一种太阳能与燃气互补的自维持供热系统及方法

1.本发明属于热能工程及新能源领域，具体涉及一种太阳能与燃气互补热光伏自维持供热系统及方法。


背景技术：

2.太阳能作为重要的清洁能源，资源丰富，且无污染。太阳能的高效应用是实现节能减排和可持续发展的重要举措。作为中低温热源，太阳能最广泛的利用方式为热利用，主要包括太阳能集热与供热。然而太阳能受时域，地域及气候条件影响大，其供给并不稳定，因此将太阳能与燃料能量通过合理的技术设计形成互补则是实现太阳能实际应用的的关键手段，能够节省化石能源，有效控制污染物排放。
3.维持供热系统的运行消耗部分电能，该部分能量消耗不大，如果能够通过系统自身产生来维持，则整个供热系统不会受到地域及电网状态的影响，能够适应偏远地区环境，并满足全天候运行要求。
4.传统电能生产主要通过热动力转化装置，包括各类动力循环发动机，这些装置都包含转动部件，噪音高，体积大，参数小型化困难，不利于供热系统的实际应用。
5.热光伏是直接将热能转化为电能的新兴技术，主要包括燃烧室，发射器，滤波器及光伏电池组成。通过燃料燃烧产生的热能加热辐射器产生高温热辐射再经过滤波器过滤可用波段，返回不可转化波段，从而使得适合光伏电池的光谱辐射进入电池产生电能。该技术无转动部件，无噪音。而且可以根据实际功率需求来调整热光伏装置的面积，参数调整更加灵活。将热光伏技术引入太阳能与燃料互补供热系统中作为自维持电能的来源，具有切实的创新性以及重要的应用价值。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了提供一种能够利用太阳能加热与燃气热光伏热电联产混合互补的全天候自维持供热系统和方法
7.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明提供了一种太阳能与燃气互补热光伏自维持供热系统，其包括热光伏发电系统、蓄热式太阳能集热系统、蒸汽产生系统和自维持控制系统；
9.所述热光伏发电系统由主热光伏装置和辅助热光伏装置组成；主热光伏装置和辅助热光伏装置均设有热光伏启停组件，所述主热光伏装置和辅助热光伏装置内的光伏电池与蓄电池连接，蓄电池设有电池控制芯片及充放电控制器；
10.所述蓄热式太阳能集热单元包括通过介质管道依次连接形成第一介质循环回路的太阳能集热器、混合式蓄热器、变频泵，所述混合式蓄热器及其进出口管道均安装有温度传感器，所述太阳能集热器为槽式抛物镜集热器并配有自动跟踪系统；
11.所述蒸汽产生系统包括通过介质管道依次相连形成第二介质循环回路的混合式蓄热器、1级热交换器、2级热交换器、3级热交换器、蒸汽发生器、循环泵，以及补充燃烧室，
所述第一介质循环回路和第二介质循环回路在混合式蓄热器内换热；其中1级热交换器通过烟气流道连接主热光伏装置的烟气出口，2级热交换器连接辅助热光伏装置的烟气出口，3级热交换器连接补充燃烧室的烟气出口，第二介质循环回路中的高温导热油在蒸汽发生器中加热给水以产生蒸汽或热水；1级热交换器、2级热交换器、3级热交换器的出口导热油管道中均设置有温度传感器，所述补充燃烧室设有补充燃烧室启停组件；
12.所述自维持控制系统与各个温度传感器连接，由自维持控制系统接收各个温度传感器采集的数据，自维持控制系统还分别与补充燃烧室启停组件、热光伏启停组件、变频泵、循环泵以及太阳能集热器自动跟踪系统电连接，自维持控制系统控制补充燃烧室、主热光伏装置和辅助热光伏装置、变频泵、循环泵的启停以及自动跟踪系统的启停与运行。
13.优选的，所述的自维持控制系统、太阳能自动跟踪系统、热光伏启停组件、补充锅炉启停组件、变频泵、循环泵均与蓄电池通过导线连接以获得电能，热光伏电池通过导线与蓄电池连接为其充电；整个热光伏自维持供热系统无需外加电力，可实现自运行。
14.优选的，所述的主热光伏装置和辅助热光伏装置内设有热光伏燃烧室，热光伏燃烧室内设有燃烧器，使用天然气作为燃料；所述热光伏启停组件包含燃气管道电磁流量控制阀、风机以及点火电极，燃气管道电磁流量控制阀用于控制燃气管道内燃气流量，风机用于向燃烧器提供助燃空气，点火电极用于燃气的点火。
