基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置

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使用斯特林发动机的发电装置或动力装置[实用新型专利]

专利名称：使用斯特林发动机的发电装置或动力装置专利类型：实用新型专利
发明人：赤泽辉行,中塚勉,田原妙子,坂本修
申请号：CN201090001136.X
申请日：20101209
公开号：CN202732152U
公开日：
20130213
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型提供一种使用斯特林发动机的发电装置或动力装置，其特征在于：具有运转控制单元，作为在烟道中流动的排出气体所包含的碳等杂质附着于传热管组的情况下进行的杂质的除去模式，该运转控制单元进行斯特林发动机的转速的下降、斯特林发动机的运转的停止、斯特林发动机的发电量的下降或者斯特林发动机的逆向旋转。

申请人：株式会社伊斯特
地址：日本大阪府
国籍：JP
代理机构：北京尚诚知识产权代理有限公司
代理人：龙淳
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碟式太阳能斯特林热电联供装置[实用新型专利]

专利名称：碟式太阳能斯特林热电联供装置
专利类型：实用新型专利
发明人：张仁元,陈观生,李风,毛凌波,朱文洁,张莉,麦志豪申请号：CN201020541150.0
申请日：20100921
公开号：CN201827033U
公开日：
20110511
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种碟式太阳能斯特林热电联供装置，由以下主要部件组成：斯特林发电机1、供热管2、吸热器3、碟式聚光镜4及储热器5；储热器中的储热材料为石蜡或熔盐；供热管中的热流体为空气、水、水蒸气或导热油；碟式聚光镜采用双轴跟踪方式，把太阳辐射始终聚集在吸热器底部的吸热面上，所吸收的热量一部分用于斯特林发电机发电，一部分加热吸热器内的热流体并通过管路向外供热或将热量储存于储热器内，在需要时再向外供热。

申请人：广东工业大学
地址：510006 广东省广州市番禺区大学城外环西路100号
国籍：CN
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斯特林发动机及碟式太阳能热发电系统的模拟和优化的开题报告

斯特林发动机及碟式太阳能热发电系统的模拟和优化的开题报告一、研究背景及问题随着全球经济的快速发展和人口的增长，能源需求急剧增加，已有的能源正逐渐枯竭，污染日益严重。

因此，开发新型、可持续的能源，已成为当今社会的重要课题之一。

太阳能作为一种广泛分布、不会耗尽的能源，因其环保、可再生的特性而备受关注。

而碟式太阳能热发电系统作为利用太阳能发电的一种方式，由于其远高于传统太阳能热发电系统的发电效率，正在成为新一代的热发电装置。

与此同时，斯特林发动机作为一种高效、节能、环保的发动机，正在被广泛应用于太阳能热发电系统中。

斯特林发动机采用的是热机循环原理，将低温热源和高温热源之间的温差转化为功，具有高效利用热能、噪音低、排放少等优点。

然而，由于碟式太阳能热发电系统工作温度高、压力大、工作环境恶劣，加之斯特林发动机的结构复杂，需要设计出更为合理的系统和发动机结构，并优化工作参数，使其能够更具性能和可靠性。

因此，本文的目的是模拟和优化碟式太阳能热发电系统的结构和斯特林发动机的参数，以提高系统的性能和可靠性。

具体问题包括：1. 如何设计合理的碟式太阳能热发电系统结构？2. 如何建立合适的斯特林发动机模型，以实现优化？3. 如何优化碟式太阳能热发电系统和斯特林发动机的工作参数？二、研究方法本文将采用以下研究方法：1. 碟式太阳能热发电系统结构设计：探究碟式太阳能热发电系统的结构，以满足系统工作温度、压力与系统效率、系统可靠性之间的平衡。

2. 斯特林发动机模型建立：建立斯特林发动机数学模型，以便于对系统中斯特林发动机参数的优化以及系统性能建模和仿真。

3. 优化算法选择并应用：通过Matlab等数学计算软件建立优化模型，运用遗传算法、模糊综合评价等优化方法，对碟式太阳能热发电系统及斯特林发动机的工作参数进行优化。

三、论文结构本论文结构如下：第一章：绪论。

介绍论文研究的背景和问题，并对研究方法进行概述。

第二章：碟式太阳能热发电系统设计。

碟式太阳能斯特林光热发电装置原理及前景)

