專利名稱：：用于將太陽能轉化為機械能或電能的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
：發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的應用領域總體處于由可再生能源產生能量的產業(yè)部分中，更具體地，是通過熱電能量的方式由可再生能源產生能量，即，通過熱力學過程由處于其熱形式的太陽能產生機械能并將機械能轉化為電能的方式由可再生能源產生能量。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的主要目的在于，通過采用小型裝置滿足小型和中型熱電能生產設施的需要，該小型裝置聚集后續(xù)用于為此目的的熱力學循環(huán)中的能量。
背景技術：
：存在于我們的星球上的主要能量源是太陽，目前使用的能源中的很多都是太陽的直接或間接作用的結果。由到達地球表面的太陽光線獲取能量的最直接方式主要有兩種光電太陽能和熱電能。的光電效應，該效應是將太陽能轉化為電能的最直接的方式?；谶@種能量的設施的主要優(yōu)點是可以獲得小型動力設施。而其兩個缺點可能是突出的轉化的效率低以及在希望獲得通常功率的條件下的巨大占用表面。另一方面，在由太陽輻射獲取能量的另一直接方式，即熱電能的框架下，必須指出存在利用源于太陽的、處于熱形式的能量以將該能量轉化為電的熱電動力設備。主要缺點在于，這些設備基于如燃氣輪機或蒸汽渦輪機的熱力學循環(huán)，而燃氣輪機或蒸汽渦輪機必須具有高輸出從而具有可接受的效率。這意味著設施的高成本以及巨大的占用表面，這對于小型設施是不合適的，因為小型設施采用性能極低的熱機。因此，如果希望采用小型動力設施，使用常規(guī)的熱機是不合適的，必須使用其它類型的機器和裝置。更具體地，熱電能包括通過將聚集在地球表面上的、處于熱能形式的太陽輻射轉化為機械能并接著轉化為電能而產生電。通過基于太陽爐的動力站以及最近被稱為斯特林盤或拋物面收集器設施進行該過程。太陽爐太陽爐包括高塔，由通過鏡子(定日鏡)的太陽反射產生的光線聚集于該高塔，所述鏡子在塔中聚集能量。水流從中流過，該水流被轉化為蒸汽以接著將蒸汽的能量轉化為機械能并最終轉化為電能。這種基于蒸汽渦輪機的動力設備建設成本高，但是卻具有高效的特征。太陽塔太陽塔是新型的熱力太陽塔設施，其運行基于具有大表面的溫室中的空氣加熱。使熱空氣通過平行于地面并且位于數(shù)米高的豎直塔上的渦輪機。熱空氣將大部分能量傳遞至渦輪機，然后這種已損失了大部分能量的熱空氣在上部排出。由于渦輪機是具有高機械精度和巨大尺寸的單元，因此這些太陽塔是具有高技術復雜性的動力設備。斯特林盤存在各種組裝有該技術的動力設備，一個清晰的示例是Almeria動力設備或PAS(西班牙)。該設備基本上包括拋物面盤，該拋物面盤通過反射將太陽光線聚集在焦點，例如斯特林發(fā)動機的外燃發(fā)動機安裝在該焦點上。該發(fā)動機通過上述熱力學過程使熱能轉化為機械能并接著轉化為電能。這種動力設備的缺點在于發(fā)動機被放置成與太陽一線，因此暴露于直接太陽輻射以及匯集在拋物面盤上的太陽輻射。這兩種作用加在一起迫使發(fā)動機必須承受高溫，而這種高溫使機油溫度過度升高，因而機油失去其特性并且機器不得不停機。另一種動力設備是拋物柱面動力設備。這種動力設備基于蒸汽渦輪機并包括將能量聚焦在管中的拋物柱面，水流流過該管。所述水接收并吸收太陽能直到水轉化為水蒸氣，最終水蒸氣穿過渦輪機，從而能量復原為機械形式以接著轉化為電能。這種設施具有與其余基于蒸汽渦輪機的動力設備相同的缺點。該缺點主要在于這種設施需要高輸出使得渦輪機具有合適的效率，因而這種i更施占據大的表面。
發(fā)明內容根據本發(fā)明，提供了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了小型和中型能量產生的問題，并克服了現(xiàn)有系統(tǒng)所具有的問題，如設施的高成本、需要大的太陽能收集表面以及常規(guī)熱機的低效率。為此，在本發(fā)明的第一方面中，提供了用于將太陽能轉化為機械能并接著轉化為電能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括第一聚集裝置，將太陽能聚集在給定焦點；第二收集裝置，對源自第一聚集裝置的太陽輻射作用溫室效應，作用溫室效應的目的是聚集熱能；以及第三裝置，其體現(xiàn)為外燃發(fā)動機，該外燃發(fā)動機是聚集在聚集裝置中的熱能的接收體以用于生產機械能。與現(xiàn)有技術的系統(tǒng)不同，本發(fā)明的系統(tǒng)具有的第一差別在于太陽輻射并非通過鏡子反射而是聚集在具有特別特征的會聚透鏡上。在第二方面中，冬發(fā)明提供了通過本發(fā)明的系統(tǒng)將太陽能轉化為機械能的方法。該方法具有以下主要步驟i.通過聚集裝置將太陽輻射聚集在給定的焦點；ii.在累積裝置中對源自聚集裝置的太陽輻射進行累積；以及iii.將累積在累積裝置中的熱能應用或輸送至將熱能轉化為機械能的轉化裝置。