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【专利介绍】世界首创阳光高热机

2021.11.29 来自:王存义

技术壹革命 光热大兴旺

王存义,陕西师范大学物理学与信息技术学院教授

一、产品介绍

本专利发明阳光高热机是双轴全天追太阳产热,可把导热油加热到400℃左右,按不同温度段,一种发明可作成六大类产品:即发电型、供热型、蒸汽型、供暖型、暖电型和烘干型六种阳光高热机。它由王教授新发明的有专利的五个部件组成,包括能自动纠偏的恒矩精准跟踪机、同端集热管及通用液推器,这些都有成功样品,还有王教授发明的能自动躲暴风的聚光镜和特殊的机架。它实现了全世界槽式和菲涅尔集热器无法实现的技术上的三垂直和把现有成本减少60%的高性价比。

本发明创造了线聚焦光热发电领域打破世界记录的81.4%的光变热效率(国外的FAHIM等专家1,也证实了利用双轴跟踪太阳聚焦集热的光学效率为81.3%,比单轴跟踪时要增高40.9%,由此证明了该机器的光热效率达81.4%的正确性)和31%的光变电效率。每天自动跟日产热最长11小时,折合成标准太阳光强,冬夏平均若至少按6小时计算,则产热功率39千瓦,加发电功率1千瓦共40千瓦。成本两万元左右(不含暖电型阳光高热机的发电部件成本,暖电型机是供暖期产热供暖,非供暖期变成发电,一机两用)的一台机6小时产的热等于234度电变成的热,同时还能发6度电,合计240度,若光伏电站每天产240度电变成热量,则电站建设成本按最低每瓦4元计算,则需成本16万元,即用光伏发电产热的成本,是本发明成本的8倍(计算过程见后文)。本机可安装于房顶、山坡或长有农作物之地等等。


二、九大创新点:

1.不占土地面积,因能种粮和产热或发电同地而作:因本发明聚光镜追太阳产热时可离地0.4米,阴影不断移动,粮菜能见阳光而生长;农民下地时它可停在离地1.9米高不动,像电线杆一样栽在菜地麦地,不影响耕作。特适合给县城周围种粮之地安装,给城镇供暖,收供暖费30年。

2.发明了恒矩精准跟踪机和边缘信号反馈器能自动纠偏的专利产品,解决了全世界现有的各种跟踪太阳的设备中,存在的跟踪误差无法自动全部清除的难题。

3.发明了在双轴跟日大运动中的装有工质的管道和外界接通的不动接口,解决了全世界在聚光型太阳高温利用中,经过四十多年之研究和使用而未解决的难题。他们若作成双轴追日则对外接口使多台机器之间的装有工质的管道,无法实现既能短小轻便而利于维护保热材料,以使热损极小,并能使成本极低而又寿命很长的全用硬管连接通。因此全世界线聚焦光热发电,不能双轴全方位追日大增效,只能停在一个方向追日作成低效的槽式或菲涅尔式。因接口不动就能用低成本长寿命高保温免维护碳钢管,连接各台机作双轴高效低成本接力式加热或发电。

4.发明了同端集热管,解决了金属内管和玻璃罩管之间因热胀冷缩易使玻璃破裂漏气,因而造成的封装工艺非常复杂,致使其成本特高的难题。例如,全世界现用几百座槽式光热发电站所用集热管为一根4米长,造价5千元左右。据有个生产厂的报价说在尺寸相同时,本发明造价是槽式光热发电站的集热管造价的1/4。但此管子在槽式和菲湦尔式集热器上无法用。

5.解决了聚光镜自动躲暴风的难题。

6.发明了通用液推器,和水泵相比,有成本低、耐高温、拒腐蝕和大节电之优点。

7.由以上各种技术亮点,造成了本发明在标准光强下的太阳光变热的最高效率可达81.4%和光电效率可达31%(此二数据证明见下文)。现在全世界正运行中的三百多座光热电站中,线聚焦类型中的光变热效率,根据中国能建集团发布的数据是35%至42%;光变电效率是10%至13%(数据见附件)。光伏发电站的系统效率是18%左右。

