太阳能碟式斯特林系统的储能方法及其装置.pdf

本发明公开了一种太阳能碟式斯特林系统的储能方法和装置。在斯特林集热器内填装金属氧化物，经过聚焦的太阳能进入集热器，一部分能量则传递给斯特林发动机热头，供其做功；一部分能量用于提高金属氧化物温度。当太阳能充足时，当温度上升到反应温度时，金属氧化物开始分解并吸收富足的热量。当太阳能不足，集热器内温度开始降低时，金属氧化物与集热器腔体内的氧气发生反应，释放热量，供给斯特林发动机。并且为提高金属氧化物对斯特林热头的传热速率，在金属氧化物和斯特林热头之间增设热管。本发明缓解了太阳光不稳定导致发电功率波动甚至停机的缺点，提高输出电品质，减小对电网的冲击，提高了系统效率。

权利要求书
1.  一种太阳能碟式斯特林系统的储能方法，其特征在于集热器内部布置金属氧化物(3)，启动阶段时，一部分太阳能用于加热斯特林发动机热头(7)，供斯特林发动机(8)对外做功，另一部分太阳能用于加热金属氧化物(3)，提高其温度；当太阳能输入超过斯特林发动机额定需求时，集热器温度升高，金属氧化物(3)温度上升到反应温度时，发生分解还原反应，吸收并存储富余热量，稳定集热器的温度，保障集热器以及斯特林热头(7)的安全；当太阳能输入不足时，集热器温度降低，被还原的金属氧化物(3)吸收氧气发生氧化反应，释放出存储的化学能，产生热能，加热斯特林发动机热头(7)，并传递给斯特林发动机(8)内部工质，保证稳定的功率输出；当太阳能完全没有时，金属氧化物(3)氧化所放出的热量继续传递给斯特林发动机(8)，延长系统有效工作时间。

2.  根据权利要求1所述的一种太阳能碟式斯特林系统的储能方法，其特征在于所述的金属氧化物(3)和斯特林发动机热头(7)之间增设热管(5)，热管热端(4)与金属氧化物(3)接触，热管冷端(6)与斯特林发动机热头(7)结合，金属氧化物释放的热量和太阳能通过热管(5)传递给斯特林发动机热头(7)。

3.  根据权利要求1所述的一种太阳能碟式斯特林系统的储能方法，其特征在于所述的金属氧化物(3)包括铁、锰、钴、铜、钡、锑的氧化物中的一种或者多种。

4.  根据权利要求1所述的一种太阳能碟式斯特林系统的储能方法，其特征在于所述的集热器的太阳光入射处增加二次聚光器(1)。

5.  根据权利要求1所述的一种太阳能碟式斯特林系统的储能方法，其特征在于所述的金属氧化物在氧化释放能量时，从外界环境向金属氧化物中通入空气或者氧气，控制金属氧化物氧化反应速率。

6.  根据权利要求2所述的一种太阳能碟式斯特林系统的储能方法，其特征在于所述的金属氧化物在氧化释放能量时，从外界环境向金属氧化物中通入空气或者氧气，控制金属氧化物氧化反应速率。

7.  一种实施如权利要求1所述方法的太阳能碟式斯特林系统的储能装置，其特征在于包括集热器、金属氧化物(3)、斯特林发动机热头(7)、斯特林发动机(8)，所述的金属氧化物(3)在集热器内表面环绕布置，形成集热器腔体(2)，斯特林发动机热头(7)一部分与金属氧化物(3)接触，一部分暴露在集热器腔体(2)内。

