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专利名称：一种太阳能水轮发电设备

专利类型：发明专利

专利申请号：CN201910007091.4

专利申请（专利权）人：江西凯勇开云优惠体育网页版入口有限公司
权利人地址：江西省上饶市广丰区芦林街道月湖北路88号河滨花园2#楼

专利发明（设计）人：吴小明

专利摘要：本发明公开了一种太阳能水轮发电设备，包括太阳能集热装置、储热换热一体化装置、高压给水装置、尾气循环装置、尾水循环装置和冲击式水轮发电机组；由压缩空气将太阳能集热装置聚光吸收的热能传递给储热换热一体化装置内的储热介质储存，由储热换热一体化装置将热能转化为过热蒸汽的压力能并由高压给水装置转化为水的压力能及动能推动冲击式水轮机带动发电机发电。该发明能提高常规太阳能光热发电的发电效率并提升投资性价比，实用性强。

主权利要求：
1.一种太阳能水轮发电设备，其特征在于，包括太阳能集热装置、储热换热一体化装置、高压给水装置、尾气循环装置、尾水循环装置和冲击式水轮发电机组；所述的太阳能集热装置包括由真空管首尾串联的太阳能集热器组，所述的太阳能集热器组的输入端口与空压机相连，输出端口与传热管的入口端相连，所述的传热管的出口端与压缩空气回管的入口端相连，压缩空气回管的出口端与太阳能集热器组的输入端口相连，所述的传热管呈曲折状设于储热换热一体化装置内，所述的储热换热一体化装置内还设有呈曲折状的吸热管，所述的吸热管的入口端同时与尾气输出管道的出口端以及高压供给水泵的出口相连，所述的高压供给水泵还通过冷却水管与空压机相连，所述吸热管的出口端与高压给气管道的入口端相连，所述储热换热一体化装置内还填充有储热介质并由绝热体与外部隔离；所述的高压给水装置包括若干个并联分布的高压给水组，所述的高压给水组均包括高压给气缸、高压给水缸及连轴活塞，所述的高压给气缸与高压给水缸为一个整体的上下两部分并由绝热隔断隔开，所述的高压给气缸入口与高压给气管道的出口端相连，出口与泄气管道的入口端相连，所述的高压给水缸的底部出口与给水管道的输入端口相连，所述的给水管道的输出端口与水轮机引水管道的入口端相连，所述的给水管道还与回水管相连，所述的连轴活塞通过若干个连轴将高压给气缸内的大活塞与高压给水缸内的小活塞相连，所述连轴的上端至绝热隔断间套有密封软管；所述的尾气循环装置包括若干个并联分布的尾气活塞缸，所述的尾气活塞缸的缸壁内设有绝热层，尾气活塞缸内设有尾气活塞，所述的尾气活塞将尾气活塞缸内部空腔分为传压室与尾气室，所述的传压室内设有传压水箱，传压水箱的入口通过高压软管与高压水管的出口相连，所述的高压水管的入口端并入水轮机引水管道中，所述的尾气室的出口与尾气输出管道的入口端相连，尾气室的入口与泄气管道的出口端相连；所述的尾水循环装置包括循环尾水缸、回水管、高压循环给水泵和换热器，所述的循环尾水缸通过回水管与高压给水装置的给水管道相连，所述的回水管上还设有高压循环给水泵；所述的冲击式水轮发电机组包括冲击式水轮机、发电机及水轮机引水管道，所述的冲击式水轮机与水轮机引水管道的出口端相连，所述的水轮机引水管道的入口端与给水管道的输出端口相连，所述冲击式水轮机的尾水池的出口与三通阀的入口相连，所述三通阀的第一出口直接与循环尾水缸相连，三通阀的第二出口通过换热器与循环尾水缸相连；
所述的高压给气管道、泄气管道、给水管道、水轮机引水管道、高压水管上均设有控制阀；
