CN116582029A - 一种模块化地热发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及地热发电技术领域，尤其涉及一种模块化地热发电系统。其包括：多组热伏发电模组、热水供应系统以及冷水供应系统；热伏发电模组包括至少两个换热器，换热器相邻间隔设置，相邻的两个换热器分别为：热换热器和冷换热器，该两个换热器之间设有多片用于热伏发电的热电模块，热水供应系统与热换热器连接，冷水供应系统与冷换热器连接。本发明通过设置相对设置的热换热器和冷换热器形槽热端和冷端，其之间设置热电模组，使得整体模块化，可以根据需求调整使用数量，方便维护和组装。

Description

一种模块化地热发电系统

技术领域

本发明涉及地热发电技术领域，尤其涉及一种模块化地热发电系统。

背景技术

现有的地热发电系统能量转化形式大部分为将热能转化为机械能，再转化为电能，过程中不可避免存在机械损耗、管线结垢等弊端，且系统整体较为复杂，亟待优化。

热电材料是一类能实现热电直接转化的功能材料，其内部载流子在温度差异作用下产生定向移动，材料两端形成稳定电势差。具体地，当在热电材料的两端施加不同的温度时，塞贝克效应会导致热电材料内部的电荷分布发生变化，产生稳定电势差，从而产生电流。热电材料的温差发电技术突破了热能—机械能—电能这一传统的能量转换路径，避免了机械做功的中间过程，实现了热电直接转换，具有运行简单、无机械能损耗、稳定可靠、绿色清洁等独特优势。

目前有研发团队设计了地热热伏发电机，验证了温差发电技术应用于中低温地热发电的可行性，但其设备的装机容量有限，其次采用了整体式设计导致设备体积庞大而不具备良好的可拓展性，且不方便后期运行维护，难以实现规模化的工程应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种模块化地热发电系统，该模块化地热发电系统具有较好的可拓展性，方便组装和维护。

一种模块化地热发电系统，其包括：多组热伏发电模组；

热水供应系统；

冷水供应系统；

热伏发电模组包括至少两个换热器，换热器相邻间隔设置，相邻的两个换热器分别为：热换热器和冷换热器，该两个换热器之间设有多片用于热伏发电的热电模块，热水供应系统与热换热器连接，冷水供应系统与冷换热器连接。

进一步地，其中至少两个热伏发电模组为一个发电小组，所述换热器包括一个散热壳体，散热壳体的两端分别设有入水接口和出水接口，所述热水供应系统、冷水供应系统分别设置于热伏发电模组的左右两侧，热水供应系统包括热水输入管以及热水输出管，冷水供应系统包括冷水输入管和冷水输出管；

发电小组中相邻的两个热伏发电模组之间通过管道将热换热器、冷换热器对应连接，将各个热伏发电模组的热换热器、冷换热器对应串联；发电小组中位于两侧的热伏发电模组为主热伏发电模组和副热伏发电模组，主热伏发电模组的热换热器入水接口通过管道与热水输入管连接，副热伏发电模组的热换热器出水接口通过管道与热水输出管连接；主热伏发电模组的冷换热器入水接口通过管道与冷水输入管连接，副热伏发电模组的冷换热器出水接口通过管道与冷水输出管连接。

进一步地，热伏发电模组包括2K+1个换热器，K为自然数；其中K个换热器为热换热器；K+1个换热器为冷换热器，热换热器设置于相邻的两个冷换热器之间；还包括用于固定换热器的固定结构，所述固定结构两个夹板，两个夹板通过连接件固定连接。

进一步地，所述散热壳体包括盖板和底壳，底壳包括底板，底板的中部设有多条间隔设置的凸肋，凸肋沿着换热器长度方向设置，将换热器内部空间分割成多条流水槽，所述入水接口、出水接口分别设置在散热壳体左侧的下端和右侧的上端。

优选地，底壳的左侧板、右侧板均呈倾斜设置；凸棱的左端面与左侧板的间距从上至下逐渐增加，凸棱的右端面与右侧板的间距从上至下逐渐减小。

进一步地，模块化地热发电系统还包括用于固定热伏发电模组的支架；所述支架包括底板，底板的中部设有支持板，支持板的两侧面分别连接有多块间隔设置的承重板，所述热伏发电模组固定于承重板。

