一种塔式聚光太阳能斯特林发电系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及太阳能热发电技术领域，具体涉及了一种塔式聚光太阳能斯特林发电系统，包括塔式太阳能集热器、循环泵和自由活塞斯特林发电机，所述塔式太阳能集热器、循环泵和自由活塞斯特林发电机通过热流体输送管道依次连通并构成发电回路；所述塔式太阳能集热器通过反射太阳光对发电回路中的传热流体加热，所述循环泵驱动所述传热流体在所述发电回路中循环流动，所述自由活塞斯特林发电机将被加热的所述传热流体传递的热能转化为电能。本发明提供的一种塔式聚光太阳能斯特林发电系统，该系统由太阳能集热器与自由活塞斯特林发电机结合构成，解决了现有的太阳能热发电系统结构复杂、初期投资大、建造周期长的问题。
【专利说明】
一种塔式聚光太阳能斯特林发电系统
技术领域
[0001]本发明涉及太阳能热发电技术领域，尤其涉及一种塔式聚光太阳能斯特林发电系统，更具体地涉及一种分布式塔式聚光的太阳能自由活塞斯特林发电系统。
【背景技术】
[0002]随着化石能源的大规模应用，能源短缺以及环境污染带来的问题对人类经济社会发展的影响日趋明显。我国属于全球太阳能资源最丰富的地区之一，充分合理地利用太阳能资源，对于减少并最终替代传统能源的使用具有重要意义。
[0003]太阳能发电技术主要包括光伏发电与光热发电两大类。其中，光伏发电技术在21世纪获得了较快的发展，但目前仍然存在一些尚未解决的问题，比如太阳能电池的效率与成本难以协调、大规模储电技术仍有待探索等，这些因素都限制了光伏发电产业的进一步发展。
[0004]而太阳能光热发电主要是指聚焦型太阳能热发电，按照太阳能的聚集方式可分为槽式、线性菲涅尔式、塔式及碟式四种。与光伏发电系统相比，光热发电系统的一个显著特点是可以通过储热及补燃的方式解决太阳能不稳定、不持续的问题，实现不间断的电力输出。但是，当前的槽式与塔式太阳能热发电系统均采用朗肯循环，所用的蒸汽轮机通常功率较大，因此，只能采用大规模集热的集中式发电方式，这便带来了结构复杂、初期投资大，建设周期长等问题。
【发明内容】
[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本发明要解决的技术问题是提供了一种塔式聚光太阳能斯特林发电系统，该系统将集热温度较高的塔式太阳能集热器与自由活塞斯特林发电机有效结合在一起，解决了现有的太阳能热发电系统结构复杂、初期投资大、建造周期长的问题。
[0007](二)技术方案
[0008]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种塔式聚光太阳能斯特林发电系统，包括塔式太阳能集热器、循环栗和自由活塞斯特林发电机，所述塔式太阳能集热器、循环栗和自由活塞斯特林发电机通过热流体输送管道依次连通并构成发电回路;所述塔式太阳能集热器通过反射太阳光对发电回路中的传热流体加热，所述循环栗驱动所述传热流体在所述发电回路中循环流动，所述自由活塞斯特林发电机将被加热的所述传热流体传递的热能转化为电能。
[0009]进一步的，前述传热流体包括恪融盐或者超临界水。
[0010]进一步的，前述熔融盐为包括硝酸盐的混合盐。
[0011]进一步的，前述塔式太阳能集热器与所述循环栗之间的所述热流体输送管道上设置膨胀槽。
[0012]进一步的，前述塔式太阳能集热器与所述自由活塞斯特林发电机之间的所述热流体输送管道上依次设有补燃装置、蓄热装置。
[0013]进一步的，前述蓄热装置内部填充熔盐材料，所述热流体输送管道穿过所述蓄热装置，并且被所述熔盐材料包裹。
[0014]进一步的，前述熔盐材料的相变温度与所述传热流体在所述塔式太阳能集热器中被加热后达到的温度相同。
[0015]进一步的，前述传热流体在所述塔式太阳能集热器中被加热后达到的温度为500-600。。。
