CN101680433A - 用于将太阳能转化为机械能或电能的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于将太阳能转化为机械能或电能的系统，包括：用于将源自太阳的太阳辐射聚集在给定的焦点的聚集装置、用于接收和累积源自所述聚集装置的太阳辐射以累积热能的收集装置以及将累积在所述收集装置中的所述热能转化为机械能的转化装置。接着，机械能通过采用常规的发电机可以转化为电能。

Description

用于将太阳能转化为机械能或电能的方法和系统
技术领域
发现本发明的应用领域总体处于由可再生能源产生能量的产业部分中，更具体地，是通过热电能量的方式由可再生能源产生能量，即，通过热力学过程由处于其热形式的太阳能产生机械能并将机械能转化为电能的方式由可再生能源产生能量。
本发明的系统和方法的主要目的在于，通过采用小型装置满足小型和中型热电能生产设施的需要，该小型装置聚集后续用于为此目的的热力学循环中的能量。
背景技术
存在于我们的星球上的主要能量源是太阳，目前使用的能源中的很多都是太阳的直接或间接作用的结果。
由到达地球表面的太阳光线获取能量的最直接方式主要有两种：光电太阳能和热电能。
光电太阳能利用通过太阳辐射在光电池上而产生在半导体材料中的光电效应，该效应是将太阳能转化为电能的最直接的方式。基于这种能量的设施的主要优点是可以获得小型动力设施。而其两个缺点可能是突出的：转化的效率低以及在希望获得通常功率的条件下的巨大占用表面。
另一方面，在由太阳辐射获取能量的另一直接方式，即热电能的框架下，必须指出存在利用源于太阳的、处于热形式的能量以将该能量转化为电的热电动力设备。主要缺点在于，这些设备基于如燃气轮机或蒸汽涡轮机的热力学循环，而燃气轮机或蒸汽涡轮机必须具有高输出从而具有可接受的效率。这意味着设施的高成本以及巨大的占用表面，这对于小型设施是不合适的，因为小型设施采用性能极低的热机。
因此，如果希望采用小型动力设施，使用常规的热机是不合适的，必须使用其它类型的机器和装置。
更具体地，热电能包括通过将聚集在地球表面上的、处于热能形式的太阳辐射转化为机械能并接着转化为电能而产生电。通过基于太阳炉的动力站以及最近被称为斯特林盘或抛物面收集器设施进行该过程。
太阳炉：太阳炉包括高塔，由通过镜子(定日镜)的太阳反射产生的光线聚集于该高塔，所述镜子在塔中聚集能量。水流从中流过，该水流被转化为蒸汽以接着将蒸汽的能量转化为机械能并最终转化为电能。这种基于蒸汽涡轮机的动力设备建设成本高，但是却具有高效的特征。
太阳塔：太阳塔是新型的热力太阳塔设施，其运行基于具有大表面的温室中的空气加热。使热空气通过平行于地面并且位于数米高的竖直塔上的涡轮机。热空气将大部分能量传递至涡轮机，然后这种已损失了大部分能量的热空气在上部排出。由于涡轮机是具有高机械精度和巨大尺寸的单元，因此这些太阳塔是具有高技术复杂性的动力设备。
斯特林盘：存在各种组装有该技术的动力设备，一个清晰的示例是Almeria动力设备或PAS(西班牙)。该设备基本上包括抛物面盘，该抛物面盘通过反射将太阳光线聚集在焦点，例如斯特林发动机的外燃发动机安装在该焦点上。该发动机通过上述热力学过程使热能转化为机械能并接着转化为电能。
这种动力设备的缺点在于发动机被放置成与太阳一线，因此暴露于直接太阳辐射以及汇集在抛物面盘上的太阳辐射。这两种作用加在一起迫使发动机必须承受高温，而这种高温使机油温度过度升高，因而机油失去其特性并且机器不得不停机。
另一种动力设备是抛物柱面动力设备。这种动力设备基于蒸汽涡轮机并包括将能量聚焦在管中的抛物柱面，水流流过该管。所述水接收并吸收太阳能直到水转化为水蒸气，最终水蒸气穿过涡轮机，从而能量复原为机械形式以接着转化为电能。
这种设施具有与其余基于蒸汽涡轮机的动力设备相同的缺点。该缺点主要在于这种设施需要高输出使得涡轮机具有合适的效率，因而这种设施占据大的表面。
发明内容
根据本发明，提供了一种系统，该系统解决了小型和中型能量产生的问题，并克服了现有系统所具有的问题，如设施的高成本、需要大的太阳能收集表面以及常规热机的低效率。
为此，在本发明的第一方面中，提供了用于将太阳能转化为机械能并接着转化为电能的系统。该系统包括：第一聚集装置，将太阳能聚集在给定焦点；第二收集装置，对源自第一聚集装置的太阳辐射作用温室效应，作用温室效应的目的是聚集热能；以及第三装置，其体现为外燃发动机，该外燃发动机是聚集在聚集装置中的热能的接收体以用于生产机械能。
与现有技术的系统不同，本发明的系统具有的第一差别在于太阳辐射并非通过镜子反射而是聚集在具有特别特征的会聚透镜上。
