CN103306920B - 一种蓄热式太阳能斯特林发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种蓄热式太阳能斯特林发电机，是以斯特林可逆热机作发电机，设置蓄热室，融合有关换热、回热、控制的几项中国发明专利，设计的一种能蓄热、可昼夜发电的太阳能斯特林发电机。兼备了现有槽式系统、塔式系统和碟式系统三者的所有优点，制造成本和使用费用降低。整个发电过程没有污染物排放。实行风冷散热，适宜缺水地区发电，节约水资源，同时降成本。可利用坡地、公路隔离带等槽式系统、塔式系统无法利用的土地，提高土地资源的综合利用率。完全可成为主要电力供应源。

Description

一种蓄热式太阳能斯特林发电机
所属技术领域
本发明涉及一种斯特林发电机，具体为一种蓄热式太阳能斯特林发电机。
背景技术
太阳能热发电主要有槽式系统、塔式系统和碟式系统三种。至今只有槽式系统实现了商业化，塔式系统和碟式系统仍处于实验示范阶段。槽式系统和塔式系统共同之处在于都是将太阳能转变成蒸汽能驱动汽轮机发电，可通过蓄热实现昼夜发电；碟式系统是利用太阳能驱动斯特林发电机发电，现代斯特林发电机结构复杂、体积大、蓄热难，只适合有太阳的晴天发电。碟式系统相对槽式系统和塔式系统有两大优势：一是热机效率高，可达20％以上，二是模块化，易于组装与维护，建设规模可大可小。碟式系统解决了蓄热问题并控制好发电蓄热两部分太阳能分配比例后，可以保持昼夜均衡发电。
在上世70纪年代的能源危机时期，美国政府投入了大量的资金，波音公司组建了一个团队研究碟式太阳能发电系统。开发20千瓦的斯特林发动机。但是，波音公司、以及后来继续该项研究的加州圣地亚哥电力公司、斯特林发动机系统公司都无法解决斯特林发动机的可靠性问题。见证整个开发过程的美国国家可再生能源实验室的退休专家Barry Butler证实：该斯特林发动机的平均无故障时间是40小时，故障原因是工质泄漏。技术障碍导致从事斯特林发动机研发的著名公司美国SES公司近年破产。
中国发明专利斯特林可逆热机(200710050949.2)以两级密封技术完全杜绝了工质泄漏，而且结构紧凑，在热量流入端设置蓄热室可充分利用气缸中央的空间，蓄热室充满蓄热介质，既能满足蓄热要求，整机体积又增加较小，是实现碟式斯特林发电机蓄热发电的最佳主体结构；中国发明专利一种斯特林热机工况控制器(201110035499.6)提供的斯特林发电机控制系统，能实现斯特林发电机起动、制动、工况调整的控制操作，是控制发电、蓄热太阳能分配比例的可靠技术；中国发明专利多环连接型斯特林可逆热机(201210174097.7)使斯特林发动机强化程度更高，空间利用率也提高；中国发明专利一种太阳能斯特林发电机(201110077563.7)对热机转子固定和活塞组设计提供了合理方案；中国发明专利一种斯特林热机换热式回热器(201210000717.7)实现了相位差为π的两工作腔逆流换热，达到热量合理利用；中国发明专利一种斯特林热机换热装置(201210383424.1)使斯特林发动机散热实现自然风冷。这些专利技术的组合应用，合理设计蓄热室，就是能蓄热的斯特林发电机。
这种能蓄热的斯特林发电机的蓄热介质密封在热量流入端蓄热室内，蓄热介质不流动，热量靠蓄热介质内温差在蓄热室内流动。白天太阳能转变成热能后，一部份驱动斯特林发电机发电，其余部份加热蓄热介质，使其温度升高；夜晚高温蓄热介质所蓄热量驱动斯特林发电机发电，蓄热介质温度降低。采用该斯特林发电机的碟式系统，兼备了现有槽式系统、塔式系统和碟式系统三者的所有优点，制造成本和使用费用降低，完全可成为主要电力供应源。
发明内容
本发明的目的是应用斯特林可逆热机作发电机，设置蓄热室，融合有关换热、回热、控制的几项中国发明专利，设计一种能蓄热、可昼夜发电的太阳能斯特林发电机。
为了实现上述目的，本发明的方案是：其结构包括热量流入端、热量流出端、机体、回热器、热量流入端气缸与回热器连接管、热量流出端气缸与回热器连接管、活塞组、热机转子、控制系统、蓄热室、发电机、蓄热介质。其特征在于：所述蓄热室置于热量流入端气缸中央，蓄热室的真空加热透镜安装在热量流入端端面。蓄热室内有热量流入端气缸与回热器连接管和蓄热介质。蓄热室外表面包有绝热层。热量流入端气缸外表面包有绝热层。活塞组两端活塞分别插入热量流入端气缸和热量流出端气缸。热机转子置于机体中央，活塞组卡在热机转子上。发电机置于热量流出端气缸中央的二级密封腔内，发电机转轴与热机转子轴相连。回热器一端经热量流入端气缸与回热器连接管连通热量流入端气缸，回热器另一端经热量流出端气缸与回热器连接管连通热量流出端气缸，形成工作腔。连接方式为单环连接或多环连接。控制系统经热量流出端气缸与回热器连接管连通工作腔。
所述真空加热透镜就是将玻璃与蓄热室之间的空间抽为真空，阳光可穿透玻璃和真空加热蓄热室，真空阻止热量向玻璃传导。其工作原理与槽式系统的真空加热管相同。
所述蓄热介质为固态物质，或液态物质，或固态液态混合物。
所述控制系统可实现起动、制动、加速、减速操作。
所述热量流入端气缸采用绝热性好的材料。
所述热量流出端气缸采用导热性好的材料。
本发明的优点在于：一是同时具备可蓄热和热机效率高的特点，发电质量高，可直接上网，成为基础电力。二是实行风冷散热，适宜缺水地区发电，节约水资源，同时降成本。三是整个发电过程没有污染物排放。四是蓄热介质不流动，可选用价廉的固态液态混合物。五是可利用坡地、公路隔离带等槽式系统、塔式系统无法利用的土地，提高土地资源的综合利用率。
附图说明
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：
图1是一种蓄热式太阳能斯特林发电机结构示意图；
图1中，1、真空加热透镜，2、热量流入端气缸与回热器连接管接出口，3、换热式回热器，4、发电机，5、热量流出端网罩，6、热量流出端气缸，7、机体，8、热量流入端气缸，9、蓄热室。
具体实施方式
图1所示的蓄热式太阳能斯特林发电机的热机是6个工作腔、双环连接型斯特林发动机。真空加热透镜1安装在热量流入端蓄热室9的端面上。蓄热室9位于热量流入端中央，蓄热室9内有热量流入端气缸与回热器连接管，并充满熔融盐和固态蓄热介质。热量流入端气缸与回热器连接管接出口2到换热式回热器3之间的连接管没有画出，要求材料绝热性好。换热式回热器3到热量流出端气缸6之间的连接管也没画出，要求材料导热性好，管路上还要设置散热片。蓄热室9和热量流入端气缸8都外包绝热层。热机转子置于机体7中央，6个活塞组对称卡在热机转子上。活塞组两端的活塞分别插入热量流入端气缸8和热量流出端气缸6内。发电机4置于热量流出端气缸6中央的二级密封腔内，发电机转轴与热机转子轴相连。发电机4与热量流出端网罩5之间布置换热式回热器3到热量流出端气缸6之间的连接管。控制系统在此连接管上连通6个工作腔。
本发明的工作过程是：太阳光束穿透真空加热透镜，加热熔融盐和固态蓄热介质及热量流入端气缸与回热器连接管，蓄热室温度升高。当温度达到工作温度后，控制系统起动斯特林发动机，驱动发电机发电。电能直接输给电网。白天控制系统保持发电的同时蓄热；夜晚控制系统按温度下降调控发电，做到均衡输出；蓄热室温度低于最低工作温度，控制系统停机保温。起动时，控制系统发出向处于等温膨胀过程工作腔注入高压工质的信号，高压工质流入工作腔，压力急升，打破了各工作腔之间的压力平衡，发动机运转。控制系统根据工作温度，通过控制各工作腔的最低工作压力控制输出功率。蓄热室温度低，控制系统向各工作腔注入工质，调高最低工作压力，稳定输出功率。蓄热室温度降到最低工作温度，控制系统发出向处于等温压缩过程工作腔注入高压工质的信号，高压工质流入后，处于等温压缩过程工作腔压力升高到处于等温膨胀过程工作腔压力，发动机各工作腔之间的压力平衡，发动机停止运转，进入保温状态。

