专利名称：一种昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能发电装置，特别涉及一种基于液态金属输送热量化学储能 的昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置。
背景技术：
目前，由于能源短缺，低品位能源如工厂余热、汽车尾气余热等，以及可再生能源 如太阳能、风能等的利用，受到了前所未有的重视。然而，此方面还存在诸多技术障碍制约 其推向大规模实际应用，其中最关键的环节之一是必须发展效率高、使用方便、经济、自给 自足的能源产生体系。当前的太阳能发电中，利用光电池产生电力是最为重要的模式之一。此种发电方 式依靠的基本结构是光电薄膜电池，但现有盛行的太阳能光电池还普遍存在转换效率和功 率密度偏低等不理想之处；现有的热发电技术大多只能在白天有阳光的前提下工作，在应 用上受到一定局限；为使太阳能发电系统实现全天候工作，必须引入储能环节，以便在有阳 关的情况下储存部分热能，满足夜晚无阳光时的发电需求。连续太阳能热发电涉及发电、聚热和蓄热两个关键环节。在显热、相变和化学反 应三种热量储存方法中，显热储存已发展到商业开发水平，但由于储能密度低，装置体积庞 大，有一定局限性。而化学反应储热具有储能密度高，可长期储存，使用催化剂容易控制释 放高温热能等优点，是一种有效的太阳能高温储热方式，且成本相对较低。近年来，各国学 者对热化学储能体系做了大量的研究工作。有关进展体现为如采用CaO、H2O和Ca(OH)2可 逆反应体系的储热方法，氨闭合回路热化学过程储热方法，有机液态化合物储氢储热技术， 以及利用其它可逆化学反应实现储热及放热。其中一些方法已比较成熟并在工业上得到普 遍应用。在热发电技术方面，国际上围绕斯特林发电技术的研究已开展二十多年。当前，人 们已成功实现千瓦级电功输出的太阳能斯特林发电机，并将热源扩展到生物燃料等方面。 自由活塞式斯特林发电系统有着较高的热电效率，但是目前大规模实用化仍然存在着成本 高、可靠性偏低等障碍，主要原因在于自由活塞式斯特林发动机在高温端仍存在“排出器” 的运动部件。热声斯特林发动机的出现很好地解决了上述不足，它更注重太阳能发电技术 的实用化。与传统的斯特林发动机通过控制两个活塞或活塞与排出器间的运动来调节回热 器所在位置的压力波动与速度波动间合适的相位关系不同，热声斯特林发动机利用管道的 声学特性来实现上述相位关系，从而彻底消除了高温端(通常在500-650°C之间)的运动部 件，其可靠性得以提高，成本也大为降低。另一方面，热声发动机可在冷热端温差较小(约 IOO0C )的情形下工作，具有很好的热源适应性，它可以利用太阳能、地热等洁净能源，也可 以利用各种形式的燃料与工业废热；此外，热声发动机通常采用氦气、氮气、液态金属等作 为工质，安全环保。这些优点使得热声发动机能满足现阶段对能源及环境的要求，有着较好 的应用前景与经济效益。总体上，热声斯特林发动机没有机械运动部件，与传统的斯特林发动机相比具有可靠性高、制作成本低的优点，同时又保持了传统斯特林发动机高效率的优点，是热发电方 面的理想方案之一。较为成熟的太阳热发电技术有斯特林循环发电技术、蒸汽循环发电技 术等。太阳能驱动的塔式蒸汽循环发电技术与传统的火力发电相似，但以太阳能为热源，适 合于大型集中式太阳能发电系统(兆瓦级以上)，不能满足小型分布式发电的需要。另一方 面，由于到达地面的太阳能的昼夜间断性和气候造成的不稳定性，它在地球表面的能量密 度很低、通常每平方米不到一千瓦。为弥补太阳能不能稳定、持续地供应的缺陷，需要将太 阳能储存起来，在其不足时再释放出来，从而满足生产和生活用能连续和稳定供给的需要。 因而在实现太阳能高效率热发电的同时，储能式太阳能热发电具有十分显著的应用价值， 亟待大力开发。