在第二方面中，本发明提供了通过本发明的系统将太阳能转化为机械能的方法。该方法具有以下主要步骤：
i.通过聚集装置将太阳辐射聚集在给定的焦点；
ii.在累积装置中对源自聚集装置的太阳辐射进行累积；以及
iii.将累积在累积装置中的热能应用或输送至将热能转化为机械能的转化装置。
本发明的这些和其它目的通过根据权利要求1的系统以及根据权利要求15的方法得以实现。本发明的系统对象的具体实施方式分别在从属权利要求2至14和16中得到限定。
更具体地，太阳能聚焦在菲涅耳透镜上并且处于焦距处，即，热能收集器在焦点上安装用于将热能应用至斯特林发动机，该斯特林发动机的尺寸和功率适于将所述热能还原为机械能的形式。
以下是菲涅耳透镜与其它类型的透镜相比的特征：
-相比固态透镜具有小尺寸(厚度)；
-比固态透镜低得多的生产成本；
-比会聚标准透镜具有更大的焦点幅度，即，更广的焦点分散；以及
-由于菲涅耳透镜使用更少的材料，从而具有更轻的重量，因而产生更大的机动性和用于控制支持系统的控制性。
另外，可以为系统补充设置控制系统和发电机，当提供了合适的条件时，该控制系统通过采用温度计或传感器使发动机启动，而发电机则将发动机的机械能复原为电力。
外燃发动机(斯特林式)在其热点处具有设置有具有温室效应特性的黑表面(通过浸润选择性涂料或任何其它形式)的接收器-累积器，所述温室效应特性便于热能的累积以用于其后续输送至外燃发动机的引用的热点而几乎无任何能量损失。
本发明的系统所产生的优点包括但不限于：
-外燃发动机的热点位于透镜的覆盖部分，这意味着对太阳表面的更充分利用；
-更易于保护外燃发动机的冷点免受太阳强光影响；
-透镜具有更小的质量并允许进行跟踪的运动质量消耗更少的能量；
-如果设施需要且被赋予增加设施的技术复杂性的尺寸，那么该施可以具有大功率，也可以如所需地由很多较小功率且技术上更可实现的模块替代。
附图说明
以下参照附图，对仅以说明性和非限制性示例的方式给出的优选实施方式进行详细描述，从而本发明的这些和其它特征与优点将会更加显见。
图1示出了本发明的系统的总体示意图；
图2示出了本发明的带有温室效应的收集装置的放大图；
图3示出了本发明的优选实施方式中的聚集装置，即菲涅耳透镜的俯视图和侧视图；
图4示出了本发明的将热能转化为机械能的转化装置，具体为根据本发明的优选实施方式的斯特林循环外燃发动机。
图5示出了本发明的优选实施方式的斯特林循环发动机的空气循环的参考点的图形表示；
图6示出了本发明的优选实施方式的整体斯特林循环发动机的容积以及每个气缸的容积的变化的图形表示；
图7示出了在本发明的优选实施方式的斯特林循环发动机的热力学循环过程中的压力和温度的变化的图形表示。
发明的优选实施方式
已经述及，将考虑附图对本发明进行详细地描述。
因此，在图1中可以看到本发明的、用于将热能转化为机械能的系统(1)包括：源于太阳(6)的辐射(5)的聚集装置(2)，其位于给定焦点；具有温室效应的收集装置(3)；源自收集装置(2)的太阳辐射(5′)的接收器和累积器，其用于累积热能；以及转化装置(4)，其将热能转化为机械能。接着，源自转化装置(4)的机械能可通过采用将机械能转化为电能的装置(未表示)转化为电能。
在具体实施方式中，聚集装置(2)是“菲涅耳”式透镜，将热能转化为机械能的转化装置(4)体现为(斯特林或埃里克森循环)外燃发动机，其接收在引用的累积装置(3)中累积的热能用于生产机械能。
更具体地，在图1中看到光线(5)如何由太阳(6)发出，哪些以近似垂直和平行的方式到达地球的表面并落在将太阳射线(5′)聚集在给定的焦点(7)上的菲涅耳透镜(2)上。由这种透镜产生的焦点不具有高质量，但是对于这种应用而言足够高。射线(5′)聚焦在温室效应太阳收集器(3)上，温室效应太阳收集器(3)累积热能并将热能在外燃热力发动机(4)的热点(8)处转移至外燃热力发动机(4)。接着，从外燃热力发动机(4)获得的机械能可以通过常规的发电机转化为电能。
太阳收集器(3)设置有辐射进入区(9)，该辐射进入区(9)由允许太阳辐射(5′)穿过并防止红外辐射离开的材料制成，从而产生所需的温室效应。斯特林发动机的热点(8)位于收集器(3)的、与辐射进入区(9)相对的区域(10)中，从而包含在收集器(3)中的热能容易地转移至发动机的内部，并因此进入热动力学循环中。
在具体的实施方式中，辐射进入处(9)基本上平行于聚集装置(2)的水平面。
在图2中可以非常详细地看到太阳收集器(3)，在上述段落中已经描述了太阳收集器(3)的主要特征。已经提到，辐射进入区(9)由允许太阳辐射穿过并且同时对红外辐射是不透明的材料制成，从而该辐射进入区(9)防止由收集器的内部构件因收集器的温度而发出的辐射的泄露。
