一种太阳能定压加热热气流发动机发电系统

摘要

本发明涉及一种太阳能定压加热热气流发动机发电系统，包括双轴跟踪太阳能聚焦反射镜面系统、太阳能定压加热动力转换单元或称热气流发动机、发电机，其特征是：太阳能定压加热动力转换单元由空气压缩机、储气罐、太阳能吸收器、输出轴功气缸组件构成，输出轴功气缸组件包括气缸、活塞、连杆及曲柄，气缸上设有的进气口和排气口、进气口上装有的进气阀、排气口上装有的排气阀，空气压缩机、储气罐、太阳能吸收器用输气管顺序串联后与进气口连接，活塞通过连杆与曲柄连接，曲柄轴与发电机轴连接。其优点是：工质为空气，无需水做工质，也无需塔筒(或烟筒)，取消了斯特林发动机巨大的散热机构，成本低、发电效率高，稳定性好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能定压加热热气流发动机发电系统，属于太阳能热动 力发电领域。

背景技术

太阳能热动力发电和太阳能光伏发电是太阳能发电的两大不同类型的发电 方式。太阳能热动力发电主要包括塔式、槽式、碟式、条式、塔筒热气流发电 等方式。

塔式、槽式和条式太阳能热动力发电需要水做为工质，塔筒(烟囱)热气 流太阳能发电需要很高的塔筒(烟囱)。

碟式(或盘式)太阳能发电，无需塔筒，也可以无需水做为工质，碟式发 电采用斯特林循环，由于工质无需水，因此，太阳能碟式斯特林发动机也称为 热气发动机，它的理想压容P-V图如图1所示，它由两条等温线和两条等容线 组成。在图1中，a-b是等温压缩过程，b-c是等容加热过程，c-d是等温膨胀过 程，d-a是等容冷却过程。根据热力学第二定律对最高热效率的要求，理想斯特 林循环的热效率和卡诺循环相同，都是最大。

2010年12月，国家能源局组织开展的全国第一个大型光伏特许权示范项目 ——敦煌20兆瓦光伏发电项目全面实现并网发电。国内首个太阳能热动力发电 特许权示范项目——内蒙古50兆瓦槽式太阳能光热发电项目即将实施。国内首 个太阳能塔筒热气流发电项目于2010年10月在内蒙古乌海市并网发电。2009年3 月20日胡锦涛总书记参观2009中国国际节能减排和新能源科技博览会，并来到 中国科学院电工研究所八达岭MW级太阳能塔式热发电示范电站展台，对该技术 的前沿性给予了充分的肯定，并指出“这个(太阳能热发电技术)挺好”，在我 国的发展“前期造价高点不要紧，关键是技术要掌握”，预计该太阳能塔式热发 电示范电站在2011年并网发电。2005年国内第一座太阳能热发电示范电站-南 京江宁区70kW塔式太阳能热发电试验工程成功发电。

目前，在国内，碟式太阳能热发电还没有示范电站，对其研究也远远不够。 国际上碟式太阳能热发电已经开始商业化运作，美国加州Solar One与Solar Two 电站合计850MW(二期达到1750MW)的运行，已经证明了碟式斯特林系统技 术上和经济上是可行的，具有强大的生命力，美国的太阳能发电的发展方向主 要以太阳能热发电为主，而且由于碟式太阳能热发电在当前的太阳能发电中发 电效率最高，美国的太阳能发电的发展方向首选碟式太阳能热发电。

发明内容

本发明的目的是提供一种工质为空气，无需水做工质，也无需塔筒(或烟 囱)，省去了太阳能蝶式发电中斯特林发动机巨大的散热机构的太阳能定压加热 热气流发动机发电系统。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

本发明包括双轴跟踪太阳能聚焦反射镜面系统、太阳能定压加热动力转换 单元或称热气流发动机、发电机，其特征是：太阳能定压加热动力转换单元由 空气压缩机、储气罐、太阳能吸收器、输出轴功气缸组件构成，输出轴功气缸 组件包括气缸、活塞、连杆及曲柄，气缸上设有的进气口和排气口、进气口上 装有的进气阀、排气口上装有的排气阀，空气压缩机、储气罐、太阳能吸收器 用输气管顺序串联后与进气口连接，活塞通过连杆与曲柄连接，曲柄轴与发电 机轴连接，太阳能定压加热动力转换单元的工作方式为定压加热循环方式，加 热由太阳能通过太阳能吸收器完成，太阳能定压加热动力转换单元是开口系统， 其工质为空气。

本发明的优点是：工质为空气，无需水做工质，也无需塔筒(或烟囱)，采 用太阳能定压加热循环方式，取消了斯特林发动机巨大的散热机构，成本低、 发电效率高，稳定性好。

附图说明

图1是太阳能碟式斯特林发动机的理想压容P-V图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的太阳能定压加热动力转换单元连接发电机的结构示意图；

