CN107448919B - 一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置及方法，利用太阳能集热器(太阳能集热器包括级联的太阳能集热阵列，核心部件包括中温管、铜调节器、反光板、联箱组件)、电锅炉进行联合利用，替代燃煤、燃油锅炉的使用，提高太阳能的利用率，减少峰时电量的使用，建立联合供能系统，实现能量的梯级利用。

Description

一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置及方法

技术领域

本发明涉及太阳能集热与电锅炉联合利用技术领域，更具体地说，涉及一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置及方法。

背景技术

我国高速发展的能源主要依赖于传统化石燃料，导致大气污染严重、气候恶化。国家电网公司响应国家政策，开展“清洁替代”和“电能替代”战略工作，积极倡导“以电代煤、以电代油、电从远方来”的能源消费新模式，其中重要的一环包括以电替代燃煤燃油锅炉的使用，进而优化能源消费结构，减少城市大气污染，促进雾霾治理。

电锅炉是以电为能源，利用电阻发热、电磁感应或电极发热，通过锅炉的换热部位把热媒水或有机热载体(导热油)加热到一定参数(温度、压力)时，向外输出具有额定工质的一种热能机械设备。电锅炉使用安全、灵活，比较适合替代中小型燃煤锅炉。此外，电锅炉高度智能化，不需要专人看管，在运营维护成本和安全隐患方面有所降低。但电锅炉系统运行成本受电价政策(谷峰电价)的影响较大，易出现运行成本较高，收益较低的问题。

太阳能对于地球来讲是取之不尽、用之不竭的清洁健康能源，是应用前景最广阔的替代能源，它必将成为今后的主导能源，开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、减缓气候变化等，都具有极其重大的意义。利用太阳能集热与电锅炉联合运行，可充分利用“峰谷电价”政策，降低运行成本。

与传统的太阳能热水器相比，利用太阳能制中温蒸汽，目前还是处于研究初期初期，但可应用范围比较广阔，包括建筑、食品加工、海水淡化、化学、造纸、木材加工、合成橡胶、纺织和烟草、制冷等领域，应用温度集中在120～180℃范围。另一方面，针对现有太阳能热利用设备和技术应用存在无日照、阴冷天气时无法使用等弊端，不能满足建筑连续供热的需求，而燃煤燃油锅炉效率低、污染严重、电锅炉运行成本较高的问题，如何能够建立太阳能、电锅炉的联合循环、减少峰时电量的使用、提高太阳能的利用率，实现能量的梯级利用，也是亟待解决的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置，包括太阳能集热器、电锅炉和蒸汽电加热器；所述太阳能集热器和电锅炉的进水口均与进水泵相连，所述太阳能集热器的输出口通过第一电动调节阀门Ka与蒸汽电加热器相连，所述太阳能集热器的出水口还接有安全阀K0；所述电锅炉的输出口通过第二电动调节阀门Kb与蒸汽电加热器相连，所述蒸汽电加热器与太阳能集热器和电锅炉的输出口相连，所述蒸汽电加热器出口设有第三电动调节阀门Kc；还包括PLC控制器，所述太阳能集热器的出水口还接有第一温度传感器Ta，所述电锅炉的出水口还接有第二温度传感器Tb，所述蒸汽电加热器出口还接有第三温度传感器Tc，所述第一温度传感器Ta、第二温度传感器Tb、第三温度传感器Tc、第一电动阀门Ka、第二电动阀门Kb、第三电动阀门Kc均与PLC控制器相连。

在上述方案中，所述太阳能集热器包括级联的太阳能集热阵列，所述太阳能集热阵列的核心部件包括中温管、铜调节器、反光板、联箱组件。

在上述方案中，所述太阳能集热器核心部件中温管的吸热涂层由钛金涂层作为膜层材料，真空管采用溶胶凝胶法实现增透；所述太阳能集热器采用φ47mm真空管内管作为接收器，接收器半径r＝37/2＝18.5mm，所述真空管的外壁与反光板之间的距离为1mm，渐开线初始的角度θ₀＝41°。

在上述方案中，所述太阳能集热器核心部件铜调节器采用U型管设计，按集热器面积不同分为单U、双U和三U结构，循环工质不在真空管内，通过调节U型管内的循环工质流量提高换热效率。

在上述方案中，所述太阳能集热器核心部件反光板采用涂有保护涂层的金属材料精确辊压成型，设置在真空管的后面，半接收角为23.5°，开口宽度为115mm，聚光比C为2.5。