此外，要将吸热、储热及发电系统有机地联系起来，必须依赖于某种热量传输环 节，在现有的典型方法中，人们普遍采用液冷、热管等实现各能量单元间热量的分配、传输 和利用。但这些方法均存在可靠性不高、传热效率低等不足。与此相比，低熔点金属由于引 入了热导率远高于常规流体的金属流体，因而传热效率得以显著提升，且易于采用无运动 部件的电磁泵驱动，由此可实现高效可靠的热量传输。为实现太阳能的高效连续发电，本发明提供一种利用液态金属传热，可储存白天 太阳能，而到晚上再予以释放利用的化学储能式24小时不间断热声斯特林发电装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种24小时不间断太阳能热声斯特林发电装置。由于该 装置在白天利用液态金属将来自太阳能的热量输送到发电机和储能器，晚上再将储能器产 生的热量输送到发电装置，从而可以实现24小时不间断发电，并且是一种自维持型太阳能 发电装置。本发明的技术方案如下本发明提供的昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置，其包括一太阳能聚光器；一位于所述太阳能聚光器正下方的太阳能吸热器；一化学储能装置；一热声斯特林发电机；和一液体金属传热系统；所述液体金属传热系统包括一与所述太阳能吸热器接触相连的吸热换热器，所述吸热换热器由吸热换热器基 底及设于所述吸热换热器基底内的第一中空流道组成；一与所述热声斯特林发电机的高温端接触相连的发电机热头换热器，所述发电机 热头换热器由发电机热头换热器基底及设于所述发电机热头换热器基底内的第二中空流 道组成；一与所述化学储能装置接触相连的化学储能换热器，所述化学储能换热器由化学 储能换热器基底及设于所述化学储能换热器基底内的第三中空流道组成；和一电磁泵；所述电磁泵由泵体和设于所述泵体内的第四中空流道及安装于第四中 空流道内的电磁阀组成；
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所述第一中空流道、第二中空流道、第三中空流道和第四中空流道通过连接管道 依次相连通并形成循环流道，所述循环流道内装有液体金属流体10。所述的电磁阀包括一对分别镶嵌于所述泵体的第四中空流道的一相对的壁面上的片状电极片；分别嵌装于所述泵体上表面和下表面上的片状磁体；所述片状磁体覆盖所述第四 中空流道；所述片状磁体大平面与所述片状电极大平面相互垂直；所述片状电极片的电极弓丨线与一外电源电连接。所述化学储能装置为基于Ca0、H20和Ca (OH) 2储能装置，氨闭合回路热化学反应储 能(热)装置，有机液态化合物储氢储热装置等。均属于现有储能技术中的典型方案。所述热声斯特林发电机为带谐振管的热声斯特林发电机。所述的太阳能聚光器为太阳灶。所述的太阳能吸热器为太阳能集热器。所述的液体金属为镓、钠、钾、水银、镓铟合金、镓铟锡合金或钠钾合金。所述吸热换热器基底、发电机热头换热器基底和化学储能换热器基底及连接管道 的材质均为不锈钢、金刚石、铜、塑料、有机玻璃或聚合物材质。所述第一中空流道、第二中空流道、第三中空流道和第四中空流道的纵截面形状 均为矩形、正方形、三角形、多边形或圆形，其长度在1毫米到5000厘米之间。本发明使用的太阳能聚光器可采用现有的任何一种聚光器方式实现，技术相对成 熟，相应装置可从市场购置或委托加工。本发明使用的太阳能吸热器；用于吸收来自太阳能聚光器的热量，也是目前太阳 能集热器市场中比较成熟的技术，可以直接委托加工。本发明使用的化学储能装置；所述化学储能装置可采用现有的任何一种化学储热 方式实现，如采用基于Ca0、H20和Ca(0H)2储能装置，氨闭合回路热化学反应储能(热)装 置，有机液态化合物储氢储热装置等。均属于现有储能技术中的典型方案，可直接选用。本发明使用的热声斯特林发电机可为带谐振管的热声斯特林发电机，其高温端接 受来自液体金属的热量，低温端则处于环境中，于是在两端温度处于特定温差的情况下即 可输出电力。