專利名稱：高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置的制作方法
技術領域：
:本發明為一種高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置，屬太陽能應用新領域。
背景技術：
:在浩瀚宇宙的銀河系中，太陽是地球最親密的伙伴。這個直徑為地球直徑109倍，質量為地球質量33萬倍，離地球平均距離I億5千萬公里的龐大火球，其熱核反應輻射出的能量約為每分鐘2.273 X IO28焦，而地球上僅接收到這些能量的22億分之一，僅此22億分之一，就相當于太陽每年無償饋送給地球I億個100億度電的核電廠。正是由于太陽輻射到地球的光和熱，才有了地球萬物的休養生息，才有了人類的智慧和文明。因此，積極開發和利用太陽能，較之地球上各種生物加化石能源的總和，太陽能是取之不盡，用之不竭的最清潔能源。人類對太陽能的利用可以追溯到舊石器時代，利用季節的更替采摘和種植農作物，坐北面南居住憩息，就是最古老原始的的太陽能利用。隨著人類文明的發展和科技進步，太陽能利用已遍及各個領域，小型太陽能制熱技術和產品普及到千家萬戶，太陽能光伏發電和太陽能熱發電已有一定規模。為了使太陽能利用更加規模化，商業化，世界各國先后進行了大量塔式、碟式、槽式太陽能熱發電系統的研究和開發。塔式太陽能熱發電系統是利用由微機控制的定日鏡同步跟蹤太陽，并將太陽光聚焦在中心接收塔的接收器上，在接收器上將聚焦的輻射能轉變為熱能，加熱工質，驅動汽輪發電機發電。早在20世紀50年代前期，原蘇聯就提出了塔式太陽能熱發電系統的設計思路。1981年，世界上第一座并網運行的太陽能熱電站由法國、原聯邦德國和意大利聯合在西西里島建成，采用182個聚光鏡，鏡場總面積620m2，蒸汽溫度512°C，額定發電功率1MW。1982年，美國加利福尼亞建成第一座10麗太陽能熱電站-太陽I號，占地291000m2，中央接收器位于90.Sm高的塔頂，產生518°C的高溫蒸汽，并通過小功率電機和齒輪箱驅動定日鏡雙軸跟蹤太陽，最大峰值輸出11700KW。因年平均效率低于6%，隨后耗資4000萬美元改造為太陽2號，定日鏡增加為192塊，300英尺中央吸熱器，60%硝酸鈉+40%硝酸鉀組成熔巖儲熱系統，并網運行至1998年，目前正在進一步增加定日鏡數量和熔巖儲熱系統，改造為太陽3號，準備實現24小時連續運行。碟式太陽能熱發電系統借助于雙軸跟蹤，拋物型碟式鏡面將接收的太陽能集中在其焦點的接收器上，接收器吸收輻射能并將其轉換成熱能。在接收器上安裝熱電轉換裝置，從而將熱能轉換成電能。從上世紀80年代起，美國、德國、西班牙、前蘇聯等國對碟式太陽能熱發電系統及其部件進行了大量的研究。最早建造碟式太陽能熱發電實驗裝置的是美國Advanco公司。碟式太陽能熱發電系統單機容量一般在5 50kW之間，聚光比可達到3000以上，用氦氣或氫氣作工質，工作溫度達800°C，既可以單臺供電，也可以多套并聯使用，具有接收器吸熱面積小，光電轉換效率高的優點。槽式太陽能熱發電系統借助槽形拋物面反射鏡將太陽光聚焦反射到集熱管上，通過管內熱載體將熱量帶走加熱水產生蒸汽，推動汽輪機發電。19世紀80年代，美國人JohnEricsson采用槽形拋物面太陽能集熱裝置驅動了一臺熱風機；1907年，德國人WlhelmMeier申報了一項用槽式拋物面太陽能集熱裝置生產蒸汽的專利；隨后，國際能源機構9個成員國共同參與了一項總功率為500kW示范試驗；1985年，美國和以色列聯合組成的LUZ國際公司在美國南加州建造了第一座商業化槽式太陽能電站，之后至1991年一共建造了 9個柱形拋物槽鏡分散聚光系統的太陽能熱發電站，總裝機容量為353.8MW，是世界上規模最大、成效最高的太陽能發電工程。我國對于槽式太陽能熱發電雖然起步較晚，但在中科院和中國科技大學前期實驗研究的基礎上，已相繼建成一批100KW、200KW槽式太陽能熱發電項目，中國航天科技集團550兆瓦槽式太陽能熱發電站項目計劃總投資110億元，已獲得國家“ 863 ”和國防科工委研發經費支持，將在內蒙達旗展旦召蘇木境內開工建設。