CN102878037B - 热源互补型斯特林发动机热电联供系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种热源互补型斯特林发动机热电联供系统及其方法。碟式二次反射镜将太阳光聚焦到混合热源加热器，混合热源加热器与斯特林发动机的热端相连，斯特林发动机的输出端与发电机相连，冷水箱、水泵、斯特林发动机的冷却器一路、混合热源加热器中的烟气侧换热器与热水箱顺次相连，斯特林发动机冷却器另一路直接与热水箱相连，燃料补充装置、电控阀与混合热源加热器顺次相连，斯特林发动机的输出端、数据采集及检测器、辅助热源控制器、电控阀顺次相连。本发明解决了传统太阳能发电系统电力输出不稳定，持续性差，并网困难的问题，同时系统实现了热电联产，大大提高了太阳能热发电并网的竞争力和系统整体的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种热源互补型斯特林发动机热电联供系统及其方法，特别涉及一种太阳能——辅助热源互补驱动的斯特林发动机热电联供系统及其方法。
背景技术
太阳能作为地球上储量最丰富的可再生清洁能源，在目前全球能源危机的背景下，开发太阳能等可再生能源代替传统化石能源已成为人类发展的必然趋势。但由于太阳能能量密度低、稳定性差，并受到地理分布、季节变化、昼夜交替等影响，导致其电力供应非常不稳定。一旦这种可再生能源大规模开发并并网，不稳定的电力供应对国内大电网的安全稳定运行是极大的威胁和负担。可再生能源并网发电难题长期限制着太阳能发电技术的应用和推广。据国家能源局统计数据，2011年我国光伏装机为300万千瓦，而并网装机容量为214万千瓦，并网率仅为71%；而在这些可并网运行的太阳能电站中，年平均可利用小时数仅为1500小时（62.5天）,仅为火电的1/4。在实际运行过程中，由于太阳能电站电力供应不稳定导致电网“弃光”现象时常发生。
太阳能发电并网技术在我国仍是一项不成熟的技术。国家能源局2011年12月公布了中国可再生能源发展的“十二五”规划目标，到2015年，中国太阳能发电将达到1500万千瓦，年发电量200亿千瓦时。如此大的太阳能并网规模对国内大电网的安全运行和调度是极大的威胁和负担，要使太阳能发电技术能够得到广泛利用，真正做到充分利用新能源，其并网技术的研究与发展就显得格外重要。
目前我国的并网太阳能发电系统大部分都采用太阳能光伏发电技术的。并网太阳能发电系统由光伏组件、并网逆变器、计量装置及配电系统组成。光伏发电是即时型的，光电转化在极短时间内完成，这使得光伏发电的电力输出直接受光照变化影响，电力输出波动剧烈；而光热发电方式由于工质的热容以及蓄热系统的作用，其输出功率受光照变化的影响没有光伏直接，电力输出的品质较光伏好。
太阳能热发电技术是太阳能领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。目前已经实验成功的太阳能热发电系统主要有三种：槽式、塔式和碟式。其中碟式太阳能热发电方式具有聚光比高，能效高，机构紧凑，安装方便，可分布式应用，也可大规模集中发电的特点，已经越来越受到公众关注。
碟式太阳能热发电系统的核心——斯特林发动机，是一种外部供热（或燃烧）的活塞式发动机，它以气体做工质，按闭式回热循环的方式进行工作。斯特林发动机主要由外部供热（或燃烧）系统、工作循环系统（热能-机械能转换系统）、传统系统（机械能输出系统）、辅助系统以及监控系统等组成。其工作原理基于斯特林循环，整个工作过程包含等温压缩；等体吸热；等温膨胀；等容冷却4个过程。
发明内容
本发明的目的是针对目前国内太阳能发电系统电力输出波动较大，大型太阳能电站并网困难的问题，提供一种热源互补型斯特林发动机热电联供系统及其方法。
