碟式太阳能储热发电装置的制作方法

本发明涉及太阳能热发电技术领域，更具体地说，涉及一种碟式太阳能储热发电装置。

背景技术：

随着传统化石能源(煤、石油、天然气)储量的日益减少，由于采用化石能源所带来的环境污染问题，人们的生产和生活受到了严重的挑战，重视和发展可再生、环保能源已成为人们的广泛共识，而太阳能因其储量的无限性、分布的普遍性、利用的清洁性等特征引起人们广泛重视，成为替代常规能源的重要新能源之一。

太阳能热发电利用具有重要意义，而太阳能热发电利用的一种重要技术路线是碟式系统，即通过碟式聚光器将太阳能进行汇聚，然后转化为热能，再由热能通过热机转化为机械能，然后通过发电机转化为电能。传统的碟式太阳能热发电设备存在体积偏大、重量偏大、装配工作位置较固定而不易于移动的问题。碟式太阳能热发电系统是利用聚光器将太阳光汇聚到焦点上，使放置在焦点处的太阳能集热器能够收集大量的热能，并加热工质，驱动斯特林发动机或汽轮机进行发电；如果汇聚后的聚光束产生的实际光斑与预期的光斑位置产生一定的偏移，汇聚后的光线不能完全照射到集热器的采光孔内，会降低聚光效率，产生光线损失，而且会照射到会照射到集热器的其他元件而致其高温烧坏。太阳能集热器也存在系列热损失问题，如腔体内表面对聚焦光的反射热损失、腔体内表面通过采光口的辐射损失、经腔体采光口的对流热损失及通过腔体壁面的导热损失。如何减少热损失是研制高效集热器的关键。目前，碟式太阳能热发电设备中的光热转换器件主要存在光热转换效率还不够高的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，提供一种碟式太阳能储热发电装置，来优化提升碟式太阳能热发电设备的综合性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种碟式太阳能储热发电装置，包括：自动折叠式聚光盘、聚光束光热转换器、自动聚光装置、传动机构、智能控制器、斯特林发动机或汽轮机、发电机、蓄电池；所述自动折叠式聚光盘与聚光束光热转换器相连接；所述聚光束光热转换器与斯特林发动机或汽轮机相连接；所述斯特林发动机或汽轮机与发电机相连接；所述发电机与蓄电池相连接；所述传动机构与自动折叠式聚光盘相连接；所述智能控制器分别与自动折叠式聚光盘、传动机构、聚光束光热转换器、自动聚光装置、斯特林发动机或汽轮机、发电机、蓄电池相连接；所述蓄电池分别与智能控制器、传动机构、自动聚光装置相连接，并提供工作电源。

上述方案中，所述自动折叠式聚光盘为抛物面形态，包括：可折叠反光材料层、可折叠支撑材料层、可自动折叠系列支撑骨架层、自动聚光装置；所述自动聚光装置包括：光电传感跟踪系统、自动撑开或收起及倾角调节装置；所述可折叠反光材料层在可折叠支撑材料层上面，所述可自动折叠系列支撑骨架层在可折叠支撑材料层下面，共同形成自动折叠式聚光盘整体结构；所述可折叠反光材料层包括：由系列小型扇形聚光反射镜片拼接构成可自动折叠式旋转抛物面光反射聚光结构形态，由聚光反射膜构成可自动折叠式旋转抛物面光反射聚光结构形态；所述光电传感跟踪系统包括：光电传感器、GPS接收器和聚光束瞄准及定位器；在自动折叠式聚光盘边缘装配有光电传感器、GPS接收器；所述可自动折叠系列支撑骨架与自动撑开或收起及倾角调节装置相连接，在智能控制器的指令下，在自动撑开或收起及倾角调节装置带动下，能够自动调节每块小型扇形聚光反射镜片的定位及倾角，来准确聚焦抛物面的聚光中心，或者能够自动调节聚光反射膜的定位来准确聚焦抛物面的聚光中心；能够自动撑开形成抛物面形态，也能够自动收起而便于移动。

