具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统

摘要

具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统，包括具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机，所述具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统还包括燃料电池系统，蒸汽发电系统，太阳能接收器中的至少一个；该循环系统能够更进一步地回收利用回热器排气中携带的能量，进而提高整个微型燃气轮机的效率，可同时解决SOFC发电余热和回热器排气余热的回收问题，将系统中各环节产出的热量循环利用，可提高整个系统的发电和回收效率，同时可集成设置，占用空间小，此外，通过对太阳能的追踪，做到太阳能的高效利用，以提高系统发电效率，另外该循环系统可解决现有特斯拉涡轮落压比低，易造成压力损失、系统效率低的问题。

说明书

技术领域

本发明属于微型燃气轮机技术及能量回收和利用技术领域，具体涉及一种具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统。

背景技术

微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发动机，其单机功率范围为25～300kW，基本技术特征是采用径流式叶轮机械以及回热循环。现有技术中通常采用回热器对微型燃气轮机排气的热量进行回收利用，然后将经过回热器的尾气排向大气；然而通过回热器的尾气依旧具有一定的余热，现有技术中，也有对于回热器排出的尾气能量进行回收利用的，通常采用的都是旋转机械，例如涡轮等，以对尾气能量进行回收利用。但是对于小功率的微型燃气轮机，由于回热器排出的尾气温度相对较低，同时尾气量又少，旋转机械无法有效回收这部分能量。

同时，太阳能热发电主要有槽式热发电、线性菲涅尔热发电、塔式热发电和碟式热发电技术。原理主要是利用聚光抛物面反射镜将太阳光聚集起来,通过光热转换及换热装置产生蒸汽或加热流体驱动热机进行发电：其优点在于该技术可吸收全波段的太阳光、可通过蓄热以及燃料补充实现昼夜连续发电。但是目前的太阳能发电系统中的反射镜大多是固定安装，通过固定在某一固定角度的反射镜来吸收太阳光，该角度是经过计算的最优角度。但是，由于反射镜固定，而太阳是转动的，就会存在太阳并不总是直射反射镜的问题，在太阳斜射反射镜时，其反射的太阳光较少，使太阳能不能被充分利用，造成能源浪费。现有技术中，燃气轮机是固定在地面上，无法进行追踪太阳光，难以做到太阳能的高效利用。

此外，特斯拉涡轮机是一种无叶片的，由流体剪切力驱动的涡轮机，它被称为无叶片涡轮。特斯拉涡轮机应用了边界层效应，流体受黏滞力影响，会在管壁或者其它物体边缘形成一层很薄的边界层，在边界层内，固定表面的流速为0，离表面越远速度越大。利用这个效应就可以让高速运动的流体带动一组转盘转动。特斯拉涡轮机的机械效率可达95％，比普通的叶片涡轮机高得多。然而目前特斯拉涡轮的落压比很难突破2，即压气机将气体增压，高压气体对涡轮做功后会存在较大的压力损失，因此当其用于发电或发热等系统中时，热效率并不高，造成能源浪费。

另外，在发电系统中，可通过固体氧化物燃料电池进行发电、通过回热器进行热量回收。固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)在高温下(800-1000℃)运行，具有以下特点:不需要使用贵金属催化剂；对燃料的适应性强，能在各种燃料情况下运行；使用全固态组件，不存在漏液、腐蚀问题；可以随意搭建，规模和安装地点灵活等。这些特点使燃料发电效率大大提高。由于反应时含有部分未完全反应的气相燃料，该部分气体本可继续燃烧产生热量，但却经常被当做废气进行排空或者燃烧处理，从而导致能源的浪费，也不利于环境保护。

在微型燃气轮机技术领域，现有技术中通常采用回热器对微型燃气轮机排气的热量进行回收利用，然后将经过回热器的尾气排向大气；然而通过回热器的尾气依旧具有一定的余热，现有技术中，也有对于回热器排出的尾气能量进行回收利用的，通常采用的都是旋转机械，例如涡轮等，以对尾气能量进行回收利用。但是对于小功率的微型燃气轮机，由于回热器排出的尾气温度相对较低，同时尾气量又少，旋转机械无法有效回收这部分能量。

因此，如何提高发电系统中热量循环利用和回收效率以提高发电系统的产电量是本领域技术人员亟需解决的一项技术问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统，该循环系统能够更进一步地回收利用回热器排气中携带的能量，进而提高整个微型燃气轮机的效率，同时，该循环系统可同时解决SOFC发电余热和回热器排气余热的回收问题，将系统中各环节产出的热量循环利用，可提高整个系统的发电和回收效率，同时可集成设置，占用空间小，此外，该循环系统通过对太阳能的追踪，做到太阳能的高效利用，以提高系统发电效率，另外该循环系统可解决现有特斯拉涡轮落压比低，易造成压力损失、系统效率低的问题。

本发明的技术解决方案是：一种具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统，包括具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机，所述具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统还包括燃料电池系统，蒸汽发电系统，太阳能接收器中的至少一个；

