太阳热发电冷热联产机组可行性研究方案

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作者：李国斌 长沙优易软件开发有限公司
2011.06.08

0.2-1kW微型太阳热发电冷热联产机组可行性研究方案有多种。
太阳热发电冷热联产机组可采用的工作介质有空气、水，还有CO2、NH3，其他破坏臭氧层和有温室效应的低温介质有R22、R134a、R410、R407等。
目前来看，空气和水是最好的环保介质，其中又以空气的热机效率最高。机组的所有方案都需要膨胀机，另外需要液体泵或压缩机。
当机组使用水、NH3做工质时，一般需要真空泵维持真空，另外需要液体泵维持介质循环。机组使用其他介质时，由于在常温下介质为气体且压力一般高于大气压，无需真空泵和液体泵，而需要设置压缩机维持工质循环，在这类介质机组中，一般应把膨胀机、压缩机、发电机装配在一根轴上，形成双缸一体化结构，比如常见的变频双缸滚动转子式空调压缩机就是一种很适用的太阳热发电冷热联产机组。双缸的结构应保证一个缸用于膨胀做功，另外一个缸用于压缩。两个缸的进气、排气管应单独引出，以便在膨胀机排气口和压缩机进气口之间装设冷却器。对于双缸内燃机，可以将膨胀缸排气口和压缩缸进气口直接连接，利用气缸外套冷却器作为换热器。
另外需要注意的是，如果使用空气、水等高温介质，则发电机不能封闭在双缸机内部，而应将发电机外置，以便冷却发电机，象1kW双缸汽油发电机组稍加改装，就可以构成优秀的微型太阳热发电冷热联产机组。
所有机组均应开发新的控制系统，系统运行模式包括：最高发电效率、最大发电功率、最大制冷能力、最大制热能力、智能自动热电冷负荷等。
以下提供了9个方案，方案1~4均为高温发电机组，热效率很高，工质为空气或水，机组均应配套直径1.5m碟式自动跟踪太阳灶。方案5~9均为90C以下低温发电机组，热效率不超过15%，配套现有的全玻璃真空集热管太阳能热水器。
根据功能需求，作者给出如下推荐方案：
发电最佳方案：方案1。
空调最佳方案：方案6。
综合最佳方案：方案1。


方案1
采用双缸汽油发电机组做膨胀、压缩一体化发电机组。
优点：
1，热效率高，卡诺循环效率可达70%以上。
2，全球年产内燃机2亿台，中国5600万台，产量大，价格低。
缺点：
1，噪声大。
2，需要革新内燃机制造工艺，个别结构需要改变，如需要双缸，一缸膨胀，一缸压缩。

方案2
采用汽车涡轮增压器做膨胀、压缩一体化发电机。
优点：
1，可采用高温空气，热效率很高。
2，工质环保。
缺点：
1，高转速，噪声较大。
2，目前只有膨胀机、压缩机一体化，需要在涡轮增压器上加装发电机。需要修改涡轮增压器制造工艺。
3，价格较高。

方案3
采用微型燃气涡轮机做膨胀、压缩一体化发电机。
优点：
1，可采用高温空气，热效率很高。
2，工质环保。
缺点：
1，高转速，噪声极大。
2，膨胀机、压缩机、发电机应一体化。
3，成本高昂。

方案4
采用微型蒸汽涡轮机做膨胀发电机，水泵做压缩机维持水循环。工艺与传统的火力发电机组相似，是大型汽轮发电机组的微型简化版本。
优点：
1，可采用高温水蒸气，热效率很高。
2，工质环保。
缺点：
1，高转速，噪声较大。
2，膨胀机、压缩机、发电机应一体化。
3，成本很高。

方案5
采用变频单缸滚动转子式空调压缩机做膨胀、压缩一体化发电机。
优点：
1，变频空调压缩机年产量可达1亿台，产量大，成本低。
2，电动、发电可逆运行，工况调节灵活方便，发电、制冷、供热、热水按需要满足，比太阳光伏发电功能多。
缺点：
1，膨胀机排气阀增加工质阻力，特别是采用水蒸气做工质时，导致排气背压大幅升高，严重降低发电效率。
2，膨胀机排气经过电机轴，被电机热量加热，降低发电效率，增加了冷凝器面积。
3，无法做成膨胀机、压缩机一体化，需要通过膨胀-发电-电动-压缩机循环，增加了膨胀机和压缩机的功率传递损失。

方案6
采用变频双缸滚动转子式空调压缩机做膨胀、压缩一体化发电机。
优点：
1，变频空调压缩机年产量可达1亿台，产量大，成本低。
2，电动、发电可逆运行，工况调节灵活方便，发电、制冷、供热、热水按需要满足，比太阳光伏发电功能多。
3，双缸膨胀、压缩、电机一体化，提高了传动效率。
缺点：
1，膨胀机排气阀增加工质阻力，特别是采用水蒸气做工质时，导致排气背压大幅升高，严重降低发电效率。
2，膨胀机排气经过电机轴，被电机热量加热，降低发电效率，增加了冷凝器面积。
3，膨胀、压缩双缸一体化，机组价格较贵。