所述的吸热管包括首尾依次相连的饱和蒸汽制取管和过热蒸汽生成管，所述的饱和蒸汽制取管通过蒸汽电磁阀与过热蒸汽生成管相连，所述的饱和蒸汽制取管包括外管与内管，所述内管的入口端，同时与尾气输出管道的出口端以及高压供给水泵的出口相连，内管的出口端完全封闭并呈十字型焊接固定在外管的内壁上，内管的管壁上设有微孔，所述外管通过蒸汽电磁阀与过热蒸汽生成管相连，所述的过热蒸汽生成管呈曲折状设于储热换热一体化装置内，所述的高压给水组的数量为2组。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能水轮发电设备，其特征在于，所述储热换热一体化装置内填充的储热介质为细沙。 说明书 : 一种太阳能水轮发电设备技术领域[0001] 本发明涉及太阳能水轮发电技术。背景技术[0002] 太阳能光热发电系光转热、热转电的光电转换过程，涉及光热转换技术与热电转换技术。现行太阳能光热发电领域有槽式、塔式、碟式以及线性菲涅尔式四种光热转换技术，但热电转换技术只有两种即通过斯特林发电机发电以及通过汽轮机带动发电机发电。目前国际上用斯特林发电机进行太阳能光热发电也只供边远地区独立供电使用，而汽轮机带动发电机发电作为现行太阳能光热发电热电转换的主流技术其效率受制于蒸气的温度与压力以及热循环效率。汽轮机发电因冷源损失大故热循环效率一般低于40％，热电转换效率不高，国内外现行太阳能光热发电的平均发电效率也只有16％，线性菲涅尔式太阳能光热发电的平均发电效率最低只有10％左右，这是太阳能光热发电领域亟待克服的缺陷，且以价格高企的熔盐作为主流储热介质，投资成本水涨船高居高不下，投资性价比难以提高。目前国内光伏发电已大规模产业化而太阳能光热发电“小荷才露尖尖角”，目前国内虽已有近百个示范项目，但面临正如光伏起步时的高额投资成本制约其发展。太阳能光热发电作为清洁可再生能源，目前虽成本居高不下但在传统能源向新能源转型过程中有广阔而长远的发展前景，如何让国内太阳能光热发电逐步大规模商用并实现产业化，除需政策的扶持外，不断通过技术创新与进步提高太阳能光热发电的发电效率，逐步降低投资成本并提升投资性价比是当前太阳能光热发电发展的必由之路。发明内容[0003] 本发明提供一种发电效率高、投资性价比高、实用性强的太阳能水轮发电设备旨在解决以上现有技术的不足并为太阳能光热发电探索一条可持续发展的路径。[0004] 一种太阳能水轮发电设备，包括太阳能集热装置、储热换热一体化装置、高压给水装置、尾气循环装置、尾水循环装置和冲击式水轮发电机组；所述的太阳能集热装置包括由真空管首尾串联的太阳能集热器组，所述的太阳能集热器组的输入端口与空压机相连，输出端口与传热管的入口端相连，所述的传热管的出口端与压缩空气回管的入口端相连，压缩空气回管的出口端与太阳能集热器组的输入端口相连，所述的传热管呈曲折状设于储热换热一体化装置内，所述的储热换热一体化装置内还设有呈曲折状的吸热管，所述的吸热管的入口端同时与尾气输出管道的出口端以及高压供给水泵的出口相连，所述的高压供给水泵还通过冷却水管与空压机相连，所述吸热管的出口端与高压给气管道的入口端相连，所述储热换热一体化装置内还填充有储热介质并由绝热体与外部隔离；所述的高压给水装置包括若干个并联分布的高压给水组，所述的高压给水组均包括高压给气缸、高压给水缸及连轴活塞，所述的高压给气缸与高压给水缸为一个整体的上下两部分并由绝热隔断隔开，所述的高压给气缸入口与高压给气管道的出口端相连，出口与泄气管道的入口端相连，所述的高压给水缸的底部出口与给水管道的输入端口相连，所述的给水管道的输出端口与水轮机引水管道的入口端相连，所述的给水管道还与回水管相连，所述的连轴活塞通过若干个连轴将高压给气缸内的大活塞与高压给水缸内的小活塞相连，所述连轴的上端至绝热隔断间套有密封软管；所述的尾气循环装置包括若干个并联分布的尾气活塞缸，所述的尾气活塞缸的缸壁内设有绝热层，尾气活塞缸内设有尾气活塞，所述的尾气活塞将尾气活塞缸内部空腔分为传压室与尾气室，所述的传压室内设有传压水箱，传压水箱的入口通过高压软管与高压水管的出口相连，所述的高压水管的入口端并入水轮机引水管道中，所述的尾气室的出口与尾气输出管道的入口端相连，尾气室的入口与泄气管道的出口端相连；所述的尾水循环装置包括循环尾水缸、回水管、高压循环给水泵和换热器，所述的循环尾水缸通过回水管与高压给水装置的给水管道相连，所述的回水管上还设有高压循环给水泵；所述的冲击式水轮发电机组包括冲击式水轮机、发电机及水轮机引水管道，所述的冲击式水轮机与水轮机引水管道的出口端相连，所述的水轮机引水管道的入口端与给水管道的输出端口相连，所述冲击式水轮机的尾水池的出口与三通阀的入口相连，所述三通阀的第一出口直接与循环尾水缸相连，三通阀的第二出口通过换热器与循环尾水缸相连；所述的高压给气管道、泄气管道、给水管道、水轮机引水管道、高压水管上均设有控制阀。