具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机，包括启发一体式电机、空压机、串联式特斯拉涡轮机以及回热器，所述回热器包括第一进口、第一出口、第二进口、第二出口，所述第一进口与空压机出口连接用于加热压缩气体并将压缩气体从第一出口输出，所述第二进口、第二出口分别与串联式特斯拉涡轮机中的最后一级特斯拉涡轮机单元的介质出口以及外界大气连接用于将从串联式特斯拉涡轮机流出的做功气体降温后排出具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机。

进一步的，所述具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机包括回热器和串联式特斯拉涡轮机；所述串联式特斯拉涡轮机，包括设置在转轴上的至少两个特斯拉涡轮机单元和至少两个径向轴承；所述特斯拉涡轮机单元包括：转轴，设置于所述转轴上的壳体，所述壳体上设置有介质入口和介质出口；设置于所述壳体内的若干个转盘，所述若干个转盘固定连接于所述转轴上，所述若干个转盘中的每两个相邻转盘之间均设置有间隙，所述若干个转盘中的每个转盘上均绕中心均布设置排气孔；所述至少两个径向轴承设置于所述转轴上；上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口与下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口连通。

进一步的，所述燃料电池系统，包括燃料电池，所述回热器的第一出口连接燃料电池进口用于为燃料电池提供燃烧气体，所述燃料电池尾气出口连接串联式特斯拉涡轮机进口用于为串联式特斯拉涡轮机提供做功气体。

进一步的，所述蒸汽发电系统为汽轮机系统；

所述汽轮机系统包括换热单元、循环水箱、发动机以及第一发电机，所述回热器的第一出口与换热单元进气口连接，所述换热单元的进水口与循环水箱的出水口连接，换热单元的蒸汽出口与发动机连接用于为发动机提供做功蒸汽，所述发动机连接第一发电机用于驱动第一发电机发电，所述循环水箱连接发动机用于回收做功蒸汽做功后转化成的水或者水汽混合物。

进一步的，所述蒸汽发电系统为有机朗肯循环系统；

所述有机朗肯循环系统包括冷凝器、蒸发器、第二发电机、串联式特斯拉涡轮机膨胀机以及液体泵，所述回热器的第一出口与蒸发器进气口连接，所述冷凝器通过液体泵连接蒸发器的进水口，所述蒸发器的蒸汽出口与串联式特斯拉涡轮机膨胀机连接用于为串联式特斯拉涡轮机膨胀机提供做功蒸汽，所述串联式特斯拉涡轮机膨胀机连接第二发电机用于驱动第二发电机发电，所述冷凝器连接串联式特斯拉涡轮机膨胀机用于回收做功蒸汽做功后转化成的水或者水汽混合物。

进一步的，所述太阳能接收器包括太阳能收集装置、太阳能反射镜、安装台以及调节装置；所述太阳能收集装置设置于所述燃气轮机上用于加热燃气轮机工质通道上的循环介质，所述燃气轮机固定于所述太阳能反射镜上方并使所述太阳能收集装置位于太阳光反射聚点。

进一步的，所述燃料电池系统还包括补燃器；

所述燃料电池尾气出口连接所述补燃器，所述补燃器出气口连接空压叶轮进气端。

进一步的，所述串联式特斯拉涡轮机包括电机，所述电机的转轴通过联轴器与所述转轴连接；或者，

所述电机的转轴为所述转轴。

进一步的，所述串联式特斯拉涡轮机包括推力轴承，所述推力轴承设置在任意一个特斯拉涡轮机单元内。

进一步的，两个径向轴承分别位于第一级特斯拉涡轮机单元前端和最后一级特斯拉涡轮机单元的后端并位于特斯拉涡轮机单元的壳体外。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统，使用活塞发动机回收微型燃气轮机回热器排气中的热量的原理，可解决现有技术中由于废气热值较低、热量较少无法高效回收的技术问题。

2、本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统，，其可以同时解决SOFC发电余热和回热器排气余热的回收问题，将系统中各环节产出的热量循环利用，其回收效率可达到50％-80％；该三联合系统中的蒸汽发电系统可选择汽轮机系统或者ORC系统(有机朗肯循环系统)，通用性强。

3、燃料电池需要在900℃-1000℃进行反应，这恰好是燃气轮机燃烧室工作时的温度，因此本发明用燃料电池替代了传统的燃气轮机燃烧室。与此同时，燃料电池可以作为独立的发电装置，可以产生大量的热，既起到了替代燃烧室的作用，又可作为循环系统的动力源之一。燃料电池与燃气轮机系统互相促进，联合后的工作效果大于原有各系统各自工作叠加的效果。

4、低温冷启动是影响燃料电池商业化应用的重要因素之一，本发明将燃料电池置于一整套循环系统之中，可以使燃料电池在回热器出气温度达到一个合适的值时才启动，使燃料电池被充分利用，节约资源，使用效率高，利于商业化。

5、本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统，通过蒸汽发电系统的循环水可进一步回收交通工具或发电系统中发热元件的热量，例如发动机壳体、电池组，发电机散发的热量等。

6、本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统，将太阳能、燃气轮机和追踪太阳光技术进行结合，能够保证太阳能燃气轮机发电系统高效的吸收太阳能，以提高能源的利用率。

7、本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统，通过回热器、燃烧室的配合，能够将系统中各环节产出的热量循环利用，能量回收效率高。