同样地，收集器阵列(3)是无泄漏的，并且在其中设置有特性类似于镜子的气体，即温室效应气体，如CO2，这种气体对太阳辐射(5′)是透明的且对红外辐射是不透明。收集器(3)的壁设置有绝热材料以将处于热量形式的内部热能的泄露降至最低，并且与外燃发动机(4)的热点(8)接触的区域(10)由起到黑体作用并同时是良好的热导体的材料制成(这种材料例如是诸如铝的热传导金属)，并且在选择性涂料中浸泡，该选择性涂料吸收太阳辐射(5′)并将其转化为热能。
在图4中示出了用于本发明的系统的外燃斯特林发动机，该发动机具有对置构造，这种构造的主要优点在于发动机的热点(8)与冷点(11)之间距离较大，从而便于在冷点(11)处排出热量。
该系统还包括控制系统，该控制系统在需要的条件下控制发动机的启动并能够在不将发动机停机的情况下吸收轴的能量。
以下示例用于说明本发明且不得认为是限制本发明的范围。在该示例中提供了对在本发明的系统的运行条件下的斯特林发动机的理论行为的热力学研究。
斯特林发动机的特征在于其是一种标准空气循环。因此，描述该循环的运行的公式是在以下描述的空气的公式：
T 2 S T 1 = ( P 2 P 1 ) γ - 1 γ 公式(1)，等熵气体压缩。
这里，T是循环的不同点处的温度；数字表示点，下标S表示表示其指的是循环的等熵点，P是循环的不同点处的压力，而γ是循环的多元系数(恒定压力下的特定热量除以恒定容积下的特定热量)。
T 3 T 4 S = ( P 3 P 4 ) γ - 1 γ 公式(2)，等熵气体膨胀。
η C = T 2 S - T 1 T 2 - T 1 公式(3)，压缩性能。
η E = T 3 - T 4 T 3 S - T 4 公式(4)，膨胀性能。
η = ( T 3 - T 4 ) - ( T 2 - T 1 ) T 3 - T 2 公式(5)，循环的热力学性能。
η是表示循环的热力学性能的参数。
图5中给出了对上述点的引用。
在真实的过程中，气体的熵增加，因此在相同的等压曲线上点2s会比点2更靠右。因而，点4s也比点4具有更多的熵且更靠右。
在本发明的系统的应用中可以由这些公式得到对斯特林发动机的运行宏观的估计。
以下是为该研究所考虑的初始数据：
移置容积，V＝30立方厘米。
假设热点的温度为250℃，T3＝250℃。
考虑95％的压缩性能和95％的膨胀性能。这些数据尽管得到了另一有益作用的补偿，但是可能似乎是高的。第二个作用是等温压缩和等温膨胀。给定所使用的机器的特性，冷点处的气体温度由于压缩过程而升高，所产生的热量排至发动机的壁，实现了所需的作用。在膨胀过程中会出现相似的现象。该过程使气体温度下降，因此从气缸头到气体的热量转移会增加，从而实现了等温膨胀。
另一方面，发动机会被加压，从而对于气缸的相同立方容量，气团流量增加。假设3巴的初始条件。P1＝3巴。
在这种条件下，压缩结束时的气体温度会是140℃，而膨胀结束时的温度是109℃。
循环的热力学性能是16.6％。
最后，假设发动机达到5,000转每分(rpm)，那么发动机会发出170W的输出。这会产生1,000W的热输出需求。根据对太阳辐射的研究，大致1,000W/m2的热太阳功率到达地球的表面。通过这些结果，可以认为，通过所述发电机以及将辐射聚集在温室效应收集器中的1m2的菲涅耳透镜，可以获得大致170W的机械能以及因此而产生的电能。
基本概念在于，对于每平方米的菲涅耳透镜表面，可以获得170W的电功率。
以下在阻力条件下提供对置构造的原型斯特林发动机的研究结果。为了模拟该原型，总结出以下特征：
活塞杆的长度：89.9mm
曲柄的长度：19.9mm(从曲轴的轴到活塞杆的距离)
冲程：38.8mm
直径：49mm
管的死区容积：1.13e-5m3
总死区容积：2.26e-5m3
斯特林发动机的运行模式包括改变整个机器的容积，从而在最大压力下，气体的主要部分容纳在热点的汽缸中，而当容积最小时，气体主要容纳在冷点中。这在具有两个气缸的原型中已经实现，该两个气缸的TDC(上止点)从曲柄轴偏移90°。假设发动机在该封闭循环中封装气体，以下列出引导这些过程的公式：
T i T 1 = ( V 1 V i ) γ - 1 公式(6)，在隔热气缸中的压缩过程。
这里Ti是指示点1的状况(或最大容积点)的点i的温度，Vi是在所述点处的容积。由理想气体已知容积、封装的工质和根据上述公式得到的温度计算出压力。
V1被考虑为热点的容积，而V2则被考虑为冷点的容积。
以下的表格中提供了理论计算的最相关结果：
