一种船用碟式斯特林太阳能热发电装置制造方法

一种船用碟式斯特林太阳能热发电装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种船用碟式斯特林太阳能热发电装置，包括：碟式聚光反射镜3、反射镜支架4、斯特林发动机支架2、太阳能斯特林机、由斯特林机驱动的发电机、太阳双轴跟踪装置、以及太阳自动跟踪控制系统。装置利用单片机、GPS接收器12、电子罗盘13和光电跟踪传感器盒11控制电机实现碟式聚光镜在船舶这一特殊的运动载体和水中航行这一特定环境下对太阳的双轴混合跟踪，使碟式聚光镜3将太阳光聚焦于斯特林发动机头部，加热高压氢气膨胀推动活塞做功，通过曲柄连杆机构带动发电机转化成电能输出，作为辅助能源应用在船舶的照明系统、驾驶系统、空调系统、辅助机械等方面，从而实现节能减排、保护环境的良好效果。
【专利说明】一种船用碟式斯特林太阳能热发电装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及船舶太阳能利用领域，特别是一种船用碟式斯特林太阳能热发电装置。
【背景技术】
[0002]近年来，随着煤炭、石油和天然气等资源的枯竭以及环保要求的不断提高，国际社会开始强烈关注能源危机和温室气体排放带来的全球气候变暖问题。由于船舶在航行过程中要消耗大量的能量，并且会排放大量污染气体，为了使航运业能够可持续发展，世界造船业的主要研究方向开始集中在节能减排、探索新能源、大力发展船舶清洁可再生动力能源技术等方面。太阳能作为一种清洁可持续使用能源，与常规能源相比较，它可以无限使用，不会枯竭，而且安全无害，只要加以收集、转换即可直接使用，因而在开发利用过程中具有显著的优势，可以预见在后化石燃料时代其必将成为人类社会主要的利用能源之一。
[0003]目前，太阳能光伏发电系统已经获得了大量的研究且在陆上得到了广泛应用，但在船舶上的应用主要集中于小型船舶上，在全动力船舶和大型远洋船舶上推广不多。其主要原因就是光伏发电因受材料的限制，发电量不高，效率低，其发电成本相对较高，系统成本回收期较长，在船舶领域的发展受到了很大程度的限制。面对石化能源日趋枯竭、排放污染日益加剧的国际形势，亟待发展一种新的太阳能发电方式，以缓解航运业的能源危机。
[0004]发达国家的实验研究已经证明，太阳能热发电较光伏发电更能适应大规模的工业化应用。目前，太阳能热力发电单机容量已发展到兆瓦级，全球已有数十座兆瓦级太阳能热电站投入试验运行。按集热器类型的不同太阳能热发电系统可分为槽式、塔式和碟式三种系统。在所有太阳能发电技术中，碟式太阳能热发电系统具有最高的光热转换效率(85%左右)和光电转换效率(31%左右)。碟式系统具有高效、模块化和具备组成混合发电系统的能力等特点，既可以作分布式系统单独供电，也可以并网发电。又由于该系统对场地的平坦性要求低，因此应用范围广泛。以上的这些优点，为碟式斯特林太阳能热发电技术在船舶上的应用提供了可能。

【发明内容】

[0005]本发明的目的在于提供一种船用碟式斯特林太阳能热发电装置，这种装置可以实现在船舶这一特殊的运动载体和水中航行这一特定环境下，通过自动跟踪太阳的碟式聚光镜将太阳光聚焦于斯特林发动机头部，加热高压氢气膨胀推动活塞做功，通过曲柄连杆机构带动发电机转化成电能输出，作为辅助能源应用在船舶的照明系统、驾驶系统、空调系统、辅助机械等方面，从而实现节能减排、保护环境的良好效果。
[0006]本发明是采用如下技术方案实现的:一种船用碟式斯特林太阳能热发电装置:该装置硬件构成主要包括:碟式聚光反射镜3、反射镜支架4、斯特林发电机支架2、太阳能斯特林机、由斯特林机驱动的发电机、太阳双轴跟踪装置、以及自动跟踪控制系统。其中，所述碟式聚光反射镜3呈扇形分割，由6个扇形聚光反射镜片组拼接成一旋转抛物面结构；所述反射镜支架4固定于船舶甲板上，用于支撑并安装所述碟式聚光反射镜3;所述斯特林发电机支架2，一端固定连接所述碟式聚光反射镜支架4，另一端固定连接太阳能斯特林机；太阳能斯特林机的吸热器位于碟式聚光反射镜3的焦点处；所述发电机固定连接所述太阳能斯特林机，构成斯特林发电机I ;所述太阳双轴跟踪装置安装于所述反射镜支架4上，包括两台直流电机、两台减速器、一个丝杠螺母副和一个带轮传动机构9 ；自动跟踪控制系统包括STM32F3微控制器10、光电跟踪传感器盒11、GPS接收器12、电子罗盘13、直流电机驱动器14。整个装置主要用螺栓连接，便于拆装和运输。装置的转动、定位和连接等机械结构都简单可靠，跟踪运动用单片机来实现控制，这样不仅加工容易而且增加了系统的可靠性。
