CN105910298A - 一种带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能光热发电领域，尤其涉及一种带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统。本发明包括：太阳能集热系统。所述太阳能集热系统包括聚光碟、碟架、桁架、吸热腔和转动机构。所述聚光碟以排为单位安装于所述碟架上，所述碟架安装于所述桁架上，所述转动机构带动桁架产生单轴水平转动，所述碟架亦能做单轴转动所述吸热腔位于所述聚光碟焦点处，其保持静止。本发明结构简单，维护成本低，能够昼夜不间断地稳定工作，解决了目前碟式太阳能光热发电技术中存在的结构复杂，维修困难且发电不稳定等问题。

Description

一种带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统
技术领域
本发明涉及太阳能光热发电领域，尤其涉及一种带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统。
背景技术
能源枯竭和环境污染一直是制约人类发展的两大问题。太阳能光热发电技术是一种利用外燃式热机将热能直接或者间接转化为电能的绿色能源技术，它是有效解决上述棘手问题的重要技术路径之一。
按照集热方式分类，太阳能光热发电技术主要分为塔式、槽式和碟式三种技术。槽式技术是目前发展最为成熟、应用最多的光热发电方式，但其聚光效率低，传热管道长，适用于中低温发电；塔式集热聚光效率和温度较高，但集热规模大，控制要求高，适用于大规模高温发电。相比前两种光热发电技术，碟式技术具有聚光效率和温度高，分布式应用和不耗水等特点，可适应各种复杂的地理环境和应用需求。
目前主流的太阳能斯特林热发电系统的集热器通常将发电机安装在支撑桁架上跟随聚光碟转动，并采用双轴控制聚光碟的角度，以实现高的聚光比。因而，斯特林发电机的安装与维护变得十分困难且由于斯特林发电机的位置不固定而难以实现系统的蓄热与补燃。此外，目前的聚光碟桁架采用双轴控制，对控制器的精度要求较高。
目前的碟式光热发电技术集热器的聚光比通常可达到几百至上千倍，集热温度达500～800℃，因而与碟式集热相匹配的热机通常采用外燃式的斯特林发电机。主流的碟式太阳能斯特林发电系统采用传统的机械式斯特林发电机，它通常利用曲柄连杆机构传递机械功，并采用曲轴、飞轮等辅助部件将活塞的往复运动转化为旋转运动从而驱动旋转电机发电，因而具有结构复杂、维护成本高等问题。
发明内容
本发明针对目前主流碟式太阳能斯特林发电系统中存在的集热器控制精度要求苛刻、蓄热困难、机械式斯特林发电机维护成本高等缺点，提出了一种带蓄热的碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统。该系统采用固定不动的吸热腔中的传热流体吸收集热器热量，并通过循环系统形成了一套由发电机、蓄热装置、补燃装置组成的循环发电回路，解决了目前系统中发电机安装维护困难及难以实现蓄热、补燃等功能的问题。此外，本发明采用的自由活塞斯特林发电机，它是斯特林发电机的一种特殊结构，它去除了机械式斯特林发电机的曲柄连杆机构并通过直线电机输出电功，因而不仅传承了传统机械式斯特林发电机热源适温区适应性广、效率较高等特点，还具有结构简单、可靠性高和维护成本低等优点。因而本发明具有：结构简单、维护成本低、控制精度要求较低、可实现不间断运行等特点。
为了达到以上目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其包括：太阳能集热系统1、所述太阳能集热系统1包括聚光碟5、碟架5A、桁架6、吸热腔7和转动机构8，所述聚光碟5以排为单位安装于所述碟架5A上，所述碟架5A安装于所述桁架6上，所述转动机构8与桁架6连接并带动桁架6产生单轴水平转动以日常跟踪太阳，所述碟架5A亦能做单轴转动，使所述聚光碟的焦点处于所述吸热腔7的底面范围内。
根据本发明的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其中，所述太阳能自由活塞斯特林发电系统还包括自由活塞斯特林发电机2、蓄热装置3和循环系统4，所述循环系统4包括连接管路18、循环泵19和第一阀门20；
所述连接管路18一端与蓄热装置3相连，另一端依次连接第一阀门20、吸热腔7、循环泵19、自由活塞斯特林发电机2的热端换热器和蓄热装置3，进而形成循环发电回路。其中，蓄热装置3置于地面上。
根据本发明的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其中，所述吸热腔7置于一垂直固定的支撑架7A上，所述支撑架7A穿过桁架6与碟架5A。
根据本发明的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其中，所述吸热腔7底部表面覆盖一层高吸收率(吸收率在85％以上)陶瓷材料的复合涂层。根据本发明的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其中，所述自由活塞斯特林发电机2置于地面上。所述自由活塞斯特林发电机2包括耐压壳体9、热端换热器10、回热器12、冷端换热器13、排出器11、动力活塞14和直线电机15等关键部件。所述耐压壳体与排出器之间形成膨胀腔，排出器与动力活塞之间形成压缩腔。所述各组件可以按本领域的常规排列方式设置，例如一种选择是，所述热端换热器10、回热器12、冷端换热器13由上而下依次连接设置，外部由耐压壳体9包裹，排出器11置于内部与耐压壳体9之间形成膨胀腔16；动力活塞14置于冷端换热器13下部的气缸内且不带有曲柄连杆机构，直线电机15置于动力活塞14所在气缸的外围，排出器11与动力活塞14之间形成压缩腔17。
