CN107605675A - 一种基于斯特林循环的太阳能发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于斯特林循环的太阳能发电机，包括太阳灶，斯特林机(带有回热器)，飞轮，鼓形齿式联轴器，离合器，发电机等主要机构。其技术要点是采用基于斯特林循环利用太阳能热效应的发电方式，完全替代多晶硅材料，降低生产能耗，减少污染。采用回热器以提高热能的利用效率。在斯特林机的热气缸外覆盖择性吸收涂层，强化吸收；在斯特林机的冷气缸外部加装铜质散热片以提高散热效率，并且在冷气缸(包括散热片)外覆盖选择性吸收涂层，强化辐射。回热器、散热片以及选择性涂层对提高斯特林循环的效率具有良好的效果。热循环的工质为比热较大易于压缩的氨气。利用飞轮储存释放角动能使得斯特林机运转更加平稳。用离合器控制发电机的开关。

Description

一种基于斯特林循环的太阳能发电机

技术领域

本发明涉及一种基于斯特林循环的太阳能发电设备，属于太阳能光热发电领域。

背景技术

社会经济发展、进步需要能源支撑，而能源供给主要以一次性化石燃料为主，如今化石燃料日趋匮乏及环境污染问题日益严重，能够替代一次性能源的可再生、清洁、环保的绿色能源研究，特别是清洁能源发电的应用已经势不可挡。

太阳能是一种新兴的可再生能源，太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式。其中光电转换的传统方式就是光伏发电，光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。

过去的十年间，光伏发电产业受到了各国政府的大力支持，发展清洁能源已经被提到国家战略层面，光伏发电一直以清洁为宣传口号，但其所使用的硅光板的生产需要消耗大量的能源，也会产生很大的污染。而采用以太阳能为热源的斯特林循环发电，不需要使用能耗高、污染大的单晶硅、多晶硅材质的光伏板，真正发挥了太阳能清洁能源的特点。理论研究表明，基于斯特林循环的太阳能发电方式比传统光伏发电方式具有更高的发电效率，具有很好的发展前景。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为了避免现有技术的不足之处，本发明提出了一种基于斯特林循环的太阳能发电设备。基于斯特林循环利用太阳能的热效应发电，避免使用能耗高污染大的光伏板。在斯特林机的热气缸外覆盖一层吸收比高于0.9、发射比低于0.1的选择性吸收涂层，最大限度的吸收太阳能；在斯特林机的冷气缸(包括散热片)外覆盖一层吸收比低于0.1、发射比高于0.9的选择性吸收涂层，尽可能提高冷气缸的散热效率。冷热气缸中参与循环的工质为比热容较大、易于压缩的氨气。

本发明的技术方案是：一种基于斯特林循环的太阳能发电机，包括太阳能发电系统，其特征在于，还包括菲涅尔镜1、连接组件和发电机11；太阳能发电系统与连接组件连接并将所做的功最终传递给发电机11；所述菲涅尔镜用于聚集热气为太阳能发电系统提供热能；所述连接组件包括离合器10和鼓形齿式联轴器17，离合器10一端与鼓形齿式联轴器17的一端连接，离合器10另一端与发电机11连接，鼓形齿式联轴器17另一端与连接组件连接；菲涅尔镜1产生的热能带动太阳能发电系统工作，太阳能发电系统做的功经鼓形齿式联轴器17及超越离合器10将功传递给发电机11，实现太阳能发电。

本发明的进一步技术方案是：所述太阳能发电系统为斯特林机，包括热气缸2、冷气缸3、散热片4、热气缸活塞5、冷气缸活塞6、回热器7、热气缸连杆8、冷气缸连杆9、两个套筒12和曲轴13；两个气缸之间通过回热器7相互贯通连接；热气缸2内设有热气缸活塞5，冷气缸3内设有冷气缸活塞6；套筒12套在曲轴13凸起处，两个活塞与套筒12之间分别通过连杆进行连接，且连杆两端与活塞和套筒12铰接；曲轴13靠近冷气缸3的一端与鼓形齿式联轴器17连接；冷气缸3顶部包裹有散热片4；活塞上下运动，由于采取铰接，使得连杆在上下运动时能够偏离活塞轴线进行运动，从而带动曲轴13轴向转动进行做功，斯特林机中热循环的工质为氨气。