[0016]进一步的，前述补燃装置与所述循环栗之间设有与所述塔式太阳能集热器并联的热流体输送管道，且该热流体输送管道上设有用于控制其通断的第二阀门；所述补燃装置与所述塔式太阳能集热器之间的热流体输送管道上设有用于控制其通断的第一阀门。
[0017]进一步的，前述自由活塞斯特林发电机包括自由活塞斯特林发动机和被所述自由活塞斯特林发动机驱动的直线发电机。
[0018](三)有益效果
[0019]本发明的上述技术方案具有以下有益效果:
[0020]本发明提供的一种塔式聚光太阳能斯特林发电系统，由塔式太阳能集热器、循环栗和自由活塞斯特林发电机通过热流体输送管道依次连通并构成发电回路;塔式太阳能集热器通过反射太阳光对发电回路中的传热流体加热，循环栗驱动传热流体在发电回路中循环流动，自由活塞斯特林发电机将被加热的传热流体传递的热能转化为电能。该塔式聚光太阳能斯特林发电系统将塔式太阳能集热器与自由活塞斯特林发电机有效结合在一起。塔式太阳能集热器由于具有较高的聚光比，可以获得较高的集热温度，这有助于提高整个系统的热电效率。因此，与自由活塞斯特林发电机结合可以形成一套结构简单、安装便利、建造灵活、建造周期短的高效塔式聚光太阳能斯特林发电系统。
[0021]本发明提供的一种塔式聚光太阳能斯特林发电系统，采用的自由活塞斯特林发电机做为一种新型热发电装置，具有可靠性好、功率灵活、效率高、对环境友好等特点。自由活塞斯特林发动机采用类斯特林循环的热力学循环，是当今效率最高的发动机之一，其理论效率等于卡诺效率。另一方面，自由活塞斯特林发动机由于取消了曲柄连杆等高温端运动部件而具有更高的可靠性。这些特点使整个塔式聚光太阳能斯特林发电系统运行稳定可靠、同时具有较高的热电效率。
[0022]本发明提供的一种塔式聚光太阳能斯特林发电系统，既可以单台小功率工作，又可以多台联合实现大功率工作，具有灵活的输出功率，可根据实际的需要而设定，并且灵活应用于不同的场合。
【附图说明】
[0023]图1为本发明实施例一塔式聚光太阳能斯特林发电系统的结构示意图；
[0024]图2为本发明实施例二塔式聚光太阳能斯特林发电系统的结构示意图。
[0025]其中，1:自由活塞斯特林发电机;2:循环栗;3:膨胀槽;4:塔式太阳能集热器;5:补燃装置;6:蓄热装置;7:热流体输送管道;8:水冷器;9:回热器；10:加热器；11:膨胀腔；12:排出器；13:压缩腔；14:动力活塞；15:电机动子:16:直线发电机；17:板簧；18:第一阀门；19:第二阀门。
【具体实施方式】
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]实施例一
[0030]如图1所示，本实施例提供的一种塔式聚光太阳能斯特林发电系统，包括塔式太阳能集热器4、循环栗2和自由活塞斯特林发电机I，热流体输送管道7用以将系统中所有部件连接起来，塔式太阳能集热器4、循环栗2和自由活塞斯特林发电机I通过热流体输送管道7依次连通并构成发电回路。
[0031]本实施例中，采用集热温度较高的塔式太阳能集热器4，塔式太阳能集热器4通过反射太阳光对发电回路中的传热流体加热，使传热流体的运行温度在500-600 °C之间，可有效提尚系统效率。
[0032]循环栗2设置于热流体输送管道7上面，并且循环栗2驱动传热流体在发电回路中循环流动，为自由活塞斯特林发电机I提供热能，实际应用中，可以根据热流体输送管道7中选取的传热流体选择合适的循环栗2型号。
[0033]自由活塞斯特林发电机I将被加热的传热流体传递的热能转化为电能，其工作原理为先将传热流体传递的热能转化为振荡波形式的机械能(声能)，然后再将该机械能转化为电能。
