CN202709496U - 高效太阳能热电冷联用工艺集成装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种高效太阳能热电冷联用工艺集成装置，属太阳能利用新领域。该装置包括由阳光同步跟踪装置调控的曲面聚光釜、碟式聚光镜和二者聚焦点的真空积热球及与积热球用真空管连接的储热罐、与储热罐用热水管网并联的用热设施、制冷机组、用冷设施、用蒸汽管网连接的热电机组、供电线路、用电设施和回水管网、热机回水管网、补水管网以及真空积热球热辐射范围内设置的光伏电池板和独立于居室窗台的太阳能暖气。整套装置以真空积热球为热动力构成热电冷联用的密闭循环链。该装置成本低、效率高，适用于农村和边远山区居民的太阳能热电冷联用，并可大型阵列化，商业化。

Description

高效太阳能热电冷联用工艺集成装置

技术领域：

本实用新型为一种高效太阳能热电冷联用工艺集成装置，属太阳能应用新领域。

背景技术：

在浩瀚宇宙的银河系中，太阳是地球最亲密的伙伴。这个直径为地球直径109倍，质量为地球质量33万倍，离地球平均距离1亿5千万公里的庞大火球，其热核反应辐射出的能量约为每分钟2.273×10²⁸焦，而地球上仅接收到这些能量的22亿分之一，仅此22亿分之一，就相当于太阳每年无偿馈送给地球1亿个100亿度电的核电厂。正是由于太阳辐射到地球的光和热，才有了地球万物的休养生息，才有了人类的智慧和文明。因此，积极开发和利用太阳能，较之地球上各种生物加化石能源的总和，太阳能是取之不尽，用之不竭的最清洁能源。

人类对太阳能的利用可以追溯到旧石器时代，利用季节的更替采摘和种植农作物，坐北面南居住憩息，就是最古老原始的的太阳能利用。随着人类文明的发展和科技进步，太阳能利用已遍及各个领域，小型太阳能制热技术和产品普及到千家万户，太阳能光伏发电和太阳能热发电已有一定规模。为了使太阳能利用更加规模化，商业化，世界各国先后进行了大量塔式、碟式、槽式太阳能热发电系统的研究和开发。

塔式太阳能热发电系统是利用由微机控制的定日镜同步跟踪太阳，并将太阳光聚焦在中心接收塔的接收器上，在接收器上将聚焦的辐射能转变为热能，加热工质，驱动汽轮发电机发电。早在20世纪50年代前期，原苏联就提出了塔式太阳能热发电系统的设计思路。1981年，世界上第一座并网运行的太阳能热电站由法国、原联邦德国和意大利联合在西西里岛建成，采用182个聚光镜，镜场总面积620m²，蒸汽温度512℃，额定发电功率1MW。1982年，美国加利福尼亚建成第一座10MW太阳能热电站-太阳1号，占地291000m²，中央接收器位于90.8m高的塔顶，产生518℃的高温蒸汽，并通过小功率电机和齿轮箱驱动定日镜双轴跟踪太阳，最大峰值输出11700KW。因年平均效率低于6％，随后耗资4000万美元改造为太阳2号，定日镜增加为192块，300英尺中央吸热器，60％硝酸钠+40％硝酸钾组成熔岩储热系统，并网运行至1998年，目前正在进一步增加定日镜数量和熔岩储热系统，改造为太阳3号，准备实现24小时连续运行。

碟式太阳能热发电系统借助于双轴跟踪，抛物型碟式镜面将接收的太阳能集中在其焦点的接收器上，接收器吸收辐射能并将其转换成热能。在接收器上安装热电转换装置，从而将热能转换成电能。从上世纪80年代起，美国、德国、西班牙、前苏联等国对碟式太阳能热发电系统及其部件进行了大量的研究。最早建造碟式太阳能热发电实验装置的是美国Advanco公司。碟式太阳能热发电系统单机容量一般在5～50kW之间，聚光比可达到3000以上，用氦气或氢气作工质，工作温度达800℃，既可以单台供电，也可以多套并联使用，具有接收器吸热面积小，光电转换效率高的优点。

