光伏光热全转换自动跟踪全天候集成风光能智能发电系统的制作方法

1.本发明是一种全天候集成太阳光伏、光热全转换及风能的全自动跟踪太阳、风向的智能高效发电系统，属于发电设备领域。


背景技术：

2.纵观全球，随着工业化程度不断提高，能源需求和消耗不断增长；然而在能源领域的技术发展远远跟不上时代进步的步伐，世界能源结构仍然摆脱不了依赖化石能源的局面，这种化石能源是一种不可持续、迟早会枯竭的能源，更重要的是消耗的化石能源所产生的废气污染地球大气，过度排放的二氧化碳造成地球室温效应日趋严重，直接威胁到人类的生存。
[0003][0004]
在新能源技术领域中，污染最小、前途最广阔的就是太阳能发电(包括风能)，我国在太阳能发电领域中，光伏发电、风力发电技术尚处于国际领先地位；然而由于太阳能发电受气候条件、地缘环境变化，目前的分布式光伏电站、少量的光热电站及风力发电系统，总体上存在发电效率低下的问题，只能在太阳能、风能较富裕地区使用，难以在全国、全球广泛应用。
[0005]
本发明就是一种能自动跟踪太阳光、风向的发电系统，将太阳光通过特殊的光学系统将其中的可见光部分转化为高光照强度的平行冷光束，并投射到多结密栅聚光光伏电池而直接发电，同时这个光学系统又能将不可见的红外线热能经反射聚焦于一个特殊真空集热管上，这个真空集热管能让聚焦的红外线能加热其内部的传热工质，被加热的传热工质进入储罐并经热交换器再次加热而成热机工质，热机工质驱动“多维磁悬浮态”的多级涡轮机，进而带动“多级磁悬浮态”多级发电机发电。
[0006]
这些特殊真空集热管处于光学系统不同部位的焦斑上，它们采用不同传热工质、形成多种温度段的热机热循环系统，可以分别吸收系统各温度段的热量，经加热成热机工质，驱动
″
多维磁悬浮态
″
多级涡轮机，进而带动“多维磁悬浮态”多级发电机发电。
[0007]
另外，本发电系统在自动跟踪太阳的机架上安装了升力型高速螺旋桨风力机及阻力型贯流式低速风机，并用多级“多维磁悬浮态”加速器藕联于一个传动链之中，并通过计算机计算确定对太阳和风的自动跟踪动作，也通过计算机对发出电能的输出，热发电的传热工质的加热、储存、热交换和热发电过程进行智能管理，同时通过计算机对风力机、风力能储存、风力机发电过程进行智能化管理，由于风力机和所有动力机械、自动化的所有环节全面采用“磁悬浮态”设计，整个发电系统的发电能力可以是传统光伏、光热发电的3-6倍，而发电成本仅为光伏发电的50％，设备回收期为2-5年，设备使用寿命是20年。
[0008]
本发明的发电设备可以在国内绝大部分地区推广使用，不仅可供阳光、风力资源丰富地区建造大型电站，也适合全国绝大部分地区的企业、工厂、医院、社区、住宅、学校、机关、军队、海岛、边防地区以及深山老林、电网很难布局的偏僻、贫困地区建造中、小型电站。
[0009]
本发明是基于对现有光伏、光热、风力发电的技术原理和结构的剖析，针对所发现
的问题而发明的这种高效智能发电系统。


技术实现要素：

[0010]
本发明针对目前国内外现有广泛应用的太阳能光伏分布式发电站、太阳能光热发电站(包括塔式、槽式和蝶式)和已经广泛采用的升力型螺旋桨发电机所存在的实际利用效率低的状态，对其进行了技术剖析，认为以上这些系统存在一些原理上的缺陷。
[0011]
分布式光伏电站实际上是一种最简单的广种薄收理念的发电系统，虽然其有结构简单、维护简便的优点，但它只能用于太阳光较富裕地区，发出的电需用超高压直流电网输送至遥远的用电量极大的工业化地区，总体计算其设备投入还是相当大的。
[0012]
光伏电站的光伏电池发电存在一个原理上的缺陷，即不能将太阳光中约50％的不可见红外线热能转化为电能，而且高温下强烈的分子热运动妨碍了光伏电池的光电转换效率，使光伏发电效率明显下降，即光伏发电站在发电原理上已放弃了50％的热能利用。
[0013]