在上述方案中，所述太阳能集热器核心部件联箱组件包括联集管、联集箱，每根真空管内的U型管开口端分别与两支所述联集管焊接，且所述联集管被保温层包裹放置于联箱中；循环介质从集热器的两端选择一端作为循环进口；测温管焊接于所述联集箱的两端，从所述联集箱侧盖伸出，用于测量集热器温度。

本发明还提供一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的方法，该方法采用权利要求1-6中任一项所述的一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置，包括以下步骤：

步骤S010，根据用户侧所需蒸汽温度上下限设定太阳能集热器温度输出门限T1、停止输出门限T2和半开输出门限T3，第一电动阀门Ka、第二电动阀门Kb、第三电动阀门Kc均保持关闭状态；

步骤S020，打开进水泵，为太阳能集热器和电锅炉补水，补水之后太阳能集热器和电锅炉开始运行；

步骤S030，根据T1、T2和T3控制第一电动阀门Ka的开闭程度，使得太阳能集热器对蒸汽电加热器进行供能；当第二温度传感器Tb监测温度达到T1时，控制第二电动阀门Kb的开闭程度，使得电锅炉进行补充供能；当第三温度传感器Tc监测温度达到用户侧温度上限时，控制第三电动阀门Kc的开闭程度。

在所述步骤S030中，当第一温度传感器Ta监测温度达到T1时，将第一电动阀门Ka设定为全开；当第一温度传感器Ta监测温度不大于T3且大于T2时，将第一电动阀门Ka设定为半开；当第一温度传感器Ta监测温度不大于T2时，关闭第一电动阀门Ka。

在所述步骤S030中，控制第二电动阀门Kb开闭程度的方法包括：第一电动阀门Ka处于完全打开状态时，控制第二电动阀门Kb到完全闭合；当第一电动阀门Ka处于半开状态时，控制第二电动阀门Kb到半开位置；当第一电动阀门Ka处于闭合状态时，控制第二电动阀门Kb到全开位置。

在所述步骤S030中，控制第三电动阀门Kc开闭程度的方法包括：第二电动阀门Kb处于完全打开状态时，控制第三电动阀门Kc到完全闭合；当第二电动阀门Kb处于半开状态时，控制第三电动阀门Kc到半开位置；当第二电动阀门Kb处于闭合状态时，控制第三电动阀门Kc到全开位置。

在所述步骤S030中，当第二电动阀门Kb完全闭合时，电锅炉不断电，处于保温运行状态。

在所述步骤S030中，当第一温度传感器Ta监测温度达到150℃开启安全阀，待其监测温度低于140℃时再关闭安全阀。

在上述步骤中，T1为130℃，T2为120℃，T3为125℃。

实施本发明一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置及方法，具有以下有益效果：

1、本发明温度调节范围广，锅炉出口温度可按照终端使用要求进行设置，温度范围为110-180℃。

2、本发明自动化控制程度高，根据太阳能辐射强度动态分配电锅炉输出功率，能实现温度、压力和流量的精确调节及安全连锁控制，运行安全可靠。

3、本发明充分利用能量梯级，对太阳能、电锅炉进行联合利用，实现减少峰时电力的使用和提高太阳能的利用率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置的结构示意图；

图2是本发明中铜调节器的结构图；

图3是本发明中CPC曲线坐标图；

图4是本发明中CPC渐开线前移示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明利用太阳能集热器(太阳能集热器包括级联的太阳能集热阵列，核心部件包括中温管、铜调节器、反光板、联箱组件)、电锅炉进行联合利用，替代燃煤、燃油锅炉的使用、提高太阳能的利用率，减少峰时电量的使用，建立联合供能系统、实现能量的梯级利用。

本发明研究以太阳能和电能进行互补，以水蒸气为工质，建立联合供能系统，其特点在于采用零碳能源，通过太阳能集热器、电锅炉的协调控制，实现能量梯级利用。

本发明涉及一种光热补偿电锅炉的联合循环，特别是涉及一种太阳能光热(复合抛物面集热)与电锅炉联合制中温蒸汽的装置及方法，系统主要由太阳能集热器、电锅炉、进水泵、控制系统以及管件等部分组成。其中，控制系统由三个温度传感器(Ta，Tb，Tc)、三个电动阀门(Ka，Kb，Kc)、PLC控制器构成。它包含光热利用、电锅炉利用，流程如下。