8.  一种实施如权利要求2所述方法的太阳能碟式斯特林系统的储能装置，其特征在于所述的金属氧化物(3)在集热器内表面环绕布置，形成集热器腔体(2)，金属氧化物(3)与所述的热管热端(4)接触，热管冷端(6)与斯特林发动机热头(7)结合，即斯特林发动机热头(7)的外壁面暴露在热管冷端(6)的内部，热管(5)内的工质在热管热端(4)内被 金属氧化物释放的能量或者太阳能加热汽化，蒸发的工质汽体在热管冷端(6)内的斯特林发动机外壁面处冷凝放热液化，释放的能量传递给斯特林热头(7)，液化的热管工质在重力或毛细作用下流回热管热端(4)，往复循环。

说明书太阳能碟式斯特林系统的储能方法及其装置
技术领域
本发明涉及太阳能发电技术领域，尤其涉及一种太阳能碟式斯特林系统的储能方法及其装置。
背景技术
全球太阳能辐射总量约1.7×1017W，其中我国约占1％(1.8×1015W，相当于1.9万亿吨标煤/年)，是我国目前年能耗总量的680倍。电力是世界上消耗量最大的二次能源，太阳能发电技术是缓解当前能源危机的有效手段，应用前景极广。
太阳能发电技术主要分为光伏发电和光热发电两大类。光伏发电主要是利用光伏电池板的光电效应进行发电。该技术目前主要存在三大缺点：(1)发电功率随太阳光强度变化而变化，在晚上和阴雨天完全不能发电，对电网冲击大；(2)太阳光流密度低，单位发电容量所需的光伏电池板面积大，而光伏电池板制造过程污染严重、成本很高；(3)光伏电池板对太阳能光谱的响应波段主要集中在高频短波区域(400<λ<1100nm)，低频长波区域的能量则大部分转化为热量，致使光伏电池板温度升高、光电转换效率降低、使用寿命缩短。采用聚光光伏发电方法可以成倍减少光伏电池板的使用面积、采用薄膜分频方法将太阳光中的低频长波分离后再照射光伏电池板，是目前光伏发电技术的两个重要方向；对于昼夜不连续的问题，光伏发电技术本身难以克服，主要依靠蓄电池或蓄能发电系统(如蓄能水电站等)配套补充，成本很高。
光热发电技术是主要是利用抛物面反射镜(或菲涅尔镜)将太阳光聚集起来，通过光热转换及换热装置产生蒸汽或加热流体驱动发动机(如汽轮机、斯特林机等)进行发电；其优点在于该技术可吸收全波段的太阳光、可通过蓄热实现昼夜连续发电。太阳能热发电主要有槽式热发电、线性菲涅尔热发电、塔式热发电和碟式热发电技术。太阳能热发电常配备一定的储热系统，使得输出电功率稳定可控。目前常见的蓄热方法根据能量的储存形式不同，可以分为以下几类：显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热三种。显热蓄热是利用蓄热材料自身温度的上升或者下降来存储或释放热量。这种蓄热方式在几种蓄热方式中原理最简单、技术最成熟，应用也是最广泛的，但蓄热量相对较低。潜热蓄热是利用蓄热介质在凝固/熔化、凝结/气化、凝华/升华以及其他形式的相变过程中吸收或放出相变潜热 的原理进行蓄热。该方式具有蓄热密度大，充、放热过程温度波动范围小等优点，但相变材料一般不能兼做载热介质，系统中需要设计独立的热交换器，且相变材料可能会对容器壁有腐蚀。化学反应蓄热是指利用可逆化学反应的反应热来储存热能，储热密度在这三种方式中最高。