碟式太阳能斯特林光热发电装置原理及前景1816年，苏格兰牧师罗伯特·斯特林(RobertStirling)发明了一种独特的外燃热机。

这是一种外燃的闭式循环往复活塞式热气机，有别于依靠燃料在发动机内部燃烧获得动力的内燃机。

此种热气机被称为斯特林发动机。

时隔近200年后的今天，伴随太阳能发电技术的开发，这种斯特林机正在被应用在太阳能光热发电领域。

记者日前获悉大连星火新能源发展有限公司研发成功25KW太阳能斯特林发动机。

斯特林发动机也称外燃机，它的发明距今已有近200年时间，和蒸汽机的历史差不多，它的特点首先是燃烧连续，由于工质不燃烧，因此没有内燃机的爆震现象，噪音低；其次可以使用任何燃料，其燃烧室在外，燃烧的过程与工质无关，适用于各种热源，对燃烧方式无特殊要求，体积小、重量轻、噪音低、寿命长、维护方便、燃烧效率高。

这种热气机目前在世界上应用于军事领域较多，特别是在潜艇上的应用十分广泛。

斯特林发动机应用于太阳能热发电领域的优势：光伏方面，无论是单晶硅、多晶硅或薄膜电池技术应用在光伏发电上的光电转化效率一般都在8%—15%左右，而且其转化效率衰减快，一般3—5年就衰减5—8%。

光热方面，目前应用较多的太阳能槽式、塔式光热发电的光电转化率也只有9%和11%。

相比之下，碟式太阳能斯特林光热发电的光电转化率高达33%。

而且还存在应用灵活、无需消耗大量水资源、占地面积小等优势。

斯特林光热发电不但可以应用于建设大面积的光热发电站，也可采取风光互补的发电方式，应用于现有的风电场；同时还可以采用光热、燃气综合加热的混合发电方式。

同时，也特别适合在沙漠、山丘等缺水地区；适合于在缺水、缺电的偏远海岛、农村、牧区、海洋钻井平台等地区建立分布式电站，也适用于城市楼宇家用小型电站离并网供电方式。

碟式太阳能斯特林光热发电达到批量化应用后，其成本预计可以达到1美元/瓦，与光伏发电的投资成本接近，更低于传统的槽式光热发电的2.7美元/瓦和塔式光热发电2.5美元/瓦的平均成本。

碟式太阳能热发电系统中斯特林发动机的研究

碟式太阳能热发电系统中斯特林发动机的研究王译旋【摘要】Based on the analysis of operating principle of dish-stirling solar power generation system, the article uses the stirling engine in the system of dish-stirling solar power generation as the object, analyzes the key technique of stirling cycle and engine, and combined the research status of stirling engine in dish-stirling solar power generation system, pointed out many research hot points of stirling engine, provides a reference for relative research of dish-stirling solar power generation system.%在分析碟式太阳能热发电系统工作原理的基础上，以碟式太阳能热发电系统中的斯特林发动机为研究对象，分析斯特林循环以及斯特林发动机的关键技术。

结合碟式太阳能热发电系统中斯特林发动机的研究现状，指出斯特林发动机的诸多研究热点，为碟式太阳能热发电系统相关研究提供依据。

【期刊名称】《农业科技与装备》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】3页(P40-42)【关键词】碟式太阳能热;发电系统;斯特林发动机;斯特林循环【作者】王译旋【作者单位】沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳 110866【正文语种】中文【中图分类】TU995在化石能源储量日益减少、环境污染问题越来越突出的背景下，太阳能因具有储量丰富、便于获取及无污染等特征，被认为是未来重要的可再生能源。

一种碟式太阳能热发电的聚光装置[发明专利]

专利名称：一种碟式太阳能热发电的聚光装置专利类型：发明专利
发明人：麻树波
申请号：CN201210506945.1
申请日：20121130
公开号：CN103850897A
公开日：
20140611
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种碟式太阳能热发电的聚光装置，包括用于汇聚太阳光的聚光镜、凹形的镜面框架和用于安装并支撑镜面框架的支撑架，所述镜面框架为结构稳定性能良好的桁架结构，所述镜面框架一侧边的中部设置有用于固定安装斯特林机组的斯特林机组支架，所述斯特林机组支架为L 形的桁架结构，所述斯特林机组支架的下端设置有螺母安装孔，所述镜面框架下侧中部固定设置有支撑架，所述镜面框架上表面均匀布设有多个聚光镜，所述聚光镜为圆形、方形或扇形。

本发明具有以下特点：设计合理，结构稳定，质量较轻，成本低廉，便于推广使用。

申请人：飞秒光电科技(西安)有限公司
地址：710119 陕西省西安市高新区长安科技产业园发展大道18号
国籍：CN
代理机构：西安创知专利事务所
代理人：李子安
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斯特林发动机与碟式太阳能热发电技术的研究进展

