一种太阳能斯特林发电教学实验仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种太阳能斯特林发电教学实验仪，包括菲涅耳透镜，斯特林热机，两套太阳能跟踪控制器；两套热电偶温度传感器，所述的热缸和冷缸的中间连接处安装有微型压力传感器，所述的压力传感器与示波器相连接，所述的斯特林热机的飞轮上安装有增量编码器，所述的飞轮通过皮带与发电机传动，所述的发电机与负载相连。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：用菲涅耳透镜代替传统的凹面反射碟式聚光镜汇聚太阳光，重量较轻且价格低廉，结构简单，投入成本低，采用两套太阳能自动跟踪控制器实现自动追踪阳光的效果，能够获得最大的太阳能；装置集成了多项参数的测试功能，功能丰富。
【专利说明】一种太阳能斯特林发电教学实验仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及太阳能发电系统的实验装置，尤其涉及一种太阳能斯特林发电教学实验仪。
【背景技术】
[0002]斯特林发动机属于外燃机的一种，利用可压缩流体当作工作流体，例如空气、氮气、氦气、氢气等。其循环过程不像内燃机需要经过爆炸，因此具有低噪音的特性，且适用各种形式的热源，例如太阳热能、地热、生质能或核能等热源。第一台发动机是由苏格兰的Robert Stirling于1816年制造,利用气体热涨冷缩的特性驱动,其中包含等温膨胀、等容放热再生、等温压缩与等容吸热再生四个过程，由于循环过程中包含再生过程，因此其理论热效率等同于卡诺效率。
[0003]斯特林热机是一种外燃或外部加热式闭式循环活塞式发动机，也称为热气机，其热力循环为斯特林循环。各种燃料燃烧装置、太阳能、原子能、蓄热装置以及化学反应生成热装置等均可以成为其外部加热热源。如图1所示，目前常用的典型的碟式斯特林太阳能热发电系统主要由碟式聚光镜、太阳光接收器、斯特林热机和发电机组成。其中接收器、斯特林热机与发电设备组成的整体通常称为能量转换单元。装置中设计有转向机构，通过调节聚光碟的仰角及水平角度跟踪太阳，保证聚光镜正对太阳获得最多的太阳能。运行时太阳光经过碟式聚光镜聚焦后进入太阳光接收器，在太阳光接收器内转化为热能，并成为斯特林热机的热源推动斯特林热机运转，再由斯特林热机带动发电机发电。
[0004]但是由于碟式聚光镜必须采用金属反光镜，且面积较大，导致加工制作难度较大。大面积的碟式聚光镜的重量要求追日转向系统必须采用更大的支架和更高功率的驱动电机，不仅增加了成本，也使基于斯特林热机的太阳能发电系统的机动性大大降低，阻碍了太阳能斯特林发电系统的应用和推广。
实用新型内容
[0005]本实用新型需要解决的上述问题是针对上述现有技术制作难度较大，成本投入大，机动性大大降低的不足，而提供一种提供结构简单、价格相对低廉、功能完备的太阳能斯特林发电教学实验仪。
[0006]为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是:
[0007]—种太阳能斯特林发电教学实验仪，包括菲涅耳透镜，所述的菲涅耳透镜固定在俯仰角框架的顶端，所述的斯特林热机固定在俯仰角框架的底端，所述的俯仰角框架通过两侧的第一转轴和第二转轴与方位角框架活动连接，第一减速电机通过第一传动装置使俯仰角框架以第一转轴和第二转轴为轴进行旋转运动；方位角框架的底端通过第三转轴与底座活动连接，第二减速电机通过第二传动装置使方位角框架以第三转轴为轴进行旋转运动；所述的第一减速电机由设置在菲涅耳透镜上端面上的第一太阳能跟踪控制器控制；所述的第二减速电机由设置在菲涅耳透镜边缘的第二太阳能跟踪控制器控制；
[0008]所述的斯特林热机包括热缸和冷缸，所述的热缸与第一热电偶温度传感器相连，所述的冷缸与第二热电偶温度传感器相连，所述的热缸和冷缸的中间连接处安装有微型压力传感器，所述的压力传感器与示波器相连接，所述的斯特林热机的飞轮上安装有增量编码器，所述的飞轮通过皮带与发电机传动，所述的发电机与负载相连；
[0009]所述的第一热电偶温度传感器，用于检测热缸内的温度；
[0010]所述的第二热电偶温度传感器，用于检测冷缸内的温度；
[0011]微型压力传感器，用于检测斯特林热机内工质的压力变化，并将压力数值转变为标准模拟信号，输出到示波器上；
[0012]所述的增量编码器，用于测定飞轮转速及旋转角度，并通过计算得出某一时刻斯特林热机中工质的体积。
[0013]所述的俯仰角框架为矩形框架。
[0014]所述的方位角框架为U型框架。
[0015]所述的俯仰角框架为三角形框架。
[0016]所述的方位角框架为V型框架。
[0017]所述的第一太阳能跟踪控制器设置在菲涅耳透镜上端面的中间位置。
[0018]所述的斯特林热机设置在菲涅耳透镜的轴心方向上。
