(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111412121 A(43)申请公布日 2020.07.14
(21)申请号 202010344956.9(22)申请日 2020.04.27
(71)申请人 内蒙古工业大学
地址 010051 内蒙古自治区呼和浩特市新
城区爱民街49号内蒙古工业大学(72)发明人 杨晓宏 曹泽宇 高晓玉 郭枭
李云松 张爽 田瑞 (74)专利代理机构 济南鼎信专利商标代理事务
所(普通合伙) 37245
代理人 刘海艳(51)Int.Cl.
F03G 6/06(2006.01)F02G 1/043(2006.01)F02G 1/055(2006.01)F24S 20/20(2018.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图2页
F24S 23/70(2018.01)F24S 10/30(2018.01)F24S 60/00(2018.01)F24S 50/00(2018.01)F24S 50/20(2018.01)F24S 80/20(2018.01)F24S 80/60(2018.01)
CN 111412121 A(54)发明名称
混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统(57)摘要
本发明提供一种混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统，包括碟式聚光器、光热转换器、斯特林发动机、发电机、光电传感器、中央处理器、智能处理器以及储热系统；其中，光热转换器连接斯特林发动机，斯特林发动机连接发电机，光热转换器通过传热管以及循环泵连接储热系统，光热转换器用于将吸收的热量存储于储热系统以及通过储热系统向斯特林发动机提供热量，光电传感器用于接收光信号并将光信号转换为电信号传递给中央处理器进行分析，中央处理器将处理后的信号传递给智能处理器，通过智能处理器的控制使斯特林发动机持续运行。本发电系统使得斯特林发动机可以持续运行，有效利用太阳光照，从而实现智能存取热。
CN 111412121 A
权 利 要 求 书
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1.混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统，其特征在于：包括碟式聚光器、光热转换器、斯特林发动机、发电机、光电传感器、中央处理器、智能处理器以及储热系统；
其中，所述光热转换器连接所述斯特林发动机，所述斯特林发动机连接所述发电机，所述光热转换器通过传热管以及循环泵连接所述储热系统，光热转换器用于将吸收的热量存储于所述储热系统以及通过所述储热系统向所述斯特林发动机提供热量，所述光电传感器用于接收光信号并将光信号转换为电信号传递给中央处理器进行分析，中央处理器将处理后的信号传递给智能处理器，通过所述智能处理器的控制使所述斯特林发动机持续运行。
2.根据权利要求1所述的混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统，其特征在于：所述发电系统还包括双轴跟踪系统，所述双轴跟踪系统用于控制所述碟式聚光器追踪太阳光。
3.根据权利要求2所述的混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统，其特征在于：所述双轴跟踪系统包括方位角控制电机以及高度角控制电机，方位角控制电机以及高度角控制电机通过传动机构连接所述碟式聚光器，方位角控制电机以及高度角控制电机由智能处理器控制动作。
4.根据权利要求1所述的混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统，其特征在于：所述光热转换器包括集热腔以及换热管，所述换热管均匀覆盖于所述斯特林发动机的吸热管上部，所述集热腔与斯特林发动机的腔体扣合，所述换热管通过传热管连接所述储热系统。
5.根据权利要求4所述的混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统，其特征在于：所述换热管为蛇形结构布置。
6.根据权利要求4所述的混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统，其特征在于：所述换热管以及传热管内部的工质为熔融硝酸盐，通过熔融硝酸盐的循环流动实现换热。