图4是本发明的太阳能定压加热动力转换单元理想定压加热循环压容图；

图5是本发明的一种并网型太阳能定压加热热气流发动机发电系统实施状 态。

具体实施方式

参照附图2、3、4，本发明包括双轴跟踪太阳能聚焦反射镜面系统11、太 阳能定压加热动力转换单元(热气流发动机)12、发电机10，太阳能定压加热 动力转换单元12由空气压缩机1、储气罐2、太阳能吸收器3、输出轴功气缸组 件构成，输出轴功气缸组件包括气缸5、活塞4、连杆8及曲柄9，气缸5上设 有的进气口和排气口、进气口上装有的进气阀6、排气口上装有的排气阀7，太 阳能吸收器3是热交换器，可以为腔式太阳能吸收器，空气压缩机1、储气罐2、 太阳能吸收器3用输气管顺序串联后与进气口连接，输出轴功气缸5中装有活 塞4，活塞4通过连杆8连接曲柄9，曲柄9轴与发电机10的轴连接。

本发明的一种太阳能定压加热热气流发动机发电系统，其发电系统核心： 太阳能定压加热动力转换单元(热气流发动机)12，如图3所示。图3中，空 气经空气压缩机1压缩后送到储气罐2中，储气罐2使空气压力在太阳能吸收 器3中维持恒定；当活塞4自内(左)死点向外(右)移动时，进气阀6开启， 压缩空气自储气罐2经太阳能吸收器3加热在输出轴功气缸5中定压膨胀；活 塞4向外移动到一定程度，关闭进气阀6，活塞4仍然向外移动直到外(右)死 点，这段过程，空气在输出轴功气缸5中绝热膨胀；然后，活塞4开始自外死 点向内移动，排气阀7开启，直到内死点时关闭排气阀7。

图3中，活塞4自内死点向外移动到外死点过程，输出轴功气缸5内空气 经过定压膨胀和绝热膨胀，通过活塞4、连杆8和曲柄9输出轴功，曲柄9轴与 发电机10同轴，轴功通过发电机10转换为电能。

太阳能定压加热动力转换单元工质为空气，无需水做工质，也无需塔筒(或 烟筒)，采用太阳能定压加热循环方式，它的压容p-v图如图4所示。在图4中， e-f是绝热压缩过程，由空气压缩机1完成；f-g是等压加热过程，由储气罐2、 太阳能吸收器3、活塞4、输出轴功气缸5及进气阀6完成；g-h是绝热膨胀过 程，由输出轴功气缸5、关闭进气阀6、活塞4完成；h-e是等容放热过程，由 排气阀7控制。

本发明的太阳能定压加热动力转换单元中空气流动方向只有一个方向，并 且，该单元为开口系统，空气由空气压缩机1入口进入该单元并从输出轴功气 缸5的排气口流出该单元，因此，本发明的太阳能定压加热动力转换单元称为 热气流发动机。

四冲程柴油机也是采用图4所示的定压加热循环，但柴油机与本发明的热 气流发动机有很多不同之处：柴油机采用内燃方式，本发明采用太阳能外加热 式；柴油机气缸有四个冲程，即压缩空气冲程、膨胀做功冲程、排气冲程和吸 气冲程，本发明中的输出轴功气缸只有两个冲程，即膨胀做功冲程和排气冲程； 柴油机需设油泵(燃油泵和喷油泵)，本发明不设油泵；本发明的绝热压缩过程 由另设的压缩机完成，而柴油机的绝热压缩过程在同一气缸内完成；定压加热 所用能源不同，柴油机燃料是柴油，本发明能源来自太阳能。

本发明的热气流发动机与斯特林发动机不同之处是：采用的循环过程不同， 斯特林发动机采用斯特林循环，本发明的热气流发动机采用定压加热循环；斯 特林发动机是闭口系统，该发明的热气流发动机是开口系统；斯特林发动机中 气体流动方向是双向的、是热气发动机，而本发明的热气流发动机中空气流动 方向只有一个方向、是热气流发动机，以便与称为热气发动机的斯特林发动机 区别。热气流发动机的理想定压加热循环的热效率与理想斯特林循环相同，本 发明的热气流发动机与太阳能蝶式发电的斯特林发动机相比，该发明的优点是 取消了斯特林发动机巨大的散热机构，该发明输出轴功气缸5中热空气膨胀做 完功后，热空气直接排放到大气中，利用大气冷却，无需像斯特林发动机要设 置膨胀做功后气体的冷却散热机构，从而提高了本发明的发电效率。

由双轴跟踪太阳能聚焦反射镜面系统11、太阳能定压加热动力转换单元12 和发电机10构成的一种太阳能定压加热热气流发动机发电系统，如图2所示， 双轴跟踪太阳能聚焦反射镜面系统的焦点落到太阳能定压加热动力转换单元中 的太阳能吸收器上。本发明发出的电能可以离网独立使用。

本发明中的空气压缩机1可由电动机独立驱动，也可以不另设电动机，而 由曲柄9轴同轴驱动，以降低损耗、提高发电效率。空气压缩机1可采用活塞 式压缩机，这样本发明的发电系统就有两个气缸，一个是活塞式压缩机的压缩 空气气缸，另一个是输出轴功气缸5。可以把空气压缩机轴与曲柄9轴以及发电 机10轴同轴相连。

附图5示出一种并网型太阳能定压加热热气流发动机发电系统具体实施方 案。图5中，双轴跟踪太阳能聚焦反射镜面系统11的焦点始终控制在太阳能定 压加热动力转换单元12中的太阳能吸收器3上，太阳能定压加热动力转换单元 12经过定压加热循环方式把太阳能转换为机械动力，该机械动力经发电机转换 为电能输出，这与图2所示的系统相同；发电机发出的电能再经过升压变压器 13升高电压后送到电网14。