CN112576324A - 超低温发电方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超低温发电方法及系统，该方法包括设置电源，为PTCR‑xtm智能热源主机提供启动电源；通过PTCR‑xtm智能热源主机为微型汽轮机或TSL‑涡轮机提供超低温热功动能，通过微型汽轮机或TSL‑涡轮机和发电机产生电能，并驱动负载并网；设置储备电源，为PTCR‑xtm智能热源主机提供二次启动电源，使得所述储备电源启动后，所述储备电源与PTCR‑xtm智能热源主机所需电源形成封闭反馈，所述超低温发电系统进入闭环工作状态，其中，PTCR‑xtm智能热源主机由n个智能PTCR‑xtm智能集热器模块组合而成，n为自然数，根据包括系统热负荷、总功率及发电机容量在内的设计参数确定，PTCR‑xtm智能热源主机适于根据设计发电机容量组合使用。本系统可以应用于集中式、分布式、移动式发电系统、热管理系统中，零污染、无排放、高效节能、安全可靠、性价比高、体积小巧、成本低廉、智能操控。

Description

超低温发电方法及系统
技术领域
本发明涉及集中式、分布式、移动式太阳能光热发电领域，尤其是超低温分布式、移动式发电方法及其系统。
背景技术
发电方式有火电、水电、风电、光伏发电、太阳能热发电，等，近年来，火电、水电、风电和光伏都得以广泛应用，而太阳能热发电聚光取热装置由于体积庞大、运行温度高，发展缓慢。
太阳能热发电聚热方式有槽式、蝶式、塔式、菲涅尔镜式四种光热发电技术。分布蝶式聚光取热系统，即，微型发电系统，其核心技术是指微汽轮机和微型特斯拉涡轮机。汽轮机越小效率越低，微型汽轮机则无效率可言，效率越低则能耗越高，污染越大。目前世界上拥有高效微型汽轮机技术的仅有美国和以色列等少数几个发达国家。中国科学院成功研制出高效超能超低温商用级特斯拉涡轮发电机。该机又被称为无叶片涡轮机，其原理是流体边界层效应。其优势体积小、启动快、效率高可在介质温度55至150摄氏度范围内平稳工作。弥补了国内高效小型汽轮机市场空白。
然而，驱动商用级特斯拉涡轮发电机的动力却是分布蝶式聚光取热装置，该装置为高温聚光取热。运行温度在1000℃以上，体积庞大，光污染严重。聚光取热装置很难小型化。运行温度高达上千度，成本高、体积庞大、光污染严重。
太阳能热发电，分布式供电，移动式发电、野外作业、边防哨卡、战车舰船、水陆交通运输、5G铁塔供电、矿山动力等特别需要在低温低压下就能够驱动的微型汽轮机、特斯拉涡轮发电系统。
太阳能光热发电的聚光取热装置受原理限制无法小型化，受气候条件限制难以克服先天缺陷，无法满足集中式、分布式、移动式发电装置24小时不间断发电要求，适用范围受限。即使增加储能装置(该装置是压力容器)，也难以满足长期安全运行要求。尤其是无法满足分布式、移动式，微型发电装置巨大的市场需求。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种超低温分布式、移动式发电系统的超低温热源发电方法及其系统。
本发明的具体内容为：
本发明一种超低温发电方法，其特征在于，设置电源，为PTCR-xtm智能热源主机提供启动电源；
通过所述PTCR-xtm智能热源主机为热能动力装置提供超低温热功动能；所述热能动力装置包括微型汽轮机或TSL-涡轮机；
通过所述微型汽轮机或TSL-涡轮机和发电机产生电能，并驱动负载并网；
设置储备电源，为PTCR-xtm智能热源主机提供二次启动电源，使得所述储备电源启动后，所述储备电源与PTCR-xtm智能热源主机所需电源形成封闭反馈，所述超低温发电系统进入闭环工作状态。
其中，所述PTCR-xtm智能热源主机由n个PTCR-xtm智能集热器模块组合而成，n为自然数，根据包括系统热负荷、总功率及发电机容量在内的设计参数确定。
