CN102138046B - 线性太阳能热发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环保型线性太阳能热发电系统，其中，该系统是用一个结构简单的利用太阳能加热的线性发动机代替一个传统的、结构复杂的斯特林发动机，且磁铁和线圈分别设置在活塞和气缸上，从而产生了高效率的电能，提高了安装的稳定性，且易于维护和修理。本发明的线性太阳能热发电系统的组成包括：一框架；一安装在框架上且用于集中太阳光的太阳光聚光器；一热发动机，该热发动机由气缸和高压气体组成，该气缸被一个活塞分割成一个前端空间和一个后端空间，该高压气体容置在该气缸的前端空间和后端空间内，通过太阳光聚光器集中的太阳光交替转移到高压气体使得容置在该气缸的前端空间和后端空间内的高压气体热膨胀或收缩的交替转换，从而使得活塞线性往复运动；以及一发电设备，该发电设备是由多个磁铁和线圈构成，该多个磁铁纵向地沿着该活塞外圆周设置，该线圈纵向围绕该气缸的外圆周设置，根据该活塞的线性往复运动，该多个磁铁振荡从而使线圈产生电力。

Description

线性太阳能热发电系统

技术领域

本发明涉及一种环保型线性太阳能热发电系统，其中，该环保型线性太阳能热发电系统是用一个结构简单的利用太阳能加热的线性发动机代替一个传统的、结构复杂的斯特林发动机，且磁铁和线圈分别设置在活塞和气缸上，从而产生了高效率的电能，提高了安装的稳定性，且易于维护和修理。 

背景技术

一般来说，利用太阳能产生电力是通过使用将太阳光直接转换为电能的方法和通过利用太阳热能驱动一个热发电机的方法。 

一种太阳能发电机，使用太阳能电池将太阳光直接转换为电能被广泛使用，因为它耐用，且容易使发电系统半自动化或自动化。 

然而，这种太阳能电池只使用太阳光在可见光和红外光范围的一部分，并在波长较长的红外光低能量光子不能用于发电，但增加太阳能电池的温度，从而降低了电力产生的效率。此外，太阳能电池价格昂贵，而且太阳能电池的发电效率比热发电机的效率显著降低。 

同时，利用由高密度热源驱动的热能发动机如涡轮或斯特林发动机，通过集中太阳热能驱动太阳能发电机产生电力，并且该太阳能发电机具有的热发动机效率比太阳能电池的理论效率更高。特别地，为了使用太阳能热量推动发电机，要产生蒸汽来驱动涡轮机或加热斯特林发动机的发热部分。斯特林发动机是一种外燃发动机，其工作气体密封，如氢气，或者氦气，从外面在汽缸和活塞构成的空间加热和冷却工作气体，以推动活塞往返从而获得机械能。然而，通过运行涡轮机或斯特林发动机驱动该发电机，整体设备变得越来越大、越来越复杂，使得安装昂贵和难以维护和修理。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种环保型线性太阳能热发电系统，其中，该线性太阳能热发电系统是用一个结构简单的利用太阳能加热的线性发动机代替一个传统的、结构复杂的斯特林发动机，且磁铁和线圈分别设置在活塞和气缸上，从而产生了高效率的电能，提高了安装的稳定性，且易于维护和修理。 

通过对附图、具体实施方式的详细描述，本发明其他的目的，特别的特征和新的特征将变得更加明显。 

为了实现上述目的，本发明提供了一种线性太阳能热发电系统，该系统的组成包括：一框架；一安装在该框架上且用于集中太阳光的太阳光聚光器；一热发动机，该热发动机由气缸和高压气体组成，该气缸被一个活塞分割成一个前端空间和一个后端空间，该高压气体容置在该气缸的前端空间和后端空间内，通过太阳光聚光器集中的太阳光交替转移到高压气体使得容置在该气缸的前端空间和后端空间内的高压气体热膨胀或收缩的交替转换，从而使得活塞线性往复运动；及一发电设备，该发电设备是由多个磁铁和线圈构成，该多个磁铁纵向地沿着该活塞外圆周设置，该线圈纵向围绕该气缸的外圆周设置，根据该活塞的线性往复运动，该多个磁铁振荡从而使线圈产生电力。 

