RO133284B1 - Solar concentrator with multiple focal points and stirling motor - Google Patents

Solar concentrator with multiple focal points and stirling motor Download PDF

Info

Publication number
RO133284B1
RO133284B1 ROA201800849A RO201800849A RO133284B1 RO 133284 B1 RO133284 B1 RO 133284B1 RO A201800849 A ROA201800849 A RO A201800849A RO 201800849 A RO201800849 A RO 201800849A RO 133284 B1 RO133284 B1 RO 133284B1
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
solar
thermal
stirling engine
energy
agent
Prior art date
Application number
ROA201800849A
Other languages
Romanian (ro)
Other versions
RO133284A0 (en
Inventor
Adrian Bot
Vasile Rednic
Emil Bruj
Gheorghe Sergiu Pogăcian
Ştefan Gergely
Ionel-Radu Pop
Robert Gutt
Original Assignee
Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Tehnologii Izotopice Şi Moleculare
Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Tehnologii Izotopiceşi Moleculare
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Tehnologii Izotopice Şi Moleculare, Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Tehnologii Izotopiceşi Moleculare filed Critical Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Tehnologii Izotopice Şi Moleculare
Priority to ROA201800849A priority Critical patent/RO133284B1/en
Publication of RO133284A0 publication Critical patent/RO133284A0/en
Publication of RO133284B1 publication Critical patent/RO133284B1/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03GSPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G6/00Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/06Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
    • F03G6/068Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having other power cycles, e.g. Stirling or transcritical, supercritical cycles; combined with other power sources, e.g. wind, gas or nuclear
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02GHOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/0435Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines the engine being of the free piston type
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44Heat exchange systems
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)

Description

Prezenta invenție se referă la un ansamblu hibrid de cogenerare energie electrică și termică din surse mixte, format dintr-un sistem de concentratoare solare cu focare multiple, elemente de recepție și transfer al energiei termice către un motor Stirling cuplat cu un generator electric, utilizat în ferme solare.The present invention refers to a hybrid assembly of cogeneration of electric and thermal energy from mixed sources, consisting of a system of solar concentrators with multiple foci, elements for receiving and transferring thermal energy to a Stirling engine coupled with an electric generator, used in solar farms.

Deoarece sursele mixte de energie folosite includ pe lângă energia solară, biogaz sau gaz natural, domeniul tehnic de aplicare al invenției poate fi asigurarea energiei electrice și termice cu precădere în fermele producătoare de biogaz dar și în locuințe, IMM-uri, etc.Since the mixed energy sources used include, in addition to solar energy, biogas or natural gas, the technical field of application of the invention can be the provision of electrical and thermal energy mainly in biogas producing farms but also in homes, SMEs, etc.

Găsirea celor mai bune concentratoare solare în vederea folosirii energiei solare concentrate în diverse aplicații reprezintă un domeniu îndelung studiat. Una dintre aplicații o reprezintă sistemele concentrator solar-motor Stirling. Majoritatea lor folosesc oglinzi parabolice pentru concentrarea radiației solare, având în focar un motor Stirling [1-4]. Există sisteme ce folosesc o lentilă Fresnel de dimensiuni foarte mari [5] sau mai multe lentile Fresnel mici [6] care nu au motorul Stirling plasat în focar, iar transmiterea energiei solare concentrate către motorul Stirling se face prin fibră optică. De asemenea există sisteme care folosesc, pe lângă concentratorul solar, reflectoare optice pentru a redirecționa lumina solară concentrată [3, 7, 8].Finding the best solar concentrators to use concentrated solar energy in various applications is a long-studied field. One of the applications is solar concentrator-Stirling engine systems. Most of them use parabolic mirrors to concentrate the solar radiation, having a Stirling engine in the focus [1-4]. There are systems that use a very large Fresnel lens [5] or several small Fresnel lenses [6] that do not have the Stirling engine placed in the focus, and the transmission of concentrated solar energy to the Stirling engine is done through optical fiber. There are also systems that use, in addition to the solar concentrator, optical reflectors to redirect concentrated sunlight [3, 7, 8].

Marele dezavantaj al acestor surse de energie alternativă îl reprezintă faptul că ele nu sunt permanente. A apărut astfel ideea sistemelor hibride care folosesc o sursă auxiliară de energie cu rol de a compensa momentele în care sursa primară de energie dispare sau este redusă ca intensitate.The big disadvantage of these alternative energy sources is that they are not permanent. The idea of hybrid systems that use an auxiliary energy source with the role of compensating for the moments when the primary energy source disappears or is reduced in intensity, thus appeared.

Majoritatea sistemelor concentrator solar-motor Stirling, folosesc oglinzi parabolice de mari dimensiuni pentru concentrarea radiației solare. Realizarea acestor oglinzi de dimensiuni mari nu este o problemă neglijabilă, iar prețurile de producție sunt ridicate. Chiar și în cazul realizării modulare a acestora, o defecțiune intervenită la una dintre componente face imposibilă înlocuirea doar a componentei respective. Mai mult decât atât ele prezintă dezavantaje prin umbrirea adusă de poziționarea motorului Stirling și prin lungimea brațului de susținere al acestuia care îndepărtează centrul de greutate al sistemului fată de axul central. Folosirea unui reflector secundar în focarul receptorului principal [3] pentru a putea plasa motorul Stirling la baza receptorului principal (oglinda parabolică) înlătură acest inconvenient dar nu rezolvă problema umbririi și a costurilor mari datorită folosirii oglinzilor parabolice de dimensiuni mari.Most solar concentrator-Stirling engine systems use large parabolic mirrors to concentrate solar radiation. Making these large mirrors is not a negligible problem and the production prices are high. Even in the case of their modular construction, a failure in one of the components makes it impossible to replace only that component. Moreover, they present disadvantages due to the shading brought about by the positioning of the Stirling engine and by the length of its support arm which moves the center of gravity of the system away from the central axis. Using a secondary reflector in the focus of the main receiver [3] to be able to place the Stirling engine at the base of the main receiver (parabolic mirror) removes this inconvenience but does not solve the problem of shadowing and high costs due to the use of large parabolic mirrors.

