CN107061203A - 一种太阳能斯特林发电*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能斯特林发电***，包括碟式聚光器、太阳集热器、储能装置以及斯特林发电机；所述碟式聚光器用于反射汇聚太阳光；所述太阳集热器用于吸收太阳辐射并将太阳能转变为热能；所述太阳集热器与所述储能装置采用柔性高温热管连接；所述储能装置与斯特林发电机采用接触连接。本发明提供的太阳能斯特林发电***通过在整体结构上将太阳集热器与储热装置、斯特林发电机分开布置，采用柔性热管将热将太阳集热器与储能装置连接，实现了太阳集热器与储能装置、斯特林发电机的分离，使得储能装置的质量和尺寸不受限制，可实现大容量热量的储存，更适宜用于储能式大功率斯特林发电***。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能发电技术领域，特别是一种太阳能斯特林发电***。
背景技术
随着全球能源消耗的不断增加以及石油等不可再生能源的日益减少，能源短缺已经成为影响人们生活和制约社会发展的重大问题，世界各国都在设法增加对可再生能源的开发和利用。在种类众多的可再生能源中，太阳能资源非常丰富，对太阳能的开发和利用非常重要，尤其是对太阳能发电技术的开发和利用。
在太阳能发电技术中，聚光式太阳能斯特林发电因其具有较高的发电效率而得到了大量的研究，应用前景较好。与传统发电站不一样的是，聚光式太阳能斯特林发电是通过聚集太阳辐射获得热能，直接利用热能驱动斯特林机进行发电。当前，聚光式太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为：塔式太阳能斯特林发电、槽式太阳能斯特林发电、碟式太阳能斯特林发电。碟式储能式太阳能斯特林发电***是目前利用率最高的太阳能利用装置，具有环保、清洁无污染、运行成本低的特点；与太阳能光伏发电相比，其太阳能转换效率高、无需逆变装置、***寿命长的特点，而且通过设计合理的储热装置就可实现二十四小时不间断发电，可在缺水、日照时间长的地区广泛应用使用。相比于槽式***和塔式***，带储能的碟式***能提高土地资源的综合利用率，例如坡地、公路隔离带、楼宇顶层、海岛等。随着斯特林发电机技术的进步，大功率斯特林发电机在太阳能发电***中得到广泛应用。
然而，目前广泛采用的一体式太阳能储热式斯特林发电***将集热、储热、发电***集成起来分布于碟式聚光板的聚光点处，这样的发电***已经难以满足未来的大容量储热及持续不间断发电的需求。虽然，通过增加一体式储热发电装置的尺寸和质量能够实现大功率长时间的储能，但是会对整个***产生很多不利影响：储热发电装置尺寸增加会减少碟式聚光器的受光面积，降低***聚光效率，储热发电装置的质量增加提高了太阳光照追踪***的负荷，并使得整个***重心提升，不利于整个装置的安装、维修以及力学稳定性。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种太阳能斯特林发电***。
本发明实施例提供的一种太阳能斯特林发电***，包括碟式聚光器、太阳集热器、储能装置以及斯特林发电机；所述碟式聚光器用于反射汇聚太阳光；所述太阳集热器用于吸收太阳辐射并将太阳能转变为热能；所述太阳集热器与所述储能装置采用柔性高温热管连接；所述储能装置与斯特林电机采用接触连接。
进一步地，所述储能装置包括箱体、相变储能材料、隔热层以及粗热管；所述箱体的两个端面分别为热量入口端面和热量出口端面，所述热量入口端面设有热量入口，所述热量出口端面采用导热性能良好的金属板材制成；所述相变储能材料设于所述箱体的内部；所述粗热管设于所述箱体中轴线位置并贯穿所述箱体；所述粗热管中设有液体工质；所述隔热层设于所述箱体的热量入口端面与所述相变储能材料之间，以及所述粗热管与所述相变储能材料之间。
进一步地，所述储能装置中设有细热管，所述细热管的第一端与所述箱体的热量出口端面连接，所述细热管的第二端设于所述相变储能材料内，所述细热管中设有液体工质。
进一步地，所述储能装置以及所述斯特林发电机均设于所述碟式聚光器的背面。
进一步地，所述相变储能材料包括熔融盐类。
进一步地，所述粗热管中的液体工质的蒸发温度高于所述相变储能材料的熔点。
进一步地，所述细热管中的液体工质的蒸发温度低于相变储能材料的熔点。