上述方案中，所述聚光束光热转换器包括：聚光束集热腔、高温相变储热盒、热管、温度传感器；所述聚光束集热腔包括：聚光束接收光阑；所述聚光束接收光阑包括：聚光束接收光阑门与微型电机，所述微型电机带动聚光束接收光阑门移动，从而控制聚光束接收光阑门孔径的大小，所述微型电机与智能控制器相连接。

上述方案中，所述的碟式太阳能储热发电装置，自动折叠式聚光盘产生的反射聚光束通过聚光束接收光阑门后进入聚光束集热腔，所述聚光束集热腔将热量传递给高温相变储热盒；所述热管装配在高温相变储热盒之间，或装配在高温相变储热盒与聚光束集热腔体之间；所述温度传感器装配在高温相变储热盒之间，或装配在高温相变储热盒与热管之间，并与高温相变储热盒外侧表面紧密接触，与热管的外侧表面紧密接触，温度传感器与智能控制器相连接；所述热管与斯特林发动机或汽轮机相连接；所述斯特林发动机或汽轮机与发电机相连接。

上述方案中，所述聚光束光热转换器中的聚光束接收光阑门由抗强聚光束辐照层、绝热层和耐高温层组成的复合材料制成；所述抗强聚光束辐照层采用在高能量密度聚光束辐照下性能稳定的材料；搞强聚光束辐照层材料和耐高温层材料包括：石墨、石墨烯、耐高温金属、耐高温合金、耐高温陶瓷、耐高温复合材料。

上述方案中，所述聚光束集热腔包括透光板、聚光束集热腔体和背反射锥体；所述透光板表层有抗高温透光膜，背反射锥体采用抗聚光束辐照耐高温材料。

上述方案中，所述聚光束集热腔体外侧表面形态与网格型相变储热盒外侧表面形态相对应吻合，并保持紧密接触，热耦合性能良好，导热性能良好；聚光束集热腔体内壁具有减反射强吸热表面结构，包括：纳米线型表面结构、纳米棒型表面结构、纳米膜型表面结构、吸热微翅片型表面结构、V型凹槽式表面结构、织绒粗糙型表面结构；吸热微翅片表层有吸热层；所述聚光束集热腔体的材料采用耐高温金属、耐高温合金、耐高温陶瓷、石墨、石墨烯、耐高温复合材料。

上述方案中，所述聚光束光热转换器，所述高温相变储热盒内装填有相变储热材料，在高温相变储热盒中聚光束光热转换器中紧密有序排列，并形成网格盒结构；所述高温相变储热盒的材料采用耐高温、耐腐蚀和导热性能良好的材料。

上述方案中，所述聚光束光热转换器，所述高温相变储热盒中装填的相变储热材料包括：泡沫金属Cu与LiF-CaF2、泡沫金属Ni与LiF-CaF2；铝硅合金、铝硅铜合金、铝硅镁合金、铝硅锌合金；KNO3-NaNO3、Li2CO3、Na2CO3、K2CO3、LiOH-LiF、KCIO3、LiH、NaF、NaF-60MgF2、KF、NaCI、KCl、CaCl2，以及它们之间不同比例的混合材料；熔融盐-膨胀石墨复合材料、熔融盐-金属基复合材料、熔融盐-陶瓷基复合材料、熔融盐-陶土基复合材料。

上述方案中，所述聚光束光热转换器，所述热管的个数与斯特林发动机的缸数相对应匹配；热管为长型或U型，包括：外四方内圆形热管、外六方内椭圆型热管、外八方内圆形热管、外圆弧内方形热管、外圆弧内圆形热管；所述热管的外侧表面形态与高温相变储热盒外侧表面形态或聚光束集热腔体外侧表面形态相对应吻合，并保持紧密接触；热管采用材料为导热性能良好的耐腐蚀的材料，包括：耐高温金属、耐高温合金、耐高温陶瓷、石墨、石墨烯、耐高温复合材料；在热管的内腔表面有毛细结构层包括：金属网结构层、多数沟槽结构层、烧结粉末结构层、金属毡结构层或复合毛细结构层。

