專利名稱：分布式太陽能光熱發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于太陽能光熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。具體地說是一種能夠利用聚光透鏡將太陽光 線聚焦，對相變材料進(jìn)行加熱，利用高溫相變材料的儲熱功能，通過熱電轉(zhuǎn)換為用戶提供發(fā) 電功能的裝置。
背景技術(shù)：
光伏發(fā)電(PV)指的是將太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能。但光伏發(fā)電所面臨的一個問題是其不 穩(wěn)定性。有許多因素會導(dǎo)致這一特性，例如，夜間，天氣的變化等等。光伏發(fā)電技術(shù)己經(jīng)發(fā) 展多年，尤其是晶體硅太陽能電池發(fā)電，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。但由于成本較高，至今仍是發(fā) 達(dá)國家依靠政府補(bǔ)貼來推廣的。
1821年，德國物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸 處的溫度不同時，回路中會產(chǎn)生一個電勢，這就是熱電效應(yīng)，也稱作"塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)"。半導(dǎo)體熱電堆發(fā)電技術(shù)是基于半導(dǎo)體塞貝克效應(yīng)并能夠直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的 新型發(fā)電技術(shù)。圖1是一個熱電偶的示意圖，熱電偶是構(gòu)成熱電堆的基本單元。熱電堆的輸 出電壓或電流與絕對溫度沒有直接的關(guān)系，而是與兩端的溫差或溫度梯度有直接的關(guān)系。通 常，要將一系列熱電偶用串聯(lián)或者并聯(lián)的方式連接起來，并對其進(jìn)行交替性加熱，才能有效 地發(fā)出比較多的電。
目前市場上有一些基于熱電效應(yīng)的發(fā)電裝置，雖然它們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)各不相同，工作性能 也有很大差異，但它們的基本工作原理還是比較接近的，特別值得一提的是，加拿大的Global 熱電公司將空間RTG技術(shù)轉(zhuǎn)為商業(yè)化的TEG技術(shù)，目前已經(jīng)成為世界上最大的熱電發(fā)電機(jī)供 應(yīng)商，他們的產(chǎn)品很具有代表性。以Global熱電公司產(chǎn)品為代表的系統(tǒng)通常都包含一個密封 的熱電堆，而熱電堆是由大量(通常幾百個甚至更多)的熱電偶組成的。以天然氣作為燃料， 通過燃燒室對熱電堆的熱端進(jìn)行加熱，同時通過散熱器對其冷端進(jìn)行制冷，以此來維持熱電 堆兩端較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生一個穩(wěn)定的直流電流輸出。這些基于熱電效應(yīng)的發(fā)電系統(tǒng) 都有一個共同的問題，就是它們需要以天然氣為燃料，而天然氣屬于化石燃料，是不可再生 的能源。使用不可再生的能源有以下幾個問題l)產(chǎn)生有害氣體，污染環(huán)境，加速溫室效應(yīng)； 2)開采石油，天然氣，對環(huán)境亦有負(fù)面影響；3)地球上的化石燃料資源最終可能全部耗盡。 可再生能源的利用符合21世紀(jì)人類社會的大潮流，以太陽能為例，由太陽發(fā)射到地球上的能 量大約為3， 850 Zetta-joules (ZJ)/年，而地球一年的能源總消耗量大約為0.471 ZJ。可再生能源的好處可以簡單歸納為以下幾點(diǎn)1)可再生能源取之^K盡，用之不竭；2)通常不 對環(huán)境造成污染。