  转动角度   V1   VT   V2   T(°K)   P(PA)   T℃
  0   0.0000000   0.0000612   0.0000386   423.7   1009080   150.7
  6   0.0000002   0.0000651   0.0000422   413.6   926937   140.6
  12   0.0000009   0.0000692   0.0000457   403.4   849788   130.4
  18   0.0000021   0.0000737   0.0000490   393.5   778681   120.5
  24   0.0000036   0.0000784   0.0000521   383.9   714071   110.9
  30   0.0000056   0.0000833   0.0000551   374.7   655996   101.7
  36   0.0000080   0.0000883   0.0000578   366.0   604223   93.0
  42   0.0000106   0.0000934   0.0000602   357.8   558361   84.8
  48   0.0000136   0.0000986   0.0000624   350.2   517937   77.2
  54   0.0000168   0.0001037   0.0000643   343.2   482455   70.2
  60   0.0000202   0.0001088   0.0000659   336.7   451425   63.7
  66   0.0000238   0.0001137   0.0000672   330.8   424390   57.8
  72   0.0000275   0.0001184   0.0000683   325.5   400930   52.5
  78   0.0000312   0.0001229   0.0000690   320.7   380671   47.7
  84   0.0000349   0.0001270   0.0000695   316.5   363284   43.5
  90   0.0000386   0.0001309   0.0000696   312.7   348483   39.7
  96   0.0000422   0.0001343   0.0000695   309.5   336025   36.5
  102   0.0000457   0.0001373   0.0000690   306.8   325705   33.8
  108   0.0000490   0.0001399   0.0000683   304.5   317351   31.5
  114   0.0000521   0.0001420   0.0000672   302.7   310827   29.7
  120   0.0000551   0.0001436   0.0000659   301.3   306025   28.3
  126   0.0000578   0.0001447   0.0000643   300.4   302866   27.4
  132   0.0000602   0.0001452   0.0000624   300.0   301300   27.0
  138   0.0000624   0.0001452   0.0000602   300.0   301300   27.0
  144   0.0000643   0.0001447   0.0000578   300.4   302866   27.4
  150   0.0000659   0.0001436   0.0000551   301.3   306025   28.3
  156   0.0000672   0.0001420   0.0000521   302.7   310827   29.7
  162   0.0000683   0.0001399   0.0000490   304.5   317351   31.5
  168   0.0000690   0.0001373   0.0000457   306.8   325705   33.8