槽式太阳能热发电系统借助槽形抛物面反射镜将太阳光聚焦反射到集热管上，通过管内热载体将热量带走加热水产生蒸汽，推动汽轮机发电。19世纪80年代，美国人John Ericsson采用槽形抛物面太阳能集热装置驱动了一台热风机；1907年，德国人Wlhelm Meier申报了一项用槽式抛物面太阳能集热装置生产蒸汽的专利；随后，国际能源机构9个成员国共同参与了一项总功率为500kW示范试验；1985年，美国和以色列联合组成的LUZ国际公司在美国南加州建造了第一座商业化槽式太阳能电站，之后至1991年一共建造了9个柱形抛物槽镜分散聚光系统的太阳能热发电站，总装机容量为353.8MW，是世界上规模最大、成效最高的太阳能发电工程。我国对于槽式太阳能热发电虽然起步较晚，但在中科院和中国科技大学前期实验研究的基础上，已相继建成一批100KW、200KW槽式太阳能热发电项目，中国航天科技集团550兆瓦槽式太阳能热发电站项目计划总投资110亿元，已获得国家“863”和国防科工委研发经费支持，将在内蒙达旗展旦召苏木境内开工建设。

上述三种太阳能热发电系统尽管结构不尽相同，但均在下述技术领域进行了深入研究和开发：

一是定日镜技术，目前所使用的定日聚光镜可分玻璃片式、整体抛物茄式和张角膜式3类。反光材料有铝膜、银膜及薄银玻璃等。美国和德国先进的定日镜单块面积已达到150m²，科学应用国际公司的定日镜为170m²，中国科技大学陈天应教授发明了“陈式曲面镜”，比传统几何镜面的聚光倍数大幅提高，此外，中国科学院电工研究所与皇明太阳能公司等单位合作，通过采用复合蜂窝技术，研制出了超轻型结构的反射面，解决了使用平面玻璃制作曲面镜的问题。

二是太阳同步跟踪技术，从美国太阳1号到2005年的PS10均采用了“开环”方式控制；南京玻璃纤维研究院春辉公司研制的定日镜采用程序定位与传感器校正相结合的“闭环”控制技术，实现了无积累误差的准确定位；近年来Abraham Kribus等人还提出了采用图像方法处理来实现定日镜跟踪定位的方法。

三是受光换热技术，受光换热器目前主要有外露式和空腔式两种。空腔式接收器是阳光从众多捧管束围成的空腔开口入射到空腔内部管壁上，在空腔内部进行换热，因此热损失小，外露式接收器是众多排管束围成一定直径的圆筒，阳光入射到直接暴露的外表面上进行换热，因此热损失较大。早期的高压接受器样机功率为10kw，直径130m，运行温度最高可达1000℃。最新设计的高压接受器直径达到320m，试验运行温度最低可达700℃。以色列魏兹曼科研所发明的空腔式陶瓷压力接受器，能量密度达到10MW/m²，陶瓷针吸收阳光后温度达到1800℃。

四是蓄热材料，目前多采用熔盐作为传热介质和显热蓄热材料，Sandia国家实验室的James等人还设计了一种液--固联合蓄热系统，并进行了一系列试验，结果和经济性都很令人振奋。

五是热机，太阳能热发电系统中的热机多采用低沸点工质汽轮机或燃气轮机。目前用得最多，研究最热的是斯特林发动机。美国已经制成多套25kw斯特林系统的样机，用于测试；德国研发的6套9～10kw斯特林系统在西班牙PSA获得示范，累计运行达到3万多小时。

上述三种太阳能热发电系统各有优劣，塔式系统效率高，但一次性投入大；碟式单机可标准化生产，但单机规模小；槽式成本低，相对塔式和碟式效率偏低，但技术比较成熟。

尽管太阳能热发电技术有着极其诱人的发展前景，但由于其昂贵的利用成本，商业上没有得到大规模发展，其制约瓶颈一是太阳能能流密度低，需要大面积光学反射装置和接收装置；二是太阳能热发电系统的发电效率低，年太阳能净发电效率不超过15％；三是太阳能供应不连续、不稳定。上述三点制约都需要在系统中增加庞大的聚能、接受、蓄热装置和管路系统，导致太阳能热发电投资成本是天然气电站投资成本的7倍。在两者价格体系相差悬殊的情况下，太阳能热发电技术难以冲破利益的诱惑，形成商业化开发规模。因此，只有攻克低成本高效聚能和热电转化技术的瓶颈，才能加快太阳能热发电的商业化发展。