斯特林发动机与碟式太阳能热发电技术的研究进展作者：唐大伟李铁桂小红来源：《新材料产业》 2012年第7期文/唐大伟李铁桂小红中国科学院工程热物理研究所目前，太阳能发电技术主要分为太阳能光伏发电和太阳能热发电2种形式，其中，太阳能热发电具体又分为槽式、塔式和碟式3种形式。

在碟式太阳能热发电系统中，将光能转换成电能的核心装置就是斯特林发动机，可以说，斯特林发动机的工作特性决定了碟式太阳能热发电系统的工作特性，其技术的发展程度也决定了碟式太阳能热发电技术的成熟程度。

一、斯特林发动机与碟式太阳能热发电系统的工作原理及特点1.斯特林发动机简介斯特林发动机，又称热气机，是一种外燃机，即依靠外部热源对密封在机器中的气体工质加热，使其不断热胀冷缩，进行闭式循环，推动活塞做功。

斯特林发动机最早由英国的罗伯特.斯特林于1816年发明，用于矿井取水。

目前，用于斯特林发动机的常见气体工质有空气、氦气、氢气。

斯特林发动机对外燃方式无特殊要求，只要外部热源的温度高于机器中工质的温度即可，加热方式灵活，既可以使用传统的化石燃料，又可以使用太阳能、生物质能，以及具有一定温度的工业废热作为热源。

根据斯特林发动机的设计要求，热源温度可高可低，几十摄氏度的温差即可使其运转起来。

斯特林发动机的热效率很高，在热力学理论上等于同温限下的概括性卡诺循环效率。

斯特林发动机与内燃机最大的区别在于：在做功时，内燃机是通过燃料在气缸内部瞬间气化，上升到很高的温度和压力，然后以爆震的方式推动活塞；而斯特林发动机是依靠外部的热源对热膨胀气缸中的工质持续传热，使其不断升温升压，然后推动活塞做功。

因此，斯特林发动机在工作时较内燃机平稳，而且噪声也小很多。

在石化能源危机越来越严重的今天，斯特林发动机由于具有不受热源形式限制、运行噪声低、热效率高等突出优点，在几十、几百甚至几千瓦的小功率级别分布式供能领域里，日益受到重视，并有望发展成为一种用于微小型分布式供能系统的成熟可靠的动力设备。

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图1 基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置设计图基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置任昊泽（华北电力大学，北京 102206）摘要：提出一种基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置。

采用碟式斯特林发电机替换传统装置中常用的太阳能电池板，提高太阳能转换效率。

碟式斯特林发电机与风力发电装置充分互补，提高装置的稳定性和可靠性。

碟式斯特林发电机可固定在风机的塔架上，充分节约土地资源。

基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置可有效解决远离公共电网的偏远山区、牧区，以及短时间内主网难以到达的、用电负荷需求较小的地区的供电需求。

关键词：碟式斯特林发电机；风光互补发电装置；太阳能电池板；转换效率中图分类号： TM 315 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 (2019) 04-007-03工业技术创新 URL : http: // DOI : 10.14103/j.issn.2095-8412.2019.04.002引言当前，能源危机与环境问题越来越严峻，洁净高效、环保无污染的可再生能源在电力系统中的应用日益广泛[1]。

在我国，太阳能和风能是最常见、最丰富的可再生能源[2]。

顾名思义，太阳能发电是将太阳能转化为电能的过程，风能发电是将风能转化为电能的过程。

然而，受昼夜、地理位置及气候的影响，单一的太阳能或风能发电系统能量密度较低，产生的电能的稳定性较差[3]。

为了充分发挥两者的共同优势，解决两种能源单独利用时的局限性，有效提高能源利用率，提升供电稳定性和可靠性，可考虑设计一种风光互补发电装置。

风光互补发电装置通常由风力发电系统、太阳能发电系统、监控系统、蓄电池、逆变器和负载等组成，其潜在优势主要体现在太阳能和风能在时间分布上的良好互补性[4-5]。

例如，白天太阳光最强，但此时风的强度却不一定很大；晚上光照非常弱，但由于地表温差变化比较大，风的强度往往很大[6]。

再如，夏季光照强度一般较大，光照时间也较长，但风能相对较小，而冬季则反之。

这种在昼夜和季节上的交替，使太阳能与风能的利用率增加，使风光互补发电装置具有稳定的输出，恰恰起到了提高系统稳定性和可靠性的作用。

斯特林发电机可有效利用太阳能，它使用高精度的聚光器把太阳光聚集在一起，推动发电机发电，实现光、热、电的相互转化[7]。

斯特林发电机常见的形式有槽式、塔式和碟式三种[8]。

与槽式和塔式相比，碟式斯特林发电机具有更好的结构灵活性，便于实现规模化应用。

此外，碟式斯特林发电机的太阳能发电峰值效率可达到30%，而槽式和塔式只有20%左右[9]。

本文提出一种基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置，其中采用碟式斯特林发电机代替传统装置中常用的太阳能电池板，以进一步提高太阳能发电效率。

