太阳能与燃料互补发电系统

本发明公开了一种太阳能与燃料互补发电系统，包括燃料发电系统和太阳能低温蒸汽生产系统,燃料发电系统包括燃料蒸汽锅炉、气轮发电机、凝汽器和水处理器，太阳能低温蒸汽生产系统包括加热集热器和蒸汽发生器；加热集热器为太阳能低温集热器，加热集热器与蒸汽发生器连接，蒸汽发生器的出汽口连接蒸汽泵的进汽端，蒸汽泵的出汽端通过止回阀连接到燃料蒸汽锅炉；燃料蒸汽锅炉连接气轮发电机,气轮发电机连接凝汽器；水处理器与燃料蒸汽锅炉连接。利用低温集热器提供热源，使水在蒸汽发生器中汽化成为含有大量汽化潜热的低温蒸汽，进入燃料蒸汽锅炉，再加热成为过热蒸汽用于发电。可节省约2/3的燃料，既有巨大的经济效益又有显着的社会效益。

技术领域
本发明涉及太阳能应用领域，尤其涉及一种利用太阳能低温集热器获取热能与燃料互补构成的发电系统。
背景技术
现有的燃料发电系统主要有燃煤发电、燃油发电和燃气发电等，燃料发电系统是用燃料加热蒸汽锅炉中的水，使水变成蒸汽再进一步加热成为过热蒸汽，过热蒸汽推动汽轮发电机发电。燃料在燃烧过程中要排放大量的颗粒物和有毒有害气体，对环境污染太大，影响人们身体健康；大量的碳排放，引起气候变化，造成严重自然灾害。为改变或减轻这种现状，人们试图用各种新能源与燃料互补发电，太阳能是巨大而永恒的清洁能源，已有用槽式等中高温太阳能集热器与燃料电厂，尤其燃煤火电厂结合互补的方案，例如，中国科学院工程热物理研究所申请的申请号为201010520248.2的“注蒸汽式的太阳能与火电站互补发电系统”的专利，提出了利用太阳能产生过热蒸汽注入蒸汽轮机高压缸或中压缸膨胀做功，降低单位发电煤耗，实现了太阳能与火电的互补，实现了火电站的扩容降耗，解决太阳能不稳定不连续的问题；华北电力大学所申请的申请号为200810104285.8的“太阳能辅助燃煤火电厂一体化回热装置”的专利申请，提出了利用太阳能加热回热系统中给水加热器的疏水，变为蒸汽后返回给水加热器放热，解决太阳能热发电方式直接取决于天象、启停频繁并且不稳定等问题；这些方案都使电厂节省燃料，减少了污染排放。但是，它们都需用反射镜聚焦，而反射镜造价高，又只能利用太阳的直射光，太阳能利用效率低，经济效益较差而未能大规模推广应用；因此，还需找到更加科学有效的互补方式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种太阳能与燃料互补发电系统，利用廉价的太阳能为发电厂节省大部分燃料，以降低发电厂的发电成本和减少发电厂的污染排放，增加可再生能源在一次能源应用中的比例。本发明解决其技术问题所采用的太阳能与燃料互补发电系统，包括燃料发电系统和太阳能低温蒸汽生产系统,所述燃料发电系统包括燃料蒸汽锅炉、气轮发电机、凝汽器和水处理器，所述太阳能低温蒸汽生产系统包括加热集热器和蒸汽发生器；所述加热集热器为太阳能低温集热器，所述加热集热器与所述蒸汽发生器连接，所述蒸汽发生器的出汽口连接蒸汽泵的进汽端，蒸汽泵的出汽端通过止回阀连接到所述燃料蒸汽锅炉；所述燃料蒸汽锅炉连接气轮发电机,所述气轮发电机连接所述凝汽器；所述凝汽器通过循环水泵与所述蒸汽发生器连接，所述循环水泵的进水端设置有电动阀,出水端设置有止回阀，所述凝汽器还与所述燃料蒸汽锅炉连接，所述水处理器通过供水泵与所述蒸汽发生器连接,所述水处理器还与所述燃料蒸汽锅炉连接，所述蒸汽发生器上设置有第一水位控制器，所述供水泵在所述第一水位控制器的控制下为所述蒸汽发生器补水。