一种太阳能低温差发电装置的制作方法

本发明属于太阳能发电领域，具体涉及一种太阳能低温差发电装置。

背景技术：

太阳能是最重要的可再生能源之一，太阳能低温差发电是继光伏发电之后最具竞争力的太阳能发电技术。太阳能低温差发电模块及系统一是指系统工作总体温度较低，二是指工作温度范围较小，以区别太阳能高温发电。太阳能低温差发电可以实现建筑一体化、模块化及小型化，可形成完全独立的分布式局域能源系统。与太阳能低温差发电相关的技术还有海洋温差发电。

太阳能光伏发电是将太阳光能通过光伏组件直接转化为电能；太阳能高温发电是将太阳光能聚光以得到～300℃以上的高温蒸汽，通过高温汽轮机带动发电机发电；海洋温差发电是以海洋表层海水作为热源，海洋深层海水作为冷源，以低沸点工质驱动低温汽轮机带动发电机发电。

光伏发电组件安装简便，可以与建筑结合，但其具有以下不足：

(1)光电转化效率低，常见硅晶组件光电转化率只有～15％；

(2)间歇、不稳定，夜间及阴天不能发电；

(3)发电成本高；

(4)输出电流为直流电，需通过逆变器转换成交流电；

(5)需蓄、放电系统，蓄电池寿命一般只有3～5年，且会造成环境污染；

(6)硅晶材料生产过程能耗巨大，污染严重。

此外，小型半导体太阳能温差发电装置，除了具有与光伏发电类似的不足外，还具有原料稀缺及难以规模化等缺陷。

以槽式、碟式及塔式等各种聚光方式为特征的太阳能高温发电，不论发电设备是蒸汽轮机还是斯特林热气机，除具有与普通火力发电类似的特点外，仍然存在间歇、不稳定、系统可靠性低、维护成本高等缺陷，适合建立大型的太阳能发电场，难以小型化。

海洋温差发电系统要求海水必须具有尽量大的温差，即海洋必须具有一定的深度且只能在低纬度海域；而且由于表层海水温度高，深层海水温度低，海洋温差发电必须工质泵、热水泵、冷水泵等耗能设备，大大降低其有效发电功率。海洋环境对系统的可靠性具有很高的要求。

申请号200910072534.4的专利提出了一种地热能或太阳能温差发电方法及应用方案，涉及冷却塔在内的几十种装置及工程设施，结构庞杂，其对设备运行的稳定性及系统可靠性要求很高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种太阳能低温差发电装置，其结构简单合理，成本低，以水作为蓄能体，不需要蓄电池，而且发电效率高，此外本发明的发电装置可以独立运行，也可以联机运行，使用范围广。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种太阳能低温差发电装置，包括太阳能热水集热及蓄热子系统、分体式重力热管传热子系统以及一体化的全封闭汽轮机与永磁发电机子系统；所述太阳能热水集热及蓄热子系统包括太阳能集热装置、管道、蓄热水槽、蓄冷水槽和循环泵，所述蓄热水槽和蓄冷水槽不等高、不等温，蓄热水槽设于低位，蓄冷水槽设于高位，蓄冷水槽的底部至少高于低位蓄热水槽的顶部，蓄热水槽和蓄冷水槽之间形成水位高差和温差；蓄冷水槽内蓄有冷水，蓄冷水槽的顶部设有出水管，蓄冷水槽的底部设有补水管；太阳能集热装置通过管道与蓄热水槽连通，管道上设有循环泵，太阳能集热装置产生的温水或热水通过管道进入蓄热水槽；3个子系统相互连接组成集热、蓄热、传热及发电模块，太阳能热水集热及蓄热子系统提供系统工作所需的热能及温差，分体式重力热管传热子系统将热能转化为低沸点工质压差势能及运动动能，全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统将低沸点工质动能转化为机械能及电能。

进一步，所述太阳能集热装置可以包括一组太阳能集热模块，也可以由多组太阳能集热模块串、并联而成，因此既可以小型化，又可以扩展；本发明的发电装置可以独立运行，也可以联机运行，使用范围广。

本发明中，3个子系统通过互相连接组成集热、蓄热、传热及发电模块，太阳能热水集热及蓄热子系统提供系统工作所需的热能及温差，分体式重力热管传热子系统将热能转化为低沸点工质压差势能及运动动能，全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统将低沸点工质动能转化为机械能及电能。系统同时输出热水及电力，综合效率提高。用蓄热水槽蓄能，系统可以连续输出单相或三相交流电。