能量存儲是太陽能發(fā)電領(lǐng)域當(dāng)中的一項(xiàng)重要課題，這是因?yàn)橐话悻F(xiàn)代能源系統(tǒng)都需要連 續(xù)，穩(wěn)定的供電。而光伏發(fā)電系統(tǒng)受天氣變化的影響很大，在許多情況下難以滿足用戶對于 連續(xù)性和穩(wěn)定性的要求。光熱發(fā)電則能夠克服這一缺點(diǎn)，而能量存儲正是光熱發(fā)電系統(tǒng)中不 可缺少的組成部分。相變材料(PCM)具有在一定溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)的能力。以固一 液相變?yōu)槔?，在加熱到熔化溫度時，就產(chǎn)生從固態(tài)到液態(tài)的相變，熔化的過程中，相變材料 吸收并儲存大量的潛熱；當(dāng)相變材料冷卻時，儲存的熱量在一定的溫度范圍內(nèi)要散發(fā)到環(huán)境 中去，進(jìn)行從液態(tài)到固態(tài)的逆相變。熔鹽作為一種特殊的相變材料是由硝酸鉀、亞硝酸鈉及 硝酸鈉組成的混合物。作為一種傳熱介質(zhì)，廣泛用于各種高溫加熱生產(chǎn)工藝。采用高溫熔鹽 作為熱載體的優(yōu)點(diǎn)是傳熱系數(shù)高，熱穩(wěn)定性好，質(zhì)量傳遞速度快。當(dāng)前工業(yè)中常用的高溫
熔鹽熔點(diǎn)為142°C，在150 54(TC范圍內(nèi)可以安全使用。塔式太陽能發(fā)電站是太陽能發(fā)電站 的一種，其工作原理是在地面上布置大量的定日鏡，在這一群定日鏡中的適當(dāng)位置建立一座 高塔，高塔頂上放置鍋爐，各定日鏡均使太陽光聚集成點(diǎn)狀，集中射到鍋爐上，使鍋爐里的 傳熱介質(zhì)達(dá)到高溫，并通過管道傳到地面上的蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生高溫蒸汽，由蒸汽驅(qū)動渦輪 發(fā)電機(jī)組發(fā)電。因?yàn)樘柟獾恼丈涫遣痪鶆虻?，如果沒有儲能技術(shù)，晚上系統(tǒng)將無法發(fā)電， 這樣就不能使發(fā)電設(shè)備得到充分利用。另外，即使在白天太陽能強(qiáng)度也會因?yàn)樵茖拥恼趽醵?發(fā)生變化，如果沒有儲能系統(tǒng)，發(fā)電設(shè)備就不能穩(wěn)定運(yùn)行，甚至?xí)霈F(xiàn)頻繁啟停，這樣會對 系統(tǒng)發(fā)電效率產(chǎn)生極大的影響，同時也會嚴(yán)重影響發(fā)電設(shè)備的壽命。
目前已經(jīng)有一些大型太陽能發(fā)電站將儲能技術(shù)引入聚光太陽能高溫?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)，而通常 所使用的相變材料，恰恰是熔鹽。熔鹽由于成本低、使用溫度高以及在高溫時蒸汽壓力非常 低等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為良好的高溫蓄熱材料。熔鹽作為一種先進(jìn)的傳熱蓄熱材料，對于提高系 統(tǒng)發(fā)電效率，提高系統(tǒng)發(fā)電穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義。
這類技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)是，通常需要征用大片的土地，對環(huán)境的影響需要評估，需要建 設(shè)龐大的電力傳輸系統(tǒng)，靈活性差，投資規(guī)模非常巨大等等。因此，克服上述缺陷，將光熱 發(fā)電系統(tǒng)小型化，獨(dú)立化，便攜化，家庭化，是進(jìn)一步推廣太陽能利用的重要手段。本發(fā)明 正是解決這個問題的理想裝置之一 。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型冃的是設(shè)計(jì)一種分布式太陽能光熱發(fā)電裝置，該裝置能將光熱發(fā)電系統(tǒng)小型 化，獨(dú)立化，便攜化和家庭化，推廣太陽能利用。 本實(shí)用新型由以下幾個主要部分組成-太陽能采集裝置，由一個或多個菲涅爾透鏡組成，透鏡^T入射太陽光進(jìn)行聚焦，使能量 高度集中；
太陽能熱量吸收裝置，用于吸收太陽能熱量，受到高度聚焦的光束照射后，其內(nèi)部相變 材料的溫度持續(xù)增高，并攜帶大量的熱能量；
