專利名稱：太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，屬于太陽能光熱發(fā)電裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
太陽能是指太陽光的輻射能量。在太陽內(nèi)部進(jìn)行的由“氫”聚變成“氦”的原子核 反應(yīng)，不停地釋放出巨大的能量，并不斷向宇宙空間輻射能量，這種能量就是太陽能。太陽 能是一種綠色、潔凈、取之不盡的能源。人類對太陽能利用大體上就有三種太陽能光熱、光 電和光化學(xué)的能量轉(zhuǎn)換，而用于產(chǎn)生電力的轉(zhuǎn)換方式只有太陽能光熱和光電的轉(zhuǎn)變。光電 轉(zhuǎn)換的形式比較單一，主要的利用形式是太陽能電池。太陽能光熱電的轉(zhuǎn)換方式和其設(shè)備 裝置就比較多。太陽能光熱電轉(zhuǎn)換的一個最常見原則就是設(shè)法通過太陽能的收集獲得水蒸 汽，通過蒸汽透平做功，帶動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力。常規(guī)太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)使用的都是高溫太陽能資源。高溫太陽能發(fā)電系統(tǒng)最主 要使用高溫?zé)嵩吹脑蚴瞧渫钙桨l(fā)電單元是常規(guī)Rankine循環(huán)動力系統(tǒng)，為了保證其熱經(jīng) 濟(jì)性，就必須提高熱力循環(huán)的初始溫度和壓力。太陽能資源是能量密度較低的資源，這就導(dǎo) 致常規(guī)太陽能光熱發(fā)電必須通過特殊的裝置來聚集低能量密度的能量，從而能提供足夠的 熱量來加熱水，得到高溫高壓的水蒸汽。比如太陽能塔式發(fā)電，槽式發(fā)電等，都需要投入巨 資建設(shè)太陽能聚集裝置。以下便介紹幾種常見的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)。一、塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)
該系統(tǒng)是在空曠平地上建立高大的塔，塔頂安裝固定一個接收器相當(dāng)于鍋爐，塔的 周圍安置大量的定日鏡，將太陽光聚集并反射到塔頂?shù)慕邮掌魃袭a(chǎn)生高溫，接收器內(nèi)生 成的高溫蒸汽推動汽輪機(jī)來發(fā)電。塔式太陽能熱發(fā)電按加熱工質(zhì)的不同又可以分為兩種，一種是加熱純水，另一種 為加熱鹽水溶液。在鹽塔式太陽能熱利用發(fā)電站里，數(shù)千塊日鏡將太陽光聚焦到塔樓頂部吸熱體 上，熱量轉(zhuǎn)入吸熱體內(nèi)的鹽水溶液，其溫度從265°C升高到565°C，然后高溫溶液送到熱鹽 儲存器中，通過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，蒸汽透平做功后，冷凝放熱冷卻后又重新回到冷鹽儲 存器里，通過鹽溶液泵升壓后再次打入吸熱體內(nèi)。盡管塔式熱發(fā)電系統(tǒng)起步較早，人們也一直希望通過盡可能多的定日鏡將太陽 能量聚集到幾十兆瓦的水平，但是塔式系統(tǒng)的造價一直居高不下，產(chǎn)業(yè)化困難重重，其 根本原因在于定日鏡系統(tǒng)的設(shè)計。目前典型的塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的定日鏡都有兩個特點一是 定日鏡的反射面幾乎都采用普通的球面或平面，二是定日鏡的跟蹤都使用傳統(tǒng)的方位角 仰角公式。這兩個設(shè)計特點導(dǎo)致塔式太陽能聚光接收器存在著以下難以克服的問題
第一、太陽在塔上聚焦的光斑在一天之內(nèi)呈現(xiàn)大幅度變化，導(dǎo)致聚光光強(qiáng)大幅度波 動，普通球面或平面反射鏡無法克服由于太陽運(yùn)動而產(chǎn)生的像差。由于太陽的盤面效應(yīng)，各 個反射鏡在中央塔上形成的光斑大小隨著它與中心塔的距離增加而線性增長，塔上最后形 成的太陽聚焦光斑在一天之內(nèi)可以隨定日鏡場的大小從幾米變化到幾十米之大，因此塔式
