CN105275760A - 一种并网式家用碟式斯特林太阳能热发电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碟式斯特林太阳能热发电系统，包括碟式聚光器、斯特林发电机、支撑骨架和太阳追踪系统，其中：所述的碟式聚光器由扇形聚光反射镜片拼接接成一旋转抛物面结构，蝶式聚光器通过支撑骨架支撑，斯特林发电机的吸热器位于碟式聚光器的焦点；所述的太阳追踪系统包括太阳角度采集装置、数据处理器和传动机构，其中太阳角度采集装置将采集到的太阳角度信息传递给数据处理器进行分析，从而控制传动机构调整蝶式聚光器的方位角和高度角。通过采用本发明的系统及方法，提供一种小型的发电系统，适合广大阳光充足地区家庭，同时能够自动调整蝶式聚光器的角度，提高发电效率。

Description

一种并网式家用碟式斯特林太阳能热发电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及碟式斯特林太阳能热发电领域，尤其是一种并网式家用碟式斯特林太阳能热发电系统。

背景技术

随着煤炭、石油、天然气等不可再生资源的逐渐枯竭与环保要求的不断提高，国际社会开始强烈地关注能源危机和温室气体的排放带来的全球气候变暖问题。太阳能作为一种清洁无污染的可持续能源，与常规能源相比，它可以无限使用，不会枯竭，而且安全无害，只要加以收集、转换即可直接使用，因而在开发利用过程中有着显著优势，可以预见在后化石燃料时代其必将成为人类社会主要的利用能源之一。

按集热器类型的不同太阳能热发电系统可分为槽式、塔式和碟式三种系统。在所有太阳能热发电技术，碟式太阳能热发电系统具有最高的光热转换效率（85%左右）和光电转换效率（31%左右）。碟式太阳能热发电系统具有高效、模块化和具备组成混合发电系统的能力等特点，既可以作为分布式系统单独供电，也可以并网发电。

利用碟式发电技术发电具有巨大的潜在市场。利用该技术可使1平方公里的沙漠具有每年发电300GWh（3亿度电）的潜力，相当于一个每天的发电量为75MW的燃煤或燃气电厂，由此每年能够节省75万桶原油，减少约25万吨二氧化碳，2千多吨二氧化硫，近4千吨氮氧化合物的排放。由于碟式发电系统具有节能、环保的特点，该技术受到各国的重视，在提倡绿色能源的环境下具有广阔的市场。

碟式斯特林太阳能热发电系统还可以设计成光气互补型，实现在没有阳光的条件下通过燃烧可燃气体发电的目标，达到系统24小时连续发电的目的，这是光伏发电所不具备的功能。此外，该系统对场地的平坦性要求低，因此应用范围非常广泛。

基于以上优点及现状，这为碟式斯特林太阳能热发电系统应用于家庭进行并网发电提供了可能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种并网式家用碟式斯特林太阳能热发电系统及控制方法，适合广大阳光充足地区家庭。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种碟式斯特林太阳能热发电系统，其特征在于：它包括碟式聚光器、斯特林发电机、支撑骨架和太阳追踪系统，其中：

所述的碟式聚光器由扇形聚光反射镜片拼接接成一旋转抛物面结构，蝶式聚光器通过支撑骨架支撑，斯特林发电机的吸热器位于碟式聚光器的焦点；

所述的太阳追踪系统包括太阳角度采集装置、数据处理器和传动机构，其中太阳角度采集装置将采集到的太阳角度信息传递给数据处理器进行分析，从而控制传动机构调整蝶式聚光器的方位角和高度角。

按上述系统，所述的太阳方位角采集装置包括GPS接收器和光电传感器，所述的光电传感器设置在蝶式聚光器边缘。

按上述系统，所述的吸热器表面为黑铬镀层。

一种并网式碟式斯特林太阳能热发电系统，其特征在于：它包括若干个设置在屋顶的上述碟式斯特林太阳能热发电系统。

按上述方案，所述的碟式斯特林太阳能热发电系统个数为4个，分别设置在屋顶的东南西北4个方位角。

按上述方案，所述的太阳方位角采集装置包括GPS接收器和4个光电传感器，所述的4个光电传感器分别设置在4个碟式斯特林太阳能热发电系统的蝶式聚光器边缘。

上述一种并网式碟式斯特林太阳能热发电系统的控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

根据GPS接收器计算出太阳高度角和方位角，确定太阳当前的位置；输出PWM信号，驱动传动机构，使碟式聚光器达到预期位置，并采用光电传感器的数据进行精度补偿，完成视日运动轨迹追踪；