碟式斯特林发电机可固定在风机的塔架上，实现节约土地资源的目的。

1 装置结构基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置主要由风力发电装置和基于蝶式斯特林发电机的太阳能发电装置（以下简称“蝶式斯特林发电装置”）组成。

装置中还包含蓄电池、DC/AC 逆变器、控制器以及负载等，柴油发电机作为备用电源。

设计图如图1所示。

2019年第04期工业技术创新Industrial Technology Innovation1.1 风力发电装置风力发电装置是通过风机将风能转化为机械能，然后将机械能转化为电能，再利用控制器对蓄电池进行充电，最后经过逆变器为负载提供电能的装置。

1.1.1 风机结构风机的关键设备主要由机舱提供。

机舱里有齿轮箱及发电机等关键设备。

风机塔架支撑着机舱，在机舱的最左侧是风机的转子，即转子叶片和轴。

转子叶片的上下部分分别是高速轴和低速轴。

低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起；高速轴高速运转，驱动发电机发电。

齿轮箱位于低速轴上方，发电机位于高速轴上方。

机舱的尾部含有控制器。

控制器与风速计和方向标相连。

1.1.2 风力发电原理风机首先将风能转化成机械能。

机械能带动转子叶片旋转，使风机输出交流电，这即是将机械能转化为电能的过程。

风机利用风力带动风车叶片转动，再通过增速机将旋转速度提升，以促使发电机发电。

由于风力具有不稳定的性质，所以发电机输出的是不稳定的交流电，需经过整流设备后才能对蓄电池充电。

1.2 蝶式斯特林发电装置蝶式斯特林发电装置主要将热能作为驱动力，通过斯特林发动机把太阳光的热能转化为电能。

电能流向蓄电池，以实现充电。

逆变器将电能转变为直流电，再对负载进行供电。

1.2.1 碟式斯特林发电装置结构碟式斯特林发电装置主要由以下三部分组成：（1）碟式太阳能收集器；（2）斯特林发动机；（3）发电站自动控制系统。

装置具体包括架体结构、镜片、光热发电系统和控制系统等，并采用双轴跟踪系统实现对装置的控制。

架体结构主要包括：立柱（作为整个结构的支柱）、镜片安装架（作为镜片的支架，是整个碟盘的关键构架）、斯特林发电机安装架（作为固定斯特林发电机的装置，使其能位于碟盘的聚焦点上）。

镜片的作用是对太阳光进行汇聚，利用高密度的热能驱动发电机发电。

镜片整体设计为抛物面，使其有聚焦的作用。

光热发电系统需要对太阳进行实时追踪，进而保证在阳光充足的时候持续发电，其由功率可调节的斯特林光热发电机组成。

控制系统保证斯特林发电装置能进行俯仰和水平两个方向的角度调节。

1.2.2 碟式斯特林发电装置原理碟式斯特林发电装置是通过抛物面镜片将太阳光汇聚，把热量聚集到斯特林发电机，从而实现发电的。

碟式斯特林发电装置通常采用双轴跟踪结构。

根据旋转抛物面的反射原理，在斯特林发电机上聚集入射的太阳热量，运用自动追踪控制系统实时追踪太阳。

斯特林发电机上太阳辐射汇聚点的温度可达到700~1 300℃。

最后，利用吸热器将太阳热能集中到一起，加热热机驱动电机工作，实现光热转换。

运行时，温度可高达1 500℃以上。

1.2.3 碟式斯特林发电装置的固定位置在引言中提出将碟式斯特林发电机固定于风机的塔架上。

这是因为斯特林发电机具有结构简单、体积小、重量轻等特点，其作为碟式太阳能热发电装置的原动机，可使风光互补发电装置安全、高效、稳定地运行，同时提高资源利用率。

1.3 蓄电池蓄电池是储能装置，是风光互补发电装置的重要组成部分。

可再生能源发电时段不易与尖峰用电时段同步，所以储能装置在风光互补发电装置独立供电时必不可少。

当风力和日照强度都较强时，蓄电池可以先将系统发出的多余电力储备起来，以用于电负荷较大时的供电。

1.4 DC/AC逆变器DC/AC逆变器是一种电能变换装置，在DC/ AC逆变器中，蓄电池中储存的直流电被转换为交流电，这是提供给负载的合格的交流电。

3 应用场景讨论基于蝶式斯特林发电机的风光互补发电装置的发电效率明显提高，系统整体更加稳定和可靠，这是因为采用碟式斯特林发电机代替传统的太阳能电池板，可以很好地利用时间上的互补性。