而光热发电与光伏发电恰恰相反，用反射聚焦法收集并提高了热能的能级，但放弃了太阳光中的光能(冷光)。经对目前采用的塔式反射聚焦形式的发电系统的技术剖析可发现，在空旷的空中悬挂一个大锅炉的换热方式其效率明显很低；而且同样弃用了太阳光中约占50％的冷光光能。
[0014]
另外光热发电受气候制约的影响远超光伏发电，光伏发电在多云、阴雨天气皆可发电，只是发电能力下降了；然而光热发电要有特殊的光学气候环境，即太阳光富裕地区，在多云、阴雨天时就基本停止发电，因此这类光热发电能力其实很难超越光伏发电效率，光热发电设备的投入往往是同等发电能力的光伏发电设备的5～20倍。
[0015]
目前的风力发电机几乎全部采用仿制国外的升力型螺旋桨高速风机，它是一种低转矩高速风机，实际上只适用于风力能富裕地区，在其他地区往往是风机停止时间远超风机运转时间，其风能转换效率最高是在40％以下。
[0016]
本发明是基于对现有光伏、光热、风力发电技术原理和结构的剖析，针对所发现的问题而发明的这种高效智能发电系统。
[0017]
本发明的核心技术内容如下：
[0018]
首先采用了特殊形状和功能的反射聚光镜组合，这些发射聚光镜表面作了特殊处理并且沿中心轴排列组合。
[0019]
在反射聚焦焦斑处布置了多个特种真空集热管，而且在中心轴线处、与特种真空集热管的相向位置上布置了多个各种形状的换热器；换热器内部的传热工质可将其吸收的红外线热能加热换热器内热工工质，该热工工质可用于热发电。
[0020]
这个换热器与射入红外线的相向表面设置了多结密栅聚光光伏电池板，用于接受来自于特殊真空集热管的冷光镜面反射出的高光照强度平行冷光束，光伏电池板接受了高光照强度的平行冷光束并直接将它转化为电能。
[0021]
设置于聚焦反射镜发射聚焦斑处的多种真空集热管的相向面有冷光镜面，它既能将入射聚焦光转化为反射高光照强度的平行冷光束，同时又能让聚焦的红外线热能透过镜面聚焦到多种特殊真空集热管中心的不锈钢管上，由于管内充满不同的传热工质(盐、油、低熔点金属)，这些传热工质吸收被聚焦的红外线热能后被输送到储罐，再经热交换器将热量汽化热机工质，并由热机工质驱动多级“多维磁悬浮态”涡轮机，进而带动多级“多维磁悬
浮态”发电机发电。
[0022]
按照以上所述的原理，可开发出多种光学系统供选择，前面的“权利要求书”中已列出九种典型的光学系统，它们可适用于不同气候条件和不同地域使用，可以建立数学模型，通过对气象大数据的计算，提出设计最高发电效率的发电系统的可靠数据。
[0023]
按以上所述原理设计的光学系统、包括已列出的九种典型光学系统可全部实现光伏发电和光热发电的高效全转换，这类光学系统能获得高光照强度的冷光束，能使发电系统具有光能高转换效率，为聚光光伏电池创造了基础条件。由于光伏元件在发电系统中的使用量是随着光学系统聚焦比的增加而成数量级的大幅度减少，因此可使发电系统的制造成本明显下降。
[0024]
按以上所述原理设计的光学系统通过多级反射聚焦，在中心位置上布置的各温度段特殊真空集热管的采热系统可囊括全部有用热能的高效收集，本系统通过采用不同工质、多重热循环、多级“多维磁悬浮态”涡轮机和多级“多维磁悬浮态”发电机，使整个发电系统的每个环节都能达到高效节能的目标。
[0025]
本发明中的所有机械传动和动力机械，即涡轮机、发电机、风力机都采用多级“磁悬浮态”设计，能使发电系统的发电效率进一步提高。
[0026]
同样，对于发电系统中集成安装的升力型螺旋桨风力机和阻力型贯流式风力机也设计成“多维磁悬浮态”，可有效解决在非风场条件下风力机长时间发电的问题，建立了与电网友好匹配的条件，更有利解决风力机的噪音和生态问题。
[0027]
由于整个发电机组的所有传动链全部采用“多维磁悬浮态”设计，传动链的长度对系统传动效率影响极小，使机组设计中的传动链设计可更符合总体系统发电要求，譬如阻力型、贯流型风力机输出扭矩较大，可达到延长运转时间、降低噪音的目的。
[0028]