碟式热发电系统的特点是发电效率高，耗水量少，单机容量较小，一般在5～25kW之间，运用方式灵活(可单独发电也可大规模集成)，适合建立分布式能源系统，特别是在农村或一些偏远地区，具有更强的适应性。对于小容量(1-100kWe)发电而言，碟式-斯特林热发电系统被认为是经济性最好的，因而碟式热发电系统受到越来越多研究者的关注。碟式-斯特林热发电系统通常由一个或多个旋转抛物面镜组成，每个抛物面镜配有单独的斯特林机和发电机，既可单独发电，也可组成大规模的碟式镜场进行发电。该系统采用双轴跟踪方式，聚光比高，目前其峰值发电效率可达31.25％，为所有光热发电方式中最高。
但是目前的碟式缺乏储能，并没有将太阳能热发电的优势充分发挥出来。当太阳有云遮挡时，碟式斯特林系统的输入能量瞬间减少，从而引起斯特林发动机输出功率减少，甚至停机，若是大规模电站将对电网造成不小的冲击。而且当太阳下山时，该系统也不得不停止运行。
发明内容
本发明目的在于克服现有碟式系统功率输出不稳定，影响上网电品质，而起太阳落山后，系统不得不停止运行的问题，提出一种太阳能碟式斯特林系统的储能方法及其装置，稳定系统运行工况，延迟运行时间。本发明具体如下：
在碟式斯特林系统的集热器腔体内增设金属氧化物，使其固定在腔体内部四周壁面上，经过碟式镜聚焦的太阳光入射到斯特林发动机的集热器腔体中，一部分太阳能用于加热斯特林发动机的热头，为其做功提供所需能量；另一部分太阳能用于加热金属氧化物，提升其温度，热量以显热方式存储在金属氧化物中。当太阳能充足的时候(比如中午)，超过斯特林发动机额定需求，集热器温度继续升高，达到金属氧化物反应温度时，金属氧化物发生分解还原反应，吸收热量，稳定了集热器的温度，在一定程度上保障了集热器的安全。当太阳能输入不足(有云遮挡)，低于斯特林发动机额定需求，集热器中温度降低，还原的金属氧化物吸收集热器腔体中的氧气被氧化，释放出原先存储的能量，该部分能量和输入的太阳能通过斯特林发动机热头传递给斯特林发动机内部工质，对外做功。金属氧化物氧化释放的能流弥补了太阳能的减少量，使得斯特林发动机的热头输入能量 保持稳定，因此斯特林发动机对外输出功也保持一个较稳定的水平。当太阳能完全没有，比如太阳落山后，金属氧化物氧化释放的热量还能为斯特林发动机供给一定时间，延长系统有效工作时间。
为增加集热器腔体内金属氧化物向斯特林发动机热头的热量传输能力，在金属氧化物和斯特林发动机热头中间增设热管，热管的热端与金属氧化物接触，热管的冷端与斯特林发动机热头相结合，即斯特林发动机热头嵌在热管冷端内部，斯特林发动机热头外管壁暴露在热管冷端内部，斯特林发动机热头管内为斯特林发动机工质。当热管工作时，热管热端中的液体工质被金属氧化物氧化时释放的热量加热汽化，吸收大量热量，汽化的工质在热端与冷端的不平衡汽压作用下流向冷端，工质在冷端释放热量并液化，工质液体在重力或者毛细作用下流回热管的热端，反复循环。释放的热量被斯特林热头吸收，斯特林热头工作在一个稳定的环境中，因此热头设计和制造相比原先大大简化，降低成本。热管可以将金属氧化物释放的能量更有效的传递给斯特林发动机。
为增加聚光比，减小光孔热损，在集热器光孔处增加二次聚光器。所述的金属氧化物包括铁、锰、钴、铜、钡、锑的氧化物中的一种或者多种。为了控制金属氧化物氧化反应放热速率从外界环境向金属氧化物中通入空气或者氧气，使得反应放出的热量满足斯特林发动机的需求。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、增加金属氧化物储能后，可以减小太阳能波动的影响，使得斯特林发动机输出功率稳定，提高上网电的品质；
2、斯特林发动机的输入能量稳定使得发动机的一直工作在额定工况附近，效率高，金属氧化物的高密度储能使得碟式斯特林系统在没有太阳时能工作一段时间，延长了发电时间，提高了经济效益；
