CN106595075A - 一种小型塔式斯特林储能光热发电系统 - Google Patents

一种小型塔式斯特林储能光热发电系统 Download PDF

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Abstract

一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，包括储能集热器、定日镜、斯特林发电机、塔架，其特征在于，该储能集热器包括耐压换热腔体、热管、集热头、蓄能材料、隔热层、活动保温盖；耐压换热腔体上设置有流体出口和流体进口，该热管包括吸热段和散热段，其中散热段处在耐压换热腔体内，其吸热段则伸出耐压换热腔体的底部且被蓄能材料紧密包裹住，且和集热头直接或间接地形成紧密接触，储能集热器安装在塔架的顶端上，定日镜均聚焦到储能集热器的集热头上，斯特林发电机安装在储能集热器之上，流体出口则和斯特林发电机其中的发动机热腔连接，流体进口则和斯特林发电机其中的发动机回热器腔连接，并构成一个塔式斯特林光热发电系统。

Description

一种小型塔式斯特林储能光热发电系统
技术领域
本发明属于太阳能光热利用技术领域，尤其涉及一种小型塔式斯特林储能光热发电系统的技术。
背景技术
一方面人类能源消费水平不断提高，另一方面常规化石能源日益枯竭，而且常规化石能源伴随的污染物排放问题日益不能满足人们对于未来能源的需求。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的新型清洁能源，正越来越得到人们的重视，针对太阳能的开发工作正在日益取得进展。
目前比较流行的太阳能发电主要分为光伏发电和太阳能光热发电两种形式。其中光伏发电采用太阳能电池板或电池薄膜接收太阳光，并直接将光能转化成电能，但是在发电效率和电池寿命方面存在很大不足。按现有的技术分，太阳能光热发电则可分为槽式太阳能热发电、蝶式太阳能发电和塔式太阳能集热发电。
传统的斯特林发电机往往配以碟式抛物面反射镜热发电系统，是点式聚焦系统，它应该是太阳能热发电系统是世界上最早出现的太阳能光热发电系统了。碟式系统也称为抛物面反射镜斯特林系统，是由许多镜子组成的抛物面反射镜组成，接收在抛物面的焦点上，接收器内的传热介质被加热后，驱动斯特林发动机进行发电。碟式系统的聚光比非常高，从几百至上千都可达到，聚焦温度甚至可以达到1000℃以上，效率较高，对于地面坡度要求也更为灵活。但成本上还缺少优势，技术上也有待于完善。碟式系统较适用于边远地区独立电站。有比较优良的性能指标，可以单台使用或多台并联使用，适宜小规模发电。
而“斯特林发电机+碟式反射镜”组成的碟式抛物面反射镜斯特林系统，该系统较适用于边远地区独立小规模发电，尤其是缺水的边远地区，有其特殊的现实需求，体现出其它传统光热发电系统所无法比拟的实用价值。但是，“斯特林发电机+碟式反射镜”的组合有其致命的缺陷，即很难结合进高效的储能装置。
虽然碟式系统的聚光比非常高，但是，塔式系统的集热方式完全可以替代碟式系统。
发明内容
(一)解决的技术问题
要解决现有斯特林太阳能光热发电系统的储能问题，必须打破“斯特林发电机+碟式反射镜”的传统模式，需要创新出储能和集热一体化的装置，再配以聚光比高的塔式集热系统和斯特林发电机，组成一套全新的“斯特林发电机+塔式储能集热系统”。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，包括储能集热器、定日镜、斯特林发电机、塔架，其特征在于，所述的储能集热器包括耐压换热腔体、热管、集热头、蓄能材料、隔热层、活动保温盖；所述的耐压换热腔体上设置有流体出口和流体进口，所述的热管包括吸热段和散热段，所述的热管的散热段处在所述的耐压换热腔体内，其吸热段则伸出耐压换热腔体的底部且被所述的蓄能材料紧密包裹住，且和所述的集热头直接或间接地形成紧密接触，除储能集热器上的集热头、流体出口及流体进口外的所有外表面上均设置有隔热层，所述的活动保温盖和集热头适配；所述的储能集热器安装在所述的塔架的顶端上，所有的定日镜均聚焦到储能集热器的集热头上，所述的流体出口则和斯特林发电机其中的发动机热腔连接，流体进口则和斯特林发电机其中的发动机回热器腔连接，并构成一个斯特林发电系统；所述的耐压换热腔体内的所加热的传热工质为氢或氦。