进一步地，该太阳光聚光器可以包括：一个安装在该框架上的主镜；及一个副镜，该副镜用于再次反射被该主镜反射的太阳光，且将太阳光集中到一点，并且，其中的主镜和副镜是卡塞格林类型的，其中共聚焦点是一个虚拟的焦点。 

进一步地，该太阳光聚光器可以包括：一个安装在该框架上的主镜；及一个副镜，该副镜用于再次反射被该主镜反射的太阳光，且将太阳光集中到一点，并且，其中的主镜和副镜是格里果里型的，其中共聚焦点是一个真正的焦点。 

进一步地，该线性太阳能热发电系统进一步包括一摆动装置，该摆动装置用于摆动该副镜以便被太阳光聚光器的副镜再次反射和集中的太阳光交替地照射在容置于该热发动机的气缸的前端空间和后端空间内的高压气体。 

进一步地，该摆动装置可以包括：用于旋转地支撑该副镜的摆动轴；及用 于正向和反向旋转该摆动轴的摆动马达。 

进一步地，该热发动机也可包括透光的窗口，该窗口设置在该气缸的前端空间和后端空间上，以便由太阳光聚光器集中的太阳光照向容置于该气缸的前端空间和后端空间内的高压气体。 

进一步地，该热发动机也可包括安装在该气缸的前端空间和后端空间内的黑体，该黑体通过吸收透过窗口照射的太阳光且使得热量传递给容置于该气缸的前端空间和后端空间内的高压气体。 

进一步地，该黑体是由喷涂微粒子形态的炭黑形成的。 

进一步地，该热发动机也可包括一个散热装置，该散热装置安装该气缸的前端空间和后端空间的外圆周上。 

进一步地，该散热装置可包括：装设在该气缸的前端空间和后端空间的外圆周上的多个散热鳍片；以及向散热鳍片提供空气以冷却散热鳍片的散热风扇。 

进一步地，该冷却装置可包括：缠绕在该气缸的前端空间和后端空间的外圆周上的散热管；以及为该散热管提供冷却液的冷却泵。 

进一步地，该线性太阳能热发电系统也可包括安装在该框体上的跟踪装置，该跟踪装置用于旋转该太阳光聚光器以便通过跟踪太阳从东到西从日出到日落的运动，使得太阳光的入射光量最大化。 

本发明通过集成线性发电设备和热发动机，通过由太阳光聚光器聚集的太阳光交替地转移照射到该气缸的前端空间和后端空间，使得容置于该气缸的前端空间和后端空间内的高压气体的热膨胀和收缩，从而使该活塞线性往复运动，这样提供了一种环保型线性太阳能热发电系统，该系统易于安装、维护和修理，发电效率高和环保发电。 

此外，通过将由主镜和副镜组成的太阳光聚光器设计为卡塞格伦类型或者格里果里类型，太阳光可以高密度集中，从而提高了高压气体热膨胀效率，并且该散热装置可以提高气缸内的高压气体冷却效率，从而提高了整体热效率，实现高效发电。 

附图说明

图1说明了本发明的一个线性太阳能热发电系统的一个实施例。 

图2是本发明线性太阳能热发电系统的太阳光聚光器的第一个实施例的主要组成部分的侧视图。 

图3是本发明线性太阳能热发电系统的太阳光聚光器的第二个实施例的主要组成部分的侧视图。 

图4和图5是本发明线性太阳能热发电系统的摆动装置在运行时的主要组成部分的侧视图。 

图6是本发明线性太阳能热发电系统的热发动机和发电设备的一个实施例的立体图。 

图7是在图6中沿A-A线的横截面视图。 

主要组件符号说明： 

100：框架 

200：太阳光聚光器 

210：主镜 220：副镜 

300：热发动机 

310：活塞 320：气缸 

330：窗口 340：黑体 

350：散热装置 

351：散热鳍片 352：散热风扇 

400：发电设备 

410：磁铁 420：线圈 

500：摆动装置 

510：摆动轴 520：摆动马达 

600：跟踪装置 

具体实施方式

在下文中，参考附图，本发明的线性太阳能热发电系统描述了几个实施例。 

图1说明了本发明的一个线性太阳能热发电系统的一个实施例。图2是本发明线性太阳能热发电系统的太阳光聚光器的第一个实施例的主要组成部分的侧视图。图3是本发明线性太阳能热发电系统的太阳光聚光器的第二个实施例的主要组成部分的侧视图。图4和图5是本发明线性太阳能热发电系统的摆动装置在运行时的主要组成部分的侧视图。图6是本发明线性太阳能热发电系统的热发动机和发电设备的一个实施例的立体图。图7是在图6中沿A-A线的横截面视图。 