本发明的液体金属传热系统的循环流道上带有多个换热器，分别与太阳能吸热 器、热声斯特林发电器及化学储能器表面接触，用于将来自高温热源如太阳能吸热装置或 储能装置的热量释放到热声斯特林发电装置的高温端，提供用以发电的热能。迄今，国内外尚无通过集液体金属传热、热声斯特林发电及化学储能于一体的不 间断太阳能发电方式，该装置在太阳能发电领域有重要应用价值。本发明充分利用了热声斯特林发电、化学储能的特点及液体金属的高效传热的优 势，突破了传统太阳能发电器产电装置存在间断、热管理系统复杂等不利，由此可确保实现 高效的低品位热能的全天候利用。本发明所提供的利用液态金属传热的化学储能式热声斯特林发电装置的工作原 理是这样实现的，在白天阳光充足的情况下，采用太阳能聚光器获得密度较高的热流，由太 阳能吸热器吸收热量，再借助液体金属优异的传热能力，将热量持续不断地传输到热声斯
6特林发电装置高温端，继而产生电力；与此同时，由液体金属携带的部分热量将被化学储能 装置吸收并存储起来。夜间无太阳光时，化学储能装置开始借助化学反应放热，于是同样基 于液态金属的高效传热能力，再将化学储能器释放的热量通过流体循环的方式传送到热声 斯特林发电高温端，同样可以产生电力；当然，为实现昼夜高温系统热量的高效利用，液体 金属在传热系统循环通路中的流动方向可根据需要予以切换，以减少热量向环境的散失。 可见，通过本发明提供的三位一体的高效储热、吸热及传热过程，可以实现太阳能24小时 不间断发电。本发明提供的发电系统中，所有的能量来源均来自太阳能(当然也可用于工 厂余热回收等场合)，而且是一种自维持、自适应型装置；本发明中的能量传输介质为液体 金属，易于采用电磁驱动，功耗低。本发明的关键之处在于首次引入了化学储能、热声发电以及超强液体金属热管理 的集成思想，从而使得可方便地实现太阳能连续发电；所需能源全部来自热能，在太阳能乃 至更多余热利用场合中具有独特价值。迄今，类似方案在各种专利文献及论著中均未见报道。本发明所提供的利用液态金属传热的化学储能式热声斯特林发电装置优点在于 集聚热、储热及热发电于一体，实现连续发电(是一种昼夜不间断发电的太阳能热声斯特 林发电装置)；采用液态金属传热，效率高，功耗低；结构紧凑。
附图1为本发明的结构示意图；附图2为电磁泵91的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明。图1为本发明的结构示意图，也是本发明的一个实施例；附图2为电磁泵91的结 构示意图；由图可知，本发明提供的昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置，其包 括一太阳能聚光器1 ；一位于所述太阳能聚光器1正下方的太阳能吸热器2 ；一化学储能装置3;一热声斯特林发电机4 ；和一液体金属传热系统5 ；所述液体金属传热系统5包括一与所述太阳能吸热器2接触相连的吸热换热器6，所述吸热换热器6由吸热换热 器基底及设于所述吸热换热器基底内的第一中空流道组成；一与所述热声斯特林发电机4的高温端接触相连的发电机热头换热器7，所述发 电机热头换热器7由发电机热头换热器基底及设于所述发电机热头换热器基底内的第二 中空流道组成；—与所述化学储能装置3接触相连的化学储能换热器8，所述化学储能换热器8由 化学储能换热器基底及设于所述化学储能换热器基底内的第三中空流道组成；和