斯特林发电机的吸热器从蝶式聚光器的焦点采集热能，从而转换为电能发电；

当光电传感器采集的数据低于预设的光线阈值时，停止运行，切换为其它供电方式。

按上述方法，采用光电传感器的数据进行精度补偿的具体方法如下：

对东、西方位角的光电传感器采集的数据进行比较，经比较器后输出方位角偏差信号，根据方位角偏差信号对太阳的方位角进行补偿，直至输出的方位角偏差信号为0；

对南、北方位角的光电传感器采集的数据进行比较，经比较器后输出高度角偏差信号，根据高度角偏差信号对太阳的高度角进行补偿，直至输出的高度角偏差信号为0。

本发明的有益效果为：

1、通过采用本发明的系统及方法，提供一种小型的发电系统，适合广大阳光充足地区家庭，同时能够自动调整蝶式聚光器的角度，提高发电效率。

2、吸热器表面材质为吸热性良好的黑铬镀层，可最大化吸收和利用太阳光。

3、设定了最小经济发电光照强度要求，当光照强度过低时，系统自动停止运行，可利用其它供电方式继续运行。

附图说明

图1为发明一实施例单个碟式发电系统的结构示意图。

图2为本发明一实施例的布置方式图。

图3为本发明在屋顶布置的俯视图。

图4为本发明光电二极管追踪太阳的原理图。

图中：1-交流发电机，2-斯特林发动机，3-发电机支架，4-碟式聚光器，5-方位角控制机，6-底座，7-聚光器支架，8-光电传感器，9-高度角控制机，10-传动轴，11-底座固定支架12-碟式斯特林太阳能热发电系统，13-屋顶。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

一种碟式斯特林太阳能热发电系统，如图1所示，它包括碟式聚光器4、斯特林发电机（如图交流发电机1和斯特林发动机2共同组成）、支撑骨架和太阳追踪系统，其中：

所述的碟式聚光器4由扇形聚光反射镜片拼接接成一旋转抛物面结构，蝶式聚光器4通过支撑骨架支撑，斯特林发电机的吸热器位于碟式聚光器的焦点，通过发电机支架3与支撑骨架连接；本实施例中，支撑骨架包括聚光器支架7和底座固定支架11，碟式斯特林太阳能热发电系统通过底座6固定在屋顶之类的高处。

所述的太阳追踪系统包括太阳角度采集装置、数据处理器和传动机构，其中太阳角度采集装置将采集到的太阳角度信息传递给数据处理器进行分析，从而控制传动机构调整蝶式聚光器的方位角和高度角。本实施例中，所述的太阳方位角采集装置包括GPS接收器和光电传感器8，所述的光电传感器8设置在蝶式聚光器4边缘。其中传动机构包括方位角传动机构和高度角传动机构，方位角传动机构由方位角控制机5通过传动轴10带动聚光器支架7转动，高度角传动机构由高度角控制机9带动伸缩杆运动，从而调整蝶式聚光器4的高度角。

为了提高发电效率，碟式聚光器4材质为表面平滑的高品质反光材料，且聚焦比大于1000:1，所述的吸热器表面为黑铬镀层，保证了太阳光得以充分的利用。

一种并网式碟式斯特林太阳能热发电系统，如图2和图3所示，它包括若干个设置在屋顶13的上述碟式斯特林太阳能热发电系统12。本实施例中，所述的碟式斯特林太阳能热发电系统个数为4个，分别设置在屋顶的东南西北4个方位角，还可根据实际需要（功率、日照强度等因素）布置多个构成网络。

优选的，所述的太阳方位角采集装置包括GPS接收器和4个光电传感器，所述的4个光电传感器分别设置在4个碟式斯特林太阳能热发电系统的蝶式聚光器边缘。

上述一种并网式碟式斯特林太阳能热发电系统的控制方法，包括以下步骤：

根据GPS接收器计算出太阳高度角和方位角，确定太阳当前的位置；输出PWM信号，驱动传动机构，使碟式聚光器达到预期位置，并采用光电传感器的数据进行精度补偿，完成视日运动轨迹追踪；