本发明的进一步技术方案是：所述套筒12采用两个轴瓦拼接而成，材质为黄铜，其在曲轴13上能够进行轴向转动。

本发明的进一步技术方案是：斯特林机中的热气缸和冷气缸之间通过螺旋管束回热器连接；所述螺旋管束回热器为内部带有若干螺旋管束的圆管，螺旋管内的气体在运动过程中改变方向，引起二次环流，进行强化换热。

本发明的进一步技术方案是：所述热气缸2外覆盖一层吸收比高于0.9、发射比低于0.1的选择性吸收涂层，最大限度的吸收太阳能；所述冷气缸3外覆盖一层吸收比低于0.1、发射比高于0.9的选择性吸收涂层，尽可能提高冷气缸的散热效率；所述散热片4外覆盖一层与冷气缸外涂层材料一样的吸收比低于0.1、发射比高于0.9的选择性吸收涂层。

本发明的进一步技术方案是：所述飞轮14为一个六孔钢制轮盘，在曲轴运转至上下死点(即当压力角等于90度时，连杆对从动件的驱动力或力矩为零的情形)时可以利用简单的机械驱动装置(旋转飞轮)驱动飞轮旋转使曲轴冲过死点开始运转。飞轮具有较大的质量，可以储存释放角动能使得斯特林机运转更加平稳。

本发明的进一步技术方案是：所述鼓形齿式联轴器17用于消除因联轴器前后两轴运转不同步而带来的曲轴内力。

本发明的进一步技术方案是：所述菲涅尔镜1为一个由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，透镜外侧为一系列同心不锈钢片。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明提出的一种基于斯特林循环的太阳能发电设备采用基于斯特林循环利用太阳能热效应的发电方式，完全替代单晶硅、多晶硅材料，降低生产能耗，减少污染。采用回热器以提高热能的利用效率。采用菲涅尔镜聚集光能。在斯特林机的热气缸外覆盖一层吸收比高于0.9、发射比低于0.1的选择性吸收涂层，最大限度的吸收太阳能；在斯特林机的冷气缸外部加装铜质散热片以提高散热效率，并且在冷气缸(包括散热片)外覆盖一层吸收比低于0.1、发射比高于0.9的选择性吸收涂层，尽可能提高冷气缸的散热效率。回热器、散热片以及选择性涂层对提高斯特林循环的效率具有良好的效果。冷热气缸中参与循环的工质为氨气，热容量较大，易于压缩，传递热量的效果很好。

附图说明

图1为整体结构图

图2为斯特林机说明图

图3为轴套部分局部放大图

图4为飞轮固定方式图

图5为回热器细节图

图6螺旋管束回热器单管示意图

图7螺旋管束回热器单管剖面示意图

图8为鼓形齿式联轴器放大图

附图标记说明：1-菲涅尔镜 2-热气缸 3-冷气缸 4-散热片5-热气缸活塞 6-冷气缸活塞 7-回热器 8-热气缸连杆 9-冷气缸连杆 10-离合器 11-发电机 12-套筒 13-曲轴14-飞轮 15-轴肩 16-对顶螺母 17-鼓形齿式联轴器

具体实施方式

参见图1-图8，本发明的技术方案是：一种基于斯特林循环的太阳能发电机，包括太阳能发电系统、菲涅尔镜1、连接组件、和发电机11；太阳能发电系统与连接组件连接并将所做的功最终传递给发电机11；所述菲涅尔镜与太阳能发电系统连接，用于聚集光能为太阳能发电系统提供热能；所述连接组件包括离合器10和鼓形齿式联轴器17，菲涅尔镜1产生的热能带动太阳能发电系统工作，太阳能发电系统做的功经鼓形齿式联轴器17及离合器10将功传递给发电机11，实现太阳能发电；

本发明的进一步技术方案是：所述连接组件未与发电机11连接的一端还连接有飞轮14，使太阳能发电系统运转更加平稳。

所述鼓形齿式联轴器17消除因联轴器前后两轴的不共轴线偏差(轴线夹角小于7度)而带来的曲轴内力，将角动能输送到发电机11。

所述离合器10的作用为在需要关闭发电机时将发电机11与曲轴13断开连接，起到控制发电机开关的作用。

本发明包括菲涅尔镜，斯特林机(内部带有回热器)，飞轮，鼓形齿式联轴器，离合器，发电机等装置。

所述菲涅尔镜为一个由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，透镜外侧为一系列同心不锈钢片，作用同镜片一样汇聚阳光，聚焦太阳能可以加热斯特林机的热气缸来为其提供热能。