熱量存儲裝置，用于熱量的存儲，分為熱灌和冷罐； 能量轉(zhuǎn)換裝置，用于將相變材料所存儲的熱能轉(zhuǎn)換成電能。 上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到了本實(shí)用新型的目的。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)能將光熱發(fā)電系統(tǒng)小型化，獨(dú)立化，便攜化和家庭化，利于推廣太陽 能的利用。本實(shí)用新型還具有結(jié)構(gòu)簡單、可方便地安裝放置,使用成本低、使用壽命長、使 用效果好。

圖l是熱電偶的原理示意圖。
圖2是本實(shí)用新型的一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)施例的運(yùn)行原理圖。
圖2a是本實(shí)用新型的另外一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)施例的運(yùn)行原理圖。
圖3是一個太陽能采集裝置實(shí)施例的頂視圖。
圖4是一個太陽能熱量吸收裝置實(shí)施例的頂視圖。
圖5是一個能量轉(zhuǎn)換裝置實(shí)施例的運(yùn)行原理圖。 具體實(shí)施方案
如圖1至圖5所示， 一種分布式太陽能光熱發(fā)電裝置，主要由太陽能采集裝置和能量轉(zhuǎn)換 裝置所組成。該裝置由以下幾個主要部分組成
太陽能采集裝置300，由一個或多個菲涅爾透鏡組成，透鏡對入射太陽光進(jìn)行聚焦，使能 量高度集中；
太陽能熱量吸收裝置400，用于吸收太陽能熱量，受到高度聚焦的光束照射后，其內(nèi)部相 變材料的溫度持續(xù)增高，并攜帶大量的熱能量；
熱量存儲裝置，用于熱量的存儲，分為熱灌202和冷罐204; 能量轉(zhuǎn)換裝置，用于將相變材料所存儲的熱能轉(zhuǎn)換成電能。
如圖1和圖2所示，圖1是熱電偶的原理示意圖，該示意圖僅為了說明方便，不構(gòu)成本 發(fā)明的組成部分。圖1中，iOO為熱電偶，102為熱電偶熱端，104為熱電偶冷端。圖2是根 據(jù)本發(fā)明的核心概念所構(gòu)造出來的一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)施例的運(yùn)行原理圖。圖2中，200為整個發(fā)電系統(tǒng)，202為熱罐，即熱量存儲裝置的熱罐，204為冷罐，S卩熟量存儲裝置的冷罐，206 和208為泵，300為太陽能采集裝置，302為菲涅爾透鏡，400為太陽能熱量吸收裝置，500 為能量轉(zhuǎn)換裝置。
在圖2中，裝置的運(yùn)行原理可分步解釋如下主要系統(tǒng)部件垂直排列，形成一個緊湊的 集成系統(tǒng)。系統(tǒng)200通過一個或多個菲涅爾透鏡來收集太陽輻射的能量，對入射太陽光進(jìn)行 聚焦，從而使能量高度集中。太陽能熱量吸收裝置在受到高度聚焦的光束照射后，其內(nèi)部相 變材料的溫度持續(xù)增高，并攜帶有大量的熱能量。經(jīng)過加熱的相變材料被輸送到熱罐，該熱 罐可以較長時間地保存熱能量使其不受損失。利用來自高溫相變材料的熱量通過熱輻射器對 平導(dǎo)體熱電堆的髙溫一側(cè)進(jìn)行加熱形成溫差，從而將熱能轉(zhuǎn)換成電能。使用后的相變材料經(jīng) 過再循環(huán)回到冷罐，等下一個周期開始，再被重新加熱，投入下一輪的使用。
雖然在圖2中，各個系統(tǒng)主要部件是按照特定順序排列組成的，^L這種排列并非是唯一 的。根據(jù)本發(fā)明的核心概念，完全可以形成其它各種組合，包括省略其中某些部件，或以不 同的順序排列各個部件。
在圖2的實(shí)施例中，前面所提到的熔鹽相變材料可由60%硝酸鈉、40%硝酸鉀組成。 除熔鹽之外，使用其它類型的相變材料也是可行的。經(jīng)過加熱后的熔鹽存儲在熱罐202。冷 罐和熱罐可采用一種或多種業(yè)界通用的絕熱材料和絕熱技術(shù)，例如采用不易燃的或纖維絕熱 材料，由空氣或其它氣體所形成的間隙等等來維持熔鹽的溫度在500'C以上。當(dāng)熔鹽的熱量 被轉(zhuǎn)化成電之后(見下面的描述)，其溫度下降到一個大約29(TC左右，使用過的熔鹽儲存在 冷罐，并維持在液體的狀態(tài)。
