一種船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置，包括：碟式聚光反射鏡3、反射鏡支架4、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)支架2、太陽(yáng)能斯特林機(jī)、由斯特林機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)雙軸跟蹤裝置、以及太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)。裝置利用單片機(jī)、GPS接收器12、電子羅盤13和光電跟蹤傳感器盒11控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)碟式聚光鏡在船舶這一特殊的運(yùn)動(dòng)載體和水中航行這一特定環(huán)境下對(duì)太陽(yáng)的雙軸混合跟蹤，使碟式聚光鏡3將太陽(yáng)光聚焦于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動(dòng)活塞做功，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能輸出，作為輔助能源應(yīng)用在船舶的照明系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、輔助機(jī)械等方面，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的良好效果。
【專利說(shuō)明】一種船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶太陽(yáng)能利用領(lǐng)域，特別是一種船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著煤炭、石油和天然氣等資源的枯竭以及環(huán)保要求的不斷提高，國(guó)際社會(huì)開(kāi)始強(qiáng)烈關(guān)注能源危機(jī)和溫室氣體排放帶來(lái)的全球氣候變暖問(wèn)題。由于船舶在航行過(guò)程中要消耗大量的能量，并且會(huì)排放大量污染氣體，為了使航運(yùn)業(yè)能夠可持續(xù)發(fā)展，世界造船業(yè)的主要研究方向開(kāi)始集中在節(jié)能減排、探索新能源、大力發(fā)展船舶清潔可再生動(dòng)力能源技術(shù)等方面。太陽(yáng)能作為一種清潔可持續(xù)使用能源，與常規(guī)能源相比較，它可以無(wú)限使用，不會(huì)枯竭，而且安全無(wú)害，只要加以收集、轉(zhuǎn)換即可直接使用，因而在開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中具有顯著的優(yōu)勢(shì)，可以預(yù)見(jiàn)在后化石燃料時(shí)代其必將成為人類社會(huì)主要的利用能源之一。
[0003]目前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)獲得了大量的研究且在陸上得到了廣泛應(yīng)用，但在船舶上的應(yīng)用主要集中于小型船舶上，在全動(dòng)力船舶和大型遠(yuǎn)洋船舶上推廣不多。其主要原因就是光伏發(fā)電因受材料的限制，發(fā)電量不高，效率低，其發(fā)電成本相對(duì)較高，系統(tǒng)成本回收期較長(zhǎng)，在船舶領(lǐng)域的發(fā)展受到了很大程度的限制。面對(duì)石化能源日趨枯竭、排放污染日益加劇的國(guó)際形勢(shì)，亟待發(fā)展一種新的太陽(yáng)能發(fā)電方式，以緩解航運(yùn)業(yè)的能源危機(jī)。
[0004]發(fā)達(dá)國(guó)家的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證明，太陽(yáng)能熱發(fā)電較光伏發(fā)電更能適應(yīng)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。目前，太陽(yáng)能熱力發(fā)電單機(jī)容量已發(fā)展到兆瓦級(jí)，全球已有數(shù)十座兆瓦級(jí)太陽(yáng)能熱電站投入試驗(yàn)運(yùn)行。按集熱器類型的不同太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)可分為槽式、塔式和碟式三種系統(tǒng)。在所有太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)中，碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)具有最高的光熱轉(zhuǎn)換效率(85%左右)和光電轉(zhuǎn)換效率(31%左右)。碟式系統(tǒng)具有高效、模塊化和具備組成混合發(fā)電系統(tǒng)的能力等特點(diǎn)，既可以作分布式系統(tǒng)單獨(dú)供電，也可以并網(wǎng)發(fā)電。又由于該系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)地的平坦性要求低，因此應(yīng)用范圍廣泛。以上的這些優(yōu)點(diǎn)，為碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)在船舶上的應(yīng)用提供了可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置，這種裝置可以實(shí)現(xiàn)在船舶這一特殊的運(yùn)動(dòng)載體和水中航行這一特定環(huán)境下，通過(guò)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的碟式聚光鏡將太陽(yáng)光聚焦于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動(dòng)活塞做功，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能輸出，作為輔助能源應(yīng)用在船舶的照明系統(tǒng)、駕駛系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、輔助機(jī)械等方面，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的良好效果。