Claims (5)

1.一种蓄热式太阳能斯特林发电机，包括热量流入端、热量流出端、机体、回热器、热量流入端气缸与回热器连接管、热量流出端气缸与回热器连接管、活塞组、热机转子、控制系统、蓄热室、发电机、蓄热介质，其特征在于：所述蓄热室置于热量流入端气缸中央，蓄热室的真空加热透镜安装在热量流入端端面，蓄热室内有热量流入端气缸与回热器连接管和蓄热介质，蓄热室外表面包有绝热层，热量流入端气缸外表面包有绝热层，活塞组两端活塞分别插入热量流入端气缸和热量流出端气缸，热机转子置于机体中央，活塞组卡在热机转子上，发电机置于热量流出端气缸中央的二级密封腔内，发电机转轴与热机转子轴相连，回热器一端经热量流入端气缸与回热器连接管连通热量流入端气缸，回热器另一端经热量流出端气缸与回热器连接管连通热量流出端气缸，形成工作腔，连接方式为单环连接或多环连接，控制系统经热量流出端气缸与回热器连接管连通工作腔。
2.根据权利要求1所述的一种蓄热式太阳能斯特林发电机，其特征在于：所述真空加热透镜就是将玻璃与蓄热室之间的空间抽为真空。
3.根据权利要求1所述的一种蓄热式太阳能斯特林发电机，其特征在于：所述蓄热介质为固态物质，或液态物质，或固态液态混合物。
4.根据权利要求1所述的一种蓄热式太阳能斯特林发电机，其特征在于：所述热量流入端气缸采用绝热性好的材料。
5.根据权利要求1所述的一种蓄热式太阳能斯特林发电机，其特征在于：所述热量流出端气缸采用导热性好的材料。
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