一種塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及太陽能熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及了一種塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，包括塔式太陽能集熱器、循環(huán)泵和自由活塞斯特林發(fā)電機，所述塔式太陽能集熱器、循環(huán)泵和自由活塞斯特林發(fā)電機通過熱流體輸送管道依次連通并構(gòu)成發(fā)電回路；所述塔式太陽能集熱器通過反射太陽光對發(fā)電回路中的傳熱流體加熱，所述循環(huán)泵驅(qū)動所述傳熱流體在所述發(fā)電回路中循環(huán)流動，所述自由活塞斯特林發(fā)電機將被加熱的所述傳熱流體傳遞的熱能轉(zhuǎn)化為電能。本發(fā)明提供的一種塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由太陽能集熱器與自由活塞斯特林發(fā)電機結(jié)合構(gòu)成，解決了現(xiàn)有的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、初期投資大、建造周期長的問題。
【專利說明】
一種塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及太陽能熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，更具體地涉及一種分布式塔式聚光的太陽能自由活塞斯特林發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著化石能源的大規(guī)模應(yīng)用，能源短缺以及環(huán)境污染帶來的問題對人類經(jīng)濟社會發(fā)展的影響日趨明顯。我國屬于全球太陽能資源最豐富的地區(qū)之一，充分合理地利用太陽能資源，對于減少并最終替代傳統(tǒng)能源的使用具有重要意義。
[0003]太陽能發(fā)電技術(shù)主要包括光伏發(fā)電與光熱發(fā)電兩大類。其中，光伏發(fā)電技術(shù)在21世紀獲得了較快的發(fā)展，但目前仍然存在一些尚未解決的問題，比如太陽能電池的效率與成本難以協(xié)調(diào)、大規(guī)模儲電技術(shù)仍有待探索等，這些因素都限制了光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。
[0004]而太陽能光熱發(fā)電主要是指聚焦型太陽能熱發(fā)電，按照太陽能的聚集方式可分為槽式、線性菲涅爾式、塔式及碟式四種。與光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，光熱發(fā)電系統(tǒng)的一個顯著特點是可以通過儲熱及補燃的方式解決太陽能不穩(wěn)定、不持續(xù)的問題，實現(xiàn)不間斷的電力輸出。但是，當前的槽式與塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)均采用朗肯循環(huán)，所用的蒸汽輪機通常功率較大，因此，只能采用大規(guī)模集熱的集中式發(fā)電方式，這便帶來了結(jié)構(gòu)復雜、初期投資大，建設(shè)周期長等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一)要解決的技術(shù)問題
[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供了一種塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)將集熱溫度較高的塔式太陽能集熱器與自由活塞斯特林發(fā)電機有效結(jié)合在一起，解決了現(xiàn)有的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、初期投資大、建造周期長的問題。
[0007](二)技術(shù)方案