上述方案中，所述的可折叠碟式太阳能储热发电装置，所述传动机构包括：方位角控制电机、高角度控制电机、带轮传动机构、传动支撑杆；所述自动折叠式聚光盘通过可自动折叠系列支撑骨架来支撑；所述自动折叠式聚光盘通过支架与底座固定；所述光电传感器采集到太阳角度信息传递给智能控制器进行分析；所述智能控制器指令自动折叠式聚光盘撑开为抛物面形态，或者指令自动折叠式聚光盘折叠后收起；智能控制器指令方位角控制电机与高度角控制电机，通过带轮传动机构来调控自动折叠式聚光盘跟踪太阳光来工作。

上述方案中，所述光电传感跟踪系统中的聚光束瞄准及定位器装配在聚光束光热转换器的聚光束接收光阑门的前端；所述聚光束瞄准及定位器的信息传输给智能控制器；智能控制器指令传动机构进行聚光束瞄准工作，来调整自动折叠式聚光盘的反射聚光束光斑能够准确进入聚光束光热转换器的聚光束接收光阑门，来提高光热转换效率，来确保聚光束光热转换器安全、稳定进行光热转换工作。

本发明提供的碟式太阳能储热发电装置的工作过程如下：

根据工作任务需要，将碟式太阳能储热发电装置放到工作地点，启动开始工作按钮，智能控制器向自动折叠式聚光盘发生工作指令，可自动折叠系列支撑骨架撑开，并自动调节每小块扇形聚光反射镜片的定位及倾角，或者自动调节聚光反射膜的定位及倾角，来准确聚焦抛物面的聚光中心，构成可自动折叠式旋转抛物面光反射聚光结构形态；光电传感器将采集到的太阳光辐射信息传输给智能控制器；智能控制器向传动机构发出工作指令，方位角控制电机与高度角控制电机带动带轮传动机构、传动支撑杆工作，带动自动折叠式聚光盘升高或偏转来跟踪太阳光，使自动折叠式聚光盘处于接收太阳光辐照的最佳状态。

碟式太阳能储热发电装置的聚光束光热转换器前端安装的聚光束瞄准及定位器将检测到自动折叠式聚光盘的反射聚光束信息传输给智能控制器；智能控制器指令传动机构进行聚光束瞄准工作，来调整自动折叠式聚光盘的反射聚光束光斑能够准确进入聚光束光热转换器的聚光束接收光阑门；在智能控制器的指令下，微型电机带动聚光束接收光阑门进行移动，并调节聚光束接收光阑门孔径大小，从而调控进入聚光束接收光阑门的聚光束光斑大小；在智能控制器的指令下，调控聚光束接收光阑门开启与关断时间；当呈现过热状态时，在智能控制器的指令下，减小或者关闭聚光束接收光阑门，使聚光束光热转换器呈现在被保护的安全状态，来确保聚光束光热转换器安全、稳定进行光热转换工作。

自动折叠式聚光盘反射的聚光束通过聚光束光热转换器的聚光束接收光阑门后，再通过透光板进入聚光束集热腔体。进入聚光束集热腔体的聚光束辐照在背反射锥体上，并向聚光束集热腔体内四周折射，并在聚光束集热腔体内产生大量的热量。在聚光束集热腔体内壁具有减反射强吸热表面结构，包括：纳米线型表面结构、纳米棒型表面结构、纳米膜型表面结构、吸热微翅片型表面结构、V型凹槽式表面结构、织绒粗糙型表面结构、石墨烯层表面结构。由聚光束辐照所产生的热量被聚光束集热腔体内的减反射强吸热表面结构吸收后，通过聚光束集热腔体导热材料快速传输给高温相变储热盒。在高温相变储热盒内装填有相变的储热材料。高温相变储热盒在聚光束光热转换器中紧密有序排列，并形成导热性能良好的网格盒结构，由于采用了高温相变储热盒，克服了相变储热材料由于固液相密度差大，而造成的空穴分布的问题，减小了“热斑”“热松脱”现象，并且克服了相变储热材料导热性能不太好的问题，提高了装置的热耦合性能，也提高了相变储热材料的工作稳定性，因而有效地提高了聚光束光热转换器及装置的导热能力和储热能力，提高了装置的聚光束光热转换效率和可靠性。