8、本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，串联式特斯拉涡轮机，落压比高，减少压降损失，系统整体效率高。

9、本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，串联式特斯拉涡轮机，压缩后的气体可以得到充分利用，可节约能源。

10、本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，串联式特斯拉涡轮机，每一级特斯拉涡轮机单元的介质入口设置喷嘴，增加了气体流速。

11、本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，串联式特斯拉涡轮机，转盘两侧面设置螺旋式空气槽，实现转盘两侧空气的快速通流，既可传导气体，又可防止空气堵塞、聚积。

附图说明

图1是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统的第一种联合循环系统的工作原理示意图；

图2是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统的第二种联合循环系统的工作原理示意图；

图3是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统的第三种联合循环系统的工作原理示意图；

图4是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统的第四种联合循环系统的工作原理示意图；

图5是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，串联式特斯拉涡轮机的结构示意图；

图6是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，串联式特斯拉涡轮机的第一级特斯拉涡轮机单元的结构示意图；

图7是图5俯视方向的涡轮进气出气路线示意图；

图8是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，串联式特斯拉涡轮机的转盘上设置空气槽的示意图。

图9是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，发动机结构一示意图；

图10是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，发动机结构二示意图；

图11是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，发动机结构三示意图；

图12是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，发动机结构四示意图；

图13是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，发动机结构五示意图；

图14是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，发动机结构六示意图；

图15是本发明图11设置真空泵时结构示意图；

图16是本发明图14设置真空泵时结构示意图；

图17是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，调节装置示意图；

图18是本发明的具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统中，安装台顶面膨胀瓶分布示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统，包括具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机1，所述具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机联合循环系统还包括燃料电池系统，蒸汽发电系统，太阳能接收器中的至少一个。

空压机102启动时由启发一体式电机103带动。所述启发一体式电机103先作为电动机带动空压机102旋转，待加速到能独立运行后则作为发电机发电。

所述具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机1，包括回热器101、空压机102、串联式特斯拉涡轮机100、启发一体式电机103，所述回热器101包括第一进口、第一出口、第二进口、第二出口，第一进口与空压机102的出口和连通，以加热经空压机102压缩的气体并将其从第一出口输出，该输出分两路，一路通入燃料电池201，提高进入燃料电池201气体的温度，进而提高燃料的利用率；另一路通入蒸汽发电系统中的换热单元302，以将循环水箱301的水转化为蒸汽。回热器101第二进口和第二出口分别与串联式特斯拉涡轮机100的出口和外界大气连通，以将从透平104流出的高温气体降低温度后作为尾气排出具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机1外部。

所述串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机100包括设置在转轴上的至少两个特斯拉涡轮机单元和至少两个径向轴承130；所述特斯拉涡轮机单元包括：转轴110，设置于所述转轴110上的壳体120，所述壳体120上设置有介质入口170和介质出口180；设置于所述壳体120内的若干个转盘191，所述若干个转盘191固定连接于所述转轴110上，所述若干个转盘191中的每两个相邻转盘191之间均设置有间隙，所述若干个转盘191中的每个转盘191上均绕中心均布设置排气孔192；所述至少两个径向轴承130设置于所述转轴110上；上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口180与下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170连通。

本发明的串联式特斯拉涡轮机的工作原理如下：高速流体介质通过第一级特斯拉涡轮机壳体120上设置的介质入口170进入壳体120内部后进入相邻转盘191之间的间隙。由于流体边界效应，流体介质驱动转盘191高速旋转进而带动转轴110旋转。流体介质依次穿过各转盘191的排气孔192，并最终通过壳体120上设置的介质出口180排出壳体120，经管道进入下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170……直至从最后一级特斯拉涡轮机单元的介质出口180排出。

优选的，各级特斯拉涡轮机单元的壳体120固定在一起；上一级特斯拉涡轮机单元的介质出口180通过管道连接至下一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170。

优选的，每一级特斯拉涡轮机单元的介质入口170设置有喷嘴，以增加气体流速。

优选的，所述转轴110与壳体120连接位置密封处理，防止工质泄露。所述串联式特斯拉涡轮机的外部设置保护罩，保护罩可浸于水箱或水池内降温。

优选的，进一步地，所述转轴110通过至少一对径向轴承130支承于定子(图中未示出)内。

优选的，所述转盘191为圆盘。

优选的，所述启发一体式电机103的转轴通过联轴器140与所述转轴110连接；或者，所述启发一体式电机103的转轴为所述转轴110，即所述启发一体式电机103的转轴与所述串联式特斯拉涡轮机的转轴110共轴。

优选的，所述串联式特斯拉涡轮机包括推力轴承150，所述推力轴承150设置在任意一个特斯拉涡轮机单元内，所述推力轴承150包括推力盘160和定子，所述推力盘160设置在所述转轴110上；所述推力轴承150为用于限制转轴110在轴向方向上移动的轴承，径向轴承130为用于限制转轴在径向方向上移动的轴承。