3太陽能熱發(fā)電站光光強(qiáng)出現(xiàn)大幅度波動。再加上各個定日鏡的不同余弦效應(yīng)，塔式系統(tǒng)的 光熱轉(zhuǎn)換效率僅為60%左右。盡管目前在一些比較講究的塔式系統(tǒng)的設(shè)計中，對不同的定 日鏡開始采用不同曲率半徑的球面以減小太陽在塔上聚焦光斑的尺寸，但光學(xué)設(shè)計復(fù)雜性 大大增加導(dǎo)致制造成本也跟著大幅增長。第二、眾多的定日鏡圍繞中心塔而建立，占地面積巨大的中央塔的建立必須要保 證各個定日鏡之間互相不能阻擋光線。各個定日鏡之間的距離隨著它們與中心塔距離的增 加而大幅度增長，因而塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的占地面積隨著功率等級的增加而呈指數(shù)性激增。由于上述這些問題，塔式熱發(fā)電系統(tǒng)盡管可以實現(xiàn)1000°C的聚焦高溫，但一直 面臨著單位裝機(jī)容量投資過大的問題。目前塔式系統(tǒng)的初投資成本為3. 4萬 4. 8萬元， 而且造價降低非常困難，所以塔式系統(tǒng)50多年來始終停留在示范階段而沒有推廣開來。二、槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)
該系統(tǒng)是一種借助槽形拋物面反射鏡將太陽光聚焦反射到聚熱管上，通過管內(nèi)熱載體 將水加熱成蒸汽推動汽輪機(jī)發(fā)電的清潔能源利用裝置。槽形拋物面太陽能發(fā)電站的功率為 10 1000MW。槽式太陽能熱發(fā)電是目前所有太陽能熱發(fā)電站中功率最大的。系統(tǒng)集熱器 采集到的熱量傳遞到管內(nèi)流動的熱載體上，熱載體可以是水蒸氣、熱油或鹽水等，所用的反 射鏡由貧鐵玻璃制成，它必須有足夠的制造精度以便在任何情況下都能有效地反射太陽光 線。槽形拋物面太陽能收集器所采用的反射鏡是拋物面柱。反射的陽光聚焦在一條 直線上，安置在焦點線上的真空管玻璃集熱器吸收被聚焦的太陽能輻射，溫度可以達(dá)到 400°C，高溫載熱質(zhì)在中間換熱器中加熱水產(chǎn)生水蒸汽，自身溫度下降，通過載熱質(zhì)循環(huán)泵 流回太陽能集熱器吸熱，構(gòu)成熱源一回路。產(chǎn)生的水蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)透平做功，帶動發(fā)電機(jī) 發(fā)電，排氣在冷凝器中冷凝成水，經(jīng)冷凝水泵和給水泵升壓后，再回中間換熱器，繼續(xù)循環(huán)， 此構(gòu)成第二回路。槽式系統(tǒng)以線聚焦代替了點聚焦并且聚焦的管線隨著圓柱拋物面反射鏡一起跟 蹤太陽運(yùn)動，這樣就解決了塔式系統(tǒng)由于聚焦光斑不均勻而導(dǎo)致的光熱轉(zhuǎn)換效率不高的問 題，將光熱轉(zhuǎn)換效率提高到70%左右。但是槽式系統(tǒng)也帶來個新的問題是無法實現(xiàn)固定目 標(biāo)下的跟蹤，導(dǎo)致系統(tǒng)機(jī)械笨重。由于太陽能接收器中間的聚焦管線固定在槽式反射鏡上， 隨著反射每個槽式反射鏡都是長、寬的一個大整體鏡面，風(fēng)阻很大，必須要改變或加強(qiáng)反射 鏡的支撐結(jié)構(gòu)以增加槽式系統(tǒng)的抗風(fēng)性能，這樣必然導(dǎo)致初投資成本和熱發(fā)電成本增加。槽式系統(tǒng)的接收器長，散熱面積大，槽式系統(tǒng)的太陽能接收器是根很長的吸熱管， 盡管發(fā)展了許多新的吸光技術(shù)。但其散熱包括由熱輻射造成的散熱面積要比其有效的受光 面積大，因此與點型聚光系統(tǒng)如碟式和塔式相比，槽式系統(tǒng)的熱損耗較大。三、碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)
碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)是由2000多鏡子組成的拋物面反射鏡組成。接收器在拋物 面的焦點上把收集到的600 2000 °C的熱源引到斯特林發(fā)動機(jī)內(nèi)，將傳熱工質(zhì)加熱到750 °C左右，最后驅(qū)動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。碟形反射鏡跟蹤太陽的運(yùn)動而運(yùn)動，克服了塔式系統(tǒng)較 大余弦效應(yīng)的損失問題，光熱轉(zhuǎn)換效率大大提高，一般高達(dá)85%左右。