上述三種太陽能熱發電系統盡管結構不盡相同，但均在下述技術領域進行了深入研究和開發:一是定日鏡技術，目前所使用的定日聚光鏡可分玻璃片式、整體拋物茄式和張角膜式3類。反光材料有鋁膜、銀膜及薄銀玻璃等。美國和德國先進的定日鏡單塊面積已達到150m2，科學應用國際公司的定日鏡為170m2，中國科技大學陳天應教授發明了“陳式曲面鏡”，比傳統幾何鏡面的聚光倍數大幅提高，此外，中國科學院電工研究所與皇明太陽能公司等單位合作，通過采用復合蜂窩技術，研制出了超輕型結構的反射面，解決了使用平面玻璃制作曲面鏡的問題。二是太陽同步跟蹤技術，從美國太陽I號到2005年的PSlO均采用了 “開環”方式控制；南京玻璃纖維研究院春輝公司研制的定日鏡采用程序定位與傳感器校正相結合的“閉環”控制技術，實現了無積累誤差的準確定位；近年來Abraham Kribus等人還提出了采用圖像方法處理來實現定日鏡跟蹤定位的方法。三是受光換熱技術，受光換熱器目前主要有外露式和空腔式兩種。空腔式接收器是陽光從眾多捧管束圍成的空腔開口入射到空腔內部管壁上，在空腔內部進行換熱，因此熱損失小，外露式接收器是眾多排管束圍成一定直徑的圓筒，陽光入射到直接暴露的外表面上進行換熱，因此熱損失較大。早期的高壓接受器樣機功率為IOkW,直徑130m，運行溫度最高可達1000°C。最新設計的高壓接受器直徑達到320m，試驗運行溫度最低可達700°C。以色列魏茲曼科研所發明的空腔式陶瓷壓力接受器，能量密度達到10MW/m2，陶瓷針吸收陽光后溫度達到1800°C。四是蓄熱材料，目前多采用熔鹽作為傳熱介質和顯熱蓄熱材料，Sandia國家實驗室的James等人還設計了一種液一固聯合蓄熱系統，并進行了一系列試驗，結果和經濟性都很令人振奮。五是熱機，太陽能熱發電系統中的熱機多采用低沸點工質汽輪機或燃氣輪機。目前用得最多，研究最熱的是斯特林發動機。美國已經制成多套25kw斯特林系統的樣機，用于測試；德國研發的6套9 IOkw斯特林系統在西班牙PSA獲得示范，累計運行達到3萬多小時。上述三種太陽能熱發電系統各有優劣，塔式系統效率高，但一次性投入大；碟式單機可標準化生產，但單機規模小；槽式成本低，相對塔式和碟式效率偏低，但技術比較成熟。盡管太陽能熱發電技術有著極其誘人的發展前景，但由于其昂貴的利用成本，商業上沒有得到大規模發展，其制約瓶頸一是太陽能能流密度低，需要大面積光學反射裝置和接收裝置；二是太陽能熱發電系統的發電效率低，年太陽能凈發電效率不超過15% ;三是太陽能供應不連續、不穩定。上述三點制約都需要在系統中增加龐大的聚能、接受、蓄熱裝置和管路系統，導致太陽能熱發電投資成本是天然氣電站投資成本的7倍。在兩者價格體系相差懸殊的情況下，太陽能熱發電技術難以沖破利益的誘惑，形成商業化開發規模。因此，只有攻克低成本高效聚能和熱電轉化技術的瓶頸，才能加快太陽能熱發電的商業化發展。我國幅員遼闊，地處陽光充沛的亞熱帶地區，陸地面積每年接收的太陽輻射總量在3.3X IO3 8.4X106kJ/m2a之間，相當于2.4X IO4億噸標準煤，全國總面積2/3以上地區年日照時數大于2000小時，日照在5X106kJ/m2a以上。如此豐富的太陽能資源對開發利用太陽能提供了得天獨厚的良好條件。與代價昂貴的上述太陽能熱發電系統相比，近年來對高效聚能裝置的研究有所創新，一個直徑lm，面積0.76m2，溫度在2000°C左右的太陽能聚光光斑，其光熱發電量可供2萬戶人家使用I年。一個直徑20cm，面積300cm2，溫度在300-400°C之間的太陽能聚光光斑，可以安裝相當于6000W左右的太陽能聚光電池，可以供10戶人家用電。因此，高效聚能裝置的突破必將帶動太陽能利用技術的商業化發展
發明內容