Din brevetul US 6775982 B1 se cunoaște o instalație solară montată pe un dispozitiv de urmărire automatizat pentru maximizarea expunerii la soare, ce cuprinde un număr de colectoare solare cu lentilă Fresnel, în legătură termică cu un motor Stirling ce are montat pe axul de ieșire un generator electric pentru a produce curent electric și prin răcirea acestuia, apă caldă menajeră. Colectorul solar cuprinde lentilele Fresnel plate, aliniate orizontal și vertical într-o rețea, unde fiecare lentilă Fresnel concentrează radiația solară pe suprafață receptoare formată din capete de fibre optice care conduc radiația spre un schimbător de căldură unde, ca fluid de lucru este utilizat hidrogenul sau heliul, sau aerul cu care se încălzește porțiunea caldă a motorului Stirling, răcirea fiind făcută cu apă H2O, iar apa fierbinte rezultată, este cogenerată.US patent 6775982 B1 discloses a solar installation mounted on an automated tracking device for maximizing sun exposure, comprising a number of solar collectors with a Fresnel lens, in thermal connection with a Stirling engine having a generator mounted on the output shaft electric to produce electric current and by cooling it, domestic hot water. The solar collector includes flat Fresnel lenses, aligned horizontally and vertically in a grid, where each Fresnel lens concentrates solar radiation on a receiving surface formed by optical fiber ends that lead the radiation to a heat exchanger where, as a working fluid, hydrogen or the helium, or air with which the hot part of the Stirling engine is heated, the cooling being done with H2O water, and the resulting hot water is co-generated.

Din brevetul US 20080078435 A1 se cunoaște o instalație mecanică de cogenerare termoelectrică din energie solară, montată pe un dispozitiv de urmărire cu fotocelule, automatizat, pentru maximizarea expunerii la soare și cuprinde un număr de colectoare solare cu lentilă Fresnel, unde fiecare lentilă Fresnel concentrează radiația solară și o trimite prin fibre optice la un schimbător de căldură unde încălzește gazele ce urmează să ardă împreună cu hidrogenul, și totodată partea caldă a motorului Stirling (fig. 4), partea rece fiind în aerul ambiental. Motorul Stirling antrenează un generator electric care debitează curentul într-o instalație automată de stocare și distribuție, care funcție de necesități dirijează energia 1 electrică spre stocare sau consum casnic, sau printr-o instalație de electroliză a apei pentru producere hidrogen. Hidrogenul, printr-o pompă poate fi stocat într-un rezervor, sau ars în 3 camera de ardere în imediata apropiere a schimbătorului de căldură, sau printr-o pilă de combustie să fie transformat în curent electric și stocat în baterii. Ca fluid de lucru este 5 utilizat hidrogenul, iar în cazul scăderii rezervei, arzătorul poate fi opțional alimentat și cu gaz metan, astfel încât cogenerarea energiei electrice și a apei calde menajere să se facă 7 continuu, fără influență de umbrire sau de lipsa soarelui.US 20080078435 A1 discloses a mechanical solar thermoelectric cogeneration plant mounted on an automated photocell tracker to maximize sun exposure and comprising a number of Fresnel lens solar collectors where each Fresnel lens focuses radiation solar and sends it through optical fibers to a heat exchanger where it heats the gases to be burned together with the hydrogen, and at the same time the hot part of the Stirling engine (fig. 4), the cold part being in the ambient air. The Stirling engine drives an electrical generator that feeds current into an automatic storage and distribution facility, which depending on needs directs the electrical energy 1 to storage or domestic consumption, or through a water electrolysis facility to produce hydrogen. The hydrogen, through a pump, can be stored in a tank, or burned in the 3 combustion chamber in close proximity to the heat exchanger, or through a fuel cell to be converted into electricity and stored in batteries. Hydrogen is used as the working fluid, and if the reserve is low, the burner can optionally be fed with methane gas, so that the cogeneration of electricity and domestic hot water is done continuously, without the influence of shading or the lack of sunlight.

Concentratorul solar cu focare multiple și motor Stirling, conform invenției, rezolvă 9 problema tehnică de permanetizare a utilizării instalației solare cu același randament, chiar și în perioada umbririi sau a cerului acoperit. 11The solar concentrator with multiple foci and Stirling engine, according to the invention, solves the technical problem of maintaining the use of the solar installation with the same efficiency, even during the period of shading or overcast skies. 11