进一步地，所述两个热伏发电模组为一个发电小组，所述热水输入管、热水输出管位于热伏发电模组一侧的前端和后端，冷水输入管、冷水输出管位于热伏发电模组另一侧的前端和后端，热水输入管的侧面连接有多根横向设置的热水输入支管，热水输入支管通过管道与热换热器的入水接口连接，热水输出管连接有多根横向设置的热水输出支管，热水输出支管通过管道与热换热器的出水接口连接；热水输入支管与热水输出支管交替设置；冷水输入管的侧面连接有多根横向设置的冷水输入支管，冷水输入支管通过管道与冷散冷器的入水接口连接，冷水输出管连接有多根横向设置的冷水输出支管，冷水输出支管通过管道与冷散冷器的出水接口连接；冷水输入支管与冷水输出支管交替设置。

进一步地，还包括箱体，热伏发电模组、冷水供应系统、热水供应系统以及支架均设置于箱体内，箱体的外侧设有与冷水供应系统、热水供应系统连接的接口。

进一步地，箱体的上端设有控制系统，控制系统用于监控冷水供应系统、热水供应系统以及热伏发电模组的工作状态。

本发明的有益效果：本发明通过设置相对设置的热换热器和冷换热器形槽热端和冷端，其之间设置热电模组，使得整体模块化，可以根据需求调整使用数量，方便维护和组装。

附图说明

图1为本实施例的一种结构示意图。

图2为图1除去箱体、控制系统的示意图。

图3为图2的另一视角示意图。

图4为热伏发电模组的示意图。

图5为图4的一种分解示意图。

图6为图3除去热伏发电模组的一种局部分解示意图。

图7为换热器的一种结构示意图。

图8为图7的一种剖视示意图。

图9为发电小组与热伏发电模组、热水供应系统配合的一种示意图。

图10为图1的一种分解示意图。

图11为一个发电小组示意图。

附图标记包括：

1——控制系统；2——箱体；3——热伏发电模组；4——冷水供应系统；5——热水供应系统；6——支架；

12——直流电子负载；13——可编程逻辑控制器；14——触控显示屏；

31——换热器；32——热电模块；33——散热壳体；34——散热片；36——夹板；37——连接件；311——入水接口；312——出水接口；331——凸肋；332——右侧板；333——流水槽；38——主热伏发电模组；39——副热伏发电模组；

41——冷水输出管；42——冷水输入支管；43——冷水输出支管；44——冷水输入管；

51——热水输入支管；52——热水输出支管；53——热水输出管；54——热水输入管。

实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的描述。如图1至图11所示。

实施例：参见图1至图5，一种模块化地热发电系统，其包括：多组热伏发电模组3；

热水供应系统5；

冷水供应系统4；

热伏发电模组3包括至少两个换热器31，换热器31相邻间隔设置，相邻的两个换热器31分别为：热换热器31和冷换热器31，该两个换热器31之间设有多片用于热伏发电的热电模块32，热水供应系统5与热换热器31连接，冷水供应系统4与冷换热器31连接。

本技术方案在实施时，通过将热伏发电模组3模块化，使得本技术方案能够根据需求设置相应数量的热伏发电模组3。在具体实施时，每组热伏发电模组的热电模块32均通过导线与发电电路连接，通过发电电路将产生的电能对外输出，发电电路为现有技术，且不是申请技术创新点所在，因此不再赘述。在实施时，热水供应系统5向热换热器31提供热水，冷水供应系统4向冷换热器31提供冷水，热电模块32的两侧形成热端和冷端，热端与冷端之间产生电势差并形成电能，且对外输出。通过模块化设计热电模块32，使得其应用具有较好的拓展性能，也方便组装和维护。优选地，热电模块的两侧均设有柔性的散热片34，并通过散热片34与换热器抵接。

进一步地，其中至少两个热伏发电模组3为一个发电小组，所述换热器31包括一个散热壳体33，散热壳体33的两端分别设有入水接口311和出水接口312，所述热水供应系统5、冷水供应系统4分别设置于热伏发电模组3的左右两侧，热水供应系统5包括热水输入管54以及热水输出管53，冷水供应系统4包括冷水输入管44和冷水输出管41；