在所述自由活塞斯特林发电机中，热端换热器从所述循环系统中的传热介质吸热并由回热器将该热量转化为推动所述动力活塞的机械能，然后通过直线电机转化为电能。
根据本发明的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其中，在蓄热装置3与循环泵19之间设置第二阀门21，所述第二阀门21所在管路与第一阀门20所在管路并联。所述循环系统中的阀门能根据自由活塞斯特林发电机的工况调节开度，使所述自由活塞斯特林发电机保持稳定运行。
根据本发明的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其中，所述蓄热装置3中的连接管路采用盘状管路，盘状管路外部包裹着相变蓄热的熔盐材料，该熔盐材料优选以碳酸盐(如Na2CO3、K2CO3等)为主的混合盐。
根据本发明的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其中，所述蓄热装置3外部设置补燃装置23，所述循环系统4的管路内部填充传热介质，在所述传热介质温度下降至一阈值(可根据实际需要设定)时，补燃装置23为蓄热装置3补热，使其能维持在较高的温度。
根据本发明的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其中，所述吸热腔7与所述循环泵19之间的连接管路上并联设置膨胀罐22，用以缓冲传热流体因温度波动而发生的体积变化。
本发明所述的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其中，所述循环系统中的传热介质是压缩空气、压缩氦气、熔盐或超临界水等高热导率的传热介质。其中所述的熔盐材料主要是以硝酸盐(如NaNO3、KNO3等)为主的混合盐。
本发明的工作机理是：在白天光照充分时，第一阀门开启，第二阀门关闭，在保证所述自由活塞斯特林发电机高效率稳定运行的同时，循环系统将部分热量储存在蓄热装置中；夜间及阴雨天等气象变化导致集热器供热量不足时，关闭第一阀门并调节第二阀门的开度将所述蓄热装置中储存的热量释放出来为所述自由活塞斯特林发电机的热端换热器供热，维持所述自由活塞斯特林发电机低功率运行，或者进一步通过补燃装置补热使所述循环系统中的传热介质保持高温，维持所述自由活塞斯特林发电机高功率运行。
优选地，所述桁架采用成本较低的单轴控制策略。
优选地，所述吸热腔下表面覆盖一层高吸收率的涂层。
优选地，所述蓄热装置采用熔盐相变蓄热方式。
本发明提供一种带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其有益效果在于：
(1)采用固定的吸热腔吸热并利用传热流体为发电机供热，使发电机可固定在地面上，简化了系统结构，降低安装和维护成本而且更容易实现蓄热、补燃。
(2)通过采用自由活塞斯特林发电单元，简化了发电单元结构，提高了系统可靠性，降低了维护成本
附图说明
图1为本发明的带蓄热碟式自由活塞斯特林发电机的结构示意图。
附图标记
1、太阳能集热系统； 2、自由活塞斯特林发电机； 3、蓄热装置；
4、循环系统； 5A、碟架； 5、聚光碟； 6、桁架；
7A、支撑架； 7、吸热腔； 8、转动机构； 9、耐压壳体；
10、热端换热器； 11、排出器； 12、回热器； 13、冷端换热器；
14、动力活塞； 15、直线电机； 16、膨胀腔； 17、压缩腔；
18、连接管路； 19、循环泵； 20、第一阀门； 21、第二阀门；
22、膨胀罐； 23、补燃装置
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其包括：太阳能集热系统1、所述太阳能集热系统1包括聚光碟5、碟架5A、桁架6、吸热腔7和转动机构8，所述聚光碟5以排为单位安装于所述碟架5A上，所述碟架5A安装于所述桁架6上，所述转动机构8与桁架6连接并带动桁架6产生单轴水平转动以日常跟踪太阳，所述吸热腔7位于所述聚光碟焦点处固定不动，所述碟架5A亦能做单轴转动以提高聚光碟的聚光比，使所述聚光碟的焦点处于所述吸热腔7的底面范围内。
所述太阳能自由活塞斯特林发电系统还包括自由活塞斯特林发电机2、蓄热装置3和循环系统4，所述循环系统4包括连接管路18、循环泵19和第一阀门20；
所述连接管路18一端与蓄热装置3相连，另一端依次连接第一阀门20、吸热腔7、循环泵19、自由活塞斯特林发电机2的热端换热器和蓄热装置3，进而形成循环发电回路。其中，蓄热装置3置于地面上。
所述吸热腔7置于一垂直固定的支撑架7A上，所述支撑架7A穿过桁架6与碟架5A。所述吸热腔7底部表面覆盖一层高吸收率的涂层。
所述自由活塞斯特林发电机2置于地面上。所述自由活塞斯特林发电机2包括耐压壳体9、热端换热器10、回热器12、冷端换热器13、排出器11、动力活塞14和直线电机15等关键部件。所述耐压壳体9与排出器11之间形成膨胀腔16，排出器11与动力活塞14之间形成压缩腔17。在所述自由活塞斯特林发电机中，热端换热器从所述循环系统中的传热介质吸热并由回热器将该热量转化为推动所述动力活塞的机械能，然后通过直线电机转化为电能。
