熱源互補型斯特林發動機熱電聯供系統的製作方法

2023-06-09 11:46:36 3

專利名稱：熱源互補型斯特林發動機熱電聯供系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種熱源互補型斯特林發動機熱電聯供系統，特別涉及一種太陽能一輔助熱源互補驅動的斯特林發動機熱電聯供系統。
背景技術：
太陽能作為地球上儲量最豐富的可再生清潔能源，在目前全球能源危機的背景下，開發太陽能等可再生能源代替傳統化石能源已成為人類發展的必然趨勢。但由於太陽能能量密度低、穩定性差，並受到地理分布、季節變化、晝夜交替等影響，導致其電力供應非常不穩定。一旦這種可再生能源大規模開發並併網，不穩定的電力供應對國內大電網的安全穩定運行是極大的威脅和負擔。可再生能源併網發電難題長期限制著太陽能發電技術的應用和推廣。據國家能源局統計數據，2011年我國光伏裝機為300萬千瓦，而併網裝機容量為214萬千瓦，併網率僅為71% ;而在這些可併網運行的太陽能電站中，年平均可利用小時數僅為1500小時(62.5天)，僅為火電的1/4。在實際運行過程中，由於太陽能電站電力供應不穩定導致電網「棄光」現象時常發生。太陽能發電併網技術在我國仍是一項不成熟的技術。國家能源局2011年12月公布了中國可再生能源發展的「十二五」規劃目標，到2015年，中國太陽能發電將達到1500萬千瓦，年發電量200億千瓦時。如此大的太陽能併網規模對國內大電網的安全運行和調度是極大的威脅和負擔，要使太陽能發電技術能夠得到廣泛利用，真正做到充分利用新能源，其併網技術的研究與發展就顯得格外重要。目前我國的併網太陽能發電系統大部分都採用太陽能光伏發電技術的。併網太陽能發電系統由光伏組件、併網逆變器、計量裝置及配電系統組成。光伏發電是即時型的，光電轉化在極短時間內完成，這使得光伏發電的電力輸出直接受光照變化影響，電力輸出波動劇烈；而光熱發電方式由於工質的熱容以及蓄熱系統的作用，其輸出功率受光照變化的影響沒有光伏直接，電力輸出的品質較光伏好。太陽能熱發電技術是太陽能領域商業化程度最高、推廣應用最普遍的技術之一。目前已經實驗成功的太陽能熱發電系統主要有三種:槽式、塔式和碟式。其中碟式太陽能熱發電方式具有聚光比高，能效高，機構緊湊，安裝方便，可分布式應用，也可大規模集中發電的特點，已經越來越受到公眾關注。碟式太陽能熱發電系統的核心——斯特林發動機，是一種外部供熱(或燃燒)的活塞式發動機,它以氣體做工質,按閉式回熱循環的方式進行工作。斯特林發動機主要由外部供熱(或燃燒)系統、工作循環系統(熱能-機械能轉換系統)、傳統系統(機械能輸出系統)、輔助系統以及監控系統等組成。其工作原理基於斯特林循環，整個工作過程包含等溫壓縮；等體吸熱；等溫膨脹；等容冷卻4個過程。
發明內容本實用新型的目的是針對目前國內太陽能發電系統電力輸出波動較大，大型太陽能電站併網困難的問題，提供一種熱源互補型斯特林發動機熱電聯供系統。[0008]熱源互補型斯特林發動機熱電聯供系統包括熱水箱、碟式二次反射鏡、混合熱源加熱器、斯特林發動機、水泵、冷水箱、發電機、數據採集及檢測器、輔助熱源控制器、電控閥和燃料補充裝置；碟式二次反射鏡將太陽光聚焦到混合熱源加熱器，混合熱源加熱器與斯特林發動機的熱端相連，斯特林發動機的輸出端與發電機相連，冷水箱、水泵、斯特林發動機的冷卻器一路、混合熱源加熱器中的煙氣側換熱器與熱水箱順次相連，斯特林發動機冷卻器另一路直接與熱水箱相連，燃料補充裝置、電控閥與混合熱源加熱器順次相連，斯特林發動機的輸出端、數據採集及檢測器、輔助熱源控制器、電控閥順次相連。[0009]所述的混合熱源加熱器包括太陽能接收窗口、尾部煙道、煙氣側換熱器、加熱腔、輔助熱源入口及空氣入口 ；煙氣側換熱器安置在尾部煙道出口處，尾部煙道安裝在加熱腔排氣出口處，加熱腔側面開口，用於安裝太陽能接收窗口，空氣入口和輔助熱源入口安裝在加熱腔下部，輔助熱源入口可通入多種形式的輔助熱源；混合熱源加熱器模型的尾部煙道為方形，並90°折彎，煙氣側換熱器為管式換熱器，加熱腔底部開有三排小孔，前側面開有直徑為50 60mm窗口，並安置石英玻璃。