进一步的，所述太阳能低温蒸汽生产系统还包括储热箱和换热回路，所述储热箱设置在所述加热集热器和蒸汽发生器之间，所述储热箱与所述加热集热器通过导热介质构成第一循环回路，所述储热箱通过所述换热回路与所述蒸汽发生器连接。进一步的，所述太阳能低温蒸汽生产系统还包括热泵，所述热泵设置在所述储热箱与所述蒸汽发生器之间，所述热泵包括冷凝器、节流器、压缩机和蒸发器，所述蒸发器的一端串接压缩机后连接到冷凝器的一端，所述冷凝器的另一端串接节流器后连接到所述蒸发器的另一端，所述热泵与换热回路共同作用为所述蒸汽发生器提供热能。进一步的，所述换热回路包括第一循环泵和换热器；所述换热器和热泵的冷凝器设置在蒸汽发生器内，所述热泵的蒸发器设置在储热箱内；所述储热箱经所述第一循环泵连接到设置在所述蒸汽发生器内的换热器的一端，所述接换热器的另一端回到储热箱；所述第一循环泵与热泵的压缩机的电源线均连接到电源控制器。进一步的，所述换热回路包括热管，所述热管包括蒸发段和冷凝段，所述热管的冷凝段和热泵的冷凝器设置在蒸汽发生器内，所述热管的蒸发段和热泵的蒸发器设置在储热箱内。进一步的，所述换热回路包括热管、第二循环泵和换热箱，所述热管的冷凝段设置在蒸汽发生器内，所述热管的蒸发段和热泵的冷凝器设置在换热箱内，所述热泵的蒸发器设置在储热箱内，所述换热箱与所述储热箱之间通过导热介质构成第二循环回路,所述第二循环泵串接在所述第二循环回路的上回路中,所述第二循环泵与所述热泵的压缩机的电源均连接到电源控制器。进一步的，所述太阳能低温蒸汽生产系统还包括预热集热器，所述预热集热器为太阳能低温集热器，所述预热集热器用于预热所述蒸汽发生器的给水。进一步的，所述太阳能低温蒸汽生产系统还包括热水泵和水箱，所述凝汽器通过循环水泵与所述水箱连接，所述水处理器通过供水泵与所述水箱连接，所述预热集热器与所述水箱通过导热介质构成第三循环回路，所述水箱通过热水泵)与所述蒸汽发生器连接，所述水箱上设置有第二水位控制器。进一步的，所述换热箱与所述储热箱构成的第二循环回路的导热介质为空气，所述第二循环泵为气泵。进一步的，所述蒸汽发生器的设定温度≥100℃。本发明的有益效果是：利用廉价高效的低温集热器提供热源，使水在蒸汽发生器中汽化成为含有大量汽化潜热的低温蒸汽后，进入燃料蒸汽锅炉，再加热成为过热蒸汽用于发电。每一克水成为过热蒸汽需约800多卡的热量，水的汽化潜热为每克540卡，太阳能给每克水蒸汽提供了600多卡的热能，约占蒸汽能耗的2/3，太阳能提供的热能为燃料提供的热能的两倍，有效节省用煤；利用太阳能低温集热器与燃料蒸汽锅炉互补的发电系统，可节省约2/3的燃料，而用太阳能低温集热器获取热能的成本只有烧煤的1/3，这既大大降低了企业的生产成本，又减少了污染排放，产生了双重效果，既有巨大的经济效益又有显着的社会效益。
附图说明
图1是本发明的第一种实施方式的结构示意图；图2是本发明的第二种实施方式的结构示意图；图3是本发明的换热回路的第二种实施方式的示意图；图4是本发明的换热回路的第三种实施方式的示意图；图中所示：加热集热器1、储热箱2、第一循环泵3、换热器4、冷凝器5、蒸汽发生器6、电源控制器7、节流器8、压缩机9、蒸发器10、蒸汽泵11、止回阀12、燃料蒸汽锅炉13、气轮发电机14、凝汽器15、循环水泵16、供水泵17、水处理器18、预热集热器19、热水泵20、水箱21、第一水位控制器22、热管23、第二循环泵24、换热箱25，第二水位控制器26。