热源互补型斯特林发动机热电联供系统包括热水箱、碟式二次反射镜、混合热源加热器、斯特林发动机、水泵、冷水箱、发电机、数据采集及检测器、辅助热源控制器、电控阀和燃料补充装置；碟式二次反射镜将太阳光聚焦到混合热源加热器，混合热源加热器与斯特林发动机的热端相连，斯特林发动机的输出端与发电机相连，冷水箱、水泵、斯特林发动机的冷却器一路、混合热源加热器中的烟气侧换热器与热水箱顺次相连，斯特林发动机冷却器另一路直接与热水箱相连，燃料补充装置、电控阀与混合热源加热器顺次相连，斯特林发动机的输出端、数据采集及检测器、辅助热源控制器、电控阀顺次相连。
所述的混合热源加热器包括太阳能接收窗口、尾部烟道、烟气侧换热器、加热腔、辅助热源入口及空气入口；烟气侧换热器安置在尾部烟道出口处，尾部烟道安装在加热腔排气出口处，加热腔侧面开口，用于安装太阳能接收窗口，空气入口和辅助热源入口安装在加热腔下部，辅助热源入口可通入多种形式的辅助热源；混合热源加热器模型的尾部烟道为方形，并90°折弯，烟气侧换热器为管式换热器，加热腔底部开有三排小孔，前侧面开有直径为50～60mm窗口，并安置石英玻璃。
所述的数据采集及检测器为红外线转速传感检测器和BH175FVI光强传感器。所述的辅助热源控制器是ATmega128单片机。
热源互补型斯特林发动机热电联供方法采用太阳能作为主热源，太阳光通过碟式二次反射镜聚光，聚光比为200～250，透过混合加热器的太阳能接收窗口，投射到加热腔内，对斯特林发动机的热缸进行加热；燃料补充装置中多种形式的辅助燃料流经电控阀，从混合加热器最下部的辅助热源入口喷入加热腔，空气通过空气入口进入加热腔，辅助燃料和太阳能共同加热斯特林发动机的热缸，排烟通过尾部烟道排出；斯特林发动机内的工质进行斯特林循环，演示模型工质为空气，热端工质温度为300～340℃，冷端工质温度为50～60℃，平均循环压力为0.1Mpa，最后带动飞轮对外输出动能，驱动发电机发电；辅助热源的供应采用“飞轮转速反馈—光照强度前馈”的控制方式，BH175FVI光强传感器在太阳辐射波动时，可检测光强的变化，转化为电信号；红外线转速传感检测器安装在飞轮支架上，在飞轮上设置10mm×3mm检测白线，通过白线红外信号反射传感实现飞轮转速测量，同时在红外对管周围设置挡光板，保证系统在强光下能正常工作；转速和光强信号由传感器进入辅助热源控制器，辅助热源控制器根据检测信号的变化，输出控制指令，控制电控阀的开度，调节燃料补充装置的燃料供应量，从而保证斯特林发动机的热端有稳定的热量输入，工质温度相对恒定，保证系统输出电力的稳定；余热利用管道中，冷水箱中的冷却水经水泵加压，分别流经斯特林发动机的冷却器和混合热源加热器中的烟气侧换热器，对两部分的余热进行回收，热水汇聚到热水箱中，最终得到40～50℃的热水，排烟流量较小时，冷却器出口的热水可通过旁路直接汇入热水箱中。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
（1）、相对与传统的太阳能光伏发电系统以及光热发电系统电力输出波动较大的缺陷，本设计通过加设辅助热源，并设计混合热源加热器以及相应的辅助热源控制系统，实现了太阳能和其他多种热源互补驱动斯特林发动机发电，提高了系统输出电力的稳定性和持续性，有利于太阳能热发电的并网；
（2）、加设余热利用系统，将斯特林发动机冷端的余热、混合加热器排烟余热利用起来，实现了热电联供以及能源的梯级利用，大大提高了系统的综合能效。
附图说明
图1是热源互补型斯特林发动机热电联供系统结构示意图；
图2是本发明的测定工况曲线；
图3是本发明在不同热源加热情况下发动机输出参数柱状图；
图4是本发明的混合加热器结构示意图；
图5（a）是本发明的斯特林发动机热端结构示意图；
图5（b）是本发明的斯特林发动机热端结构分解示意图；
图6是本发明的辅助热源控制方案框图；
图7是本发明的控制器接口图；
图8是本发明的红外转速检测模块以及光照强度检测模块电路图；
图9是本发明的余热利用系统开启前后发动机性能曲线变化曲线（0.03MPa）；
