CN202483651U - 一种热泵发电系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种热泵发电系统，旨在提供一种能够利用热泵运行过程中产生的热能进行发电，并可以将所发电能用于供热泵运行的发电系统。包括由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器组成的热泵，在热泵的制热端安装有热电转换装置，热电转换装置的电能输出端一路为负载供电，另一路为热泵的压缩机供电。所述热电转换装置为由多个热电偶连接而成的热电堆，蒸发器和冷凝器的外形为扁平状，蒸发器一端与压缩机进口连接，另一端通过节流阀与冷凝器连接，冷凝器另一端与压缩机出口连接，热电堆安装在蒸发器与冷凝器之间并与蒸发器和冷凝器紧密接触。该发电系统利用热泵制热端释放出的热能进行发电，不消耗任何燃料，无污染，有利于保护环境。

Description

一种热泵发电系统
技术领域
本实用新型涉及一种热泵发电系统。
背景技术
随着能源的日益紧张，环保节能的发电方式正在成为发展的方向。除了传统的火力发电、水力发电方式以外，风能发电、光伏发电等正在成为广泛推广的发电方式。但是，光伏发电由于受到昼夜阴晴等外部因素的影响，发电量不稳定，为了稳定供电需要增加其他辅助设备来存储电能，设备投资大。而且，用蓄电池储能，会有后期污染。风能发电需要将发电设备安装在风能充足的地方，需要通过专门的电网送到用户，投资大，难以收回投资。
目前，随着热泵用户的增多，热泵运行消耗了大量的电能。而且，热泵运行过程中产生的大量热能直接排放到空气中，一方面造成环境温度的升高，另一方面，造成大量热能的浪费。
实用新型内容
本实用新型是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种能够利用热泵运行过程中产生的热能进行发电，并可以将所发电能用于供热泵运行的发电系统。
本实用新型通过下述技术方案实现：
一种热泵发电系统，包括由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器组成的热泵，其特征在于，在热泵的制热端安装有热电转换装置，所述热电转换装置的电能输出端一路为负载供电，另一路为热泵的压缩机供电。
所述热电转换装置为由多个热电偶连接而成的热电堆，所述蒸发器和冷凝器的外形为扁平状，蒸发器一端与压缩机进口连接，另一端通过节流阀与冷凝器连接，冷凝器另一端与压缩机出口连接，所述热电堆安装在蒸发器与冷凝器之间并与蒸发器和冷凝器紧密接触。
所述冷凝器和蒸发器上分别安装有换热翅；启动灯上部安装有热启动导热管，所述热启动导热管与热反馈导热管连接，所述热反馈导热管一端与冷凝器上的换热翅连接，所述热反馈导热管的另一端与压缩机入口紧密接触，所述蒸发器外侧安装有憎湿保温层，所述蒸发器的换热翅上安装有热风通道，所述热风通道上安装有单向活门，所述单向活门外部安装有送风风扇，所述冷凝器、憎湿保温层、热反馈导热管的外部安装有绝热保温层。
所述冷凝器的表面设置有黑色涂层，所述冷凝器上安装有平-凸透镜聚焦升温器，所述平-凸透镜聚焦升温器焦斑汇聚在高温气密室底面上，所述高温气密室四侧面安装有保温层，所述热电堆一面与所述高温气密室的顶面紧密接触，所述热电堆的另一面与所述蒸发器紧密接触。
所述冷凝器为曲面状，所述冷凝器的表面设置有黑色涂层，所述冷凝器的焦斑汇聚到高温气密室底面上，所述热电堆一面与所述高温气密室的顶面紧密接触，所述热电堆的另一面与所述蒸发器紧密接触，所述高温气密室四侧面安装有保温层。