8.一个颠扑不破的真理就是:产热或发电效率增加一倍,等于把原来投入的成本减少一半。证明如下:假设原来是一份投入一份产出;产出效率增加一倍后,变成了一份投入两份产出,亦即一份产出只对应半份成本投入。所以,由于光热效率和光电效率成倍的提高和同端集热管的成本的大幅度降低,造成了本发明的总成本,无论在光热发电或其他各种各样太阳热利用方面,都比现有同类的太阳能产品的系统总成本,减少60%左右。

9.根绝火灾隐患。本发明彻底解决了全世界现有槽式集热系统中因不可避免地存在动密封有时漏油,使光热发电站多次发生火灾的世界难题。本发明因无动密封故能保证绝对安全。

三、本发明光变热效率81.4%的证明:

A、本发明能同时满足下述五个条件,所以能适合下述计算公式(1)和(3)。世界现有槽式、塔式、菲涅尔式和蝶式四种光热技术(见附件),都不能也不可能同时满足下述五个条件,故下述计算公式(1)和(3)不能用于它们。这五个条件就是:光线在聚光镜上的反射率a最大、光线在真空管玻璃罩管的透射率b最大、光线对真空管不锈钢内管的吸收率c最大,换言之,光线对这三者的入射角皆为零;第四和第五条件就是没有空气对流散热和传导散热。

(1)计算公式是:
变热效率N1=94%(反射率a)×96%(透射率b)×96%(吸收率c)×94%(直射光占比d)=81.4%

其中a和c的值是聚光镜和真空管生产厂的保证数据,其中b是根据光学教科书所讲最优质玻璃的透射率可达98%,本文只选95%;其中d是根据M·Daguenet的巨著《太阳能的利用》一书所讲在灰尘和水蒸气很稀少地区,直射阳光可占太阳总辐射的95%。

以上是指介质在集热管出口处测量的效率值,暂不考虑辐损和介质从真空管流出后的传输管损,若考虑此二损失并采取优良保温措施,则光变热效率略低于81%,仍远远高于世界现用技术的效率。并且现用技术皆有辐损和传输管损。

B、现用技术槽式和菲涅尔式光热效率N2计算公式如下:

N2=a cos θ×b cosβ×c cosγ×94%(直射光占比d)=35%~42%(见附件)……(2)

其中:θ--光线对聚光镜采光面入射角, 0<<θ<90°
         β--光线对真空管玻璃罩管外表面的入射角,0<<β<90°
         γ--光线对真空管内管的入射角,0<<γ<90°

由此可知,槽式和菲涅尔式技术的a和b及c三个量都有余弦损失,造成了它们的光变热效率只有35%~42%。例如,b cosβ表示光线在真空管玻璃罩管外表面的一部分属于可用能量对投射总能量之比值。

另外,不但效率远高于现用技术,而且每天吸热时间也是槽式和菲涅尔式的二倍,因它们只停在一个方向单轴追日,每天追日产热约四、五小时。本发明是双轴追日全天产热。

四、本发明光变电效率31%的证明:

众所周知,光电效率是光热效率与热电效率之乘积。根据中国能建集团在网上发布的《光热发电技术路线选择》图表(见附件),槽式技术的汽轮机热电效率ξ为38%,本发明的温度高于槽式的,热电效率ξ应高于38%,但为保守计仍取38%。由此得光变电效率ψ :

ψ=N×ξ =81.4%×38%=31%……(3)

由此可知,本发明光电效率远高于槽式的13%和菲涅尔式的10%以及塔式的16%。

五、经济效益:

1、产蒸汽的经济效益:一台本机器,全年除阴天雨天外,其余冬夏平均每一天按6.5小时太阳标准光强计算,在两年内所产蒸汽量,若用电产生相同数量的蒸汽则要用拾万零陆千伍佰元电费,若一年有光照10个月,则本发明两年所产蒸汽值多少钱?计算如下:

(A)当前公认1000公斤水由20℃变为101℃蒸汽,需用电720度(见第6页证明3),若按工业用电是每度电0.7元/度,则一吨蒸汽所耗电费是:

Q1=720度×0.7元/度=504元。(若按居民用电0.56元/度计算是Q=403.2元)

(B)1公斤蒸汽值钱多少?