我国幅员辽阔，地处阳光充沛的亚热带地区，陆地面积每年接收的太阳辐射总量在3.3×10³～8.4×10⁶kJ/m²a之间，相当于2.4×10⁴亿吨标准煤，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时，日照在5×10⁶kJ/m²a以上。如此丰富的太阳能资源对开发利用太阳能提供了得天独厚的良好条件。

与代价昂贵的上述太阳能热发电系统相比，近年来对高效聚能装置的研究有所创新，一个直径1m，面积0.76m²，温度在2000℃左右的太阳能聚光光斑，其光热发电量可供2万户人家使用1年。一个直径20cm，面积300cm²，温度在300-400℃之间的太阳能聚光光斑，可以安装相当于6000W左右的太阳能聚光电池，可以供10户人家用电。因此，高效聚能装置的突破必将带动太阳能利用技术的商业化发展。

发明内容：

针对上述太阳能利用效率低、成本高、阳光供应不连续的瓶颈制约，本实用新型高效太阳能热电冷联用工艺和集成装置的目的是采用价格低廉的小型高强度聚光光斑，以小博大，积少成多，先解决广大农村和边远山区散住居民的热电冷需求，再集成化、大型化、规模化，开创商业化利用太阳能的里程碑。

本实用新型高效太阳能热电冷联用工艺集成装置的技术解决方案是：

本实用新型所述的高效太阳能热电冷联用工艺集成装置包括由阳光同步跟踪装置调控的曲面聚光釜(1)、碟式聚光镜(2)和二者聚焦点的真空积热球(3)及与积热球用真空管(4)连接的储热罐(6)、与储热罐(6)用热水管网(9)并联的用热设施(16)、制冷机组(11)、用冷设施(15)、用蒸汽管网(7)连接的热电机组(10)、供电线路(12)、用电设施(17)和回水管网(8)、热机回水管网(13)、补水管网(14)以及真空积热球(3)热辐射范围内设置的光伏电池板(5)和独立于居室窗台的太阳能暖气(18)；整套装置以真空积热球(3)为热动力构成热电冷联用的密闭循环链。

本实用新型所述的曲面聚光釜(1)为一组环形曲面聚光釜群，每单个曲面聚光镜(1-1)的经向两端由可活动的子经向轴(1-2)与子经环(1-3)装配，与子经向轴(1-2)垂直的子经环(1-3)两端由可活动的子纬向轴(1-4)与子纬环(1-5)装配；整个聚光釜群的经向两端由可活动的母经向轴(1-6)与母经环(1-7)装配，与母经向轴(1-6)垂直的母经环(1-7)两端由可活动的母纬向轴(1-8)与母纬环(1-9)装配；曲面聚光釜(1)既可由母经纬环(1-7)和(1-9)引导同步跟踪太阳360°公转，每单个曲面聚光镜(1-1)又可由子经纬环(1-3)和(1-5)引导同步跟踪太阳360°自转。

本实用新型所述的真空集热球(3)置于南北排列的曲面聚光釜(1)和碟式聚光镜(2)聚焦点，真空积热球(3)内充装超导传热介质，其上部与真空管(4)束一端密封连接，真空管(4)束另一端密封于储热罐(6)中，球体热辐射范围内设置光伏电池板(5)。

本实用新型所述的阳光同步跟踪装置为以下三种类型之一：

第一种为时钟、微型电机、减速机和微机自控联动机构；

第二种为定日传感器、微型电机、减速机和微机自控联动机构；

第三种为热敏记忆材料、微型电机、减速机和微机自控联动机构。

本实用新型所述的槽镜双向聚焦的太阳能暖气(18)为互相联通的立式真空管排(18-1)，其下部水平母管内充装超导传热介质(18-2)，水平母管置于槽式反光镜(18-4)凹部，水平母管前方设置双轴与阳光同步移动的凸透镜排(18-3)。