15.优选的，所述补充燃烧室启停组件包含燃气管道电磁流量控制阀、风机以及点火电极，燃气管道电磁流量控制阀用于控制燃气管道内燃气流量，风机用于向燃烧器提供助燃空气，点火电极用于燃气的点火。
16.优选的，所述的蓄电池包括两组，两组蓄电池可独立充放电。
17.优选的，所述1级热交换器、2级热交换器、3级热交换器均为管壳式换热器，烟气与导热工质进行逆流换热。
18.另一方面，本发明还提供了上述供热系统的太阳能与燃气互补热光伏自维持供热方法，其包括如下步骤：
19.太阳能集热器接收并汇集太阳辐射能量，太阳辐射能量反射在位于焦线的真空集热管上，真空集热管吸收太阳辐射能量并转化为第一介质循环回路内导热工质的热能，导热工质流经混合式蓄热器，增加第二介质循环回路导热工质的热量，第一介质循环回路的变频泵控制导热工质的流速，导热工质换热后重新进入太阳能集热器从而形成循环；
20.第二介质循环回路的导热工质从混合式蓄热器输出，通过热光伏余热烟气加热之后循环流到蒸汽发生器加热水从而产生一定温度压力的蒸汽；
21.热光伏发电系统的电能用于维持自维持供热系统的自运行，热光伏发电系统的排烟加热第二介质循环回路的导热工质，实现能量梯级利用；
22.自维持控制系统与热光伏启停组件及补充燃烧室启停组件电连接，由自维持控制系统控制主热光伏装置、辅助热光伏装置、补充燃烧室的启停和其内的燃气流量；同时自维持控制系统根据第一介质循环回路、第二介质循环回路各处的温度传感器数据检测得到各处导热工质温度，根据电池控制芯片检测得到电池性能状态，根据燃烧室尾部烟道处的温度传感器数据检测得到烟气温度；基于各个传感器数据自维持控制系统控制循环泵、变频泵、太阳能自动跟踪系统的启停，以及主热光伏装置、辅助热光伏装置、补充燃烧室的启停和燃气流量。
23.优选的，当太阳光照充足时，第一介质循环回路中进入混合式蓄热器的导热工质温度控制在150
‑
230℃，当导热工质温度高于230℃时，自维持控制系统调节变频泵输出功率至最小，当混合式蓄热器入口导热工质温度低于210℃时，调节变频泵输出功率至最大；当光照不足时，混合式蓄热器进口导热工质温度较低，当检测到导热工质温度小于150℃，自维持控制系统调节变频泵输出功率至最小；
24.在第二介质循环回路中，当混合式蓄热器出口温度低于200℃时，自维持控制系统控制主热光伏装置开启以提供热量，当混合式蓄热器出口温度高于230℃时，自维持控制系统控制主热光伏装置关闭；
25.当蒸汽发生器进口处监测到导热工质温度低于200℃，说明处于夜间或者太阳辐射量不足，此时如果检测到蓄电池电量高于50％，则自维持控制系统控制启动补充燃烧室向第二介质循环回路提供热量，检测到蓄电池电量不高于50％时，自维持控制系统控制开启辅助热光伏装置，辅助热光伏装置提供热量的同时补充蓄电池的电力，当蓄电池电量达到90％时，自维持控制系统关闭辅助热光伏装置，开启补充燃烧室向第二介质循环回路提供热量，从而保证整个热光伏自维持供热系统提供持续稳定的热能；
26.自维持控制系统通过调节热光伏发电系统及补充燃烧室保证进入蒸汽发生器的导热工质温度不低于200℃，当蒸汽发生器入口处监测导热工质温度达到220℃，自维持控制系统按照补充燃烧室、辅助热光伏装置、主热光伏装置的顺序调节燃气流量，关闭或降低燃气流量，从而最终保持蒸汽发生器进口热油温度在200
‑
230℃之间，自维持控制系统通过控制给水泵的流量，使得蒸汽发生器可产生100℃的蒸汽或产生60℃以上的热水。
27.采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
28.本发明综合利用了太阳能及燃料化学能，相对于单独依靠燃料的系统，能够显著降低燃料的消耗量，降低污染物排放。相对于单独依靠太阳能的系统，能有效保证系统能源输入的持续性，实现系统的持续稳定运行。
29.本发明创新性地引入热光伏装置为供热系统提供能量输入，实现系统的自运行。与传统热动力发电技术相比，热光伏装置无转动装置，噪音小，结构简单，有利于系统小型化，为系统的实际应用提供技术保障。