Invenția de față înlătură dezavantajele prezentate și rezolvă problema tehnică propusă, prin aceea că este alcătuit dintr-un suport de urmărire solară pe care sunt montate 13 frontal și orientate spre soare un număr de concentratoarele solare, fiecare concentrator având poziționat în focar printr-un sistem câte un receptor termic cu rol de preluare a 15 energiei solare concentrate și de a o transfera agentului termic gazos, care este aer provenit de la un compresor, aer ce apoi trece printr-un amestecător de gaze unde este îmbogățit cu 17 oxigen provenit de la un electrolizor printr-un furtun flexibil, amestecătorul fiind prevăzut cu un regulator de debit al agentul termic gazos, care este apoi preîncălzit într-un recuperator 19 de căldură din gaze arse, situat deasupra unei camere de ardere a motorului Stirling, montat în spatele concentratoarelor solare pe același suport de urmărire solară, apoi agentul termic 21 încălzit intră printr-un racord flexibil într-un sistem de țevi izolate și ramificate, unde este distribuit spre receptoarele termice și în final ajunge în camera de ardere a motorului Stirling, 23 ce este cuplat mecanic cu un generator electric ce alimentează un invertor reversibil AC/DC care furnizează energia utilă consumatorului, iar surplusul de energie este stocat într-un grup 25 de acumulatori, sau folosit de un electrolizor destinat producerii de oxigen și hidrogen, care alimentează amestecătorul de gaze, respectiv hidrogenul, folosit pentru îmbogățirea gazului 27 de ardere, ce intră printr-un furtun elastic într-un sistem de amestec și apoi în camera de ardere a motorului Stirling. 29The present invention removes the presented disadvantages and solves the proposed technical problem, in that it consists of a solar tracking support on which a number of solar concentrators are mounted frontally and facing the sun, each concentrator having been positioned in the focus by a system each a thermal receiver with the role of taking 15 concentrated solar energy and transferring it to the gaseous thermal agent, which is air from a compressor, air that then passes through a gas mixer where it is enriched with 17 oxygen from a electrolyser through a flexible hose, the mixer being provided with a flow regulator of the gaseous heating agent, which is then preheated in a flue gas heat recuperator 19, located above a Stirling engine combustion chamber, mounted behind the solar concentrators on the same solar tracking support, then the heated thermal agent 21 enters through a flexible connection into a system of insulated and branched pipes, where it is distributed to the thermal receivers and finally reaches the combustion chamber of the Stirling engine, 23 which is coupled mechanical with an electric generator that feeds a reversible AC/DC inverter that supplies the useful energy to the consumer, and the surplus energy is stored in a group of 25 accumulators, or used by an electrolyser for the production of oxygen and hydrogen, which feeds the gas mixer , respectively hydrogen, used to enrich the combustion gas 27, which enters through an elastic hose into a mixing system and then into the combustion chamber of the Stirling engine. 29

Concentratorul solar prezintă pe un cadru unde sunt grupate matricial n*k concentratoare solare, pe “n” rânduri și “k” coloane, rezultând un sistem cu “n*k” focare 31 multiple, de la care energia solară concentrată este preluată de agentul termic gazos prin intermediul a “n*k” receptoare termice care sunt interconectate în paralel printr-un sistem de 33 distribuție format din țevi izolate și ramificate, sistem de distribuție cuplat la capătul de ieșire cu camera de ardere a motorului Stirling. 35The solar concentrator presents on a frame where n*k solar concentrators are grouped in a matrix, on "n" rows and "k" columns, resulting in a system with "n*k" multiple foci 31, from which the concentrated solar energy is taken over by the agent gaseous thermal by means of "n*k" thermal receivers that are interconnected in parallel through a 33 distribution system formed by insulated and branched pipes, distribution system coupled at the output end with the combustion chamber of the Stirling engine. 35

Fiecare receptor dispune, la intrare și la ieșire spre sistemul de distribuție, de niște valve de izolare a debitului de agent termic, valve ce pot fi acționate independent, iar energia 37 termică rezultată prin conversia energiei solare concentrate, este înmagazinată în agentul termic gazos și transferată prin conductele izolate termic, sub o presiune asigurată de un 39 compresor, în camera de ardere a motorului Stirling, unde agentul este folosit ca și oxidant în procesul de combustie. 41Each receiver has, at the entrance and exit to the distribution system, valves to isolate the flow of thermal agent, valves that can be operated independently, and the thermal energy 37 resulting from the conversion of concentrated solar energy is stored in the gaseous thermal agent and transferred through thermally insulated pipes, under a pressure provided by a compressor, in the combustion chamber of the Stirling engine, where the agent is used as an oxidizer in the combustion process. 41

Receptorul termic are o structură interioară lamelară, etajată pe trei nivele, iar la exterior este plasat într-o cărămidă refractară protejată de o manta de oțel inox. 43The thermal receptor has an internal lamellar structure, on three levels, and on the outside it is placed in a refractory brick protected by a stainless steel jacket. 43

Comparativ cu stadiul tehnicii, soluția propusă prezintă următoarele avantaje cumulate și integrate în același sistem: 45Compared to the state of the art, the proposed solution presents the following cumulative and integrated advantages in the same system: 45

- folosește un sistem de concentratoare 2 solare cu focare multiple înlăturând concentratorul clasic cu oglinzi parabolice [1-4] sau lentilă Fresnel [5] de dimensiuni și distanță 47 focală, mari;- uses a system of 2 solar concentrators with multiple foci, removing the classical concentrator with parabolic mirrors [1-4] or Fresnel lens [5] of large dimensions and focal length 47;

- datorită sistemului hibrid (surse mixte) poate funcționa și la iradiantă scăzută (cer noros) sau noaptea;- thanks to the hybrid system (mixed sources) it can also work at low irradiance (cloudy sky) or at night;

- folosește surplusul de energie electrică în procesul de electroliză a apei obținând astfel oxigenul și hidrogenul folosiți pentru îmbogățirea aerului și respectiv a combustibilului gazos;- uses surplus electricity in the water electrolysis process, thus obtaining oxygen and hydrogen used to enrich air and gaseous fuel, respectively;

- produce atât energie electrică cât și termică;- produces both electrical and thermal energy;

- receptoarele 41 termice din focarul concentratoarelor dispun de valve de izolare care, în cazul unei eventuale defecțiuni, permit izolarea traseului în cauză nefiind necesară oprirea întregului ansamblu.- the thermal receivers 41 in the focus of the concentrators have isolation valves which, in case of a possible failure, allow the isolation of the route in question without the need to stop the entire assembly.