本发明的太阳能低温差发电装置通过以下具体方案实施：通过太阳能集热装置将5～30℃的冷水加热至35～70℃的热水或温水，高位蓄冷水槽内为自然环境中的自来水，因此低位蓄热水槽与高位蓄冷水槽形成了30℃左右或以上的温差。本发明中，太阳能集热装置可与建筑一体化，可独立运行，也可以由多个太阳能集热装置联机运行，使用范围广。

本发明中，太阳能集热装置产生的温水或热水通过管道进入低位蓄热水槽，太阳能集热装置与低位蓄热水槽的管道通过循环泵提供循环动力；高位蓄冷水槽蓄有冷水，高位蓄冷水槽内的冷水通过补水管补给，补水管接通的是自来水，因此补充的水为自然环境中的冷水源(自来水)，能耗低，更为节能；高位蓄冷水槽内的冷水温度升高至与低位蓄热水槽的水温接近到一定程度时通过出水管流出，且可以作为生活热水或温水使用，以提高热水利用率，并通过补水管向高位蓄冷水槽补充自然环境中的自来水，太阳能集热装置为低位蓄热水槽源源不断地提供热量，维持了低位蓄热水槽与高位蓄冷水槽的水温差，低位蓄热水槽与高位蓄冷水槽协同工作。本发明通过以上冷、热水系统共同组成太阳能热水集热及蓄热子系统，提供太阳能低温差发电模块及系统的冷、热源，形成温差及动力源。本发明结构简单合理，成本低，以水作为蓄能体，不需要蓄电池，系统自身能耗低。

进一步，本发明的分体式重力热管传热子系统为分体式重力热管换热器，所述分体式重力热管换热器作为热能与动力转换器，包括以下部件：蒸发端组件，冷凝端组件，总上升管，总下降管；蒸发端组件设于蓄热水槽内并浸在热水中，冷凝端组件设于蓄冷水槽内并浸在冷水中，形成分体式重力热管换热器工作所需的高差和温差；总上升管连通蒸发端组件的上端与冷凝端组件的上端，总下降管连通蒸发端组件的下端与冷凝端组件的下端，低沸点工质在分体式重力热管换热器中以高差和温差为动力实现自动循环；总上升管上设有调节阀、压力表、压力表阀和排气阀，总下降管上设有灌注阀。分体式重力热管换热器的作用是将太阳能热水集热及蓄热子系统的温差热能转化为低沸点工质压差势能及运动动能。

进一步，所述一体化的全封闭汽轮机与永磁发电机子系统作为发电装置，包括以下部件：圆筒形汽轮机定子及其上端盖和下端盖，汽轮机永磁转子组件，定子绕组，输出电流接线柱；上端盖和下端盖分别连通上接口和下接口，全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统通过上接口和下接口与分体式重力热管换热器的总上升管串联连通；汽轮机永磁转子组件通过上、下轴承及分孔轴承座组件悬挂并固定在上、下支撑轴之上；以上构件完全封闭在圆筒形汽轮机定子及其上端盖和下端盖之中，定子绕组有散热外壳保护套；一体化的全封闭汽轮机与永磁发电机子系统直接垂直串联装配在分体式重力热管换热器的总上升管上，低沸点工质在二者共同形成的串联回路上通过高差和温差自动循环，而不需要其它额外的动力。

本发明中，全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统直接垂直串联装配在分体式重力热管换热器的总上升管上，低沸点工质在二者共同形成的串联回路上通过高差和温差自动循环，而不需要工质泵等额外耗能设备，提高了系统整体效率。全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统将低沸点工质压差势能及运动动能转化为永磁转子高速旋转运动的机械能同时形成旋转磁场，旋转磁场与定子绕组通过切割磁力线产生并输出电能。只要太阳能热水集热及蓄热子系统的温差达到启动温差，系统即可以连续输出单相或三相交流电。

此外，本发明的太阳能低温差发电装置很容易与地热、工业余热及生物质能热源结合，也可以用任何矿物燃料热能驱动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的3个子系统可以通过互相连接组成集热、蓄热、传热及发电模块，系统的发电装机容量可以小型化或加以扩展。

(2)太阳能热水集热及蓄热子系统采用高位蓄冷水槽和低位蓄热水槽不等高、不等温的双水槽布置，二者形成一定的水位高差和温差。分体式重力热管换热器的蒸发端组件置于低位蓄热水槽并浸在热水中，冷凝端组件置于高位蓄冷水槽并浸在冷水中，形成分体式重力热管换热器工作所需的高差和温差。