发电小组中相邻的两个热伏发电模组3之间通过管道将热换热器31、冷换热器31对应连接，将各个热伏发电模组3的热换热器31、冷换热器31对应串联；参见图11；发电小组中位于两侧的热伏发电模组3为主热伏发电模组38和副热伏发电模组39，这里的两侧是指位于最外侧的两侧；当发电小组是上下分布时，位于最下侧和最上侧的两组热伏发电模组3为主热伏发电模组38和副热伏发电模组39；当发电小组是水平设置时，位于最边上的两组热伏发电模组3为主热伏发电模组38和副热伏发电模组39。

主热伏发电模组38的热换热器入水接口311通过管道与热水输入管54连接，副热伏发电模组39的热换热器出水接口312通过管道与热水输出管53连接；主热伏发电模组38的冷换热器入水接口311通过管道与冷水输入管44连接，副热伏发电模组39的冷换热器出水接口312通过管道与冷水输出管41连接。参见图2、图3、图11。

在实际应用中，一个热伏发电模组3直接与冷水供应系统4、热水供应系统5连接，由于水流的速度比较快，热交换的量比较小；导致热水、冷水的温度变化较小，热伏转换的效率偏低；如果水流降低流速，则冷换热器31、热换热器31的温差将变小，降低热伏转换的功率；如果延长换热器31，则导致整个装置的体积变大；为了很好的平衡上述问题，申请人开发了一种串联连接方式，将至少2个热伏发电模组3通过管道串联起来，管道可采用柔性的波纹管等。在本实施例中采用了2个热伏发电模组3串联，该2个热伏发电模组3呈上下设置，为方便理解，上方的热伏发电模组3为副热伏发电模组39，下方的热伏发电模组3为主热伏发电模组38。

主热伏发电模组38的热换热器 31右侧的入水接口311通过直线管道与热水输入管54连接，主热伏发电模组38的热换热器31左侧的出水接口312通过U型管道与副热伏发电模组39的热换热器31左侧的入水接口311连接；副热伏发电模组39的热换热器右侧的出水接口312通过直线管道与热水输出管连接，形成热水循环。

主热伏发电模组38的冷换热器31左侧的入水接口311通过直线管道与冷水输入管44连接，主热伏发电模组38的冷换热器31右侧的出水接口312通过U形管道与副热伏发电模组39的冷换热器31右侧的入水接口311连接；副热伏发电模组39的冷换热器31左侧的出水接口312通过直线管道与冷水输出管41连接，形成冷水循环。

为方便管道连接，相邻的热伏发电模组3串联时，其中一个热伏发电模组3的热换热器31出口与另一个热伏发电模组3的热换热器31入口位于同侧，并通过管道连接；其中一个热伏发电模组3的冷换热器31出口与另一个热伏发电模组3的冷换热器31出口位于同侧，并通过管道连接。

参见图9；当有2N+1个（如3个）热伏发电模组3串联时，冷水输入管44与冷水输出管41位于热伏发电模组3的两侧，热水输出管53、热水输入管54也位于热伏发电模组3的两侧，此时热水流经、冷水流经均呈S线路。

其次，在同一个热伏发电模块3中冷水流路和热水流路采用两条相反的路线，热水从左到右，冷水从右到左，或反之；使得热伏发电模组3两侧的冷换热器31、热换热器31之间相对的温差波动不大，热伏发电模组3中的热电模块32的工作状态基本保持一致，有利于电能的收集。

进一步地，热伏发电模组3包括2K+1个换热器31，K为自然数；其中K个换热器31为热换热器31；K+1个换热器31为冷换热器31，热换热器31设置于相邻的两个冷换热器31之间；还包括用于固定换热器31的固定结构，所述固定结构两个夹板36，两个夹板36通过连接件37固定连接。

在具体实施时，热伏发电模块设置于冷换热器31与热换热器31之间；如果最外侧的换热器31有热换热器31，则该热换热器31会与外界发生热交换，会损失一部分热量；为了能够将热量最大化利用，将冷换热器31设在两侧的最外侧，热换热器31设置在期间。K可以为1、2、3、4、5等。