30.本发明设置主辅两级热光伏装置，可满足系统在不同条件下用电需求。本发明中热光伏剩余烟气继续加热导热介质，形成了热电联产效果，能量梯级利用的原理。
31.本发明特别设计了完整的自维持控制系统，能够调节协调系统各个部件的有序运行，适应不同的环境条件，整个系统可在不接入电网的条件下实现自维持，为用户提供持续稳定的热能。
附图说明
32.图1是一种太阳能与燃气互补热光伏自维持供热系统图；
33.图2本发明自维持控制系统控制示意图；
34.图3是热光伏装置俯视图。
35.图中：槽式太阳能集热器1、混合式蓄热器2、变频泵3、主热光伏装置4、辅热光伏装置5、补充燃烧室6、1号热交换器7、2号热交换器8、3号热交换器9、蒸汽发生器10、循环泵11、给水12、蒸汽/热水13、燃料与空气14。热光伏燃烧室15；选择性辐射器16，选择性滤波器17；
光伏电池18；冷却系统19。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.如图1和2所示，本发明的太阳能与燃气互补热光伏自维持供热系统包括热光伏发电系统、太阳能集热单元、蒸汽产生单元和自维持控制系统；
38.所述热光伏发电系统由主热光伏装置4和辅热光伏装置5组成；主热光伏装置4和辅助热光伏装置5均设有热光伏启停组件，所述主热光伏装置和辅助热光伏装置内的光伏电池与蓄电池连接，蓄电池设有电池控制芯片及充放电控制器；
39.所述太阳能集热单元包括通过介质管道依次连接形成第一介质循环回路的太阳能集热器1，混合式蓄热器2，以及变频泵3。所述混合式蓄热器及其进出口管道均安装有温度传感器，所述太阳能集热器为槽式抛物镜集热器并配有自动跟踪系统；太阳能集热器1吸收太阳辐射能量后加热导热介质由001入口进入混合式蓄热器2进行储热；介质通过变频泵3由002出口抽出重新进入太阳能集热器1形成循环。
40.所述蒸汽产生系统包括通过介质管道依次相连的混合式蓄热器2，1级热交换器7，2级热交换器8，3级热交换器9，蒸汽发生器10、循环泵11和补充燃烧室6。其中1级热交换器7通过烟气流道连接主热光伏装置4的烟气出口，2级热交换器8通过烟气管道连接辅助热光伏装置5的烟气出口，3级热交换器9连接补充燃烧器6的烟气出口。第二介质循环回路中的高温导热油在蒸汽发生器中加热给水以产生蒸汽或热水；1级热交换器、2级热交换器、3级热交换器的出口导热油管道中均设置有温度传感器，所述补充燃烧室设有补充燃烧室启停组件；
41.所述自维持控制系统与各个温度传感器连接，由自维持控制系统接收各个温度传感器采集的数据，自维持控制系统还分别与补充燃烧室启停组件、热光伏启停组件、变频泵、循环泵以及太阳能集热器自动跟踪系统电连接，自维持控制系统控制补充燃烧室、主热光伏装置和辅助热光伏装置、变频泵、循环泵的启停以及自动跟踪系统的启停与运行。
42.本发明利用主热光伏装置4，辅热光伏装置5的余热来加热导热介质和为蓄电池充能，在需要时还通过补充燃烧室6提供热量，获得的高温导热介质在蒸汽发生器10中加热给水12以产生蒸汽或者热水13满足用户需求。
43.如图3所示，在本发明的一个具体实施例中，热光伏装置具体包括热光伏燃烧室15，选择性辐射器16，选择性滤波器17；光伏电池18、冷却系统19和热光伏启停组件；所述燃烧室15外壁设置有选择性辐射器16，所述光伏电池18环绕燃烧室15外壁布置，选择性滤波器17设置在所述选择性辐射器16与光伏电池18之间；所述冷却系统19设置在光伏电池18背部；
44.所述热光伏燃烧室15为六棱柱结构，其外壁覆盖安装选择性辐射器16，所述选择性滤波器17及光伏电池18与围绕燃烧室的壁面平行布置。燃烧室采用耐高温的316不锈钢制作，燃烧室内部涂碳化硅以提高发射率，燃烧室的壁面与光伏电池平行，光伏电池选用截
止波长为1.8μm的锑化镓电池，光伏电池的配套部件还包括蓄电池组，充放电控制器等储电装置，生产电能用于维持系统的循环泵，集热器以及控制系统的运行。选择性辐射器为稀土氧化物辐射器或超材料辐射器；选择性滤波器则采用一维周期性硅/二氧化硅光子晶体薄膜型过滤器。通过选择性辐射器以及选择性滤波器的调节作用，可选择波长小于1.8μm的光谱辐射。电池冷却通道为平行板结构，通道内设置扰流翅片以提高换热强度。冷却通道应通过管路连接冷却介质循环系统，冷却介质为水，所述冷却水通道为蛇形管设计，布置于电池背面以保持电池温度在20
