CN202851279U - 塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提出一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，包括太阳能接收组件、传热工质循环组件、低沸点发电工质循环组件、冷却工质循环组件和特斯拉涡轮发电组件。本实用新型与传统蒸汽轮机塔式太阳能热发电系统相比，因特斯拉涡轮只由简单的圆盘和涡轮壳组成，无难于设计和加工的复杂叶片，故结构简单，加工方便，使用、维护成本低；此外因蒸汽轮机的热利用率低，仅有30%左右，热工质的大量能量从汽轮机尾部流失，导致太阳能热发电系统光电转换效率很低，而本实用新型中所采用的特斯拉涡轮热利用率可达90%以上，可大幅度提高现有太阳能热发电系统的光电转换效率；本实用新型除可发电外，还可为居民提供生活所需热水。

Description

塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置
技术领域
本实用新型涉及新能源技术领域，具体为一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，应用于将低品质热能向高品质电能的转化。
背景技术
在众多新型清洁能源中太阳能因具有取之不竭、无污染、低成本的特点而越来越受到人们的重视，美国、日本、德国、以色列等国都在积极研究和开发各种利用太阳能的方法和装置。太阳能发电主要分为两类：太阳能光伏发电及太阳能热发电，其中太阳能热发电又可细分为：塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电、碟式太阳能热发电、太阳能热气流发电和太阳能池热发电。太阳能光伏发电是采用太阳能电池经串并联方式获取高电压和大电流给蓄电池充电来存储电能，或直接经逆变器将直流电转换为生活所需交流电。太阳能光伏发电虽然从制造应用技术方面来看已趋于成熟，但其光电转换效率较低，仅为10%左右，且因太阳能电池结构复杂导致制造成本较高，为传统发电装置的数倍以上。太阳能热发电主要是利用大量反射镜以聚焦的方式将太阳能直射光聚集起来，加热工质，产生高温高压的蒸汽，蒸汽在汽轮机内膨胀做功，推动汽轮机高速旋转，并带动发电机发电。太阳能热发电系统都采用蒸汽轮机作为热能向机械能的转换部件，但蒸汽轮机结构复杂，叶型较难设计，加工生产成本很高，且汽轮机能量转换效率低，仅为30%左右，高温高压蒸汽经汽轮机膨胀后仍具有较高的温度和速度，大部分能量未得到充分利用，在一定程度上限制了太阳能的光电转换效率。
因上述太阳能发电系统都存在光电转换效率低，结构复杂，加工生产成本高的缺点，为此本实用新型专利提出了一种新型低成本太阳能发电系统。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决现有太阳能发电技术装置结构复杂，建设、加工成本较高，光电转换效率较低等问题，本实用新型提出一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，利用无叶特斯拉涡轮替代传统太阳能热发电系统中的蒸汽轮机作为热能的转换部件，可使太阳能发电技术装置结构简化，建设、加工成本大幅下降，光电转换效率大幅提高。
技术方案
本实用新型的技术方案为：
所述一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：包括太阳能接收组件、传热工质循环组件、低沸点发电工质循环组件、冷却工质循环组件和特斯拉涡轮发电组件；所述太阳能接收组件包括定日镜和太阳能接收器；所述传热工质循环组件包括传热工质泵、传热工质存储箱、传热工质控制装置、储热器和流量调节装置；所述低沸点发电工质循环组件包括低沸点发电工质蒸发器、稳压箱、高压压力调节装置、背压箱、压力调节装置、冷交换器、低沸点发电工质储存箱和增压液泵；冷却工质循环组件包括冷却工质储存箱和冷却工质控制装置；特斯拉涡轮发电组件包括特斯拉涡轮和发电机；