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，包括塔式太陽能集熱器、循環(huán)栗和自由活塞斯特林發(fā)電機，所述塔式太陽能集熱器、循環(huán)栗和自由活塞斯特林發(fā)電機通過熱流體輸送管道依次連通并構(gòu)成發(fā)電回路;所述塔式太陽能集熱器通過反射太陽光對發(fā)電回路中的傳熱流體加熱，所述循環(huán)栗驅(qū)動所述傳熱流體在所述發(fā)電回路中循環(huán)流動，所述自由活塞斯特林發(fā)電機將被加熱的所述傳熱流體傳遞的熱能轉(zhuǎn)化為電能。
[0009]進一步的，前述傳熱流體包括恪融鹽或者超臨界水。
[0010]進一步的，前述熔融鹽為包括硝酸鹽的混合鹽。
[0011]進一步的，前述塔式太陽能集熱器與所述循環(huán)栗之間的所述熱流體輸送管道上設(shè)置膨脹槽。
[0012]進一步的，前述塔式太陽能集熱器與所述自由活塞斯特林發(fā)電機之間的所述熱流體輸送管道上依次設(shè)有補燃裝置、蓄熱裝置。
[0013]進一步的，前述蓄熱裝置內(nèi)部填充熔鹽材料，所述熱流體輸送管道穿過所述蓄熱裝置，并且被所述熔鹽材料包裹。
[0014]進一步的，前述熔鹽材料的相變溫度與所述傳熱流體在所述塔式太陽能集熱器中被加熱后達到的溫度相同。
[0015]進一步的，前述傳熱流體在所述塔式太陽能集熱器中被加熱后達到的溫度為500-600。。。
[0016]進一步的，前述補燃裝置與所述循環(huán)栗之間設(shè)有與所述塔式太陽能集熱器并聯(lián)的熱流體輸送管道，且該熱流體輸送管道上設(shè)有用于控制其通斷的第二閥門；所述補燃裝置與所述塔式太陽能集熱器之間的熱流體輸送管道上設(shè)有用于控制其通斷的第一閥門。
[0017]進一步的，前述自由活塞斯特林發(fā)電機包括自由活塞斯特林發(fā)動機和被所述自由活塞斯特林發(fā)動機驅(qū)動的直線發(fā)電機。
[0018](三)有益效果
[0019]本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有以下有益效果:
[0020]本發(fā)明提供的一種塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，由塔式太陽能集熱器、循環(huán)栗和自由活塞斯特林發(fā)電機通過熱流體輸送管道依次連通并構(gòu)成發(fā)電回路;塔式太陽能集熱器通過反射太陽光對發(fā)電回路中的傳熱流體加熱，循環(huán)栗驅(qū)動傳熱流體在發(fā)電回路中循環(huán)流動，自由活塞斯特林發(fā)電機將被加熱的傳熱流體傳遞的熱能轉(zhuǎn)化為電能。該塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)將塔式太陽能集熱器與自由活塞斯特林發(fā)電機有效結(jié)合在一起。塔式太陽能集熱器由于具有較高的聚光比，可以獲得較高的集熱溫度，這有助于提高整個系統(tǒng)的熱電效率。因此，與自由活塞斯特林發(fā)電機結(jié)合可以形成一套結(jié)構(gòu)簡單、安裝便利、建造靈活、建造周期短的高效塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)。
[0021]本發(fā)明提供的一種塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，采用的自由活塞斯特林發(fā)電機做為一種新型熱發(fā)電裝置，具有可靠性好、功率靈活、效率高、對環(huán)境友好等特點。自由活塞斯特林發(fā)動機采用類斯特林循環(huán)的熱力學循環(huán)，是當今效率最高的發(fā)動機之一，其理論效率等于卡諾效率。另一方面，自由活塞斯特林發(fā)動機由于取消了曲柄連桿等高溫端運動部件而具有更高的可靠性。這些特點使整個塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠、同時具有較高的熱電效率。