如果由于某種原因，冷罐內(nèi)部熔鹽的溫度下降到融點(diǎn)以下，則需要通過某種方式對其進(jìn) 行加熱，使其恢復(fù)到液體狀態(tài)，以便于循環(huán)泵將其送回太陽能熱量吸收裝置循環(huán)使用。具體 加熱的方式可以多種多樣，包括電加熱或天然氣加熱等業(yè)界常用的加熱方法。通常情況下， 只要冷罐擁有良好的絕熱保護(hù)，是不必要對熔鹽進(jìn)行再加熱的。
另外值得一提的是，對本系統(tǒng)來說，熔鹽并非唯一可以使用的相變材料。例如，離子液 體，室溫離子液體，深共熔溶劑(De印Eutectic Solvents, DESs)等也可提供理想的熱量存 儲功能和固液轉(zhuǎn)換特性。
在圖2的實(shí)施例中，冷罐當(dāng)中存儲的'冷'熔鹽經(jīng)循環(huán)泵206回到太陽能熱量吸收裝 置400，而太陽能采集裝置300 (見下面的描述)將太陽光中的可見光和其它波長的電磁波聚 焦到位于太陽能采集裝置下方的太陽能熱量吸收裝置，聚焦的效果是通過一面或多面菲涅爾 透鏡來實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過加熱后的相變材料隨后被存入熱罐。在圖2中，熱罐位于太陽能熱量吸收裝置的正下方。
當(dāng)需要發(fā)電時，存儲在熱罐當(dāng)中的經(jīng)過加熱的相變材料經(jīng)第二個循環(huán)泵208進(jìn)入能量轉(zhuǎn) 換裝置。在能量轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)部，經(jīng)過加熱的相變材料將熱電堆的高溫一側(cè)502的溫度維持在 50(TC以上，而散熱器506將熱電堆的低溫一側(cè)504維持在相對較低的溫度，使用過的熔鹽 則流回冷罐。這一過程反復(fù)進(jìn)行，就可以發(fā)出所需要的電。
在圖2屮，系統(tǒng)200中使用了兩個循環(huán)泵。第一個循環(huán)泵206將存儲在冷罐中的'冷' 熔鹽送回太陽能熱量吸收裝置400，第二個循環(huán)泵208將存儲在熱罐當(dāng)中的'熱'熔鹽輸送 到能量轉(zhuǎn)換裝置。循環(huán)泵206， 208所消耗的電能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)200所發(fā)出的電能。另外，循 環(huán)泵206， 208不需要連續(xù)工作，換句話說，它們只有在需要的時候才會運(yùn)轉(zhuǎn)。
系統(tǒng)200可以用來提供循環(huán)泵206， 208所需要的電能。例如，在白天的運(yùn)行當(dāng)中，206， 208可以從系統(tǒng)200吸取能量。到了夜間，因?yàn)闆]有入射太陽光，206不再運(yùn)行，而208則繼 續(xù)運(yùn)行，以保證夜間發(fā)電。
對丁系統(tǒng)200來說，也可以采用其它方法來達(dá)到液體循環(huán)的目的。例如，可以運(yùn)用自然 循環(huán)的原理。根據(jù)這一原理，由于液體溫度以及密度的差別，導(dǎo)致液體在-個回路中循環(huán)， 回路的一端為熱源，另一端為散熱端。為了運(yùn)用自然循環(huán)的原理，可將能量轉(zhuǎn)換裝置(散熱 端)放在一個高于熱罐(熱源)的高度，從而形成一個回路，'熱'熔鹽上升，'冷，熔鹽下 降，從而取代循環(huán)泵，既節(jié)省系統(tǒng)成本，又節(jié)省能源。圖2a是根據(jù)本自然循環(huán)的概念所構(gòu)造 出來的另外一個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)施例的運(yùn)行原理圖。顯然，根據(jù)本發(fā)明，還可以構(gòu)造出其它可能 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)施例，但它們的基本原理仍不能脫離本發(fā)明的權(quán)利要求范圍。