通常，耐压换热腔体是一种由热管提供热源的一种换热器，其内部换热结构可以有多种类似于传统的各种换热器结构，比如管式换热器、螺旋形板式换热器等等，本技术发明在接下来的描述中，只列举了一种单螺旋形流道板式换热器的结构来展开描述本技术的核心，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些描述，设计出不同类型结构的耐压换热腔体，并不代表就越过本技术的权限；本设计中的热管，是一种特种热管，热管里面的传热介质采用多种无机材料混合而成，这种传热介质配方由物理学家渠玉芝发明的，配方及热管制造方法见专利号(01120356.0)。此种热管横向和竖向放置都不影响传热效果，而且基本上是等温传热，其耐温的极限是1500摄氏度以上，传热速度是银的至少几千赔以上。该热管已在国内生产且以获得广泛应用。通常，在集热头的透光窗处，还设置有一耐高温的透明玻璃片，以防热量的散失和保护集热头不受灰尘的污染。而斯特林发电机的技术已开始在中国批量生产，而现有的斯特林发电机的功率在25KW/台，主要应用到碟式太阳能发电系统中，其制造难度主要集中在集热头上，而应用到本技术的斯特林发电机，其发动机部分的集热头直接去除，省去这道繁琐的制造工艺，直接将去除集热头后的斯特林发动机的热腔和回热器腔直接和本技术的流体出口和流体进口连通，直接构成一个斯特林发电系统。由于现有的斯特林发电机单台功率较小，可以用多台该型号的斯特林发电机配套一台储能集热器，那么，相应的定日镜数量和塔架的高度都相应的调整，这样就变成一个小型化的塔式太阳能斯特林发电机系统，形成一套结构简单、安装便利、建造灵活、建造周期短的新型塔式太阳能斯特林发电系统，该系统具有可靠性好、功率灵活、效率高、对环境友好等特点。如果想扩大发电规模，就按之前的方案重复建造就行。另一方面，如果把斯特林发电机换成布雷顿循环发动机，比如“超临界二氧化碳发电机组”，就可以很方便地构成一个布雷顿发电系统，
在上述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的斯特林发电机安装在所述的储能集热器之上。
在上述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的耐压换热腔体由一块钢板卷制成一个单螺旋形流道，并在单螺旋形流道的两端各焊接有上盖板和下盖板后，形成一个可供流体通过的单螺旋流道，所述的单螺旋流道的一端连接所述的流体出口，另一端则连接流体进口，所述的热管的散热段均匀设置在所述的单螺旋流道内，所述的散热段的外表面上设置有导热翅片，其吸热段则贯穿所述的下盖板且被所述的蓄能材料紧密包裹住，且和所述的集热头直接或间接地形成紧密接触。实际上，耐压换热腔体也可以由两个单螺旋形流道在内端相互贯通，形成一个类似于双螺旋形流道的结构，此时流体出口和流体进口均在耐压换热腔体的两侧。
在上述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的集热头由耐高温的合金钢制成，整体呈圆盘状，所述的热管的吸热段的端头和该集热头的上面部通过焊接连接，下面部则为受热面，所述的受热面上设置有耐高温吸热涂层。
在上述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的集热头由耐高温的合金钢制成，整体呈圆盘状，所述的热管的吸热段的端头贯穿集热头本体后通过焊接连接，所述的受热面上以及裸露出受热面外的吸热段的表面上均设置有耐高温吸热涂层。通常，这样的设计使得热管的吸热段的端头可以直接接受太阳光的聚热，增大了受热面的表面积，更利于快速的传热和提高聚热效率。通常，热管的端头可以贯穿圆盘状的聚光头本体，然后和聚光头本体焊接连接，这时候，热管伸出聚光头本体的端头也要涂上耐高温吸热涂层。通常，吸热涂层采用美国天宝(Tempil)的Pyromark2500的高温漆作为本技术的耐高温吸热涂层，其涂层最高能承受1093℃。
在上述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的吸热段上设置有导热翅片。
在上述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的蓄能材料是一种固态高温蓄能材料，主要由氧化镁、三氧化二铁、氧化铁等材质组成。最高耐温能达1000多摄氏度。通常，该种固态蓄能材料的混合料的配比组成为：64％MgO、22.5％Fe203、9.5％FeO，其余的为水，这几种物质充分混合后，经过一定的压力成型，且在250摄氏度高温下烘干即制得成品。这种固态蓄能材料在放热和蓄热的转换过程中，其体积变化极小，可以忽略其体积的变化。其容重为3140Kg/m3，比热极高，是一种无腐蚀性、无毒、性能稳定的优质蓄能材料，其在放热的过程中，温度几乎恒定在700多度，这对发电机的热电转化效率将有很大的帮助。