1、光热利用：利用太阳能集热器对水进行加热；

2、电锅炉利用：利用电锅炉对水进行加热；

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明所设计的一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置，包括太阳能集热器、电锅炉和蒸汽电加热器，太阳能集热器和电锅炉的进水口均与进水泵相连。太阳能集热器的输出口通过第一电动调节阀门Ka与蒸汽电加热器相连，太阳能集热器的出水口还接有安全阀。电锅炉的输出口通过第二电动调节阀门Kb与蒸汽电加热器相连。蒸汽电加热器与太阳能集热器和电锅炉的输出口相连，蒸汽电加热器出口设有第三电动调节阀门Kc。该装置还包括PLC控制器，太阳能集热器的出水口还接有第一温度传感器Ta，电锅炉的出水口还接有第二温度传感器Tb，蒸汽电加热器出口还接有第三温度传感器Tc，第一温度传感器Ta、第二温度传感器Tb、第三温度传感器Tc、第一电动阀门Ka、第二电动阀门Kb、第三电动阀门Kc均与PLC控制器相连。

太阳能集热器包括级联的太阳能集热阵列，太阳能集热阵列的核心部件包括中温管、铜调节器、反光板、联箱组件。中温管的吸热涂层由钛金涂层作为膜层材料，真空管采用溶胶凝胶法实现增透。铜调节器采用U型管设计，按集热器面积不同分为单U、双U和三U结构(如图2所示)，循环工质不在真空管内，通过调节U型管内的循环工质流量提高换热效率。反光板采用涂有保护涂层的金属材料精确辊压成型，设置在真空管的后面。太阳能集热器核心部件联箱组件包括联集管、联集箱，每根真空管内的U型管开口端分别与两支联集管焊接，且联集管被保温层包裹放置于联箱中；循环介质从集热器的两端选择一端作为循环进口；测温管焊接于联集箱的两端，从联集箱侧盖伸出，用于测量集热器温度。

反光板的CPC曲线方程为(图3为CPC曲线坐标图)：

x＝rsin(θ)-t(θ)cos(θ) (1)

y＝-rcos(θ)-t(θ)sin(θ) (2)

其中：t(θ)＝rθ(0≤θ≤θ_t+π/2)；

上式中，r为接收圆半径，θ为角度变量值，θ_i为半接收角，t(θ)为极径。

但在实际使用中，由于真空管的存在，聚光板与接收管(真空管内管)不可能接触，存在间距，考虑反光板与真空管内管之间的这一距离g，渐开线前移，参见图4，则方程为：

t(θ)＝r(θ-θ₀)+(2r_g+g²)^1/2(θ₀≤θ≤θ_i+π/2) (3)

(θ_i+π/2＜θ≤3π/2-θ_i)

θ₀为渐开线初始的角度，g为缝隙大小，即反光板与真空管内管之间的距离。方程3、4成为中温集热器反射器的设计方程依据。

因此，为提高太阳能集热器的集热效能，太阳能集热器以φ47mm真空管内管作为接收器，r＝37/2＝18.5mm，取外管外壁与反光板之间的距离为1mm，则g＝5+1＝6mm。可算得cos(θ₀)＝18.5/(18.5+6)，θ₀＝41°。当半接收角θ_i确定，则曲线就确定了。通过Trace Pro软件进行光线模拟可知当反光板的半接收角为23.5°时，漏光最少，根据截取高度，得到了聚光板曲线，反光板的开口宽度为115mm，聚光比C为2.5。

整个装置可以以3种方式运行：1、太阳能集热器直接供应至蒸汽电加热器；2、太阳能集热器联合电锅炉加热供应至蒸汽电加热器；3、电锅炉单独供应至蒸汽电加热器。在不同运行模式下，根据太阳能集热器的集热情况、用户侧的负荷需求，设定电锅炉的运行负荷率，形成以太阳能和电能进行互补，以水蒸气为工质的联合供能系统，通过太阳能集热器、电锅炉的协调控制，实现能量梯级利用。

本发明还提供一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的方法，包括以下步骤：

步骤S010，根据用户侧所需蒸汽温度上下限设定太阳能集热器温度输出门限T1、停止输出门限T2和半开输出门限T3，第一电动阀门Ka、第二电动阀门Kb、第三电动阀门Kc均保持关闭状态；

