专利名称：太阳能涡轮膨胀热电联供能源装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种太阳能利用装置，确切地说，涉及一种利用太阳能制成的涡轮膨胀机高速运转而提供电能和热能的动力装置。
太阳能是一个可以源源不断地向人类提供清洁能源的巨大宝库，据估算，地球每年从太阳获得的总能量可达60亿亿度，比目前全世界各种能源产生的能量总和还大两尤力倍，在四十分钟内辐照到地球上的太阳能相当于如今全世界一年的能源消费量。而且，太阳能还是非常清洁的理想能源，几乎不会引起环境污染，太阳能又几乎不受地区限制，地球上的许多地方都可以利用。但是，在地球表面太阳能的密度很低，最高值只有1千瓦／平方米；太阳能的利用还受到地理位置、环境、季节和昼夜变化的影响，这些都给太阳能的开发利用带来了一定的限制。近年来，由于能源需要量的剧增和现有能源的短缺，尤其是七十年代的两次能源危机，使许多国家投入巨资加紧研究和试验新能源，特别重视了对太阳能的开发利用，使之能够满足日益增长的人口和现代化生产与生活的需求。如日本早在1974年就制订了战略性的“阳光计划”，澳大利亚则以大力开发太阳能作为国家的基本能源政策之一。经多年研制开发，太阳能的开发利用技术正处于突破的边缘，如美国已建成了1万千瓦级中央塔式聚焦太阳辐射热发电站；日本完成了1千千瓦级线聚焦太阳辐射热发电站的研制，……我国也在太阳能开发利用上投入了相当大的人力、物力和财力，要使这种新型洁净能源在为人类服务的宏伟事业上作出中华民族的特殊贡献。
本实用新型的目的是提供一种太阳能涡轮膨胀热电联供装置。
本实用新型包括有太阳能集热装置，涡轮膨胀机、电机、热交换器和输送泵，其特征在于其中太阳能集热装置为相互串联的多个真空吸热管构成的梯级升温太阳能锅炉，其中吸热循环工质为丙烷或丁烷；该锅炉输出端接有利用锅炉输出的气相介质膨胀作功的涡轮透平膨胀机，膨胀机的输出轴与稀土全速同步电机的转轴相连，该电机的定子线圈外接有双向可变频逆变器，此逆变器则与供电网相连通；膨胀机的工质输出端与一个热交换器的输入端相连，该热交换器的输出端通过管道与循环输送泵的入口相连通，该泵的出口经一个耐压贮存容器与太阳能锅炉的总输入端相连；有对双向可变频逆变器、输送泵进行控制的可编程计算器。
本实用新型是以太阳能作为无污染的洁净能源制成的小型供能装置，也是以申请人的专利技术《一种梯级升温数控太阳能锅炉》(专利号CN93240399.9)为基础的再创造。它是利用上述专利的太阳能锅炉作为能源采集手段，利用凝固点低、与水不发生化学作用、对金属腐蚀性小、价格便宜、易于获得的丙烷或丁烷作为循环工质和动力涡轮的推动介质，以石油工业通常用于气体处理的涡轮膨胀机作为动力透平，利用申请人另一项专利申请技术《数控全速电力／动力装置》(专利号CN93200001.0)作为数控发电装置，再利用石油气体处理工业用的高效换热器作为热能输出装置而构成的一组热电联供装置。利用真空镀膜吸热管作为采热单元的太阳能锅炉，将多个并排串接排列的吸热管所采集的太阳能，利用台阶式梯级微等差升温方法，使吸热工质(丙烷或丁烷)的温度压力能随着流程顺序逐步上升，既使其末端几个真空吸热管里的吸热工质能达到所需的高温，减少散热损失，又可避免单支吸热管产生大温升而带来效率下降的问题，从而使本实用新型的太阳能采热器在输出吸热工质的温度达到120℃时仍可使装置的采热效率达到80％。
本实用新型的另一特色是按照能量综合利用的概念设计的，既能提供太阳能转化的电能，又可兼供热能。而且，本实用新型中的每个单独装置的功能与普通常规装置的功能是基本相同的；再者，各个基本装置全都可以选择定型的产品组成，这样，为实施本实用新型提供了很大的便利。
图1是本实用新型的结构组成示意图。
参阅