聚光束集热腔体将热量传输给高温相变储热盒，盒中相变材料的温度升高，并且发生相转变将热量储存起来，维持聚光束光热转换器的工作温度升高并相对稳定。高温相变储热盒将热量传输给紧密接触的热管，热管内工质温度迅速上升并发生相转变，并向斯特林发动机热端或汽轮机供应热量，驱动斯特林发动机或汽轮机运转工作；冷却后的热管工质由气态变为液态沿着热管内表面毛细结构回流，形成工质相转变并传输热量的工作循环；热管内工质不断地传输热量给斯特林发动机热端或汽轮机，并形成工作循环，将聚光束输送来的光能量转换为热量再转换为机械能量。

在聚光束光热转换器中的温度传感器装配在高温相变储热盒之间，或装配在高温相变储热盒与热管之间，它们外表面保持紧密接触，并将装置工作温度信息传输给智能控制器，当聚光束光热转换器中的工作温度高于装置所设计的工作温度时，智能控制器将指令传输给聚光束接收光阑，指令微型电机工作并减小接收光阑开合门，或者关闭聚光束接收光阑门，防止装置处于过热的工作状态，以确保装置工作的稳定性与安全性。

聚光束传输能量给聚光束光热转换器，并带动斯特林发动机或汽轮机运转工作；斯特林发动机或汽轮机带动发电机工作，并将电能储存或带动负载工作，装置整个工作由智能控制器统一调控。

本发明的碟式太阳能储热发电装置具有以下有益效果：

a、本发明的碟式太阳能储热发电装置中采用了自动折叠聚光盘，并具有可自动折叠系列支撑骨架结构和自动聚光装置，在智能控制器的指令下，在自动撑开或收起及倾角调节装置带动下，能够自动调节聚光反射镜片的定位及倾角或者聚光反射膜的定位及倾角，来准确聚焦抛物面的聚光中心，能够自动撑开形成抛物面形态，也能够自动收起而便于移动，因此适用于部队战备演练、工程队施工作业、野外地质勘探、抢险救灾等领域。

b、本发明的碟式太阳能储热发电装置中采用了聚光束光热转换器，该装置的聚光束集腔体表面采用了减反射强吸热表面结构，提高了装置热吸收性能；该装置还采用了高温相变储热盒，减小了相变材料存在的“热斑”“热松脱”现象，克服了相变材料存在的导热性能不太好的问题，也提高了相变储热材料的工作稳定性；由于高温相变储热盒在聚光束光热转换器中紧密有序地排列并构成网格盒结构，显著地提高了热耦合性能，加快了热量在高温相变储热盒之间传输，也加快了热量在高温相变储热盒与热管之间的传输，并且通过热管工质向斯特林发动机热端/汽轮机提供稳定的工作热源，从而推动斯特林发动机或汽轮机持续运转，并带动发电机有效地运转发电工作；因而本发明提供的装置结构显著提高了整个装置的热吸收性能、储热性和导热性，提高了装置的聚光束光热转换效率和可靠性。

c、本发明的碟式太阳能储热发电装置中采用温度传感器与聚光束接收光阑相结合的热控方案及技术，可调控聚光束光热转换器的工作温度，有效地防止在高密度能量聚光束长时间照辐下产生过热现象，提高了装置工作的安全性、稳定性。

d、本发明的碟式太阳能储热发电装置中采用了智能控制器来调控自动折叠式聚光盘、聚光束光热转换器、斯特林发动机或汽轮机、发电机、蓄电池；智能调控器来调整聚光束接收光阑门的增大与减小、聚光束接收光阑门的开启与关闭。有关工质热管数量、斯特林发动机或汽轮机功率及气缸数量、装置工作温度、装置工作方式均可以设计并相对应匹配，而且能够在装置工作运转中实现智能自动化调控，因此本发明装置的推广应用面广泛，并且有一定的优越性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是碟式太阳能储热发电装置的工作框图；