[0006]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置:該裝置硬件構(gòu)成主要包括:碟式聚光反射鏡3、反射鏡支架4、斯特林發(fā)電機(jī)支架2、太陽(yáng)能斯特林機(jī)、由斯特林機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)雙軸跟蹤裝置、以及自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)。其中，所述碟式聚光反射鏡3呈扇形分割，由6個(gè)扇形聚光反射鏡片組拼接成一旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)；所述反射鏡支架4固定于船舶甲板上，用于支撐并安裝所述碟式聚光反射鏡3;所述斯特林發(fā)電機(jī)支架2，一端固定連接所述碟式聚光反射鏡支架4，另一端固定連接太陽(yáng)能斯特林機(jī)；太陽(yáng)能斯特林機(jī)的吸熱器位于碟式聚光反射鏡3的焦點(diǎn)處；所述發(fā)電機(jī)固定連接所述太陽(yáng)能斯特林機(jī)，構(gòu)成斯特林發(fā)電機(jī)I ;所述太陽(yáng)雙軸跟蹤裝置安裝于所述反射鏡支架4上，包括兩臺(tái)直流電機(jī)、兩臺(tái)減速器、一個(gè)絲杠螺母副和一個(gè)帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)9 ；自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)包括STM32F3微控制器10、光電跟蹤傳感器盒11、GPS接收器12、電子羅盤13、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器14。整個(gè)裝置主要用螺栓連接，便于拆裝和運(yùn)輸。裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)、定位和連接等機(jī)械結(jié)構(gòu)都簡(jiǎn)單可靠，跟蹤運(yùn)動(dòng)用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，這樣不僅加工容易而且增加了系統(tǒng)的可靠性。
[0007]本船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置中，碟式聚光鏡3將太陽(yáng)光聚焦于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動(dòng)活塞做功，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能輸出。
[0008]本船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置中，通過(guò)GPS接收器12和單片機(jī)的控制，使碟式聚光鏡3實(shí)現(xiàn)在船舶航行過(guò)程中對(duì)太陽(yáng)的初步跟蹤。
[0009]本船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置中，通過(guò)光電跟蹤傳感器盒11和單片機(jī)的控制，使碟式聚光鏡實(shí)現(xiàn)在船舶航行過(guò)程中對(duì)太陽(yáng)跟蹤過(guò)程的反饋調(diào)節(jié)。
[0010]本船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置中，通過(guò)電子羅盤13和單片機(jī)的控制，使碟式聚光鏡3實(shí)現(xiàn)在船舶航向改變過(guò)程中對(duì)太陽(yáng)跟蹤過(guò)程的反饋調(diào)節(jié)。
[0011]本船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置中，當(dāng)海面光強(qiáng)未達(dá)到設(shè)定的最小經(jīng)濟(jì)發(fā)電光強(qiáng)要求時(shí)，為了減少能耗，跟蹤系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]附圖1是一種船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；
[0013]附圖1中:1.斯特林發(fā)電機(jī)；2.斯特林發(fā)電機(jī)支架；3.碟式聚光反射鏡；4碟式聚光反射鏡支架；5.方位角控制電機(jī)；6.底座；7.自動(dòng)跟蹤控制器；8.高度角控制電機(jī)；
9.帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；
[0014]附圖2是一種船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)示意圖(說(shuō)明:粗實(shí)線為電力線，虛線為控制信號(hào)線)；