:針對上述太陽能利用效率低、成本高、陽光供應不連續的瓶頸制約，本發明高效太陽能熱電冷聯用工藝和集成裝置的目的是采用價格低廉的小型高強度聚光光斑，以小博大，積少成多，先解決廣大農村和邊遠山區散住居民的熱電冷需求，再集成化、大型化、規模化，開創商業化利用太陽能的里 程碑。本發明高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置的技術解決方案是:本發明所述的高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置包括由陽光同步跟蹤裝置調控的曲面聚光釜(I)、碟式聚光鏡(2)和二者聚焦點的真空積熱球(3)及與積熱球用真空管
(4)連接的儲熱罐(6)、與儲熱罐(6)用熱水管網(9)并聯的用熱設施(16)、制冷機組(11)、用冷設施(15)、用蒸汽管網(7)連接的熱電機組(10)、供電線路(12)、用電設施(17)和回水管網(8)、熱機回水管網(13)、補水管網(14)以及真空積熱球(3)熱輻射范圍內設置的光伏電池板(5)和獨立于居室窗臺的太陽能暖氣(18);整套裝置以真空積熱球(3)為熱動力構成熱電冷聯用的密閉循環鏈。本發明所述的曲面聚光釜(I)為一組環形曲面聚光釜群，每單個曲面聚光鏡(1-1)的經向兩端由可活動的子經向軸(1-2)與子經環(1-3)裝配，與子經向軸(1-2)垂直的子經環(1-3)兩端由可活動的子緯向軸(1-4)與子緯環(1-5)裝配；整個聚光釜群的經向兩端由可活動的母經向軸(1-6)與母經環(1-7)裝配，與母經向軸(1-6)垂直的母經環(1-7)兩端由可活動的母緯向軸(1-8)與母緯環(1-9)裝配；曲面聚光釜(I)既可由母經緯環(1-7)和(1-9)引導同步跟蹤太陽360°公轉，每單個曲面聚光鏡(1-1)又可由子經緯環(1-3)和(1-5)引導同步跟蹤太陽360°自轉。本發明所述的真空集熱球(3)置于南北排列的曲面聚光釜(I)和碟式聚光鏡(2)聚焦點，真空積熱球(3)內充裝超導傳熱介質，其上部與真空管(4)束一端密封連接，真空管(4)束另一端密封于儲熱罐￠)中，球體熱輻射范圍內設置光伏電池板(5)。
本發明所述的陽光同步跟蹤裝置為以下三種類型之一:第一種為時鐘、微型電機、減速機和微機自控聯動機構；第二種為定日傳感器、微型電機、減速機和微機自控聯動機構；第三種為熱敏記憶材料、微型電機、減速機和微機自控聯動機構。本發明所述的槽鏡雙向聚焦的太陽能暖氣(18)為互相聯通的立式真空管排(18-1)，其下部水平母管內充裝超導傳熱介質(18-2)，水平母管置于槽式反光鏡(18-4)凹部，水平母管前方設置雙軸與陽光同步移動的凸透鏡排(18-3)。本發明所述的高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置，多組曲面聚光釜(I)和碟式聚光鏡(2)及與其聚焦點的真空積熱球(3)熱力循環系統，在日照較充裕的光場，可串聯組成南北排列東西走向的大型太陽能熱發電矩陣，或并聯組成環形球陣，并網運行容量10-1000MW。本發明高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置與目前已有的太陽能光伏發電，塔式、碟式、槽式太陽能熱發電比較，具有效率高、成本低、見效快、易于迅速推廣和集成化大規模發展等優點，特別適合于廣大農村和邊遠山區解決急需的熱電冷需求，并可大型陣列化并網運行。