(3)高位蓄冷水槽所蓄冷水被加热后，将上层部分热水作为采暖或其它生活热水使用并补充冷水，即可维持其较低的温度；低位蓄热水槽所蓄热水则通过太阳能集热装置维持其较高的温度。如此，既可省去冷却塔能耗，又可实现热电联产，提高综合效率。

(4)高位蓄冷水槽和低位蓄热水槽通过水体置换循环，形成上高下低的温度梯度，分体式重力热管换热器的蒸发端组件和冷凝端组件实现梯度蒸发和梯度冷凝，提高系统运行的稳定性。

(5)全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统直接垂直串联装配在分体式重力热管换热器的总上升管上，低沸点工质在二者共同形成的串联回路上通过高度差和温差自动循环，而不需要工质泵等额外耗能设备，提高系统整体效率。

(6)全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统中，工质在完全封闭的空间工作，只有汽轮机永磁转子组件为唯一的运动部件，其与其它构件不存在动密封，系统安全、可靠。

(7)全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统，汽轮机永磁转子组件将磁场直接传导至圆筒形汽轮机定子外壳及其上的定子绕组，通过旋转磁场产生电流，系统整体性好、结构简单。

(8)本发明所提供的一种太阳能低温差发电模块及系统，由于系统可以全天候连续运行，额定功率的主机，发电量为同样装机容量光伏发电的数倍。工作温度接近常温，对材料性能要求低；启动温差低，不需要启动电流。产生的电流为交流电，不需要逆变器；以水作为蓄能体，不需要蓄电池，以蓄热水槽代替蓄电池组。集热、蓄热和发电，可以独立运行，也可以联机运行，通过调整集热、蓄热和发电系统的功率配置，可以实现整个系统效率的最大化。系统可实现热电联产，大大提高系统综合性能。系统只有低温汽轮机永磁转子组件唯一的运动部件，系统运行稳定，维护简便。

(9)本发明所提供的一种太阳能低温差发电模块及系统，是以太阳能为热源，自然环境为冷源，通过冷、热源之间的温差工作；不要求很高的温度，甚至不要求很高的温差，不论是夏天可以得到70℃以上的热水，还是冬天即使只能得到30℃左右的温水，只要冷、热源之间有一定的温差，系统就可以连续运行。夏天，虽然环境温度高，但由于集热效率也高，可以得到高温热源，从而获得所需的温差；冬天，虽然集热效率低，所得热源温度低，但环境温度更低，同样可以获得需要的温差。通过大体积蓄热，可以降低昼夜及天气变化产生的温度波动，使系统可以全天候连续、平稳运行。

(10)本发明的太阳能低温差发电装置很容易与地热、工业余热及生物质能热源结合，也可以用任何矿物燃料热能驱动。

附图说明

图1为本发明的太阳能热水集热及蓄热子系统的结构示意图；

图2为本发明的分体式重力热管传热子系统的结构示意图；

图3为本发明的全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统及其立体分解示意图；

图4为本发明的3个子系统的连接示意图；

其中，1-太阳能热水集热及蓄热子系统；2-分体式重力热管传热子系统；3-全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统；

11-太阳能集热装置；12-管道；13-蓄热水槽；14-蓄冷水槽；15-循环泵；

21-蒸发端组件；22-冷凝端组件；23-总上升管；24-总下降管；25-压力表；26-灌注阀；27-排气阀；28-调节阀；

251-压力表阀；

31-圆筒形汽轮机定子；32-上端盖；33-下端盖；34-汽轮机永磁转子组件；35-定子绕组；36-输出电流接线柱；37-上接口；38-下接口；39-上轴承及分孔轴承座组件；310-下轴承及分孔轴承座组件；311-上支撑轴；312-下支撑轴；313-散热外壳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