V1=504元/1000公斤=0.504元/1公斤(若按居民用电是V2=0.4032元/公斤)

(C)每年内把阴天雨天除外,其余冬夏平均按每天6.5小时标准光强(1千瓦/1平米)计算,本发明每一天产蒸汽多少?

若采光面积为48平米,则产热功率是39千瓦,同时有发电功率0.6千瓦。按6.5小时计算共产热量是218325千卡,由此可算出每台机器每天产蒸汽是352.14公斤/1天。

(D)本发明两年(设每年光照10个月)产蒸汽值钱多少?

φ1=352公斤/天×0.504元/1公斤×600天=10.65万元。(居民电φ2=8.52万元)


(E)成本2万元的一台蒸汽型阳光高热机,为什么应该卖也能够卖得8.6万元?

既然本发明两年所产生财富是10万6千多元(居民电是8万5千多元),机器寿命30年,购买方只要用不到两年烧蒸汽的电费买本机1台,其余28年基本上白用不再花钱,何乐而不为?

批量化生产时,一台机成本2万元加储热箱合计成本2.5万元,按照它仅仅两年即600个6.5小时光照计算,就能产生10万6千多元(按居民电是创造8万5千2百元)财富而言,一台机无论怎么算至少应该卖8.6万元,毛利润6万多元,年产1万台毛利润6亿多元。

2、给工业供热的经济效益:这和供蒸汽的经济效益类似,一台大型本机器加上储热设备总成本两万五千元左右,可卖到八至九万元,即若一台机卖9万元,对电解水造氢厂而言,若把光伏电变成热量,并与本机一台所产热相等,则买本机一台,如前所证也能节省18.1万元。买一台花9万元,只相当于本产品在两年内所创造的财富(10万零6千元)的一部分。年产一万台,毛利润六亿多元。因如前所算,若要把光伏电变成如本机一台每天产出等于238度电变成的热量,至少要付出18.1万元建电站成本,还未计入把电变为热的设备费和储热箱费。

3、单纯供暖的经济效益(发电部件经济效益是比固定式光伏发电提高45%发电量):

(A)两户一台型或集体型:上述大型的阳光高热机功率39千瓦,供暖的年均每天光照小时数和产蒸汽不同,因供暖不包括昼特长的夏季,所以6个月供暖期内平均一天按6小时计算,6小时所产的热量等于234度电所变成的热量,234度电按西安居民用电是0.56元/度计算,234度电值131元,若一年有300天光照,300个6小时共创财富是3.93万元,可供给90平米的两个家庭昼夜取暖(所储热量够三天用。三天以上无太阳时,或加大采光面积和储热,或给储热箱中装一个电加热器备用于偶然应急)。在大批量生产条件下,加上6吨储热箱,成本大约2.4万元左右,由两个家庭分担,或由集体分担。

(B)一户一台型(面积120平米):小型阳光高热机,在大批量生产条件下,大约一台成本1.6万元左右,加上3吨储热箱约2千元,成本共1.8万元左右。

高寒地区,例如内蒙古和宁夏等(省),政府给每户农民作煤改电供暖都要补贴钱。例如宁夏,政府给每户农民付出三万多元装暖空调(空气源热泵),还要替农民交第一年电费,等于给每户农民送肆万元,农民自出叁仟元。第二年后农民自交电费。若换成本发明,一台小型阳光高热机卖上五至六万元,三十年内农民不交电费。本机供暖还能发电,政府和农民皆大欢喜。

(C)综上所述可见:

(1)集体用的两户一台型:根据内蒙古报价一台机管两户取暖可卖到8万元。毛利润5.6万元左右,年产一万台毛利润5.6亿元左右,和前述蒸汽型的利润差不多。

(2)一户一台型:根据内蒙古报价和宁夏自治区(省)给农民送装暖空调和送第一年电费,等于送肆万元情况看,一台管一个家庭供暖可卖到5至6万元,加上三吨储热箱,总成本约1.8万元/1台,毛利润大约4万元,年产1万台,毛利润大约4亿元。

4、光热发电经济效益:

王教授从1986年正式开始研究太阳能,36年来从未休息过双休日和寒暑假,每天夜以继日,废寝忘食,苦战攻关。和苦行僧一样的耐受寂寞而坚韧不拔。有很多发明,阳光高热机(专利号202020749480.2)是其重大发明之一。如上所述,目前一个10万千瓦的光热发电站的建站成本,普遍都需要30亿元人民币,建设期限是2至5年,若用王教授新发明的技术,不但成本减少60%,而且施工期限减少一大半

[证明1]光伏供暖成本是本发明供暖成本的8倍,计算如下:

1、一台机产热功率为39千瓦计算:

因采光面积为48平方米,光热效率为81%,故一台机产热功率为
81%×48米2 ×1千瓦 / 米2(此为标准光强)=38.9千瓦 ≈ 39千瓦

2.一台机产热同时还有发电功率1千瓦计算:

聚光镜间隙装有光伏板,面积为3.25米2 ,光伏组件效率为22%,则不跟踪太阳时发电功率为:
22% ×3.25米2× 1千瓦 / 米2(此为标准光强)=0.714千瓦

把3.25米2光伏板装到本跟日机上,因阳光始终垂直照射使功率增加40%,故增加的功率为:
0.714千瓦×40% = 0.286千瓦,

所以在产热功率为39千瓦的同时,还有发电功率为:
(0.714 + 0.286)千瓦 = 1千瓦 
---- 即一台机产热加发电总功率40千瓦。 

3.功率40千瓦光伏电站的建设成本是多少?

光伏电站不算上网变压器的成本,则每瓦成本至少是4元/瓦,40千瓦成本为:
40 × 1000瓦 × 4元 / 瓦= 16万元。

由此证明在功率相等时,光伏产热成本是本发明的8倍。

[证明2]一台大型暖电型阳光高热机在非供暖期,每天6小时(标准光强)发电多少?

总面积51.25米²=(48 + 3.25)米² ,光伏组件发电效率22%,追日增效40%,由此得每一天6小时标准光强发电量为:

22% × 51.25米² ×1千瓦/米² ×(1+40%)×6小时=94.7度(千瓦小时)电≈95度电

[证明3]为了证明产一吨蒸汽需要720度电的水的初温是20℃和蒸汽终温是101℃,可先求出720度电百分之百的变成热量是620095.7千卡,然后求出1公斤水分得的热量是620.1千卡/1公斤,已知水的汽化热是539千卡/1公斤,由此得

620.1千卡-539千卡=81.1千卡≈81千卡

由此证得若蒸汽终温是101℃,则水的初温是20℃。

六、阳光高热机主要构造

王教授发明了10种阳光高热机,全部都是聚光镜焦线和集热管中心线每时每刻都相重合的双轴跟踪太阳。

本文举两种为例,第一种是上连边阳光高热机,如图1和图2。第二种是轴推栅板阳光高热机,如图3。




图1是上连边阳光高热机的主视剖视图,图1中,1是同端集热管,它不沿高度角转动,2是连管器,3是挂管杆,4是上边杆,5是跟日机高度轴,6是不动接口,和图3中6类似,它是工作介质的进出口,可用铁质硬管把各台阳光高热机的不动接口用静密封连接通,工质不会泄露,安全可靠,7是载物架,8是载架座,9是高度轴机身,10是包围高度轴的对外连接器,11是三通管,12是抛物面型聚光镜,13是跟日机方位轴,14是聚光镜的骨架,15是连接挂管杆的U型板,它和跟日机的高度轴机身固定连接。本发明用的是王教授发明的恒矩精准跟日机,它运载的反光镜能高能低,当跟踪太阳产热时反光镜可离地40公分。农民下地时,可以举起反光镜离地1.9米,不影响操作。


图2是图1的左侧剖视图,图2中,凡是和图一有相同标记者名称相同。
 
注1:证实双轴跟日效率达81.3%的专家是:FAHIMU和KANGM,其论文是:抛物槽式太阳能集热器双轴跟踪系统性能评价[J].《材料科学与工程》,2018,301(1):012166

注2:中国能建集团发布的《光热发电技术路线选择》


本文由陕西师范大学物理学与信息技术学院教授王存义供稿 ,如需了解更多详细信息请联系王老师:135 7290 5551




相关线下活动:


第十二届光热发电中国聚焦大会2022(2022年,中国北京)

第五届光热发电中东北非大会2022(时间待定,阿联酋迪拜)


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