CN213838814U - 一种基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，包括太阳能集热器、变相蓄热装置、斯特林发电机、纳米流体管路、储液装置、工质泵、热水换热管道和真空集热管；所述太阳能集热器内部设有真空集热管；所述真空集热管出口通过三通阀门与变相蓄热装置进口连接所述纳米流体管路另一端通过三通阀门与斯特林发电机进口连接，所述三通阀门的另一端与变相蓄热装置出口连接；所述斯特林发电机出口依次连接储液装置、工质泵、热水换热管道、三通阀门和真空集热管进口；所述三通阀门另一端与变相蓄热装置进口连接。本实用新型具备高效热电转换、低噪声运行、长时高可靠工作的能力。
Description
技术领域
本实用新型涉及发电领域，特别涉及一种基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统。
背景技术
能源是人类生存与经济发展的物质基础，随着世界经济持续、高速地发展，能源短缺、环境污染、生态恶化等问题逐渐加深，能源供需矛盾日益突出。其中，最常见和突出的能源问题是能源短缺和环境污染。太阳能作为取之不尽的清洁能源其应用领域日趋扩大，太阳能光伏发电和太阳能光热发电是太阳能应用的主流发展方向。太阳能光热发电利用高精度聚光器将低密度的太阳能汇聚成高密度热能，通过加热工质来驱动发电机，实现光电转化。
在我国广袤的西部地区有大量的牧民，若采用集中供电的方式，会产生以下几个问题：
1)基础设施消耗较高：草原上地广人稀，用集中式供电需要建设大量的电站，铺设较长输电线，消耗巨大的时间、金钱成本；
2)线路损耗较大：较长的输电线铺设导致电量输送过程中的电能损失，供电范围较大，电压质量下降；
3)用电安全：草原环境恶劣，设备的使用寿命大大缩短，在正常使用中可能会产生危险。
由于草原上电网难以完全覆盖，很多牧民的用电采用自备柴油发电机，但是柴油发电机具有发电效率低、环境污染严重的缺点，尤其是在草原等较为脆弱的生态系统中。难以达到“环境友好”和“低碳”的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，太阳能集热器有追光功能，能自动跟踪太阳位置进行360旋转，在无人为干预时获取最好的光热转化效率，位于中间的相变蓄热装置能够在光照充足时储存多余的太阳能并在光照强度不足时对流体工质进行及时补热，位于最下方的自由活塞斯特林发电机接受纳米流体带来的热量进行运作，并利用自然风冷进行散热，另外设有补热接口和热水加热接口。
本实用新型是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，包括太阳能集热器、相变蓄热装置、斯特林发电机、纳米流体管路、储液装置、工质泵、热水换热管道和真空集热管；
所述太阳能集热器内部设有真空集热管，用于利用太阳能加热真空集热管内填充的纳米流体；所述真空集热管出口通过第一三通阀门与相变蓄热装置进口连接，所述第一三通阀门的另一端与纳米流体管路一端连接，所述纳米流体管路另一端通过第二三通阀门与斯特林发电机进口连接，所述第二三通阀门的另一端与相变蓄热装置出口连接；所述斯特林发电机出口依次连接储液装置、工质泵、热水换热管道、第三三通阀门和真空集热管进口；所述第三三通阀门另一端与相变蓄热装置进口连接。
进一步，还包括控制器，所述控制器控制第一三通阀门用于使真空集热管出口与相变蓄热装置进口连通或真空集热管出口与纳米流体管路连通；所述控制器控制第二三通阀门用于使相变蓄热装置出口与斯特林发电机进口连通或纳米流体管路与斯特林发电机进口连通；所述控制器控制第三三通阀门用于使热水换热管道与真空集热管进口连通或热水换热管道与相变蓄热装置进口连通。
进一步，所述纳米流体为Al2O3纳米流体。
进一步，还包括感光装置和旋转装置，所述太阳能集热器底部安装旋转装置，所述感光装置位于太阳能集热器上部，用于感知光照强度；所述控制器根据感光装置控制旋转装置旋转角度。
进一步，所述太阳能集热器包括太阳能副集热器和太阳能主集热器，所述太阳能主集热器两侧通过可收缩的副集热器支撑装置连接太阳能副集热器，所述控制器控制可收缩的副集热器支撑装置使太阳能副集热器撑开或收起。