在蓄热装置3与循环泵19之间设置第二阀门21，所述第二阀门21所在管路与第一阀门20所在管路并联。所述循环系统中的阀门能根据自由活塞斯特林发电机的工况调节开度，使所述自由活塞斯特林发电机保持稳定运行。所述蓄热装置3中的连接管路采用盘状管路，盘状管路外部包裹着相变蓄热的熔盐材料，该熔盐材料优选以碳酸盐为主的混合盐。所述蓄热装置3外部设置补燃装置23，所述循环系统4的管路内部填充传热介质，在所述传热介质温度下降至一阈值时，补燃装置23为蓄热装置3补热，使其能维持在较高的温度。
所述吸热腔7与所述循环泵19之间的连接管路上并联设置膨胀罐22，用以缓冲传热流体因温度波动而发生的体积变化。
所述循环系统4中的传热介质是压缩空气、压缩氦气、熔盐或超临界水等高热导率的传热介质。其中所述的熔盐材料主要是以硝酸盐为主的混合盐。需要说明的是，采用熔盐作为传热流体，可大大降低系统的操作压力和安全要求，提高系统和设备的可靠性，循环泵19可选择高温熔盐泵；另外，由于熔盐具有较低的熔点，运行时可以保持为液体状态。采用超临界水做为传热流体时，系统需要较高的运行压力，此时循环泵2可选择高温高压水泵，超临界水具有价格低廉，较高的比热容和热导率等优点。实际应用中可根据具体情况选择合适的传热流体。
工况一：白天阳光充足时，聚光碟5反射太阳光并将其聚焦在吸热腔7底部的吸热涂层上，关闭第二阀门21并调节第一阀门20的开度，进而调节循环系统4中传热流体的流速，部分热量使自由活塞斯特林发电机2的热端稳定在500～600℃的高效运行工况，而部分热量则储存在蓄热装置3中的高比热容的固体介质中。
工况二：夜晚或者阴雨天气没有阳光时，关闭所述第一阀门并开启第二阀门，使所述蓄热装置3释放热量为所述自由活塞斯特林发电机2热端供热，当所述蓄热装置3中热量不足时，所述补燃装置23将进一步补热使所述自由活塞斯特林发电机2保持高功率运行。
当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其包括：太阳能集热系统(1)、所述太阳能集热系统(1)包括聚光碟(5)、碟架(5A)、桁架(6)、吸热腔(7)和转动机构(8)，其特征在于：所述聚光碟(5)以排为单位安装于所述碟架(5A)上，所述碟架(5A)安装于所述桁架(6)上，所述转动机构(8)与桁架(6)连接并带动桁架(6)产生单轴水平转动，所述碟架(5A)做单轴转动，所述吸热腔(7)保持固定不动，所述聚光碟焦点处于吸热腔的底面范围内。
2.根据权利要求1所述的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其特征在于：所述太阳能自由活塞斯特林发电系统还包括自由活塞斯特林发电机(2)、蓄热装置(3)和循环系统(4)，所述循环系统(4)包括连接管路(18)、循环泵(19)和第一阀门(20)；
所述连接管路(18)一端与蓄热装置(3)相连，另一端依次连接第一阀门(20)、吸热腔(7)、循环泵(19)、自由活塞斯特林发电机(2)的热端换热器和蓄热装置(3)，进而形成循环发电回路。
3.根据权利要求1或2所述的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其特征在于：所述吸热腔(7)置于一垂直固定的支撑架(7A)上。
4.根据权利要求1-3任一所述的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其特征在于：所述吸热腔(7)底部表面覆盖一层高吸收率的涂层。
5.根据权利要求1或2所述的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其特征在于：所述自由活塞斯特林发电机(2)置于地面上。
6.根据权利要求1、2或5所述的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其特征在于：所述自由活塞斯特林发电机(2)包括耐压壳体(9)、热端换热器(10)、回热器(12)、冷端换热器(13)、排出器(11)、动力活塞(14)和直线电机(15)。
7.根据权利要求2所述的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其特征在于：在蓄热装置(3)与循环泵(19)之间设置第二阀门(21)，所述第二阀门(21)所在管路与第一阀门(20)所在管路并联。
8.根据权利要求2或7所述的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其特征在于：所述蓄热装置(3)中的连接管路采用盘状管路，盘状管路外部包裹着相变蓄热的熔盐材料。
9.根据权利要求2-8任一所述的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其特征在于：所述蓄热装置(3)外部设置补燃装置(23)，所述循环系统(4)的管路内部填充传热介质，在所述传热介质温度下降至一阈值时，补燃装置(23)为蓄热装置(3)补热。
10.根据权利要求2-9任一所述的带蓄热碟式太阳能自由活塞斯特林发电系统，其特征在于：所述吸热腔(7)与所述循环泵(19)之间的连接管路上并联设置膨胀罐(22)。
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