[0005] 优选地，所述的吸热管包括首尾依次相连的饱和蒸汽制取管和过热蒸汽生成管，所述的饱和蒸汽制取管通过蒸汽电磁阀与过热蒸汽生成管相连，所述的饱和蒸汽制取管包括外管与内管，所述内管的入口端，同时与尾气输出管道的出口端以及高压供给水泵的出口相连，内管的出口端完全封闭并呈十字型焊接固定在外管的内壁上，内管的管壁上设有微孔，所述外管通过蒸汽电磁阀与过热蒸汽生成管相连，所述的过热蒸汽生成管呈曲折状设于储热换热一体化装置内。[0006] 优选地，所述的高压给水组的数量为2组。[0007] 优选地，所述储热换热一体化装置填充的储热介质为细沙。[0008] 各部件说明：[0009] 1)太阳能集热装置：通过太阳能集热器组聚光吸热将太阳能转化为热能并通过压缩空气一过式输出，太阳能集热器组吸热管内的吸热介质为源于空压机的压缩空气。[0010] 2)储热换热一体化装置：压缩空气在太阳能集热器组与传热管之间循环传热并由控制阀控制，由压缩空气将太阳能集热装置聚光吸收的热能通过传热管传递给储热换热一体化装置内的储热介质实现储热，并先由高压水在吸热管内换热制取高温高压饱和蒸汽再生成高温高压过热蒸汽，或由循环尾气在吸热管内换热生成高温高压过热蒸汽。[0011] 具体实现方式如下：在储热换热一体化装置内设两列曲折环绕分布的管道即传热管与吸热管并填满细沙，传热管与吸热管均为铜管，传热管埋在细沙层内既可以作为循环传热压缩空气的通道又可对细沙层内部深层加热，由压缩空气将太阳能集热器组聚光吸热转化的热能通过传热管传递给细沙储热，因细沙的比热容只有水的四分之一，细沙经传热管热传递受热后易制造高温，吸热管内的高压水或循环尾气吸收细沙储存的高温热量后生成为高温高压过热蒸汽并输出，即由高压给水泵将空压机的冷却水泵入吸热管的内管中，内管中的高压混合汽水由内管管壁上的微孔雾化喷出并在外管内快速汽化生成高温高压湿饱和蒸汽，经蒸汽电磁阀流入过热蒸汽生成管后因压力下降故饱和温度下降，湿饱和蒸汽继续汽化生成高温高压干饱和蒸汽最终生成高温高压过热蒸汽并输出。吸热管的内管管壁上设置微孔能提高汽化效率并能实现汽水自动分离解决管中汽水两相流的问题。所述的储热换热一体化装置的作用在于将太阳能集热装置内的热量集中储存并使用可提高热效，同时便于利用成本低廉的传热介质?压缩空气及储热介质?细沙来低成本解决太阳能光热发电的储热问题。[0012] 3)高压给水装置：系本发明的核心装置，由储热换热一体化装置的吸热管内生成的高温高压过热蒸汽在高压给气缸内膨胀做功使连轴活塞产生压力并由连轴活塞将气压增压后传递给高压给水缸内的水使水产生压力能并通过冲击式水轮机的喷嘴转化为动能推动水轮机带动发电机组发电。其具体实施方式如下：[0013] ①对尾水循环装置的循环尾水缸初始化注满水，由高压循环给水泵从循环尾水缸内抽水向高压给水缸内给水，通过水压将连轴活塞向上顶至高压给水缸水满为止并启闭相关控制阀。[0014] ②由储热换热一体化装置的吸热管内产生的高温高压过热蒸汽在高压给气缸内膨胀做功将热能转化为动能推动活塞运动，由连轴活塞的小活塞将高压给气缸内的气压增至1.5倍以上传递给高压给水缸内的水，使水生成压力能并在水轮机的喷嘴转化为动能推动水轮机旋转并带动发电机发电。[0015] ③高压给水完毕，将高压给气缸内做过功的乏蒸汽即尾气通过泄气管道泄入尾气活塞缸内，进行尾气循环利用。