一種船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置製造方法
2023-04-28 05:53:16 2
一種船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置，包括：碟式聚光反射鏡3、反射鏡支架4、斯特林發動機支架2、太陽能斯特林機、由斯特林機驅動的發電機、太陽雙軸跟蹤裝置、以及太陽自動跟蹤控制系統。裝置利用單片機、GPS接收器12、電子羅盤13和光電跟蹤傳感器盒11控制電機實現碟式聚光鏡在船舶這一特殊的運動載體和水中航行這一特定環境下對太陽的雙軸混合跟蹤，使碟式聚光鏡3將太陽光聚焦於斯特林發動機頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動活塞做功，通過曲柄連杆機構帶動發電機轉化成電能輸出，作為輔助能源應用在船舶的照明系統、駕駛系統、空調系統、輔助機械等方面，從而實現節能減排、保護環境的良好效果。
【專利說明】一種船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及船舶太陽能利用領域，特別是一種船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著煤炭、石油和天然氣等資源的枯竭以及環保要求的不斷提高，國際社會開始強烈關注能源危機和溫室氣體排放帶來的全球氣候變暖問題。由於船舶在航行過程中要消耗大量的能量，並且會排放大量汙染氣體，為了使航運業能夠可持續發展，世界造船業的主要研究方向開始集中在節能減排、探索新能源、大力發展船舶清潔可再生動力能源技術等方面。太陽能作為一種清潔可持續使用能源，與常規能源相比較，它可以無限使用，不會枯竭，而且安全無害，只要加以收集、轉換即可直接使用，因而在開發利用過程中具有顯著的優勢，可以預見在後化石燃料時代其必將成為人類社會主要的利用能源之一。
[0003]目前，太陽能光伏發電系統已經獲得了大量的研究且在陸上得到了廣泛應用，但在船舶上的應用主要集中於小型船舶上，在全動力船舶和大型遠洋船舶上推廣不多。其主要原因就是光伏發電因受材料的限制，發電量不高，效率低，其發電成本相對較高，系統成本回收期較長，在船舶領域的發展受到了很大程度的限制。面對石化能源日趨枯竭、排放汙染日益加劇的國際形勢，亟待發展一種新的太陽能發電方式，以緩解航運業的能源危機。
[0004]發達國家的實驗研究已經證明，太陽能熱發電較光伏發電更能適應大規模的工業化應用。目前，太陽能熱力發電單機容量已發展到兆瓦級，全球已有數十座兆瓦級太陽能熱電站投入試驗運行。按集熱器類型的不同太陽能熱發電系統可分為槽式、塔式和碟式三種系統。在所有太陽能發電技術中，碟式太陽能熱發電系統具有最高的光熱轉換效率(85%左右)和光電轉換效率(31%左右)。碟式系統具有高效、模塊化和具備組成混合發電系統的能力等特點，既可以作分布式系統單獨供電，也可以併網發電。又由於該系統對場地的平坦性要求低，因此應用範圍廣泛。以上的這些優點，為碟式斯特林太陽能熱發電技術在船舶上的應用提供了可能。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置，這種裝置可以實現在船舶這一特殊的運動載體和水中航行這一特定環境下，通過自動跟蹤太陽的碟式聚光鏡將太陽光聚焦於斯特林發動機頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動活塞做功，通過曲柄連杆機構帶動發電機轉化成電能輸出，作為輔助能源應用在船舶的照明系統、駕駛系統、空調系統、輔助機械等方面，從而實現節能減排、保護環境的良好效果。
[0006]本發明是採用如下技術方案實現的:一種船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置:該裝置硬體構成主要包括:碟式聚光反射鏡3、反射鏡支架4、斯特林發電機支架2、太陽能斯特林機、由斯特林機驅動的發電機、太陽雙軸跟蹤裝置、以及自動跟蹤控制系統。其中，所述碟式聚光反射鏡3呈扇形分割，由6個扇形聚光反射鏡片組拼接成一旋轉拋物面結構；所述反射鏡支架4固定於船舶甲板上，用於支撐並安裝所述碟式聚光反射鏡3;所述斯特林發電機支架2，一端固定連接所述碟式聚光反射鏡支架4，另一端固定連接太陽能斯特林機；太陽能斯特林機的吸熱器位於碟式聚光反射鏡3的焦點處；所述發電機固定連接所述太陽能斯特林機，構成斯特林發電機I ;所述太陽雙軸跟蹤裝置安裝於所述反射鏡支架4上，包括兩臺直流電機、兩臺減速器、一個絲槓螺母副和一個帶輪傳動機構9 ；自動跟蹤控制系統包括STM32F3微控制器10、光電跟蹤傳感器盒11、GPS接收器12、電子羅盤13、直流電機驅動器14。整個裝置主要用螺栓連接，便於拆裝和運輸。裝置的轉動、定位和連接等機械結構都簡單可靠，跟蹤運動用單片機來實現控制，這樣不僅加工容易而且增加了系統的可靠性。