进一步优选的，至少两个径向轴承130和/或推力轴承150为非接触式轴承，如空气轴承，磁轴承，气磁混合轴承等。

优选的，两个径向轴承130分别位于第一级特斯拉涡轮机单元前端和最后一级特斯拉涡轮机单元的后端并位于特斯拉涡轮机单元的壳体120外。

优选的，每个转盘191上的排气孔192同轴设置。

优选的，所述转盘191通过键连接等固定方式固定于所述转轴110上。

优选的，相邻的两个转盘191之间设置有垫片193，所述垫片193用于调节相邻两转盘191之间的间隙大小。

优选的，所述转盘191采用钢或碳纤维材料或耐高温环氧树脂。

优选的，所述转盘191两侧面设置螺旋式空气槽194，以实现转盘191两侧空气的快速通流，既可传导气体，又可防止空气堵塞、聚积。

进一步优选的，所述空气槽194可以通过锻造、滚轧、刻蚀或冲压而形成。

优选的，每一级特斯拉涡轮机单元内转盘191的数量可以均相等或个别相等或均不相等。

本发明的串联式特斯拉涡轮机可通过增加转盘191的数量增加气流量，通过增加级数增大落压比。

假设工质入口气体压力为20倍大气压，每一级特斯拉涡轮机单元的可以使气压降2倍，则通过4-5级的特斯拉涡轮机单元就可以使排出压力接近于大气压，压降损失极小。

所述燃料电池系统2，包括燃料电池201。回热器101出口连接至燃料电池201、为燃料电池201提供燃烧所需的高温气体，燃料电池201输出端输出电能，其产生的高温高压尾气推动串联式特斯拉涡轮机100做功，串联式特斯拉涡轮机100带动启发一体式电机103高速旋转发电。

所述蒸汽发电系统：选用汽轮机系统3，包括换热单元302、循环水箱301、发动机303、第一发电机304，回热器101排出的一部分气体输送到换热单元302，同时循环水箱301将循环水输送到换热单元302，在换热单元302内，循环水吸收尾气中的热量并在换热单元302内气化形成高压蒸汽，高压蒸汽进入发动机303做功驱动第一发电机304发电。高压蒸汽做功后成为常压蒸汽或者水汽混合物进入循环水箱301，以实现循环利用。从而有效利用了回热器101的排气中的热量，提高循环系统整体效率。

优选的，在回热器101至燃烧室105的工质通道上介入太阳能，可在回热器101或燃烧室105上设置太阳能收集装置21，且太阳能收集装置21位于太阳光反射聚点。

此时，所述联合循环系统的循环过程为：

1.启发一体式电机103先作为电动机带动空压机102工作，外界气体通入空压机102，经压缩后从回热器101第一进口通入回热器101内，此时从空压机102中流出的气体温度为500-600℃。

2.从回热器101第一出口中流出的气体分为两路，一路进入汽轮机系统3的换热单元302中，另一路进入燃料电池系统2中，与燃料气一起促使燃料电池201的反应启动及维持：

1)回热器101第一出口排出的一部分气体输送到换热单元302，同时循环水箱301将循环水输送到换热单元302，在换热单元302内，循环水吸收尾气中的热量并在换热单元302内气化形成高压蒸汽，高压蒸汽进入发动机303做功带动第一发电机304发电。高压蒸汽做功后成为常压蒸汽或者水汽混合物进入循环水箱301，以实现循环利用。

2)燃料电池201启动后，逐渐产生热量并产生少部分电能，其产生的尾气通入串联式特斯拉涡轮机100，一路使串联式特斯拉涡轮机100高速旋转并带动转化为发电机的启发一体式电机103发电，另一路高温气体从回热器101第二进口通入回热器101内，重复循环直至燃料电池201在最佳温度稳定反应。该步骤中，燃料电池201启动后产生热量，并逐渐升至最佳反应温度，在800-950℃稳定反应，(优选地，为900℃)，稳定输出电能；产生的尾气通入串联式特斯拉涡轮机100重复循环，此时串联式特斯拉涡轮机100出气端温度达到550℃-700℃，(优选地，为650℃)；回热器101中的温度保持在500℃-600℃。

本实施例提供的燃气轮机、燃料电池和蒸汽发电三联合循环系统中的蒸汽发电系统采用汽轮机系统，本三联合系统其可以同时解决SOFC发电余热和回热器排气余热的回收问题，将系统中各环节产出的热量循环利用,其回收效率可达到50％-80％。

优选的，燃料电池201后可以连接补燃器202，以防止燃烧不充分，燃料电池201输出电能、未完全反应的部分气体输送至补燃器202，补燃器202内产生燃烧反应后，尾气自补燃器202出口输送至串联式特斯拉涡轮机100进气端，一路使串联式特斯拉涡轮机100高速旋转并带动转化为发电机的启发一体式电机103发电，另一路高温气体从回热器101第二进口通入回热器101内，重复循环。

进一步地，所述补燃器202采用现有补燃装置，如补燃炉等。

此时，所述联合循环系统的循环过程为：

1.启发一体式电机103先作为电动机带动空压机102工作，外界气体通入空压机102，经压缩后从回热器101第一进口通入回热器101内，此时从空压机102中流出的气体温度为500-600℃。

2.从回热器101第一出口中流出的气体分为两路，一路进入汽轮机系统3的换热单元302中，另一路进入燃料电池系统2中，与燃料气一起促使燃料电池201的反应启动及维持：

