一种基于微型燃气轮机发电的分布式能源系统的制作方法

本实用新型涉及分布式能源领域，特别涉及一种基于微型燃气轮机发电的分布式能源系统。

背景技术：

能源紧缺、环境污染和气候变化是制约当今世界经济和社会发展的重要因素，而能源的大量开发和利用，是造成环境污染和气候变化的主要原因之一。正确处理好能源开发利用与环境保护和气候变化的关系，是世界各国迫切需要解决的问题。分布式能源系统集节能、环保和高安全性等优势于一身，是缓解能源危机，减少环境污染和温室气体排放，提高能源安全性，实现可持续发展战略的有效途径。作为分布式能源系统的重要发展方向，微型燃气轮机是提供清洁、可靠、高质量、多用途的小型分布式能源的最佳方式之一，目前在美国、日本、欧盟等发达国家和地区及国内发展迅速。基于微型燃气轮机的分布式能源系统由于其尺寸小重量轻、燃料适应性强、燃料消耗率低、噪音震动小、污染排放低及维护费用低等优势有望广泛应用到为居民楼、办公楼等场合。

但现有的微型燃气轮机的分布式能源系统，仍存在排出的高温废气的余热未被高效利用、热循环效率不高，造成能源浪费等缺点。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的是提供一种基于微型燃气轮机发电的分布式能源系统，采用太阳能集热器对空气进行预热以提高进入微型燃气轮机发电机组的空气温度；同时增加温差发电装置以利用机组排出的高温废气输出直流电能。具备提高机组能源转换效率及热循环效率的优势，优化了能源结构，利于生态环保。

本实用新型的具体技术方案是一种基于微型燃气轮机发电的分布式能源系统，包括微型燃气轮机发电机组、温差发电装置和太阳能集热器，其特征在于，

所述微型燃气轮机发电机组将燃料的化学能转化为电能，输出高频交流电能，电能控制器实现对所述高频交流电能的控制，所述微型燃气轮机发电机组工作时排出高温废气；

所述温差发电装置包括热端和冷端，所述微型燃气轮机发电机组排出的高温废气流经所述热端，所述温差发电装置利用所述热端和冷端的温差产生直流电能；

所述太阳能集热器利用太阳能对空气进行预热，所述预热空气输出至所述微型燃气轮机发电机组的压缩机。

更进一步地，所述的基于微型燃气轮机发电的分布式能源系统包括冷却风扇，所述冷却风扇在温差发电装置产生的直流电能的驱动下工作，对所述电能控制器进行冷却。

更进一步地，所述的基于微型燃气轮机发电的分布式能源系统包括水暖设备，所述水暖设备利用从所述温差发电装置的热端流出的高温废气，对冷水进行加热，供应居民生活用热水。

更进一步地，所述太阳能集热器安装在建筑物墙面外，与所述建筑物墙面构成空气流动空腔。

更进一步地，所述的基于微型燃气轮机发电的分布式能源系统包括空气流动风扇，所述空气流动风扇控制所述预热空气的流向，将所述预热空气从所述空气流动空腔输出至所述微型燃气轮机发电机组。

更进一步地，所述空气流动风扇为直流风扇，由所述温差发电装置产生的直流电驱动

更进一步地，所述温差发电机包括热电模块，所述热电模块设置在所述热端和所述冷端之间，被配置为产生直流电能。

更进一步地，所述热电模块为半导体材料。

更进一步地，所述热端和所述冷端为圆柱形，所述冷端同心套在所述热端外。

更进一步地，所述冷端包括中空腔体，冷却液从所述中空腔体流过。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

1)提供了一种分布式能源利用方案，同时满足居民用电、用水及用热需求。

2)通过提高进入微型燃气轮机压缩机的空气温度来提高涡轮机入口温度，提高了机组的热循环效率。

3)合理利用排出的高温废气产生直流电能及加热冷水，实现了能源的阶梯级利用。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

图1示出了余热回收利用系统的结构框图；

图2示出了温差发电装置的剖面示意图；

图3示出了余热回收利用系统的结构框图；

图4示出了微型燃气轮机发电机组的空气预热系统的结构框图；以及

图5示出了基于微型燃气轮机发电的分布式能源系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的技术方案做进一步描述。

图1示出了余热回收利用系统的结构框图。余热回收利用系统包括微型燃气轮机发电机组(1)、温差发电装置(2)和冷却风扇(3)。微型燃气轮机发电机组(1)包括压缩机(110)、回热器(120)、燃烧室(130)、涡轮机(140)及高速发电机(150)。所述压缩机(110)、回热器(120)、燃烧室(130)、涡轮机(140)及高速发电机(150)一般称为微型燃气轮机。

