專利名稱：熱源互補(bǔ)型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種熱源互補(bǔ)型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)，特別涉及一種太陽(yáng)能一輔助熱源互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
太陽(yáng)能作為地球上儲(chǔ)量最豐富的可再生清潔能源，在目前全球能源危機(jī)的背景下，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能等可再生能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源已成為人類發(fā)展的必然趨勢(shì)。但由于太陽(yáng)能能量密度低、穩(wěn)定性差，并受到地理分布、季節(jié)變化、晝夜交替等影響，導(dǎo)致其電力供應(yīng)非常不穩(wěn)定。一旦這種可再生能源大規(guī)模開(kāi)發(fā)并并網(wǎng)，不穩(wěn)定的電力供應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行是極大的威脅和負(fù)擔(dān)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)發(fā)電難題長(zhǎng)期限制著太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用和推廣。據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2011年我國(guó)光伏裝機(jī)為300萬(wàn)千瓦，而并網(wǎng)裝機(jī)容量為214萬(wàn)千瓦，并網(wǎng)率僅為71% ;而在這些可并網(wǎng)運(yùn)行的太陽(yáng)能電站中，年平均可利用小時(shí)數(shù)僅為1500小時(shí)(62.5天)，僅為火電的1/4。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于太陽(yáng)能電站電力供應(yīng)不穩(wěn)定導(dǎo)致電網(wǎng)“棄光”現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)在我國(guó)仍是一項(xiàng)不成熟的技術(shù)。國(guó)家能源局2011年12月公布了中國(guó)可再生能源發(fā)展的“十二五”規(guī)劃目標(biāo)，到2015年，中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電將達(dá)到1500萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量200億千瓦時(shí)。如此大的太陽(yáng)能并網(wǎng)規(guī)模對(duì)國(guó)內(nèi)大電網(wǎng)的安全運(yùn)行和調(diào)度是極大的威脅和負(fù)擔(dān)，要使太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)能夠得到廣泛利用，真正做到充分利用新能源，其并網(wǎng)技術(shù)的研究與發(fā)展就顯得格外重要。目前我國(guó)的并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)大部分都采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的。并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件、并網(wǎng)逆變器、計(jì)量裝置及配電系統(tǒng)組成。光伏發(fā)電是即時(shí)型的，光電轉(zhuǎn)化在極短時(shí)間內(nèi)完成，這使得光伏發(fā)電的電力輸出直接受光照變化影響，電力輸出波動(dòng)劇烈；而光熱發(fā)電方式由于工質(zhì)的熱容以及蓄熱系統(tǒng)的作用，其輸出功率受光照變化的影響沒(méi)有光伏直接，電力輸出的品質(zhì)較光伏好。太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是太陽(yáng)能領(lǐng)域商業(yè)化程度最高、推廣應(yīng)用最普遍的技術(shù)之一。目前已經(jīng)實(shí)驗(yàn)成功的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要有三種:槽式、塔式和碟式。其中碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電方式具有聚光比高，能效高，機(jī)構(gòu)緊湊，安裝方便，可分布式應(yīng)用，也可大規(guī)模集中發(fā)電的特點(diǎn)，已經(jīng)越來(lái)越受到公眾關(guān)注。碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心——斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種外部供熱(或燃燒)的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī),它以氣體做工質(zhì),按閉式回?zé)嵫h(huán)的方式進(jìn)行工作。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)主要由外部供熱(或燃燒)系統(tǒng)、工作循環(huán)系統(tǒng)(熱能-機(jī)械能轉(zhuǎn)換系統(tǒng))、傳統(tǒng)系統(tǒng)(機(jī)械能輸出系統(tǒng))、輔助系統(tǒng)以及監(jiān)控系統(tǒng)等組成。其工作原理基于斯特林循環(huán)，整個(gè)工作過(guò)程包含等溫壓縮；等體吸熱；等溫膨脹；等容冷卻4個(gè)過(guò)程。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)目前國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)電力輸出波動(dòng)較大，大型太陽(yáng)能電站并網(wǎng)困難的問(wèn)題，提供一種熱源互補(bǔ)型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)。[0008]熱源互補(bǔ)型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)包括熱水箱、碟式二次反射鏡、混合熱源加熱器、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵、冷水箱、發(fā)電機(jī)、數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)器、輔助熱源控制器、電控閥和燃料補(bǔ)充裝置；碟式二次反射鏡將太陽(yáng)光聚焦到混合熱源加熱器，混合熱源加熱器與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端相連，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出端與發(fā)電機(jī)相連，冷水箱、水泵、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻器一路、混合熱源加熱器中的煙氣側(cè)換熱器與熱水箱順次相連，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻器另一路直接與熱水箱相連，燃料補(bǔ)充裝置、電控閥與混合熱源加熱器順次相連，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出端、數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)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(yáng)能接收窗口、尾部煙道、煙氣側(cè)換熱器、加熱腔、輔助熱源入口及空氣入口 ；煙氣側(cè)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(cè)面開(kāi)口，用于安裝太陽(yáng)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，并90°折彎，煙氣側(cè)換熱器為管式換熱器，加熱腔底部開(kāi)有三排小孔，前側(cè)面開(kāi)有直徑為50 60mm窗口，并安置石英玻璃。