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1和图2中虚线的左边部分为现有的燃料发电系统，右边部分为与燃料发电系统互补的太阳能低温蒸汽生产系统。燃料发电系统主要为燃煤发电、燃油发电或燃气发电系统。如图1所示，太阳能与燃料互补发电系统，包括燃料发电系统和太阳能低温蒸汽生产系统,所述燃料发电系统包括燃料蒸汽锅炉13、气轮发电机14、凝汽器15和水处理器18，所述太阳能低温蒸汽生产系统包括加热集热器1和蒸汽发生器6；所述加热集热器1为太阳能低温集热器，所述加热集热器1与所述蒸汽发生器6连接，所述蒸汽发生器6的出汽口连接蒸汽泵11的进汽端，蒸汽泵11的出汽端通过止回阀12连接到所述燃料蒸汽锅炉13；所述燃料蒸汽锅炉13连接气轮发电机14,所述气轮发电机14连接所述凝汽器15；所述凝汽器15通过循环水泵16与所述蒸汽发生器6连接，所述循环水泵16的进水端设置有电动阀,出水端设置有止回阀，所述凝汽器15还与所述燃料蒸汽锅炉13连接，所述水处理器18通过供水泵17与所述蒸汽发生器6连接,所述水处理器18还与所述燃料蒸汽锅炉13连接，所述蒸汽发生器6上设置有第一水位控制器22，所述供水泵17在所述第一水位控制器22的控制下为所述蒸汽发生器6补水。本发明的太阳能与燃料互补发电系统的工作原理：加热集热器1为太阳能低温集热器，所述加热集热器1利用吸收的太阳能通过导热介质为蒸汽发生器6提供热能，使水在蒸汽发生器6里汽化成为含有大量汽化潜热的低温蒸汽，通过蒸汽泵11和止回阀12将低温蒸汽注入燃料蒸汽锅炉13，用燃料进一步加热成为过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮发电机14做功发电后变为乏汽,乏汽经凝汽器15冷凝后形成凝结水,一部分凝结水经循环水泵16送到蒸汽发生器6循环利用，其余部分凝结水被送到所述燃料蒸汽锅炉13循环利用，水处理器18是电厂原有的设备，所述水处理器18的作用是将太阳能与燃料互补发电系统的给水进行过滤、净化等处理，经水处理器18处理后的水一部分通过供水泵17在水位控制器22的控制下,向蒸汽发生器6补水，经水处理器18处理后的水还被输送到燃料蒸汽锅炉13为燃料蒸汽锅炉13补水。利用廉价高效的加热集热器1吸收太能能提供热源，使水在蒸汽发生器6中汽化成为含有大量汽化潜热的低温蒸汽后，进入燃料蒸汽锅炉13，再加热成为过热蒸汽用于发电。每一克水成为过热蒸汽需约800多卡的热量，水的汽化潜热为每克540卡，太阳能给每克水蒸汽提供了600多卡的热能，约占蒸汽能耗的2/3，太阳能提供的热能为燃料提供的热能的两倍，有效节省用煤；利用太阳能低温集热器与燃料蒸汽锅炉互补的发电系统，可节省约2/3的燃料，而用太阳能低温集热器获取热能的成本只有烧煤的1/3，这既大大降低了企业的生产成本，又减少了污染排放，产生了双重效果，既有巨大的经济效益又有显着的社会效益。如图1所示，作为本发明的进一步改进，所述太阳能低温蒸汽生产系统还包括储热箱2和换热回路，所述储热箱2设置在所述加热集热器1和蒸汽发生器6之间，所述储热箱2与所述加热集热器1通过导热介质构成第一循环回路，该导热介质可以为空气，也可以为导热油等，所述储热箱2通过所述换热回路与所述蒸汽发生器6连接。加热集热器1连结储热箱2，加热集热器1与储热箱2之间通过导热介质构成一个循环回路，该循环回路可以是自然循环，也可以加泵构成强制循环,储热箱2经换热回路连接到蒸汽发生器6。