  174   0.0000695   0.0001343   0.0000422   309.5   336025   36.5
  180   0.0000696   0.0001309   0.0000386   312.7   348483   39.7
  186   0.0000695   0.0001270   0.0000349   316.5   363284   43.5
  192   0.0000690   0.0001229   0.0000312   320.7   380671   47.7
  198   0.0000683   0.0001184   0.0000275   325.5   400930   52.5
  204   0.0000672   0.0001137   0.0000238   330.8   424390   57.8
  210   0.0000659   0.0001088   0.0000202   336.7   451425   63.7
  转动角度   V1   VT   V2   T(°K)   P(PA)   T ℃
  216   0.0000643   0.0001037   0.0000168   343.2   482454   70.2
  222   0.0000624   0.0000986   0.0000136   350.2   517937   77.2
  228   0.0000602   0.0000934   0.0000106   357.8   558361   84.8
  234   0.0000578   0.0000883   0.0000080   366.0   604223   93.0
  240   0.0000551   0.0000833   0.0000056   374.7   655996   101.7
  246   0.0000521   0.0000784   0.0000036   383.9   714071   110.9
  252   0.0000490   0.0000737   0.0000021   393.5   778681   120.5
  258   0.0000457   0.0000692   0.0000009   403.4   849788   130.4
  264   0.0000422   0.0000651   0.0000002   413.6   926936   140.6
  270   0.0000386   0.0000612   0.0000000   423.7   1009080   150.7
  276   0.0000349   0.0000578   0.0000002   433.7   1094401   160.7
  282   0.0000312   0.0000548   0.0000009   443.1   1180172   170.1
  288   0.0000275   0.0000522   0.0000021   451.8   1262703   178.8
  294   0.0000238   0.0000501   0.0000036   459.3   1337488   186.3
  300   0.0000202   0.0000485   0.0000056   465.3   1399579   192.3
  306   0.0000168   0.0000474   0.0000080   469.4   1444216   196.4
  312   0.0000136   0.0000469   0.0000106   471.6   1467596   198.6
  318   0.0000106   0.0000469   0.0000136   471.6   1467596   198.6
  324   0.0000080   0.0000474   0.0000168   469.4   1444217   196.4
  330   0.0000056   0.0000485   0.0000202   465.3   1399580   192.3
  336   0.0000036   0.0000501   0.0000238   459.3   1337488   186.3
  342   0.0000021   0.0000522   0.0000275   451.8   1262703   178.8