微型燃气轮机发电机组(1)可以将燃料与空气混合后燃烧的化学能转化为高频交流电能。运行时，旋转的压缩机(110)连续地将空气吸入并将其压缩升压；压缩后的空气进入回热器(120)，回热器(120)利用涡轮机(140)出口排出的余热加热压缩机(110)出口的压缩空气；加热后的压缩空气进入燃烧室(130)，与喷入的燃料混合燃烧，成为高温燃气后流入涡轮机(140)中膨胀做功，推动涡轮机(140)带动同轴相连的压缩机(110)一起旋转；涡轮机(140)在带动压缩机(110)一起旋转时尚有余功作为输出机械功，带动同轴相连的高速发电机(150)高速旋转，高速发电机(150)将机械能转化为高频交流电能；做功后的高温燃气被回热器(120)回收，对新进入的空气进行加热，开启新一轮循环。该工作过程也被称为回热循环工作过程。相比于没有回热器的简单循环工作过程，热效率得到了明显提高。但是，涡轮机(140)出口的高温燃气在回热器(120)对新进入的空气进行加热后，尚带有余热。这部分带有余热的高温废气温度可达到270℃，会被从微型燃气轮机发电机组(1)的排气口(未在图1中示出)排出到空气中。如此，造成了巨大的浪费。

温差发电装置(2)可以利用微型燃气轮机发电机组(1)排出的高温废气输出直流电。温差发电装置(2)是一种基于塞贝克效应，可以利用温度差产生直流电能的装置。在一些实施例中，温差发电装置(2)包括热端(210)、冷端(220)和热电模块(230)，如图2所示。所述热端(210)包括热源入口(211)、热源通道(212)及热源出口(213)。温差发电装置(2)工作时，热源(微型燃气轮机发电机组(1)排出的高温废气)从热源入口(211)流入热源通道(222)，热端(210)升温，与冷端(220)形成温差；热电模块(230)因热端(210)与冷端(220)的温差形成电压，由于存在电气回路(未在图2中示出)因而形成电流。在一些实施例中，所述热端(210)为圆柱形，热源(如微型燃气轮机发电机组(1)排出的高温废气)流经热端(210)的热源通道(222)。在一些实施例中，所述冷端(220)同心套在热端(210)外。冷端(220)可以为实心材料，由空气自然冷却或由安装在冷端(220)上的散热器冷却。在一些实施例中，所述热电模块(230)设置在所述热端(210)和所述冷端(220)之间。热电模块(230)所采用的材料为具备高导电系数和低导热系数的材料。优选地，热电模块(230)所采用的材料为半导体材料。由于热端(210)和冷端(220)的温度差越大，热电模块(230)所产生的电流就越大。因此为了最大化热端(210)和冷端(220)的温度差，在一些实施例中，可以增加冷却系统，将循环冷却后的冷却液(如水)流过冷端(220)的内部(此时，冷端(220)设置为空心，构成中空腔体)。

在一些实施例用，微型燃气轮机发电机组(1)还包括电能控制器(未在图1中示出)。电能控制器实现对微型燃气轮机发电机组(1)发电功率的控制，即实现对高速发电机(150)输出的高频交流电能的控制，电能控制器包括控制电路板和功率变换设备。在一些实施例中，控制电路板通过分析计算，控制高速发电机(150)转速、燃烧温度、燃料流速等变量。在一些实施例中，功率变换设备(如AC/AC变换器、AC/DC变换器、DC/AC变换器和DC/DC变换器)，可以将高速发电机(150)输出的交流电进行变换。例如将高速发电机(150)输出的高频交流电变换为工频交流电以供本地负载实用或并入电网。再例如，可以进一步把工频交流电整流为直流电，直流电可以输出至电能存储设备如蓄电池存储。又例如，可以将经整流的直流电进一步DC/DC变换，为其他设备提供适合的直流电源。控制电路板和功率变换设备工作时会产生热量，特别是功率变换设备所产生的热量，如没有合理散热，将造成严重后果。因此，需要为微型燃气轮机发电机组(1)配备散热装置。散热装置工作时需要电源，此时正好可以利用温差发电装置(2)输出的直流电作为散热装置。

冷却风扇(3)为直流风扇，可以在温差发电装置(2)产生的直流电能的驱动下工作，对电能控制器(如控制电路板和功率变换设备)进行冷却。

需要指出的是，图1仅为余热回收利用系统的一个特定实例，余热回收利用系统的配置不限于图1所示。例如，微型燃气轮机发电机组(1)还可以包括电能控制器，用于控制微型燃气轮机发电机组(1)发电功率。再例如，冷却风扇(3)的数量不仅为一个。又例如，温差发电装置(2)产生的直流电能还可以作为其他设备的电源，或被存储在电能储存装置如蓄电池中。