加热集热器1利用吸收的太阳能加热第一循环回路的导热介质，第一循环回路的导热介质将热能传递给储热箱2并将热能存储在储热箱2内，储热箱2内的热能通过换热回路传递给蒸汽发生器6，使蒸汽发生器6内的水汽化成为含有大量汽化潜热的低温蒸汽。如图1所示，作为本发明的进一步改进，所述太阳能低温蒸汽生产系统还包括热泵，所述热泵设置在所述储热箱2与所述蒸汽发生器6之间，所述热泵包括冷凝器5、节流器8、压缩机9和蒸发器10，所述蒸发器10的一端串接压缩机9后连接到冷凝器5的一端，所述冷凝器5的另一端串接节流器8后连接到所述蒸发器10的另一端，所述热泵与换热回路共同作用为所述蒸汽发生器6提供热能。所述冷凝器5、节流器8、蒸发器10和压缩机9串联构成一个循环回路，当太阳照度强的时候,加热集热器1吸收的太阳能通过换热回路为蒸汽发生器6供热,当太阳能不足时,接通热泵的压缩机9的电源,通过热泵为蒸汽发生器6供热，保持蒸汽发生器6里面的温度,维持蒸发量,这既充分利用太阳能,又能保证系统稳定运行。如图1所示，换热回路的第一种实施方式：所述换热回路包括第一循环泵3和换热器4；所述换热器4和热泵的冷凝器5设置在蒸汽发生器6内，所述热泵的蒸发器10设置在储热箱2内；所述储热箱2经所述第一循环泵3连接到设置在所述蒸汽发生器6内的换热器4的一端，所述接换热器4的另一端回到储热箱2；所述第一循环泵3与热泵的压缩机9的电源线均连接到电源控制器7。设置在储热箱2里面的蒸发器10的一端连接到压缩机9，压缩机9的另一端连接到设置在蒸汽发生器里面6的冷凝器5的一端，冷凝器5的另一端经节流器8回到蒸发器10的另一端；储热箱2经第一循环泵3连接到设置在蒸汽发生器6里面的换热器4，换热器4的另一端经管道回到储热箱2；第一循环泵3与热泵压缩机9的电源线均连接到电源控制器7；换热回路与热泵并联为蒸汽发生器6提供热能，当太阳照度强的时候,加热集热器1吸收的太阳能通过第一循环泵3为蒸汽发生器6供热,当太阳能不足时,电源控制器7动作,切断循环泵3的电源,接通压缩机9的电源,通过热泵为蒸汽发生器6供热，保持蒸汽发生器6里面的温度,维持蒸发量。如图3所示，换热回路的第二种实施方式：所述换热回路包括热管23，所述热管23包括蒸发段和冷凝段，所述热管23的冷凝段和热泵的冷凝器5设置在蒸汽发生器6内，所述热管23的蒸发段和热泵的蒸发器10设置在储热箱2内。采用热管23将储热箱2连接到蒸汽发生器6,热管23的蒸发段设置在储热箱2内,热管23的冷凝段设置在蒸汽发生器6内；设置在储热箱2里面的蒸发器10的一端连接到压缩机9，压缩机9的另一端连接到设置在蒸汽发生器里面6的冷凝器5的一端，冷凝器5的另一端经节流器8回到蒸发器10的另一端；采用这种实施方式，可以简述为热泵与热管23并联，采用热管23与热泵并联为蒸汽发生器6提供热能，当太阳照度强的时候,加热集热器1吸收的太阳能通过热管23为蒸汽发生器6供热,当太阳能不足时,通过热泵为蒸汽发生器6供热，保持蒸汽发生器6里面的温度,维持蒸发量。采用热管换热，其传热效果更好,且不耗电。如图4所示，换热回路的第三种实施方式：所述换热回路包括热管23、第二循环泵24和换热箱25，所述热管23的冷凝段设置在蒸汽发生器6内，所述热管23的蒸发段和热泵的冷凝器5设置在换热箱25内，所述热泵的蒸发器10设置在储热箱2内，所述换热箱25与所述储热箱2之间通过导热介质构成第二循环回路,该导热介质可以为空气，也可以为导热油等，所述第二循环泵24串接在所述第二循环回路的上回路中,所述第二循环泵24与所述热泵的压缩机9的电源均连接到电源控制器7。