在上述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的活动保温盖可以完全覆盖住所述的集热头的表面，且可以通过远程控制其开合。通常，活动保温盖在夜晚来临的时候，开始关闭，以防热量散失，这时候发电机的能量由蓄能材料源源不断的供应。同时，由于储能集热器处在塔身的顶端，其开合的动作设计成远程集中控制。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，能够解决边远地区小规模用电问题，尤其是缺水的边远地区。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图仅提供参考和说明用，并非用来对本发明加以限制。
图1是本发明提供的一种储能集热器的结构示意图；
图2是本发明提供的一种太阳能发电系统的结构示意图；
图3是本发明提供的一种热管的结构示意图。
图中，储能集热器1、耐压换热腔体2、热管3、聚光头4、蓄能材料5、隔热层6、活动保温盖7、定日镜8、斯特林发电机9、塔架10、超临界二氧化碳发电机组11、透明玻璃片12、流体出口20、流体进口21、上盖板22、下盖板23、单螺旋流道24、吸热段30、散热段31、导热翅片32、受热面40、耐高温吸热涂层41。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“若干”的含义是一个或一个以上。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：
如图1、图2和图3所示，一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，包括储能集热器1、定日镜8、斯特林发电机9、塔架10。
其中，储能集热器1包括耐压换热腔体2、热管3、集热头4、蓄能材料5、隔热层6、活动保温盖7。耐压换热腔体2上设置有流体出口20和流体进口21。储能集热器1安装在塔架10的顶端上，斯特林发电机9安装在储能集热器1之上，所有的定日镜8均聚焦到储能集热器1的集热头4上，流体出口20则和斯特林发电机9其中的发动机热腔连接，流体进口21则和斯特林发电机9其中的发动机回热器腔连接，并构成一个斯特林发电系统；耐压换热腔体2内的所加热的传热工质为氢或氦。
热管3包括吸热段30和散热段31，热管3的散热段31处在耐压换热腔体2内，其吸热段30则伸出耐压换热腔体2的底部且被蓄能材料5紧密包裹住，且和集热头4直接或间接地形成紧密接触；除储能集热器1上的集热头4、流体出口20及流体进口21外的所有外表面上均设置有隔热层6；活动保温盖7可以完全覆盖住集热头4的整个表面，且可以通过远程控制其开合。通常，活动保温盖在夜晚来临的时候，开始关闭，以防热量散失，这时候发电机的能量由蓄能材料源源不断的供应。同时，由于储能集热器处在塔身的顶端，其开合的动作设计成远程集中控制。在集热头4的透光窗处，还设置有一耐高温的透明玻璃片12，以防热量的散失和保护集热头不受灰尘的污染。
本实施例中，耐压换热腔体2由一块钢板卷制成一个单螺旋形流道，并在单螺旋形流道的两端各焊接有上盖板22和下盖板23后，形成一个可供流体通过的单螺旋流道24，单螺旋流道24的一端连接流体出口20，另一端则连接流体进口21，热管3的散热段31均匀设置在单螺旋流道24内，散热段31的外表面上设置有导热翅片32，其吸热段30则贯穿下盖板23且被蓄能材料5紧密包裹住，其吸热段30的端头贯穿集热头4本体后两者通过焊接连接，在受热面40上以及裸露出受热面40外的吸热段30的表面上均设置有耐高温吸热涂层41。本实施例中，集热头4由耐高温的合金钢制成，整体呈圆盘状。本实施例中，耐高温吸热涂层41采用美国天宝(Tempil)的Pyromark2500的高温漆作为本技术的耐高温吸热涂层，其涂层最高能承受1093℃。
本实施例中，吸热段30上也设置有导热翅片32。
本实施例中，所采用的热管是一种特种热管，热管里面的传热介质采用多种无机材料混合而成，这种传热介质配方由物理学家渠玉芝发明的，配方及热管制造方法见专利号(01120356.0)。此种热管横向和竖向放置都不影响传热效果，而且基本上是等温传热，其耐温的极限是1500摄氏度以上，传热速度是银的至少几千赔以上。该热管已在国内生产且以获得广泛应用。