由此可见，该装置可用于解决远离公共电网的偏远山区和牧区的供电问题，也可用于解决短时间内主网还难以到达的、用电负荷需求较小的地区的供电问题。

3.1 偏远山区、牧区供电在我国青藏高原和内蒙古自治区等偏远山区、牧区，虽然电能供不应求，但太阳能和风能充足[10]。

本文提出的基于蝶式斯特林发电机的风光互补发电装置，能够有效利用这些资源，解决偏远山区、牧区供电问题，提高能源利用率，带动地区经济增长。

任昊泽：基于碟式斯特林发电机的风光互补发电装置3.2 近海地区生产生活用电近年来，我国能源需求量日益增加。

海上边际油田是新发现，然而至今并未得到飞速发展，其根本原因就在于电能供应不足。

众所周知，海边的太阳能与风能资源十分充足。

基于蝶式斯特林发电机的风光互补发电装置，能够迅速有效地为近海地区提供足够的生产生活用电，同时大量节省天然气等不可再生能源，不仅节约能源、保护环境，还能帮助建立完善的供电体系。

3.3 偏远地区通信基站用电通信为地区的发展带来了不可估量的作用。

对通信基站来说，可靠持续的供电系统是其正常稳定工作的必要条件和保障，但我国许多偏远地区通信基站的供电系统质量不过关。

基于蝶式斯特林发电机的风光互补发电装置，不仅能够使通信基站稳定工作，还能节省资源、降低发电成本。

4 结论与展望本文提出了一种基于蝶式斯特林发电机的风光互补发电装置，其采用碟式斯特林发电机取代了传统装置中常用的太阳能电池板，提高了太阳能转换效率。

装置发电成本低、制作简易、运行效率高、热稳定性好、机器使用寿命长、噪音低，具有大规模开发利用的价值和良好的商业前景。

为了进一步提高风光互补发电装置的发展潜力，以下方向应在未来得以广泛探索：（1）太阳能发电和风力发电虽然带来了经济效益和环境效益，然而，可再生能源的不确定性和间歇性依然是一大重要挑战。

例如，太阳能系统的输出功率受到斜坡上升，因为输出功率依赖于太阳辐照度和其他变化幅度较大的气象因素。

因此，功率输出预测应该得到足够重视，以进一步提高供电质量。

（2）应推进利用大数据分析当前风光互补发电装置的动态运行特性，为风光互补发电系统平滑可靠地并网奠定足够的基础。

（3）应设计将碟式斯特林发电机固定于风机塔架上的有效结构，使风光互补发电装置更加安全、高效、稳定地运行。

参考文献[1] 慈松, 李宏佳, 陈鑫, 等. 能源互联网重要基础支撑: 分布式储能技术的探索与实践[J]. 中国科学: 信息科学, 2014, 44(6): 762-773.[2] 赵英庆. 风力发电机原理及风力发电技术[J]. 科技资讯, 2015,13(25): 25-26.[3] 孔小兵, 刘向杰, 韩梅. 风光互补发电系统的分级递阶分布式预测控制[J]. 中国科学: 信息科学, 2018, 48(10): 1316-1332. [4] 普子恒, 倪浩, 黄杨珏. 浅析风光互补发电系统及其应用前景[J]. 科协论坛, 2009(6): 82-83.[5] 杨琦, 张建华, 刘自发, 等. 风光互补混合供电系统多目标优化设计[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(17): 86-90.[6] 孙兵. 风光互补发电集成装置及其控制系统设计[J]. 制造业自动化, 2012, 34(22): 1-4.[7] 张智博. 碟式斯特林太阳能光热发电装置中的光追踪控制系统研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2016.[8] 陈昕, 范海涛. 太阳能光热发电技术发展现状[J]. 能源与环境,2012(1): 90-92.[9] 陈鹏旭. 碟式斯特林光热发电系统有限元分析及结构优化设计[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2017.[10] 樊刚强, 马罕志, 杨勇. 风光互补发电系统的优化设计[J]. 科技风, 2018(20): 192-193.任昊泽（1998—），通信作者，男，湖南长沙人，本科。

研究方向：能源与动力工程。