所述PTCR-xtm智能集热器模块，包括：PTCR-xtm电热芯片热源主机、数据控制模板、恒温恒压器以及变频水泵；所述变频水泵及所述PTCR-xtm电热芯片热源主机连接所述数据控制模板；所述PTCR-xtm电热芯片热源主机的出口端连接所述恒温恒压器；所述恒温恒压器的出口通过变频水泵连接PTCR-xtm电热芯片热源主机。
所述储备电源包括高能电容器和蓄电池。
所述微型汽轮机或TSL-涡轮机的介质温度为55至150摄氏度。
所述超低温发电系统功率范围在1千瓦至万千瓦级，并且能够在超高压(30MP)和超低压(0.1MP)条件下稳定运行。
本发明还提供一种超低温发电系统，其特征在于，包括电源、PTCR-xtm智能热源主机、热能动力装置、发电机、储备电源和负载并网，其中，所述PTCR-xtm智能热源主机由n个PTCR-xtm智能集热器模块组合而成，n为自然数，根据包括系统热负荷、总功率及发电机容量在内的设计参数确定，所述PTCR-xtm智能热源主机根据设计发电机容量组合使用；所述微型汽轮机或TSL-涡轮机由所述PTCR-xtm智能热源主机提供超低温热功动能。
所述PTCR-xtm智能集热器模块，包括：PTCR-xtm电热芯片热源主机、数据控制模板、恒温恒压器以及变频水泵；所述变频水泵及所述PTCR-xtm电热芯片热源主机连接所述数据控制模板；所述PTCR-xtm电热芯片热源主机的出口端连接所述恒温恒压器；所述恒温恒压器的出口通过变频水泵连接PTCR-xtm电热芯片热源主机。
所述热能动力装置包括微型汽轮机或TSL-涡轮机。
所述PTCR-xtm智能热源主机提供热功动能；所述储备电源启动后，所述储备电源与PTCR-xtm智能热源主机所需电源形成封闭反馈，所述超低温发电系统进入闭环工作状态。
所述超低温发电系统还包括储备电源，包括高能电容器和蓄电池。
所述微型汽轮机及TSL-涡轮机的介质温度为55至150摄氏度。
所述超低温发电系统功率范围在1千瓦至万千瓦级，并且能够在超高压(30MP)和超低压(0.1MP)条件下稳定运行。
本发明所提供的超低温热源发电系统，体积小巧、安全可靠、操控智能、温控精度高，应用范围广泛，可以应用于集中式、分布式、移动式发电系统、热管理系统中，不受气候条件限制，能全天候高效提供汽轮机、微型汽轮机及TSL涡轮机发电系统所需所有热功动能。同时，该超低温热源发电系统电成本远低于光伏发电成本和太阳能热发电成本，成本低廉、性价比高。并且，该超低温热源发电系统零污染、无排放、高效节能是一种安全、高效、廉价的清洁能源，填补国内空白，对全行业的分布式、移动式发电意义重大。
附图说明
图1为本发明提供的超低温热源发电系统框图；
图2为本发明中PTCR-xtm智能集热器模块运行结构示意图；
图3为本发明中智能PTCR-xtm电热芯片热源结构图。
【附图标记说明】
1 PTCR-xtm电热芯片热源模块主机 14 用户供暖管
2 数据控制模板(柜) 15 回水管
3 管道 18-2 进水管
4 调节阀 19-2 出水管
5 截止阀 1-1 上盖板
6 恒温恒压器 1-2 PTCR－xtm电热芯片热源模块
7 逆止阀 1-21 PTCR-xtm电热芯片热源基板
8 膨胀水箱 1-22 稀土膜电路
9 变频水泵 1-3 进水端盖
10 截止阀 1-4 出水端盖
11 红外传感器 1-5 进出水通道
12 用户散热器 1-6 绝缘导热膜
13 集气罐 1-7 密封件
具体实施方式
为了更好的解释本发明，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
附图1为本发明实施例提供的超低温热源发电系统框图。所述超低温热源发电系统包括：电源、PTCR-xtm智能热源主机、微型汽轮机或TSL-涡轮机、发电机、储备电源和负载并网。
其中，电源，其输出端连接PTCR-xtm智能热源主机，为PTCR-xtm智能热源主机提供启动电源。