:圖1為高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置密閉循環鏈示意圖；圖2為圖1的曲面聚光釜主視方向示意圖；圖3為圖1的槽鏡雙聚焦窗式太陽能暖氣結構示意圖。其中:1.工藝集成裝置密閉循環鏈設備和管網如下:(I).曲面聚光釜；(2).碟式聚光鏡；(3).真空集熱球；(4).真空管；(5).光伏電池板；(6).儲熱罐；(7).蒸氣管網；(8).回水管網；(9).熱水管網；(10).熱電機組；(11).制冷機組；(12).供電線路；(13).熱機回水管網；(14).補水管網；(15).用冷設施；(16).用熱設施；(17).用電設施；(18).太陽能暖氣。2.曲面聚光釜部件如下:1-1.曲面聚光鏡；1-2.子經向軸；1-3.子經環；1_4.子緯向軸；1_5.子緯環；1-6.母經向軸；l-7.母經環；l-8.母緯向軸；1-9.母緯環。3.槽鏡雙聚焦窗式太陽能暖氣部件如下:18-1.真空管排；18-2.超導傳熱介質；18_3.凸透鏡排；18_4.槽式反光鏡。具體實施方案:如圖1、圖2和圖3所示，本發明所述的高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置包括由陽光同步跟蹤裝置調控的曲面聚光釜(I)、碟式聚光鏡(2)和二者聚焦點的真空積熱球
(3)及與積熱球用真空管(4)連接的儲熱罐(6)、與儲熱罐(6)用熱水管網(9)并聯的用熱設施(16)、制冷機組(11)、用冷設施(15)、用蒸汽管網(7)連接的熱電機組(10)、供電線路
(12)、用電設施(17)和回水管網(8)、熱機回水管網(13)、補水管網(14)以及真空積熱球
(3)熱輻射范圍內設置的光伏電池板(5)和獨立于居室窗臺的太陽能暖氣(18);整套裝置以真空積熱球(3)為熱動力構成熱電冷聯用的密閉循環鏈。本發明所述的曲面聚光釜(I)由I大8小高次曲面鏡組成環形曲面聚光釜群，每單個曲面聚光鏡(1-1)的經向兩端由可活動的子經向軸(1-2)與子經環(1-3)裝配，與子經向軸(1-2)垂直的子經環(1-3)兩端由可活動的子緯向軸(1-4)與子緯環(1-5)裝配；整個聚光釜群的經向兩端由可活動的母經向軸(1-6)與母經環(1-7)裝配，與母經向軸(1-6)垂直的母經環(1-7)兩端由可活動的母緯向軸(1-8)與母緯環(1-9)裝配；曲面聚光釜(I)既可由母經緯環(1-7)和(1-9)引導同步跟蹤太陽360°公轉，每單個曲面聚光鏡(1-1)又可由子經緯環(1-3)和(1-5)引導同步跟蹤太陽360°自轉。每單個曲面聚光鏡(1-1)在陽光同步跟蹤裝置精確調控下，在真空積熱球(3)面上聚焦成高強度炙熱光斑，形成真空積熱球(3)的換熱熱源。本發明所述的真空集熱球(3)置于南北排列的曲面聚光釜(I)和碟式聚光鏡(2)聚焦點，真空積熱球(3)內充裝超導傳熱介質，其上部與真空管(4)束一端密封連接，真空管(4)束另一端密封于儲熱罐(6)中，依靠真空集熱球內超導傳熱介質形成的過熱蒸汽，在球體與儲熱罐中形成高強度換熱的密閉循環系統，并同時在球體熱輻射范圍內設置光伏電池板(5)，加大光伏電池板的受熱強度，提高發電效率。本發明所述的陽光同步跟蹤裝置采用如下兩種類型之一:第一種為定日傳感器、微型電機、減速機和微機自控聯動機構；第二種為熱敏記憶材料、微型電機、減速機和微機自控聯動機構。本發明所述的槽鏡雙向聚焦的太陽能暖氣(18)為互相聯通的立式真空管排(18-1)，其下部水平母管內充裝超導傳熱介質(18-2)，水平母管置于槽式反光鏡(18-4)凹部，水平母管前方設置雙軸與陽光同步移動的凸透鏡排(18-3)。本發明所述的高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置，第一步用單組曲面聚光釜(I)和碟式聚光鏡(2)及真空積熱球(3)組成熱電冷聯用5-10KW綜合電站，先解決農村和邊遠山區散住居民和小村鎮集體居民的熱電冷所需。第二步用小型集群陣列，建設1000KW的示范工程，形成規模化、商業化。第三步在先行示范總結經驗后，選擇日照較充裕的光場，建設南北排列東西走向的大型太陽能熱發電矩陣，并網運行，容量10-1000MW，形成太陽能綜合利用的社會化規模效益。
權利要求