Invenția va fi prezentată în continuare în legătură și cu fig. 1-5 care reprezintă :The invention will be further presented in connection with fig. 1-5 which represent:

- fig. 1a, schema de principiu a ansamblului concentratorului solar cu focare multiple și motor Stirling;- fig. 1a, schematic diagram of the solar concentrator assembly with multiple foci and Stirling engine;

- fig. 1b, detaliu în perspectivă a concentratorul solar din fig.1a.- fig. 1b, perspective detail of the solar concentrator from fig.1a.

- fig. 2, vedere din față a concentratorului solar cu “n” rânduri și “k” coloane de lentile Fresnel;- fig. 2, front view of solar concentrator with “n” rows and “k” columns of Fresnel lenses;

- fig. 3, o secțiune în perspectivă prin sistemul receptor termic din focarul concentratorului solar;- fig. 3, a perspective section through the thermal receiver system in the solar concentrator focus;

- fig. 4, schema bloc a procesului energetic;- fig. 4, block diagram of the energy process;

- fig. 5a, fotografie a unui exemplu de realizare cu douăsprezece concentratoare solare și un motor Stirling cu un generator electric de 3 kW.- fig. 5a, photograph of an embodiment with twelve solar concentrators and a Stirling engine with a 3 kW electric generator.

- fig. 5b, vedere din spate, în perspectivă a concentratorul solar.- fig. 5b, rear view, in perspective of the solar concentrator.

Concentratorul solar cu focare multiple și motor Stirling este un ansamblu hibrid de cogenerare energie electrică și termică din surse mixte, format dintr-un sistem de concentratoare 2 solare, cu focare multiple, fiecare concentrator 2 având poziționat în focar câte un receptor termic 41 cu rol de preluare a energiei solare concentrate 44 și de a o transfera unui agent termic 43 gazos, care la rândul său este transferat prin intermediul unui sistem de distribuire debit 54 către un motor Stirling 31 cuplat cu un generator 33 electric.The solar concentrator with multiple foci and Stirling engine is a hybrid assembly of cogeneration of electricity and thermal energy from mixed sources, consisting of a system of 2 solar concentrators, with multiple foci, each concentrator 2 having a thermal receptor 41 positioned in the foci of taking concentrated solar energy 44 and transferring it to a gaseous thermal agent 43, which in turn is transferred via a flow distribution system 54 to a Stirling engine 31 coupled to an electric generator 33.

Ansamblul este montat pe un ansamblu suport 1 de tip tracking pe două axe, ce permite urmărirea solară pe parcursul întregii zile. Schema de principiu este prezentată în fig. 1. Dimensiunile suportului 1 depind de numărul de concentratoare 2 solare montate și de dimensiunile motorului 31 Stirling instalat. Suportul 1 este compus dintr-un cadru de susținere 11 care permite și mișcarea azimutală a întregului ansamblu, de care este conectat un cadru 12 ce permite mișcarea de elevație și pe care sunt montate un ansamblu motor Stirling 3, concentratoarele 2 solare, un sistem distribuire 54 debit al agentului 43 termic gazos și un suport 13 pe care sunt montate receptoarele 41 termice.The assembly is mounted on a support assembly 1 of tracking type on two axes, which allows solar tracking during the whole day. The principle diagram is presented in fig. 1. The dimensions of the support 1 depend on the number of installed solar concentrators 2 and the dimensions of the Stirling engine 31 installed. The support 1 is composed of a support frame 11 that also allows the azimuthal movement of the whole assembly, to which a frame 12 is connected that allows the elevation movement and on which a Stirling engine assembly 3, the 2 solar concentrators, a distribution system are mounted 54 flow of the gaseous thermal agent 43 and a support 13 on which the thermal receivers 41 are mounted.

Suportul 13 mai include un sistem de reglaj al poziției, pe 3 axe, ce permite poziționarea receptoarelor 41 în focarul concentratoarelor 2 solare.The support 13 also includes a position adjustment system, on 3 axes, which allows the positioning of the receivers 41 in the focus of the solar concentrators 2.

Ansamblul suport 1 include niște motoare și niște reductoare care asigură mișcarea acestuia pe cele două axe, niște cititoare de poziție unghiulară, și un sistem GPS pentru identificarea coordonatelor geografice, data și ora, necesare poziționării.Support assembly 1 includes some motors and some reducers that ensure its movement on the two axes, some angular position readers, and a GPS system for identifying the geographic coordinates, date and time, necessary for positioning.

Energia solară este concentrată cu ajutorul concentratoarelor 2 solare, de tip lentilă Fresnel, pe receptoarele termice 41 care au și rol de schimbătoare de căldură, transferând energia termică, captată din radiația solară concentrată, agentului 43 termic gazos.The solar energy is concentrated with the help of solar concentrators 2, of the Fresnel lens type, on the thermal receivers 41 which also act as heat exchangers, transferring the thermal energy, captured from the concentrated solar radiation, to the gaseous thermal agent 43.

Concentratoarele 2 solare, sunt grupate matricial pe “n” rânduri și “k” coloane, rezultând, cum se poate observa în fig. 2, un sistem cu n*k focare multiple care sunt interconectate 54 paralel și cuplate cu o cameră de ardere 32 a motorului 31 Stirling.The 2 solar concentrators are grouped in a matrix on "n" rows and "k" columns, resulting, as can be seen in fig. 2, a system with n*k multiple burners which are interconnected 54 in parallel and coupled to a combustion chamber 32 of the Stirling engine 31.

Folosirea lentilelor Fresnel identice în locul oglinzilor parabolice aduce o serie de 1 avantaje care au fost descrise mai sus.Using identical Fresnel lenses instead of parabolic mirrors brings a number of advantages that have been described above.