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一电磁泵9;所述电磁泵9由泵体91和设于所述泵体91内的第四中空流道及安 装于第四中空流道内的电磁阀组成；所述第一中空流道、第二中空流道、第三中空流道和第四中空流道通过连接管道 依次相连通并形成循环流道，所述循环流道内装有液体金属流体10。。所述的电磁阀包括一泵体 91;一对分别镶嵌于所述第四中空流道的一相对的壁面上的片状电极片92 ；分别嵌装于所述泵体91上表面和下表面上的片状磁体93 ；所述片状磁体93覆盖 所述第四中空流道；所述片状磁体93大平面与所述片状电极92大平面相互垂直；所述片状电极片92的电极引线31与一外电源电连接。所述化学储能装置3为基于Ca0、H20和Ca (OH) 2储能装置，氨闭合回路热化学反应 储能(热)装置，有机液态化合物储氢储热装置等。均属于现有储能技术中的典型方案。所述热声斯特林发电机4为带谐振管的热声斯特林发电机。所述的太阳能聚光器1为太阳灶。所述的太阳能吸热器2为太阳能集热器。所述的液体金属10为镓、钠、钾、水银、镓铟合金、镓铟锡合金或钠钾合金。所述吸热换热器基底、发电机热头换热器基底和化学储能换热器基底及连接管道 的材质均为不锈钢、金刚石、铜、塑料、有机玻璃或聚合物材质。所述第一中空流道、第二中空流道、第三中空流道和第四中空流道的纵截面形状 均为矩形、正方形、三角形、多边形或圆形，其长度在1毫米到5000厘米之间。本发明的电磁阀也可选用下述结构的电磁阀，即其包括一对分别镶嵌于所述泵 体91内的第四中空流道的一相对的壁面上的片状电极片92 ；分别嵌装于所述泵体91上表 面和下表面上的片状磁体93 ；所述片状磁体93覆盖所述第四中空流道；所述片状磁体93 大平面与所述片状电极92大平面相互垂直；所述片状电极片92的电极引线与一外电源电 连接(此种结构已披露在本申请人申请号为200810118028. X的专利申请中)。本发明的太阳能聚光器1可采用现有的任何一种聚光器方式实现，本实施例选用 传统的太阳灶(其较高较佳)，技术比较成熟，相应装置可从市场购置或委托加工；也可直 接从市场购买基本元件后，组合成聚光器。本发明的太阳能吸热器2 (本实施例选用太阳能集热器)用于吸收来自太阳能聚 光器1的热量，相应系统可采用目前太阳能集热器市场中比较成熟的技术实现，也可直接 委托加工；也可直接从市场购买基本元件后，组合成吸热器。本发明的化学储能装置3可采用现有的任何一种化学储热方式实现，如采用基于 Ca0、H20和Ca(0H)2储能装置，氨闭合回路热化学反应储能(热)装置，有机液态化合物储 氢储热装置等。均属于现有储能技术中的典型方案，可直接选用。本发明的热声斯特林发电装置4可为行波热声发电机、变截面聚能型热声斯特林 发电机或者带谐振管的热声斯特林发电装，是领域内近期已实现的技术，可基于现有技术 委托加工或自行制作，其高温端接受来自液体金属的热量，低温端则处于环境中，于是在两 端温度处于特定温差的情况下即输出电力；
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本发明的液体金属传热系统5的循环流道上依次串有多个换热器(吸热换热器6、 发电机热头换热器7和化学储能换热器8)它们分别与太阳能吸热器2、热声斯特林发电装 置4及化学储能装置3表面接触，用于将来自高温热源如太阳能吸热器或储能装置的热量 释放到热声斯特林发电装置4的高温端，提供发电的热能。本发明为一种结合了化学储能、热声斯特林发电及引入超强液体金属冷却的热发 电装置。在白天阳关充足的情况下，来自太阳能聚光器1的高密度热流，被太阳能吸热器2 吸收并储存，再借助液体金属10优异的传热能力，将热量持续不断地传输到热声斯特林发 电装置4高温端，继而产生电力；与此同时，由液体金属10携带的部分热量将被化学储能 装置3吸收并存储起来。夜间无太阳光时，此时化学储能装置3开始放热，于是同样基于液 态金属10的高效传热能力，再将化学储能装置3释放的热量通过流体循环的方式传送到热 声斯特林发电装置4高温端，同样可以产生电力；当然，为实现昼夜高温系统热量的高效利 用，液体金属在传热系统循环通路中的流动方向可根据需要予以切换，以减少热量向环境 的散失。