图中，热水箱1、碟式二次反射镜2、混合热源加热器3、斯特林发动机4、水泵5、冷水箱6、发电机7、数据采集及检测器8、辅助热源控制器9、电控阀10、燃料补充装置11、太阳能接收窗口12、尾部烟道13、烟气侧换热器14、加热腔15、辅助热源入口16、空气入口17。
具体实施方式
对照附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，热源互补型斯特林发动机热电联供系统包括热水箱1、碟式二次反射镜2、混合热源加热器3、斯特林发动机4、水泵5、冷水箱6、发电机7、数据采集及检测器8、辅助热源控制器9、电控阀10和燃料补充装置11；碟式二次反射镜2将太阳光聚焦到混合热源加热器3，混合热源加热器3与斯特林发动机4的热端相连，斯特林发动机4的输出端与发电机7相连，冷水箱6、水泵5、斯特林发动机4的冷却器一路、混合热源加热器3中的烟气侧换热器与热水箱1顺次相连，斯特林发动机4冷却器另一路直接与热水箱1相连，燃料补充装置11、电控阀10与混合热源加热器3顺次相连，斯特林发动机4的输出端、数据采集及检测器8、辅助热源控制器9、电控阀10顺次相连。
如图4所示，所述的混合热源加热器3包括太阳能接收窗口12、尾部烟道13、烟气侧换热器14、加热腔15、辅助热源入口16及空气入口17；烟气侧换热器14安置在尾部烟道13出口处，尾部烟道13安装在加热腔15排气出口处，加热腔15侧面开口，用于安装太阳能接收窗口12，空气入口17和辅助热源入口16安装在加热腔下部，辅助热源入口16可通入多种形式的辅助热源；混合热源加热器模型的尾部烟道为方形，并90°折弯，烟气侧换热器14为管式换热器，加热腔15底部开有三排小孔，前侧面开有直径为50～60mm窗口，并安置石英玻璃。
所述的数据采集及检测器8为红外线转速传感检测器和BH175FVI光强传感器。所述的辅助热源控制器10是ATmega128单片机。
热源互补型斯特林发动机热电联供方法采用太阳能作为主热源，太阳光通过碟式二次反射镜2聚光，聚光比为200～250，透过混合加热器3的太阳能接收窗口12，投射到加热腔15内，对斯特林发动机4的热缸进行加热；燃料补充装置11中多种形式的辅助燃料流经电控阀10，从混合加热器3最下部的辅助热源入口16喷入加热腔15，空气通过空气入口17进入加热腔15，辅助燃料和太阳能共同加热斯特林发动机4的热缸，排烟通过尾部烟道13排出；斯特林发动机4内的工质进行斯特林循环，演示模型工质为空气，热端工质温度为300～340℃，冷端工质温度为50～60℃，平均循环压力为0.1Mpa，最后带动飞轮对外输出动能，驱动发电机7发电；辅助热源的供应采用“飞轮转速反馈—光照强度前馈”的控制方式，BH175FVI光强传感器在太阳辐射波动时，可检测光强的变化，转化为电信号；红外线转速传感检测器安装在飞轮支架上，在飞轮上设置10mm×3mm检测白线，通过白线红外信号反射传感实现飞轮转速测量，同时在红外对管周围设置挡光板，保证系统在强光下能正常工作；转速和光强信号由传感器进入辅助热源控制器9，辅助热源控制器9根据检测信号的变化，输出控制指令，控制电控阀10的开度，调节燃料补充装置11的燃料供应量，从而保证斯特林发动机4的热端有稳定的热量输入，工质温度相对恒定，保证系统输出电力的稳定；余热利用管道中，冷水箱6中的冷却水经水泵5加压，分别流经斯特林发动机4的冷却器和混合热源加热器3中的烟气侧换热器14，对两部分的余热进行回收，热水汇聚到热水箱1中，最终得到40～50℃的热水，排烟流量较小时，冷却器出口的热水可通过旁路直接汇入热水箱1中。
Claims (5)