[0022]本發(fā)明提供的一種塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，既可以單臺小功率工作，又可以多臺聯(lián)合實現(xiàn)大功率工作，具有靈活的輸出功率，可根據(jù)實際的需要而設(shè)定，并且靈活應(yīng)用于不同的場合。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明實施例一塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明實施例二塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]其中，1:自由活塞斯特林發(fā)電機;2:循環(huán)栗;3:膨脹槽;4:塔式太陽能集熱器;5:補燃裝置;6:蓄熱裝置;7:熱流體輸送管道;8:水冷器;9:回熱器；10:加熱器；11:膨脹腔；12:排出器；13:壓縮腔；14:動力活塞；15:電機動子:16:直線發(fā)電機；17:板簧；18:第一閥門；19:第二閥門。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。
[0027]在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有說明，“若干”的含義是一個或一個以上。
[0028]在本發(fā)明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可視具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
[0029]實施例一
[0030]如圖1所示，本實施例提供的一種塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，包括塔式太陽能集熱器4、循環(huán)栗2和自由活塞斯特林發(fā)電機I，熱流體輸送管道7用以將系統(tǒng)中所有部件連接起來，塔式太陽能集熱器4、循環(huán)栗2和自由活塞斯特林發(fā)電機I通過熱流體輸送管道7依次連通并構(gòu)成發(fā)電回路。
[0031]本實施例中，采用集熱溫度較高的塔式太陽能集熱器4，塔式太陽能集熱器4通過反射太陽光對發(fā)電回路中的傳熱流體加熱，使傳熱流體的運行溫度在500-600 °C之間，可有效提尚系統(tǒng)效率。
[0032]循環(huán)栗2設(shè)置于熱流體輸送管道7上面，并且循環(huán)栗2驅(qū)動傳熱流體在發(fā)電回路中循環(huán)流動，為自由活塞斯特林發(fā)電機I提供熱能，實際應(yīng)用中，可以根據(jù)熱流體輸送管道7中選取的傳熱流體選擇合適的循環(huán)栗2型號。
[0033]自由活塞斯特林發(fā)電機I將被加熱的傳熱流體傳遞的熱能轉(zhuǎn)化為電能，其工作原理為先將傳熱流體傳遞的熱能轉(zhuǎn)化為振蕩波形式的機械能(聲能)，然后再將該機械能轉(zhuǎn)化為電能。
[0034]傳熱流體包括熔融鹽或者超臨界水。熔融鹽為以硝酸鹽為主要組分的混合鹽。需要說的是，以硝酸鹽為主要組分的混合鹽具有較低的熔點，運行時可保持為液體狀態(tài)。采用熔融鹽做為傳熱流體，可有效降低系統(tǒng)的操作壓力和安全要求、提高系統(tǒng)和設(shè)備的可靠性。此時循環(huán)栗2可選擇高溫熔鹽栗。當采用超臨界水做為傳熱流體時，系統(tǒng)需要較高的運行壓力，此時循環(huán)栗2可選擇高溫高壓水栗。由于與熔融鹽相比，超臨界水的價格比較低廉，同時超臨界水還具有更高的比熱容和熱導率的特點，因此，本實施例中傳熱流體優(yōu)選為超臨界水。但是，實際應(yīng)用中可根據(jù)具體情況選擇合適的傳熱流體。
[0035]塔式太陽能集熱器4與循環(huán)栗2之間的熱流體輸送管道7上設(shè)置膨脹槽3，用以緩沖傳熱流體因溫度波動而發(fā)生的體積變化。
[0036]塔式太陽能集熱器4與自由活塞斯特林發(fā)電機I之間的熱流體輸送管道7上設(shè)有補燃裝置5和蓄熱裝置6，其作用是保證整個系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定地運行。當遇到連續(xù)陰雨天氣等光照長時間不足的情況時，補燃裝置5可通過燃燒化石燃料為整個發(fā)電系統(tǒng)提供熱能，保證整個系統(tǒng)能夠連續(xù)、穩(wěn)定地運行。蓄熱裝置6內(nèi)部填充熔鹽材料，熱流體輸送管道7穿過蓄熱裝置6，并且被熔鹽材料包裹。熔鹽材料為以碳酸鹽為主的混合鹽，主要蓄熱方式為相變蓄熱，熔鹽材料的相變溫度與傳熱流體在塔式太陽能集熱器4中被加熱后達到的溫度相同，即熔鹽材料的相變溫度與傳熱流體在塔式太陽能集熱器4中被加熱后達到的溫度同為500-600Γ。