本实用新型所述的高效太阳能热电冷联用工艺集成装置，多组曲面聚光釜(1)和碟式聚光镜(2)及与其聚焦点的真空积热球(3)热力循环系统，在日照较充裕的光场，可串联组成南北排列东西走向的大型太阳能热发电矩阵，或并联组成环形球阵，并网运行容量10-1000MW。

本实用新型高效太阳能热电冷联用工艺集成装置与目前已有的太阳能光伏发电，塔式、碟式、槽式太阳能热发电比较，具有效率高、成本低、见效快、易于迅速推广和集成化大规模发展等优点，特别适合于广大农村和边远山区解决急需的热电冷需求，并可大型阵列化并网运行。

附图说明：

图1为高效太阳能热电冷联用工艺集成装置密闭循环链示意图；

图2为图1的曲面聚光釜主视方向示意图；

图3为图1的槽镜双聚焦窗式太阳能暖气结构示意图。

其中：

1.工艺集成装置密闭循环链设备和管网如下：

(1).曲面聚光釜；(2).碟式聚光镜；(3).真空集热球；(4).真空管；(5).光伏电池板；(6).储热罐；(7).蒸气管网；(8).回水管网；(9).热水管网；(10).热电机组；(11).制冷机组；(12).供电线路；(13).热机回水管网；(14).补水管网；(15).用冷设施；(16).用热设施；(17).用电设施；(18).太阳能暖气。

2.曲面聚光釜部件如下：

1-1.曲面聚光镜；1-2.子经向轴；1-3.子经环；1-4.子纬向轴；1-5.子纬环；1-6.母经向轴；1-7.母经环；1-8.母纬向轴；1-9.母纬环。

3.槽镜双聚焦窗式太阳能暖气部件如下：

18-1.真空管排；18-2.超导传热介质；18-3.凸透镜排；18-4.槽式反光镜。

具体实施方案：

如图1、图2和图3所示，本实用新型所述的高效太阳能热电冷联用工艺集成装置包括由阳光同步跟踪装置调控的曲面聚光釜(1)、碟式聚光镜(2)和二者聚焦点的真空积热球(3)及与积热球用真空管(4)连接的储热罐(6)、与储热罐(6)用热水管网(9)并联的用热设施(16)、制冷机组(11)、用冷设施(15)、用蒸汽管网(7)连接的热电机组(10)、供电线路(12)、用电设施(17)和回水管网(8)、热机回水管网(13)、补水管网(14)以及真空积热球(3)热辐射范围内设置的光伏电池板(5)和独立于居室窗台的太阳能暖气(18)；整套装置以真空积热球(3)为热动力构成热电冷联用的密闭循环链。

本实用新型所述的曲面聚光釜(1)由1大8小高次曲面镜组成环形曲面聚光釜群，每单个曲面聚光镜(1-1)的经向两端由可活动的子经向轴(1-2)与子经环(1-3)装配，与子经向轴(1-2)垂直的子经环(1-3)两端由可活动的子纬向轴(1-4)与子纬环(1-5)装配；整个聚光釜群的经向两端由可活动的母经向轴(1-6)与母经环(1-7)装配，与母经向轴(1-6)垂直的母经环(1-7)两端由可活动的母纬向轴(1-8)与母纬环(1-9)装配；曲面聚光釜(1)既可由母经纬环(1-7)和(1-9)引导同步跟踪太阳360°公转，每单个曲面聚光镜(1-1)又可由子经纬环(1-3)和(1-5)引导同步跟踪太阳360°自转。每单个曲面聚光镜(1-1)在阳光同步跟踪装置精确调控下，在真空积热球(3)面上聚焦成高强度炙热光斑，形成真空积热球(3)的换热热源。

本实用新型所述的真空集热球(3)置于南北排列的曲面聚光釜(1)和碟式聚光镜(2)聚焦点，真空积热球(3)内充装超导传热介质，其上部与真空管(4)束一端密封连接，真空管(4)束另一端密封于储热罐(6)中，依靠真空集热球内超导传热介质形成的过热蒸汽，在球体与储热罐中形成高强度换热的密闭循环系统，并同时在球体热辐射范围内设置光伏电池板(5)，加大光伏电池板的受热强度，提高发电效率。