采用这种实施方式，可以简述为热泵与热管23串联为蒸汽发生器6供热,即热泵与热管23之间设置一个换热箱25,热泵的冷凝器5和热管的蒸发端设置均在换热箱25内,热泵与热管23在换热箱25内进行热量交换；换热箱25与储热箱2之间设置一个循环回路,在该循环回路的上回路中串接第二循环泵24,第二循环泵24与压缩机9的电源均连接到电源控制器7。所述“上回路”是指导热介质从储热箱2向换热箱25输送的那一段。当太阳照度强时,即换热箱25里的导热介质的温度高于设定温度时,电源控制器7切断热泵压缩机9的电源,接通第二循环泵24的电源,导热介质的热能经热管23传递给蒸汽发生器6；反之,当太阳照度弱时,即换热箱25里面的导热介质的温度低于设定温度时,换热箱25里的导热介质温度偏低,电源控制器7切断第二循环泵24的电源,接通压缩机9的电源,利用热泵提升换热箱25里面的导热介质的温度,使换热箱25里面的导热介质的温度始终保持设定值，使系统工作稳定,不随太阳照度的变化而变化,并使弱时段的太阳能充分得到利用。作为优选的实施方式，所述换热箱25与所述储热箱2构成的第二循环回路的导热介质为空气，所述第二循环泵24为气泵。所述换热箱25与储热箱2之间的导热介质为空气,用空气作导热介质,能降低安装成本,同时，气液换热,能使热管23的换热效率更高。如图2所示，作为本发明的进一步改进，所述太阳能低温蒸汽生产系统还包括预热集热器19，所述预热集热器19为太阳能低温集热器，所述预热集热器19用于预热所述蒸汽发生器6的给水。通过预热集热器19先给蒸汽发生器6的给水预热。如图2所示，作为本发明的进一步改进，所述太阳能低温蒸汽生产系统还包括热水泵20和水箱21，所述凝汽器15通过循环水泵16与所述水箱21连接，所述水处理器18通过供水泵17与所述水箱21连接，所述预热集热器19与所述水箱21通过导热介质构成第三循环回路，该导热介质可以为空气，也可以为导热油等，所述水箱21通过热水泵20与所述蒸汽发生器6连接，所述水箱21上设置有第二水位控制器26。预热集热器19连结水箱21，预热集热器19与水箱21之间通过导热介质构成第三循环回路，此第三循环回路可以是自然循环，也可以加泵构成强制循环，水箱21经热水泵20连接到蒸汽发生器6,预热集热器19通过导热介质把水箱21中的冷水预热后,通过热水泵20为蒸汽发生器6提供热水；作为优选的实施方式，热水在换热器4上可以为淋浴式，以便于充分换热；加热集热器1利用吸收的太阳能为蒸汽发生器6提供热能，使蒸汽发生器6里热水汽化成为含有大量汽化潜热的低温蒸汽，通过蒸汽泵11和止回阀12将低温蒸汽注入燃料蒸汽锅炉13，用燃料进一步加热成为过热蒸汽，过热蒸汽进入汽轮发电机14做功发电后变为乏汽,乏汽经凝汽器15冷凝后形成凝结水,一部分凝结水经循环水泵16送到水箱21内循环利用，其余部分凝结水被送到所述燃料蒸汽锅炉13循环利用，水处理器18是电厂原有的设备，所述水处理器18的作用是将太阳能与燃料互补发电系统的给水进行过滤、净化等处理，经水处理器18处理后的水一部分通过供水泵17在第二水位控制器26的控制下,向水箱21补水，经水处理器18处理后的水还被输送到燃料蒸汽锅炉13为燃料蒸汽锅炉13补水。若把蒸汽发生器6的温度设定为低于100℃，蒸汽发生器6内的水也可以被汽化,但此时，水是在负压状态下汽化,蒸汽泵11既要抽取也要加压就会多耗电,且温度越低越耗电,蒸汽发生器6的设定温度适当低一点,如90℃以上也可以。