[0007]本船用碟式斯特林太阳能热发电装置中，碟式聚光镜3将太阳光聚焦于斯特林发动机头部，加热高压氢气膨胀推动活塞做功，通过曲柄连杆机构带动发电机转化成电能输出。
[0008]本船用碟式斯特林太阳能热发电装置中，通过GPS接收器12和单片机的控制，使碟式聚光镜3实现在船舶航行过程中对太阳的初步跟踪。
[0009]本船用碟式斯特林太阳能热发电装置中，通过光电跟踪传感器盒11和单片机的控制，使碟式聚光镜实现在船舶航行过程中对太阳跟踪过程的反馈调节。
[0010]本船用碟式斯特林太阳能热发电装置中，通过电子罗盘13和单片机的控制，使碟式聚光镜3实现在船舶航向改变过程中对太阳跟踪过程的反馈调节。
[0011]本船用碟式斯特林太阳能热发电装置中，当海面光强未达到设定的最小经济发电光强要求时，为了减少能耗，跟踪系统会自动停止运转。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]附图1是一种船用碟式斯特林太阳能热发电装置的结构简图；
[0013]附图1中:1.斯特林发电机；2.斯特林发电机支架；3.碟式聚光反射镜；4碟式聚光反射镜支架；5.方位角控制电机；6.底座；7.自动跟踪控制器；8.高度角控制电机；
9.带轮传动机构；
[0014]附图2是一种船用碟式斯特林太阳能热发电装置太阳跟踪控制系统示意图(说明:粗实线为电力线，虚线为控制信号线)；
[0015]附图2中:10.STM32F3微控制器；11.光电跟踪传感器盒；12.GPS接收器；13.电子罗盘；14.直流电机驱动器；
[0016]附图3是一种船用碟式斯特林太阳能热发电装置光电跟踪反馈调节示意图；
[0017]附图4是碟式聚光反射镜光电跟踪检测电路图；
[0018]附图5是一种船用碟式斯特林太阳能热发电装置太阳跟踪控制原理结构示意图；
[0019]附图6是一种船用碟式斯特林太阳能热发电装置太阳跟踪系统主程序设计流程图。
【具体实施方式】
[0020]本发明船用碟式斯特林太阳能热发电装置原理如图1所示，主要由斯特林发电机
1、斯特林发电机支架2、碟式聚光反射镜3、碟式聚光反射镜支架4、方位角控制电机5、底座
6、高度角控制电机8、带轮传动机构9以及太阳跟踪控制系统构成。[0021]斯特林发电机I通过发电机支架2与碟式聚光反射镜3中心固定连接，碟式聚光反射镜3通过反射镜支架4和发电装置底座6相连，方位角控制电机5、高度角控制电机8和带轮传动机构9分别布设于反射镜支架4上。
[0022]船用碟式斯特林太阳能热发电装置太阳跟踪控制系统示意图如图2所示，光电跟踪传感器盒11固定在碟式反射镜3的边缘面上。
[0023]如图3所示，装置采用4个光电二极管作为传感器来检测光强的变化，跟踪太阳的位置，进行误差校正。4个完全相同的光电二极管封装于一个高壁圆筒传感器盒11内，均匀分布在东南西北4个方位处，并沿靠近筒壁布置，圆筒有一定高度遮挡斜射的太阳光。其中PDl和PD2两个光电二极管用于检测东西方向光线变化，调整太阳碟式聚光镜东西方向角，即方位角；PD3和PD4两个光电二极管则用于调整太阳碟式聚光镜南北方向角，即高度角。检测电路如图4所示，当太阳光垂直照射到聚光器表面时，PDl和PD2接受的太阳辐射强度相同，经比较器后输出信号为零；当太阳光偏离聚光器主光轴时，PDl和PD2接受的太阳辐射强度不同，经比较器后输出偏差信号，完成信号采样过程。偏差信号通过运放及相应保护电路，经模数转换成数字信号，根据偏差信号的正负和大小决定电机的转向和转动角度，直到小于精度允许范围，电机停止动作。特别地，当东西方位或南北方位的两个光电传感器感受到的光强差值偏差数字信号绝对值小于某个设定阀值时，单片机不发出让电机动作的信号；当光强差值偏差数字信号绝对值超过设定阀值时，单片机才发出信号控制电机转动，这样控制的目的是提高系统的经济性。