1)回热器101第一出口排出的一部分气体输送到换热单元302，同时循环水箱301将循环水输送到换热单元302，在换热单元302内，循环水吸收尾气中的热量并在换热单元302内气化形成高压蒸汽，高压蒸汽进入发动机303做功带动第一发电机304发电。高压蒸汽做功后成为常压蒸汽或者水汽混合物进入循环水箱301，以实现循环利用。

2)燃料电池201启动后，逐渐产生热量并产生少部分电能，其产生的尾气通入通入补燃器202，补燃器202中排出的气体通入串联式特斯拉涡轮机100，一路使串联式特斯拉涡轮机100高速旋转并带动转化为发电机的启发一体式电机103发电，另一路高温气体从回热器101第二进口通入回热器101内，重复循环直至燃料电池201在最佳温度稳定反应。该步骤中，燃料电池201启动后产生热量，并逐渐升至最佳反应温度，在800-950℃稳定反应，(优选地，为900℃)，稳定输出电能；产生的尾气通入串联式特斯拉涡轮机100重复循环，此时串联式特斯拉涡轮机100出气端温度达到550℃-700℃，(优选地，为650℃)；回热器101中的温度保持在500℃-600℃。

本实施例，通过增加补燃器202的方式，以保证燃料的充分燃烧，提高能量回收率。

进一步的，所述发动机303可以采用活塞发动机。活塞发动机的结构可以通过多种结构实现，例如、但不限于以下几种结构。

结构一：

本结构中，发动机303采用单侧进气弹簧复位式活塞发动机310。如图3所示，其包括气缸缸体311，活塞312，弹簧313，活塞杆314，曲柄滑块机构315以及输出轴316，活塞312安装于气缸缸体311内，活塞杆314一端连接活塞312，另一端伸出气缸缸体311并与曲柄滑块机构315连接，曲柄滑块机构315连接输出轴316，气缸缸体311的无杆腔一侧设置有第一进气口311-1，第一排气口311-2，第一进气口311-1连接换热单元302，第一排气口311-2连接循环水箱301，输出轴316连接第一发电机304；气缸缸体311的有杆腔一侧设置有弹簧313，用于活塞312做功后的复位。

作为优选，可在第一进气口311-1，第一排气口311-2、与气缸缸体311之间设置开关阀321，根据活塞发动机的具体工作状态控制开关阀321的通断，以实现对活塞发动机动作的控制。

具体地，开关阀321可以是机械式开关阀或者电动式开关阀。其中电动式开关阀从原理上讲，较为简单，仅需满足高频通断即可，但是其需要能够承受较高的温度和压力；机械式开关阀，则需要结合本身活塞的运动，彼此之间进行联动，省去了程序控制的频率限制，但其结构上会稍复杂一些。

工作状态下，高压蒸汽由换热单元302经第一进气口311-1进入活塞发动机的无杆腔，推动活塞312做直线运动，活塞312通过曲柄连杆机构315将活塞312的直线运动转化为输出轴316的旋转运动，输出轴316带动第一发电机304发电；做功后，弹簧313推动活塞312复位，活塞发动机的无杆腔内的乏气或者汽水混合物经第一排气口311-2进入循环水箱301循环使用。

结构二：

本结构中，发动机303采用双侧进气的活塞发动机320。其在结构一的基础上，省去弹簧313，同时在气缸缸体311的有杆腔一侧设置有第二进气口311-3，第二排气口311-4，第二进气口311-3连接换热单元302，第二排气口311-4连接循环水箱301，其它结构与结构一相同，在此不做重复说明和标注。

工作状态下，高压蒸汽由换热单元302经第一进气口311-1进入活塞发动机的无杆腔，推动活塞312做直线运动，活塞312通过曲柄连杆机构315将活塞312的直线运动转化为输出轴316的旋转运动，输出轴316带动第一发电机304；做功后，高压蒸汽经第二进气口311-3进入活塞发动机的有杆腔，推动活塞312向无杆腔一侧运动，活塞发动机的无杆腔内的乏气或者汽水混合物经第一排气口311-2进入循环水箱301，然后进入下一个循环周期，高压蒸汽经第一进气口311-1进入活塞发动机的无杆腔，推动活塞312做功，活塞发动机有杆腔内的乏气或者汽水混合物经第二排气口311-4进入循环水箱301循环。

作为优选，可在第一进气口311-1，第一排气口311-2、第二进气口311-3，第二排气口311-4与气缸缸体311之间设置开关阀321，根据活塞发动机的具体工作状态控制开关阀321的通断，以实现活塞发动机往复运动的控制；开关阀321可以是机械式开关阀或者电动式开关阀。

本结构与结构一相比，其省去了弹簧，通过两侧进气和排气实现了活塞的往复运动，提高了活塞发动机控制的可靠性，并简化了结构。

结构三：

本结构中，发动机303采用水平对置的双缸控制式活塞发动机330。双缸控制式活塞发动机330包括曲柄滑块机构335和相对设置于曲柄滑块机构335两侧的第一气缸和第二气缸。