  348   0.0000009   0.0000548   0.0000312   443.1   1180172   170.1
  354   0.0000002   0.0000578   0.0000349   433.7   1094402   160.7
  360   0.0000000   0.0000612   0.0000386   423.7   1009080   150.7
表1.阻力热力学参数汇总表
第一栏示出了参考运动角。第二栏示出了热点的容积。第三栏示出了冷点的气缸的容积。第四栏表示以开尔文为单位的绝热气体温度，第六栏则示出了以摄氏度为单位的该温度。第五栏表示以帕斯卡为单位的发动机的阻力压。
在图6中看到机器的整体容积和气缸中的每一个的容积的变化。可以看到，在这种情况下，两个气缸之间存在的相位滞后是90°，而由两个气缸移置的容积是相同的。为了优化发动机的运行，这些参数是可变的。
图7中反映了在绝热条件下的压力和温度的变化。可以看到，在热力学过程的320°附近出现最大压力点，气体从270°起容纳在热点中。在这个阶段向气体提供热量，因此产生膨胀和机械能。

Claims (16)

1.用于将太阳能转化为机械能或电能(1)的系统，包括：
-聚集装置(2)，将源自太阳(2)的太阳辐射(5)聚集在给定的焦点(7)；
-收集装置(3)，用于接收和累积源自所述聚集装置(2)的太阳辐射(5′)以累积热能；以及
-转化装置(4)，将累积在所述收集装置(3)中的所述热能转化为机械能。
2.根据权利要求1所述的用于转化能量的系统，其特征在于，所述收集装置(3)具有进入区(9)和接触区(10)，所述进入区(9)用于源自所述聚集装置(2)的太阳辐射(5′)，所述接触区(10)用于将存储在所述收集装置(3)中的所述热能传递至将热能转化为机械能的所述转化装置(4)。
3.根据权利要求2所述的用于转化能量的系统，其特征在于，所述太阳辐射(5′)至所述收集装置(3)的所述进入区(9)的平面基本上平行于所述聚集装置(2)的水平面。
4.根据前述权利要求任一项所述的用于转化能量的系统，其特征在于，所述收集装置(3)是无泄漏的。
5.根据前述权利要求任一项所述的用于转化能量的系统，其特征在于，所述收集装置(3)在其内部包括温室效应气体，所述温室效应气体对太阳辐射(5′)是透明的而对红外辐射是不透明的。
6.根据权利要求5所述的用于转化能量的系统，其特征在于，设置在所述收集装置(3)内的所述温室效应气体是CO2。
7.根据前述权利要求任一项所述的用于转化能量的系统，其特征在于，所述收集装置(3)的壁设置有绝热材料以将处于热量形式的能量的泄露降至最低。
8.根据前述权利要求任一项所述的用于转化能量的系统，其特征在于，接触热能并将热能传递至将热能转化为机械能的所述转化装置(4)的所述接触区(10)具有起到黑体作用的材料，所述材料吸收所有的太阳辐射并且同时是良好的热导体。
9.根据权利要求8所述的用于转化能量的系统，其特征在于，所述接触区(10)的所述材料是浸泡在一层选择性涂料中的铝，所述选择性涂料具有高的太阳辐射(5)吸收指数。
10.根据权利要求1所述的用于转化能量的系统，其特征在于，所述太阳辐射(5)的所述聚集装置(2)是菲涅耳透镜。
11.根据权利要求1所述的用于转化能量的系统，其特征在于，将累积在所述收集装置(3)中的热能转化为机械能的所述转化装置(4)体现为外燃发动机。
12.根据权利要求11所述的用于转化能量的系统，其特征在于，所述外燃发动机是斯特林发动机。
13.根据前述权利要求任一项所述的用于转化能量的系统，其特征在于，其进一步包括将源自所述转化装置(4)的机械能转化为电能的装置。
14.根据前述权利要求任一项所述的用于转化能量的系统，其特征在于，其包括控制系统，所述控制系统用于尤其是通过在合适的时机启动所述发动机(4)来操作所述系统以及对所述聚集装置(2)进行定位。
15.用于将太阳能转化为机械能的方法，包括以下步骤：
-通过聚集装置(2)将太阳辐射(5)聚集在给定的焦点(7)；
-在累积装置(3)中对源自所述聚集装置(2)的太阳辐射(5′)进行累积；以及
-将累积在所述累积装置(3)中的所述热能应用或输送至将所述热能转化为机械能的转化装置(4)。
16.根据权利要求15所述的将太阳能转化为机械能的方法，其特征在于，其包括将源自所述转化装置(4)的机械能转化为电能的附加步骤。
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