[0016] ④泄气完毕，由高压循环给水泵重新从尾水循环缸内抽水向高压给水缸内给水，高压给水装置开始工作循环。[0017] 4)尾气循环装置：为避免冷源损失，提高热循环效率及热电转化效率进而提高发电效率，对从高压给气缸泄出的尾气不作冷凝完全循环利用，即将高压给气缸内的尾气泄入尾气活塞缸内并利用高压水管内高压给水时生成的水压推动尾气活塞将尾气压入储热换热一体化装置的吸热管内重新生成高温高压过热蒸汽并输出。[0018] 5)尾水循环装置：为高压给水装置提供循环用水即高压给水时由尾水池接纳水轮机产生的尾水并流入尾水循环缸，再由高压循环给水泵从尾水循环缸抽水通过回水管及给水管道向高压给水完毕的高压给水缸内上水实现尾水的循环利用。当循环尾水温度过高时需流经换热器换热降温后再流入尾水循环缸循环。[0019] 6)冲击式水轮发电机组：为通过提高热电转换过程中的机械效率提高发电效率，利用水轮机与汽轮机工作原理的相似性，选用适用高水头低流量结构简单且机械效率高的冲击式水轮发电机组，优选用水斗水轮机。[0020] 有益效果：[0021] 本发明设备运用太阳能水轮发电技术能提高现行常规太阳能光热发电的发电效率，国内外现行太阳能光热发电的光热转换平均效率为42％，平均发电效率(光电转换效率)约16％，若本发明设备选配线性菲涅尔太阳能集热器组及水斗水轮发电机组，若光热转换平均效率为35％，热能利用率为60％(光转热后60％的热能转换成压力能及动能)，水斗水轮发电机组综合效率81％(水斗水轮机效率90％*发电机效率90％)，可推算出本发明设备的发电效率(光电转换效率)达17％，高于国内外平均发电效率，比现行线性菲涅尔式太阳能光热发电的平均发电效率(约10％)提高近七成。[0022] 国内现行太阳能光热发电的平均投资成本为2?3万元/kw(无储热系统)及3?4万元/kw(配储热系统)，若本发明设备选配线性菲涅尔太阳能集热器组及水斗水轮发电机组并以细沙作为储热介质，1Mw(1000kw)投资总成本只有1.85万元/kw(配容积0.05万立方米储热换热一体化装置)，10Mw(10000kw)投资总成本只有1.6万元/kw(配容积0.5万立方米储热换热一体化装置)，50Mw(50000kw)及以上投资总成本可控制在1.4万元/kw内(配容积不小于2.5万立方米储热换热一体化装置)。本发明设备既可提高太阳能光热发电的发电效率又可节约投资成本还可节约水资源。本发明设备可据发电效率、投资成本选配太阳能集热装置、冲击式水轮发电机组以及储热介质，可实现最佳投资性价比。附图说明[0023] 图1是一种太阳能水轮发电设备的结构示意图；[0024] 图2是吸热管的内部结构示意图；[0025] 1.太阳能集热装置11.线性菲涅尔太阳能集热器12.真空管道13.空压机14.压缩空气回管2.储热换热一体化装置21.绝热体22.细沙23.传热管24.吸热管241.饱和蒸汽制取管242.蒸汽电磁阀243.过热蒸汽生成管25.高压供给水泵26.冷却水管3.高压给水装置31.高压给气缸32.高压给水缸33.连轴活塞331.大活塞332.连轴333.小活塞334.密封软管34.活塞挡板35.高压给气管道36.泄气管道37.给水管道4.尾气循环装置41.尾气活塞缸42.尾气活塞43.传压水箱44.高压软管45.高压水管46.尾气输入管道47.尾气输出管道5.尾水循环装置51.循环尾水缸52.高压循环给水泵53.换热器54.回水管6.冲击式水轮发电机组61.水斗水轮机62.发电机63.水轮机引水管道64.尾水池。具体实施方式[0026] 为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。[0027] 如图1所示，一种太阳能水轮发电设备，包括太阳能集热装置1、储热换热一体化装置2、高压给水装置3、尾气循环装置4、尾水循环装置5和冲击式水轮发电机组6。