7.根据权利要求4所述的混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统，其特征在于：所述集热腔外部具有保温层。
8.根据权利要求1所述的混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统，其特征在于：所述储热系统为混凝土储热系统。
9.根据权利要求8所述的混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统，其特征在于：所述混凝土储热系统包括混凝土以及设置于所述混凝土内的U型管，通过所述U型管内流动的熔融硝酸盐实现与混凝土的换热。
10.根据权利要求1所述的混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统，其特征在于：所述光热转换器与储热系统之间连接的传热管道上设有球阀。
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CN 111412121 A
说 明 书
混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统
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技术领域
[0001]本发明主要涉及斯特林热发电相关技术领域，具体是混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统。
背景技术
[0002]以碟式聚光器聚焦的太阳能为热源的斯特林热发电系统称为碟式斯特林热发电系统。虽然碟式太阳能热发电技术是太阳能热发电中光电转换效率最高的一种方式，但是对储热系统研究较少。碟式太阳能热发电由聚光器、接收器、热机、支架、跟踪控制系统等组成，运行时利用旋转抛物面的碟式聚光器将太阳光聚焦到安装在抛物面焦点的接收器上，接收器内的传热工质受热温度和压力升高，推动热机运转并带动发电机发电。碟式系统的优势是聚光比高，但是高温热能的储存困难，采用热熔盐储热技术不安全造价高，故发展缓慢。太阳能再利用过程中存在间歇性、低密度和不稳定性的特点，给太阳能的广泛应用增加了难度，例如在云层遮光的白天和夜晚，太阳的辐射停止，系统的输入能量源消失，会直接导致停机，而储热系统不仅可以提供阴雨天等太阳辐射不足时系统持续发电所需的能量，还可使光热系统在一定范围内根据发电计划调整平滑出力出力，使其能够适应电网的需求。利用储热将暂时不需要的能量通过一定的储存材料储存，需要时将其释放，用以提高热能的利用率，是太阳能成为替代化石能源的关键。因此，通过储能平衡昼夜、地理和季节等环境因素的影响，成为太阳能利用的趋势。
[0003]现有的太阳能斯特林发电系统还存在一些问题：(1)目前大部分太阳能斯特林热发电系统的储热成本比较高，不利于大规模推广。(2)目前储热系统的智能控制功能不足。(3)目前为斯特林存取热研究大多数都是在斯特林内部进行，对于中小型斯特林存在内部空间不足够的问题。
发明内容
[0004]为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统，使得斯特林发动机可以持续运行，有效利用太阳光照，从而实现智能存取热。
[0005]本发明的技术方案如下：
[0006]混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电系统，包括碟式聚光器、光热转换器、斯特林发动机、发电机、光电传感器、中央处理器、智能处理器以及储热系统；[0007]其中，所述光热转换器连接所述斯特林发动机，所述斯特林发动机连接所述发电机，所述光热转换器通过传热管以及循环泵连接所述储热系统，光热转换器用于将吸收的热量存储于所述储热系统以及通过所述储热系统向所述斯特林发动机提供热量，所述光电传感器用于接收光信号并将光信号转换为电信号传递给中央处理器进行分析，中央处理器将处理后的信号传递给智能处理器，通过所述智能处理器的控制使所述斯特林发动机持续运行。
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CN 111412121 A[0008]
说 明 书
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所述发电系统还包括双轴跟踪系统，所述双轴跟踪系统用于控制所述碟式聚光器