步骤S020，打开进水泵，为太阳能集热器和电锅炉补水，补水之后太阳能集热器和电锅炉开始运行；

步骤S030，根据T1、T2和T3控制第一电动阀门Ka的开闭程度，使得太阳能集热器对蒸汽电加热器进行供能，即：当第一温度传感器Ta监测温度达到T1时，将第一电动阀门Ka设定为全开；当第一温度传感器Ta监测温度不大于T3且大于T2时，将第一电动阀门Ka设定为半开；当第一温度传感器Ta监测温度不大于T2时，关闭第一电动阀门Ka。当第二温度传感器Tb监测温度达到T1时，控制第二电动阀门Kb的开闭程度，使得电锅炉进行补充供能，即：第一电动阀门Ka处于完全打开状态时，控制第二电动阀门Kb到完全闭合；当第一电动阀门Ka处于半开状态时，控制第二电动阀门Kb到半开位置；当第一电动阀门Ka处于闭合状态时，控制第二电动阀门Kb到全开位置。当第三温度传感器Tc监测温度达到用户侧温度上限时，控制第三电动阀门Kc的开闭程度，即：第二电动阀门Kb处于完全打开状态时，控制第三电动阀门Kc到完全闭合；当第二电动阀门Kb处于半开状态时，控制第三电动阀门Kc到半开位置；当第二电动阀门Kb处于闭合状态时，控制第三电动阀门Kc到全开位置。当第二电动阀门Kb完全闭合时，电锅炉不断电，处于保温运行状态。当第一温度传感器Ta监测温度达到150℃开启安全阀K0，待其监测温度低于140℃时再关闭安全阀K0。

该方法通过太阳能集热系统和电锅炉的结合，配合控制系统，产生连续不间断的蒸汽，输出蒸汽温度为110～180℃。系统运行时，PLC控制系统会根据电锅炉和太阳能集热器输出的蒸汽温度来控制对应的阀门开闭，综合利用太阳能，并确保输出指定温度的蒸汽。

例如，用户要求180℃温度输出，可设定太阳能集热器输出温度门限Tmax＝130℃，停止输出门限为Tmin＝120℃；系统启动时，第一电动阀门Ka和第二电动阀门Kb处于关闭位置，太阳能集热器吸收太阳辐射能量产生蒸汽，电锅炉启动产生蒸汽；PLC控制器通过第一温度传感器Ta、第二温度传感器Tb两个温度传感器监测太阳能集热器和电锅炉输出的蒸汽温度，并进行相应控制。

对太阳能集热器一路，作如下监控：

当第一温度传感器Ta温度达到130℃时，控制第一电动阀门Ka到开位置，太阳能集热器输出蒸汽；当第一电动阀门Ka处于开位置，且第一温度传感器Ta温度低于125℃时，控制第一电动阀门Ka为半开位置，减小太阳能集热器输出流量，促使输出蒸汽温度提高；当第一温度传感器Ta温度低于120℃时，控制第一电动阀门Ka为闭合位置，等待太阳能集热器重新生成130℃蒸汽。

对电锅炉一路，作如下监控：

当第二温度传感器Tb温度达到180℃，且第一电动阀门Ka处于全开位置，控制第二电动阀门Kb到闭合位置；当第二温度传感器Tb温度达到180℃，且第一电动阀门Ka处于半开位置，控制第二电动阀门Kb到半开位置；当第二温度传感器Tb温度达到180℃，且第一电动阀门Ka处于闭合位置，控制第二电动阀门Kb到全开位置；当第二温度传感器Tb温度未达到180℃，控制第二电动阀门Kb到闭合位置；当第二电动阀门Kb为闭合位置的时候，电锅炉不断电，而是处于保温运行状态。

对蒸汽电加热器，作如下监控：

当第三温度传感器Tc温度未达到180℃，控制蒸汽加热器加热，第三电动阀门Kc到闭合位置；当第三温度传感器Tc温度达到180℃，控制第三电动阀门Kc到开启位置；当第二温度传感器Tb温度达到185℃，控制蒸汽加热器停止加热。

此外，安全阀K0独立运行，当第一温度传感器Ta监测温度达到150℃开启安全阀K0，待其监测温度低于140℃时再关闭安全阀K0。

通过PLC控制器进行上述智能控制，以实现太阳能集热器和电锅炉的配合使用和无缝切换，同时采用组态软件进行界面显示，反映系统当前运行状况。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置，其特征在于，包括太阳能集热器、电锅炉和蒸汽电加热器；所述太阳能集热器和电锅炉的进水口均与进水泵相连，所述太阳能集热器的输出口通过第一电动调节阀门Ka与蒸汽电加热器相连，所述太阳能集热器的出水口还接有安全阀K0；所述电锅炉的输出口通过第二电动调节阀门Kb与蒸汽电加热器相连，所述蒸汽电加热器与太阳能集热器和电锅炉的输出口相连，所述蒸汽电加热器出口设有第三电动调节阀门Kc；还包括PLC控制器，所述太阳能集热器的出水口还接有第一温度传感器Ta，所述电锅炉的出水口还接有第二温度传感器Tb，所述蒸汽电加热器出口还接有第三温度传感器Tc，所述第一温度传感器Ta、第二温度传感器Tb、第三温度传感器Tc、第一电动阀门Ka、第二电动阀门Kb、第三电动阀门Kc均与PLC控制器相连；