[0010]所述的數據採集及檢測器為紅外線轉速傳感檢測器和BH175FVI光強傳感器。所述的輔助熱源控制器是ATmegal28單片機。[0011]本實用新型與現有技術相比，具有如下有益效果:[0012]( I)、相對與傳統的太陽能光伏發電系統以及光熱發電系統電力輸出波動較大的缺陷，本設計通過加設輔助熱源，並設計混合熱源加熱器以及相應的輔助熱源控制系統，實現了太陽能和其他多種熱源互補驅動斯特林發動機發電，提高了系統輸出電力的穩定性和持續性，有利於太陽能熱發電的併網；[0013](2)、加設餘熱利用系統，將斯特林發動機冷端的餘熱、混合加熱器排煙餘熱利用起來，實現了熱電聯供以及能源的梯級利用，大大提高了系統的綜合能效。


[0014]圖1是熱源互補型斯特林發動機熱電聯供系統結構示意圖；[0015]圖2是本實用新型的測定工況曲線；[0016]圖3是本實用新型在不同熱源加熱情況下發動機輸出參數柱狀圖；[0017]圖4是本實用新型的混合加熱器結構示意圖；[0018]圖5 Ca)是本實用新型的斯特林發動機熱端結構示意圖；[0019]圖5 (b)是本實用新型的斯特林發動機熱端結構分解示意圖；[0020]圖6是本實用新型的輔助熱源控制方案框圖；[0021 ] 圖7是本實用新型的控制器接口圖；[0022]圖8是本實用新型的紅外轉速檢測模塊以及光照強度檢測模塊電路圖；[0023]圖9是本實用新型的餘熱利用系統開啟前後發動機性能曲線變化曲線(0.03MPa)；[0024]圖中，熱水箱1、碟式二次反射鏡2、混合熱源加熱器3、斯特林發動機4、水泵5、冷水箱6、發電機7、數據採集及檢測器8、輔助熱源控制器9、電控閥10、燃料補充裝置11、太陽能接收窗口 12、尾部煙道13、煙氣側換熱器14、加熱腔15、輔助熱源入口 16、空氣入口17。
具體實施方式
對照附圖對本實用新型做進一步說明。如圖1所示，熱源互補型斯特林發動機熱電聯供系統包括熱水箱1、碟式二次反射鏡2、混合熱源加熱器3、斯特林發動機4、水泵5、冷水箱6、發電機7、數據採集及檢測器8、輔助熱源控制器9、電控閥10和燃料補充裝置11 ;碟式二次反射鏡2將太陽光聚焦到混合熱源加熱器3，混合熱源加熱器3與斯特林發動機4的熱端相連，斯特林發動機4的輸出端與發電機7相連，冷水箱6、水泵5、斯特林發動機4的冷卻器一路、混合熱源加熱器3中的煙氣側換熱器與熱水箱I順次相連，斯特林發動機4冷卻器另一路直接與熱水箱I相連，燃料補充裝置11、電控閥10與混合熱源加熱器3順次相連，斯特林發動機4的輸出端、數據採集及檢測器8、輔助熱源控制器9、電控閥10順次相連。如圖4所示，所述的混合熱源加熱器3包括太陽能接收窗口 12、尾部煙道13、煙氣側換熱器14、加熱腔15、輔助熱源入口 16及空氣入口 17 ;煙氣側換熱器14安置在尾部煙道13出口處，尾部煙道13安裝在加熱腔15排氣出口處，加熱腔15側面開口，用於安裝太陽能接收窗口 12，空氣入口 17和輔助熱源入口 16安裝在加熱腔下部，輔助熱源入口 16可通入多種形式的輔助熱源；混合熱源加熱器模型的尾部煙道為方形，並90°折彎，煙氣側換熱器14為管式換熱器，加熱腔15底部開有三排小孔，前側面開有直徑為50 60mm窗口，並安置石英玻璃。所述的數據採集及檢測器8為紅外線轉速傳感檢測器和BH175FVI光強傳感器。所述的輔助熱源控制器10是ATmegal28單片機。熱源互補型斯特林發動機熱電聯供方法採用太陽能作為主熱源，太陽光通過碟式二次反射鏡2聚光，聚光比為200 250，透過混合加熱器3的太陽能接收窗口 12，投射到加熱腔15內，對斯特 林發動機4的熱缸進行加熱；燃料補充裝置11中多種形式的輔助燃料流經電控閥10，從混合加熱器3最下部的輔助熱源入口 16噴入加熱腔15，空氣通過空氣入口 17進入加熱腔15，輔助燃料和太陽能共同加熱斯特林發動機4的熱缸，排煙通過尾部煙道13排出；斯特林發動機4內的工質進行斯特林循環，演示模型工質為空氣，熱端工質溫度為300 340°C，冷端工質溫度為50 