CN101725488A - 热管飞轮式太阳能光热发电及储能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明热管飞轮式太阳能光热发电及储能方法，属于太阳能光热发电与储能技术的能源领域，太阳能集热器使热管热端被加热，热管工作介质蒸汽流动到冷端在散热器作用下于管壁放热冷凝后沿热管内壁回流槽回流到热端，热管工作介质蒸发汽流在热管内高速流动过程中推动涡扇叶轮旋转，从而使储能飞轮和发电机转子旋转；当热管外热源消失后，热管内热管工作介质全部冷凝，储能飞轮在真空环境中由于惯性力作用保持高速旋转，储存一定量的动能。当外部负载需要继续供电时，储能飞轮的动能释放使发电机转子旋转对外供电。本发明利用热管对太阳能的高效吸收特点，中心轴上储能飞轮和发电机转子既能发电，又可储能，而且具有储能密度大、使用寿命长等优势。
Description
技术领域
本发明涉及的是太阳能光热发电与储能技术的新能源领域。
背景技术
太阳能的高效利用是人类彻底摆脱能源危机的根本出路。将太阳光能转化为电能并且高效率、低成本地储存起来以便按需使用是亟待解决的关键问题。
在现有的太阳能发电技术中，主要有光伏发电和光热发电两条技术路线。光伏发电是基于光电效应原理，利用某些材料(如硅)做成太阳光能与电能直接转换的太阳能电池。光伏发电有直接换能的优点，但存在光电转化效率低的问题。目前实用的光伏发电技术可达到的效率为20％左右。而且，称之为太阳能电池其实并不贴切，因为它基本上不具备蓄电的功能，一旦光源消失即停止供电。
光热发电是利用集热器的聚光系统(凹面镜、凸透镜等)将太阳光能聚焦获得热能，进而使用热力发电机组产生电能。这一技术路线虽然目前已可获得远高于光伏发电的效率(达到40％以上)，但是由于存在一系列的转化的中间环节，不仅造成设备复杂、成本高，进一步提高转化效率的空间较小等问题，而且同样没有蓄电储能的功能。
利用热管原理制造发电机可以提高热电转化效率。专利200620134555公开了一种热管式发电机。其技术方案主要是在热管内设有一扇叶，该扇叶周缘环设有磁铁转子，且该磁铁转子相对于热管外部设有发电线圈。当热管内工作液体受热蒸发形成蒸汽推动扇叶连同磁铁转子进行旋转时，能使热管外部的发电线圈产生感应电流，成为热管发电机。但是，这种发电机受热源强度的变化而使电流出现波动，而且当热源消失后其输出电流也迅速衰减，没有足够的储能能力。
飞轮储能是近年来迅速发展起来的一种新的技术，由于具有无污染，储能密度高，使用寿命长，充电速度快等诸多优点，人们正在积极开发替代传统化学电池的飞轮电池。飞轮电池已经开始在UPS不间断电源，航天器用高容量电池等领域获得成功应用，用于电动汽车的飞轮电池也已试验成功，一旦性能价格比问题得到进一步解决，便可望进入到大规模应用的时代。有关飞轮电池的专利技术较多，如200310118907公开了一种悬浮飞轮电池。但是，目前有关飞轮电池的发明都集中在电能储存方面。通过电子电路的切换，使充电阶段飞轮电池作为电动机在输入电能的驱动下转子加速至每分钟上万转的高速状态，从而以转子动能的形式储存输入的电能。当电池需要对外放电时，飞轮电池又切换到发电机模式，对外接负载输出电流的同时转子速度递减。
若使飞轮加速旋转所获得的动能由热管内高速流动的蒸发气体自身的动能替代现有飞轮电池的电能，则可成为一种热管飞轮式发电及储能方法。该方法比较适合于太阳能高效利用。
发明内容
本发明旨在解决现有太阳能发电技术中能量转化效率低和不能直接储存能量的问题。
本发明热管飞轮式太阳能光热发电及储能方法采用的技术方案如下：太阳能集热器使热管的热端被加热，热管内热管工作介质蒸发并快速流向冷端，热管工作介质蒸汽流动到冷端在散热器作用下于管壁放热冷凝后沿热管内壁回流槽作用回流到热端，再吸热蒸发，实现循环；热管工作介质蒸发汽流在热管内高速流动过程中推动涡扇叶轮旋转，涡扇叶轮、储能飞轮和发电机转子都安装在一根中心轴上，中心轴的两端为轴承，因而发电机转子旋转使发电机发电；当热管外热源消失后，热管内热管工作介质全部冷凝，储能飞轮在真空环境中由于惯性力作用保持高速旋转，储存一定量的动能。当外部负载需要继续供电时，储能飞轮的动能释放使发电机转子旋转继续对外供电，起到真正的太阳能电池的蓄能作用。
