温储热塔3和太阳能聚光板2之间的管路上设有单向阀18，矩形换热管11的出口管路依次经过太阳能集热板1、中低温储热塔3、太阳能聚光板2、高温储热塔4，并返回至矩形换热管11的进口，形成热源回路；冷却模块包括冷却水塔13和风冷散热器14，矩形冷却水管9的出口管路依次经冷却水塔13和风冷散热器14，并返回至矩形冷却水管9的进口，形成冷源回路。

在附图2中为一种多热源温差发电系统的组成框图，该系统在附图1的基础上，增加了加热炉6和换热器7，其中加热炉6的进口与矩形换热管11的出口连通，加热炉6的出口与高温储热塔4连接，换热器7的进口与矩形换热管11的出口连通，换热器7的出口与高温储热塔4连接。该系统通过太阳能集热板1和太阳能聚光板2，对太阳光中的热能进行收集，将热能进行储存，然后经过温差电转换系统进行24小时不间断发电，若遇到长时间阴雨天气，可以通过加热炉6或换热器7对系统进行热量补充，从而保证能365天不间断工作，是对可再生能源的利用。

在附图1和2的两种多热源温差发电系统中，能量收集系统能够同时或单独利用太阳能集热板1、太阳能聚光板2、加热炉6和换热器7进行热量收集。 热源回路和冷源回路均设有循环水泵19和流量计20，中低温储热塔3和高温储热塔4上分别设有温度计17。热源回路中的导热介质采用闭循环，减小热量损失，导热介质可以采用导热油，这是因为要达到280℃水达不到，同时避免管道生锈问题。冷源回路的导热介质采用水，在矩形冷却水管9和风冷散热器14之间的连接管15上布置生活用热水管，方便人们实际生活。

上述系统中储热塔分为两个，分别为中低温储热塔3和高温储热塔5。中低温储热塔3利用平板吸热，能快速提高温度，吸热面积大。高温储热塔5利用聚光板提高能量品位，温度达到280℃，以便最大限度提高温差，提高温差电模块转换效率。当遇到连续不断的阴雨天气，可采用多种热源，保证所述发电系统正常工作。可以关闭中低温储热塔3，保留高温储热塔4，进行局部的循环，减小热量损失。

太阳能聚光板2和中低温储热塔3通过单项阀18连接，防止品位较高的导热介质流入中低温储热塔3。系统热量存储和导热介质流经装置需要进行保温处理，重点对中低温储热塔3、高温储热塔4和连接管15需要用保温材料进行隔热处理，尽量减小热量损失。

在附图3中，温差电模块组10连接方式采用m×n阵列形式，在温度分布相同的区域将模块串联起来，然后将串联起来的模块组之间通过并联连接的方式进行分流。温差电模块又称热电模块，一般为正方形，为了减少模块的热应力，选用尺寸40×40mm最佳，其厚度一般为5-7mm，布置的时候尽量紧密，已达到最大限度的利用余热发电。单个模块之间采用先串后并m×n阵列连接方式，由于模块额定电压和电流的限制，需要通过并联对模块进行分流，且相应的串联温差电模块的实际工作温度要在相同的温度区间，尽可能提高输出功。温差电模块组10可以根据收集的废热能的品位，和温差电模块工作温度范围，选择低温、中温或高温温差电模块，目前典型的低温半导体温差电模块为碲化铋（Bi2Te3）模块，中温温差模块碲化铅（PbTe）模块，高温模块为硅锗合金（SiGe）温差模块。若采用低温碲化铋模以每个温差电模块15W计算，以设计4.5KW的发电系统为基准，则需3000块温差电模块。

温差电模块周边填充有绝热材料，绝热材料为石棉、玻璃纤维、绝热陶瓷或多层复合材料之一等减少热量传递的材料，并通过夹紧装置将温差电模块、矩形换热管和矩形冷却水管装配起来。

图4是根据本发明的温差发一种多热源温差发电系统能量转换示意图。将多种热源布置在温差电模块组的热端，在模块冷端布置循环冷却水，利用冷端和热端之间的温度差进行发电。

如附图5所示，为温差电模块矩形冷却水管和矩形换热管装配图，通过夹紧装置24、螺栓25、垫片26和螺母27将矩形冷却水管9、温差电模块组10和矩形换热管11装配起来。其中矩形冷却水管9、温差电模块组10和矩形换热管11表面布置导热硅脂，并通过夹紧装置24使三者紧密贴合，其中夹紧装置24为包括上板、下板以及连接上板和下板的螺栓25，所述的上板和下板分别置于的温差发电模块两侧，螺栓25分布与温差发电模块四周。其中导热硅脂应导热系数高一点，并能保证在液态条件下达到模块最佳额定工作温度。