[0007]本船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置中，碟式聚光鏡3將太陽光聚焦於斯特林發動機頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動活塞做功，通過曲柄連杆機構帶動發電機轉化成電能輸出。
[0008]本船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置中，通過GPS接收器12和單片機的控制，使碟式聚光鏡3實現在船舶航行過程中對太陽的初步跟蹤。
[0009]本船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置中，通過光電跟蹤傳感器盒11和單片機的控制，使碟式聚光鏡實現在船舶航行過程中對太陽跟蹤過程的反饋調節。
[0010]本船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置中，通過電子羅盤13和單片機的控制，使碟式聚光鏡3實現在船舶航向改變過程中對太陽跟蹤過程的反饋調節。
[0011]本船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置中，當海面光強未達到設定的最小經濟發電光強要求時，為了減少能耗，跟蹤系統會自動停止運轉。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]附圖1是一種船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置的結構簡圖；
[0013]附圖1中:1.斯特林發電機；2.斯特林發電機支架；3.碟式聚光反射鏡；4碟式聚光反射鏡支架；5.方位角控制電機；6.底座；7.自動跟蹤控制器；8.高度角控制電機；
9.帶輪傳動機構；
[0014]附圖2是一種船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置太陽跟蹤控制系統示意圖(說明:粗實線為電力線，虛線為控制信號線)；
[0015]附圖2中:10.STM32F3微控制器；11.光電跟蹤傳感器盒；12.GPS接收器；13.電子羅盤；14.直流電機驅動器；
[0016]附圖3是一種船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置光電跟蹤反饋調節示意圖；
[0017]附圖4是碟式聚光反射鏡光電跟蹤檢測電路圖；
[0018]附圖5是一種船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置太陽跟蹤控制原理結構示意圖；
[0019]附圖6是一種船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置太陽跟蹤系統主程序設計流程圖。
【具體實施方式】
[0020]本發明船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置原理如圖1所示，主要由斯特林發電機
1、斯特林發電機支架2、碟式聚光反射鏡3、碟式聚光反射鏡支架4、方位角控制電機5、底座
6、高度角控制電機8、帶輪傳動機構9以及太陽跟蹤控制系統構成。[0021]斯特林發電機I通過發電機支架2與碟式聚光反射鏡3中心固定連接，碟式聚光反射鏡3通過反射鏡支架4和發電裝置底座6相連，方位角控制電機5、高度角控制電機8和帶輪傳動機構9分別布設於反射鏡支架4上。
[0022]船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置太陽跟蹤控制系統示意圖如圖2所示，光電跟蹤傳感器盒11固定在碟式反射鏡3的邊緣面上。
[0023]如圖3所示，裝置採用4個光電二極體作為傳感器來檢測光強的變化，跟蹤太陽的位置，進行誤差校正。4個完全相同的光電二極體封裝於一個高壁圓筒傳感器盒11內，均勻分布在東南西北4個方位處，並沿靠近筒壁布置，圓筒有一定高度遮擋斜射的太陽光。其中PDl和PD2兩個光電二極體用於檢測東西方向光線變化，調整太陽碟式聚光鏡東西方向角，即方位角；PD3和PD4兩個光電二極體則用於調整太陽碟式聚光鏡南北方向角，即高度角。檢測電路如圖4所示，當太陽光垂直照射到聚光器表面時，PDl和PD2接受的太陽輻射強度相同，經比較器後輸出信號為零；當太陽光偏離聚光器主光軸時，PDl和PD2接受的太陽輻射強度不同，經比較器後輸出偏差信號，完成信號採樣過程。偏差信號通過運放及相應保護電路，經模數轉換成數位訊號，根據偏差信號的正負和大小決定電機的轉向和轉動角度，直到小於精度允許範圍，電機停止動作。特別地，當東西方位或南北方位的兩個光電傳感器感受到的光強差值偏差數位訊號絕對值小於某個設定閥值時，單片機不發出讓電機動作的信號；當光強差值偏差數位訊號絕對值超過設定閥值時，單片機才發出信號控制電機轉動，這樣控制的目的是提高系統的經濟性。