PTCR-xtm智能热源主机是以稀土膜集成电路为热源的大容量、多功能供水供暖供热(气)的智能集热器系统。稀土膜集成电路与稀土厚膜集成电路区别仅在于不限制成膜厚度及基板厚度，根据应用场景和需求进行灵活设计。其作为热源的工作原理为：液体介质流经热源模块即被加热至设定温度，开机即热，无需等待。业界俗称新型“无胆电锅炉”智能供水供热(气)系统。智能热源主机为RS-型时，热水水温可在100摄氏\度内调控，智能热源主机的通用结构中BHZQ-型饱和蒸汽温度可在150摄氏/度内调控。智能热源主机的专用结构饱和蒸汽温度可在150℃-250℃范围内调控。智能热源主机为GRQT-型时，过热气体温度可达350℃。智能热源主机在新型能源如太阳能、风能、高能蓄电池及电网系统，高低压、交直流电源均可使用。
本申请提供的PTCR-xtm智能热源主机由n个智能PTCR-xtm智能集热器模块组合而成，n为自然数，根据系统热负荷、总功率及发电机容量等设计参数确定，PTCR-xtm智能热源主机根据设计发电机容量可任意组合使用。
本申请实施例提供的超低温热源发电系统中的TSL-涡轮机又被称为无叶片涡轮机，可利用流体边界层效益进行发电，其在介质温度55至150摄氏度范围内平稳工作，在本申请提供的超低温热源发电系统中，由所述PTCR-xtm智能热源主机提供超低温热功动能。
本申请提供的超低温热源发电系统中发电机提供电能输出，发电机输入端连接微型汽轮机或TSL-涡轮机输出端，发电机的输出端连接负载并网储备电源，发电机可以是发电机组，其容量可以根据需要设计，例如，发电机组为5千瓦、20千瓦、100千瓦、600千瓦超能超低温发电机组。
本申请提供的超低温热源发电系统中，发电机连接负载并网，为后续负载并网提供电能。
本申请提供的超低温热源发电系统还包括储备电源，用于储存所述发电机产生的部分电能，其输入端连接发电机，输出端连接PTCR-xtm智能热源主机，向PTCR-xtm智能热源主机提供二次启动所需的电能。该储备电源包括高能电容器和蓄电池。
在本申请提供的超低温热源发电系统首次启动时，电源向PTCR-xtm智能热源主机提供首次启动所需能源，PTCR-xtm智能热源主机工作并向微型汽轮机或TSL-涡轮机提供所需的热功动能，微型汽轮机或TSL-涡轮机驱动发电机发电，为负载并网提供电能，并将部分电能存储在储备电源中，所述储备电源与PTCR-xtm智能热源主机所需电源形成封闭反馈，所述超低温发电系统进入闭环工作状态。
附图2为PTCR-xtm智能集热器模块运行结构示意图，其中，包括PTCR-xtm电热芯片热源模块主机1、数据控制模板(柜)2、管道3、调节阀4、截止阀5、恒温恒压器6、逆止阀7、膨胀水箱8、变频水泵9、截止阀10、红外传感器11、用户散热器12、集气罐13、用户供暖管14、回水管15、进水管18-2、出水管19-2。
PTCR-xtm电热芯片热源主机1的出口端连接所述恒温恒压器6，恒温恒压器6的出口通过变频水泵9连接PTCR-xtm电热芯片热源主机1。具体结构为PTCR-xtm电热芯片热源主机的出口端有两分支，一分支经节流阀4、截止阀5联通用户供暖管14，该供暖管联通用户散热器12；该用户供暖管联通高于换热器的集气罐13，该换热器经回水管15、截止阀7、变频水泵9联通热源主机；另一分支经节流阀4、截止阀5联通恒温恒压器的进口管18-2，该恒温恒压器的出口管19-2经逆止阀7联通变频水泵前方的回水管15，该回水管以三通管连接一膨胀水管8，该膨胀水管的水位高于换热器。所述PTCR-xtm电热芯片热源主机1的电源端子(插座)经插头链接数据控制模板2，该数据控制模板2连接设置在安装有用户散热器12的房间内的温度传感器。