本实施例中，蓄能材料5是一种固态高温蓄能材料，主要由氧化镁、三氧化二铁、氧化铁等材质组成，最高耐温能达1000多摄氏度。通常，该种固态蓄能材料的混合料的配比组成为：64％MgO、22.5％Fe203、9.5％FeO，其余的为水，这几种物质充分混合后，经过一定的压力成型，且在250摄氏度高温下烘干即制得成品。这种固态蓄能材料在放热和蓄热的转换过程中，其体积变化极小，可以忽略其体积的变化。其容重为3140Kg/m3，比热极高，是一种无腐蚀性、无毒、性能稳定的优质蓄能材料，其制作用到的原材料非常广泛且普通，价格低。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了储能集热器、耐压换热腔体、热管、聚光头、蓄能材料、隔热层、活动保温盖、透明玻璃片、定日镜、斯特林发电机、塔架、超临界二氧化碳发电机组、流体出口、流体进口、上盖板、下盖板、单螺旋流道、吸热段、散热段、导热翅片、受热面、耐高温吸热涂层等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (8)

1.一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，包括储能集热器(1)、定日镜(8)、斯特林发电机(9)、塔架(10)，其特征在于，所述的储能集热器(1)包括耐压换热腔体(2)、热管(3)、集热头(4)、蓄能材料(5)、隔热层(6)、活动保温盖(7)；所述的耐压换热腔体(2)上设置有流体出口(20)和流体进口(21)，所述的热管(3)包括吸热段(30)和散热段(31)，所述的热管(3)的散热段(31)处在所述的耐压换热腔体(2)内，其吸热段(30)则伸出耐压换热腔体(2)的底部且被所述的蓄能材料(5)紧密包裹住，且和所述的集热头(4)直接或间接地形成紧密接触，除储能集热器(1)上的集热头(4)、流体出口(20)及流体进口(21)外的所有外表面上均设置有隔热层(6)，所述的活动保温盖(7)和集热头(4)适配；所述的储能集热器(1)安装在所述的塔架(10)的顶端上，所有的定日镜(8)均聚焦到储能集热器(1)的集热头(4)上，所述的流体出口(20)则和斯特林发电机(9)其中的发动机热腔连接，流体进口(21)则和斯特林发电机(9)其中的发动机回热器腔连接，并构成一个斯特林发电系统；所述的耐压换热腔体(2)内的所加热的传热工质为氢或氦。
2.根据权利要求1所述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的斯特林发电机(9)安装在所述的储能集热器(1)之上。
3.根据权利要求1所述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的耐压换热腔体(2)由一块钢板卷制成一个单螺旋形流道，并在单螺旋形流道的两端各焊接有上盖板(22)和下盖板(23)后，形成一个可供流体通过的单螺旋流道(24)，所述的单螺旋流道(24)的一端连接所述的流体出口(20)，另一端则连接流体进口(21)，所述的热管(3)的散热段(31)均匀设置在所述的单螺旋流道(24)内，所述的散热段(31)的外表面上设置有导热翅片(32)，其吸热段(30)则贯穿所述的下盖板(23)且被所述的蓄能材料(5)紧密包裹住，且和所述的集热头(4)直接或间接地形成紧密接触。
4.根据权利要求1所述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的集热头(4)由耐高温的合金钢制成，整体呈圆盘状，所述的热管(3)的吸热段(30)的端头和该集热头(4)的上面部通过焊接连接，下面部则为受热面(40)，所述的受热面(40)上设置有耐高温吸热涂层(41)。
5.根据权利要求1所述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的集热头(4)由耐高温的合金钢制成，整体呈圆盘状，所述的热管(3)的吸热段(30)的端头贯穿集热头(4)本体后两者通过焊接连接，所述的受热面(40)上以及裸露出受热面(40)外的吸热段(30)的表面上均设置有耐高温吸热涂层(41)。
6.根据权利要求1所述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的吸热段(30)上设置有导热翅片(32)。
7.根据权利要求1所述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的蓄能材料(5)是一种固态高温蓄能材料，主要由氧化镁、三氧化二铁、氧化铁等无机材质组成。
8.根据权利要求1所述的一种小型塔式斯特林储能光热发电系统，其特征在于，所述的活动保温盖(7)可以完全覆盖住所述的集热头(4)的表面，且可以通过远程控制其开合。
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