以下的具体实施方式是为了便于更好地理解本发明，但并不用于限定本发明。

一种太阳能低温差发电装置，包括太阳能热水集热及蓄热子系统1、分体式重力热管传热子系统2以及一体化的全封闭汽轮机与永磁发电机子系统3；所述太阳能热水集热及蓄热子系统1包括太阳能集热装置11、管道12、蓄热水槽13、蓄冷水槽14和循环泵15，所述蓄热水槽13和蓄冷水槽14不等高、不等温，蓄热水槽设于低位，蓄冷水槽设于高位，高位蓄冷水槽的底部至少高于低位蓄热水槽的顶部，蓄热水槽和蓄冷水槽之间形成水位高差和温差；蓄冷水槽内蓄有冷水，蓄冷水槽的顶部设有出水管(图中省略未画出)，蓄冷水槽的底部设有补水管(图中省略未画出)；太阳能集热装置11通过管道与蓄热水槽连通，管道上设有循环泵，太阳能集热装置产生的温水或热水通过管道进入蓄热水槽；3个子系统相互连接组成集热、蓄热、传热及发电模块，太阳能热水集热及蓄热子系统提供系统工作所需的热能及温差，分体式重力热管传热子系统将热能转化为低沸点工质压差势能及运动动能，全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统将低沸点工质动能转化为机械能及电能。本实施例中，太阳能集热装置由多组太阳能集热模块串联或并联而成。

本实施例中，所述分体式重力热管传热子系统2为分体式重力热管换热器，所述分体式重力热管换热器作为热能与动力转换器，包括以下部件：蒸发端组件21，冷凝端组件22，总上升管23，总下降管24；蒸发端组件21设于蓄热水槽13内并浸在热水中，冷凝端组件22设于蓄冷水槽14内并浸在冷水中，形成分体式重力热管换热器工作所需的高差和温差；总上升管23连通蒸发端组件的上端与冷凝端组件的上端，总下降管连通蒸发端组件的下端与冷凝端组件的下端，低沸点工质在分体式重力热管换热器中以高差和温差为动力实现自动循环；总上升管上设有调节阀28、压力表25、压力表阀251和排气阀27，总下降管上设有灌注阀26。分体式重力热管换热器的作用是将太阳能热水集热及蓄热子系统的温差热能转化为低沸点工质压差势能及运动动能。

进一步地，所述全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统作为发电装置，包括以下部件：圆筒形汽轮机定子31及其上端盖32和下端盖33，汽轮机永磁转子组件34，定子绕组35，输出电流接线柱36；上端盖32和下端盖33分别连通上接口37和下接口38，全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统3通过上接口37和下接口38与分体式重力热管换热器的总上升管23串联连通；汽轮机永磁转子组件34通过上、下轴承及分孔轴承座组件39和310悬挂并固定在上、下支撑轴311和312之上；以上构件(指圆筒形汽轮机定子及其上端盖和下端盖，汽轮机永磁转子组件，定子绕组以及输出电流接线柱，上接口，下接口，上轴承及分孔轴承座组件，下轴承及分孔轴承座组件，上支撑轴，下支撑轴)封闭在散热外壳组件313之中；全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统直接垂直串联装配在分体式重力热管换热器的总上升管上，低沸点工质在二者共同形成的串联回路上通过高差和温差自动循环。

本发明中，3个子系统通过互相连接组成集热、蓄热、传热及发电模块，太阳能热水集热及蓄热子系统提供系统工作所需的热能及温差，分体式重力热管传热子系统将热能转化为低沸点工质压差势能及运动动能，全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统将低沸点工质动能转化为机械能及电能。系统同时输出热水及电力，综合效率提高。用蓄热水槽蓄能，系统可以连续输出单相或三相交流电。

本发明的太阳能低温差发电装置通过以下具体方案实施：通过太阳能集热装置将5～30℃的冷水加热至35～70℃的热水或温水，高位蓄冷水槽内为自然环境中的自来水，因此低位蓄热水槽与高位蓄冷水槽形成了30℃左右或以上的温差。本发明中，太阳能集热装置可与建筑一体化，可独立运行，也可以由多个太阳能集热装置联机运行，使用范围广。

本发明中，太阳能集热装置产生的温水或热水通过管道进入低位蓄热水槽，太阳能集热装置与低位蓄热水槽的管道通过循环泵提供动力；高位蓄冷水槽蓄有冷水，高位蓄冷水槽内的冷水通过补水管补给，补水管接通的是自来水，因此补充的水为自然环境中的冷水源(自来水)，能耗低，更为节能；高位蓄冷水槽内的冷水温度升高至与低位蓄热水槽的水温接近到一定程度时通过出水管流出，并通过补水管向高位蓄冷水槽补充自然环境中的自来水，太阳能集热装置为低位蓄热水槽源源不断地提供热量，维持了低位蓄热水槽与高位蓄冷水槽的水温差，低位蓄热水槽与高位蓄冷水槽协同工作。本发明通过以上冷、热水系统共同组成太阳能热水集热及蓄热子系统，提供太阳能低温差发电模块及系统的冷、热源，形成温差及动力源。本发明结构简单合理，成本低，以水作为蓄能体，不需要蓄电池，内部能耗低。