进一步，还包括套管补热装置，所述套管补热装置通过外部热能补充加热纳米流体管路内的纳米流体。
本实用新型的有益效果在于：
1.本实用新型所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，为了适应西部地区的昼夜温差和装置的一体化便携特点，与一般纳米流体传热工质相比，本实用新型采用的Al2O3纳米流体具有良好的抗冻能力，在一定颗粒质量分数范围内，表现出太阳光谱强吸收的特性，使光热转化得到强化。同时也显著增加了液体的导热系数，强化流体的对流传热，减少了装置中使用的工质质量，进一步降低成本和装置重量。
2.本实用新型所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，控制太阳能集热器实现追光功能，控制太阳能集热器360旋转和倾角的调节，使太阳能集热器在一天中无需人为干预而自动调节达到光热转化率最高点，使太阳能集热器具有较高的光热转化率，两侧能升降的副集热器为该套装置提供更多的太阳能辐射热。
3.本实用新型所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，采用堇青石基陶瓷-合金PCM复合储热材料作为相变蓄热装置，其稳定性好，无毒、无腐蚀、不易燃易爆，热导率大，储存和释放能量能够随时进行，热量变化产生的材料体积效应要小；材料成本低。储能密度大，减小整体装置的尺寸。
4.本实用新型所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，装置的一体化设置可以减小整体占地面积，且可以根据需求将数个这样的发电单元串联使用。当牧民需要搬迁时，其主要部件作为整体无需拆卸而可整体移动。
5.本实用新型所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，减少化石燃料的使用降低污染，该套装置具有较高的可靠性，其各部件使用寿面长，减少定期维修保养的费用。
6.本实用新型所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，也可外接生物质燃烧的套管补热装置，用于光照强度不够或应急状态下补充加热纳米流体管路内的纳米流体。
7.本实用新型所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，提供热水管道换热，可以外接水箱，保障牧民的热水使用需求。
附图说明
图1为本实用新型所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统图。
图中：
1-太阳能副集热器；2-太阳能主集热器；3-第一三通阀门；4-纳米流体管路；5-相变蓄热装置；6-套管补热装置；7-第二三通阀门；8-斯特林发电机；9-旋转装置；10-储液装置；11-工质泵；12-控制器；13-热水换热管道；14-可收缩的副集热器支撑装置；15-第三三通阀门；16-感光装置；17-伸缩软管；18-真空集热管；A-加热段进口；B-加热段出口；C-蓄热装置进口；D-蓄热装置出口；E-热端进口；F-热端出口；G-补热进口；H-补热出口；I-水箱进口；J-水箱出口。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。
如图1所示，本实用新型所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，包括太阳能集热器、控制器12、感光装置16、旋转装置9、相变蓄热装置5、斯特林发电机8、纳米流体管路4、储液装置10、工质泵11、热水换热管道13和真空集热管18；