如图1至图7所示。本发明的线性太阳能热发电系统包括一个框架100，太阳光聚光器200，热发动机300，发电设备400，摆动装置500和跟踪装置600。此外，该太阳光聚光器200可包括一个主镜210和一个副镜220，且该热发动机300可包括一个活塞310，一个气缸320，一个窗口330，一个黑体340和散热装置350。特别地，该散热装置350可由一个散热鳍片351和一个散热风扇352构成或由一个散热管和一个冷却泵构成，且该摆动装置500可包括一个摆动轴510和一个摆动马达520。 

如图1所示，该框架100是一种用于支撑本发明的线性太阳能热发电系统的单个元件的结构，只要该系统长期稳定固定，任何形状或材料可以使用，但一般使用六角钢结构。 

如图1所示，该太阳光聚光器200是安装在该框架100上并聚焦太阳 光。为了利用太阳能驱动热发动机，高密度的太阳光线需要集中到一个点。太阳光可以通过折射聚集方法聚焦，该折射聚集方法是通过一个透镜如放大镜用于折射太阳光和将太阳光集中到一点上，并且太阳光也可以通过反射集中方法聚焦，该反射聚集方法通过用一个弯曲的镜子来反射太阳光并将太阳光集中到一个点上。虽然，可以使用一个透镜，如放大镜，或一面镜子在该太阳光聚光器200上集中太阳光线，通过使用反射聚集方法比使用折射聚集方法可以聚集更密集太阳光线。 

关于反射聚集方法，基于数量和反射的形式，太阳光能以各种方式聚集，但在本发明中，利用两个镜子来聚集光线，如图3和图4所示。 

如图3和图4所示，太阳光聚光器200是由主镜210和副镜220构成。也就是说，具有较大直径的主镜210反射了太阳的入射光从而将太阳光线照射到直径较小的副镜220，而副镜220将主镜210反射过来的太阳光线反射从而将高度密集的太阳光线集中一点上。在这里，该主镜210有一个抛物线曲率以将太阳光线反射到聚焦点。根据朝向该主镜210的表面，该副镜220的形状不同。如果面向该主镜220的副镜220的表面是凸的，该副镜的形状是双曲线形状，如果面向该主镜220的副镜220的表面是凹的，该副镜的形状为椭圆形。也就是说，如图2所示，如果面向主镜210的副镜220的表面是凹的，该主镜210和副镜220是格里果里型的（Gregorian type），其中，共聚焦点是一个真正的焦点；并且，如果面向主镜210的副镜220的表面是凸的，该主镜210和副镜220是卡塞格伦型（Cassegrain type），其中，该共聚焦点是一个虚拟的焦点。该主镜210和副镜220可由一个高反射玻璃镜面安装到一个盘型钢结构上构成（未显示），或者由具有持久铝薄膜涂层的镜子形式构成。热发动机300是由气缸320和容置在每个气缸320前端空间和后端空间里的高压气体构成的，如图4至图7所示，该气缸320的前端空间和后端空间是由活塞310分开来，该容置在每个气缸320前端空间和后端空间里的高压气体交替接收到来自太阳光聚光器200集中太阳光从而热膨胀与收缩且线性地使得活塞310往复运动。本发明的热发动机300是外燃发动机，对应于理论斯特林发动机。也就是说，高压气体，如氢气，氦气是工作气体，该工作气体被密封在由气缸320和活塞310形成的空间里，为了获得机械能，靠太阳光从外面加热和冷却这种气体以热膨胀与收缩该气体从而推动活塞310。换句话说，当容置在该气缸320的前端空间和后端空间的高压气体吸收热能，高压气体分子变得活跃且分子运动加剧，而 分子运动速度增加。该高压气体分子碰撞该气缸320的墙壁次数随着分子运动的加快按比例增加。如果体积是固定的，固定的体积内的压力就增加。这种压力推动安装在气缸320内的活塞310作直线运动。该热发动机300根据上述原理有四个循环，该循环是加热、膨胀、冷却、和压缩。 