碟式接收器將太陽聚焦于旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點上，又因為太陽能聚光器和斯特林發(fā) 動機(jī)能非常好的結(jié)合產(chǎn)生電能，其將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的凈效率可達(dá)29. 4%，所以斯特林循環(huán)在相同的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)是所有太陽能發(fā)電中效率最高的。碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)使用 靈活，既可以作分布式系統(tǒng)單獨供電，也可以并網(wǎng)發(fā)電。 碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)與槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)及塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的比較如下 表所示
通過該表可知，碟式太陽能發(fā)電工作溫度和聚光比是最大的，其光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)85% 左右，在類似系統(tǒng)中位居首位。碟式系統(tǒng)的缺點是造價昂貴，在這種系統(tǒng)中也是位居首位。 目前碟式熱發(fā)電系統(tǒng)的初投資成本高達(dá)4. 7萬 6. 4萬元。盡管碟式系統(tǒng)的聚光比非常 高，可以達(dá)到2000°C的高溫，但是對于目前的熱發(fā)電技術(shù)而言如此高的溫度并不需要甚至 是具有破壞性的。所以，碟式系統(tǒng)的接收器一般并不放在焦點上，而是根據(jù)性能指標(biāo)要求適 當(dāng)?shù)胤旁谳^低的溫度區(qū)內(nèi)，這樣高聚光度的優(yōu)點實際上并不能得到充分的發(fā)揮并且熱儲存 困難，熱熔鹽儲熱技術(shù)危險性大而且造價高。綜上所述，現(xiàn)有的三種太陽能光熱發(fā)電技術(shù)都屬于高溫太陽能發(fā)電技術(shù)，這就大 大增加了對太陽能集熱器性能的要求，也就勢必增加了在太陽能集熱器裝置的資金投入， 增加了初期投資。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種造價低廉且循環(huán)效率高的太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了 一種太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)，其特征在于，包括至少一個真空管氨水集熱器，真空管氨水集熱器的出水口連接氨水氣 液兩相分離器的進(jìn)水口，氨水氣液兩相分離器的氣態(tài)出口連接透平機(jī)的入口，透平機(jī)通過 變速箱與發(fā)電機(jī)相聯(lián)結(jié)，氨水氣液兩相分離器的液態(tài)低濃度氨水出口同透平機(jī)的乏氣出口 共同連接熱交換器的熱側(cè)進(jìn)口，熱交換器的該側(cè)出口進(jìn)入儲氨罐，熱交換器的冷側(cè)同冷凝 單元連接。來自儲氨罐的氨水混合物進(jìn)入真空管集熱器，被加熱成氨水兩相混合物后，通過 分離器氣液兩相分離，氣相的氨蒸汽直接推動透平機(jī)，透平機(jī)通過變速箱與發(fā)電機(jī)相聯(lián)結(jié) 進(jìn)而產(chǎn)生電能，被分離器分離出來的液相低濃度氨水混和物通過噴嘴同透平機(jī)的乏氣結(jié) 合，這樣氨水混合物便重新回到原始濃度，通過冷凝設(shè)備降溫后再次回到儲氨罐，周而復(fù) 始，實現(xiàn)基于真空管太陽能氨水集熱器的太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。本發(fā)明提供的太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)屬于低溫太陽能光熱發(fā)電，相對于高溫太 陽能發(fā)電技術(shù)，它采用kalina循環(huán)技術(shù)利用中低溫?zé)嵩?