所述太阳能集热器包括级联的太阳能集热阵列，所述太阳能集热阵列的核心部件包括中温管、铜调节器、反光板、联箱组件；

所述太阳能集热器核心部件中温管的吸热涂层由钛金涂层作为膜层材料，真空管采用溶胶凝胶法实现增透；所述太阳能集热器采用φ47mm真空管内管作为接收器，接收器半径r=37/2=18.5mm，所述真空管的外壁与反光板之间的距离为1mm，渐开线初始的角度θ ₀ =41°；

所述太阳能集热器核心部件反光板采用涂有保护涂层的金属材料精确辊压成型，设置在真空管的后面，半接收角为23.5°，开口宽度为115mm，聚光比C为2.5。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置，其特征在于，所述太阳能集热器核心部件铜调节器采用U型管设计，按集热器面积不同分为单U、双U和三U结构，循环工质不在真空管内，通过调节U型管内的循环工质流量提高换热效率。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置，其特征在于，所述太阳能集热器核心部件联箱组件包括联集管、联集箱，每根真空管内的U型管开口端分别与两支所述联集管焊接，且所述联集管被保温层包裹放置于联箱中；循环介质从集热器的两端选择一端作为循环进口；测温管焊接于所述联集箱的两端，从所述联集箱侧盖伸出，用于测量集热器温度。

4.一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-3中任一项所述的一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的装置，包括以下步骤：

步骤S010，根据用户侧所需蒸汽温度上下限设定太阳能集热器温度输出门限T1、停止输出门限T2和半开输出门限T3，第一电动阀门Ka、第二电动阀门Kb、第三电动阀门Kc均保持关闭状态；

步骤S020，打开进水泵，为太阳能集热器和电锅炉补水，补水之后太阳能集热器和电锅炉开始运行；

步骤S030，根据T1、T2和T3控制第一电动阀门Ka的开闭程度，使得太阳能集热器对蒸汽电加热器进行供能；当第二温度传感器Tb监测温度达到T1时，控制第二电动阀门Kb的开闭程度，使得电锅炉进行补充供能；当第三温度传感器Tc监测温度达到用户侧温度上限时，控制第三电动阀门Kc的开闭程度。

5.根据权利要求4所述的一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的方法，其特征在于，所述步骤S030中，当第一温度传感器Ta监测温度达到T1时，将第一电动阀门Ka设定为全开；当第一温度传感器Ta监测温度不大于T3且大于T2时，将第一电动阀门Ka设定为半开；当第一温度传感器Ta监测温度不大于T2时，关闭第一电动阀门Ka。

6.根据权利要求5所述的一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的方法，其特征在于，所述步骤S030中，控制第二电动阀门Kb开闭程度的方法包括：第一电动阀门Ka处于完全打开状态时，控制第二电动阀门Kb到完全闭合；当第一电动阀门Ka处于半开状态时，控制第二电动阀门Kb到半开位置；当第一电动阀门Ka处于闭合状态时，控制第二电动阀门Kb到全开位置。

7.根据权利要求6所述的一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的方法，其特征在于，所述步骤S030中，控制第三电动阀门Kc开闭程度的方法包括：第二电动阀门Kb处于完全打开状态时，控制第三电动阀门Kc到完全闭合；当第二电动阀门Kb处于半开状态时，控制第三电动阀门Kc到半开位置；当第二电动阀门Kb处于闭合状态时，控制第三电动阀门Kc到全开位置。

8.根据权利要求7所述的一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的方法，其特征在于，所述步骤S030中，当第二电动阀门Kb完全闭合时，电锅炉不断电，处于保温运行状态。

9.根据权利要求5所述的一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的方法，其特征在于，所述步骤S030中，当第一温度传感器Ta监测温度达到150℃开启安全阀，待其监测温度低于140℃时再关闭安全阀K0。

10.根据权利要求4-9中任一项所述的一种太阳能集热与电锅炉联合制中温蒸汽的方法，其特征在于，其特征在于：T1为130℃，T2为120℃，T3为125℃。