上述发电系统中的光伏、光热、和风力发电采用的自动跟踪传动系统是多种发电模块所共享的，同时对前述的光伏、光电和风力发电中的dc/dc转换器、dc/ac逆变器、输出控制器、储电蓄电池、“多维磁悬浮态”多级发电机、以及热能管理控制器全部是资源共享的，由此可提高整个系统的使用率并降低了机组制造成本。
[0029]
在上述的发电系统中，为提高热电系统的发电效率，对光热发电模块中的多种光学系统采用了多个特殊真空集热管，它们能高效捕获不同温度段的热量，采用不同热机工质在多级“多维磁悬浮态”涡轮机都实施驱动，从而获得较高的发电效率，即可实现超过“金兰”循环、甚至超过日本发明的“上原”循环的热发电效率。
[0030]
本发明与现有光伏、光电发电技术和单纯的风力发电系统相比具有以下明显优势：
[0031]
结构紧凑、功能强大，发电效率是分布式光伏发电站、光热发电站及单纯风力发电系统的3-6倍(按照同等采光、采风面积计算)。
[0032]
由于发电系统中的传动系统、动力机、发电机、风力机全部为“多维磁悬浮态”、多种光学系统能实现光伏、光热同时全转换，而且是对气象大数据经计算后获得的最高发电能力的发电系统。
[0033]
这是一个与环境友好并能与电网亲和的发电系统，是一个理想的、清洁无污染的发电系统，适合建造大型电站，也适合全国绝大部分地区的企业、机关、医院、学校、部队、工厂、住宅、边防、海岛以及电网无法企及的深山老林等地区建立中小型电站。
[0034]
由于发电系统中的每个发电模块充分实现资源共享和智能化计算机管理，使用方便，维护成本低廉，适合推广使用；并且在同等发电能力下，设备制造成本较低，设备运行回收期较短，一般为2-5年，设备的使用寿命为20年，与分布式光伏发电站相当。
附图说明
[0035]
附图1为本发明具体实施的全天候集成太阳能、风能、光伏光热全转换，自动向阳向风跟踪发电系统原理方框图。
[0036]
附图2为本发明具体实施的以ii型光学系统为原理的全天候集成太阳能、风能、光伏光热全转换，自动跟踪太阳和风的智能发电系统示意图。
[0037]
附图3为本发明具体实施的全天候集成太阳能、风能、光伏光热全转换，自动跟踪太阳和风的智能高效发电系统的多工质内循环热发电系统原理图。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步介绍，但不作为对本发明的限定。
[0039]
参照图1所示，一种全天候集成太阳能、风能、光伏光热全转换自动跟踪太阳和风的发电系统原理方框图，从图1可以看出，发电系统包括以下5个模块，其中1为采用i～ix光学系统的自动跟踪太阳和风的模块；其中2为光伏发电模块；其中3为光热发电模块；其中 4为风力机发电模块；其中5为自动控制智能化管理模块。
[0040]
从图2可以看出，这个以ii型光学系统组装的发电系统，其中17为3个特殊真空集热管，它们能高效收集红外线热能，并对不同的传热工质进行加热，然后将传热工质输送至转台25 上的储罐中，当储罐不够用时，可以通过转台25上的中心轴管道经过快装接头从管道输出或输入至固定放置的热罐群中，热罐中配置了热交换器，能将储存的热量加热热机工质，再由热机工质驱动多级“多维磁悬浮态”涡轮机，进而带动多级“多维磁悬浮态”发电机发电，在plc计算机管理下实现智能化，向负载或蓄电池或电网供电。
[0041]
同时，这3个特殊真空集热管(17)又能将可见光转化为高光照强度的平行冷光束，该冷光束被光学系统中的聚光光伏电池板高效转换成电能，并通过电缆经plc计算机智能化管理，向负载或蓄电池或电网送电。
[0042]
另外，图2中所示的19为升力型螺旋桨高速风机，21为阻力型贯流式低速风机，它们通过多级“多维磁悬浮态”加速器产生的高速带动多级“多维磁悬浮态”发电机发电。同样，由plc计算机智能化管理，向蓄电池、负载或直接上网送电。
[0043]