如附图6所示，温控系统包括温控仪12、循环水泵19和热电偶21，热电偶21与温控仪12的信号输入端连接，循环水泵19与温控仪12的信号输出端连接，其中两个热电偶21分别代表温差电模块热端和冷端温度，两个循环水泵19分别为热源循环水泵和冷源循环水泵，当模块端面温度升高或降低时，通过温控仪12提高或降低循环水泵19功率。发电系统由温控仪12、循环水泵19和热电偶21使模块组在额定工作温度下工作，使系统高效稳定运行。

在本系统中矩形换热管11和矩形冷却水管9截面为矩形，矩形管表面应光滑平整，以保证与温差电模块的接触面积和安装压力，管道材料尽量选择导热系数高的材料，对于矩形换热管未进行热量传递的表面要进行保温处理。冷却系统采用风冷冷却系统，利用自然风能使冷源保持在一定温度范围内。连接管15表面布置保温材料，减少热量损失，保温材料采用聚氨酯和岩棉。

与现有技术相比，本发明的多用途温差电系统结构简单、便于拆卸和移动、适合多种热源发电、适用范围广、工作稳定且寿命长，而且功能多样化。本发明开辟了太阳能集热和温差发电技术的新应用，然而太阳能的利用受各种因素限制，日常生活中热能来源很广泛，利用温差电效应将热能直接转化为电能，这样实现发电站一年365天持续供应电量，不需要用电时或多余的电量可并入电网运行。

Claims (10)

1.一种多热源温差发电系统，其特征在于：包括多热源集热模块、温差发电模块和冷却模块，所述的多热源集热模块和冷却模块分别与温差发电模块形成热源回路和冷源回路，其中温差发电模块包括矩形冷却水管（9）、温差电模块组（10）和矩形换热管（11），温差电模块组（10）位于中间，矩形冷却水管（9）和矩形换热管（11）位于温差电模块组（10）的两侧，三者依次紧密叠加，温差电模块组（10）的输出端口依次与DC/AC转换模块（8）和变压器（5）连接；多热源集热模块包括太阳能集热板（1）、太阳能聚光板（2）、中低温储热塔（3）和高温储热塔（4），所述的矩形换热管（11）的出口管路依次经过太阳能集热板（1）、中低温储热塔（3）、太阳能聚光板（2）、高温储热塔（4），并返回至矩形换热管（11）的进口，形成热源回路；冷却模块包括冷却水塔（13）和风冷散热器（14），所述的矩形冷却水管（9）的出口管路依次经冷却水塔（13）和风冷散热器（14），并返回至矩形冷却水管（9）的进口，形成冷源回路。

2.根据权利要求1所述的一种多热源温差发电系统，其特征在于：还包括加热炉（6），所述的加热炉（6）的进口与矩形换热管（11）的出口连通，加热炉（6）的出口与高温储热塔（4）连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种多热源温差发电系统，其特征在于：还包括换热器（7），所述的换热器（7）的进口与矩形换热管（11）的出口连通，换热器（7）的出口与高温储热塔（4）连接。

4.根据权利要求3所述的一种多热源温差发电系统，其特征在于：所述的矩形换热管（11）出口的支管路上均设有截止阀（16），在中低温储热塔（3）和太阳能聚光板（2）之间的管路上设有单向阀（18）。

5.根据权利要求1所述的一种多热源温差发电系统，其特征在于：所述的热源回路和冷源回路均设有循环水泵（19）和流量计（20），所述的中低温储热塔（3）和高温储热塔（4）上分别设有温度计（17）。

6.根据权利要求1所述的一种多热源温差发电系统，其特征在于：所述的温差电模块组（10）连接方式采用阵列形式，在温度分布相同的区域将模块串联起来，串联起来的模块组之间并联，进行分流。

7.根据权利要求1所述的一种多热源温差发电系统，其特征在于：所述的多热源集热模块及该模块内个各结构之间的连接管（15）均用保温材料进行隔热处理。

8.根据权利要求1所述的一种多热源温差发电系统，其特征在于：所述的矩形冷却水管（9）、温差电模块组（10）和矩形换热管（11）表面布置导热硅脂，并通过夹紧装置（24）使三者紧密贴合。

9.根据权利要求8所述的一种多热源温差发电系统，其特征在于：所述的夹紧装置（24）为包括上板、下板以及连接上板和下板的螺栓（25），所述的上板和下板分别置于的温差发电模块两侧，螺栓（25）分布与温差发电模块四周。

10.根据权利要求5所述的一种多热源温差发电系统，其特征在于：所述的矩形冷却水管（9）和矩形换热管（11）分别设有热电偶（21），所述的热电偶（21）与温控仪（12）的信号输入端连接，循环水泵（19）与温控仪（12）的信号输出端连接。