可见，通过本发明提供的三位一体的储热、吸热及传热过程，可以实现太阳能24小 时不间断发电。本发明提供的发电系统中，所有的能量来源均来自太阳能(当然也可用于 工厂余热回收等场合)，而且是一种自维持型装置；本发明中的能量传输介质为液体金属 10，易于采用无运动部件的电磁泵9驱动，体积小，功耗低。本发明中对于毫、微米级的管道内微孔或槽可通过现有技术加工出。目前的进展 已使得加工由多个水力学直径在lOnm到10 u m3之间的微管道成为可能。这些槽道可制作 在硅、金属或其它合适材料的薄片上。这些技术保证了本传热装置的加工。比如，制作散热 器的流道时，若所要求的管道尺寸较小(如在数十微米量级)，则需采用一些微/纳米加工 技术如LIGA技术、激光打孔等在散热器基底1，2 (可为金属如铝或半导体硅等)上按一定 管道方式加工出一系列微型槽或孔道。若管道尺寸很大(如毫米到厘米量级)，则采用常规 方法如机加工或电加工即可做出。整个制造工艺并不复杂。为达到较好的散热效果，一般用作本发明的液体金属10或其合金应满足如下要 求无毒，对所接触材料不起腐蚀及化学作用，在高温下不发生化学反应；便于获取；具有 一定的热稳定性；比热、热导率和热扩散率要高，因而在传递一定的热量时，可使流量小，传 热迅速。工质应与结构材料相容，所选工质应不能造成对换热器系统部件产生腐蚀和锈化 等影响使用寿命的不利因素，此外，工质还应具有较大的熔化潜热和较小的粘性系数。本发明具有很多优点，首先，首次结合了化学储能、热声斯特林发电及引入超强的 液体金属冷却，从而将可于24小时内随时确保发电装置始终处于最佳工作高温，由此实现 了太阳能高效连续的电能输出；该方案一改传统热发电技术中热能利用存在不连续性，而 热量传输效率低及管理系统比较复杂的不利，且所有能源全部来自热能，因而整套结构是 一种自维持、自适应型高效发电装置。这种集成方式，使得太阳能热发电成为比较现实的技 术。整个散热器内液体金属的循环过程是封闭的，不会对环境造成影响，因而具有明显的环 保性。这种装置在节能、发展清洁能源乃至建立分布式发电等方面有重要意义。本发明提供的发电装置内，机械运动部件极少，因而较之现有的风能发电、太阳热 蒸汽能发电，整套装置的结构更简单，可靠性更高，维护方便，且噪音较低，太阳能总体利用 效率高。本发明的发电系统可方便地实现高效的热能发电。以实施例1为例，使用本发明专利的方式如下使用时，只需将该发电系统置于阳关充足的地方甚至是工厂余热排除口、 汽车尾喷管等温度较高的地方，即可实现电力输出，从而满足各方面的电力需求。当然，在 长期缺乏阳光的情况下，也可通过在吸热模块中心设置燃料如各种常规燃料(石油、天然 气、生物质等)提供热源，同样可连续地提供电能输出，所以本发明具有很好的适应性。一 般有阳光的情况下，根据用户使用当地的太阳能特点，调整好太阳能聚焦器1的相对位置； 于是，随着太阳能的作用，发电装置4的热端温度开始上升当其两端维持在一个合适的工 作温度水平和温差，于是整套装置即可持续稳定地输出电能。 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方 案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
权利要求
一种昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置，包括一太阳能聚光器；一位于所述太阳能聚光器正下方的太阳能吸热器；一化学储能装置；一热声斯特林发电机；和一液体金属传热系统；所述液体金属传热系统包括一与所述太阳能吸热器接触相连的吸热换热器，所述吸热换热器由吸热换热器基底及设于所述吸热换热器基底内的第一中空流道组成；一与所述热声斯特林发电机的高温端接触相连的发电机热头换热器，所述发电机热头换热器由发电机热头换热器基底及设于所述发电机热头换热器基底内的第二中空流道组成；一与所述化学储能装置接触相连的化学储能换热器，所述化学储能换热器由化学储能换热器基底及设于所述化学储能换热器基底内的第三中空流道组成；和一电磁泵；所述电磁泵由泵体和设于所述泵体内的第四中空流道及安装于第四中空流道内的电磁阀组成；所述第一中空流道、第二中空流道、第三中空流道和第四中空流道通过连接管道依次相连通并形成循环流道，所述循环流道内装有液体金属流体。