值得一提的是，雖然目前太陽能發(fā)電最常用的技術(shù)是太陽能光伏發(fā)電(Photovoltaic), 但光伏發(fā)電也有一些明顯的弱點(diǎn)，例如夜間不能發(fā)電，陰天不能發(fā)電，發(fā)電效率受天氣影 響較大等等。而根據(jù)本發(fā)明，系統(tǒng)200—天24時都可以發(fā)電，如果需要的話，甚至可以存儲 更多的能量，例如，7天發(fā)電所需的能量，從而實(shí)現(xiàn)7天連續(xù)發(fā)電。要做到這一點(diǎn)并不難， 只需相應(yīng)地增加透鏡的面積和熱量存儲裝置的容量即可。
如圖3所示，圖3為根據(jù)本實(shí)用新型所構(gòu)造出來的一個太陽能采集裝置的實(shí)施例。圖 中300為太陽能采集裝置，302為菲涅爾透鏡，304為透鏡聚焦點(diǎn)，306為裝飾性材料。所述 的太陽能采集裝置由一個或多個菲涅爾透鏡組成，該裝置由一個八面體外加頂部組成，菲涅 爾透鏡安裝在八面體的各個表面和頂部。在圖3中，太陽能采集裝置由一個八面體外加頂部 組成。除了八面體以外，圓型，三角形，四方型，長方形，六邊型，七邊型等等都可以成為 可能的選擇。圖3中，太陽能采集裝置由九塊面板組成，其中一塊或者多塊面板上面安裝菲涅爾透鏡，其余面板則為裝飾性材料，如非光學(xué)面板，僅起到裝飾作用(必要時也可以省略)。 顯然，只有面對陽光的部分需要安裝菲涅爾透鏡。雖然圖3中僅顯示了一個太陽能采集裝置， 事實(shí)上可以有多個太陽能釆集裝置同時出現(xiàn)在同一個系統(tǒng)當(dāng)中，這樣做的一個好處就是可以 為系統(tǒng)提供更多的能量，這些能量以熱量的形式存放在熱罐當(dāng)中，從而保證系統(tǒng)能夠晝夜連 續(xù)發(fā)電。
眾所周知，即便是性能超群的光學(xué)透鏡，也不可能吸收入射光的全部，總會有一些由于 散射，反射等造成的損失。為了提高效率， 一個可以提高效率的方法是給菲涅爾透鏡鍍防反 膜，普通菲涅爾透鏡表面的反射率大約在4%左右，加了防反膜后反射率<0.5%。
太陽能采集裝置上面所安裝的一片或多片菲涅爾透鏡，起到對入射光線的采集，導(dǎo)向， 和聚光的作用。由于它們的光學(xué)效應(yīng)，透鏡聚焦點(diǎn)304使得入射光線能夠均勻并且快速地對 太陽能熱量吸收裝置進(jìn)行加熱。整個太陽能采集裝置的設(shè)計(jì)需要涉及到透鏡的幾何尺寸，焦 距，光漏斗的幾何尺寸，以及太陽能熱量吸收裝置的幾何結(jié)構(gòu)。該部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)對整個太 陽能熱量吸收裝置的效率起十分重要的作用。采用固定的太陽能采集裝置其最大好處是沒有 移動部件，這在太陽能系統(tǒng)中是一個非常重要的考慮因素。
菲涅爾透鏡的朝向直接決定的太陽能熱量吸收裝置的工作效率，最理想的朝向當(dāng)然是正 對太陽，因?yàn)檫@樣太陽光線是直射。但是，要想在一天當(dāng)中維持直射，則必須對太陽的運(yùn)動 軌跡進(jìn)行跟蹤。因此，作為對本發(fā)明的一個延伸，可以在太陽能熱量吸收裝置當(dāng)中，增加人 工控制或由計(jì)算機(jī)控制的跟蹤系統(tǒng)(圖中未顯示)。有了跟蹤系統(tǒng)以后，菲涅爾透鏡的數(shù)量可 以適當(dāng)減少，例如從圖3中的六面減為四面。采用可移動的太陽能采集裝置其最大好處是太 陽光線總是直射，缺點(diǎn)是引入了移動部件而且需要使用電力。值得一提的是，太陽能采集裝 置h面所安裝的一片或多片菲涅爾透鏡可以作為一個整體經(jīng)人工控制或由計(jì)算機(jī)控制對太陽 的運(yùn)動軌跡進(jìn)行跟蹤，也可以單獨(dú)經(jīng)人工控制或由計(jì)算機(jī)控制對太陽的運(yùn)動軌跡進(jìn)行跟蹤。