[0034]传热流体包括熔融盐或者超临界水。熔融盐为以硝酸盐为主要组分的混合盐。需要说的是，以硝酸盐为主要组分的混合盐具有较低的熔点，运行时可保持为液体状态。采用熔融盐做为传热流体，可有效降低系统的操作压力和安全要求、提高系统和设备的可靠性。此时循环栗2可选择高温熔盐栗。当采用超临界水做为传热流体时，系统需要较高的运行压力，此时循环栗2可选择高温高压水栗。由于与熔融盐相比，超临界水的价格比较低廉，同时超临界水还具有更高的比热容和热导率的特点，因此，本实施例中传热流体优选为超临界水。但是，实际应用中可根据具体情况选择合适的传热流体。
[0035]塔式太阳能集热器4与循环栗2之间的热流体输送管道7上设置膨胀槽3，用以缓冲传热流体因温度波动而发生的体积变化。
[0036]塔式太阳能集热器4与自由活塞斯特林发电机I之间的热流体输送管道7上设有补燃装置5和蓄热装置6，其作用是保证整个系统连续、稳定地运行。当遇到连续阴雨天气等光照长时间不足的情况时，补燃装置5可通过燃烧化石燃料为整个发电系统提供热能，保证整个系统能够连续、稳定地运行。蓄热装置6内部填充熔盐材料，热流体输送管道7穿过蓄热装置6，并且被熔盐材料包裹。熔盐材料为以碳酸盐为主的混合盐，主要蓄热方式为相变蓄热，熔盐材料的相变温度与传热流体在塔式太阳能集热器4中被加热后达到的温度相同，即熔盐材料的相变温度与传热流体在塔式太阳能集热器4中被加热后达到的温度同为500-600Γ。
[0037]实际应用中，可以根据自由活塞斯特林发电机I的设计工况，选择合适的熔盐材料。其具体的工作原理为:在阳光充足的时候将多余的热量储存起来，在光照条件不佳的时候释放热量。同时相变蓄热的方式还能使传热流体保持相对稳定的温度，这有利于自由活塞斯特林发电机I稳定、高效地运行。
[0038]优选的，本实施例中被熔盐材料包裹的热流体输送管道7为蛇形管路，蛇形管路可以在一定的面积内，增大热流体输送管道7与熔盐材料的接触面积，更有利于热流体输送管道7与熔盐材料进行传热。
[0039]本实施例中，补燃装置5与循环栗2之间设有与塔式太阳能集热器4并联的热流体输送管道7，且该热流体输送管道7上设有用于控制其通断的第二阀门19;补燃装置5与塔式太阳能集热器4之间的热流体输送管道7上设有用于控制其通断的第一阀门18，使得系统可以根据实际情况在不同运行模式之间灵活切换。该与塔式太阳能集热器4并联的热流体输送管道7的作用是保证整个系统连续、高效地运行。具体的切换方法为:当白天光照充足的时候，打开第一阀门18，关闭第二阀门19，塔式太阳能集热器4为整个系统提供热能，蓄热装置6用以储存塔式太阳能集热器4收集的多余热量;晚上光照不足的时候，关闭第一阀门18，打开第二阀门19，蓄热装置6通过释放储存的热量，为整个系统提供热能；当遇到连续阴雨天气等光照长时间不足的情况时，关闭第一阀门18，打开第二阀门19，同时启动补燃装置5，通过燃烧化石燃料为整个系统提供热能。
[0040]自由活塞斯特林发电机I包括自由活塞斯特林发动机和被自由活塞斯特林发动机驱动的直线发电机，具有可靠性好，效率高，环境友好等特点。
[0041]具体的为，自由活塞斯特林发电机I包括水冷器8、回热器9、加热器10、膨胀腔11、排出器12、压缩腔13、动力活塞14、直线发电机16和板簧17，直线发电机16包括电机动子15。排出器12与动力活塞14之间形成压缩腔13，排出器的一端连接膨胀腔11，另一端穿过压缩腔13与板簧17连接。加热器10、回热器9和水冷器8沿膨胀腔11向压缩腔13的方向依次设置。压缩腔13与板簧17之间设有动力活塞14，动力活塞14套设于排出器12上，用以驱动直线发电机16的电机动子15发生振荡，进而对外输出电功。
[0042]本实施例的具体工作原理为:传热流体沿着热流体输送管道7流过加热器10提供热能，使加热器10处保持高温环境。水冷器8处则保持室温环境。加热器10处的高温环境与水冷器8处的室温环境使回热器9内维持一定的温度梯度，导致回热器9内的气体与固体之间产生热声效应，将传热流体携带的热能转换为声波形式的机械能(声功)；声功流入膨胀腔11后，驱动动力活塞14发生振荡，并由动力活塞14带动电机动子15发生振荡，使得直线电机对外输出电功。排出器12与板簧17可以实现对声波相位的调节。