其中，曲柄滑块机构335为双滑块结构，其包括曲柄335-1，第一滑块335-2、第一连接杆335-3，第二滑块335-4，第二连接杆335-5以及输出轴316；输出轴316穿设于于曲柄335-1的中心，第一连接杆335-3的一端、第二连接杆335-5的一端分别连接于曲柄335-1的两个端面，且连接点分布于输出轴316的两侧，第一连接杆335-3的另一端连接第一滑块335-2、第二连接杆335-5的另一端连接第二滑块335-4。

第一气缸包括：第一气缸缸体331，第一活塞332，第一活塞杆334，第一活塞332安装于第一气缸缸体331内，第一活塞杆334一端连接第一活塞332，另一端伸出第一气缸缸体331并与第一滑块335-2连接；第一气缸缸体331的无杆腔一侧设置有第一进气口311-1，第一排气口311-2，第一进气口311-1连接换热单元302，第一排气口311-2连接循环水箱301。

第二气缸包括：第二气缸缸体337、第二活塞338、第二活塞杆339、第二活塞杆339安装于第二气缸缸体337内，第二活塞杆338一端连接第二活塞338，另一端伸出第二气缸缸体337并与第二滑块335-4连接；第二气缸缸体337的有杆腔一侧设置有第二进气口311-3，第二排气口311-4，第二进气口311-3连接换热单元302，第二排气口311-4连接循环水箱301。

工作状态下，高压蒸汽由换热单元302经第一进气口311-1进入第一气缸的无杆腔，推动第一活塞332做直线运动，第一活塞332通过曲柄连杆机构335将第一活塞332的直线运动转化为输出轴316的旋转运动，输出轴316带动第一发电机304；做功后，高压蒸汽经第二进气口311-3进入第二气缸的有杆腔，推动第二活塞338向无杆腔一侧运动，第一气缸的无杆腔内的乏气或者汽水混合物经第一排气口311-2进入循环水箱301，第二气缸做功后，高压蒸汽再进入第一气缸继续做功，重复循环，实现输出轴316的连续工作。

在图示结构中，高压蒸汽进入第一气缸做功时，第一活塞杆334带动曲柄滑块机构335的曲柄335-1旋转，曲柄335-1按逆时针方向旋转，在此过程中，曲柄335-1同时带动第二活塞杆339运动，第二活塞杆339带动第二活塞338向曲柄335-1一侧运动，当其旋转到预定角度后，高压蒸汽进入第二气缸做功时，第二活塞338带动第二活塞杆339向远离曲柄335-1一侧运动，曲柄335-1则继续按逆时针方向旋转，此时，第一气缸的无杆腔内的乏气或者汽水混合物经第一排气口311-2进入循环水箱301。即在连续做功过程中，第一气缸进气做功时，第二气缸排气，第二气缸进气做功时，第一气缸排气，以此实现循环做功。

当然，上述说明只是针对具体工作过程的一个说明，并不构成对本发明的实现过程和其结构的限制。

作为优选，第一进气口311-1，第一排气口311-2、第二进气口311-3，第二排气口311-4与缸体之间设置有开关阀321，根据活塞发动机的具体工作状态控制开关阀321的通断，以实现活塞发动机往复运动的控制。具体地，开关阀321可以是机械式开关阀或者电动式开关阀。

作为优选，可以将换热单元302内与第一进气口311-1、第二进气口311-3之间通过电磁换向阀连接，将第一排气口311-2、第二排气口311-4通过电磁换向阀与循环水箱301连接，通过电磁换向阀的动作控制即可控制第一气缸和第二气缸的动作，使得活塞发动机的控制更为简单和准确。

在结构一、二、三所公开的三种结构中，发动机303的具体结构为气缸带动曲柄连杆的结构，即将活塞的直线往复运动转换为曲柄的旋转运动，然后带动第一发电机304；除上述结构外，本发明也可以使用直线电机，即第一发电机304为直线发电机，将活塞杆直接连接到直线电机，活塞的直线运动直接驱动直线电机发电。这样可进一步简化整体结构。当其使用场景受限不适合上述三种结构的情况下，可以使用以下结构的结构。具体结构原理如下：

结构四：

在本结构中，发动机303为单侧进气弹簧复位式活塞发动机310，包括：

气缸缸体311、活塞312、弹簧313、活塞杆314；

其中，所述活塞312安装于气缸缸体311内，活塞杆314一端连接活塞312，另一端伸出气缸缸体311并连接第一发电机304；

气缸缸体311的无杆腔一侧设置有第一进气口311-1，第一排气口311-2，第一进气口311-1连接换热单元302，第一排气口311-2连接循环水箱301，气缸缸体311的有杆腔一侧设置弹簧313，用于活塞312做功后的复位。

结构五：

在本结构中，发动机303为双侧进气式活塞发动机320，包括：

气缸缸体311、活塞312、活塞杆314；

其中，所述活塞312安装于气缸缸体311内，活塞杆314一端连接活塞312，另一端伸出气缸缸体311并连接第一发电机304；

气缸缸体311的无杆腔一侧设置有第一进气口311-1，第一排气口311-2，气缸缸体311的有杆腔一侧设置有第二进气口311-3，第二排气口311-4，第一进气口311-1、第二进气口311-3连接换热单元302，第一排气口311-2、第二排气口311-4连接循环水箱301。