[0019]所述的第一传动装置为设置在第一转轴或第二转轴一侧的第一同步轮，所述的第一同步轮通过皮带与第一减速电机连接。
[0020]所述的第二传动装置为设置在第三转轴上的第二同步轮，所述的第二同步轮通过皮带与第二减速电机连接。
[0021]与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0022]1、用菲涅耳透镜代替传统的凹面反射碟式聚光镜汇聚太阳光，菲涅耳透镜由有机玻璃制成，重量较轻且价格低廉，所以其支架结构简单，投入成本低，此外，较小的面积即可获得较高的温度，可进一步节约成本。
[0023]2、采用两套太阳能自动跟踪控制器分别控制整个装置的俯仰角和方位角，实现自动追踪阳光的效果，能够获得最大的太阳能。
[0024]3、装置集成了多项参数的测试功能，能够测定太阳辐照度、热缸及冷缸温度、发动机工作转速、工质压强和体积、负载输出功率等参数，功能丰富，结构简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1是现有的碟式斯特林太阳能热发电系统的结构示意图；
[0026]图2是本实用新型的太阳能斯特林发电教学实验仪的结构示意图；
[0027]图3是本实用新型的斯特林热机的俯视图。
[0028]其中，1、菲涅耳透镜，2、俯仰角框架，3、斯特林热机，4、第一转轴，5、第二转轴，6、方位角框架，7、第一同步轮，8、第一减速电机，9、第三转轴，10、底座，11、第二同步轮，12、第二减速电机，13、第一太阳能跟踪控制器，14、第二太阳能跟踪控制器，15、第一热电偶温度传感器，16、第二热电偶温度传感器，17、压力传感器，18、增量编码器，19、发电机，20、负载。
【具体实施方式】
[0029]现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
[0030]如图2所示，一种太阳能斯特林发电教学实验仪，包括菲涅耳透镜1，所述的菲涅耳透镜I固定在俯仰角框架2的顶端，所述的斯特林热机3固定在俯仰角框架2的底端，所述的俯仰角框架2通过两侧的第一转轴4和第二转轴5与方位角框架6活动连接，第一减速电机8通过第一传动装置使俯仰角框架2以第一转轴4和第二转轴5为轴进行旋转运动；方位角框架6的底端通过第三转轴9与底座10活动连接，第二减速电机12通过第二传动装置使方位角框架6以第三转轴9为轴进行旋转运动；所述的第一减速电机8由设置在菲涅耳透镜I上端面上的第一太阳能跟踪控制器13控制；所述的第二减速电机12由设置在菲涅耳透镜I边缘的第二太阳能跟踪控制器14控制；
[0031]第一太阳能跟踪控制器13和第二太阳能跟踪控制器14用于探测接收的阳光角度的变化，用于改变整个装置的俯仰角和方位角，使得整个装置始终朝向太阳，且阳光直射菲涅耳透镜I。
[0032]所述的斯特林热机3包括热缸和冷缸，所述的热缸与第一热电偶温度传感器15相连，所述的冷缸与第二热电偶温度传感器16相连，所述的热缸和冷缸的中间连接处安装有微型压力传感器17，所述的压力传感器17与示波器相连接，所述的斯特林热机3的飞轮上安装有增量编码器18，所述的飞轮通过皮带与发电机19传动，所述的发电机19与负载20相连；
[0033]太阳光经菲涅耳透镜I后汇聚于斯特林热机3的热缸，使斯特林热机3转动，斯特林热机3通过皮带带动发电机19工作，向负载20输出电能；
[0034]所述的第一热电偶温度传感器15，用于检测热缸内的温度；
[0035]所述的第二热电偶温度传感器16，用于检测冷缸内的温度；
[0036]微型压力传感器17，用于检测斯特林热机3内工质的压力变化，并将压力数值转变为标准模拟信号，输出到示波器上；
[0037]所述的增量编码器18，用于测定飞轮转速及旋转角度，并通过计算得出某一时刻斯特林热机3中工质的体积。
[0038]通过以上数据的采集，经过计算可以得出相关的数据:
[0039]1、集热器效率:n c = Q1 / Wb ；
[0040]式中，Q1为热腔吸收的热量W1= vR T1In (V2 / V1 )，v为每循环通过回热器工质的平均质量，单位为摩尔，R为气体普适常数，V2和V1分别为等温压缩前后工质体积；
[0041]Wb为系统吸收热能=当地辐照度X菲涅耳透镜面积。
[0042]2、热效率(卡诺循环效率):Jlca= ( T1-T2 )/ T1 ；
[0043]式中，I\、T2分别为热缸、冷缸温度。
[0044]3、内部效率:n in= Wpv / Wk ；
[0045]式中，Wpv为利用示波器显示的PV图像得出的实际输出功；Wk为输出的机械功理论值 Wk= V R ( T1-T2 ) In (V2 /V1 )。
[0046]4、机械效率:nM= W0 / Wpv ；
[0047]式中，\为转速与扭矩计算得出的单位时间的有效输出功；WPV为利用示波器显示的PV图像得出的实际输出功。