所述太阳能集热器内部设有真空集热管18，用于利用太阳能加热真空集热管18内填充的纳米流体；所述纳米流体为Al2O3纳米流体。所述真空集热管18出口通过第一三通阀门3与相变蓄热装置5进口连接，所述第一三通阀门3的另一端与纳米流体管路4一端连接，所述纳米流体管路4另一端通过第二三通阀门7与斯特林发电机8进口连接，所述第二三通阀门7的另一端与相变蓄热装置5出口连接；所述斯特林发电机8出口依次连接储液装置10、工质泵11、热水换热管道13、第三三通阀门15和真空集热管18进口；所述第三三通阀门15另一端与相变蓄热装置5进口连接。所述太阳能集热器底部安装旋转装置9，所述感光装置16位于太阳能集热器上部，用于感知光照强度；所述控制器12根据感光装置16控制旋转装置9旋转角度。所述太阳能集热器包括太阳能副集热器1和太阳能主集热器2，所述太阳能主集热器2两侧通过可收缩的副集热器支撑装置14连接太阳能副集热器1，所述控制器12控制可收缩的副集热器支撑装置14使太阳能副集热器1撑开或收起。
所述控制器12控制第一三通阀门3用于使真空集热管18出口与相变蓄热装置5进口连通或真空集热管18出口与纳米流体管路4连通；所述控制器12控制第二三通阀门7用于使相变蓄热装置5出口与斯特林发电机8进口连通或纳米流体管路4与斯特林发电机8进口连通；所述控制器12控制第三三通阀门15用于使热水换热管道13与真空集热管18进口连通或热水换热管道13与相变蓄热装置5进口连通。
自由活塞斯特林发电8采用全密封结构，避免了运动型斯特林发电系统高压差引起的密封困难；系统中仅有两个运动部件，无驱动机构，结构简单、成本低；仅存在往复直线运动，无活塞侧向力，因此可采用间隙密封而无需润滑，提高了系统可靠性和寿命；往复直线运动产生的惯性力易于平衡，从而可进一步降低系统振动和噪声。
工作过程
清晨，该系统开始工作，首先原本位于系统两侧的太阳能副集热器1升起，即由原来的竖直状态变为水平状态，需要特别注意的是，太阳能副集热器1和太阳能主集热器2中间的连接管路17为柔性材料，可以保证在收起和放下的状态不影响整个管路结构且具有一定的伸缩性，不破坏管路连接状态，光照强度较弱，太阳能集热器吸收太阳能加热真空集热管18，真空集热管18中的纳米流体被加热，通过纳米流体管路4直接与自由活塞斯特林发电机8的热端换热，此时热端温度不是很高，但是环境原因导致冷端温度较低，热效率不会太低，换热结束后的纳米流体进入储液装置10通过工质泵11的作用进行下一轮吸热，该阶段纳米流体的流动路径为：加热段进口A→加热段出口B→第一三通阀门3→纳米流体管路4→第二三通阀门7→热端进口E→热端出口F→储液装置10→工质泵11→第三三通阀门15→加热段进口A；
中午时段，此时太阳光照强烈，纳米流体的热量不能被发电机8的热端完全吸收，所以将纳米流体的管路通过第一三通阀门3接向蓄热装置5，将一部分热量储存在蓄热装置5中降低热量的浪费，经过蓄热装置5的纳米流体通过第二三通阀门7流出再与发电机8的热端换热；换热结束后的纳米流体进入储液装置10通过工质泵11的作用进行下一轮吸热，该阶段纳米流体的流动路径为：加热段进口A→加热段出口B→第一三通阀门3→蓄热装置进口C→蓄热装置出口D→第二三通阀门7→热端进口E→热端出口F→储液装置10→工质泵11→第三三通阀门15→加热段进口A；
下午，光照正常，工作状态与清晨相似，该阶段纳米流体的流动路径为：加热段进口A→加热段出口B→第一三通阀门3→纳米流体管路4→第二三通阀门7→热端进口E→热端出口F→储液装置10→工质泵11→第三三通阀门15→加热段进口A；
傍晚，太阳能减少，工作状态与中午工作状态类似，不过此时并不是向蓄热装置5储存热量，而是从蓄热装置5提取热量用于发电，该阶段纳米流体的流动路径为：加热段进口A→加热段出口B→第一三通阀门3→蓄热装置进口C→蓄热装置出口D→第二三通阀门7→热端进口E→热端出口F→储液装置10→工质泵11→第三三通阀门15→加热段进口A；
太阳落山后，可收缩的副集热器支撑装置14工作收回副集热器1，此时的纳米流体不经过太阳能集热器，此时第一三通阀A使纳米流体经过蓄热装置5，从蓄热装置5吸收热量通过第二三通阀门7再与发电机8热端换热，换热结束进入储液装置11，通过工质泵11经三通阀门C进入蓄热装置5吸热，该阶段纳米流体的流动路径为：蓄热装置进口C→蓄热装置出口D→第二三通阀门7→热端进口E→热端出口F→储液装置10→工质泵11→第三三通阀门15→蓄热装置进口C；
当蓄热装置提供热量不足以供给发电机克服阻力发电式，该套设备停止工作，工质停止流动。发电机的冷端采用风冷冷却。