1.一種高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置，其特征在于:該裝置包括由陽光同步跟蹤裝置調控的曲面聚光釜(I)、碟式聚光鏡(2)和二者聚焦點的真空積熱球(3)及與積熱球用真空管⑷連接的儲熱罐(6)、與儲熱罐(6)用熱水管網(9)并聯的用熱設施(16)、制冷機組(11)、用冷設施(15)、用蒸汽管網(7)連接的熱電機組(10)、供電線路(12)、用電設施(17)和回水管網(8)、熱機回水管網(13)、補水管網(14)以及真空積熱球(3)熱輻射范圍內設置的光伏電池板(5)和獨立于居室窗臺的太陽能暖氣(18);整套裝置以真空積熱球(3)為熱動力構成熱電冷聯用的密閉循環鏈。
2.根據權利要求1所述的高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置，其特征在于:曲面聚光釜(I)為一組環形曲面聚光釜群，每單個曲面聚光鏡(1-1)的經向兩端由可活動的子經向軸(1-2)與子經環(1-3)裝配，與子經向軸(1-2)垂直的子經環(1-3)兩端由可活動的子緯向軸(1-4)與子緯環(1-5)裝配；整個聚光釜群的經向兩端由可活動的母經向軸(1-6)與母經環(1-7)裝配，與母經向軸(1-6)垂直的母經環(1-7)兩端由可活動的母緯向軸(1-8)與母緯環(1-9)裝配；曲面聚光釜(I)既可由母經緯環(1-7)和(1-9)引導同步跟蹤太陽360°公轉，每單個曲面聚光鏡(1-1)又可由子經緯環(1-3)和(1-5)引導同步跟蹤太陽360°自轉。
3.根據權利要求1所述的高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置，其特征在于:真空集熱球(3)置于南北排列的曲面聚光釜(I)和碟式聚光鏡(2)聚焦點，真空積熱球(3)內充裝超導傳熱介質，其上部與真空管(4)束一端密封連接，真空管(4)束另一端密封于儲熱罐(6)中,球體熱福射范圍內設置光伏電池板(5)。
4.根據權利要求1所述的高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置，其特征在于:陽光同步跟蹤裝置為以下三種類型之一: 第一種為時鐘、微型電機、減速機和微機自控聯動機構； 第二種為定日傳感器、微型電機、減速機和微機自控聯動機構； 第三種為熱敏記憶材料、微型電機、減速機和微機自控聯動機構。
5.根據權利要求1所述的高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置，其特征在于:槽鏡雙向聚焦的太陽能暖氣(18)為互相聯通的立式真空管排(18-1)，其下部水平母管內充裝超導傳熱介質(18-2)，水平母管置于槽式反光鏡(18-4)凹部，水平母管前方設置雙軸與陽光同步移動的凸透鏡排(18-3)。
6.根據權利要求1所述的高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置，其特征在于:多組曲面聚光釜(I)和碟式聚光鏡(2)及與其聚焦點的真空積熱球(3)熱力循環系統，在日照較充裕的光場，可串聯組成南北排列東西走向的大型太陽能熱發電矩陣，或并聯組成環形球陣，并網運行容量10-1000MW。
全文摘要
本發明為一種高效太陽能熱電冷聯用工藝集成裝置，屬太陽能利用新領域。該裝置包括由陽光同步跟蹤裝置調控的曲面聚光釜、碟式聚光鏡和二者聚焦點的真空積熱球及與積熱球用真空管連接的儲熱罐、與儲熱罐用熱水管網并聯的用熱設施、制冷機組、用冷設施、用蒸汽管網連接的熱電機組、供電線路、用電設施和回水管網、熱機回水管網、補水管網以及真空積熱球熱輻射范圍內設置的光伏電池板和獨立于居室窗臺的太陽能暖氣。整套裝置以真空積熱球為熱動力構成熱電冷聯用的密閉循環鏈。該裝置成本低、效率高，適用于農村和邊遠山區居民的太陽能熱電冷聯用，并可大型陣列化，商業化。
文檔編號F24J2/34GK103196238SQ20121000255
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者王穎, 王鋼, 王存樂 申請人:王穎, 王鋼, 王存樂