所述冷凝器系由外环腔管和集热芯管组成中空环腔管，外环腔管内是长管型凹面反射镜，无限多焦斑组成的焦线落在集热芯管上；所述外环腔管的内壁光滑且设置有黑色涂层，所述集热芯管外壁与外环腔管内壁之间环腔抽真空；所述集热芯管的外表面设置有黑色涂层，所述集热芯管一端通过连接管与高温气密室上端进口连接，所述集热芯管另一端通过保温管与所述高温气密室下端出口连接，将热量传递到高温气密室内；所述热电堆与所述高温气密室顶面紧密接触，所述中空环腔管外壁外部和高温气密室其余五面外部分别设置有绝热层。
所述热电转换装置包括水蒸汽锅炉、汽轮机、发电机、注水泵和冷凝换热器，所述热泵中冷凝器的热量传递给水蒸汽锅炉内的工质水；所述水蒸汽锅炉的高温高压蒸汽出口通过管道与汽轮机的蒸汽进口连接；所述汽轮机的输出轴与发电机的动力输入轴连接；所述汽轮机的排气口与冷凝换热器的进口连接；所述冷凝器的出口与注水泵的入口连接；所述注水泵的出口与水蒸汽锅炉的补水口连接；所述发电机的电力输出端一路与外接负载连接，另一路分别与注水泵和热泵的电源输入端连接。
所述冷凝器的表面设置有黑色涂层，所述冷凝器上安装有多个平-凸透镜聚焦升温器，每个平-凸透镜聚焦升温器的焦斑汇聚在水蒸汽锅炉中的换热管上加热换热管中的工质水。
所述冷凝器为曲面状，所述冷凝器的表面设置有黑色涂层，所述冷凝器的焦斑汇聚到在水蒸汽锅炉中的换热管上加热换热管中的工质水。
所述冷凝器系由外环腔管和集热芯管组成中空环腔管，外环腔管内是长管型凹面反射镜，无限多焦斑组成的焦线落在集热芯管上；所述外环腔管的内壁光滑且设置有黑色涂层，所述集热芯管外壁与外环腔管内壁之间环腔抽真空；所述集热芯管的外表面设置有黑色涂层，所述集热芯管一端通过连接管与高温气密室上端进口连接，所述集热芯管另一端通过保温管与所述高温气密室下端出口连接，所述中空环腔管外壁外部和高温气密室外部分别设置有绝热层，所述集热芯管将热量传递到水蒸气锅炉内的工质水。
本实用新型具有下述技术效果：
1、本实用新型的发电系统利用热泵制热端释放出的热能进行发电，不消耗任何燃料，无污染，有利于保护环境。
2、本实用新型发电系统产生的电能在可以为热泵供电的同时，还可以为各种负载供电，可以在居民区、学校、商厦、矿山等独立环境组网供电，节约了国家电网远距离供电的费用，使用方便。
3、本实用新型的发电系统不受外界自然环境因素的影响，发电更稳定。
附图说明
图1为本实用新型热泵发电系统的示意图；
图2为利用热电偶发电的示意图；
图3为利用平-凸透镜聚焦升温的热电偶发电的示意图；
图4为利用凹面反射聚焦升温的热电偶发电的示意图；
图5为利用复合管升温的热电偶发电的示意图；
图6为图5的A-A剖视图；
图7为利用汽轮发电的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。
本实用新型的热泵发电系统的示意图如图1所述，包括由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器组成的热泵1，在热泵1的制热端安装有热电转换装置2。
所述热电转换装置的电能输出端一路为负载供电，另一路为热泵的压缩机供电。对点电压要求不高的场合，无须稳压电路，由热电转换装置直接供电。对电压要求稳定的直流负载，需要使用直流稳压器进行稳压。对于交流负载，需要使用逆变器。
C端为制冷端，温度TL(K)运行中，热泵从空气中吸收热能EC；
H端为制热端，温度TH(K)，运行中热泵向外放出热能EH；
D端为激励端，输入电能ED，驱动压缩机令热泵运行；
热电转换装置将热泵H的热能转换成电能，一部分反馈给D端供热泵继续运行，多余的电能向外负载供电。