，其循環(huán)效率在中低溫范圍內(nèi)比常 規(guī)Rankine循環(huán)高出20 50%，這在能量利用上是十分可觀的。采用真空管集熱器來收集 太陽能加熱氨水，其技術(shù)成熟，經(jīng)濟(jì)可行，且其光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%以上，這是其他太陽 能集熱器所無法超越的。本發(fā)明的優(yōu)點是設(shè)備簡單，布置緊湊，可成套生產(chǎn)，成本較低，每千瓦初投資約為1.6萬元；真空管太陽能集熱器集熱效率高，η >95%，技術(shù)成熟，成本較低；Kalina循環(huán)在 低溫(彡150°C)段，循環(huán)效率高，比常規(guī)Rankine循環(huán)高20 50% ；太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)穩(wěn)定，安全可靠，可實現(xiàn)無人操作，維護(hù)周期長，維護(hù)成本低，發(fā)電成本低；適用范圍廣，特 別是在太陽能資源和地?zé)豳Y源都豐富的地區(qū)將更為實用。


圖1為本發(fā)明提供的一種太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的連接框圖； 圖2A為真空管太陽能氨水集熱器的結(jié)構(gòu)示意圖2B為圖2A的局部視圖； 圖2C為圖2B的斷面圖； 圖3為冷凝單元示意圖； 圖4為熱力曲線示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合實施例來具體說明本發(fā)明。 實施例如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的示意圖，包括與發(fā) 電機(jī)組輸出電功率相配的一組真空管氨水集熱器系統(tǒng)，真空管氨水集熱器系統(tǒng)由多個串聯(lián) /并聯(lián)的真空管氨水集熱器1組成，真空管氨水集熱器1的出口連接氨水氣液兩相分離器 20的兩相入口，氨水氣液兩相分離器20的氨氣出口連接透平機(jī)5，透平機(jī)5通過變速箱6 與發(fā)電機(jī)7相聯(lián)結(jié)，透平機(jī)5的乏氣出口與氨水氣液兩相分離器20的低濃度氨水出口分別 連接冷凝器22的熱側(cè)進(jìn)口，冷凝器22的該側(cè)出口連接儲氨罐2的的進(jìn)口，冷凝器22的冷 側(cè)連接冷凝單元3，儲氨罐2的出口同水泵23相連，水泵23將儲氨罐2中的固定濃度的氨 水再次打入真空管氨水集熱器系統(tǒng)。Kalina循環(huán)工質(zhì)采用氨-水混合工質(zhì)，氨水混合工質(zhì)具有如下物化特性
(1)不固定的沸點和凝結(jié)點溫度；
(2)熱物理特性能隨氨濃度的改變而改變；
(3)在熱容量的不變的情況下，混合物的溫度會變化；
(4)非常低的冰點溫度；
(5)弱堿性。不同的壓力、溫度及濃度情況下氨水熱力參數(shù)焓、比容及熵的計算可基于NIST (美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究所)所制定的氨水混合物的狀態(tài)方程。運(yùn)用NIST8. 0計算程序計算。本發(fā)明利用的就是氨水混合物具有不穩(wěn)定的沸點溫度的特點，可以縮小與熱源的 換熱溫差。在如圖4所示的熱力曲線上，在吸熱蒸發(fā)段，氨水混合物沒有定壓吸熱過程，它 可以比常規(guī)的純水多吸一部分熱量。在冷凝段，同理氨水沒有固定的凝結(jié)點，在放熱冷凝 段，它就可以少放一部分熱量。多吸熱，少放熱，熱力循環(huán)效率可獲提高。如圖2A至圖2C所示，為真空管太陽能氨水集熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，真空管集熱器1 包括多個真空管8，通過外部的支撐結(jié)構(gòu)11固定，在真空管8內(nèi)的管壁上涂有選擇性吸收涂層，其吸收率α s >95%，其轉(zhuǎn)換效率ε > 90%，在真空管8內(nèi)設(shè)有水平/豎直放置的多 片翅片9，管中沒有中間傳熱介質(zhì)的U形管10穿過翅片9設(shè)于真空管8內(nèi)，U形管10的兩 端設(shè)于真空管8外，相鄰的兩個U形管10的端部相互連接，這樣如圖2Α所示12個真空管 8便呈串聯(lián)排列。 圖3為冷凝單元的示意圖，包括冷凝器29，在冷凝器29內(nèi)的頂部設(shè)有噴淋裝置 25，冷凝器29的冷凝側(cè)出口連接冷卻塔26，冷卻塔26的出口依次第三循環(huán)水泵27及第三 節(jié)流閥28后連接冷凝器22的冷凝側(cè)進(jìn)口。