更具体地说，由太阳光聚光器200聚焦形成的太阳光热能的热源转移到并加热容置在气缸320前端空间之内的高压气体，该容置在气缸320前端空间之内的高压气体热膨胀从而推动活塞310向该气缸320的后端移动。当由太阳光聚光器200聚焦的太阳光从该气缸320的前端射出且照射该气缸320的后端时，该气缸320的前端空间冷却和该前端空间里面的高压气体收缩，且该容置在气缸320后端空间之内的高压气体热膨胀从而推动活塞310从该气缸320的前端移动向该气缸320的后端移动，如上所述。换言之，通过由太阳光聚光器200聚焦的太阳光交替传递至该气缸320的前端空间和后端空间，该活塞310在该气缸320的前端空间和后端空间作线性往复运动。在本发明的热发动机300中，该设备简单，因为只有一个活塞310是在气缸320内作线性往复运动，且由活塞310往复运动所产生的机械能通过线性发电设备400产生电力，这将在下文详细介绍。 

为了使由太阳光聚光器200聚焦的太阳光交替转移到设置在该热发动机300的气缸320的前端空间和后端空间之内的高压气体，该摆动装置500的安装如图4和图5所示。该摆动装置500可以使该副镜220倾斜以致于被该副镜220再次反射而被太阳光聚光器200聚焦的太阳光照射到容置在该热发动机300的气缸320的前端空间和后端空间内的高压气体。其他各种形式的摆动装置，如由线性马达驱动的滑动连接结构或凸轮轴结构可用于以一定角度倾斜元件，但因为这种摆动装置可以是现有技术，在此不再描述。 

然而，如图4和图5所示，摆动装置的最简单形式是由摆动马达520正向和反向旋转摆动轴510构成的。换句话说，该摆动轴510与该副镜220安装在一起，以便旋转地支撑该太阳光聚光器200的副镜220，且安装该摆动马达520 于此，以便正向和方向旋转该摆动轴510。在这种情况下，能量转换方式，需要如齿轮，链条或者皮带将该摆动马达520的旋转能量转移到摆动轴510上，在能量转移期间该摆动马达520本身可以有一个制动器(未显示)或引入一个制动器，以防止该摆动马达520过度旋转。以上所述的摆动装置500安装在一个铸件上以支撑该副镜220和被一个控制器(未显示)的控制信号驱动。 

经太阳光聚光器200聚焦的太阳光转移到容置在该热发动机300的气缸320的前端空间和后端空间内的高压气体导致热膨胀，安装了该窗口330和黑体340，如图6至图7所示。该窗口330是安装在该气缸320的前端空间和后端空间以便太阳光聚光器200聚焦的太阳光照射到容置在该气缸320的前端空间和后端空间内的高压气体。该黑体340安装在该气缸320的前端空间和后端空间内，且通过吸收透过窗口330照射的太阳光使得热量传递给容置在该气缸320的前端空间和后端空间内的高压气体。因此，该太阳光聚光器200聚焦的太阳光透过窗口330照射到该气缸320的内部，且太阳光被安装在该气缸320内部的黑体340吸收导致加热该黑体340。然后，热量从该已经加热过的黑体340上传递给容置在该气缸320的前端空间和后端空间内的高压气体，从而导致高压气体热膨胀。可喷涂微粒子形态的炭黑以形成该黑体340，从而提高了太阳光的吸收，且提高了传递到高压气体的热效率。太阳光聚光器200聚焦到太阳光照射到一个点上，且通过摆动装置500可选择性地将聚焦的太阳光照射到该气缸320的前端空间和后端空间。实际上，通过容置在该气缸320的前端空间和后端空间内的高压气体热膨胀和收缩，滑动地安装在该气缸320内的活塞在310线性往复运动。 