[0024]本发明的工作过程是:如附图5所示，跟踪系统采用高度角-方位角双轴混合跟踪的控制方式，通过GPS接收器12，实时获得船舶所在地的经纬度以及UTC时间；通过开环的程序跟踪，计算出太阳高度角和方位角，确定太阳当前的位置；输出PWM信号，驱动转向机构的方位角控制电机5和高度角控制电机8，使碟式聚光器3达到预期位置，完成视日运动轨迹跟踪，实现对太阳的初步跟踪；当船舶航向改变时，电子罗盘13通过接口输出角度变化量，由STM32F3微控制器10采集电子罗盘13输出的角度值变化量，进行各种判断、处理，同时发出指令给回转系统，驱动碟式聚光镜3回转到船舶航向改变前的朝向；采用光电二极管对碟式聚光镜3做自动定位和误差校正，进行闭环控制，实现光电跟踪，通过微调聚光镜3的位置，确保太阳光通过碟式聚光器聚焦都落在斯特林发电机I的接收器上，以保证发电装置光电转换效率的最大化。碟式聚光镜3将太阳光聚焦于斯特林发动机头部，加热高压氢气膨胀推动活塞做功，通过曲柄连杆机构带动发电机转化成电能输出。
[0025]本发明中未经描述的技术特征可以通过现有的相关技术实现。上述【具体实施方式】用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种太阳能发电装置，其特征是一种船用碟式斯特林太阳能热发电装置，其硬件系统构成主要包括:碟式聚光反射镜3、反射镜支架4、斯特林发动机支架2、太阳能斯特林机、由斯特林机驱动的发电机、太阳双轴跟踪装置、以及自动跟踪控制系统；自动跟踪控制系统包括:STM32 F3微控制器10、光电跟踪传感器盒11、GPS接收器12、电子罗盘13、直流电机驱动器14 ;其中，所述碟式聚光反射镜3呈扇形分割，由6个扇形聚光反射镜片组拼接成一旋转抛物面结构；所述反射镜支架4固定于船舶甲板上，用于支撑并安装所述碟式聚光反射镜3 ;所述斯特林发动机支架2，一端固定连接所述碟式聚光反射镜支架4，另一端固定连接太阳能斯特林机；太阳能斯特林机的吸热器位于碟式聚光反射镜的焦点处；所述发电机固定连接所述太阳能斯特林机，构成斯特林发电机I ;所述太阳双轴跟踪装置安装于所述反射镜支架4上，包括两台直流电机、两台减速器、一个丝杠螺母副；自动跟踪控制系统通过控制信号线连接所述太阳双轴跟踪装置控制所述碟式聚光反射镜3的运行。
2.根据权利要求1所述的船用碟式斯特林太阳能热发电装置，其特征在于:将碟式斯特林太阳能热发电技术应用在船舶上。
3.根据权利要求1所述的船用碟式斯特林太阳能热发电装置，其特征在于:通过GPS接收器12和单片机的控制，使碟式聚光镜3实现在船舶航行过程中对太阳的初步定位。
4.根据权利要求1所述的船用碟式斯特林太阳能热发电装置，其特征在于:通过光电跟踪传感器盒11和单片机的控制，使碟式聚光镜3实现在船舶航行过程中对太阳跟踪过程的反馈调节。
5.根据权利要求1所述的船用碟式斯特林太阳能热发电装置，其特征在于:通过电子罗盘13和单片机的控制，使碟式聚光镜3实现在船舶航向改变过程中对太阳跟踪过程的反馈调节。
6.根据权利要求1所述的船用碟式斯特林太阳能热发电装置，其特征在于:自动跟踪太阳的碟式聚光镜3将太阳光聚焦于斯特林发动机头部，加热高压氢气膨胀推动活塞做功，通过曲柄连杆机构带动发电机转化成电能输出。
【文档编号】F02G1/055GK103557128SQ201310571917
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月16日 优先权日:2013年11月16日
【发明者】朱顺敏, 胡义, 徐国, 陈智君, 廖鹏飞, 苏美凤, 代喜, 武鹏, 徐兵, 许臻泽 申请人:朱顺敏