以热泵实验为基础，热泵制热系数WH＝EH/ED＝4-20，热电转换装置的热-电效率ηH-E≈0.1-0.4，调整系统参数使WH＝20，当ηH-E＝0.1时，则系统总增益为Gmin＝WH×ηH-E＝20×0.1＝2，即若发电200KW，反馈100KW至D端运行，另100KW向外负载供电；当ηH-E＝0.4时，则系统总增益为Gmax＝WH×ηH-E＝20×0.4＝8，即若发电800KW，反馈至D端100KW，则有700KW向外负载供电。
热电转换装置可以采用热电偶发电或汽轮发电。
图2为利用热电偶发电的示意图，所述热电转换装置为由多个热电偶(即泽贝克效应器件)连接而成的热电堆8，所述蒸发器9和冷凝器7的外形为扁平状，蒸发器9一端与压缩机6进口连接，另一端通过节流阀12与冷凝器7连接，冷凝器7另一端与压缩机6出口连接，所述热电堆8安装在蒸发器9与冷凝器7之间并与蒸发器和冷凝器紧密接触，使热量得到充分利用。
所述冷凝器7上安装有换热翅13，蒸发器9上安装有换热翅5。启动灯16上部安装有热启动导热管15，热启动导热管15与热反馈导热管14连接，所述热反馈导热管14一端与冷凝器上的换热翅13连接，热反馈导热管的另一端与压缩机入口紧密接触实现热反馈导热管与压缩机入口的热耦合，可以采用盘绕形式，也可以是扁管平面紧贴。
所述蒸发器9外侧安装有憎湿保温层10，所述蒸发器9的换热翅5上安装有热风通道，所述热风通道上安装有单向活门4，所述单向活门4外部安装有送风风扇3，所述冷凝器、憎湿保温层、热反馈导热管的外部分别安装有绝热保温层11。
工程中，热泵的制热系数可确保WH＝20，热电堆的效率ηH-E≈0.1，因此，图2所示系统的总增益G＝20×0.1＝2。
压缩机的启动可以采用蓄电池为压缩机供电的启动方式，也可以采用启动灯热能启动的方式。当采用启动灯热能启动方式时，点燃启动灯，启动灯火焰的温度为600℃左右，热启动导热管15吸收启动灯16加热产生的热量，并通过热反馈导热管14的一部分将热量传到冷凝器的换热翅13，使冷凝器外壳的温度升高超过60℃，冷凝器外壳与蒸发器外壳之间存在温度差，热电堆8利用两者之间的温度差发电，给压缩机提供电能。热启动后压缩机正常工作，启动灯熄灭。热反馈导热管14一端从冷凝器吸收热量传到压缩机入口处加热入口处气体工质，以提高热泵制热比。
当环境温度高于蒸发器出口气体工质的温度时，打开单向活门4，启动送风风扇3，将热风送入热风风道内，蒸发器上的换热翅5吸收热风的热量，提高进入压缩机入口处气体工质的温度。当环境温度较低时，送风风扇停止，关闭单向活门。
热泵正常工作时，蒸发器与冷凝器之间产生温差，热电堆利用冷凝器与蒸发器之间的温差发电。
为了提高冷凝器处的温度，可以采用三种方式进行升温。
图3为利用平-凸透镜聚焦升温的热电偶发电的示意图，所述冷凝器7-1的表面设置有黑色涂层，所述冷凝器7-1上安装有平-凸透镜聚焦升温器17，所述平-凸透镜聚焦升温器17焦斑汇聚在高温气密室18底面上，所述热电堆8一面与高温气密室18的顶面紧密接触，热电堆8的另一面与所述蒸发器紧密接触，所述高温气密室四侧面安装有保温层。利用聚焦作用使高温气密室内的气体温度升高后提高热电堆高温一侧的温度。
图4为利用凹面反射聚焦升温的热电偶发电的示意图，所述冷凝器7-2为曲面状，所述冷凝器的表面设置有黑色涂层，所述冷凝器7-2的焦斑汇聚到高温气密室18底面上，所述热电堆8一面与高温气密室18的顶面紧密接触，热电堆8的另一面与所述蒸发器紧密接触，所述高温气密室四侧面安装有保温层。利用聚焦作用使高温气密室内的气体温度升高后提高热电堆高温一侧的温度。