本发明提供的太阳能斯特林发电***通过在整体结构上将太阳集热器与储热装置、斯特林发电机分开布置，采用柔性热管将热将太阳集热器与储能装置连接，实现了太阳集热器与储能装置、斯特林发电机的分离，使得储能装置的质量和尺寸不受限制，可实现大容量热量的储存，适宜用于储能式大功率斯特林发电***。这种结构上的分离，使得影响碟式聚光器受光面积明显减少，提高了碟式聚光器的受光面积和聚光率，并且易于整个***的扩展和维修。***的力学稳定性好，重心低，减少了光照追踪***的负荷；不会产生因聚光***的运动而对储能装置和斯特林发电机产生影响，最大限度的保护了核心部件。此外，通过合理设计储能装置，通过细热管强化相变材料储热释热速率，粗热管实现热开关效应，提高了整个***的热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种太阳能斯特林发电***结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种太阳能斯特林发电***中的储能装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的又一种太阳能斯特林发电***中的储能装置的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种太阳能斯特林发电***中的储能装置在相变储能过程中的热量传递示意图；
图5为本发明实施例提供的一种太阳能斯特林发电***中的储能装置在相变释放能量过程中的热量传递示意图；
图6为本发明实施例提供的一种太阳能斯特林发电***的热量传递示意图；
附图标记说明:
100—碟式聚光器； 200—太阳集热器； 300—储能装置；
301—箱体； 302—热量入口端面； 303—热量出口端面；
304—相变储能材料； 305—粗热管； 306—隔热层；
307—细热管； 400—斯特林发电机； 500—柔性高温热管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种太阳能斯特林发电***结构示意图，如图1所示，包括碟式聚光器100、太阳集热器200、储能装置300、斯特林发电机400；
所述碟式聚光器100用于反射汇聚太阳光；
所述太阳集热器200用于吸收太阳辐射并将太阳能转变为热能；
所述太阳集热器200与所述储能装置300采用柔性高温热管500连接；
所述储能装置300与斯特林发电机400采用接触连接。
为了清楚地解释本发明实施例，下面列举一个具体事例。
碟式聚光器100由许多抛物面镜片组成，当太阳光照射到碟式聚光器100上，太阳光经碟式聚光器100反射聚集到焦点处，安装在焦点处的太阳集热器200吸收聚集的太阳能并将其转换为热能。由于太阳集热器200与储能装置300通过柔性高温热管500连接，太阳集热器200中的热量会加热高温柔性热管500的蒸发段，柔性高温热管500管芯内的液体工质受热蒸发带着热量沿着中心通道流向与相变储能装置200相接的冷凝段，在冷凝段，蒸汽凝结成液体，同时释放潜热并将热量传输给相变储能装置200，在毛细力的作用下，柔性高温热管500冷凝段中的液体工质回流到蒸发段，形成一个回路，实现了将大量热量从太阳集热器200快速传到相变储能装置300。由于储能装置300与斯特林发电机400直接接触连接，热量经过储能装置300直接传输给斯特林发电机400，供斯特林电动机400直接发电使用，多余的热量则储存在储能装置300中，在没有日光照射的情况下为斯特林电机300提供热能从而发电。以大功率25KW的斯特林发电机为例，若储能六小时，需要3t的NaCl熔融盐作为储能材料，若向现有的一体式结构中将集热、储热、发电***集成起来分布于碟式聚光板的聚光点处，如此质量和尺寸的储能装置不可避免的遮挡了聚光板的受光面积，降低了太阳能的有效聚光效率，还使得整个发电***重心高、稳定性差，光照追踪***要带动聚光板和整个储热发电***运行，负荷高，甚至很难实现一体化。那么，采用柔性高温热管将储能装置300与太阳集热器200进行连接，即将太阳集热器200与储能装置300实现空间分离，可以根据需要将储能装置300以及斯特林发电机400放置在不同位置，储能装置200的质量和尺寸不受限制，可实现大容量热量的储存。
本实施例提供的一种太阳能斯特林发电***，在整体结构上将太阳集热器与储热装置、斯特林发电机分开布置，采用柔性热管将热量从太阳集热器导入储能装置，实现了太阳集热器与储能装置、斯特林发电机在空间上的分离，使得储能装置的质量和尺寸不受限制，更适宜用于储能式大功率斯特林发电***；此外，影响碟式聚光器受光面积明显减少，提高了碟式聚光器的受光面积和聚光率，并且易于整个***的扩展和维修。