1.一种热源互补型斯特林发动机热电联供系统，其特征在于系统包括热水箱（1）、碟式二次反射镜（2）、混合热源加热器（3）、斯特林发动机（4）、水泵（5）、冷水箱（6）、发电机（7）、数据采集及检测器（8）、辅助热源控制器（9）、电控阀（10）和燃料补充装置（11）；碟式二次反射镜（2）将太阳光聚焦到混合热源加热器（3），混合热源加热器（3）与斯特林发动机（4）的热端相连，斯特林发动机（4）的输出端与发电机（7）相连，冷水箱（6）、水泵（5）、斯特林发动机（4）的冷却器一路、混合热源加热器（3）中的烟气侧换热器与热水箱（1）顺次相连，斯特林发动机（4）冷却器另一路直接与热水箱（1）相连，燃料补充装置（11）、电控阀（10）与混合热源加热器（3）顺次相连，斯特林发动机（4）的输出端、数据采集及检测器（8）、辅助热源控制器（9）、电控阀（10）顺次相连。
2.根据权利要求1所述的一种热源互补型斯特林发动机热电联供系统，其特征在于所述的混合热源加热器（3）包括太阳能接收窗口（12）、尾部烟道（13）、烟气侧换热器（14）、加热腔（15）、辅助热源入口（16）及空气入口（17）；烟气侧换热器（14）安置在尾部烟道（13）出口处，尾部烟道（13）安装在加热腔（15）排气出口处，加热腔（15）侧面开口，用于安装太阳能接收窗口（12），空气入口（17）和辅助热源入口（16）安装在加热腔下部，辅助热源入口（16）可通入多种形式的辅助热源；混合热源加热器模型的尾部烟道为方形，并90°折弯，烟气侧换热器（14）为管式换热器，加热腔（15）底部开有三排小孔，前侧面开有直径为50～60mm窗口，并安置石英玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种热源互补型斯特林发动机热电联供系统，其特征在于所述的数据采集及检测器（8）为红外线转速传感检测器和BH175FVI光强传感器。
4.根据权利要求1所述的一种热源互补型斯特林发动机热电联供系统，其特征在于所述的辅助热源控制器（10）是ATmega128单片机。
5.一种使用如权利要求1所述系统的热源互补型斯特林发动机热电联供方法，其特征在于，系统采用太阳能作为主热源，太阳光通过碟式二次反射镜（2）聚光，聚光比为200～250，透过混合加热器（3）的太阳能接收窗口（12），投射到加热腔（15）内，对斯特林发动机（4）的热缸进行加热；燃料补充装置（11）中多种形式的辅助燃料流经电控阀（10），从混合加热器（3）最下部的辅助热源入口（16）喷入加热腔（15），空气通过空气入口（17）进入加热腔（15），辅助燃料和太阳能共同加热斯特林发动机（4）的热缸，排烟通过尾部烟道（13）排出；斯特林发动机（4）内的工质进行斯特林循环，演示模型工质为空气，热端工质温度为300～340℃，冷端工质温度为50～60℃，平均循环压力为0.1Mpa，最后带动飞轮对外输出动能，驱动发电机（7）发电；辅助热源的供应采用“飞轮转速反馈—光照强度前馈”的控制方式，BH175FVI光强传感器在太阳辐射波动时，可检测光强的变化，转化为电信号；红外线转速传感检测器安装在飞轮支架上，在飞轮上设置10mm×3mm检测白线，通过白线红外信号反射传感实现飞轮转速测量，同时在红外对管周围设置挡光板，保证系统在强光下能正常工作；转速和光强信号由传感器进入辅助热源控制器（9），辅助热源控制器（9）根据检测信号的变化，输出控制指令，控制电控阀（10）的开度，调节燃料补充装置（11）的燃料供应量，从而保证斯特林发动机（4）的热端有稳定的热量输入，工质温度相对恒定，保证系统输出电力的稳定；余热利用管道中，冷水箱（6）中的冷却水经水泵（5）加压，分别流经斯特林发动机（4）的冷却器和混合热源加热器（3）中的烟气侧换热器（14），对两部分的余热进行回收，热水汇聚到热水箱（1）中，最终得到40～50℃的热水，排烟流量较小时，冷却器出口的热水可通过旁路直接汇入热水箱（1）中。
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Legal Events
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20140910 |