追踪太阳光。
[0009]所述双轴跟踪系统包括方位角控制电机以及高度角控制电机，方位角控制电机以及高度角控制电机通过传动机构连接所述碟式聚光器，方位角控制电机以及高度角控制电机由智能处理器控制动作。
[0010]所述光热转换器包括集热腔以及换热管，所述换热管均匀覆盖于所述斯特林发动机的吸热管上部，所述集热腔与斯特林发动机的腔体扣合，所述换热管通过传热管连接所述储热系统。
[0011]所述换热管为蛇形结构布置。
[0012]所述换热管以及传热管内部的工质为熔融硝酸盐，通过熔融硝酸盐的循环流动实现换热。
[0013]所述集热腔外部具有保温层。
[0014]所述储热系统为混凝土储热系统。
[0015]所述混凝土储热系统包括混凝土以及设置于所述混凝土内的U型管，通过所述U型管内流动的熔融硝酸盐实现与混凝土的换热。
[0016]所述光热转换器与储热系统之间连接的传热管道上设有球阀。[0017]本发明的有益效果：[0018]1、本发明的发电系统为碟式斯特林发电方式，通过斯特林发动机与光热换热器配合，在太阳光充足的情况下，一方面可用于斯特林发动机动作，另一方可将热量存储于储热系统，在太阳光不足或没有太阳光的情况下，可通过储热系统向斯特林发动机提供热量，如此，可以保障斯特林发动机的持续运行，从而弥补传统斯特林发电装置中间歇性、不稳定运行的缺点，节能环保。[0019]2、本发明的光热换热器结构设计，将蛇形换热管覆盖在吸热器的上部，并通入熔融盐，与储热系统相连，对太阳光照有更充足的考虑与利用。[0020]3、本发明通过设置的跟踪系统，能够对太阳光进行自动跟踪，以最大化的利用太阳能；储热系统采用混凝土储热，储热效果好，性价比高，通过智能化的控制实现自动存取热。
附图说明
[0021]附图1为混凝土储热碟式太阳能斯特林热发电装置的结构示意图。[0022]附图2为斯特林吸热器头部与光热转换器结构剖面图。[0023]附图3为混凝土储热模块的剖面图。[0024]附图4为蛇形换热管的结构示意图。
具体实施方式
[0025]结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。[0026]如图1～4所示，为本发明提供的一种混凝土储热式太阳能斯特林热发电系统。包
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说 明 书
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括碟式聚光器1、光热转换器2、中央处理器31，光电传感器3，斯特林发动机4、循环泵16、发电机6和混凝土储热系统15。考虑与地面布局相联系，将混凝土储热系统15明装在底板14上，另设底座，智能控制器30(包括功能键和显示屏等)都自然地设计在混凝土储热系统15的面板上。
[0027]本发明的光热转换器2通过第一传热管12、第二传热管13连接混凝土储热系统15，通过循环泵16实现内部工质的循环，且在传热管上设置球阀17以方便管道的通断控制。[0028]本发明具有双轴跟踪系统，双轴跟踪系统包括：使用太阳方位算法的主动式太阳跟踪控制器、GPS信号接收器、监控设备、方位角控制电机7、高度角控制电机8，光电传感器3将接收到的太阳能辐射信息传递给中央处理器31，中央处理器13向智能控制器30发出信号，智能控制器30向传动机构发出工作指令，方位角控制电机7和高度角控制电机8带动传动机构4、传动支撑杆10工作，从而带动碟式聚光器1升高或者降低来跟踪太阳光。太阳跟踪控制器、GPS信号接收器、监控设备都暗装在智能控制器30中。传动机构包括：带轮传动机构9、传动支撑杆10。碟式聚光器1与传动机构相连；设置底座11安装双轴跟踪系统。[0029]本发明的光热转换器2：由均匀覆盖于斯特林发动机4的吸热管上部的蛇形换热管32以及集热腔组成，集热腔由保温层34围成，集热腔与斯特林发动机4的腔体的外侧表面形态相扣，且吻合。如图所示，斯特林发动机4主要包括：斯特林加热器19、回热器20、冷却器21、配气活塞22、活塞23、冷腔24、热腔25等。换热管32由超白刚化玻璃制成，形态为蛇形，换热管32与外部的PPR保温管33相连接，换热管32中通入的介质为熔融硝酸盐，与传统的传热工质相比，熔融硝酸盐使用温度为240-560℃，导热系数0.53W/(m·k),比热容1.6KJ/(kg·k)，价格为3.5元/kg。