[0015]附圖2中:10.STM32F3微控制器；11.光電跟蹤傳感器盒；12.GPS接收器；13.電子羅盤；14.直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；
[0016]附圖3是一種船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置光電跟蹤反饋調(diào)節(jié)示意圖；
[0017]附圖4是碟式聚光反射鏡光電跟蹤檢測(cè)電路圖；
[0018]附圖5是一種船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置太陽(yáng)跟蹤控制原理結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]附圖6是一種船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]本發(fā)明船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置原理如圖1所示，主要由斯特林發(fā)電機(jī)
1、斯特林發(fā)電機(jī)支架2、碟式聚光反射鏡3、碟式聚光反射鏡支架4、方位角控制電機(jī)5、底座
6、高度角控制電機(jī)8、帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)9以及太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)構(gòu)成。[0021]斯特林發(fā)電機(jī)I通過(guò)發(fā)電機(jī)支架2與碟式聚光反射鏡3中心固定連接，碟式聚光反射鏡3通過(guò)反射鏡支架4和發(fā)電裝置底座6相連，方位角控制電機(jī)5、高度角控制電機(jī)8和帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)9分別布設(shè)于反射鏡支架4上。
[0022]船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示，光電跟蹤傳感器盒11固定在碟式反射鏡3的邊緣面上。
[0023]如圖3所示，裝置采用4個(gè)光電二極管作為傳感器來(lái)檢測(cè)光強(qiáng)的變化，跟蹤太陽(yáng)的位置，進(jìn)行誤差校正。4個(gè)完全相同的光電二極管封裝于一個(gè)高壁圓筒傳感器盒11內(nèi)，均勻分布在東南西北4個(gè)方位處，并沿靠近筒壁布置，圓筒有一定高度遮擋斜射的太陽(yáng)光。其中PDl和PD2兩個(gè)光電二極管用于檢測(cè)東西方向光線變化，調(diào)整太陽(yáng)碟式聚光鏡東西方向角，即方位角；PD3和PD4兩個(gè)光電二極管則用于調(diào)整太陽(yáng)碟式聚光鏡南北方向角，即高度角。檢測(cè)電路如圖4所示，當(dāng)太陽(yáng)光垂直照射到聚光器表面時(shí)，PDl和PD2接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相同，經(jīng)比較器后輸出信號(hào)為零；當(dāng)太陽(yáng)光偏離聚光器主光軸時(shí)，PDl和PD2接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度不同，經(jīng)比較器后輸出偏差信號(hào)，完成信號(hào)采樣過(guò)程。偏差信號(hào)通過(guò)運(yùn)放及相應(yīng)保護(hù)電路，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，根據(jù)偏差信號(hào)的正負(fù)和大小決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，直到小于精度允許范圍，電機(jī)停止動(dòng)作。特別地，當(dāng)東西方位或南北方位的兩個(gè)光電傳感器感受到的光強(qiáng)差值偏差數(shù)字信號(hào)絕對(duì)值小于某個(gè)設(shè)定閥值時(shí)，單片機(jī)不發(fā)出讓電機(jī)動(dòng)作的信號(hào)；當(dāng)光強(qiáng)差值偏差數(shù)字信號(hào)絕對(duì)值超過(guò)設(shè)定閥值時(shí)，單片機(jī)才發(fā)出信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣控制的目的是提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。
[0024]本發(fā)明的工作過(guò)程是:如附圖5所示，跟蹤系統(tǒng)采用高度角-方位角雙軸混合跟蹤的控制方式，通過(guò)GPS接收器12，實(shí)時(shí)獲得船舶所在地的經(jīng)緯度以及UTC時(shí)間；通過(guò)開(kāi)環(huán)的程序跟蹤，計(jì)算出太陽(yáng)高度角和方位角，確定太陽(yáng)當(dāng)前的位置；輸出PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的方位角控制電機(jī)5和高度角控制電機(jī)8，使碟式聚光器3達(dá)到預(yù)期位置，完成視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的初步跟蹤；當(dāng)船舶航向改變時(shí)，電子羅盤13通過(guò)接口輸出角度變化量，由STM32F3微控制器10采集電子羅盤13輸出的角度值變化量，進(jìn)行各種判斷、處理，同時(shí)發(fā)出指令給回轉(zhuǎn)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)碟式聚光鏡3回轉(zhuǎn)到船舶航向改變前的朝向；采用光電二極管對(duì)碟式聚光鏡3做自動(dòng)定位和誤差校正，進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)光電跟蹤，通過(guò)微調(diào)聚光鏡3的位置，確保太陽(yáng)光通過(guò)碟式聚光器聚焦都落在斯特林發(fā)電機(jī)I的接收器上，以保證發(fā)電裝置光電轉(zhuǎn)換效率的最大化。