Receptorul 41 termic din focarul concentratorului 2 este conceput și optimizat pentru 3 tipul de lentile prezentate în exemplul de realizare, astfel încât să aibă o eficiență ridicată în captarea și transferul căldurii către agentul 43 termic. Receptorul 41 este plasat într-o 5 cărămidă refractar-izolatoare 42 pentru a minimiza pierderile de energie termică; cărămida fiind acoperită de o manta de oțel inox ce o protejează de condițiile meteorologice. O 7 secțiune prin receptorul 41 este prezentată în fig. 3. Forma receptorului 41 este de tip lamelar etajat. Aerul intră în receptorul 41 în partea inferioară, se încălzește treptat pe traseu 9 și-l părăsește în zona superioară unde are cea mai ridicată temperatură, fiind poziționat în zona de focalizare a concentratorului 2 solar. Înainte de a ajunge în receptorul 41, agentul 11 43 termic este preîncălzit în recuperatorul 34 de căldură, care este un schimbător de căldură cu ajutorul căruia este recuperată o parte din energia termică din gazele arse ale motorului 13 31 Stirling și transferată agentului 43 termic. La ieșirea din recuperator 34, agentul 43 termic este distribuit spre receptoarele 41 termice din focarul concentratoarelor 2 și apoi ajunge în 15 camera de ardere cu ajutorul sistemului de distribuție 54, izolat termic față de mediul înconjurător pentru a minimiza pierderile de energie. 17The thermal receptor 41 in the focus of the concentrator 2 is designed and optimized for the 3 type of lenses shown in the embodiment, so that it has a high efficiency in capturing and transferring heat to the thermal agent 43. The receiver 41 is placed in a refractory-insulating brick 42 to minimize thermal energy losses; the brick being covered by a stainless steel mantle that protects it from weather conditions. A section through receiver 41 is shown in fig. 3. The shape of the receiver 41 is of the layered lamellar type. The air enters the receiver 41 in the lower part, gradually heats up on the path 9 and leaves it in the upper area where it has the highest temperature, being positioned in the focus area of the solar concentrator 2. Before reaching the receiver 41, the thermal agent 11 43 is preheated in the heat recuperator 34, which is a heat exchanger with the help of which part of the thermal energy is recovered from the burnt gases of the Stirling engine 13 31 and transferred to the thermal agent 43. At the exit from the recuperator 34, the thermal agent 43 is distributed to the thermal receivers 41 in the focus of the concentrators 2 and then reaches the combustion chamber 15 with the help of the distribution system 54, thermally isolated from the surrounding environment to minimize energy losses. 17

Sistemul 5 de antrenare, distribuție și control al debitului de agent 43 termic include o sursă de debit 51 de aer, care poate fi un compresor, ventilator, etc., ce antrenează aerul 19 către un sistem amestecător 52 unde aerul este îmbogățit cu oxigen provenit de la un electrolizor 10 printr-un furtun flexibil, formând astfel agentul 43 termic (aer îmbogățit cu 21 oxigen). Amestecătorul 52 este prevăzut cu un regulator de debit. Agentul termic 43 gazos este direcționat către un recuperator 34 de căldură din gaze arse, situat deasupra camerei 23 de ardere 32 a motorului Stirling 31 unde este preîncălzit apoi printr-un racord flexibil intră într-un sistem de distribuție 54 din țevi izolate și ramificate unde este distribuit spre recep- 25 toarele 41 termice de unde preia energia termică provenită din energia solară concentrată 44 și o transferă în camera 32 de ardere la motorul 31 Stirling. 27The system 5 for driving, distributing and controlling the flow of thermal agent 43 includes an air flow source 51, which can be a compressor, fan, etc., which drives the air 19 to a mixing system 52 where the air is enriched with oxygen from from an electrolyser 10 through a flexible hose, thus forming the thermal agent 43 (air enriched with 21 oxygen). The mixer 52 is equipped with a flow regulator. The gaseous thermal agent 43 is directed to a heat recovery unit 34 from burnt gases, located above the combustion chamber 23 32 of the Stirling engine 31 where it is preheated then through a flexible connection it enters a distribution system 54 of insulated and branched pipes where it is distributed to the thermal receivers 41 from where it takes the thermal energy from the concentrated solar energy 44 and transfers it to the combustion chamber 32 of the Stirling engine 31. 27

Sistemul 5 mai dispune de niște valve 53 de izolare a receptoarelor 41 termice. Valvele 53 sunt dispuse atât pe intrarea cât și pe ieșirea fiecărui receptor 41. O schematizare 29 a întregului proces energetic este prezentată în fig. 4.System 5 also has some valves 53 for isolating thermal receivers 41. The valves 53 are arranged both on the input and on the output of each receiver 41. A schematization 29 of the entire energy process is shown in fig. 4.

Schimbătorul de căldură al motorului 31 Stirling, aflat în camera 32 de ardere trebuie 31 menținut la o temperatură constantă, necesară funcționării continue. Pentru a compensa perioadele cu însorire redusă sau fără soare, camera 32 de ardere este prevăzută cu 33 arzătoare de amestec de gaz (biogaz, gaz metan, etc.) cu hidrogen ca și sursă auxiliară de energie. Procesul de ardere este controlat de un sistem 6 automatizat de control proporțional 35 al debitului și al amestecului de combustibil.The heat exchanger of the 31 Stirling engine, located in the 32 combustion chamber, must be 31 maintained at a constant temperature necessary for continuous operation. To compensate for periods of little or no sunshine, the combustion chamber 32 is provided with 33 gas mixture burners (biogas, methane gas, etc.) with hydrogen as an auxiliary energy source. The combustion process is controlled by an automated system 6 of proportional control 35 of the fuel flow and mixture.