‑
30℃之间，从而保持较高的效率。
45.所述的自维持控制系统、太阳能自动跟踪系统、热光伏启停组件、补充锅炉启停组件、变频泵、循环泵均与蓄电池通过导线连接以获得电能，热光伏电池通过导线与蓄电池连接为其充电；整个热光伏自维持供热系统无需外加电力，可实现自运行。
46.如图2所示，为本发明自维持控制系统的控制示意图，自维持控制系统分别与太阳能集热器自动跟踪系统、热光伏启停组件、补充锅炉启停组件、变频泵、循环泵和蓄电池进行控制连接，自维持控制系统获取各温度传感器的温度数据和蓄电池当前电量和工作状态数据，其通过太阳能集热器自动跟踪系统调整太阳能集热器的位姿，以达到最佳的太阳能接收状态；其通过热光伏启停组件控制主热光伏装置和辅助热光伏装置的启停及燃气流量调节，其通过补充燃烧室启停组件控制补充燃烧室启停及调节其燃气流量调节，其通过变频泵调节第一介质循环回路流速，通过循环泵调节第二介质循环回路流速，其还可以控制蓄电池的充放电状态。更为进一步的，自维持控制系统还可以与给水系统相连，以控制蒸汽发生器的给水流量。
47.在本发明的一个具体实施例中，所述的太阳能集热器1采用槽式太阳能集热器，其接收并汇集的太阳辐射能量，反射到位于焦线的真空集热管上，真空集热管吸收太阳辐射能量并转化为管内导热油工质的热能，导热介质采用thermo60导热油，中高温的导热油通过001入口流进混合式蓄热器，增加里面导热油的热量，而在混合式蓄热器另一端，通过变频泵从002出口抽出中温导热油，重新进入太阳能集热器从而形成循环。
48.所述的混合储热器2里的中温导热工质通过004号出口依次进入1号热交换器，2号热交换器以及3号热交换器，通过主热光伏装置余热烟气加热之后循环流到蒸汽发生器加热给水从而产生热水或者一定温度压力的蒸汽。
49.所述的热光伏装置发电主要用于维持系统的自运行，主热光伏装置排烟通过1号热交换器加热导热工质，实现能量梯级利用。系统可使用控制器施加适当的运行策略来实现太阳能与燃料燃烧的协调。
50.当太阳光照充足时，第一介质循环回路中进入混合式蓄热器的导热工质温度控制在150
‑
230℃，当导热工质温度高于230℃时，自维持控制系统调节变频泵输出功率至最小，当混合式蓄热器入口导热工质温度低于210℃时，调节变频泵输出功率至最大；当光照不足时，混合式蓄热器进口导热工质温度较低，当检测到导热工质温度小于150℃，自维持控制系统调节变频泵输出功率至最小。
51.在第二介质循环回路中，当混合式蓄热器出口温度低于200℃时，自维持控制系统控制主热光伏装置开启以提供热量，当混合式蓄热器出口温度高于230℃时，自维持控制系统控制主热光伏装置关闭。
52.当蒸汽发生器进口处监测到导热工质温度低于200℃，说明处于夜间或者太阳辐
射量不足，此时如果检测到蓄电池电量高于50％，则自维持控制系统控制启动补充燃烧室向第二介质循环回路提供热量，检测到蓄电池电量不高于50％时，自维持控制系统控制开启辅助热光伏装置，辅助热光伏装置提供热量的同时补充蓄电池的电力，当蓄电池电量达到90％时，自维持控制系统关闭辅助热光伏装置，开启补充燃烧室向第二介质循环回路提供热量，从而保证整个热光伏自维持供热系统提供持续稳定的热能。
53.自维持控制系统通过调节热光伏发电系统及补充燃烧室保证进入蒸汽发生器的导热工质温度不低于200℃，当蒸汽发生器入口处监测导热工质温度达到220℃，自维持控制系统按照补充燃烧室、辅助热光伏装置、主热光伏装置的优先级顺序降低燃气流量或进行关闭，从而最终保持蒸汽发生器进口热油温度在200
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230℃之间，自维持控制系统通过控制给水泵的流量，使得蒸汽发生器可产生100℃的蒸汽或产生60℃以上的热水。
54.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。