图5和图6为利用复合管升温的热电偶发电的示意图，所述冷凝器系由外环腔管22和集热芯管19组成中空环腔管，系长同心管型凹面聚焦升温吸热组合：外环腔管内即是长管型凹面反射镜，无限多焦斑组成的焦线恰好落在集热芯管上，因之而升温。
所述冷凝器由中空环腔管22和集热芯管19组成，所述外环腔管的内壁20光滑且设置有黑色涂层，所述集热芯管19外壁与外环腔管22内壁之间环腔抽真空。所述集热芯管19的外表面设置有黑色涂层，所述集热芯管19一端通过连接管与高温气密室18上端进口连接，所述集热芯管19另一端通过保温管与所述高温气密室18下端出口连接，将热量传递到高温气密室内，所述热电堆8与高温气密室18顶面紧密接触，所述中空环腔管外壁21外部和高温气密室其余五面外部分别设置有绝热层。集热芯管19吸收热量后加热管内的空气，热空气从高温气密室上部进入，与热电堆8进行热交换，变冷的空气从高温气密室下端流出，再次进入集热芯管加热。
图7为利用汽轮发电的示意图，所述热电转换装置包括水蒸汽锅炉24、汽轮机25、发电机26、注水泵27和冷凝换热器28，所述热泵中冷凝器的热量传递给水蒸汽锅炉内的工质水，所述水蒸汽锅炉的高温高压蒸汽出口通过管道与汽轮机的蒸汽进口连接，所述汽轮机的输出轴与发电机的动力输入轴连接，所述汽轮机的排气口与冷凝换热器的进口连接，所述冷凝器的出口与注水泵的入口连接，所述注水泵的出口与水蒸汽锅炉的补水口连接；所述发电机的电力输出端一路与外接负载连接，另一路分别与注水泵和热泵的电源输入端连接。
为了加快水蒸汽锅炉内工质水的升温，所述热泵的冷凝器与水蒸汽锅炉之间设置有升温器23。可以采用与热电偶相同的三种升温方式。
第一种升温方式：所述冷凝器的表面设置有黑色涂层，所述冷凝器上安装有多个平-凸透镜聚焦升温器，每个平-凸透镜聚焦升温器的焦斑汇聚在水蒸汽锅炉中的换热管上加热换热管中的工质水。
第二种升温方式：所述冷凝器为曲面状，所述冷凝器的表面设置有黑色涂层，所述冷凝器的焦斑汇聚到在水蒸汽锅炉中的换热管上加热换热管中的工质水。
第三种升温方式：所述冷凝器系由外环腔管和集热芯管组成中空环腔管，外环腔管内是长管型凹面反射镜，无限多焦斑组成的焦线落在集热芯管上；所述外环腔管的内壁光滑且设置有黑色涂层，所述集热芯管外壁与外环腔管内壁之间环腔抽真空；所述集热芯管的外表面设置有黑色涂层，所述集热芯管一端通过连接管与高温气密室上端进口连接，所述集热芯管另一端通过保温管与所述高温气密室下端出口连接，所述中空环腔管外壁外部和高温气密室外部分别设置有绝热层，所述集热芯管将热量传递到水蒸气锅炉内的工质水。
热泵器制热系数WH＝20，升温器热传递系数ηi＝0.9，水蒸汽锅炉-汽轮机-发电机的综合效率ηs＝0.445，故而图7的总增益为G＝WH×η1×ηs＝20×0.9×0.445＝8.02，这意味着图7中每发电800KW，取100KW为热泵器供电，另外700KW向外负载供电。

Claims (10)

1.一种热泵发电系统，包括由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器组成的热泵，其特征在于，在热泵的制热端安装有热电转换装置，所述热电转换装置的电能输出端一路为负载供电，另一路为热泵的压缩机供电。
2.根据权利要求1所述的热泵发电系统，其特征在于，所述热电转换装置为由多个热电偶连接而成的热电堆，所述蒸发器和冷凝器的外形为扁平状，蒸发器一端与压缩机进口连接，另一端通过节流阀与冷凝器连接，冷凝器另一端与压缩机出口连接，所述热电堆安装在蒸发器与冷凝器之间并与蒸发器和冷凝器紧密接触。