结构六：

在本结构中，发动机303为水平对置的双缸控制式活塞发动机330，包括：

第一气缸、第二气缸；

其中，第一气缸包括第一气缸缸体331，第一活塞332，第一活塞杆334，第一活塞332安装于第一气缸缸体331内，第一活塞杆334一端连接第一活塞332，另一端伸出第一气缸缸体331并与第一发电机304一端连接；第一气缸缸体的无杆腔一侧设置有第一进气口311-1、第一排气口311-2，第一进气口311-1连接换热单元302，第一排气口311-2连接循环水箱301；

第二气缸包括第二气缸缸体337、第二活塞338、第二活塞杆339、第二活塞杆339安装于第二气缸缸体337内，第二活塞杆339一端连接第二活塞338，另一端伸出第二气缸缸体337并与第一发电机304另一端连接；第二气缸缸体337的有杆腔一侧设置有第二进气口311-3，第二排气口311-4，第二进气口311-3连接换热单元302，第二排气口311-4连接循环水箱301。

根据上述结构公开的技术，发电装置的结构的具体选择可以根据工况和使用场景做出最优化的选择。

上述6中结构中，均设置了单组的活塞发动机来驱动发电装置的工作，本发明同样可设置多组活塞发动机来驱动发电装置工作。即，活塞发动机设置为多组，多组发动机同时对应驱动多组曲柄旋转，而多组曲柄安装于同一输出轴，输出轴与发动装置连接。这样可以提高发电装置运行可靠性，同时提高发电效率。

可选地，在第一气缸的有杆腔和第二气缸的无杆腔连接第一真空泵P1，第二真空泵P2。当第一气缸或者第二气缸做功时，对应的真空泵也同时开始工作，将相应的腔室抽到负压状态。

因为采用的是水蒸汽进行活塞膨胀做功，因此，当背压降低后，即采用抽真空的方法降低排气压力，则做功部分的水蒸汽会有更多的液态水凝结出来，从而产生更多的做功能量，提高整机的发电效率。例如，在第一缸体的有杆腔内的压力为常压时，第一缸体的无杆腔内的蒸汽做功后压力为0.1MPa，而将第一气缸的有杆腔的压力通过真空泵抽到0.005MPa后，两种不同的背压条件，在等熵条件下，0.005MPa背压相比于常压背压，水蒸汽将释放更多的能量，从而将整体的做功效率提高5-8％。

此外，由于本发明中使用循环水来吸收回热器排出的废热，然后推动活塞做功，因此在活塞做功过程中，活塞和缸体之间是不需要添加润滑油和润滑脂的，直接由水润滑即可，因此不需要额外的润滑结构和润滑油供给结构和系统，简化了活塞发动机的结构。

优选的，将蒸汽发电系统的汽轮机系统3更换为ORC系统4，(即有机朗肯循环系统)：

ORC系统4，(即有机朗肯循环系统)，包括冷凝器401、蒸发器402、第二发电机403、透平膨胀机404，液体泵405。具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机1的回热器101第一出口排出气体一路输送到燃料电池201，另一路输送到蒸发器402，同时冷凝器401通过液体泵405将冷凝水输送到蒸发器402，在蒸发器402内，冷凝水吸收尾气中的热量并在蒸发器402内气化形成高压蒸汽，高压蒸汽经过透平膨胀机404带动第二发电机403发电。高压蒸汽做功后成为常压蒸汽或者水汽混合物进入冷凝器401，以实现循环利用。从而有效利用了回热器101的排气中的热量，提高循环的整体效率。

此时，所述联合循环系统的循环过程为：

1.启发一体式电机103先作为电动机带动空压机102工作，外界气体通入空压机102，经压缩后从回热器101第一进口通入回热器101内，此时从空压机102中流出的气体温度为500-600℃。

2.从回热器101第一出口中流出的气体分为两路，一路进入ORC系统4的蒸发器402中，另一路进入燃料电池系统2中，与燃料气一起促使燃料电池201的反应启动及维持：

1)回热器101第一出口排出的一部分气体输送到蒸发器402，同时冷凝器401通过液体泵405将冷凝水输送到蒸发器402，在蒸发器402内，冷凝水吸收尾气中的热量并在蒸发器402内气化形成高压蒸汽，高压蒸汽经过透平膨胀机404带动第二发电机403发电。高压蒸汽做功后成为常压蒸汽或者水汽混合物进入冷凝器401，以实现循环利用。

2)燃料电池201启动后，逐渐产生热量并产生少部分电能，其产生的尾气通入串联式特斯拉涡轮机100，一路使串联式特斯拉涡轮机100高速旋转并带动转化为发电机的启发一体式电机103发电，另一路高温气体从回热器101第二进口通入回热器101内，重复循环直至燃料电池201在最佳温度稳定反应。该步骤中，燃料电池201启动后产生热量，并逐渐升至最佳反应温度，在800-950℃稳定反应，(优选地，为900℃)，稳定输出电能；产生的尾气通入串联式特斯拉涡轮机100重复循环，此时串联式特斯拉涡轮机100出气端温度达到550℃-700℃，(优选地，为650℃)；回热器101中的温度保持在500℃-600℃。