[0024]本發明的工作過程是:如附圖5所示，跟蹤系統採用高度角-方位角雙軸混合跟蹤的控制方式，通過GPS接收器12，實時獲得船舶所在地的經緯度以及UTC時間；通過開環的程序跟蹤，計算出太陽高度角和方位角，確定太陽當前的位置；輸出PWM信號，驅動轉向機構的方位角控制電機5和高度角控制電機8，使碟式聚光器3達到預期位置，完成視日運動軌跡跟蹤，實現對太陽的初步跟蹤；當船舶航向改變時，電子羅盤13通過接口輸出角度變化量，由STM32F3微控制器10採集電子羅盤13輸出的角度值變化量，進行各種判斷、處理，同時發出指令給迴轉系統，驅動碟式聚光鏡3迴轉到船舶航向改變前的朝向；採用光電二極體對碟式聚光鏡3做自動定位和誤差校正，進行閉環控制，實現光電跟蹤，通過微調聚光鏡3的位置，確保太陽光通過碟式聚光器聚焦都落在斯特林發電機I的接收器上，以保證發電裝置光電轉換效率的最大化。碟式聚光鏡3將太陽光聚焦於斯特林發動機頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動活塞做功，通過曲柄連杆機構帶動發電機轉化成電能輸出。
[0025]本發明中未經描述的技術特徵可以通過現有的相關技術實現。上述【具體實施方式】用來解釋本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明做出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種太陽能發電裝置，其特徵是一種船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置，其硬體系統構成主要包括:碟式聚光反射鏡3、反射鏡支架4、斯特林發動機支架2、太陽能斯特林機、由斯特林機驅動的發電機、太陽雙軸跟蹤裝置、以及自動跟蹤控制系統；自動跟蹤控制系統包括:STM32 F3微控制器10、光電跟蹤傳感器盒11、GPS接收器12、電子羅盤13、直流電機驅動器14 ;其中，所述碟式聚光反射鏡3呈扇形分割，由6個扇形聚光反射鏡片組拼接成一旋轉拋物面結構；所述反射鏡支架4固定於船舶甲板上，用於支撐並安裝所述碟式聚光反射鏡3 ;所述斯特林發動機支架2，一端固定連接所述碟式聚光反射鏡支架4，另一端固定連接太陽能斯特林機；太陽能斯特林機的吸熱器位於碟式聚光反射鏡的焦點處；所述發電機固定連接所述太陽能斯特林機，構成斯特林發電機I ;所述太陽雙軸跟蹤裝置安裝於所述反射鏡支架4上，包括兩臺直流電機、兩臺減速器、一個絲槓螺母副；自動跟蹤控制系統通過控制信號線連接所述太陽雙軸跟蹤裝置控制所述碟式聚光反射鏡3的運行。
2.根據權利要求1所述的船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置，其特徵在於:將碟式斯特林太陽能熱發電技術應用在船舶上。
3.根據權利要求1所述的船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置，其特徵在於:通過GPS接收器12和單片機的控制，使碟式聚光鏡3實現在船舶航行過程中對太陽的初步定位。
4.根據權利要求1所述的船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置，其特徵在於:通過光電跟蹤傳感器盒11和單片機的控制，使碟式聚光鏡3實現在船舶航行過程中對太陽跟蹤過程的反饋調節。
5.根據權利要求1所述的船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置，其特徵在於:通過電子羅盤13和單片機的控制，使碟式聚光鏡3實現在船舶航向改變過程中對太陽跟蹤過程的反饋調節。
6.根據權利要求1所述的船用碟式斯特林太陽能熱發電裝置，其特徵在於:自動跟蹤太陽的碟式聚光鏡3將太陽光聚焦於斯特林發動機頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動活塞做功，通過曲柄連杆機構帶動發電機轉化成電能輸出。
【文檔編號】F02G1/055GK103557128SQ201310571917
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月16日 優先權日:2013年11月16日
【發明者】朱順敏, 胡義, 徐國, 陳智君, 廖鵬飛, 蘇美鳳, 代喜, 武鵬, 徐兵, 許臻澤 申請人:朱順敏