附图3为智能PTCR-xtm电热芯片热源结构图，包括上盖板1-1、若干块PTCR－xtm电热芯片热源模块1-2、进水端盖1-3、出水端盖1-4，上盖板1-1覆盖在若干块电热芯片热源模块1-2的上方，进水端盖1-3、出水端盖1-4分设于若干块电热芯片热源模块的端侧，并在进水端盖、出水端盖和电热芯片热源模块内设置进出水通道1-5。若干块PTCR－xtm电热芯片热源模块自上而下依次叠加设置，上盖板其下方的电热芯片热源模块，以及相邻的上、下两电热芯片热源模块之间设置有绝缘导热膜1-6。进水端盖、出水端盖和PTCR－xtm电热芯片热源模块的连接位置设置有密封件1-7加以密封。进水端盖、出水端盖为金属基板或非金属基板，金属基板材料为稀土铝合金、不锈钢、钛合金或是铜材，复合材料是铝铜、铝钢、钛铜、铝钛中的一种；非金属基板材料是功能陶瓷、微晶玻璃、石英玻璃、硅树脂中的一种。PTCR－xtm电热芯片热源模块1-2包括PTCR-xtm电热芯片热源基板1-21及其上设置的稀土膜电路1-22，稀土膜电路以膜电路的形式和膜电阻电路垂直叠加或横向分布，集成若干层于一个平面或多个曲面内，平面部分的稀土膜电路，经丝网印刷、烧结制备而成；曲面上的稀土厚膜稀土膜电路，经流延、贴膜/HIP工艺制备而成。
附图2、附图3中电路的工作原理和电热芯片热源模块结构已经在发明名称为“模块化组合式智能集热器系统”的中国专利申请ZL201510160294.9详细说明，此处不再赘述。
参考附图1-3，本申请提供具体实施方式如下：
本实施例提供的一种2MW超低温热源发电系统，包括一PTCR-xtm电热芯片模块化组合式智能集热器系统，一微型汽轮机(或TSL-涡轮机)发电机，其提供介质温度：55-150℃，该发电系统为5G铁塔供电,并分配供若干个铁塔使用。
其中，PTCR-xtm智能集热器模块，配置方式如下：
额定输入功率：90kW
热源模块数：3
模块功率:30kW
控制级数：3级
每级发热量：3(级)×30(kW)
额定压力：0MPa
外形尺寸:1470mm×936mm×980mm
提供80℃介质温度。
超低温热源发电系统，配置方式如下:
超低温发电机组，发电功率2MW。系统采用导热介质为传热介质，配置低温发电机组。系统按24小时不间断发电配置。
进口温度26℃，出口温度80℃。1.6吨/h热介质，经48小时模拟验证，完全达到了设计要求。现将24小时数据汇总如下：
2020年11月13日，每两小时总结一次记录平均值
Figure BDA0002814597030000081
2020年11月14日，每两小时总结一次记录平均值
Figure BDA0002814597030000082
Figure BDA0002814597030000091
实施例注释：
以上所述仅为本发明的模拟实施例，不能以此来限定本发明之权利范围。多温区、多温度、多功能或依本发明专利范围所作的等同变化不同形态应用范围(含地区范围)，模块组合数量、组合形式，行业领域、供电、供暖、供热水、供气(饱和、过热气体)。分布式、移动式布局，军工应用均属本发明所涵盖的范围。
本申请提供的超低温发电方法及系统，具有以下优点：
1.高能电容器和蓄电池组成的储备电源，作为新型超低温热源发电系统主电源，形成全封闭运行模式。网电、光伏及风电等新能源电力首次启动时使用，也可作为主电源。
2.PTCR-xtm智能热源主机进行模块化标准化设计，实现通用性，可互换性。一机多用，既能用于发电也能用于暖通。既能用于分布式发电也能用于移动式发电。
3.采用软硬件双套管理模式，实现整体式高保险设计。储备能源管理系统与EMS通讯。通信协议Rs485接口：Modbus-Rt。
4.PTCR-xtm智能热源主机可产生饱和汽体、过热汽体等汽液两相介质。其功率范围小至1千瓦，大至万千瓦级，可在超高压(30MP)和超低压(0.1MP)条件下稳定运行。
本发明所提供的超低温热源发电系统，体积小巧、安全可靠、操控智能、温控精度高，应用范围广泛，可以用作集中式、分布式、移动式发电系统、热管理系统，不受气候条件限制，PTCR-xtm智能热源主机能全天候高效提供汽轮机、微型汽轮机及TSL-涡轮机发电系统所需所有热功动能。同时，该超低温热源发电系统电成本远低于光伏发电成本和太阳能热发电成本，成本低廉、性价比高。并且，该超低温热源发电系统零污染、无排放、高效节能是一种安全、高效、廉价的清洁能源，填补国内空白，对全行业的分布式、移动式发电意义重大。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“一”、“一个”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“一”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (14)

