CN103939307B - 一种太阳能动力发电及热水系统 - Google Patents

Abstract

一种太阳能动力发电及热水系统，它包括聚光镜、斯特林发动机、发电机、螺旋金属管和保温储水箱，所述聚光镜、斯特林发动机和发电机通过支撑板连接后再通过立柱连接在底座上，斯特林发动机的热腔位于聚光镜的焦点附近，设置在发电机转子中心轴两端的曲柄相位相差90°，且分别通过连杆与斯特林发动机冷腔内的动力活塞和热腔内的配气活塞连接，所述螺旋金属管焊接在冷腔外部，其两端管道分别通过保温储水箱底部的冷水电磁阀和热水电磁阀与保温储水箱连通。本发明既能利用太阳能发电，又可制备生活热水，提高了设备的利用率；同时由于热水制备系统增加了斯特林发动机冷腔与热腔之间的温度差，还使发电系统的光电转换率大幅提高，从而避免了资源的浪费。

Description

一种太阳能动力发电及热水系统

技术领域

本发明涉及一种利用太阳能发电和制备生活热水的装置，属于太阳能应用技术领域。

背景技术

太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的绿色能源。其开发利用是解决常规能源（特别是化石能源）短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径之一。目前，人类虽然已经采用了多种方式对太阳能加以利用，但这些方式大都是单纯的太阳能发电或太阳能热水，缺乏综合利用太阳能的家庭应用方法。如太阳能热水器虽在家庭中得到一定的程度的使用，但仅作为一个独立的部分实施。这样不仅会降低设备的利用率，造成重复投资，而且不利于提高能源的转化率。例如光伏发电设备的光电转化率一般都在8%—15%左右，而目前应用较多的太阳能槽式、塔式光热发电，其光电转化率只有10%左右，造成了能源的巨大浪费。

此外，光伏发电设备的生产过程本身是一个高污染、高排放、高耗能的过程，成本回收周期较长；太阳能光热发电设备的建设规模大，费用高，不适合家庭使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术之弊端，提供一种太阳能动力发电及热水系统，以提高设备的利用率和太阳能的转化率，避免重复投资和资源浪费。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种太阳能动力发电及热水系统，构成中包括聚光镜、斯特林发动机、发电机、螺旋金属管和保温储水箱，所述聚光镜、斯特林发动机和发电机通过支撑板连接后再通过立柱连接在底座上，斯特林发动机的热腔位于聚光镜的焦点附近，设置在发电机转子中心轴两端的曲柄相位相差90°，且分别通过连杆与斯特林发动机冷腔内的动力活塞和热腔内的配气活塞连接，所述螺旋金属管环绕并焊接在冷腔外部，其两端管道分别通过保温储水箱底部的冷水电磁阀和热水电磁阀与保温储水箱连通。

上述太阳能动力发电及热水系统，所述聚光镜包括抛物面主反射镜和副反射镜，所述抛物面主反射镜通过支撑板与斯特林发动机和发电机固定在一起，所述副反射镜通过支架固定在抛物面主反射镜的焦点附近并将抛物面主反射镜聚集的太阳光进一步聚集并反射到斯特林发动机的热腔底部。

上述太阳能动力发电及热水系统，所述保温储水箱的下部设置有上水电磁阀、手动放水阀和泄压电磁阀，保温储水箱通过上水电磁阀与水源连接并通过手动放水阀向外供应生活热水，所述泄压电磁阀的一端接在螺旋金属管与热水电磁阀之间的管路上，另一端与大气相通。

上述太阳能动力发电及热水系统，所述保温储水箱的上部设置有通气口，内部设置有水温传感器和水位传感器，所述水温传感器安装在保温储水箱内壁的下部，所述水位传感器安装在保温储水箱内壁的上部。

上述太阳能动力发电及热水系统，构成中还包括太阳光自动跟踪装置，所述太阳光自动跟踪装置包括聚光镜水平转角控制装置和聚光镜仰角控制装置，所述聚光镜水平转角控制装置安装在立柱与底座之间，所述聚光镜仰角控制装置安装在立柱与支撑板之间。

上述太阳能动力发电及热水系统，构成中还包括蓄电池、直流变换器和启动继电器，所述直流变换器的输入端经启动继电器的常闭触点接发电机的输出端，其输出端给蓄电池充电，所述蓄电池的正极和负极分别经启动继电器的两个常开触点与发电机的正极和负极连接，启动继电器控制发电机的工作状态。

上述太阳能动力发电及热水系统，所述斯特林发动机的热腔的外部包覆有耐高温保温层。

本发明将太阳能发电系统和热水制备系统有机结合在一起，既能利用太阳能发电，又可制备生活热水，提高了设备的利用率。同时由于热水制备系统增加了斯特林发动机热腔与冷腔之间的温度差，还使得发电系统的光电转换率大幅提高，从而避免了资源的浪费。