2.按权利要求1所述的昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置，其特征在于， 所述的电磁阀包括一对分别镶嵌于所述泵体的第四中空流道的一相对的壁面上的片状电极片； 分别嵌装于所述泵体上表面和下表面上的片状磁体；所述片状磁体覆盖所述第四中空 流道；所述片状磁体大平面与所述片状电极大平面相互垂直； 所述片状电极片的电极弓丨线与一外电源电连接。
3.按权利要求1所述的昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置，其特征在于， 所述化学储能装置为基于Ca0、H20和Ca (OH) 2储能装置，氨闭合回路热 化学反应储能装置或 有机液态化合物储氢储热装置等。
4.按权利要求1所述的昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置，其特征在于， 所述热声斯特林发电机为带谐振管的热声斯特林发电机。
5.按权利要求1所述的昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置，其特征在于， 所述的太阳能聚光器为太阳灶。
6.按权利要求1所述的昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置，其特征在于， 所述的太阳能吸热器为太阳能集热器。
7.按权利要求1所述的昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置，其特征在于， 所述的液体金属为镓、钠、钾、水银、镓铟合金、镓铟锡合金或钠钾合金。
8.按权利要求1所述的昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置，其特征在于， 所述吸热换热器基底、发电机热头换热器基底和化学储能换热器基底及连接管道的材质均 为不锈钢、金刚石、铜、塑料、有机玻璃或聚合物。
9.按权利要求1所述的昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置，其特征在于， 所述第一中空流道、第二中空流道、第三中空流道和第四中空流道的纵截面形状均为矩形、 正方形、三角形、多边形或圆形，其长度为1毫米 5000厘米。
全文摘要
一种昼夜不间断发电的太阳能热声斯特林发电装置包括太阳能聚光器、太阳能吸热器、化学储能装置、热声斯特林发电机和液体金属传热系统；传热系统包括由基底及设于基底内的第一中空流道组成的吸热换热器位于太阳能聚光器下方；由基底及设于基底内的第二中空流道组成的发电机热头换热器与热声斯特林发电机高温端接触；由基底及设于基底内的第三中空流道组成的化学储能换热器与化学储能装置接触；由泵体和设于泵体内的第四中空流道及装于该流道内的电磁阀组成的电磁泵；第一、第二、第三和第四流道通过管道依次连通并形成循环流道，流道内装液体金属流体；能确保24小时不间断供电，是一种自维持、自适应型高效低品位热发电装置，且节能环保。
文档编号H02N11/00GK101867331SQ200910082398
公开日2010年10月20日 申请日期2009年4月15日 优先权日2009年4月15日
发明者傅文甫, 刘静, 罗二仓 申请人:中国科学院理化技术研究所