如圖4所示，圖4為根據(jù)本發(fā)明所構(gòu)造出來的一個太陽能熱量吸收裝置的實(shí)施例，圖4 屮，400為太陽能熱量吸收裝置，402為螺旋管。所述的太陽能熱量吸收裝置由金屬或合金螺 旋管組成，相變材料位于螺旋管中，螺旋管進(jìn)口端連接冷罐，螺旋管出口端連接熱罐。 一般 來說，太陽能熱量吸收裝置與太陽能采集裝置之間的距離主要由菲涅爾透鏡的焦距來決定， 但這并不是絕對的，為了能使太陽能熱量吸收裝置400受熱均勻，可對這一距離進(jìn)行調(diào)整， 以達(dá)到均勻的光斑。從而保證太陽能熱量吸收裝置能夠受熱均勻。這一距離越短，則整個系 統(tǒng)就越緊湊。在圖4所示實(shí)施例當(dāng)中，循環(huán)管設(shè)計(jì)成螺旋形狀。經(jīng)過菲涅爾透鏡聚焦的太陽 光對螺旋形循環(huán)管當(dāng)中流動的相變材料進(jìn)行加熱，相變材料在螺旋管中一邊被加熱， 一邊緩 慢流動。加熱后的相變材料在流向螺旋形循環(huán)管的中心(俯視，即螺旋管出口端)的同時，也向下流動。這樣一來，就可以利用重力將加熱話的 *變材料輸送到熱11，而不需要使用循 環(huán)泵。如果從側(cè)面看，該太陽能熱量吸收裝置就象一個漏斗，其下端與熱罐的入口相連接。 除了螺旋管之外，其它形狀的循環(huán)管設(shè)計(jì)以及各種循環(huán)管的組合也是可行的。
另外一種可能的設(shè)計(jì)方案就是將加熱后的相變材料從太陽能熱量吸收裝置400直接輸送 到能量轉(zhuǎn)換裝置，而不經(jīng)過熱罐202。要實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)方案，既可以采用循環(huán)泵，也可以采 用上面所描述的漏斗形狀的螺旋管402，還可以采用圖2a中所描述的自然循環(huán)。根據(jù)這一設(shè) 計(jì)方案，能量轉(zhuǎn)換裝置將直接把加熱后的相變材料所攜帶的熱能轉(zhuǎn)換成電能，并通過蓄電池 (圖中未顯不)將所產(chǎn)生的電能儲存起來作為后備。
為了進(jìn)一步簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，一個更為簡潔的設(shè)計(jì)方案是經(jīng)過菲涅爾透鏡聚焦的太陽光不 經(jīng)過螺旋形循環(huán)管，而是直接照射在裝有熔鹽的容器表面，就象太陽池一樣，只不過容器當(dāng) 中不是鹽水，而是熔鹽。由于熔鹽并不需要存儲在高壓容器當(dāng)中，這樣的開放式結(jié)構(gòu)是可行 的。這-設(shè)計(jì)的最大好處是經(jīng)過聚焦的太陽光直接對介質(zhì)加熱，無需使用循環(huán)管。
圖4中所使用的循環(huán)管還有助于縮小系統(tǒng)的體積。許多太陽能光熱系統(tǒng)中使用大量的反 光鏡和長達(dá)幾十英里的管道，以驅(qū)動蒸氣渦輪發(fā)電機(jī)。而本系統(tǒng)屬于分布式太陽能發(fā)電系統(tǒng)， 與一般的光熱發(fā)電相比，具有靈活，便攜等優(yōu)點(diǎn)。同時，不需要征用大片土地，也不需要建 設(shè)龐大的電力傳輸系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以在二十四小時甚至更長的時間內(nèi)保證供電，受天氣條件 的制約相對較小。另外，在整個系統(tǒng)中不需要使用蒸氣渦輪發(fā)電機(jī)，適合于分布式發(fā)電的需 要。
圖4中螺旋形循環(huán)管的直徑及厚度直接影響到太陽能熱量吸收裝置的工作效率。隨著管 道直徑的增加，其表面面積也隨之增加(L-2:tr)，而管道的熱傳導(dǎo)特性與其表面積和溫差 直接相關(guān)。此外，循環(huán)管管壁的厚度也對導(dǎo)熱性能有直接的影響。因此，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng) 對這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以使得整個太陽能熱量吸收裝置的工作效率達(dá)到最佳。