进一步地，在上述实施例的基础上，如图2所示，所述储能装置包括箱体301、相变储能材料304、粗热管305以及隔热层306；
所述箱体301的两个端面分别为热量入口端面302和热量出口端面303；
所述热量入口端面303设有热量入口；
所述热量出口端面303采用导热性能良好的金属板材制成；
所述相变储能材料304设于所述箱体301的内部；
所述粗热管305设于所述箱体中轴线位置并贯穿所述箱体301；
所述粗热管中设有液体工质；
所述隔热层306设于所述箱体的热量入口端面302与所述相变储能材料304之间，以及所述粗热管305与所述相变储能材料304之间。
具体地，在白天光照充足的情况下，太阳光经过碟式聚光器100反射聚焦到太阳集热器200上，太阳集热器200吸收聚集的太阳能并将其转换为热能，与太阳集热器200相连的柔性高温热管500中的液体工质吸收热量后沿柔性高温热管500传输到储能装置300中的粗热管305。由于粗热管305贯穿储能装置的箱体，粗热管305的一端与柔性高温热管500相连，另一端与热量出口端面303相连，传输到粗热管305中的热量会沿粗热管直接传输到热量出口端面303。由于斯特林发电机400与储能装置300的热量出口端面303采用面接触连接，热量可以直接由热量出口端面303传递给斯特林发电机400，供斯特林发电机发电使用。由于相变储能材料304与热量出口端面303直接接触，多余的热量会由热量出口端面303传输到相变储能材料304中，相变储热材料304吸收热量后发生相变，将能量储存在相变储热材料内部。在夜晚或光照不充足的情况下，相变储热材料304发生反向相变从而释放出热量，热量沿着热量出口端面303传输到斯特林发电机400中供发电使用。由于粗热管305与所述相变储能材料304之间设有隔热层306，隔热层能够保证热量首先沿粗热管305经由热量出口端面303传输到斯特林发电机，保证斯特林发电机在日光充足时首先发电，然后再将多余的能量存储在相变储能材料中；同时，由于箱体的热量入口端面302与所述相变储能材料304之间也设有隔热层306，在夜晚或光照不充足的情况下，减少了相变储能材料释放能量的过程中热量沿反向流失。
进一步的，所述粗热管中的液体工质的蒸发温度高于所述相变储能材料的熔点。具体地，由于粗热管中液体工质的蒸发温度要大于相变储能材料的相变温度，这样在夜晚或光照不充足的情况下，储能装置中才不会发生相变储能材料凝固释放热量过程中将粗热管中液体工质加热蒸发，进而产生热量从储热装置的热量入口端面释放，以实现热量的单向传输，达到热开关的效果。本实施例提供的一种用于太阳能斯特林发电***，通过在储能装置中采用粗热管传热并实现热开关作用、隔热层隔热，相变储能材料储热，实现了热量的高效利用，减少了热量的耗散。
进一步地，在上述实施例的基础上，如图3所示，所述储能装置300中还设有细热管307，所述细热管307的第一端与所述箱体的热量出口端面303连接，所述细热管307的第二端设于所述相变储能材料304内，所述细热管内设有液体工质。
进一步地，细热管中液体工质的蒸发温度要小于相变储能材料的相变温度。
具体地，所述储能装置300包括箱体301、相变储能材料304、粗热管305、隔热层306以及细热管307。图4和图5分别为此储能装置在相变储能过程中的热量传递示意图和相变释放能量过程中热量传递示意图，如图4和图5所示，当太阳能集热器200吸收聚集的太阳能并将其转化成热能后，整个***的热量传递如图6所示，热量经由柔性高温热管500、粗热管305传递到箱体301的热量出口端面303，一部分热量用于供斯特林发电机发电，另一部分热量则存储于相变储能材料中，在光照不足时通过凝固释放能量以供斯特林发电机发电使用由于常用的相变储能材料的导热系数小于0.5W/mk，不管在相变储能材料的凝固还是融化过程中，如果只依靠相变储能材料实现热量的传递，0.5W/mk满足不了热量的快速传导。由于细热管307具有高导热性能，能及时将多余的热量由细热管307带走进入相变储能材料304。此外，在储能过程中，由于热量最先沿着粗热管305到达热量出口端面303，相比于热量出口端面303，相变储能材料304相当于低温端，从而在热量出口端面303与相变储能材料304间建立起了温度梯度，热量不断向相变储能材料中流动，保证了斯特林发电机温度的恒定，避免出现热斑现象和温度过高。在夜晚无光照的情况下，相变储能材料发生凝固释放热量，并将热量传输给设置在相变储能材料内部的细热管307以及直接传递给热量出口端面303，热量沿着细热管经由热量出口端面进入斯特林发电机，进而实现斯特林发电机发电。由于细热管307只安装在箱体的热量出口端面，而不贯通整个储能装置，同时在热量入口端面302和相变储能材料304之间设置隔热层，这样在相变储能材料释放热量的过程中最大限度的减少了热量从储能装置的热量入口端面的耗散，提高了储能过程的热量利用效率。此外，由于细热管中液体工质的蒸发温度小于相变储能材料的相变温度，这样无论在储能过程还是释能过程中，细热管均是可以运行的，可以实现相变材料导热强化的效果。