[0028] 太阳能集热装置1包括由真空管12将线性菲涅尔太阳能集热器11首尾串联的太阳能集热器组，所述的太阳能集热器组的输入端口与空压机13相连，输出端口与传热管23的入口端相连，所述的传热管23的出口端与压缩空气回管14的入口端相连，压缩空气回管14的出口端与太阳能集热器组的输入端口相连。[0029] 传热管23呈曲折状设于储热换热一体化装置2内，所述的储热换热一体化装置2内还设有呈曲折状的吸热管24，所述的吸热管24的入口端同时与尾气输出管道47的出口端以及高压供给水泵25的出口相连，所述的高压供给水泵25还通过冷却水管26与空压机13相连。[0030] 所述吸热管24的出口端与高压给气管道35的入口端相连，所述储热换热一体化装置2内还填充有储热介质并由绝热体21与外部隔离。所述储热换热一体化装置2填充的储热介质为细沙22。[0031] 如图2所示，所述的吸热管24包括饱和蒸汽制取管241和过热蒸汽生成管243，所述的饱和蒸汽制取管241通过蒸汽电磁阀242与过热蒸汽生成管243相连，所述的饱和蒸汽制取管241包括外管与内管，所述内管的入口端由三通的一端与尾气输出管道47的出口端相连，三通的另一端与高压供给水泵25相连，内管的管壁上设有微孔，内管的出口完全封闭并呈十字型焊接固定在外管的内壁上，所述外管与过热蒸汽生成管243相连，所述的过热蒸汽生成管243呈曲折状设于储热换热一体化装置2内。[0032] 所述的高压给水装置3包括两组并联分布的高压给水组，所述的高压给水组均包括高压给气缸31、高压给水缸32及连轴活塞33，所述的高压给气缸31与高压给水缸32为一个整体的上下两部分并由绝热隔断隔开，所述的高压给气缸31入口与高压给气管道35的出口端相连，出口与泄气管道36的入口端相连，所述的高压给水缸32的底部出口与给水管道37的输入端口相连，所述的给水管道37的输出端口与水轮机引水管道63的入口端相连，所述的给水管道37还与回水管相连；所述的连轴活塞33通过若干个连轴332将高压给气缸内的大活塞331与高压给水缸内的小活塞333相连。高压给气缸31与高压给水缸32内还设有活塞挡板34，所述的活塞挡板34用于给大、小活塞运动限位,所述连轴332的上端至绝热隔断间套有密封软管334。[0033] 所述的尾气循环装置4包括若干个并联分布的尾气活塞缸41，所述的尾气活塞缸41的缸壁内设有绝热层；尾气活塞缸41内设有尾气活塞42，所述的尾气活塞42将尾气活塞缸41内部空腔分为传压室与尾气室，所述的传压室内设有传压水箱43，传压水箱43的入口通过高压软管44与高压水管45的出口相连，所述的高压水管45的入口端并入水轮机引水管道63中，所述的尾气室的出口与尾气输出管道47的入口端相连，尾气室的入口通过尾气输入管道46与泄气管道36的出口端相连。[0034] 所述的尾水循环装置包括循环尾水缸51、回水管54、高压循环给水泵52和换热器53，所述的循环尾水缸51通过回水管54与高压给水装置3的给水管道37相连，所述的回水管54上还设有高压循环给水泵52。[0035] 所述的冲击式水轮发电机组6包括冲击式水轮机、发电机62及水轮机引水管道63，所述的冲击式水轮机为水斗水轮机61。所述的水斗水轮机61与水轮机引水管道63的出口端相连，所述的水轮机引水管道63的入口端与给水管道37的输出端口相连，所述水斗水轮机61的尾水池64的出口与三通阀的入口相连，所述三通阀的第一出口直接与循环尾水缸51相连，三通阀的第二出口通过换热器53与循环尾水缸51相连。[0036] 所述的高压给气管道35、泄气管道36、给水管道37、水轮机引水管道63、高压水管45上均设有控制阀。[0037] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：江西

专利申请日期：2019-01-04

专利公开日期：2024-11-22

专利公告号：CN109441743B