本装置利用聚光镜直接加热斯特林发动机的热腔，再利用斯特林发动机驱动发电机的转子运转，发电机转子同时也充当斯特林发动机的惯性飞轮，由于省去了中间传递机构，因此本发明能够获得较高的光电转化效率。

太阳光自动跟踪装置可使聚光镜始终对准太阳，提高太阳能的接收率。

本装置具有结构简单，成本低廉，安装方便，便于推广等优点，特别适合家庭使用。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的启动电路原理图。

图3是本发明的程序流程图。

图中各标号清单为：1、抛物面主反射镜，2、副反射镜，3、热腔，4、耐高温保温层，5、配气活塞，6、冷腔，7、动力活塞，8、螺旋金属管，9、发电机转子，10、发电机定子，11、保温储水箱，12、水温传感器，13、水位传感器，14、通气口，15、聚光镜仰角控制装置，16、曲柄，17、立柱，18、支撑板，19、聚光镜水平转角控制装置，20、底座，V1、上水电磁阀，V2、冷水电磁阀，V3、热水电磁阀，V4、泄压电磁阀，V5、手动放水阀, DC/DC、直流变换器，M、发电机，KM1、启动继电器的常闭触点，KM2-1、启动继电器的第一常开触点，KM2-2、启动继电器的第二常开触点，B、蓄电池。

具体实施方式

本发明是适于家庭使用的利用太阳能同时发电与热水的装置，它利用太阳能集热系统集热，即将太阳光通过两次反射最后集中并直接加热斯特林发动机的热腔，使工质膨胀；设计中同时采用在冷腔外部实施水冷的方法给斯特林发动机的冷腔适度冷却，加大冷热腔的温差，提高斯特林发动机的热转化效率，再利用斯特林发动机产生的高速旋转运动直接驱动直流发电机发电，电能经DC/DC转换后以稳定的电压给蓄电池充电，实现电能的存储。冷腔在被水冷的同时，其高温余热加热螺旋金属管中的水，使水顺着管道进入保温储水箱中，水不断循环使保温储水箱中的水被加热，以提供生活热水。系统利用太阳光自动跟踪装置保证聚光镜时时高效接收太阳光能，提高太阳能接收率；由蓄电池、启动继电器的控制实现对斯特林发动机的启动供电（发电机工作在电动机状态）、对太阳光自动跟踪装置的供电和对保温储水箱管道上各个电磁阀的供断电；家庭使用时，蓄电池可直接供电或配合逆变器实现交流220V交流供电。

本装置利用太阳能斯特林光热发电系统与太阳能热水器组成发电热水综合系统，能降低应用成本，提高能源利用率，适于家庭使用，尤其适于在缺电的偏远山区、牧区、农村、海岛等生活环境中应用，能同时解决偏远地区电力需求问题以及生活热水问题。

参看图1，聚光镜由抛物面主反射镜1、副反射镜2组成，副反射镜2由三个支架支撑，抛物面主反射镜1将太阳光近似均匀地反射到副反射镜2上，副反射镜2再将光进一步反射集中并聚焦到斯特林发动机热腔3底部的凹坑内（主反射镜和副反射镜的结合使用使得接受太阳光的总面积较单反射镜增大），工质被加热，工质采用空气，热腔3的外壁设有氧化铝陶瓷材料耐高温保温层4，配气活塞5与冷腔6中的动力活塞7作往复直线运动，通过连杆机构带动发电机转子9相对于发电机定子10高速旋转，实现光能—热能—电能的转化。机构中发电机转子9同时也充当斯特林发动机的惯性飞轮。结合外部蓄电池实现电能存储。

将螺旋金属管8焊接在斯特林发动机冷腔6的外壁上，实现紧密接触，利于热传导。螺旋金属管8通过软管与PPR管道与保温储水箱11连通，除螺旋金属管8外的其它外露管道采用柔软保温材料包裹与空气实现隔热（图1中未画出）。

保温储水箱11的位置应高于发电机位置，其内设水温传感器12、水位传感器13及通气口14。注水时，上水电磁阀V1打开,冷水经上水电磁阀V1注入保温储水箱11，水位到达水位传感器位置后上水电磁阀V1关闭，注水结束；发电系统运行时，冷水电磁阀V2和热水电磁阀V3打开，由于冷腔6对螺旋金属管8的加热作用，使冷水从保温储水箱11流出经冷水电磁阀V2、螺旋金属管8、热水电磁阀V3流回保温储水箱11，需要热水时只要打开手动放水阀V5放水即可。