本实用新型所述的阳光同步跟踪装置采用如下两种类型之一：

第一种为定日传感器、微型电机、减速机和微机自控联动机构；

第二种为热敏记忆材料、微型电机、减速机和微机自控联动机构。

本实用新型所述的槽镜双向聚焦的太阳能暖气(18)为互相联通的立式真空管排(18-1)，其下部水平母管内充装超导传热介质(18-2)，水平母管置于槽式反光镜(18-4)凹部，水平母管前方设置双轴与阳光同步移动的凸透镜排(18-3)。

本实用新型所述的高效太阳能热电冷联用工艺集成装置，第一步用单组曲面聚光釜(1)和碟式聚光镜(2)及真空积热球(3)组成热电冷联用5-10KW综合电站，先解决农村和边远山区散住居民和小村镇集体居民的热电冷所需。第二步用小型集群阵列，建设1000KW的示范工程，形成规模化、商业化。第三步在先行示范总结经验后，选择日照较充裕的光场，建设南北排列东西走向的大型太阳能热发电矩阵，并网运行，容量10-1000MW，形成太阳能综合利用的社会化规模效益。

Claims (6)

1.一种高效太阳能热电冷联用工艺集成装置，其特征在于：该装置包括由阳光同步跟踪装置调控的曲面聚光釜(1)、碟式聚光镜(2)和二者聚焦点的真空积热球(3)及与积热球用真空管(4)连接的储热罐(6)、与储热罐(6)用热水管网(9)并联的用热设施(16)、制冷机组(11)、用冷设施(15)、用蒸汽管网(7)连接的热电机组(10)、供电线路(12)、用电设施(17)和回水管网(8)、热机回水管网(13)、补水管网(14)以及真空积热球(3)热辐射范围内设置的光伏电池板(5)和独立于居室窗台的太阳能暖气(18)；整套装置以真空积热球(3)为热动力构成热电冷联用的密闭循环链。

2.根据权利要求1所述的高效太阳能热电冷联用工艺集成装置，其特征在于：曲面聚光釜(1)为一组环形曲面聚光釜群，每单个曲面聚光镜(1-1)的经向两端由可活动的子经向轴(1-2)与子经环(1-3)装配，与子经向轴(1-2)垂直的子经环(1-3)两端由可活动的子纬向轴(1-4)与子纬环(1-5)装配；整个聚光釜群的经向两端由可活动的母经向轴(1-6)与母经环(1-7)装配，与母经向轴(1-6)垂直的母经环(1-7)两端由可活动的母纬向轴(1-8)与母纬环(1-9)装配；曲面聚光釜(1)既可由母经纬环(1-7)和(1-9)引导同步跟踪太阳360°公转，每单个曲面聚光镜(1-1)又可由子经纬环(1-3)和(1-5)引导同步跟踪太阳360°自转。

3.根据权利要求1所述的高效太阳能热电冷联用工艺集成装置，其特征在于：真空集热球(3)置于南北排列的曲面聚光釜(1)和碟式聚光镜(2)聚焦点，真空积热球(3)内充装超导传热介质，其上部与真空管(4)束一端密封连接，真空管(4)束另一端密封于储热罐(6)中，球体热辐射范围内设置光伏电池板(5)。

4.根据权利要求1所述的高效太阳能热电冷联用工艺集成装置，其特征在于：阳光同步跟踪装置为以下三种类型之一：

第一种为时钟、微型电机、减速机和微机自控联动机构；

第二种为定日传感器、微型电机、减速机和微机自控联动机构；

第三种为热敏记忆材料、微型电机、减速机和微机自控联动机构。

5.根据权利要求1所述的高效太阳能热电冷联用工艺集成装置，其特征在于：槽镜双向聚焦的太阳能暖气(18)为互相联通的立式真空管排(18-1)，其下部水平母管内充装超导传热介质(18-2)，水平母管置于槽式反光镜(18-4)凹部，水平母管前方设置双轴与阳光同步移动的凸透镜排(18-3)。

6.根据权利要求1所述的高效太阳能热电冷联用工艺集成装置，其特征在于：多组曲面聚光釜(1)和碟式聚光镜(2)及与其聚焦点的真空积热球(3)热力循环系统，在日照较充裕的光场，可串联组成南北排列东西走向的大型太阳能热发电矩阵，或并联组成环形球阵，并网运行容量10-1000MW。

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