具有液体温度范围宽、黏度低、流动性能好、蒸汽压小、对管路承压能力要求低、相对密度大、比热容高、蓄热能力强、成本较低等诸多优点，因此采用熔融硝酸盐，在混凝土蓄热单元中，熔融硝酸盐的作用是传递热量而混凝土模块作用是储热，流体(熔融硝酸盐)管道通过混凝土模块，传热流体(熔融硝酸盐)在管道内流动的过程中与管壁进行热交换，管壁再与混凝土换热，从而实现存取热。当光照充足时，一部分为太能光被碟式聚光器1聚集之后，一部分由换热管32吸收，加热内部工质，循环储能，另一部分照射到斯特林吸热管上，使斯特林发动机做功。光电传感器3采集光照信息，传输给中央处理器30，中央处理器30再将信号传给智能控制器31；当光照不足时，中央处理器30将信号传输给循环泵16，进行换热循环，通过混凝土储热系统15的热交换，将热介质传输到换热管32充当热源，使斯特林发动机5持续运行，整个过程可以通过在智能控制器31上实现存取的开始和停止。
[0030]本发明的混凝土储热系统15：本发明的混凝土储热系统15主要包括混凝土26、混凝土混合体27以及内部的U型换热管28。
[0031]换热管32与混凝土的换热性能主要受换热管与混凝土的换热系数、混凝土的导热系数及混凝土内温度场变化等因素的影响。其中混凝土的热物性对蓄热单元的蓄热性能有较大的影响，混凝土的热物性参数主要包括比热容、导热系数、热扩散率等。高温混凝土使用温度在200-400℃，导热系数为1.5W/(m·k)，比热容为0.85kJ/(kg·k)，蓄热成本为7元/kWh，铸铁、铸钢等金属蓄热材料的导热系数虽然优于其他非金属蓄热材料，而且具有较高的使用温度，然则其比热容太小，导致蓄热成本十分高。耐火砖类的使用温度很高，但其蓄热成本仍然比混凝土要高很多。结合混凝土蓄热材料具有性能稳定、成本低以及导热系数
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说 明 书
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较低的情况，向混凝土添加高导热系数的材料来增加储热量。[0032]混凝土的原材料包括水泥、集料(粗集料与细集料)、化学外加剂、水、矿物细掺料等。由于矿渣水泥具有较好的抗蚀性，对淡水、海水等硫酸盐介质以及氯盐溶液都有较强的抵抗能力，且矿渣水化反应时消耗了体系中的氢氧化钙和水化铝酸盐，使得本身的耐热性能得以提高，因此适宜配制耐热混凝土。集料的性能对于混凝土的抗压、抗折强度能起到决定性的制约作用不同的集料，对于混凝土性能有明显的影响，特别是对混凝土的抗侵蚀性能影响更大。粗集料选用级配较好的石灰石碎石，细集料采用制作混凝土中常用的河沙。混凝土中添有导热性能较好的石墨，可以提升蓄热混凝土的热性能。大量极细的钢纤维均匀的分布在混凝土中，就会使钢纤维与混凝土之间的接触面积大大的增加，使得混凝土在各个方向上的强度都得到增大，大大的改善了混凝土的性能，故采用耐火钢纤维。有机纤维的熔点在160-200℃左右，超过熔点时，有机纤维熔解汽化，形成连通的孔道，水蒸汽可由此通道逸出，大大降低混凝土内部蒸汽压，解决初升温时的崩裂问题，故采用聚丙乙烯纤维。最后以土壤完全覆盖混凝土模块，减少散热。
[0033]本发明所设计的发电系统具有自我调节功能，当光照充足时，光电传感器3将信号传给中央处理器30，使得斯特林吸热器充分吸热，从而在热腔25中做功，斯特林发动机5运行，发电机6持续运行，并且在其发电量满足用户需求的同时，可以加热光热转换器2内工质，在循环泵16的带动下最终在U型管28内实现与混凝土26的换热，即实现将热量储存起来；当遇到阴雨天气时，太阳光照不足，光电传感器3接收光信号并将光信号转化为电信号传递给中央处理器30进行分析，使得这时斯特林发动机5能量的来源基本是斯特林吸热管吸收的部分太阳能以及储热系统15提供的热能；当夜晚的时候，光电传感器3将接收不到光信号，此时中央处理器30分析后会使得斯特林发动机5能量来源完全来自混凝土储热系统15的热能，整个过程中央处理器30都将信号传递给智能处理器31，存取热的情况以及开始和停止从智能控制器31上实现。这使得斯特林发动机5可以持续运行，有效利用太阳光照，从而实现智能存取热。
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说 明 书 附 图
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说 明 书 附 图
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