作为优选的实施方式，所述蒸汽发生器6的设定温度≥100℃；把蒸汽发生器6的温度设定为≥100℃,是为了使水在常压状态下汽化,这样，蒸汽泵11就只需加压而不用抽取，从而减少耗电。上面各实施方式中的预热集热器19和加热集热器1均为太阳能低温集热器,太阳能低温集热器包括平板集热器和真空管集热器；平板集热器包括金属板芯平板集热器、全玻璃真空平板集热器、黑瓷太阳能平板集热器等；真空管集热器包括全玻璃真空管集热器、真空管铜管集热器和真空管热管集热器。实施例以燃煤电厂为例，在电厂附近，安装太阳能低温集热器，例如，真空管集热器或者平板集热器，太阳能低温集热器以平方米作为单位，燃煤电厂的发电量以千瓦作为单位，太阳能低温集热器的平方米数约为燃煤电厂的千瓦数的1.2倍，预热集热器19与加热集热器1的平方米数之比为1:5。如图2和图4所示，其中，换热回路如图4所示，太阳能与燃料互补发电系统，包括燃料发电系统和太阳能低温蒸汽生产系统,所述燃料发电系统包括燃料蒸汽锅炉13、气轮发电机14、凝汽器15和水处理器18，所述太阳能低温蒸汽生产系统包括加热集热器1、储热箱2、第一循环泵3、换热器4、冷凝器5、蒸汽发生器6、电源控制器7、节流器8、压缩机9、蒸发器10、蒸汽泵11、止回阀12、循环水泵16、供水泵17、预热集热器19、热水泵20、水箱21、水位控制器22、热管23、第二循环泵24、换热箱25；所述热泵包括冷凝器5、节流器8、蒸发器10和压缩机9，它们串联构成一个循环回路，即所述蒸发器10的一端串接压缩机9后连接到冷凝器5的一端，所述冷凝器5的另一端串接节流器8后连接到所述蒸发器10的另一端；所述加热集热器1和蒸汽发生器6之间依次设置有储热箱2、换热箱25，即所述储热箱2设置在所述加热集热器1和换热箱25之间，所述换热箱25设置在所述储热箱2和蒸汽发生器6之间；所述储热箱2与所述加热集热器1通过导热介质构成第一循环回路，该导热介质可以为空气，也可以为导热油等；如图4所示，采用热泵与热管23串联的方式为蒸汽发生器6供热，所述热管23的冷凝段设置在蒸汽发生器6内，所述热管23的蒸发段和热泵的冷凝器5设置在换热箱25内，所述热泵的蒸发器10设置在储热箱2内，所述换热箱25与所述储热箱2之间通过导热介质构成第二循环回路,该导热介质可以为空气，也可以为导热油等，所述第二循环泵24串接在所述第二循环回路的上回路中,所述第二循环泵24与所述热泵的压缩机9的电源均连接到电源控制器7；所述预热集热器19与所述水箱21通过导热介质构成第三循环回路，该导热介质可以为空气，也可以为导热油等，所述水箱21通过热水泵20与所述蒸汽发生器6连接，所述水箱21上设置有第二水位控制器26；所述蒸汽发生器6上设置有第一水位控制器22，所述蒸汽发生器6的出汽口连接蒸汽泵11的进汽端，蒸汽泵11的出汽端通过止回阀12连接到所述燃料蒸汽锅炉13；所述燃料蒸汽锅炉13连接气轮发电机14,所述气轮发电机14连接所述凝汽器15；所述凝汽器15通过循环水泵16与通过循环水泵16与所述水箱21连接，所述循环水泵16的进水端设置有电动阀,出水端设置有止回阀，所述凝汽器15还与所述燃料蒸汽锅炉13连接，所述水处理器18通过供水泵17与所述水箱21连接，所述水处理器18还与所述燃料蒸汽锅炉13连接，所述供水泵17在所述第二水位控制器26的控制下为水箱21补水。