所述斯特林机为一个以聚焦太阳光为热源的外燃机，主要结构有热气缸、冷气缸、散热片、活塞、回热器、连杆、曲轴、套筒。散热片是位于冷气缸上的铜质同心圆环薄片，用于增加冷气缸的散热效率。回热器位于连接冷热气缸的通道中，热气缸向冷气缸排气时气体对回热器散热，冷气从冷气缸回流至热气缸时从回热器吸收热量，充分利用热能，即太阳能使得热气缸活塞先动，然后带动冷气缸活塞动，从而依次交替运动，提高发电机效率。套筒内圈的轴瓦为黄铜，曲轴为钢材，二者配合可以降低摩擦，提高零件的使用寿命。连杆和活塞通过铰链连接，连杆可以绕活塞有小角度的转动。

所述回热器为一种表面式热交换器，即工质通过热交换器交换热量，而工质间无直接接触的一种热交换器。回热器位于连接冷热气缸的通道中，热气缸向冷气缸排气时气体对回热器散热，冷气从冷气缸回流至热气缸时从回热器吸收热量，回热器外部采用良好的绝热材料，管道采用热的良导体，同时通过增大管道数量、减少管道直径以增大换热面积，从而达到减少散热、充分利用热能的目的。

所述飞轮为一个六孔钢制轮盘，在曲轴运转至上下死点(即当压力角等于90度时，连杆对从动件的驱动力或力矩为零的情形)时可以利用简单的机械驱动装置(旋转飞轮)驱动飞轮旋转使曲轴冲过死点开始运转。飞轮具有较大的质量，可以储存释放角动能使得斯特林机运转更加平稳。由于曲轴转速是随转动位置而变化的，当曲轴转速增高时，飞轮的动能增加，把角动能贮蓄起来；当曲轴转速降低时，飞轮动能减少，把角动能释放出来。同时，飞轮可以用来减少曲轴运转过程的速度波动，使运转更加平稳。

所述鼓形齿式联轴器可以消除因联轴器前后两轴的不同轴度而带来的曲轴的内力。

所述离合器的作用为在需要关闭发电机时将发电机与曲轴断开连接，起到控制发电机开关的作用。

该设备包括菲涅尔镜1、斯特林机(热气缸2、冷气缸3、散热片4、热气缸活塞5、冷气缸活塞6、回热器7、热气缸连杆8、冷气缸连杆9、套筒12、曲轴13)、离合器10、发电机11、飞轮14、轴肩15、对顶螺母16、鼓形齿式联轴器17。

斯特林机由热气缸2、冷气缸3、散热片4、热气缸活塞5、冷气缸活塞6、回热器7、热气缸连杆8、冷气缸连杆9组成，作用是利用太阳能输出轴功率。菲涅尔镜1连接在热气缸2的下部，反光聚焦为热气缸2提供热能。热气缸连杆8、冷气缸连杆9经套筒16把动能传递给曲轴13，再由曲轴13经鼓形齿式联轴器17及离合器10将轴功率传递给发电机11。

循环过程：

定温压缩：承接自定容冷却中的热气缸运动，循环开始，冷气缸连杆9推动冷活塞6向上移动，热活塞5不动，冷气缸3中氨气被压缩，向气缸外放出热量，气体温度不变。

定容加热：冷气缸连杆9继续推动冷活塞6上移，在氨气压力与热气缸连杆8控制下热活塞5向下移动，冷气缸3中的气体通过回热器7进入热气缸2，氨气通过回热器7时温度升高压力升高。