实际上，微型燃气轮机发电机组(1)排出的高温废气在流经温差发电装置(2)的热端(210)后，仍有余热。为进一步提高系统的能源利用效率，在一些实施例中，系统增加水暖设备(4)。水暖设备(4)利用从热源出口(213)流出的废气，对冷水进行加热，可为居民提供生活用热水(如图3所示)。如此，微型燃气轮机发电机组(1)排出的高温废气经过温差发电设备(2)和水暖设备(4)的两级利用，极大地提高了系统的能源利用效率，实现了对余热的阶梯级利用。

图4示出了微型燃气轮机发电机组的空气预热系统的结构框图。微型燃气轮机发电机组的空气预热系统包括微型燃气轮机发电机组(1)、太阳能集热器(5)、建筑物墙面(6)、空气流动空腔(7)和空气流动风扇(8)。

太阳能集热器(5)可以安装在建筑物墙面(6)外，与建筑物墙面(6)构成空气流动空腔(7)。太阳能集热器(5)包括若干通孔，空气可以由这些通孔进入到空气流动空腔(7)中。太阳能集热器(5)可以利用太阳能对从通孔流入空气流动空腔(7)的空气进行预热。空气流动风扇(8)被可以控制这些预热空气的流向，将这些预热空气输出至微型燃气轮机发电机组(1)的压缩机(110)。由于提高燃烧室(130)的出口温度可以有效提高微型燃气轮机发电机组(1)的热循环效率，因此采用本实施例的方案可以通过提高进入压缩机(110)的空气温度，进而提高微型燃气轮机发电机组(1)的热循环效率。

在一些实施例中，空气流动风扇(8)可以为直流风扇，由温差发电装置(2)驱动。进一步合理利用了温差发电装置(2)输出的直流电能。在一些实施例中，经太阳能集热器预热的空气可以在寒冷天气时为居民提供室内供暖。

图5示出了基于微型燃气轮机发电的分布式能源系统的结构框图。基于微型燃气轮机发电的分布式能源系统包括微型燃气轮机发电机组(1)、温差发电装置(2)、冷却风扇(3)、水暖设备(4)、太阳能集热器(5)、建筑物墙面(6)、空气流动空腔(7)及空气流动风扇(8)。

微型燃气轮机发电机组(1)可以将燃料的化学能转化为电能，输出高频交流电能，电能控制器实现对高频交流电能的控制，微型燃气轮机发电机组(1)工作时排出高温废气。温差发电装置(2)包括热端(210)和冷端(220)，微型燃气轮机发电机组(1)排出的高温废气流经温差发电装置(2)的热端(210)。温差发电装置(2)可以利用热端(210)和冷端(220)的温差输出直流电能(详见图2及相关描述)。太阳能集热器(5)可以利用太阳能对空气进行预热，经预热空气会输出至微型燃气轮机发电机组(1)的压缩机(110)(详见图4及相关描述)。本实施例通过太阳能集热器(5)对空气进行预热，同时通过温差发电装置(2)对微型燃气轮机发电机组(1)排出的高温废气进行合理利用，极大地提高了系统的热转换效率及能源利用效率。

在一些实施例中，冷却风扇(3)在温差发电装置(2)产生的直流电能的驱动下工作，对电能控制器进行冷却(详见图1及相关描述)。

在一些实施例中，水暖设备(4)进一步利用从温差发电装置(2)的热端(210)流出的高温废气，对冷水进行加热，供应居民生活用热水(详见图3及相关描述)。

在一些实施例中，太阳能集热器(5)安装在建筑物墙面(6)外，与建筑物墙面(6)构成空气流动空腔(7)，以使空气从太阳能集热器(5)通孔中流入空气流动空腔(7)，方便太阳能集热器(5)利用太阳能对空气进行预热(详见图4及相关描述)。

在一些实施例中，空气流动风扇(8)可以控制预热空气的流向，将预热空气从空气流动空腔(7)输出至微型燃气轮机发电机组(1)的压缩机(110)(详见图4及相关描述)。所述空气流动风扇(8)可以为直流风扇，由温差发电装置(2)产生的直流电驱动。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员能够在阅读此详细公开之后理解，前述详细公开只用于通过实例说明，而非限制性的。虽然本文中并没有明确说明，本领域技术人员可能会进行各种修正、改进和修改。这些、修正改进和修改有本披露提议，并且仍属于本披露的示例性实施例的精神和范围。