[0037]實際應(yīng)用中，可以根據(jù)自由活塞斯特林發(fā)電機I的設(shè)計工況，選擇合適的熔鹽材料。其具體的工作原理為:在陽光充足的時候?qū)⒍嘤嗟臒崃績Υ嫫饋?，在光照條件不佳的時候釋放熱量。同時相變蓄熱的方式還能使傳熱流體保持相對穩(wěn)定的溫度，這有利于自由活塞斯特林發(fā)電機I穩(wěn)定、高效地運行。
[0038]優(yōu)選的，本實施例中被熔鹽材料包裹的熱流體輸送管道7為蛇形管路，蛇形管路可以在一定的面積內(nèi)，增大熱流體輸送管道7與熔鹽材料的接觸面積，更有利于熱流體輸送管道7與熔鹽材料進行傳熱。
[0039]本實施例中，補燃裝置5與循環(huán)栗2之間設(shè)有與塔式太陽能集熱器4并聯(lián)的熱流體輸送管道7，且該熱流體輸送管道7上設(shè)有用于控制其通斷的第二閥門19;補燃裝置5與塔式太陽能集熱器4之間的熱流體輸送管道7上設(shè)有用于控制其通斷的第一閥門18，使得系統(tǒng)可以根據(jù)實際情況在不同運行模式之間靈活切換。該與塔式太陽能集熱器4并聯(lián)的熱流體輸送管道7的作用是保證整個系統(tǒng)連續(xù)、高效地運行。具體的切換方法為:當白天光照充足的時候，打開第一閥門18，關(guān)閉第二閥門19，塔式太陽能集熱器4為整個系統(tǒng)提供熱能，蓄熱裝置6用以儲存塔式太陽能集熱器4收集的多余熱量;晚上光照不足的時候，關(guān)閉第一閥門18，打開第二閥門19，蓄熱裝置6通過釋放儲存的熱量，為整個系統(tǒng)提供熱能；當遇到連續(xù)陰雨天氣等光照長時間不足的情況時，關(guān)閉第一閥門18，打開第二閥門19，同時啟動補燃裝置5，通過燃燒化石燃料為整個系統(tǒng)提供熱能。
[0040]自由活塞斯特林發(fā)電機I包括自由活塞斯特林發(fā)動機和被自由活塞斯特林發(fā)動機驅(qū)動的直線發(fā)電機，具有可靠性好，效率高，環(huán)境友好等特點。
[0041]具體的為，自由活塞斯特林發(fā)電機I包括水冷器8、回熱器9、加熱器10、膨脹腔11、排出器12、壓縮腔13、動力活塞14、直線發(fā)電機16和板簧17，直線發(fā)電機16包括電機動子15。排出器12與動力活塞14之間形成壓縮腔13，排出器的一端連接膨脹腔11，另一端穿過壓縮腔13與板簧17連接。加熱器10、回熱器9和水冷器8沿膨脹腔11向壓縮腔13的方向依次設(shè)置。壓縮腔13與板簧17之間設(shè)有動力活塞14，動力活塞14套設(shè)于排出器12上，用以驅(qū)動直線發(fā)電機16的電機動子15發(fā)生振蕩，進而對外輸出電功。
[0042]本實施例的具體工作原理為:傳熱流體沿著熱流體輸送管道7流過加熱器10提供熱能，使加熱器10處保持高溫環(huán)境。水冷器8處則保持室溫環(huán)境。加熱器10處的高溫環(huán)境與水冷器8處的室溫環(huán)境使回熱器9內(nèi)維持一定的溫度梯度，導致回熱器9內(nèi)的氣體與固體之間產(chǎn)生熱聲效應(yīng)，將傳熱流體攜帶的熱能轉(zhuǎn)換為聲波形式的機械能(聲功)；聲功流入膨脹腔11后，驅(qū)動動力活塞14發(fā)生振蕩，并由動力活塞14帶動電機動子15發(fā)生振蕩，使得直線電機對外輸出電功。排出器12與板簧17可以實現(xiàn)對聲波相位的調(diào)節(jié)。
[0043]實際應(yīng)用中，可根據(jù)不同的頻率需求，選擇合適的排出器12與板簧17。
[0044]實施例二
[0045]如圖2所示，本實施例提供的一種塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，其原理與實施例一相同，結(jié)構(gòu)與實施例一相似，區(qū)別僅在于:本實施例中，補燃裝置5與循環(huán)栗2之間不設(shè)置與塔式太陽能集熱器4并聯(lián)的熱流體輸送管道7，且補燃裝置5與塔式太陽能集熱器4之間的熱流體輸送管道7上不設(shè)置用于控制其通斷的第一閥門18。