權(quán)利要求
一種太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，包括至少一個真空管氨水集熱器(1)，真空管氨水集熱器(1)的出水口連接氨水氣液兩相分離器(20)的進(jìn)水口，氨水氣液兩相分離器(20)的氣態(tài)出口連接透平機(jī)(5)的入口，透平機(jī)(5)通過變速箱(6)與發(fā)電機(jī)(7)相聯(lián)結(jié)，氨水氣液兩相分離器(20)的液態(tài)低濃度氨水出口同透平機(jī)(5)的乏氣出口共同連接熱交換器(22)的熱側(cè)進(jìn)口，熱交換器(22)的該側(cè)出口進(jìn)入儲氨罐(2)，熱交換器(22)的冷側(cè)同冷凝單元(3)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的一種太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述真空管氨水 集熱器(1)包括至少一個真空管(8)，真空管(8)通過外部的支撐結(jié)構(gòu)(11)固定，在真空管(8)內(nèi)的管壁上涂有選擇性吸收涂層，在真空管(8)內(nèi)設(shè)有水平/豎直放置的至少一片翅片(9)，管中沒有中間傳熱介質(zhì)的U形管(10)穿過翅片(9)設(shè)于真空管(8)內(nèi)，U形管(10)的 兩端設(shè)于真空管(8)外，當(dāng)有至少兩個真空管(8)時，相鄰的兩個U形管(10)的端部相互連 接。
3.如權(quán)利要求1所述的一種太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述分餾冷凝單 元包括冷凝器(29 )，在冷凝器(29 )內(nèi)的頂部設(shè)有噴霧裝置(25 )，冷凝器(29 )的冷凝側(cè)出口 連接冷卻塔(26)，冷卻塔(26)的出口依次第三循環(huán)水泵(27)及第三節(jié)流閥(28)后連接冷 凝器(22)的冷凝側(cè)進(jìn)口。
4.如權(quán)利要求1所述的一種太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述真空管氨水 集熱器(1)的個數(shù)為2個以上時，真空管氨水集熱器(1)之間根據(jù)不同太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)的需要進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)組成太陽能真空管氨水集熱器系統(tǒng)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，所述儲氨罐(2)的 出口同水泵(23)相連，水泵(23)將儲氨罐(2)內(nèi)的氨水再次打入所述真空管氨水集熱器 (1)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種太陽能氨水熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其特征在于，包括至少一個真空管氨水集熱器，真空管氨水集熱器的出水口連接氨水氣液兩相分離器的進(jìn)水口，氨水氣液兩相分離器的氣態(tài)出口連接透平機(jī)的入口，透平機(jī)通過變速箱與發(fā)電機(jī)相聯(lián)結(jié)，氨水氣液兩相分離器的液態(tài)低濃度氨水出口同透平機(jī)的乏氣出口共同連接熱交換器的熱側(cè)進(jìn)口，熱交換器的該側(cè)出口進(jìn)入儲氨罐，熱交換器的冷側(cè)同冷凝單元連接。本發(fā)明的優(yōu)點是設(shè)備簡單，布置緊湊，可成套生產(chǎn)，成本較低，集熱效率高，循環(huán)效率高。
文檔編號F24J2/26GK101915225SQ201010253669
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月16日
發(fā)明者張高佐, 戴軍, 施德容, 郭佳 申請人:上海盛合新能源科技有限公司