本发明中的中心轴两端的轴承可采用磁浮轴承，以减少转动阻力。
本发明中的涡扇叶轮、储能飞轮和发电机转子可以合并为一个零件，也可以任意两个合并成为两个零件，使结构得到简化。
本发明中热管内壁的回流槽也可以是吸液芯毛细管，以增强冷凝效果。
本发明利用热管对太阳光能等外部热能的高效吸收特点，中心轴上储能飞轮和发电机转子既能发电又可储能，而且具有储能密度大、使用寿命长等优势，因而本技术方案是一种高效率的太阳能光热发电及储能方法。
附图说明
图1是热管飞轮式太阳能光热发电及储能方法的结构示意图。
图中：1-太阳能集热器，2-热管工作介质，3-热管，4-回流槽，5-散热器，6-轴承，7-储能飞轮，8-发电机转子，9-涡扇叶轮，10-中心轴。
具体实施方式
热管飞轮式太阳能光热发电及储能方法，热管上下竖立放置的情况，下部为热端，上部为冷端，其结构如图1所示。该装置由太阳能集热器1、热管工作介质2、热管3、回流槽4、散热器5、轴承6、储能飞轮7、发电机转子8和涡扇叶轮9构成，除太阳能集热器1以外，其余各部分都与热管3安装为一个整体。中心轴10连同其上面的转动部件通过轴承6安装在热管3内，热管3内充填一定量的热管工作介质后抽成真空并且密封可靠，轴承6为磁浮轴承。
热管飞轮式太阳能光热发电及储能方法的工作原理是：太阳能集热器1接受太阳光能聚焦到热管3的热端。热管3内热管工作介质2受热蒸发后高速流向冷端，热管工作介质2蒸汽流动到冷端在散热器5作用下于管壁放热冷凝后沿热管3内壁回流槽4回流到热端，再吸热蒸发，实现循环，直到太阳光热量不足以蒸发热管工作介质2为止；热管工作介质2蒸发汽流在热管3内高速流动过程中推动涡扇叶轮9旋转，涡扇叶轮9、储能飞轮7和发电机转子8都安装在一根中心轴10上，中心轴10的两端为轴承6，因而发电机转子8旋转使发电机发电；当热管3外热源消失后，热管3内热管工作介质2全部冷凝，储能飞轮7在真空环境中由于惯性力作用保持高速旋转，储存一定量的动能。当外部负载需要继续供电时，储能飞轮7的动能释放使发电机对外供电，起到真正的太阳能电池的蓄能作用，储能飞轮7的作用一是储存能量，二是对太阳能强弱变化过程进行调整。该热管飞轮式发电及储能方法可实现白天边发电供应使用又储存多余的能量，夜间释放出所储存的能量，通过储能飞轮7带动发电机转子8继续旋转实现供电。
Claims (4)
1.热管飞轮式太阳能光热发电及储能方法，其特征在于太阳能集热器使热管的热端被加热，热管内热管工作介质蒸发并快速流向冷端，热管工作介质形成的蒸汽流动到冷端在散热器作用下于管壁放热冷凝后沿热管内壁回流槽回流到热端，再吸热蒸发，实现循环，热管工作介质蒸发汽流在热管内高速流动过程中推动涡扇叶轮旋转，涡扇叶轮、储能飞轮和发电机转子都安装在一根中心轴上，中心轴的两端为轴承，涡扇叶轮带动飞轮和发电机转子旋转发电，当热管外热源消失后，热管内热管工作介质全部冷凝，储能飞轮在真空环境中由于惯性力作用保持高速旋转，储存一定量的动能，当外部负载需要继续供电时，储能飞轮的动能释放使发电机转子旋转继续对外供电，起到蓄能作用。
2.根据权利要求1所述的热管飞轮式太阳能光热发电及储能方法，其特征在于，安装涡扇叶轮、储能飞轮和发电机转子的中心轴两端的轴承可采用磁浮轴承。
3.根据权利要求1所述的热管飞轮式太阳能光热发电及储能方法，其特征在于，涡扇叶轮、储能飞轮和发电机转子可以合并为一个零件，也可以任意两个合并成为两个零件。
4.根据权利要求1所述的热管飞轮式太阳能光热发电及储能方法，其特征在于，热管内壁的回流槽也可以是吸液芯毛细管。
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