当聚焦的太阳光交替照射到该热发动机300的气缸320的前端空间和后端空间时，也就是说，当太阳光从该气缸320的前端空间照射到该气缸320的后端空间或者从该气缸320的后端空间照射到该气缸320的前端空间时，太阳光停止对该气缸320的前端空间和后端空间其中之一进行照射时，在等候照射时该工作气体就冷却了从而进行收缩。与此同时，该气缸320的前端空间和后端 空间中的另一个就会加热且热膨胀，且通过增加被冷却和收缩的气缸320一端的冷却效率可以增加该热发动机300的热效率。为此，如图6和图7所示，在该气缸320的前端空间和后端空间外圆周上安装该散热装置350。为了增加接触面积从而迅速实现在等待状态下冷却，在该气缸320的前端空间和后端空间外圆周上设置多个散热鳍片351，如图6和图7所示。 

在此，该散热风扇352可附加地安装到该散热鳍片351附近以向该散热鳍片351提供空气冷却。换句话说，上述散热装置350是一种风冷式的，但它也可以是水冷式散热装置350。举例来说，虽然没有在附图上说明，该散热装置350可以配置有一个散热管和一个冷却泵，其中散热管可以缠绕在该气缸320的前端空间和后端空间外圆周上，且该冷却泵向散热管提供冷却液，以冷却该气缸320的前端空间和后端空间。 

如图6和图7所示，发电设备400是由多个磁铁410和一个线圈420所构成的，这些磁铁410纵向安装在该活塞310的外圆周上，该线圈420纵向缠绕在该气缸320外圆周上。换句话说，该活塞310的线性往复运动使该磁铁410振荡，从而该发电设备400的线圈420产生电力。也就是说，本发明的发电设备400是一种线性发电机，该发电机集成在该热发动机300的活塞310和气缸320从而将机械能转换成电能。 

由磁铁410振荡使得线圈420产生的电力是一种感应电动势。也就是说，当该线圈(这是一个导体)围绕该磁铁410产生磁场时，这就发生了感应现象，在该感应现象中电子发生运动，因为电流流动时产生了磁场。该感应电动势是由线圈420产生的，该线圈420连接到变压器的一侧作为一个LC谐振电路，并且在该变压器的另一侧产生交流电。如上述的线性发电机是传统技术，因此，本专利说明书省略对此的详细说明。 

如图1所示，在框架100上安装有跟踪装置600，在日出和日落之间该跟踪装置600从东方到西方跟踪太阳以旋转太阳光聚光器200，以使太阳光的光量最大。该跟踪装置600是指一种普通的阳光追踪设备，该跟踪装置600追踪 太阳的位置以便最大数量的太阳光线始终直接照射在该太阳光聚光器200上，从而使该发电系统利用太阳能最大限度地提高该发电效率。该利用太阳能的发电系统可以是一个固定类型或者是跟踪类型，众所周知，该跟踪类型的发电系统比固定类型的发电系统的发电效率高20％至60％。该固定类型是安装在一个固定位置，该固定位置为在从东南方位角到西南方位角均成30度角的位移之间的位置。该跟踪类型可以是单轴类型或双轴类型的。该单轴类型的发电系统根据太阳光方位角的变化从东到西旋转，而该双轴类型根据太阳方位角的变化和高度的变化从东到西和从南到北旋转。上述的跟踪类型可以被设计为能够在误差范围内基于地球自转和公转跟踪太阳的位置。该双轴型的发电系统在发电效率自然是比单轴型的发电系统的发电效率要高10％至40％，在本发明中，为了集中高密度太阳光，最好是用该双轴类型的发电系统来最大限度地提高发电效率。该双轴跟踪型可再分为程序类型和传感器类型。该传感器类型根据通过光学传感器感测的太阳光的最大数量追踪太阳，该传感器对周围的环境和气候的变化是敏感的，切需要定期清洗，保养和维修。相反地，该程序类型，它是通过在东西位置连接处自动旋转接收太阳光照射的最佳数量，和通过计算每天的天气条件、日出和日落的时间精确跟踪太阳的位置以接受太阳的高度，这样成本更低，并保持跟踪太阳，即使由于周围环境或天气变化在清晰度低的时候也是如此。因此，本发明的跟踪装置通过以上所描述的太阳光线跟踪方法旋转上述太阳光聚光器200可以提高的发电效率，并且使要聚集的太阳光线数量最大化。 