所述传热工质循环组件中，传热工质存储箱通过传热工质控制装置接太阳能接收器，太阳能接收器输出传热工质到储热器，储热器通过流量调节装置接低沸点发电工质蒸发器，低沸点发电工质蒸发器输出传热工质经传热工质泵后回到传热工质存储箱；
所述低沸点发电工质循环组件中，低沸点发电工质储存箱通过增压液泵将低沸点发电工质输入低沸点发电工质蒸发器，低沸点发电工质蒸发器将气化的低沸点发电工质依次通过稳压箱和高压压力调节装置后，输入特斯拉涡轮，从特斯拉涡轮输出的低沸点发电工质经过背压箱和压力调节装置后进入冷交换器，低沸点发电工质在冷交换器中与冷却工质热交换后，回到低沸点发电工质储存箱中。
所述一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：由一组圆形薄叶盘和涡轮壳构成，相邻圆形薄叶盘之间存在间隙，涡轮壳包裹圆形薄叶盘，工作介质从涡轮壳切向进入涡轮，与工作叶盘进行动量交换之后从叶盘中心排出。
所述一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：所述太阳能接收器由若干竖直排列的管子组成，这些管子呈环形布置，形成一个圆筒体，相邻管子端部依次连通，传热工质从所有竖直管子内部流过。
所述一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：传热工质采用亚硝酸盐。
所述一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：储热器为内外双层，内外双层中间抽为真空，内层内表面镀银，外层外表面加裹保温材料。
所述一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：低沸点发电工质采用水或氨或二氧化碳。
所述一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：冷却工质采用水。
有益效果
本实用新型与传统蒸汽轮机塔式太阳能热发电系统相比，因特斯拉涡轮只由简单的圆盘和涡轮壳组成，无难于设计和加工的复杂叶片，故结构简单，加工方便，使用、维护成本低；此外因蒸汽轮机的热利用率低，仅有30%左右，热工质的大量能量从汽轮机尾部流失，导致太阳能热发电系统光电转换效率很低，而本实用新型中所采用的特斯拉涡轮热利用率可达90%以上，可大幅度提高现有太阳能热发电系统的光电转换效率；本实用新型除可发电外，还可为居民提供生活所需热水。
附图说明
图1是特斯拉涡轮示意图
图2是特斯拉涡轮截面图
图3是塔式特斯拉涡轮太阳能发电系统示意图
图中：1-特斯拉涡轮切向入口、2-涡轮壳、3-涡轮叶盘、4-涡轮轴、5-高速球轴承、6-定日镜、7-太阳能接收器、8-储热器、9-流量调节阀、10-低沸点发电工质蒸发器、11-稳压箱、12-高压压力调节阀、13-发电机、14-特斯拉涡轮、15-背压箱、16-压力调节阀、17-低温水箱、18-低温水箱开关、19-冷交换器、20-热水箱、21-低沸点发电工质储存箱、22-增压液泵、23-熔盐泵、24-熔盐储存箱、25-熔盐控制阀。
具体实施方式
下面结合具体实施例描述本实用新型：
本实施例中的提出了一种新型高效太阳能发电系统，具体为一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，包括太阳能接收组件、传热工质循环组件、低沸点发电工质循环组件、冷却工质循环组件和特斯拉涡轮发电组件。
所述太阳能接收组件包括定日镜6和太阳能接收器7。定日镜镜面采用金属镜面，表明镀铝，可将太阳光的95%反射到太阳能接收器；所述的太阳能接收器由若干竖直排列的管子组成，这些管子呈环形布置，形成一个圆筒体，相邻管子端部依次连通，传热工质从所有竖直管子内部流过；管外壁涂以耐高温选择性吸收涂层，将聚光镜聚焦后的太阳能完全转化为热能。