参见图6、图7；进一步地，所述散热壳体33包括盖板和底壳，底壳包括底板，底板的中部设有多条间隔设置的凸肋331，凸肋331沿着换热器31长度方向设置，将换热器31内部空间分割成多条流水槽333，所述入水接口311、出水接口312分别设置在散热壳体33左侧的下端和右侧的上端。

优选地，底壳的左侧板、右侧板332均呈倾斜设置；凸棱的左端面与左侧板的间距从上至下逐渐增加，凸棱的右端面与右侧板332的间距从上至下逐渐减小。

为减小换热器31内部的扰流，在散热壳体33内设置凸肋331，并形成多条流水槽333；由于换热器31的宽度大于接口的宽度，从接口进入冷水或热水，如果将换热器31制作为规则的矩形，则在换热器31内部将形成不同流速层，导致换热器31表面的温度有温差，影响到热伏发电模块工作效率；之前本发明人也设计过类似的换热器31，通过将凸肋331的端部设计为不同的弧度，以调整平衡流水槽333的流速；但这给制作带来了难度；为方便制作，且能平衡各个流水槽333的流速，本技术方案将底板的左侧板、右侧板332设置为倾斜状，倾斜角度为15—30度之间；左侧板、右侧板设置为倾斜状后，换热器31左端部、右端部的水压得到调整，使得所有的流水槽333左端、右端的压差相等或大致相等，从而使得流水槽333水流速度大致相等，进而使得换热器31的温度在宽度方向上保持一致，在长度方向保持线性温差，冷换热器31和热换热器31之间在长度方向保持相等或大致的温差，使得热伏发电模块稳定工作。

其次，凸肋331还可以对换热器起到结构加固的效果，换热器在长度方向的温度是逐渐上升或下降的，换热器一般是由金属材质，其热胀冷缩的尺度不一，容易造成内部形成较大的内应力，导致盖板和底壳产生变形，影响与热电模块之间的热接触；增加凸肋331后，整体强度提高，可以减少变形或避免变形

参见图4，进一步地，模块化地热发电系统还包括用于固定热伏发电模组3的支架6；所述支架6包括底板，底板的中部设有支持板，支持板的两侧面分别连接有多块间隔设置的承重板，所述热伏发电模组3固定于承重板。

设置支架6，可方便将热伏发电模组3进行固定。

进一步地，所述两个热伏发电模组3为一个发电小组，所述热水输入管54、热水输出管位于热伏发电模组3一侧的前端和后端，冷水输入管44、冷水输出管41位于热伏发电模组3另一侧的前端和后端，热水输入管54的侧面连接有多根横向设置的热水输入支管51，热水输入支管51通过管道与热换热器31的入水接口311连接，热水输出管连接有多根横向设置的热水输出支管52，热水输出支管52通过管道与热换热器31的出水接口312连接；热水输入支管51与热水输出支管52交替设置；冷水输入管44的侧面连接有多根横向设置的冷水输入支管42，冷水输入支管42通过管道与冷散冷器的入水接口311连接，冷水输出管41连接有多根横向设置的冷水输出支管43，冷水输出支管43通过管道与冷散冷器的出水接口312连接；冷水输入支管42与冷水输出支管43交替设置。

将两个热伏发电模组3为一个发电小组，使得冷水输入管44、冷水输出管41位于同一侧，热水输入管54、热水输出管53位于同一侧；便于管理；其次通过交替设置冷水输入支管42、冷水输出支管43；交替设置热水输入支管51、热水输出管支管52使得空间得到合理利用。

参见图1，进一步地，还包括箱体2，热伏发电模组3、冷水供应系统4、热水供应系统5以及支架6均设置于箱体2内，箱体2的外侧设有与冷水供应系统4、热水供应系统5连接的接口。

为保护热伏发电模组3正常工作，以及冷水供应系统4、热水供应系统5不受外界干扰，本技术方案设置了箱体2，同时设置了接口与冷水供应系统4、热水供应系统5连接，以方便将热水、冷水引入以及流出。热水采用地热水，冷水可采用河水。