本实施例提供的一种用于太阳能斯特林发电***，通过在储能装置中采用粗热管传热并实现热开关作用、细热管强化导热、隔热层隔热，最大限度地实现了热量的高效利用，减少了热量的耗散。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述储能装置300以及所述斯特林发电机400均设于所述碟式聚光器100的背面。
具体地，如图1所示，储能装置300以及斯特林发电机400均放置在地面上且在碟式聚光器100的背面，其能量传递过程如上述实施例所述。本实施例中，将储能装置300以及斯特林发电机400均放置在地面上且在碟式聚光器的背面，使得整个***的扩展性好，***中不用考虑储能装置以及斯特林发电机对碟式聚光器的影响，碟式聚光器的受光面积增大，且***的力学稳定性好，重心低，将数吨重的储能发电设备可以直接安放于地面，同时减少了光照追踪***的负荷；不会产生因聚光***的运动而对储能装置和斯特林发电机产生影响，最大限度的保护了核心部件。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述相变储能材料304包括熔融盐类。
具体地，根据斯特林发电机的功率以及***储能需求不同，设计恰当的储能装置300，选择合适的相变储能材料304。其中，相变储能材料可以为熔融盐类，熔融盐类相变储能材料的相变温度范围广(250℃-850℃)，根据发电***需求，选择相变温度适宜的熔融盐实现热量储存，以供斯特林发电机在夜晚以及日光不充足的情况下发电使用。
本实施例提供的一种用于太阳能斯特林发电***，通过采用柔性高温热管将太阳集热器与储能装置进行连接，使得太阳集热器和储能装置、斯特林发电机在空间上分离，使得储能装置的质量和尺寸不受限制，通过选用合适的相变储热材料，可以使得储能装置储存足够的热量供大功率斯特林发电***在夜晚或日光不充足的条件下发电使用，可实现储能式大功率斯特林机发电。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种太阳能斯特林发电***，其特征在于，包括碟式聚光器、太阳集热器、储能装置以及斯特林发电机；
所述碟式聚光器用于反射汇聚太阳光；
所述太阳集热器用于吸收太阳辐射并将太阳能转变为热能；
所述太阳集热器与所述储能装置采用柔性高温热管连接；
所述储能装置与斯特林发电机采用接触连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发电***，其特征在于，所述储能装置包括箱体、相变储能材料、隔热层以及粗热管；
所述箱体的两个端面分别为热量入口端面和热量出口端面，所述热量入口端面设有热量入口，所述热量出口端面采用导热性能良好的金属板材制成；
所述相变储能材料设于所述箱体的内部；
所述粗热管设于所述箱体中轴线位置并贯穿所述箱体；
所述粗热管中设有液体工质；
所述隔热层设于所述箱体的热量入口端面与所述相变储能材料之间，以及所述粗热管与所述相变储能材料之间。
3.根据权利要求2所述的太阳能斯特林发电***，其特征在于，所述储能装置中设有细热管，所述细热管的第一端与所述箱体的热量出口端面连接，所述细热管的第二端设于所述相变储能材料内，所述细热管内设有液体工质。
4.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发电***，其特征在于，所述储能装置以及所述斯特林发电机均设于所述碟式聚光器的背面。
5.根据权利要求2所述的太阳能斯特林发电***，其特征在于，所述相变储能材料包括熔融盐类。
6.根据权利要求2所述的太阳能斯特林发电***，其特征在于，所述粗热管中的流体工质的蒸发温度高于所述相变储能材料的熔点。
7.根据权利要求3所述的太阳能斯特林发电***，其特征在于，所述细热管中的流体工质的蒸发温度低于相变储能材料的熔点。
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