另外，图2中所示的19为升力型螺旋浆高速风机，21为阻力型贯流式低速风机，它们通过多级“多维磁悬浮态”差动行星齿轮加速器产生的高速带动多级“多维磁悬浮态”发电机发电，同样由plc计算机智能化管理，向蓄电池、负载、或直接上网送电。
[0044]
二种风机(19和21)由多个传动副链接后输入多级“多维磁悬浮态”加速器，同时这多个传动副还联接机械蓄能器(图中13)，可适当储能，当风力过大时可通过传动副并通过转台中心轴，经过基座上的输出轴，再通过电磁离合器向固定的机械蓄能池组或惯性飞轮群或热机工质的高压气泵加压并进入储罐，这就将多余的机械能储存下来供风能变小时继续通过热机发电，或通过电磁离合器释放储存在惯性飞轮群中的机械能继续发电，从而为全天候发电创造条件。
[0045]
对这个风力发电机组不设计变浆减荷部件，在足够传动刚性和足够大的反向力矩传动系统支持下，可达到最大的储能效果，从而提高发电系统的总体发电效能。
[0046]
从附图2中可以看出，底盘22固定于支承体上，其上面固定有园环形齿条24和环形工字钢轨，由4个滚轮组件支承平面25，这平面25上安装有立柱一个或2个，这二个立柱支承着整个自动跟踪太阳和风向的机械传动机构。而且平台上安装了足够的各种传热工质和热机工质的储存罐，还有多钟传热工质和热机工质的泵站，热发电机组，并通过多级“多维磁悬浮态”加速器藕联风力机，能将风力机的机械能和热电转换器的机械能加和在一起发电。
[0047]
以上机组安装于同一个平台(25)上，然后通过其二个立柱上的传动部件传动齿轮在底盘上的环形齿条上作行星运动，从而带动整个机组绕圆形底盘(22)的中心旋转，以满足跟踪太阳和风向的要求。
[0048]
为力求传动系统获得高传动效率，必须有反向制动力矩，传动部件采取了力矩马达-减速器-精密滚珠丝杆传动-精密齿轮齿条传动-传动箱传动齿轮与环形齿条(24)的啮合转动，带动平台(25)沿转台中心旋转，而二个立柱都设置了图示中的传动部件10，这个传动部件是一个由力矩马达-减速器-滚珠丝杆的直线升降传动链，该传动链同样具备高反向制动力矩能力，图中的2个立柱可上下移动，在它上面有一个铰接安装的组件，这组件可通过力矩电机
→
减速器
→
滚珠丝杆
→
精密齿轮齿条
→
分度传动箱
→
摆动臂的摆动跟踪太阳和风作纬向运动，在这摆臂(5)的上端部布置了一个组件11，它是一个传动原理相同的传动机构，能完成跟踪太阳和风所需的径向摆动工作。
[0049]
附图3是本发明的全天候集成太阳能、风能、光伏、光热全转换自动跟踪太阳和风的智能高效发电系统双工质、热能内循环原理图。其中1就是发电系统中传热工质，被泵入热交换器，并被加热的热机工质水加热到400度以上，产生的过热蒸汽经汽、水分离器2分离出高压高温气体进入二级涡轮机4带动多级发电机发电，同时，进入汽、水分离器的过热蒸汽经分离出的热水进入热交换器23，通过热交换器的再加热，从涡轮机第一级排出的废气经过汽水分离器19分离出的热水再经3分离出较高温的蒸汽(約250度左右)进入涡轮机的第二级进行发电。
[0050]
这第二级排出的废气经冷凝器17转化为液体，即热水(温度约60-80度c)，再进入热交换器16加热第二工质(氨水)，被加热的氨水急骤膨胀，经气液分离器5后输入并驱动第二个二级涡轮机从而带动发电机发电。从第二个二级涡轮机第一级中释放出的废气进入气、液分离器15，被分离出的氨水进入热交换器11，由它加热第二个涡轮机排出的第二级废气，这废气经气、液分离器后与经换热器6加热的气体一起输入第二个涡轮机的第二级涡轮机中进行发电。这第二个涡轮机的废气排出后进入热交换器9加热，然后输入换热器11再加热，经气、液分离器15分离，最后进入第二个汽轮机的第二级而参与发电。冷凝器10与室外冷却器8连为一体，以加强冷凝作用。13、18为输送泵，分别输送2个热机工质(水和氨水)， 12和14二个电磁阀具有控制输送循环程序和流量的作用。
[0051]
以上热循环的热回收效率可以达到或超过金兰循环和日本上源循环的水平。