[0010]所述的數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)器為紅外線轉(zhuǎn)速傳感檢測(cè)器和BH175FVI光強(qiáng)傳感器。所述的輔助熱源控制器是ATmegal28單片機(jī)。[0011]本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果:[0012]( I)、相對(duì)與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)以及光熱發(fā)電系統(tǒng)電力輸出波動(dòng)較大的缺陷，本設(shè)計(jì)通過(guò)加設(shè)輔助熱源，并設(shè)計(jì)混合熱源加熱器以及相應(yīng)的輔助熱源控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能和其他多種熱源互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，提高了系統(tǒng)輸出電力的穩(wěn)定性和持續(xù)性，有利于太陽(yáng)能熱發(fā)電的并網(wǎng)；[0013](2)、加設(shè)余熱利用系統(tǒng)，將斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)冷端的余熱、混合加熱器排煙余熱利用起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)供以及能源的梯級(jí)利用，大大提高了系統(tǒng)的綜合能效。


[0014]圖1是熱源互補(bǔ)型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；[0015]圖2是本實(shí)用新型的測(cè)定工況曲線；[0016]圖3是本實(shí)用新型在不同熱源加熱情況下發(fā)動(dòng)機(jī)輸出參數(shù)柱狀圖；[0017]圖4是本實(shí)用新型的混合加熱器結(jié)構(gòu)示意圖；[0018]圖5 Ca)是本實(shí)用新型的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)示意圖；[0019]圖5 (b)是本實(shí)用新型的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)分解示意圖；[0020]圖6是本實(shí)用新型的輔助熱源控制方案框圖；[0021 ] 圖7是本實(shí)用新型的控制器接口圖；[0022]圖8是本實(shí)用新型的紅外轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊以及光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊電路圖；[0023]圖9是本實(shí)用新型的余熱利用系統(tǒng)開(kāi)啟前后發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)4、水泵5、冷水箱6、發(fā)電機(jī)7、數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)器8、輔助熱源控制器9、電控閥10、燃料補(bǔ)充裝置11、太陽(yáng)能接收窗口 12、尾部煙道13、煙氣側(cè)換熱器14、加熱腔15、輔助熱源入口 16、空氣入口17。
具體實(shí)施方式
對(duì)照附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，熱源互補(bǔ)型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)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(fā)動(dòng)機(jī)4、水泵5、冷水箱6、發(fā)電機(jī)7、數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)器8、輔助熱源控制器9、電控閥10和燃料補(bǔ)充裝置11 ;碟式二次反射鏡2將太陽(yáng)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(fā)動(dòng)機(jī)4的熱端相連，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)4的輸出端與發(fā)電機(jī)7相連，冷水箱6、水泵5、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)4的冷卻器一路、混合熱源加熱器3中的煙氣側(cè)換熱器與熱水箱I順次相連，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)4冷卻器另一路直接與熱水箱I相連，燃料補(bǔ)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(fā)動(dòng)機(jī)4的輸出端、數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)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(yáng)能接收窗口 12、尾部煙道13、煙氣側(cè)換熱器14、加熱腔15、輔助熱源入口 16及空氣入口 17 ;煙氣側(cè)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(cè)面開(kāi)口，用于安裝太陽(yáng)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，并90°折彎，煙氣側(cè)換熱器14為管式換熱器，加熱腔15底部開(kāi)有三排小孔，前側(cè)面開(kāi)有直徑為50 60mm窗口，并安置石英玻璃。所述的數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)器8為紅外線轉(zhuǎn)速傳感檢測(cè)器和BH175FVI光強(qiáng)傳感器。所述的輔助熱源控制器10是ATmegal28單片機(jī)。