本实施例中传热工质采用亚硝酸盐，其凝固温度为142摄氏度，最高温度可加热到535摄氏度，且具有高比热和高熔解热的特性，可吸收接收器的大量热能。传热工质循环组件包括熔盐泵23、熔盐储存箱24、熔盐控制阀25、储热器8和流量调节阀9。在传热工质循环组件中，熔盐存储箱通过熔盐控制阀接太阳能接收器，熔盐从竖直管内部流过，在管内表面，热量以热传导和热对流的方式从壁面向熔盐传输，熔盐通过大幅度提高自身温度及熔解的方式存储大量热能，从而使其成为可加以利用的高温热源。太阳能接收器输出熔盐到储热器，储热器设计为内外双层，内外层中间抽为真空，防止高温熔盐与外界进行热传导和热对流，起到隔热的作用，内层内表面镀银，防止储热介质向外进行热辐射，外层外表面加裹保温材料，进一步防止储热器热量的散失。储热器下方安装流量调节阀，储热器通过流量调节阀接低沸点发电工质蒸发器10，熔盐经低沸点发电工质蒸发器后由熔盐泵回到熔盐存储箱。
采用流量调节阀的目的是当阳光充足时，可减小流量调节阀的开度，将过剩热量储存在储热器中，在夜晚或阳光不足的情况下，可将储存的热量逐渐释放，使发电系统连续稳定工作。
所述低沸点发电工质循环组件包括低沸点发电工质蒸发器10、稳压箱11、高压压力调节阀12、背压箱15、压力调节阀16、冷交换器19、低沸点发电工质储存箱21和增压液泵22。
低沸点发电工质蒸发器由导热性能良好的金属散热材料制成，蒸发器外壳由保温、密闭、防水材料制成。其中低沸点发电工质通路采用U形折回管路设计，增大导热面积，提高蒸发速率，U形弯管周围为由流量调节阀进入的高温熔盐，金属弯管的温度随高温熔盐温度的升高而升高。低沸点发电工质储存箱通过增压液泵将低沸点发电工质输入低沸点发电工质蒸发器，当低沸点发电工质经过U形金属管时将被迅速加热成高温、高压的蒸汽。低沸点工质可采用水、氨、或二氧化碳等。
形成蒸汽的低沸点发电工质依次通过稳压箱和高压压力调节阀后，输入特斯拉涡轮，从而推动特斯拉涡轮做功，带动发电机发电。其中稳压箱由绝热且耐高温的材料制成，密封并有保温设计，以减小高温蒸汽热能的无端散失，稳压箱下方安装有高压压力调节阀，调节阀的开度可控制特斯拉涡轮入口的蒸汽压力，使特斯拉涡轮始终保持在最佳设计落压比下连续、稳定工作。
从特斯拉涡轮输出的低沸点发电工质经过背压箱和压力调节阀后进入冷交换器，背压箱可使特斯拉涡轮出口背压恒定，通过调节背压箱后端的压力调节阀可改变特斯拉涡轮出口处的背压大小。
低沸点发电工质在冷交换器中与冷却工质热交换后，回到低沸点发电工质储存箱中。冷交换器内装有导热性能很好的密集型螺旋形管道，螺旋管路的设计可在一定程度上增加冷凝路径，延长冷凝时间。
冷却工质循环组件包括低温水箱17和低温水箱开关18，本实施例中冷却工质采用水。低温水箱17中的冷却水经过低温水箱开关后充满冷交换器螺旋管路的周围，从特斯拉涡轮输出的做功后的过乏蒸汽经过冷交换器后重新冷凝成液态低沸点工质，冷却水经冷交换器后则加热成热水，并储存在具有保温设计的热水箱20中，可供居民日常生活所用。
所述特斯拉涡轮主要是由一组圆形薄叶盘和涡轮壳构成，相邻叶盘之间存在的间隙，涡轮壳包裹着圆形薄叶盘，工作介质从涡轮壳切向进入涡轮，与工作叶盘进行动量交换之后从叶盘中心排出。特斯拉涡轮与汽轮机在工作机理上有本质上的区别：汽轮机是通过高压、高速气流冲击叶片，通过叶片改变气流的流动方向进而实现气流对涡轮的做功，而特斯拉涡轮则是利用流体的物理特性（粘性）实现流体与涡轮之间的能量转换，高速流体从涡轮壳切向进入涡轮后，在涡轮内形成螺旋状流线，流体与涡轮叶盘之间形成边界层，根据牛顿黏性定律可知叶盘必然受到流体的粘性作用力，叶盘在粘性力的作用下高速旋转，将从流体中所获取的能量以轴功率的方式输出，带动发电机发电。
本装置的工作过程为：系统启动时，加热熔盐储存箱24中的熔盐至熔融状态（142摄氏度），打开熔盐控制阀25及流量调节阀9，启动熔盐泵23，将熔盐从熔盐存储箱24压入太阳能接收器，熔盐经太阳能接收器后温度升高到500摄氏度以上，加热后的高温熔盐迅速流入储热器8，经流量调节阀9进入低沸点工质蒸发器10，然后经熔盐泵流回熔盐存储箱24，当整个回路贯通后，即可关闭熔盐存储箱中的加热器，经低沸点工质蒸发器后的高温熔盐可继续加热熔盐存储箱中尚未熔化的固态熔盐，使其不断熔化，这样即可减小系统的启动时间，也能提高系统的启动效率；系统启动后，将高压压力调节阀12、压力调节阀16、低