[0046]其具體的工作方式為:當白天光照充足的時候，塔式太陽能集熱器4為整個系統(tǒng)提供熱能，蓄熱裝置6用以儲存塔式太陽能集熱器4收集的多余熱量;當晚上光照不足的時候，蓄熱裝置6通過釋放儲存的熱量，為整個系統(tǒng)提供熱能；當遇到連續(xù)陰雨天氣等光照長時間不足的情況時，啟動補燃裝置5，通過燃燒化石燃料為整個系統(tǒng)提供熱能。與實施例一相比，本實施例結(jié)構(gòu)更加簡單，操作也更加方便，雖然光照不足的時候，傳熱流體需要流經(jīng)塔式太陽能集熱器4，這會增加沿程阻力以及熱量損失，但是該熱量損失較小，不影響本實施例對大部分場合的需求的提供，且本實施例具有結(jié)構(gòu)更加簡單、操作更加方便的優(yōu)點。
[0047]本發(fā)明的實施例是為了示例和描述起見而給出的，而并不是無遺漏的或者將本發(fā)明限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言是顯而易見的。選擇和描述實施例是為了更好說明本發(fā)明的原理和實際應(yīng)用，并且使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明從而設(shè)計適于特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
【主權(quán)項】
1.一種塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，包括塔式太陽能集熱器、循環(huán)栗和自由活塞斯特林發(fā)電機，所述塔式太陽能集熱器、循環(huán)栗和自由活塞斯特林發(fā)電機通過熱流體輸送管道依次連通并構(gòu)成發(fā)電回路;所述塔式太陽能集熱器通過反射太陽光對發(fā)電回路中的傳熱流體加熱，所述循環(huán)栗驅(qū)動所述傳熱流體在所述發(fā)電回路中循環(huán)流動，所述自由活塞斯特林發(fā)電機將被加熱的所述傳熱流體傳遞的熱能轉(zhuǎn)化為電能。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述傳熱流體包括熔融鹽或者超臨界水。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述熔融鹽為包括硝酸鹽的混合鹽。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述塔式太陽能集熱器與所述循環(huán)栗之間的所述熱流體輸送管道上設(shè)置膨脹槽。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述塔式太陽能集熱器與所述自由活塞斯特林發(fā)電機之間的所述熱流體輸送管道上依次設(shè)有補燃裝置、蓄熱裝置。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述蓄熱裝置內(nèi)部填充熔鹽材料，所述熱流體輸送管道穿過所述蓄熱裝置，并且被所述熔鹽材料包裹。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述熔鹽材料的相變溫度與所述傳熱流體在所述塔式太陽能集熱器中被加熱后達到的溫度相同。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述傳熱流體在所述塔式太陽能集熱器中被加熱后達到的溫度為500-600°C。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述補燃裝置與所述循環(huán)栗之間設(shè)有與所述塔式太陽能集熱器并聯(lián)的熱流體輸送管道，且該熱流體輸送管道上設(shè)有用于控制其通斷的第二閥門；所述補燃裝置與所述塔式太陽能集熱器之間的熱流體輸送管道上設(shè)有用于控制其通斷的第一閥門。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塔式聚光太陽能斯特林發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述自由活塞斯特林發(fā)電機包括自由活塞斯特林發(fā)動機和被所述自由活塞斯特林發(fā)動機驅(qū)動的直線發(fā)電機。
【文檔編號】F02G1/043GK105840342SQ201610187853
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】羅二倉, 李潛葛, 吳張華, 余國瑤, 戴巍
【申請人】中國科學院理化技術(shù)研究所