优选的，蒸汽发电系统选择ORC系统，可以同时解决SOFC发电余热和回热器排气余热的回收问题，将系统中各环节产出的热量循环利用，其回收效率可达到50％-80％。

进一步优选的，在燃料电池201后可以连接补燃器202，以防止燃烧不充分，燃料电池201输出电能、未完全反应的部分气体输送至补燃器202，补燃器202内产生燃烧反应后，气体自补燃器202出口输送至串联式特斯拉涡轮机100进气端，一路使串联式特斯拉涡轮机100高速旋转并带动转化为发电机的启发一体式电机103发电，另一路高温气体从回热器101的第二进口通入回热器101内，重复循环。

进一步地，所述补燃器202采用现有补燃装置，如补燃炉等。

此时，所述联合循环系统的循环过程为：

1.启发一体式电机103先作为电动机带动空压机102工作，外界气体通入空压机102，经压缩后从回热器101的第一进口通入回热器101内，此时从空压机102中流出的气体温度为500-600℃。

2.从回热器101第一出口流出的气体分为两路，一路进入ORC系统4的蒸发器402中，另一路进入燃料电池系统2中，与燃料气一起促使燃料电池201的反应启动及维持：

1)回热器101第一出口排出的一部分气体输送到蒸发器402，同时冷凝器401通过液体泵405将冷凝水输送到蒸发器402，在蒸发器402内，冷凝水吸收尾气中的热量并在蒸发器402内气化形成高压蒸汽，高压蒸汽经过透平膨胀机404带动第二发电机403发电。高压蒸汽做功后成为常压蒸汽或者水汽混合物进入冷凝器401，以实现循环利用。

2)燃料电池201启动后，逐渐产生热量并产生少部分电能，其产生的尾气通入补燃器202，补燃器202中排出的气体通入串联式特斯拉涡轮机100，一路使串联式特斯拉涡轮机100高速旋转并带动转化为发电机的启发一体式电机103发电，另一路高温气体通入回热器101内，重复循环直至燃料电池201在最佳温度稳定反应。该步骤中，燃料电池201启动后产生热量，并逐渐升至最佳反应温度，在800-950℃稳定反应，(优选地，为900℃)，稳定输出电能；产生的尾气通入串联式特斯拉涡轮机100重复循环，此时串联式特斯拉涡轮机100出气端温度达到550℃-700℃，(优选地，为650℃)；回热器101中的温度保持在500℃-600℃。

通过增加补燃器202的方式，以保证燃料的充分燃烧，提高能量回收率。

由于燃料电池201所需流量较小，而空压机102可输出的流量较大，因此可选用径流式涡轮作为本发明的空压机102。

优选的，燃料电池201为固体燃料电池(如碳酸盐燃料电池)或质子交换膜燃料电池。

优选的，所述具有串联式特斯拉涡轮机的微型燃气轮机1通过固定杆6固定在太阳能反射镜61上方，并使太阳能收集装置65位于太阳光反射聚点。具体地，太阳能收集装置65是设置在燃气轮机上的吸热板，该吸热板可包覆在回热器101或燃烧室105外壁上，也可作为回热器101或燃烧室105的部分或全部外壁。

优选的，太阳能反射镜61为有固定聚点的反射镜，具体地，可选用碟式太阳能反射镜。

优选的，安装台62为一固定在地表或者镶嵌在地面内的平板，可选用钢板。

优选的，调节装置64，其具体包括顶杆631、套杆632、铰链633、基座634、膨胀瓶635、管道636。

安装台62顶部固定多个基座634，基座634为偶数个，成对对称设置，并沿一圆周分布(优选地，基座634沿圆周均匀分布)，基座634通过伸缩杆连接太阳能反射镜61底部，伸缩杆包括顶杆631和套杆632，顶杆631可在套杆632内滑动，套杆632底部通过铰链633设置在基座634上，顶杆631底部套入套杆632内、顶部连接在太阳能反射镜61底部(优选地，顶杆631在太阳能反射镜61底部沿一圆周均匀分布)；各基座634外侧位于安装台62顶面固定有膨胀瓶635，膨胀瓶635内装填膨胀液(可选膨胀煤油)，通过管道636连接至其对侧的基座634上的套杆632，膨胀瓶635受热时，膨胀油膨胀，顶起对侧顶杆631，进而使太阳能反射镜61在对侧抬高，以便吸收光照强烈的一侧光线。

进一步地，当太阳光恰好垂直射向地面时，各膨胀瓶635受热程度相同，该时刻太阳能反射镜61轴心垂直于地面。各膨胀瓶635可以嵌套在瓶座637内，将瓶座637固定在安装台62上。

优选的，调节装置64结构中，假设强光位于左侧，则右侧的伸缩杆长度长于左侧，太阳能反射镜61右侧高于左侧，以便接受左侧较强的光照；反之则可以接受右侧较强的光照。因此，本实施例的发电系统在调节装置64作用下能够实现自动跟踪太阳光，以保证太阳能反射镜61始终接收较强光照的一侧。

优选的，伸缩杆设置为三对，可以从三个角度调节太阳能反射镜61。伸缩杆也可以设置为一对、两对、四对、五对……等整数对。伸缩杆设置越多，可以越精准地调节太阳能反射镜61的角度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。