碟式聚光鏡3將太陽(yáng)光聚焦于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動(dòng)活塞做功，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能輸出。
[0025]本發(fā)明中未經(jīng)描述的技術(shù)特征可以通過(guò)現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。上述【具體實(shí)施方式】用來(lái)解釋本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種太陽(yáng)能發(fā)電裝置，其特征是一種船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置，其硬件系統(tǒng)構(gòu)成主要包括:碟式聚光反射鏡3、反射鏡支架4、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)支架2、太陽(yáng)能斯特林機(jī)、由斯特林機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)雙軸跟蹤裝置、以及自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)；自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)包括:STM32 F3微控制器10、光電跟蹤傳感器盒11、GPS接收器12、電子羅盤13、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器14 ;其中，所述碟式聚光反射鏡3呈扇形分割，由6個(gè)扇形聚光反射鏡片組拼接成一旋轉(zhuǎn)拋物面結(jié)構(gòu)；所述反射鏡支架4固定于船舶甲板上，用于支撐并安裝所述碟式聚光反射鏡3 ;所述斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)支架2，一端固定連接所述碟式聚光反射鏡支架4，另一端固定連接太陽(yáng)能斯特林機(jī)；太陽(yáng)能斯特林機(jī)的吸熱器位于碟式聚光反射鏡的焦點(diǎn)處；所述發(fā)電機(jī)固定連接所述太陽(yáng)能斯特林機(jī)，構(gòu)成斯特林發(fā)電機(jī)I ;所述太陽(yáng)雙軸跟蹤裝置安裝于所述反射鏡支架4上，包括兩臺(tái)直流電機(jī)、兩臺(tái)減速器、一個(gè)絲杠螺母副；自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)通過(guò)控制信號(hào)線連接所述太陽(yáng)雙軸跟蹤裝置控制所述碟式聚光反射鏡3的運(yùn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置，其特征在于:將碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在船舶上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置，其特征在于:通過(guò)GPS接收器12和單片機(jī)的控制，使碟式聚光鏡3實(shí)現(xiàn)在船舶航行過(guò)程中對(duì)太陽(yáng)的初步定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置，其特征在于:通過(guò)光電跟蹤傳感器盒11和單片機(jī)的控制，使碟式聚光鏡3實(shí)現(xiàn)在船舶航行過(guò)程中對(duì)太陽(yáng)跟蹤過(guò)程的反饋調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置，其特征在于:通過(guò)電子羅盤13和單片機(jī)的控制，使碟式聚光鏡3實(shí)現(xiàn)在船舶航向改變過(guò)程中對(duì)太陽(yáng)跟蹤過(guò)程的反饋調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的船用碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置，其特征在于:自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的碟式聚光鏡3將太陽(yáng)光聚焦于斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)頭部，加熱高壓氫氣膨脹推動(dòng)活塞做功，通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能輸出。
【文檔編號(hào)】F02G1/055GK103557128SQ201310571917
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月16日
【發(fā)明者】朱順敏, 胡義, 徐國(guó), 陳智君, 廖鵬飛, 蘇美鳳, 代喜, 武鵬, 徐兵, 許臻澤 申請(qǐng)人:朱順敏