Cel de-al doilea recuperator termic 35 de pe traseul de evacuare al gazelor de ardere 37 a motorului 31 Stirling, este prevăzut cu niște elemente termoelectrice, răcite pentru conversia directă a energiei termice în energie electrică. Sistemul de răcire al acestora este 39 conectat cu cel al motorului 31 Stirling și include un schimbător de căldură 7 pentru recuperarea energiei termice sub forma apei calde. Ansamblul mai cuprinde un invertor 8 și niște 41 baterii 9 pentru conversia și stocarea energiei electrice produse și un electrolizor 10 care folosește surplusul de energie electrică în procesul de electroliză al apei, obținând astfel 43 oxigenul și hidrogenul folosiți pentru îmbogățirea aerului și, respectiv a combustibilul gazos.The second thermal recuperator 35 on the combustion gas exhaust path 37 of the Stirling engine 31, is provided with some thermoelectric elements, cooled for the direct conversion of thermal energy into electrical energy. Their cooling system is 39 connected to that of the Stirling engine 31 and includes a heat exchanger 7 to recover thermal energy in the form of hot water. The assembly also includes an inverter 8 and some 41 batteries 9 for the conversion and storage of the electricity produced and an electrolyzer 10 that uses the surplus electricity in the electrolysis process of water, thus obtaining 43 the oxygen and hydrogen used to enrich the air and the fuel, respectively gaseous.

Ansamblul poate fi dimensionat și configurat astfel încât să corespundă atât carac- 45 teristicilor de iradiantă locale cât și necesarului de energie electrică și termică al consumatorului. 47The assembly can be sized and configured in such a way as to correspond to both the local irradiance characteristics and the consumer's electricity and thermal energy needs. 47

Un exemplu punere în practică a invenției este prezentat în fig. 5. Acesta este compus din: douăsprezece concentratoare 2 solare de tip lentila Fresnel din PMMA de 5 mm grosime, cu o suprafață activă de aproximativ 0.92 m2, cu 1.3 m distanță focală, și o transmitanță de 90%. Motorul 31 Stirling instalat este un prototip, cu un generator 33 electric de putere de 3 kW. Sistemul de urmărire solară 1 este dimensionat pentru a putea prelua forțele de încărcare ale întregului sistem cât și forțele exterioare (vânt, zăpadă, etc.).An example putting the invention into practice is shown in fig. 5. It is composed of: twelve solar concentrators 2 Fresnel lens type in 5 mm thick PMMA, with an active surface of approximately 0.92 m 2 , with 1.3 m focal length, and a transmittance of 90%. The 31 Stirling engine installed is a prototype, with a 3 kW electric generator 33. The solar tracking system 1 is dimensioned to be able to take over the loading forces of the entire system as well as external forces (wind, snow, etc.).

Majoritatea sistemelor concentrator solar-motor Stirling folosesc oglinzi parabolice de mari dimensiuni pentru concentrarea radiației solare. Realizarea acestor oglinzi de dimensiuni mari nu este o problemă neglijabilă, iar prețurile de producție sunt ridicate. Chiar și în cazul realizării modulare a acestora, o defecțiune intervenită la una dintre componente face imposibilă înlocuirea doar a componentei respective. Mai mult decât atât ele prezintă dezavantaje prin umbrirea adusă de poziționarea motorului Stirling și prin lungimea brațului de susținere al acestuia care îndepărtează centrul de greutate al sistemului fată de axul central. Folosirea unui reflector secundar în focarul receptorului principal, [3] pentru a putea plasa motorul Stirling la baza receptorului principal (oglinda parabolică), înlătură acest inconvenient dar nu rezolvă problema umbririi și a costurilor mari datorită folosirii oglinzilor parabolice de dimensiuni mari. Pe de altă parte folosirea mai multor lentile Fresnel, în locul oglinzii parabolice de mari dimensiuni, ca și concentratoare principale, cuplate cu reflectoare secundare pentru a concentra energia solară în același punct focal [7], rezolvă o parte din problemele prezentate mai sus, dar reduce eficiența sistemului datorită pierderilor induse prin reflexiile/refracțiile multiple.Most solar concentrator-Stirling engine systems use large parabolic mirrors to concentrate solar radiation. Making these large mirrors is not a negligible problem and the production prices are high. Even in the case of their modular construction, a failure in one of the components makes it impossible to replace only that component. Moreover, they present disadvantages due to the shading brought about by the positioning of the Stirling engine and by the length of its support arm which moves the center of gravity of the system away from the central axis. The use of a secondary reflector in the focus of the main receiver, [3] to be able to place the Stirling engine at the base of the main receiver (parabolic mirror), removes this inconvenience but does not solve the problem of shadowing and high costs due to the use of large parabolic mirrors. On the other hand, the use of several Fresnel lenses, instead of the large parabolic mirror, as main concentrators, coupled with secondary reflectors to concentrate the solar energy in the same focal point [7], solves part of the problems presented above, but reduces system efficiency due to losses induced by multiple reflections/refractions.

BibliografieBibliography

[1] . Roelf J. Meijer, Solar powered Stirling engine, US 4707990 A.[1] . Roelf J. Meijer, Solar powered Stirling engine, US 4707990 A.

[2] . Glendon M. Benson, Solar powered free-piston Stirling engine, US 4642988 A.[2] . Glendon M. Benson, Solar powered free-piston Stirling engine, US 4642988 A.

[3] . Cristina Naranjo Sosa, Felix Gilabert Munoz, Isaac Garaway, Erez Harel, David Klein, Stirling engine solar concentrator system, WO 2011/053895 A1.[3] . Cristina Naranjo Sosa, Felix Gilabert Munoz, Isaac Garaway, Erez Harel, David Klein, Stirling engine solar concentrator system, WO 2011/053895 A1.