参见图1以及图10；进一步地，箱体2的上端设有控制系统1，控制系统1用于监控冷水供应系统4、热水供应系统5以及热伏发电模组3的工作状态。

优选地，监控系统包括：直流电子负载12、可编程逻辑控制器13和触控显示屏14。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种模块化地热发电系统，其特征在于：其包括：

多组热伏发电模组；

热水供应系统；

冷水供应系统；

热伏发电模组包括至少两个换热器，换热器相邻间隔设置，相邻的两个换热器分别为：热换热器和冷换热器，该两个换热器之间设有多片用于热伏发电的热电模块，热水供应系统与热换热器连接，冷水供应系统与冷换热器连接。

2.根据权利要求1所述的一种模块化地热发电系统，其特征在于：其中至少两个热伏发电模组为一个发电小组，所述换热器包括一个散热壳体，散热壳体的两端分别设有入水接口和出水接口，所述热水供应系统、冷水供应系统分别设置于热伏发电模组的左右两侧，热水供应系统包括热水输入管以及热水输出管，冷水供应系统包括冷水输入管和冷水输出管；

发电小组中相邻的两个热伏发电模组之间通过管道将热换热器、冷换热器对应连接，将各个热伏发电模组的热换热器、冷换热器对应串联；发电小组中位于两侧的热伏发电模组为主热伏发电模组和副热伏发电模组，主热伏发电模组的热换热器入水接口通过管道与热水输入管连接，副热伏发电模组的热换热器出水接口通过管道与热水输出管连接；主热伏发电模组的冷换热器入水接口通过管道与冷水输入管连接，副热伏发电模组的冷换热器出水接口通过管道与冷水输出管连接。

3.根据权利要求2所述的一种模块化地热发电系统，其特征在于：热伏发电模组包括2K+1个换热器，K为自然数；其中K个换热器为热换热器；K+1个换热器为冷换热器，热换热器设置于相邻的两个冷换热器之间；还包括用于固定换热器的固定结构，所述固定结构两个夹板，两个夹板通过连接件固定连接。

4.根据权利要求2所述的一种模块化地热发电系统，其特征在于：所述散热壳体包括盖板和底壳，底壳包括底板，底板的中部设有多条间隔设置的凸肋，凸肋沿着换热器长度方向设置，将换热器内部空间分割成多条流水槽，所述入水接口、出水接口分别设置在散热壳体左侧的下端和右侧的上端。

5.根据权利要求4所述的一种模块化地热发电系统，其特征在于：底壳的左侧板、右侧板均呈倾斜设置；凸棱的左端面与左侧板的间距从上至下逐渐增加，凸棱的右端面与右侧板的间距从上至下逐渐减小。

6.根据权利要求1所述的一种模块化地热发电系统，其特征在于：所述模块化地热发电系统还包括用于固定热伏发电模组的支架；所述支架包括底板，底板的中部设有支持板，支持板的两侧面分别连接有多块间隔设置的承重板，所述热伏发电模组固定于承重板。

7.根据权利要求2所述的一种模块化地热发电系统，其特征在于：所述两个热伏发电模组为一个发电小组，所述热水输入管、热水输出管位于热伏发电模组一侧的前端和后端，冷水输入管、冷水输出管位于热伏发电模组另一侧的前端和后端，热水输入管的侧面连接有多根横向设置的热水输入支管，热水输入支管通过管道与热换热器的入水接口连接，热水输出管连接有多根横向设置的热水输出支管，热水输出支管通过管道与热换热器的出水接口连接；热水输入支管与热水输出支管交替设置；冷水输入管的侧面连接有多根横向设置的冷水输入支管，冷水输入支管通过管道与冷散冷器的入水接口连接，冷水输出管连接有多根横向设置的冷水输出支管，冷水输出支管通过管道与冷散冷器的出水接口连接；冷水输入支管与冷水输出支管交替设置。

8.根据权利要求1所述的一种模块化地热发电系统，其特征在于：还包括箱体，热伏发电模组、冷水供应系统、热水供应系统以及支架均设置于箱体内，箱体的外侧设有与冷水供应系统、热水供应系统连接的接口。

9.根据权利要求8所述的一种模块化地热发电系统，其特征在于：箱体的上端设有控制系统，控制系统用于监控冷水供应系统、热水供应系统以及热伏发电模组的工作状态。