如圖5所示，圖5是根據(jù)本實(shí)用新型構(gòu)造的一個能量轉(zhuǎn)換裝置實(shí)施例的運(yùn)行原理圖。圖 5中，500為能量轉(zhuǎn)換裝置，502為熱電堆高溫一側(cè)，504為熱電堆低溫一側(cè)，506為散熱器， 508為熱輻射器，510為熱電堆的冷端，512為熱電堆的熱端。熱電堆為半導(dǎo)體熱電堆。所述 的能量轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)設(shè)經(jīng)過密封處理的半導(dǎo)體熱電堆，半導(dǎo)體熱電堆包含數(shù)以百計(jì)的半導(dǎo)體 熱電偶；熱輻射器，熱輻射器進(jìn)口端與熱罐連接，熱輻射器出口端與冷罐連接，熱輻射器位 于半導(dǎo)體熱電堆的高溫一側(cè)；散熱器，位于半導(dǎo)體熱電堆的低溫一側(cè)，用于對半導(dǎo)體熱電堆 的低溫一側(cè)進(jìn)行冷卻。在能量轉(zhuǎn)換裝置內(nèi)部，經(jīng)過加熱后的相變材料在熱輻射器508內(nèi)循環(huán)， 熱輻射器位于能量轉(zhuǎn)換裝置中的熱電堆高溫一側(cè)502。當(dāng)高溫相變材料流過熱輻射器時，便將熱電堆熱端512的溫度提升到5(KTC以上(這就如同在一些傳統(tǒng)發(fā) B系統(tǒng)中通過燃燒天然 氣對熱電堆進(jìn)行加熱的道理一樣)。熱電堆的發(fā)電原理早己為業(yè)界所熟悉，它是由一系列熱電 偶串聯(lián)而成的(也有少數(shù)情況下是并聯(lián)而成的)，而熱電偶具有將溫度差轉(zhuǎn)換為電動勢的功能。 目前市場上常見的熱電堆產(chǎn)品包括位于美國加利福尼亞州圣地亞哥巿的Hi-Z公司所生產(chǎn)的 HZ-2， HZ-9， HZ-14， HZ-20等。
對熱電堆的冷端510的冷卻是由散熱器506通過與周圍環(huán)境的空氣交換來實(shí)現(xiàn)的?？諝?對流既可以是自然空氣對流，也可以強(qiáng)制空氣對流。除了空氣對流外，也可以采用冷凍的方 式對510進(jìn)行冷卻，采用冷凍的方式冷卻效果會更好，但會相應(yīng)地增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。
熱電堆熱端512和冷端510之間的溫差是由在熱輻射器508內(nèi)循環(huán)的高溫相變材料來維 持的。在自然循環(huán)的情況下(見圖2a),散熱器506 (或其它冷卻機(jī)制)起到將多余熱量及時 散發(fā)的作用，使得進(jìn)入熱輻射器508的相變材料的溫度明顯高于其內(nèi)部現(xiàn)有相變材料的溫度， 從而形成液體密度和溫度上的差別，進(jìn)一步地促進(jìn)自然循環(huán)。
在圖5中，隨著溫度的逐漸下降，熱輻射器508內(nèi)部的傳熱介質(zhì)將被新進(jìn)入熱輻射器的 傳熱介質(zhì)所置換。這一置換過程既可以通過循環(huán)泵來實(shí)現(xiàn)，也可以通過重力的作用來實(shí)現(xiàn)。 在一個可能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)施例中(圖中未顯示)，被置換的傳熱介質(zhì)可以直接經(jīng)循環(huán)泵或依靠 自然循環(huán)直接回到太陽能熱量吸收裝置400重新被加熱，另外一種實(shí)施方案則是將被置換的 傳熱介質(zhì)送到冷罐204存放，供下一輪使用。使用204的最大好處在于，它可以在夜間儲存 經(jīng)過使用后的傳熱介質(zhì)，并且保證熱量損耗降到最低點(diǎn)。隨著置換過程的完成， 一個新的周 期也就隨之開始了。
值得一提的是，熱電堆熱端512和熱輻射器508之間的電絕緣(圖中未顯示)可釆用業(yè) 界通用的電絕緣材料(需要能夠耐高溫)來實(shí)現(xiàn)。同樣道理，熱電堆冷端510和散熱器506 之間的電絕緣也可以用相似的電絕緣材料來實(shí)現(xiàn)。此外，在熱電堆熱端512周圍，需要使用 熱絕緣材料來防止熱量的流失。
與光伏發(fā)電相類似，該系統(tǒng)所發(fā)為直流電，若要將其轉(zhuǎn)化成交流電，則需要使用逆變器。 逆變器既可以是分立的，也可以與整個系統(tǒng)集成在一起。其它輔助性的電器元件例如電流/ 電壓調(diào)節(jié)器，變壓器等等也是系統(tǒng)運(yùn)行必不可少的組成部分，但由于他們并不屬于本發(fā)明的 核心部分，在此不做詳細(xì)闡述。