[4] . Mark Mehos, Kenneth Anselmo, James Moreno, Charles Andraka, K. Rawlinson, John Corey, Mark Bohn, Dish/stirling hybrid-receiver, US 20020059798 A1.[4] . Mark Mehos, Kenneth Anselmo, James Moreno, Charles Andraka, K. Rawlinson, John Corey, Mark Bohn, Dish/stirling hybrid-receiver, US 20020059798 A1.

[5] . Kouzou Kitamura, Kiyohiko Tsukumo, Solar heat utilization Stirling engine power generation plant, US 6775982 B1.[5] . Kouzou Kitamura, Kiyohiko Tsukumo, Solar heat utilization Stirling engine power generation plant, US 6775982 B1.

[6] . D. Alan E. Johnson, Mechanical/Thermo-voltaic solar power system, US 2008/0078435 A1.[6]. D. Alan E. Johnson, Mechanical/Thermo-voltaic solar power system, US 2008/0078435 A1.

[7] . Gilbert Cohen, Roland Winston, Multiple reflector solar concentrators and systems, US 20040140000 A1.[7]. Gilbert Cohen, Roland Winston, Multiple reflector solar concentrators and systems, US 20040140000 A1.

[8] . Multiple-focus coincident Fresnel lens system, CN 103885165 A.[8]. Multiple-focus coincident Fresnel lens system, CN 103885165 A.

[9] . John F. W. Parry, Hot air solar engine, US 4414812 A.[9] . John F. W. Parry, Hot air solar engine, US 4414812 A.

[10] . Edgar English, Jr., Solar energy conversion apparatus provided with an automatic cut-in heat-supplying standby apparatus, US 4398391 A.[10]. Edgar English, Jr., Solar energy conversion apparatus provided with an automatic cut-in heat-supplying standby apparatus, US 4398391 A.

[11] . Worth H. Percival, David N. Wells, Hybrid solar/combustion powered receiver, US 4602614 A.[11]. Worth H. Percival, David N. Wells, Hybrid solar/combustion powered receiver, US 4602614 A.

[12] . Yilong Chen, Qingping Yang, Yanfeng Zhang, Disc-type solar stirling engine power generation device capable of operating continuously day and night, EP 2716910A4.[12]. Yilong Chen, Qingping Yang, Yanfeng Zhang, Disc-type solar stirling engine power generation device capable of operating continuously day and night, EP 2716910A4.

Claims (5)