60°C，平均循環壓力為0.1Mpa,最後帶動飛輪對外輸出動能，驅動發電機7發電；輔助熱源的供應採用「飛輪轉速反饋一光照強度前饋」的控制方式，BH175FVI光強傳感器在太陽福射波動時,可檢測光強的變化,轉化為電信號；紅外線轉速傳感檢測器安裝在飛輪支架上，在飛輪上設置IOmmX 3mm檢測白線，通過白線紅外信號反射傳感實現飛輪轉速測量，同時在紅外對管周圍設置擋光板，保證系統在強光下能正常工作；轉速和光強信號由傳感器進入輔助熱源控制器9，輔助熱源控制器9根據檢測信號的變化，輸出控制指令，控制電控閥10的開度，調節燃料補充裝置11的燃料供應量，從而保證斯特林發動機4的熱端有穩定的熱量輸入，工質溫度相對恆定，保證系統輸出電力的穩定；餘熱利用管道中，冷水箱6中的冷卻水經水泵5加壓，分別流經斯特林發動機4的冷卻器和混合熱源加熱器3中的煙氣側換熱器14，對兩部分的餘熱進行回收，熱水匯聚到熱水箱I中，最終得到40 50°C的熱水，排煙流量較小時，冷卻器出口的熱水可通過旁路直接匯入熱水箱I中。
權利要求1.一種熱源互補型斯特林發動機熱電聯供系統，其特徵在於系統包括熱水箱(I)、碟式二次反射鏡(2)、混合熱源加熱器(3)、斯特林發動機(4)、水泵(5)、冷水箱(6)、發電機(7)、數據採集及檢測器(8)、輔助熱源控制器(9)、電控閥(10)和燃料補充裝置(11);碟式二次反射鏡(2)將太陽光聚焦到混合熱源加熱器(3)，混合熱源加熱器(3)與斯特林發動機(4)的熱端相連，斯特林發動機(4)的輸出端與發電機(7)相連，冷水箱(6)、水泵(5)、斯特林發動機(4)的冷卻器一路、混合熱源加熱器(3)中的煙氣側換熱器與熱水箱(I)順次相連，斯特林發動機(4)冷卻器另一路直接與熱水箱(I)相連，燃料補充裝置(11)、電控閥(10)與混合熱源加熱器(3)順次相連，斯特林發動機(4)的輸出端、數據採集及檢測器(8)、輔助熱源控制器(9)、電控閥(10)順次相連。
2.根據權利要求1所述的一種熱源互補型斯特林發動機熱電聯供系統，其特徵在於所述的混合熱源加熱器(3)包括太陽能接收窗口(12)、尾部煙道(13)、煙氣側換熱器(14)、力口熱腔(15)、輔助熱源入口( 16)及空氣入口( 17);煙氣側換熱器(14)安置在尾部煙道(13)出口處，尾部煙道(13)安裝在加熱腔(15)排氣出口處，加熱腔(15)側面開口，用於安裝太陽能接收窗口( 12)，空氣入口( 17)和輔助熱源入口( 16)安裝在加熱腔下部，輔助熱源入口(16)可通入多種形式的輔助熱源；混合熱源加熱器模型的尾部煙道為方形，並90°折彎，煙氣側換熱器(14)為管式換熱器，加熱腔(15)底部開有三排小孔，前側面開有直徑為50 60mm窗口，並安置石英玻璃。
3.根據權利要求1所述的一種熱源互補型斯特林發動機熱電聯供系統，其特徵在於所述的數據採集及檢測器(8)為紅外線轉速傳感檢測器和BH175FVI光強傳感器。
4.根據權利要求1所述的一種熱源互補型斯特林發動機熱電聯供系統，其特徵在於所述的輔助熱源控制器(10)是ATmega l28單片機。
專利摘要本實用新型公開一種熱源互補型斯特林發動機熱電聯供系統。碟式二次反射鏡將太陽光聚焦到混合熱源加熱器，混合熱源加熱器與斯特林發動機的熱端相連，斯特林發動機的輸出端與發電機相連，冷水箱、水泵、斯特林發動機的冷卻器一路、混合熱源加熱器中的煙氣側換熱器與熱水箱順次相連，斯特林發動機冷卻器另一路直接與熱水箱相連，燃料補充裝置、電控閥與混合熱源加熱器順次相連，斯特林發動機的輸出端、數據採集及檢測器、輔助熱源控制器、電控閥順次相連。本實用新型解決了傳統太陽能發電系統電力輸出不穩定，持續性差，併網困難的問題，同時系統實現了熱電聯產，大大提高了太陽能熱發電併網的競爭力和系統整體的經濟效益。
文檔編號F03G6/06GK203081666SQ20122056518
公開日2013年7月24日 申請日期2012年10月30日 優先權日2012年10月30日
發明者肖剛, 倪明江, 時冰偉, 胡曉平, 駱仲泱, 高翔, 岑可法, 方夢祥, 周勁松, 施正倫, 程樂鳴, 王勤輝, 王樹榮, 餘春江 申請人:浙江大學