系统中可收缩的副集热器支撑装置14、控制器12、旋转装置9和工质泵11能量均有系统本身供给。工质泵11用于驱动纳米流体工质在管路中循环。配有的储液器10用于调节当时管路中的纳米流体由于膨胀或者工作条件改变时导致的体积流量等变化，使整套系统更安全稳定，控制器根据当前运行状态，自动选择最优运行策略，控制阀门间的配合，使装置达到最高的工作效率。
另外对于该系统，在与蓄热装置并联的管路中，设置了套管补热装置6，可以配有外接口用于连接补燃装置，例如小型生物质锅炉等，所述套管补热装置6通过外部热能补充加热纳米流体管路4内的纳米流体。
该蓄热装置蓄热良好，热流密度大，虽然夜晚等情况下不能继续驱动该系统进行发电，但是存储的热量也是十分可观的，可以在次日继续使用，使蓄热装置次日吸收的热量更多的用于发电而不是升温至可发电的阈值温度，使系统快速进入正常工作状态。
设置了热水换热管道13，在此处内部为做功后的纳米流体，外部为牧民接入的换热水管，利用较热的纳米流体与水换热，用于生产热水供牧民使用。
所述实施例为本实用新型的优选的实施方式，但本实用新型并不限于上述实施方式，在不背离本实用新型的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，其特征在于，包括太阳能集热器、相变蓄热装置(5)、斯特林发电机(8)、纳米流体管路(4)、储液装置(10)、工质泵(11)、热水换热管道(13)和真空集热管(18)；
所述太阳能集热器内部设有真空集热管(18)，用于利用太阳能加热真空集热管(18)内填充的纳米流体；所述真空集热管(18)出口通过第一三通阀门(3)与相变蓄热装置(5)进口连接，所述第一三通阀门(3)的另一端与纳米流体管路(4)一端连接，所述纳米流体管路(4)另一端通过第二三通阀门(7)与斯特林发电机(8)进口连接，所述第二三通阀门(7)的另一端与相变蓄热装置(5)出口连接；所述斯特林发电机(8)出口依次连接储液装置(10)、工质泵(11)、热水换热管道(13)、第三三通阀门(15)和真空集热管(18)进口；所述第三三通阀门(15)另一端与相变蓄热装置(5)进口连接。
2.根据权利要求1所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，其特征在于，还包括控制器(12)，所述控制器(12)控制第一三通阀门(3)用于使真空集热管(18)出口与相变蓄热装置(5)进口连通或真空集热管(18)出口与纳米流体管路(4)连通；所述控制器(12)控制第二三通阀门(7)用于使相变蓄热装置(5)出口与斯特林发电机(8)进口连通或纳米流体管路(4)与斯特林发电机(8)进口连通；所述控制器(12)控制第三三通阀门(15)用于使热水换热管道(13)与真空集热管(18)进口连通或热水换热管道(13)与相变蓄热装置(5)进口连通。
3.根据权利要求1所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，其特征在于，所述纳米流体为Al2O3纳米流体。
4.根据权利要求2所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，其特征在于，还包括感光装置(16)和旋转装置(9)，所述太阳能集热器底部安装旋转装置(9)，所述感光装置(16)位于太阳能集热器上部，用于感知光照强度；所述控制器(12)根据感光装置(16)控制旋转装置(9)旋转角度。
5.根据权利要求2所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，其特征在于，所述太阳能集热器包括太阳能副集热器(1)和太阳能主集热器(2)，所述太阳能主集热器(2)两侧通过可收缩的副集热器支撑装置(14)连接太阳能副集热器(1)，所述控制器(12)控制可收缩的副集热器支撑装置(14)使太阳能副集热器(1)撑开或收起。
6.根据权利要求2所述的基于自由活塞斯特林发电机的一体化发电系统，其特征在于，还包括套管补热装置(6)，所述套管补热装置(6)通过外部热能补充加热纳米流体管路(4)内的纳米流体。
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