1. Concentrator solar cu focare multiple și motor Stirling cuplat mecanic cu un 3 generator electric (33) cu invertor (8), este alcătuit dintr-un suport (1) de urmărire solară pe care sunt montate frontal și orientate spre soare un număr de concentratoare (2) solare, 5 caracterizat prin aceea că fiecare concentrator (2) are poziționat în focar printr-un sistem (13), câte un receptor (41) termic cu rol de preluare a energiei (44) solare concentrate și de 7 a o transfera unui agent termic (43) gazos, care este aer provenit de la un compresor (51), aer ce apoi trece printr-un amestecător de gaze (52) unde este îmbogățit cu oxigen provenit 9 de la un electrolizor (10) printr-un furtun flexibil, amestecătorul (52) fiind prevăzut cu un regulator de debit al agentul termic (43) gazos, care este apoi preîncălzit într-un recuperator 11 (34) de căldură din gaze arse, situat deasupra unei camere de ardere (32) a motorului Stirling (31) montat în spatele concentratoarelor (2) solare, pe același suport (1) de urmărire 13 solară, agent termic (43) încălzit intră printr-un racord flexibil, într-un sistem de țevi (54) izolate și ramificate, unde este distribuit spre receptoarele termice (41) și în final ajunge în 15 camera (32) de ardere a motorului (31) Stirling cuplat mecanic cu generatorul electric (33) ce alimentează invertorul (8) reversibil AC/DC care furnizează energia utilă consumatorului, 17 iar surplusul de energie este stocat într-un grup de acumulatori (9), sau folosit de un electrolizor (10) destinat producerii de oxigen și hidrogen, care alimentează amestecătorul19 de gaze (52), respectiv hidrogenul, folosit pentru îmbogățirea gazului de ardere, intră printr-un furtun elastic într-un sistem de amestec (6) și apoi în camera de ardere (32) a 21 motorului Stirling (31).1. Solar concentrator with multiple foci and Stirling engine mechanically coupled with a 3 electrical generator (33) with inverter (8), consists of a solar tracking support (1) on which are frontally mounted and facing the sun a number of solar concentrators (2), 5 characterized by the fact that each concentrator (2) is positioned in the focus by a system (13), each with a thermal receiver (41) with the role of receiving concentrated solar energy (44) and of 7 a transfer of a gaseous thermal agent (43), which is air from a compressor (51), air that then passes through a gas mixer (52) where it is enriched with oxygen from an electrolyzer (10) through a flexible hose, the mixer (52) being provided with a flow regulator of the gaseous thermal agent (43), which is then preheated in a flue gas heat recovery unit 11 (34), located above a combustion chamber (32) of the Stirling engine (31) mounted behind the solar concentrators (2), on the same support (1) of the solar tracker 13, heated thermal agent (43) enters through a flexible connection, in a system of insulated pipes (54) and branched, where it is distributed to the thermal receivers (41) and finally reaches the 15 combustion chamber (32) of the Stirling engine (31) mechanically coupled with the electric generator (33) that supplies the AC/DC reversible inverter (8) that supplies the energy useful to the consumer, 17 and the surplus energy is stored in a group of accumulators (9), or used by an electrolyser (10) intended for the production of oxygen and hydrogen, which supplies the gas mixer 19 (52), respectively the hydrogen, used for enrichment of the combustion gas, enters through an elastic hose into a mixing system (6) and then into the combustion chamber (32) of the Stirling engine (31). 2. Concentrator solar, conform cu revendicarea 1, caracterizat prin aceea că, pe un23 cadru (12) sunt grupate matricial n*k concentratoare (2) solare, pe “n” rânduri și “k” coloane, rezultând un sistem cu n*k focare multiple, de la care energia solară (44) concentrată este25 preluată de agentul termic (43) gazos prin intermediul a n*k receptoare termice (41) care sunt interconectate în paralel printr-un sistem de distribuție (54) din țevi izolate și ramificate,27 sistem de distribuție (54) cuplat la capătul de ieșire cu camera (32) de ardere a motorului (31) Stirling.292. Solar concentrator, according to claim 1, characterized in that, on a 23 frame (12), n*k solar concentrators (2) are grouped in a matrix, on "n" rows and "k" columns, resulting in a system with n* k multiple foci, from which the concentrated solar energy (44) is25 taken over by the gaseous thermal agent (43) by means of n*k thermal receivers (41) which are interconnected in parallel through a distribution system (54) of insulated pipes and branched,27 distribution system (54) coupled at the outlet end with the combustion chamber (32) of the Stirling engine (31).29 3. Concentrator solar, conform cu revendicările 1 și 2, caracterizat prin aceea că fiecare receptor (41) dispune, la intrare și la ieșire spre sistemul de distribuție (54), de niște 31 valve de izolare (53) a debitului de agent (43) termic, valve ce pot fi acționate independent.3. Solar concentrator, according to claims 1 and 2, characterized in that each receiver (41) has, at the entrance and exit to the distribution system (54), some 31 isolation valves (53) of the agent flow ( 43) thermal, valves that can be operated independently. 4. Concentrator solar, conform revendicărilor 1-3, caracterizat prin aceea că energia33 termică rezultată prin conversia energiei solare concentrate (44) este înmagazinată în agentul termic (43) gazos și transferată prin conductele (54) izolate termic, sub presiunea 35 asigurată de un compresor (51) în camera de ardere (32) a motorului (31) Stirling unde agentul (43) este folosit ca și oxidant în procesul de combustie. 374. Solar concentrator, according to claims 1-3, characterized in that the thermal energy 33 resulting from the conversion of concentrated solar energy (44) is stored in the gaseous thermal agent (43) and transferred through thermally insulated pipes (54), under the pressure 35 provided by a compressor (51) in the combustion chamber (32) of the Stirling engine (31) where the agent (43) is used as an oxidizer in the combustion process. 37 5. Concentrator solar, conform revendicărilor 1-4, caracterizat prin aceea că, receptorul termic (41) are o structură interioară lamelară, etajată pe trei nivele, iar la exterior 39 este plasat într-o cărămidă refractară (42) protejată de o manta de oțel inox.5. Solar concentrator, according to claims 1-4, characterized in that the thermal receptor (41) has an internal lamellar structure, layered on three levels, and on the outside 39 is placed in a refractory brick (42) protected by a mantle of stainless steel.
ROA201800849A 2018-11-23 2018-11-23 Solar concentrator with multiple focal points and stirling motor RO133284B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201800849A RO133284B1 (en) 2018-11-23 2018-11-23 Solar concentrator with multiple focal points and stirling motor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201800849A RO133284B1 (en) 2018-11-23 2018-11-23 Solar concentrator with multiple focal points and stirling motor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RO133284A0 RO133284A0 (en) 2019-04-30
RO133284B1 true RO133284B1 (en) 2023-04-28

Family

ID=66250411

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ROA201800849A RO133284B1 (en) 2018-11-23 2018-11-23 Solar concentrator with multiple focal points and stirling motor

Country Status (1)

Country Link
RO (1) RO133284B1 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RO133284A0 (en) 2019-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2998032C (en) Integrated solar energy utilization apparatus and system
US7051529B2 (en) Solar dish concentrator with a molten salt receiver incorporating thermal energy storage
US7185493B1 (en) Solar energy power plant and method of producing electricity
US20080078435A1 (en) Mechanical/Thermo-Voltaic Solar Power System
US9705449B2 (en) Effective and scalable solar energy collection and storage
US20040244376A1 (en) Systems and methods for generating electrical power from solar energy
US20080092541A1 (en) System for providing continuous electric power from solar energy
US20100244449A1 (en) Solar-based power generator
JP2008523593A5 (en)
TWM354652U (en) Electric generator installed on transportation vehicle
US8413442B2 (en) System for sustaining and storing green solar energy
Psomopoulos Solar energy: Harvesting the sun’s energy for a sustainable future
US9103328B1 (en) Magnified solar energy generator
US20120138267A1 (en) Release Of Stored Heat Energy To Do Useful Work
JP2013528936A (en) Solar energy generator
Sahu et al. Historical overview of power generation in solar parabolic dish collector system
MX2014006740A (en) Hybrid solar energy recovery system.
CN105429509A (en) Solar heat accumulating type thermoelectric power generation system
RO133284B1 (en) Solar concentrator with multiple focal points and stirling motor
CN201243261Y (en) Omnirange high-efficiency concentration solar hydroelectricity integration generating set
KR101290126B1 (en) Illumination system having mirrors to condense and sense the sun exactly and a multiplex renewable energy system
EP2741023A1 (en) Device for capturing, transferring and converting solar energy for a system for generating electricity, hydrogen and oxygen
US20140202154A1 (en) Renewable energy system
WO2013107258A1 (en) Tower dish-type system for synthesized utilization of solar energy
CN204068763U (en) Solar heat-preservation formula thermo-electric generation system