图1、1是太阳能采集器－－梯级升温太阳能锅炉，多个真空吸热管并排串接排列，使其中的循环吸热工质液态丙烷或丁烷在通过每一个真空吸热管时吸收太阳能，其温度和压力都上升一些，从而在其输出端使吸热工质的温度可以达到120℃左右，其压力为2兆泊。在这个状态时，吸热工质流出太阳能锅炉时已经完全成为气相状态。2是涡轮膨胀机，气相丙烷或丁烷的工质进入涡轮膨胀机后膨胀降压、降温，同时推动涡轮机2的涡轮高速旋转，与其同轴的稀土全速同步电机3的装有稀土永磁材料制成磁级的转子31也随之高速转动，此时涡轮的转速可以达到30000转／分，稀土全速同步电机3的定子线圈32上感应生成的高频电势经与其相接的双向可变频逆变器4引出，经逆变器4中的同步装置使该高频交流电逆变到市电网规定的电压(220V)和频率(50HZ)，与电网同步后馈入交流电网5，由此获得电能。吸热工质膨胀做功后，其温度降低到80℃左右，压力降低到0.4兆泊，由膨胀机2输出端引出的工质又经管道进入热交换器6，工质经热交换器6的盘管从其输出端引出时，其温度已接近周围环境温度，此时工质又成为完全的液相，经过管道进入循环输送泵7。从输送泵7输出时，工质增压到1.5～1.8兆泊左右进入耐压储存容器8储存后，又循环输入到太阳能锅炉1的总输入端再次加热，进行新的工作循环。在热交换器6里，冷水可以被工质热能交换而升温至45～50℃而输出，由此获得热能。本实用新型中的可编程控制器9则对可变频逆变器4和循环输送泵7进行实时数字控制，以便装置能处于最佳工况运转。
据试验和测算，将本实用新型的太阳能采热器放置在北京地区的房顶上吸收太阳能，在一方面将投射到建筑物顶上的太阳能被大部分吸收，从而明显减少室内的温升，使室内空调器的用电量也大幅度减少的同时，本实用新型装置还可利用此太阳能转化而提供电能和热能。在夏季，一套采热面积为100平方米的装置可以采集到太阳能40千瓦，大约可以输出电力10千瓦，输出中品位的热能6x104千卡这些能量可以供给具有4～8个多层楼住宅的居住小区使用，如果在建设住宅小区时，将本实用新型的装置设计一起纳入建筑设计之中，对建设费用增加是很有限的，但由此可以获得廉价、节净的能源，所以，本实用新型的应用前景是很诱人的，尤其是在山区、岛屿等远离城市供电网的地区，更是发挥其联合供能长处的比较理想的用武之地。
本实用新型中的基本组成装置都是已定型的系列产品，如涡轮膨胀机可以选用国产专用于气体处理回收轻烃的PE931型号的产品，热交换器是选用石油工业中气体处理工业中使用的非标通用设备，双向可变频逆变器可以选用美国ME.(MECHATRONICEQUIPMENTINC.)公司的BMR系列双向逆变器，或日本富士公司的G7／P7系列逆变器，可编程控制器可以是普通工业过程控制器，也可以是工业控制计算机或与其他设备共用的中央控制计算机等。
权利要求1.一种太阳能涡轮膨胀热电联供能源装置，包括有太阳能集热装置，涡轮膨胀机、电机、热交换器和输送泵，其特征在于其中太阳能集热装置为相互串联的多个真空吸热管构成的梯级升温太阳能锅炉，其中吸热循环工质为丙烷或丁烷；该锅炉输出端接有利用锅炉输出的气相介质膨胀作功的涡轮透平膨胀机，膨胀机的输出轴与稀土全速同步电机的转轴相连，该电机的定子线圈外接有双向可变频逆变器，此逆变器则与供电网相连通；膨胀机的工质输出端与一个热交换器的输入端相连，该热交换器的输出端通过管道与循环输送泵的入口相连通，该泵的出口经一个耐压贮存容器与太阳能锅炉的总输入端相连；有对双向可变频逆变器、输送泵进行控制的可编程计算器。
专利摘要一种太阳能涡轮膨胀热电联供能源装置，是由相互串联的多个真空吸热管构成的梯级升温太阳能锅炉，利用锅炉输出的气相介质膨胀作功的涡轮膨胀机，与膨胀机同轴的稀土全速同步电机及其外接的双向可变频逆变器，热交换器循环输送泵、耐压储存容器和可编程控制器所构成的一组热电联供装置。本实用新型结构紧凑，效率高，是按照能量综合利用概念，充分利用现有各种定型基本装备的特点、功能组合而成的新型动力装置。
文档编号F24J2/42GK2199500SQ9420261
公开日1995年5月31日 申请日期1994年2月5日 优先权日1994年2月5日
发明者石行 申请人:北京市西城区新开通用试验厂