温水箱开关18打开，冷却水从低温水箱17流入冷交换器19，经交换器后进入热水箱20，同时启动增压液泵22，将低沸点工质从低沸点工质储存箱21迅速压入低沸点工质蒸发器10，工质吸热后瞬间汽化为高温高压的蒸汽，蒸汽经稳压箱11后通过特斯拉涡轮切向入口1进入特斯拉涡轮14，高压压力调节阀12可调节特斯拉涡轮入口处的蒸汽压力，蒸汽在特斯拉涡轮内膨胀加速，最后从特斯拉涡轮中心排出，同时涡轮叶盘3在粘性力作用下高速旋转，并通过联轴器带动发电机13发电，做功后的过乏蒸汽通过背压箱15进入冷交换器19，压力调节阀16可调节特斯拉涡轮出口处背压的大小，过乏蒸汽经冷交换器19后返回低沸点工质储存箱21，重新开始新一轮循环；当无阳光时，关闭熔盐控制阀25，熔盐泵将储存在储热器8中的高温熔盐逐渐抽入熔盐储存箱24，继续发电；当系统热量不足需停止时，先关闭增压液泵22，待稳压箱11中蒸汽压力与背压箱相等时，关闭高压压力调节阀12、压力调节阀12和低温水箱开关18，待储热器8和低沸点工质蒸发器10中的高温熔盐全部抽入熔盐储存箱24后，关闭熔盐泵23和流量调节阀9。

Claims (7)

1.一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：包括太阳能接收组件、传热工质循环组件、低沸点发电工质循环组件、冷却工质循环组件和特斯拉涡轮发电组件；所述太阳能接收组件包括定日镜和太阳能接收器；所述传热工质循环组件包括传热工质泵、传热工质存储箱、传热工质控制装置、储热器和流量调节装置；所述低沸点发电工质循环组件包括低沸点发电工质蒸发器、稳压箱、高压压力调节装置、背压箱、压力调节装置、冷交换器、低沸点发电工质储存箱和增压液泵；冷却工质循环组件包括冷却工质储存箱和冷却工质控制装置；特斯拉涡轮发电组件包括特斯拉涡轮和发电机；
所述传热工质循环组件中，传热工质存储箱通过传热工质控制装置接太阳能接收器，太阳能接收器输出传热工质到储热器，储热器通过流量调节装置接低沸点发电工质蒸发器，低沸点发电工质蒸发器输出传热工质经传热工质泵后回到传热工质存储箱；
所述低沸点发电工质循环组件中，低沸点发电工质储存箱通过增压液泵将低沸点发电工质输入低沸点发电工质蒸发器，低沸点发电工质蒸发器将气化的低沸点发电工质依次通过稳压箱和高压压力调节装置后，输入特斯拉涡轮，从特斯拉涡轮输出的低沸点发电工质经过背压箱和压力调节装置后进入冷交换器，低沸点发电工质在冷交换器中与冷却工质热交换后，回到低沸点发电工质储存箱中。
2.根据权利要求1所述一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：由一组圆形薄叶盘和涡轮壳构成，相邻圆形薄叶盘之间存在间隙，涡轮壳包裹圆形薄叶盘，工作介质从涡轮壳切向进入涡轮，与工作叶盘进行动量交换之后从叶盘中心排出。
3.根据权利要求1或2所述一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：所述太阳能接收器由若干竖直排列的管子组成，这些管子呈环形布置，形成一个圆筒体，相邻管子端部依次连通，传热工质从所有竖直管子内部流过。
4.根据权利要求3所述一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：传热工质采用亚硝酸盐。
5.根据权利要求3所述一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：储热器为内外双层，内外双层中间抽为真空，内层内表面镀银，外层外表面加裹保温材料。
6.根据权利要求3所述一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：低沸点发电工质采用水或氨或二氧化碳。
7.根据权利要求3所述一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，其特征在于：冷却工质采用水。
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