[0048]5、空载总效率:n = W0 / Wb ；
[0049]式中，\为转速与扭矩计算得出的单位时间的有效输出功；WB为系统吸收热能=当地辐照度X菲涅耳透镜面积。
[0050]6、发电总效率:ΠE= We / Wb
[0051]式中，We为负载输出电功率，Wb为系统吸收热能=当地辐照度X菲涅耳透镜面积。
[0052]所述的俯仰角框架2为矩形框架。
[0053]所述的方位角框架6为U型框架。
[0054]所述的俯仰角框架2为三角形框架。
[0055]所述的方位角框架6为V型框架。
[0056]所述的第一太阳能跟踪控制器13设置在菲涅耳透镜I上端面的中间位置。
[0057]所述的斯特林热机3设置在菲涅耳透镜I的轴心方向上。
[0058]所述的第一传动装置为设置在第一转轴4或第二转轴5 —侧的第一同步轮7，所述的第一同步轮7通过皮带与第一减速电机8连接。
[0059]所述的第二传动装置为设置在第三转轴9上的第二同步轮11，所述的第二同步轮11通过皮带与第二减速电机12连接。
[0060]以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
【权利要求】
1.一种太阳能斯特林发电教学实验仪，其特征在于:包括菲涅耳透镜(1)，所述的菲涅耳透镜(1)固定在俯仰角框架(2)的顶端，所述的斯特林热机(3)固定在俯仰角框架(2)的底端，所述的俯仰角框架(2)通过两侧的第一转轴(4)和第二转轴(5)与方位角框架(6)活动连接，第一减速电机(8)通过第一传动装置使俯仰角框架(2)以第一转轴(4)和第二转轴(5 )为轴进行旋转运动；方位角框架(6 )的底端通过第三转轴(9 )与底座(10 )活动连接，第二减速电机(12)通过第二传动装置使方位角框架(6)以第三转轴(9)为轴进行旋转运动；所述的第一减速电机8由设置在菲涅耳透镜(1)上端面上的第一太阳能跟踪控制器(13)控制；所述的第二减速电机(12)由设置在菲涅耳透镜(1)边缘的第二太阳能跟踪控制器(14)控制； 所述的斯特林热机(3)包括热缸和冷缸，所述的热缸与第一热电偶温度传感器(15)相连，所述的冷缸与第二热电偶温度传感器(16)相连，所述的热缸和冷缸的中间连接处安装有微型压力传感器(17)，所述的压力传感器(17)与示波器相连接，所述的斯特林热机(3)的飞轮上安装有增量编码器(18)，所述的飞轮通过皮带与发电机(19)传动，所述的发电机(19)与负载(20)相连； 所述的第一热电偶温度传感器(15)，用于检测热缸内的温度； 所述的第二热电偶温度传感器(16)，用于检测冷缸内的温度； 微型压力传感器(17)，用于检测斯特林热机(3)内工质的压力变化，并将压力数值转变为标准模拟信号，输出到示波器上； 所述的增量编码器(18)，用于测定飞轮转速及旋转角度，并通过计算得出某一时刻斯特林热机(3 )中工质的体积。
2.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发电教学实验仪，其特征在于:所述的俯仰角框架(2)为矩形框架。
3.根据权利要求2所述的太阳能斯特林发电教学实验仪，其特征在于:所述的方位角框架(6)为U型框架。
4.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发电教学实验仪，其特征在于:所述的俯仰角框架(2)为三角形框架。
5.根据权利要求4所述的太阳能斯特林发电教学实验仪，其特征在于:所述的方位角框架(6)为V型框架。
6.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发电教学实验仪，其特征在于:所述的第一太阳能跟踪控制器(13)设置在菲涅耳透镜(1)上端面的中间位置。
7.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发电教学实验仪，其特征在于:所述的斯特林热机(3)设置在菲涅耳透镜(1)的轴心方向上。
8.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发电教学实验仪，其特征在于:所述的第一传动装置为设置在第一转轴(4)或第二转轴(5)—侧的第一同步轮(7)，所述的第一同步轮(7)通过皮带与第一减速电机(8)连接。
9.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发电教学实验仪，其特征在于:所述的第二传动装置为设置在第三转轴(9)上的第二同步轮(11)，所述的第二同步轮(11)通过皮带与第二减速电机(12)连接。
【文档编号】F02G1/043GK204152738SQ201420598806
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】陈凯, 韩百萍, 王伟, 姚岚 申请人:徐州工程学院