熱源互補(bǔ)型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供方法采用太陽(yáng)能作為主熱源，太陽(yáng)光通過(guò)碟式二次反射鏡2聚光，聚光比為200 250，透過(guò)混合加熱器3的太陽(yáng)能接收窗口 12，投射到加熱腔15內(nèi)，對(duì)斯特 林發(fā)動(dòng)機(jī)4的熱缸進(jìn)行加熱；燃料補(bǔ)充裝置11中多種形式的輔助燃料流經(jīng)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(guò)空氣入口 17進(jìn)入加熱腔15，輔助燃料和太陽(yáng)能共同加熱斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)4的熱缸，排煙通過(guò)尾部煙道13排出；斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)4內(nèi)的工質(zhì)進(jìn)行斯特林循環(huán)，演示模型工質(zhì)為空氣，熱端工質(zhì)溫度為300 340°C，冷端工質(zhì)溫度為50 60°C，平均循環(huán)壓力為0.1Mpa,最后帶動(dòng)飛輪對(duì)外輸出動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)7發(fā)電；輔助熱源的供應(yīng)采用“飛輪轉(zhuǎn)速反饋一光照強(qiáng)度前饋”的控制方式，BH175FVI光強(qiáng)傳感器在太陽(yáng)福射波動(dòng)時(shí),可檢測(cè)光強(qiáng)的變化,轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；紅外線轉(zhuǎn)速傳感檢測(cè)器安裝在飛輪支架上，在飛輪上設(shè)置IOmmX 3mm檢測(cè)白線，通過(guò)白線紅外信號(hào)反射傳感實(shí)現(xiàn)飛輪轉(zhuǎn)速測(cè)量，同時(shí)在紅外對(duì)管周圍設(shè)置擋光板，保證系統(tǒng)在強(qiáng)光下能正常工作；轉(zhuǎn)速和光強(qiáng)信號(hào)由傳感器進(jìn)入輔助熱源控制器9，輔助熱源控制器9根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的變化，輸出控制指令，控制電控閥10的開(kāi)度，調(diào)節(jié)燃料補(bǔ)充裝置11的燃料供應(yīng)量，從而保證斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)4的熱端有穩(wěn)定的熱量輸入，工質(zhì)溫度相對(duì)恒定，保證系統(tǒng)輸出電力的穩(wěn)定；余熱利用管道中，冷水箱6中的冷卻水經(jīng)水泵5加壓，分別流經(jīng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)4的冷卻器和混合熱源加熱器3中的煙氣側(cè)換熱器14，對(duì)兩部分的余熱進(jìn)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(shí)，冷卻器出口的熱水可通過(guò)旁路直接匯入熱水箱I中。
權(quán)利要求1.一種熱源互補(bǔ)型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)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(fā)動(dòng)機(jī)(4)、水泵(5)、冷水箱(6)、發(fā)電機(jī)(7)、數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)器(8)、輔助熱源控制器(9)、電控閥(10)和燃料補(bǔ)充裝置(11);碟式二次反射鏡(2)將太陽(yáng)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(fā)動(dòng)機(jī)(4)的熱端相連，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(4)的輸出端與發(fā)電機(jī)(7)相連，冷水箱(6)、水泵(5)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(4)的冷卻器一路、混合熱源加熱器(3)中的煙氣側(cè)換熱器與熱水箱(I)順次相連，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)(4)冷卻器另一路直接與熱水箱(I)相連，燃料補(bǔ)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(fā)動(dòng)機(jī)(4)的輸出端、數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)器(8)、輔助熱源控制器(9)、電控閥(10)順次相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱源互補(bǔ)型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于所述的混合熱源加熱器(3)包括太陽(yáng)能接收窗口(12)、尾部煙道(13)、煙氣側(cè)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(cè)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(cè)面開(kāi)口，用于安裝太陽(yáng)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，并90°折彎，煙氣側(cè)換熱器(14)為管式換熱器，加熱腔(15)底部開(kāi)有三排小孔，前側(cè)面開(kāi)有直徑為50 60mm窗口，并安置石英玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱源互補(bǔ)型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)器(8)為紅外線轉(zhuǎn)速傳感檢測(cè)器和BH175FVI光強(qiáng)傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種熱源互補(bǔ)型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于所述的輔助熱源控制器(10)是ATmega l28單片機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)一種熱源互補(bǔ)型斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)熱電聯(lián)供系統(tǒng)。碟式二次反射鏡將太陽(yáng)光聚焦到混合熱源加熱器，混合熱源加熱器與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端相連，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出端與發(fā)電機(jī)相連，冷水箱、水泵、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻器一路、混合熱源加熱器中的煙氣側(cè)換熱器與熱水箱順次相連，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻器另一路直接與熱水箱相連，燃料補(bǔ)充裝置、電控閥與混合熱源加熱器順次相連，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出端、數(shù)據(jù)采集及檢測(cè)器、輔助熱源控制器、電控閥順次相連。本實(shí)用新型解決了傳統(tǒng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)電力輸出不穩(wěn)定，持續(xù)性差，并網(wǎng)困難的問(wèn)題，同時(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)，大大提高了太陽(yáng)能熱發(fā)電并網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力和系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號(hào)F03G6/06GK203081666SQ20122056518
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者肖剛, 倪明江, 時(shí)冰偉, 胡曉平, 駱仲泱, 高翔, 岑可法, 方夢(mèng)祥, 周勁松, 施正倫, 程樂(lè)鳴, 王勤輝, 王樹(shù)榮, 余春江 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)