另外，系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可以通過無線或有線的方式與其它設(shè)備進(jìn)行通信，例如居民用戶 家里的計(jì)算機(jī)。在配備了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件之后，用戶就可以通過用戶界面對系統(tǒng)進(jìn)行遙控， 例如系統(tǒng)的總開關(guān)，循環(huán)泵的開關(guān)，人工調(diào)整菲涅爾透鏡的朝向等等。另外，還可以記錄所發(fā)的電量，調(diào)整輸出電壓，電流等等。
除了以上基本控制功能之外，該計(jì)算機(jī)軟件還可以包括系統(tǒng)維護(hù)功能和故障檢測功能， 以及與安全操作有關(guān)的功能，例如緊急停機(jī)等等。總之，圍繞著系統(tǒng)，可以建立起一套完整 的控制系統(tǒng)，使整個發(fā)電設(shè)備的操作完全自動化，從而最大限度地減少手工干預(yù)，從整體上 提高系統(tǒng)的現(xiàn)代化水平。
雖然以上的討論主要集中在利用相變材料儲存熱量，這并不妨礙在必要的條件下使用蓄 電池或其它方法來儲存能量。使用蓄電池可以在一定程度上緩解對熱量存儲裝置的要求，同 時還可以減小熱量存儲裝置的體積。使用蓄電池的另外一個好處就是當(dāng)負(fù)載需要較大瞬時功 率的情況下，它能夠彌補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)瞬時功率的不足。
總之，本實(shí)用新型能將光熱發(fā)電系統(tǒng)小型化，獨(dú)立化，便攜化和家庭化，利干推廣太陽 能的利用。本實(shí)用新型還具有結(jié)構(gòu)簡單、可方便地安裝放置，使用成本低、使用壽命長、使 用效果好。可推廣使用
權(quán)利要求1、一種分布式太陽能光熱發(fā)電裝置，主要由太陽能采集裝置和能量轉(zhuǎn)換裝置所組成，其特征在于該裝置由以下幾個主要部分組成太陽能采集裝置，由一個或多個菲涅爾透鏡組成，透鏡對入射太陽光進(jìn)行聚焦，使能量高度集中；太陽能熱量吸收裝置，用于吸收太陽能熱量，受到高度聚焦的光束照射后，其內(nèi)部相變材料的溫度持續(xù)增高，并攜帶大量的熱能量；熱量存儲裝置，用于熱量的存儲，分為熱灌和冷罐；能量轉(zhuǎn)換裝置，用于將相變材料所存儲的熱能轉(zhuǎn)換成電能。
2、 按權(quán)利要求l所述的分布式太陽能光熱發(fā)電裝置,其特征在于所述的太陽能采集裝 置由一個或多個菲涅爾透鏡組成，該裝置由一個八面體外加頂部組成，菲涅爾透鏡安裝在八 面體的各個表面和頂部。
3、 按權(quán)利要求1所述的分布式太陽能光熱發(fā)電裝置，其特征在于所述的太陽能熱量吸 收裝置由金屬或合金螺旋管組成，相變材料位于螺旋管中，螺旋管進(jìn)口端連接冷罐，螺旋管 出口端連接熱罐。
4、 按權(quán)利要求1所述的分布式太陽能光熱發(fā)電裝置,其特征在于所述的能量轉(zhuǎn)換裝置 內(nèi)設(shè)經(jīng)過密封處理的半導(dǎo)體熱電堆，半導(dǎo)體熱電堆包含數(shù)以百計(jì)的半導(dǎo)體熱電偶；熱輻射器，熱輻射器進(jìn)口端與熱罐連接，熱輻射器出口端與冷罐連接，熱輻射器位于 半導(dǎo)體熱電堆的高溫一側(cè)；散熱器，位于半導(dǎo)體熱電堆的低溫一側(cè)，用于對半導(dǎo)體熱電堆的低溫一側(cè)進(jìn)行冷卻。
專利摘要本實(shí)用新型屬于一種分布式太陽能光熱發(fā)電裝置，該裝置由太陽能采集裝置、太陽能熱量吸收裝置、熱量存儲裝置和能量轉(zhuǎn)換裝置所組成。本實(shí)用新型能將光熱發(fā)電系統(tǒng)小型化，獨(dú)立化，便攜化和家庭化，利于推廣太陽能的利用。
文檔編號H02N6/00GK201345627SQ200920004790
公開日2009年11月11日 申請日期2009年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月28日
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