斯特林发电机的吸热器从蝶式聚光器的焦点采集热能，从而转换为电能发电；

当光电传感器采集的数据低于预设的光线阈值时，停止运行，切换为其它供电方式。

如图4所示，采用光电传感器的数据进行精度补偿的具体方法如下：

对东、西方位角的光电传感器采集的数据进行比较，经比较器后输出方位角偏差信号，根据方位角偏差信号对太阳的方位角进行补偿，直至输出的方位角偏差信号为0；

对南、北方位角的光电传感器采集的数据进行比较，经比较器后输出高度角偏差信号，根据高度角偏差信号对太阳的高度角进行补偿，直至输出的高度角偏差信号为0。

当太阳光垂直照射到碟式聚光器4表面时，东、西方位角的光电传感器接受的太阳辐射强度相同，经比较后输出信号为零；当太阳光偏离碟式聚光器4主轴时，东、西方位角的光电传感器接受的太阳辐射强度不同，经比较器后输出方位角偏差信号，完成信号采样过程。方位角偏差信号通过运放及相应的保护电路，经模数转换成数字信号，根据偏差信号的正负和大小决定方位角的转向和转动角度，直到小于精度允许范围。特别地，当东西方位或南北方位的两个光电传感器感受到的光照差值偏差数字信号绝对值小于某个设定阀值时，单片机不发出让电机动作的信号；当光照差值偏差数字信号绝对值超过额定阀值时，单片机才发出信号控制电机转动，这样控制的目的是提高系统的经济性。

本发明的工作原理是：追踪系统采用高度角-方位角双轴混合跟踪的控制方式，通过GPS接收器以及开环的程序跟踪，计算出太阳高度角和方位角，确定太阳当前的位置；输出PWM信号，驱动转向机构的方位角控制机5和高度角控制机9，使碟式聚光器4达到预期位置，完成视日运动轨迹追踪，实现对太阳的初步追踪；当条件发生改变时，由数据处理器采集角度值变化量并进行各种判断、处理，同时发出指令给回转系统，驱动碟式聚光器4回转到之前的朝向；采用光电传感器对碟式聚光器4做自动定位和误差校正，进行闭环控制，实现光电跟踪，通过微调碟式聚光器4的位置，确保太阳光通过碟式聚光器4聚焦都落在斯特林发动机2的吸热器上，以保证发电装置光电转换效率的最大化。碟式聚光器4将太阳光聚焦于斯特林发动机2头部，加热高压氢气膨胀推动活塞做功，通过曲柄连杆机构带动交流发电机1工作产生电能并输出。

单个小型系统产生的电能最终归为一处，并通过接入家庭电路中，专门用于小功率用电器的使用，实现并网供电的目的；该系统产生的电能作为辅助能源，以减轻电力紧张问题。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种碟式斯特林太阳能热发电系统，其特征在于：它包括碟式聚光器、斯特林发电机、支撑骨架和太阳追踪系统，其中：

所述的碟式聚光器由扇形聚光反射镜片拼接接成一旋转抛物面结构，蝶式聚光器通过支撑骨架支撑，斯特林发电机的吸热器位于碟式聚光器的焦点；

所述的太阳追踪系统包括太阳角度采集装置、数据处理器和传动机构，其中太阳角度采集装置将采集到的太阳角度信息传递给数据处理器进行分析，从而控制传动机构调整蝶式聚光器的方位角和高度角。

2.根据权利要求1所述的一种碟式斯特林太阳能热发电系统，其特征在于：所述的太阳方位角采集装置包括GPS接收器和光电传感器，所述的光电传感器设置在蝶式聚光器边缘。

3.根据权利要求1所述的一种碟式斯特林太阳能热发电系统，其特征在于：所述的吸热器表面为黑铬镀层。

4.一种并网式碟式斯特林太阳能热发电系统，其特征在于：它包括若干个设置在屋顶的权利要求1所述的碟式斯特林太阳能热发电系统。

5.根据权利要求4所述的一种并网式碟式斯特林太阳能热发电系统，其特征在于：所述的碟式斯特林太阳能热发电系统个数为4个，分别设置在屋顶的东南西北4个方位角。

6.根据权利要求5所述的一种并网式碟式斯特林太阳能热发电系统，其特征在于：所述的太阳方位角采集装置包括GPS接收器和4个光电传感器，所述的4个光电传感器分别设置在4个碟式斯特林太阳能热发电系统的蝶式聚光器边缘。

7.如权利要求6所述的一种并网式碟式斯特林太阳能热发电系统的控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

根据GPS接收器计算出太阳高度角和方位角，确定太阳当前的位置；输出PWM信号，驱动传动机构，使碟式聚光器达到预期位置，并采用光电传感器的数据进行精度补偿，完成视日运动轨迹追踪；

斯特林发电机的吸热器从蝶式聚光器的焦点采集热能，从而转换为电能发电；

当光电传感器采集的数据低于预设的光线阈值时，停止运行，切换为其它供电方式。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：采用光电传感器的数据进行精度补偿的具体方法如下：

对东、西方位角的光电传感器采集的数据进行比较，经比较器后输出方位角偏差信号，根据方位角偏差信号对太阳的方位角进行补偿，直至输出的方位角偏差信号为0；

对南、北方位角的光电传感器采集的数据进行比较，经比较器后输出高度角偏差信号，根据高度角偏差信号对太阳的高度角进行补偿，直至输出的高度角偏差信号为0。