3.根据权利要求2所述的热泵发电系统，其特征在于，所述冷凝器和蒸发器上分别安装有换热翅；启动灯上部安装有热启动导热管，所述热启动导热管与热反馈导热管连接，所述热反馈导热管一端与冷凝器上的换热翅连接，所述热反馈导热管的另一端与压缩机入口紧密接触，所述蒸发器外侧安装有憎湿保温层，所述蒸发器的换热翅上安装有热风通道，所述热风通道上安装有单向活门，所述单向活门外部安装有送风风扇，所述冷凝器、憎湿保温层、热反馈导热管的外部安装有绝热保温层。
4.根据权利要求2或3所述的热泵发电系统，其特征在于，所述冷凝器的表面设置有黑色涂层，所述冷凝器上安装有平-凸透镜聚焦升温器，所述平-凸透镜聚焦升温器焦斑汇聚在高温气密室底面上，所述高温气密室四侧面安装有保温层，所述热电堆一面与所述高温气密室的顶面紧密接触，所述热电堆的另一面与所述蒸发器紧密接触。
5.根据权利要求2或3所述的热泵发电系统，其特征在于，所述冷凝器为曲面状，所述冷凝器的表面设置有黑色涂层，所述冷凝器的焦斑汇聚到高温气密室底面上，所述热电堆一面与所述高温气密室的顶面紧密接触，所述热电堆的另一面与所述蒸发器紧密接触，所述高温气密室四侧面安装有保温层。
6.根据权利要求2或3所述的热泵发电系统，其特征在于，所述冷凝器系由外环腔管和集热芯管组成中空环腔管，外环腔管内是长管型凹面反射镜，无限多焦斑组成的焦线落在集热芯管上；所述外环腔管的内壁光滑且设 置有黑色涂层，所述集热芯管外壁与外环腔管内壁之间环腔抽真空；所述集热芯管的外表面设置有黑色涂层，所述集热芯管一端通过连接管与高温气密室上端进口连接，所述集热芯管另一端通过保温管与所述高温气密室下端出口连接，将热量传递到高温气密室内；所述热电堆与所述高温气密室顶面紧密接触，所述中空环腔管外壁外部和高温气密室其余五面外部分别设置有绝热层。
7.根据权利要求1所述的热泵发电系统，其特征在于，所述热电转换装置包括水蒸汽锅炉、汽轮机、发电机、注水泵和冷凝换热器，所述热泵中冷凝器的热量传递给水蒸汽锅炉内的工质水；所述水蒸汽锅炉的高温高压蒸汽出口通过管道与汽轮机的蒸汽进口连接；所述汽轮机的输出轴与发电机的动力输入轴连接；所述汽轮机的排气口与冷凝换热器的进口连接；所述冷凝器的出口与注水泵的入口连接；所述注水泵的出口与水蒸汽锅炉的补水口连接；所述发电机的电力输出端一路与外接负载连接，另一路分别与注水泵和热泵的电源输入端连接。
8.根据权利要求7所述的热泵发电系统，其特征在于，所述冷凝器的表面设置有黑色涂层，所述冷凝器上安装有多个平-凸透镜聚焦升温器，每个平-凸透镜聚焦升温器的焦斑汇聚在水蒸汽锅炉中的换热管上加热换热管中的工质水。
9.根据权利要求7所述的热泵发电系统，其特征在于，所述冷凝器为曲面状，所述冷凝器的表面设置有黑色涂层，所述冷凝器的焦斑汇聚到在水蒸汽锅炉中的换热管上加热换热管中的工质水。
10.根据权利要求7所述的热泵发电系统，其特征在于，所述冷凝器系由外环腔管和集热芯管组成中空环腔管，外环腔管内是长管型凹面反射镜，无限多焦斑组成的焦线落在集热芯管上；所述外环腔管的内壁光滑且设置有黑色涂层，所述集热芯管外壁与外环腔管内壁之间环腔抽真空；所述集热芯管的外表面设置有黑色涂层，所述集热芯管一端通过连接管与高温气密室上端进口连接，所述集热芯管另一端通过保温管与所述高温气密室下端出口连接，所述中空环腔管外壁外部和高温气密室外部分别设置有绝热层，所述集热芯管将热量传递到水蒸气锅炉内的工质水。 
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