1.一种超低温发电方法，其特征在于，设置电源，为PTCR-xtm智能热源主机提供启动电源；
通过所述PTCR-xtm智能热源主机为热能动力装置提供超低温热功动能；
通过所述热能动力装置和发电机产生电能，并驱动负载并网；
设置储备电源，为PTCR-xtm智能热源主机提供二次启动电源，使得所述储备电源启动后，所述储备电源与PTCR-xtm智能热源主机所需电源形成封闭反馈，所述超低温发电系统进入闭环工作状态。
2.如权利要求1所述的超低温发电方法，其特征在于，所述热能动力装置包括微型汽轮机或TSL-涡轮机。
3.如权利要求1所述的超低温发电方法，其特征在于，所述PTCR-xtm智能热源主机由n个PTCR-xtm智能集热器模块组合而成，n为自然数，根据包括系统热负荷、总功率及发电机容量在内的设计参数确定。
4.如权利要求3所述的超低温发电方法，其特征在于，所述PTCR-xtm智能集热器模块，包括：PTCR-xtm电热芯片热源主机、数据控制模板、恒温恒压器以及变频水泵；所述变频水泵及所述PTCR-xtm电热芯片热源主机连接所述数据控制模板；所述PTCR-xtm电热芯片热源主机的出口端连接所述恒温恒压器；所述恒温恒压器的出口通过变频水泵连接PTCR-xtm电热芯片热源主机。
5.如权利要求1所述的超低温发电方法，所述储备电源包括高能电容器和蓄电池。
6.如权利要求1-5任一项权利要求所述的超低温发电方法，其中，所述热能动力装置的介质温度为55至150摄氏度，所述介质由所述PTCR-xtm智能热源主机提供。
7.如权利要求1-5任一项权利要求所述的超低温发电方法，其中，所述超低温发电系统功率范围在1千瓦至万千瓦级，并且能够在超高压和超低压条件下稳定运行。
8.一种超低温发电系统，其特征在于，包括电源、PTCR-xtm智能热源主机、热能动力装置、发电机、储备电源和负载并网，其中，所述PTCR-xtm智能热源主机由n个PTCR-xtm智能集热器模块组合而成，n为自然数，根据包括系统热负荷、总功率及发电机容量在内的设计参数确定，所述PTCR-xtm智能热源主机适于根据设计发电机容量组合使用；所述热能动力装置由所述PTCR-xtm智能热源主机提供超低温热功动能。
9.如权利要求8所述的超低温发电系统，其特征在于，所述热能动力装置包括微型汽轮机或TSL-涡轮机。
10.如权利要求8所述的超低温发电系统，其中，所述PTCR-xtm智能集热器模块，包括：PTCR-xtm电热芯片热源主机、数据控制模板、恒温恒压器以及变频水泵；所述变频水泵及所述PTCR-xtm电热芯片热源主机连接所述数据控制模板；所述PTCR-xtm电热芯片热源主机的出口端连接所述恒温恒压器；所述恒温恒压器的出口通过变频水泵连接PTCR-xtm电热芯片热源主机。
11.如权利要求8所述的超低温发电系统，其中所述PTCR-xtm智能热源主机提供热功动能；所述储备电源启动后，所述储备电源与PTCR-xtm智能热源主机所需电源形成封闭反馈，所述超低温发电系统进入闭环工作状态。
12.如权利要求8所述的超低温发电系统，所述储备电源包括高能电容器和蓄电池。
13.如权利要求8-12任一项权利要求所述的超低温发电系统，其中，所述热能动力装置的介质温度为55至150摄氏度。
14.如权利要求8-12任一项权利要求所述的超低温发电系统，其中，所述超低温发电系统功率范围在1千瓦至万千瓦级，并且能够在超高压和超低压条件下稳定运行。
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