图2是碟式太阳能储热发电装置的结构示意图；

图3是自动折叠式聚光盘的结构示意图；

图4是聚光束光热转换器的结构纵剖面示意图；

图5是聚光束光热转换器的结构横剖面示意图；

图6是吸热微翅片型表面结构放大示意图；

图7是聚光束光热转换器与斯特林发电机组的整体结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本发明碟式太阳能储热发电装置的工作框图如图1所示，结构示意图如图2所示，包括：自动折叠式聚光盘1、聚光束光热转换器2、光电传感器3、传动机构、智能控制器4、斯特林发动机或汽轮机5、发电机6、蓄电池、底座11；传动机构包括：方位角控制电机7、高度角控制电机8、带轮传动机构9、传动支撑杆10。

自动折叠式聚光盘1汇聚太阳光后的反射聚光束传输给聚光束光热转换器2；本实施例采用斯特林发动机5，聚光束光热转换器2与斯特林发动机5相连接；斯特林发动机5与发电机6相连接；发电机6与蓄电池相连接；传动机构与自动折叠式聚光盘1相连接；智能控制器4与传动机构、聚光束光热转换器2、光电传感器3、斯特林发动机5、发电机6、蓄电池相连接；蓄电池分别与自动折叠式聚光盘1的自动撑开或收起及倾角调节装置、智能控制器4、传动机构、光电传感跟踪器3相连接，并提供工作电源。

自动折叠式聚光盘1包括：可折叠反光材料层11、可折叠支撑材料层、可自动折叠系列支撑骨架层12、自动撑开或收起及倾角调节装置，见图3；可折叠反光材料层11在可折叠支撑材料层上面，可自动折叠系列支撑骨架层12在可折叠支撑材料层下面；本实施例的可折叠反光材料层11采用小型扇形聚光反射镜片拼接构成可自动折叠式旋转抛物面光反射聚光结构形态；在自动折叠式聚光盘1边缘装配有光电传感器3，见图2；可自动折叠系列支撑骨架12(见图3)在智能控制器4的指令下，在自动撑开或收起及倾角调节装置带动下，能够自行撑开形成抛物面形态，也能够自动收起而便于移动。

聚光束光热转换器2(见图4)，包括：聚光束集热腔13、高温相变储热盒14、热管15、温度传感器16。聚光束集热腔13包括：聚光束接收阑；聚光束接收光阑包括：聚光束接收光阑门21与微型电机17；聚光束接收光阑门21由抗强聚光束辐照层18、绝热层19和耐高温层20组成的复合材料制成；抗强聚光束辐照层18和耐高温层20采用耐高温复合材料。在智能控制器4的指令下，微型电机17带动聚光束接收光阑门21移动，从而控制聚光束接收光阑门21孔径的大小。

聚光束光热转换器2中的热管15装配在高温相变储热盒14之间；温度传感器16装配在高温相变储热盒14与热管15之间，并与高温相变储热盒14外侧表面紧密接触，与热管15的外侧表面紧密接触，温度传感器16与智能控制器4相连接。聚光集热腔13包括：透光板22、聚光束集热腔体、背反射锥体23；透光板22表层有抗高温透光膜，背反射锥体23采用抗聚光束辐照的耐高温材料。聚光束集热腔体13外侧表面形态与网格型相变储热盒14外侧表面形态相对应吻合，并保持紧密接触，热耦合性能良好，导热性能良好；聚光束集热腔体13内壁具有减反射强吸热表面结构，本实施例采用吸热微翅片与吸热材料层组合构成的表面结构24，见图5、图6；在高温相变储热盒14内装填有泡沫金属Cu与LiF-CaF2相变储热材料25；高温相变储热盒14在聚光束光热转换器2中紧密有序排列，并形成网格盒结构。