以上描述的本发明实施例和对上述附图的说明不应被理解为限制本发明的技术思想。在本发明的保护范围应仅仅由附属的权利要求所界定，并应当明白，本领域的普通技术人员有可能对本发明的技术思想进行修改和改进。因此，只要本发明的改进和修改对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的，那么，这种改进和修改应属于本发明所保护的范围。 

Claims (12)

1.一种线性太阳能热发电系统，其包括：

一框架;

一安装在所述框架上且用于集中太阳光的太阳光聚光器；

一热发动机，所述热发动机由气缸和高压气体组成，所述气缸被一个活塞分割成一个前端空间和一个后端空间，所述高压气体容置在所述气缸的前端空间和后端空间内，通过太阳光聚光器集中的太阳光交替转移到所述高压气体使得容置在所述气缸的前端空间和后端空间内的高压气体热膨胀或收缩的交替转换，从而使得所述活塞线性往复运动；及

一发电设备，所述发电设备是由多个磁铁和线圈构成，所述多个磁铁纵向地沿着所述活塞外圆周设置，所述线圈纵向围绕所述气缸的外圆周设置，根据所述活塞的线性往复运动，所述多个磁铁振荡从而使所述线圈产生电力。

2.根据权利要求1所述的线性太阳能热发电系统，其中所述太阳光聚光器包括：

一个安装在所述框架上的主镜；及

一个副镜，所述副镜用于再次反射被所述主镜反射的太阳光，且将太阳光集中到一点，并且，其中的主镜和副镜是卡塞格林类型，其中共聚焦点是一个虚拟的焦点。

3.根据权利要求1所述的线性太阳能热发电系统，其中所述太阳光聚光器包括：

一个安装在所述框架上的主镜；及

一个副镜，所述副镜用于再次反射被所述主镜反射的太阳光，且将太阳光集中到一点，并且，其中的主镜和副镜是格里果里类型，其中共聚焦点是一个真正的焦点。

4.根据权利要求2或者3所述的线性太阳能热发电系统，进一步包括一摆动装置，所述摆动装置用于倾斜所述副镜以便被太阳光聚光器的副镜再次反射和集中的太阳光交替地照射在容置于所述热发动机的气缸的前端空间和后端空间内的高压气体。

5.根据权利要求4所述的线性太阳能热发电系统，其中所述摆动装置包括：

用于旋转地支撑所述副镜的摆动轴；及

用于正向和反向旋转所述摆动轴的摆动马达。

6.根据权利要求1所述的线性太阳能热发电系统，其中所述热发动机进一步包括透光的窗口，所述窗口设置在所述气缸的前端空间和后端空间上，以便由太阳光聚光器集中的太阳光照向容置于所述气缸的前端空间和后端空间内的高压气体。

7.根据权利要求6所述的线性太阳能热发电系统，其中所述热发动机进一步包括安装在所述气缸的前端空间和后端空间内的黑体，所述黑体通过吸收透过窗口照射的太阳光且使得热量传递给容置于所述气缸的前端空间和后端空间内的高压气体。

8.根据权利要求7所述的线性太阳能热发电系统，其中所述黑体是由喷涂微粒子形态的炭黑形成的。

9.根据权利要求1所述的线性太阳能热发电系统，其中所述热发动机进一步包括一个散热装置，所述散热装置安装在所述气缸的前端空间和后端空间的外圆周上。

10.根据权利要求9所述的线性太阳能热发电系统，其中所述散热装置包括：

装设在所述气缸的前端空间和后端空间的外圆周上的多个散热鳍片；及

向所述散热鳍片提供空气以冷却所述散热鳍片的散热风扇。

11.根据权利要求9所述的线性太阳能热发电系统，其中，所述散热装置包括：

缠绕在所述气缸的前端空间和后端空间的外圆周上的散热管；及

为所述散热管提供冷却液的冷却泵。

12.根据权利要求1所述的线性太阳能热发电系统，进一步包括安装在所述框架上的跟踪装置，所述跟踪装置用于旋转所述太阳光聚光器以便通过跟踪太阳从东到西从日出到日落的运动，使得太阳光的入射光量最大化。

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