定温膨胀：高温氨气膨胀推动热活塞5向下移动，对外做功，加热源使热气缸2中气体在膨胀做功时温度不变，减缓气压下降，热活塞5移动到下死点。

定容冷却：热气缸连杆8控制热活塞5向上移动，冷活塞6向下移动，氨气通过回热器7时对其放热，温度降低，压力下降，等冷热活塞移动到各自端头整个循环完成。

飞轮14固定在曲轴13的左端，紧靠轴肩15，飞轮14左端用两个对顶螺母16拧紧固定。

本发明可以与各种类型的储电装置配合使用，储存电力，再此不再赘述储电装置的选用；热气缸涂层材料和冷气缸涂层材料不同，市场上满足条件的涂层材料种类繁多，此处代表性地各给出一种可选用的材料，热气缸表面材料：高硼硅3.3玻璃；冷气缸表面材料：A25白陶瓷。

Claims (8)

1.一种基于斯特林循环的太阳能发电机，包括太阳能发电系统，其特征在于，还包括菲涅尔镜(1)、连接组件和发电机(11)；太阳能发电系统与连接组件连接并将所做的功最终传递给发电机(11)；所述菲涅尔镜用于聚集热气为太阳能发电系统提供热能；所述连接组件包括离合器(10)和鼓形齿式联轴器(17)，离合器(10)一端与鼓形齿式联轴器(17)的一端连接，离合器(10)另一端与发电机(11)连接，鼓形齿式联轴器(17)另一端与连接组件连接；菲涅尔镜(1)产生的热能带动太阳能发电系统工作，太阳能发电系统做的功经鼓形齿式联轴器(17)及超越离合器(10)将功传递给发电机(11)，实现太阳能发电。

2.如权利要求1所述的一种基于斯特林循环的太阳能发电机，其特征在于，所述太阳能发电系统为斯特林机，包括热气缸(2)、冷气缸(3)、散热片(4)、热气缸活塞(5)、冷气缸活塞(6)、回热器(7)、热气缸连杆(8)、冷气缸连杆(9)、两个套筒(12)和曲轴(13)；两个气缸之间通过回热器(7)相互贯通连接；热气缸(2)内设有热气缸活塞(5)，冷气缸(3)内设有冷气缸活塞(6)；套筒(12)套在曲轴(13)凸起处，两个活塞与套筒(12)之间分别通过连杆进行连接，且连杆两端与活塞和套筒(12)铰接；曲轴(13)靠近冷气缸(3)的一端与鼓形齿式联轴器(17)连接；冷气缸(3)顶部包裹有散热片(4)；活塞上下运动，由于采取铰接，使得连杆在上下运动时能够偏离活塞轴线进行运动，从而带动曲轴(13)轴向转动进行做功，斯特林机中热循环的工质为氨气。

3.如权利要求2所述的一种基于斯特林循环的太阳能发电机，其特征在于，所述套筒(12)采用两个轴瓦拼接而成，材质为黄铜，其在曲轴(13)上能够进行轴向转动。

4.如权利要求2所述的一种基于斯特林循环的太阳能发电机，其特征在于，斯特林机中的热气缸和冷气缸之间通过螺旋管束回热器连接；所述螺旋管束回热器为内部带有若干螺旋管束的圆管，螺旋管内的气体在运动过程中改变方向，引起二次环流，进行强化换热。

5.如权利要求2所述的一种基于斯特林循环的太阳能发电机，其特征在于，所述热气缸(2)外覆盖一层吸收比高于0.9、发射比低于0.1的选择性吸收涂层，最大限度的吸收太阳能；所述冷气缸(3)外覆盖一层吸收比低于0.1、发射比高于0.9的选择性吸收涂层，尽可能提高冷气缸的散热效率；所述散热片(4)外覆盖一层与冷气缸外涂层材料一样的吸收比低于0.1、发射比高于0.9的选择性吸收涂层。

6.如权利要求1所述的一种基于斯特林循环的太阳能发电机，其特征在于，所述连接组件未与鼓形齿式联轴器(17)连接的另一端还连接有飞轮(14)，飞轮具有较大的质量，可以储存释放角动能使得斯特林机运转更加平稳。

7.如权利要求1所述的一种基于斯特林循环的太阳能发电机，其特征在于，所述鼓形齿式联轴器(17)用于消除因联轴器前后两轴运转不同步而带来的曲轴内力。

8.如权利要求1所述的一种基于斯特林循环的太阳能发电机，其特征在于，所述菲涅尔镜(1)为一个由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，透镜外侧为一系列同心不锈钢片。