本实施例提供的可折叠碟式太阳能储热发电装置的工作过程如下：

根据工作任务需要，将碟式太阳能储热发电装置放到工作地点，启动开始工作按钮，智能控制器4向自动折叠式聚光盘1发出工作指令，可自动折叠系列支撑骨架12在自动撑开或收起及倾角调节装置带动下撑开，并自动调节每一小块扇形聚光反射镜片的定位及倾角来准确聚焦抛物面的聚光中心，构成可自动折叠式旋转抛物面光反射聚光结构形态；光电传感器3将采集到的太阳光辐射信息传输给智能控制器4；智能控制器4向传动机构发出工作指令，方位角控制电机7与高度角控制电机8带动轮传动机构9和传动支撑杆10工作，带动自动折叠式聚光盘1升高或偏转来跟踪太阳光，使自动折叠式聚光盘1处于接收太阳光辐照最佳状态。

碟式太阳能储热发电装置的聚光束光热转换器2前端安装的聚光束瞄准及定位器将检测到自动折叠式聚光盘1的反射聚光束信息传输给智能控制器4；智能控制器4指令传动机构进行聚光束瞄准工作，来调整自动折叠式自动聚光盘1的反射聚光束光斑能够准确进入聚光束光热转换器2的聚光束接收光阑门21；在智能控制器4的指令下，微型电机17带动聚光束接收光阑门21进行移动，并调节聚光束接收光阑门21孔径大小；从而调控进入聚光束接收光阑门21的聚光束光斑大小，见图4；在智能控制器4的指令下，调控聚光束接收光阑门21开启与关断时间；当呈现过热状态时，温度传感器16将过热温度信息传输给智能控制器4，智能控制器4发出指令，减小或者关闭聚光束接收光阑门21，使聚光束光热转换器2呈现在被保护的安全状态。

自动折叠式聚光盘1反射的聚光束通过聚光束接收光阑门21后，再通过透光板22进入聚光束集热腔体13，见图4。进入聚光束集热腔体13的聚光束辐照在背反射锥体23上，并向聚光束集热腔体13内四周折射，并在聚光束集热腔体13内产生大量的热量。在聚光束集热腔体13内壁具有减反射强吸收热表面结构，本实施例采用吸热微翅片与吸热材料层组合构成的表面结构24，见图5、图6；吸热微翅片与吸热材料层组合构成的表面结构24将吸收热量快速传输给高温相变储热盒14。在高温相变储热盒14内装填有泡沫金属Cu与LiF-CaF2相变储热材料25。高温相变储热盒14在聚光束光热转换器2中紧密有序排列，并形成了导热性能良好的网格盒结构。由于采用了高温相变储热盒14，克服了相变储热材料由于固液相密度差大，而造成的空穴分布的问题，减小了“热斑”“热松脱”现象，并且克服了相变储热材料导热性能不太好的问题，提高了装置的热耦合性能，也提高了相变储热材料的工作稳定性，因而有效地提高了装置的聚光束光热转换效率和可靠性。

聚光束集热腔体13将热量传输给高温相变集热盒14，盒中相变材料25的温度升高，并且发生相转变将热量储存起来，维持聚光束光热转换器2的工作温度处于相对稳定。高温相变储热盒14将热量传输给紧密接触的热管15，热管15内工质26温度迅速上升并发生相转变，并向斯特林发动机5热端供应热量，驱动斯特林发动机5运转工作；冷却后的热管工质由气态变为液态沿着热管内表面毛细结构回流，形成工质相转变并传输热量的工作循环，将聚光束输送来的光能量转换为热量再转换为机械能量。

在聚光束光热转换器中2的温度传感器16装配在高温相变储热盒14之间，或装配在高温相变储热盒14与热管15之间，它们外表面保持紧密接触，并将装置工作温度信息传输给智能控制器4，当聚光束光热转换器2中的工作温度高于装置所设计的工作温度时，智能控制器4将指令传输给聚光束接收光阑21，指令微型电机17工作并减小聚光束接收光阑门21，或者关闭聚光束接收光阑门21，防止装置处于过热的工作状态，以确保装置工作的稳定性和安全性。

自动折叠式聚光盘将聚光束传输给聚光束光热转换器2，并带动斯特林发动机5运转工作；斯特林发动机5带动发电机6工作，并将电能储存或带动负载工作，装置整个工作由智能控制器4统一调控。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。