本发明中，全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统直接垂直串联装配在分体式重力热管换热器的总上升管上，低沸点工质在二者共同形成的串联回路上通过高差和温差自动循环，而不需要工质泵额外耗能设备，提高系统整体效率。全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统将低沸点工质压差势能及运动动能转化为永磁转子高速旋转运动的机械能同时形成旋转磁场，旋转磁场与定子绕组通过切割磁力线产生并输出电能。只要太阳能热水集热及蓄热子系统的温差达到启动温差，系统即可以连续输出单相或三相交流电。

本发明的优点如下：

(1)本发明的3个子系统可以相互连接组成集热、蓄热、传热及发电模块，系统的发电装机容量可以小型化或加以扩展。

(2)太阳能热水集热及蓄热子系统采用高位蓄冷水槽和低位蓄热水槽不等高、不等温的双水槽布置，二者形成一定的水位高差和温差。分体式重力热管换热器的蒸发端组件置于低位蓄热水槽并浸在热水中，冷凝端组件置于高位蓄冷水槽并浸在冷水中，形成分体式重力热管换热器工作所需的高差和温差；需要指出的是：可以省去高位蓄冷水槽，而用环境空气冷却，但这样会降低冷凝效率和降低热水利用率从而降低系统总体效率。

(3)高位蓄冷水槽所蓄冷水被加热后，将上层部分热水作为采暖或其它生活热水使用并补充冷水，即可维持其较低的温度；低位蓄热水槽所蓄热水则通过太阳能集热装置维持其较高的温度。如此，既可省去冷却塔能耗，又可实现热电联产，提高综合效率。

(4)高位蓄冷水槽和低位蓄热水槽通过水体置换循环，形成上高下低的温度梯度，分体式重力热管换热器的蒸发端组件和冷凝端组件实现梯度蒸发和梯度冷凝，提高系统运行的稳定性。

(5)全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统直接垂直串联装配在分体式重力热管换热器的总上升管上，低沸点工质在二者共同形成的串联回路上通过高差和温差自动循环，而不需要工质泵等额外耗能设备，提高系统整体效率。

(6)全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统中，工质在完全封闭的空间工作，只有汽轮机永磁转子组件为唯一的运动部件，其与其它构件不存在动密封，系统安全、可靠。

(7)全封闭汽轮机与永磁发电机一体化子系统，汽轮机永磁转子组件将磁场直接传导至圆筒形汽轮机定子外壳及其上的定子绕组，通过旋转磁场产生电流，系统整体性好、结构简单。

(8)本发明所提供的一种太阳能低温差发电模块及系统，由于系统可以全天候连续运行，额定功率的主机，发电量为同样装机容量光伏发电的数倍。工作温度接近常温，对材料性能要求低；启动温差低，不需要启动电流。产生的电流为交流电，不需要逆变器；以水作为蓄能体，不需要蓄电池，以蓄热水槽代替蓄电池组。集热、蓄热和发电，可以独立运行，也可以联机运行，通过调整集热、蓄热和发电系统的功率配置，可以实现整个系统效率的最大化。系统可实现热电联产，大大提高系统综合性能。系统只有低温汽轮机永磁转子组件唯一的运动部件，系统运行稳定，维护简便。

(9)本发明所提供的一种太阳能低温差发电模块及系统，是以太阳能为热源，自然环境为冷源，通过冷、热源之间的温差工作；不要求很高的温度，甚至不要求很高的温差，不论是夏天可以得到70℃以上的热水，还是冬天即使只能得到30℃左右的温水，只要冷、热源之间有一定的温差，系统就可以连续运行。夏天，虽然环境温度高，但由于集热效率也高，可以得到高温热源，从而获得所需的温差；冬天，虽然集热效率低，所得热源温度低，但环境温度更低，同样可以获得需要的温差。通过大体积蓄热，可以降低昼夜及天气变化产生的温度波动，使系统可以全天候连续、平稳运行。

(10)本发明的太阳能低温差发电装置很容易与地热、工业余热及生物质能热源结合，也可以用任何矿物燃料热能驱动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明的保护范围。