[0043]实际应用中，可根据不同的频率需求，选择合适的排出器12与板簧17。
[0044]实施例二
[0045]如图2所示，本实施例提供的一种塔式聚光太阳能斯特林发电系统，其原理与实施例一相同，结构与实施例一相似，区别仅在于:本实施例中，补燃装置5与循环栗2之间不设置与塔式太阳能集热器4并联的热流体输送管道7，且补燃装置5与塔式太阳能集热器4之间的热流体输送管道7上不设置用于控制其通断的第一阀门18。
[0046]其具体的工作方式为:当白天光照充足的时候，塔式太阳能集热器4为整个系统提供热能，蓄热装置6用以储存塔式太阳能集热器4收集的多余热量;当晚上光照不足的时候，蓄热装置6通过释放储存的热量，为整个系统提供热能；当遇到连续阴雨天气等光照长时间不足的情况时，启动补燃装置5，通过燃烧化石燃料为整个系统提供热能。与实施例一相比，本实施例结构更加简单，操作也更加方便，虽然光照不足的时候，传热流体需要流经塔式太阳能集热器4，这会增加沿程阻力以及热量损失，但是该热量损失较小，不影响本实施例对大部分场合的需求的提供，且本实施例具有结构更加简单、操作更加方便的优点。
[0047]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。
【主权项】
1.一种塔式聚光太阳能斯特林发电系统，其特征在于，包括塔式太阳能集热器、循环栗和自由活塞斯特林发电机，所述塔式太阳能集热器、循环栗和自由活塞斯特林发电机通过热流体输送管道依次连通并构成发电回路;所述塔式太阳能集热器通过反射太阳光对发电回路中的传热流体加热，所述循环栗驱动所述传热流体在所述发电回路中循环流动，所述自由活塞斯特林发电机将被加热的所述传热流体传递的热能转化为电能。2.根据权利要求1所述的塔式聚光太阳能斯特林发电系统，其特征在于，所述传热流体包括熔融盐或者超临界水。3.根据权利要求2所述的塔式聚光太阳能斯特林发电系统，其特征在于，所述熔融盐为包括硝酸盐的混合盐。4.根据权利要求2所述的塔式聚光太阳能斯特林发电系统，其特征在于，所述塔式太阳能集热器与所述循环栗之间的所述热流体输送管道上设置膨胀槽。5.根据权利要求4所述的塔式聚光太阳能斯特林发电系统，其特征在于，所述塔式太阳能集热器与所述自由活塞斯特林发电机之间的所述热流体输送管道上依次设有补燃装置、蓄热装置。6.根据权利要求5所述的塔式聚光太阳能斯特林发电系统，其特征在于，所述蓄热装置内部填充熔盐材料，所述热流体输送管道穿过所述蓄热装置，并且被所述熔盐材料包裹。7.根据权利要求6所述的塔式聚光太阳能斯特林发电系统，其特征在于，所述熔盐材料的相变温度与所述传热流体在所述塔式太阳能集热器中被加热后达到的温度相同。8.根据权利要求7所述的塔式聚光太阳能斯特林发电系统，其特征在于，所述传热流体在所述塔式太阳能集热器中被加热后达到的温度为500-600°C。9.根据权利要求5所述的塔式聚光太阳能斯特林发电系统，其特征在于，所述补燃装置与所述循环栗之间设有与所述塔式太阳能集热器并联的热流体输送管道，且该热流体输送管道上设有用于控制其通断的第二阀门；所述补燃装置与所述塔式太阳能集热器之间的热流体输送管道上设有用于控制其通断的第一阀门。10.根据权利要求1所述的塔式聚光太阳能斯特林发电系统，其特征在于，所述自由活塞斯特林发电机包括自由活塞斯特林发动机和被所述自由活塞斯特林发动机驱动的直线发电机。
【文档编号】F02G1/043GK105840342SQ201610187853
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】罗二仓, 李潜葛, 吴张华, 余国瑶, 戴巍
【申请人】中国科学院理化技术研究所