方案7
采用汽车空调压缩机做膨胀、压缩一体化发电机。
膨胀机和压缩机：
10或6缸斜盘式制冷压缩机，将前后缸连接管分开，前缸做膨胀机，后缸做压缩机，膨胀机排气管排气进入冷凝器，冷却后进入压缩机。根据功能设置其它换热器。
优点：
1，10或6缸斜盘式制冷压缩机占市场销量70%,价格便宜，成本低廉。
2，膨胀机、压缩机一体化，提高效率，节省成本。
缺点：
1，前缸排气管与后缸排气管必须分开，需要改变制造工艺。
2，电磁离合器必须取消，以和发电机直接连接，构成电动斜盘制冷压缩机。(为适应电动车开发，现在产业界如上海日立、上海三电贝尔等正在研究电动斜盘制冷压缩机。)
3，有吸、排气阀，在水蒸气作为工质时效率降低较多，其他工质也会因压力损失导致效率损失10-20%。

方案8
采用航模用的电动涵道风扇发动机做膨胀发电机。使用水泵压缩。
涵道参数：
工作介质 水蒸气
涵道直径 64mm
风扇叶片数 7片轴流叶片
风扇级数 1~n
风扇转速 40000r/min
涵道入口参数 90C,0.08MPa
涵道出口参数 35C,? MPa
卡诺循环效率 15%
发电机 无刷直流永磁同步电机
电压 12V
电流 30A
额定功率 360W
电机效率 78%
使用Fluent或其他CFD软件求涵道流场、出口速度、出口压力、功率损失、气动效率、叶片效率改进处。
优点：
1，价格低廉。
2，工质环保。
缺点：
1，高转速，噪声极大。
2，水蒸气膨胀后可能变成液珠，对高转速膨胀机危害极大。
3，需要抽真空。

方案9
采用航模用的电动涵道风扇发动机做膨胀、压缩一体化发电机。一个涵道膨胀、一个压缩。
涵道参数：
同方案8
优点：
1，价格低廉。
2，工质环保。
缺点：
1，高转速，噪声极大。
2，膨胀机、压缩机、发电机应一体化。
3，由于涵道风扇为塑料叶片，不能耐高温，限制温度低于90C，降低了循环热效率，增加了风量，增大了循环摩擦损失。


(待续)
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[ 本帖最后由 uesoft 于 2012-2-16 10:58 编辑 ]

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微型太阳热发电：分布式微型可再生能源革命?

[ 本帖最后由 uesoft 于 2011-6-9 10:23 编辑 ]

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可能的制造厂：

太阳能热水器厂商，如皇明等。

家用空调厂商，如美的、格力、海尔等。

新崛起的厂商，如太阳热发电冷热联产机组制造商等。

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mini and micro CHP迷你和微型冷热电机组发展技术路线图

mini and micro CHP迷你和微型冷热电机组是目前利用燃油、燃气提供分布式能源的一种形式，更是未来利用可再生能源如秸秆生物质能、太阳能的重要方向。
机组主要系统由水冷内燃机发电机系统、供热系统、制冷系统、能量供应系统等组成。mini and micro CHP迷你和微型冷热电机组的发展原则是：利用现有创新技术服务体系进行系统仿真开发，依托现有工业体系拥有的制造加工能力，按照成本最低、逐步改造、分工合作、互利共赢的原则，分阶段发展mini and micro CHP迷你和微型冷热电机组，实现本行业的可持续发展，并将本行业发展成为未来利用农业、工业资源的重要产业。
mini and micro CHP迷你和微型冷热电机组技术路线图分为如下4个阶段。

1：
开发目标：发电、供热。燃料为燃油或燃气或沼气。
核心技术：小型通用汽油发电机，风冷改为水冷，水冷即可在冬天供热。
竞争者：国家电网、发电公司、空调器制造厂、供热公司、各种取暖装置。
主要缺点：噪声、维护、燃油或燃气价格较贵。
目标用户：乡村或别墅住户。

2：
开发目标：发电、供热、制冷。燃料为燃油或燃气或沼气。
核心技术：小型通用汽油发电机，风冷改为水冷，水冷即可在冬天供热，增加空调器；或者直接利用汽车发动机总成和空调总成。
竞争者：国家电网、发电公司、空调器制造厂、供热公司、各种取暖装置。
主要缺点：噪声、维护、燃油或燃气成本较贵、制造成本比第1阶段贵。
目标用户：乡村或别墅住户。

3：
开发目标：发电、供热、制冷。燃料为秸秆燃气或沼气。
核心技术：小型通用水冷汽油发电机，增加空调器；或者直接利用汽车发动机总成和空调总成。能量供应系统为下吸式秸秆气化炉。
竞争者：国家电网、发电公司、空调器制造厂、供热公司、各种取暖装置。
主要缺点：噪声、维护、增加了制造和维护气化炉的成本。
目标用户：乡村或别墅住户。

4：
开发目标：发电、供热、制冷。燃料为太阳能。
核心技术：小型通用水冷汽油发电机，改装为热空气驱动，加装空调器；或者直接利用汽车发动机总成和空调总成。能量供应系统为抛物面碟式太阳灶和吸热器。
竞争者：国家电网、发电公司、空调器制造厂、供热公司、各种取暖装置。
主要缺点：噪声、维护、增加了汽油机改装为热空气驱动的成本、增加了制造和维护太阳灶和加热器的成本。
目标用户：乡村或别墅住户。