若经水温传感器12测定水温达到预设值（如90°），冷水电磁阀V2和热水电磁阀V3关闭，泄压电磁阀V4打开，使螺旋金属管8内压力为外界大气压，避免产生意外。

蓄电池负责斯特林发动机的启动供电和太阳光自动跟踪装置的供电以及各电磁阀的供电电能。

本发明中的发电机电压检测信号、蓄电池电压检测信号、聚光镜仰角控制信号、聚光镜水平转角控制信号、水温控制信号用于控制电动机驱动，电磁阀驱动，并最终保证斯特林发动机正常工作。

斯特林发动机启动电路是这样实现的，如图2所示，启动继电器线圈得电，启动继电器的常闭触点KM1断开，第一常开触点KM2-1、第二常开触点KM2-2闭合，实现蓄电池B给直流发电机M供电（直流发电机M此时充当直流电动机功能），达到预设时间后（如3秒），启动继电器线圈失电，常闭触点KM1闭合，第一常开触点KM2-1、第二常开触点KM2-2断开，一次启动过程结束，若检测发现发动机已启动则系统进入对蓄电池充电状态，否则延时加热热气室（如5分钟）再次启动，直至发动机启动。

太阳光自动跟踪装置使抛物面主反射镜1正对太阳光，提高太阳能的接收率。

本发明不仅限于上述家庭实施案例，还可以推广到做成大规模发电储备电能并同时制备大量生活热水的集体生活环境、以及推广到斯特林发动机的其它结构和类型，即同时采用太阳能聚光镜加热其热气缸（热腔）、用水冷却其冷气缸（冷腔）制备生活热水的情况；本发明中自动跟踪装置的具体机械结构形式、安装位置，控制电路可以发生变化，但上述变形都应在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种太阳能动力发电及热水系统，其特征是，它包括聚光镜、斯特林发动机、发电机、螺旋金属管(8)和保温储水箱(11)，所述聚光镜、斯特林发动机和发电机通过支撑板(18)连接后再通过立柱(17)连接在底座(20)上，斯特林发动机的热腔(3)位于聚光镜的焦点附近，设置在发电机转子中心轴两端的曲柄(16)相位相差90°，且分别通过连杆与斯特林发动机冷腔(6)内的动力活塞(7)和热腔(3)内的配气活塞(5)连接，所述螺旋金属管(8)环绕并焊接在冷腔(6)外部，其两端管道分别通过保温储水箱(11)底部的冷水电磁阀(V2)和热水电磁阀(V3)与保温储水箱(11)连通；

所述聚光镜包括抛物面主反射镜(1)和副反射镜(2)，所述抛物面主反射镜(1)通过支撑板(18)与斯特林发动机和发电机固定在一起，所述副反射镜(2)通过支架固定在抛物面主反射镜(1)的焦点附近并将抛物面主反射镜(1)聚集的太阳光进一步聚集并反射到斯特林发动机的热腔(3)底部；

所述保温储水箱(11)的下部设置有上水电磁阀(V1)、手动放水阀(V5)和泄压电磁阀(V4)；保温储水箱(11)通过上水电磁阀(V1)与水源连接并通过手动放水阀(V5)向外供应生活热水，所述泄压电磁阀(V4)的一端接在螺旋金属管(8)与热水电磁阀(V3)之间的管路上，另一端与大气相通。

2.根据权利要求1所述的太阳能动力发电及热水系统，其特征是，所述保温储水箱(11)的上部设置有通气口(14)，内部设置有水温传感器(12)和水位传感器(13)，所述水温传感器(12)安装在保温储水箱(11)内壁的下部，所述水位传感器(13)安装在保温储水箱(11)内壁的上部。

3.根据权利要求2所述的太阳能动力发电及热水系统，其特征是，构成中还包括太阳光自动跟踪装置，所述太阳光自动跟踪装置包括聚光镜水平转角控制装置(19)和聚光镜仰角控制装置(15)，所述聚光镜水平转角控制装置(19)安装在立柱(17)与底座(20)之间，所述聚光镜仰角控制装置(15)安装在立柱(17)与支撑板(18)之间。

4.根据权利要求3所述的太阳能动力发电及热水系统，其特征是，构成中还包括蓄电池(B)、直流变换器(DC/DC)和启动继电器，所述直流变换器(DC/DC)的输入端经启动继电器的常闭触点(KM1)接发电机(M)的输出端，其输出端给蓄电池(B)充电，所述蓄电池(B)的正极和负极分别经启动继电器的两个常开触点与发电机(M)的正极和负极连接，启动继电器控制发电机的工作状态。

5.根据权利要求4所述的太阳能动力发电及热水系统，其特征是，所述斯特林发动机的热腔(3)的外部包覆有耐高温保温层(4)。