3、增加热管后，使得集热器内的热量能够有效地传递给斯特林发动机，并且使得斯特林发动机的热头设计和制造简化，降低成本，而且由于金属氧化物的存在，避免了热管的热端直接被高能量的聚光太阳能照射，延长了热管寿命。
附图说明
图1是增加金属氧化物储能物质的集热器示意图；
图2是本发明的斯特林发动机示意图；
图3是增加金属氧化物储能装置的太阳能碟式斯特林系统示意图；
图4是本发明的热管示意图；
图5是增加热管的太阳能碟式斯特林系统储能装置示意图。
图中：二次聚光器1、集热器腔体2、金属氧化物3、热管热端4、热管5、热管冷端6、斯特林发动机热头7、斯特林发动机8、发电机9。
具体实施方式
如图1所示，储能物质金属氧化物3集热器腔体内壁，经过碟式镜聚焦的太阳光经过二次聚光器1再次聚焦后，进入集热器腔体2内。图2为斯特林发动机示意图，斯特林发动机热头7用于吸收外界热量，提供给斯特林发动机8内的工质做功，最后带动发电机9发电，对外输出电能。如图3所示，当系统启动时，太阳能入射到集热器腔体2内，一部分太阳能被斯特林发动机热头7直接吸收，用于斯特林发动机8对外做功，另一部分太阳能被金属氧化物3吸收，提高了金属氧化物的温度；当太阳能非常充足的时候(比如中午)，集热器温度升高，达到金属氧化物的反应温度，金属氧化物3的分解还原反应，吸收热量，稳定集热器的温度，在一定程度上保障集热器以及斯特林发动机热头7的安全。当太阳能输入不足(有云遮挡)，集热器中温度降低，还原的金属氧化物3吸收集热器腔体2中的氧气被氧化，释放出原先存储的能量，该部分能量和输入的太阳能通过斯特林发动机热头7传递给斯特林发动机内部工质8，对外做功。金属氧化物3氧化释放的能流弥补了太阳能的减少量，使得斯特林发动机热头7输入能量保持稳定，因此斯特林发动机8对外输出功也保持一个较稳定的水平。当太阳能完全没有，比如太阳落山后，金属氧化物储能物质还能为斯特林发动机供给一定时间的热量，延长系统工作时间。以金属氧化物四氧化三钴为例，其反应温度为900℃，当温度升高到反应温度时，会发生还原反应，生产氧化钴和氧气，并吸收大量热量。其工作温度适合斯特林发动机的工作温度。所述的金属氧化物包括铁、锰、钴、铜、钡、锑的氧化物中的一种或者多种。金属氧化物3在集热器腔体2的内壁四周环绕布置，斯特林发动机热头7一部分与金属氧化物3接触，另一部分在集热器腔体内，接受太阳光的直接照射。
改进实施例：
为增加集热器腔体2内金属氧化物3向斯特林发动机热头7的热量传输能力，在金属氧化物3和斯特林发动机热头7中间增设热管5，如图4。热管热端4与金属氧化物3接触，热管冷端6与斯特林发动机热头7结合，如图5所示，即斯特林发动机热头7在热管冷端的内部。当热管5工作时，热管热端4中的液体工质被金属氧化物3氧化时释放的热量加热汽化，吸收大量热量，汽化的工质在热 管热端4与热管冷端6中的不平衡汽压作用下流向热管冷端6，工质在热管冷端6中的斯特林发动机热头7的外壁面释放热量并液化，工质液体在重力或者毛细作用下流回热管热端4，反复循环。释放的热量被斯特林热头7吸收，斯特林热头7工作在一个稳定的环境中，因此斯特林热头7设计和制造相比原先大大简化，提高了可靠性，降低成本。以钠热管为例，其工作温度为500-800℃，适合斯特林发动机工作区间。热管5可以大大降低金属氧化物3与斯特林发动机热头7之间的传热温度，提高传热速率，将金属氧化物3以及太阳能更有效的传递给斯特林发动机8。