本發(fā)明的這些和其它目的通過根據權利要求1的系統(tǒng)以及根據權利要求15的方法得以實現(xiàn)。本發(fā)明的系統(tǒng)對象的具體實施方式分別在從屬權利要求2至14和16中得到限定。更具體地，太陽能聚焦在菲涅耳透鏡上并且處于焦距處，即，熱能收集器在焦點上安裝用于將熱能應用至斯特林發(fā)動機，該斯特林發(fā)動機的尺寸和功率適于將所述熱能還原為機械能的形式。以下是菲涅耳透鏡與其它類型的透鏡相比的特征-相比固態(tài)透鏡具有小尺寸(厚度)；-比固態(tài)透鏡低得多的生產成本；-比會聚標準透鏡具有更大的焦點幅度，即，更廣的焦點分散；以及-由于菲涅耳透鏡使用更少的材料，從而具有更輕的重量，因而產生更大的機動性和用于控制支持系統(tǒng)的控制性。另外，可以為系統(tǒng)補充設置控制系統(tǒng)和發(fā)電機，當提供了合適的條件時，該控制系統(tǒng)通過采用溫度計或傳感器使發(fā)動機啟動，而發(fā)電機則將發(fā)動機的機械能復原為電力。外燃發(fā)動機(斯特林式)在其熱點處具有設置有具有溫室效應特性的黑表面(通過浸潤選擇性涂料或任何其它形式)的接收器-累積器，所述溫室效應特性便于熱能的累積以用于其后續(xù)輸送至外燃發(fā)動機的引用的熱點而幾乎無任何能量損失。本發(fā)明的系統(tǒng)所產生的優(yōu)點包括但不限于-外燃發(fā)動機的熱點位于透鏡的覆蓋部分，這意味著對太陽表面的更充分利用；-更易于保護外燃發(fā)動機的冷點免受太陽強光影響；-透鏡具有更小的質量并允許進行跟蹤的運動質量消耗更少的能量；-如果設施需要且被賦予增加設施的技術復雜性的尺寸，那么該施可以具有大功率，也可以如所需地由很多較小功率且技術上更可實現(xiàn)的模塊替代。以下參照附圖，對僅以說明性和非限制性示例的方式給出的優(yōu)選實施方式進行詳細描述，從而本發(fā)明的這些和其它特征與優(yōu)點將會更加顯見。圖1示出了本發(fā)明的系統(tǒng)的總體示意圖；圖2示出了本發(fā)明的帶有溫室效應的收集裝置的放大圖；圖3示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中的聚集裝置，即菲涅耳透鏡的俯^見圖和側^見8200880008382.5圖4示出了本發(fā)明的將熱能轉化為機械能的轉化裝置，具體為根據本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的斯特林循環(huán)外燃發(fā)動機。環(huán)的參考點的圖形表示；圖6示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的整體斯特林循環(huán)發(fā)動機的容積以及每個氣缸的容積的變化的圖形表示；學循環(huán)過程中的壓力和溫度的變化的圖形表示。發(fā)明的優(yōu)選實施方式已經述及，將考慮附圖對本發(fā)明進行詳細地描述。因此，在圖1中可以看到本發(fā)明的、用于將熱能轉化為機械能的系統(tǒng)(1)包括源于太陽(6)的輻射(5)的聚集裝置(2)，其位于給定焦點；具有溫室效應的收集裝置(3);源自收集裝置(2)的太陽輻射(5')的接收器和累積器，其用于累積熱能；以及轉化裝置(4)，其將熱能轉化為機械能。接著，源自轉化裝置(4)的機械能可通過采用將機械能轉化為電能的裝置(未表示)轉化為電能。在具體實施方式中，聚集裝置(2)是"菲涅耳，，式透鏡，將熱能轉化為機械能的轉化裝置(4)體現(xiàn)為(斯特林或埃里克森循環(huán))外燃發(fā)動機，其接收在引用的累積裝置(3)中累積的熱能用于生產機械能。更具體地，在圖1中看到光線(5)如何由太陽(6)發(fā)出，哪些以近似垂直和平行的方式到達地球的表面并落在將太陽射線(5')聚集在給定的焦點(7)上的菲涅耳透鏡(2)上。由這種透鏡產生的焦點不具有高質量，但是對于這種應用而言足夠高。射線(5')聚焦在溫室效應太陽收集器(3)上，溫室效應太陽收集器(3)累積熱能并將熱能在外燃熱力發(fā)動機(4)的熱點(8)處轉移至外燃熱力發(fā)動機(4)。接著，從外燃熱力發(fā)動機(4)獲得的機械能可以通過常規(guī)的發(fā)電機轉化為電能。太陽收集器(3)設置有輻射進入區(qū)(9)，該輻射進入區(qū)(9)由允許太陽輻射(5')穿過并防止紅外輻射離開的材料制成，從而產生所需的溫室效應。斯特林發(fā)動機的熱點(8)位于收集器(3)的、與輻射進入區(qū)(9)相對的區(qū)域(10)中，從而包含在收集器(3)中的熱能容易地轉移至發(fā)動機的內部，并因此進入熱動力學循環(huán)中。在具體的實施方式中，輻射進入處(9)基本上平行于聚集裝置(2)的水平面。在圖2中可以非常詳細地看到太陽收集器(3),在上述段落中已經描述了太陽收集器(3)的主要特征。已經4是到，輻射進入區(qū)(9)由允許太陽輻射穿過并且同時對紅外輻射是不透明的材料制成，從而該輻射進入區(qū)(9)防止由收集器的內部構件因收集器的溫度而發(fā)出的輻射的泄露。同樣地，收集器陣列(3)是無泄漏的，并且在其中設置有特性類似于鏡子的氣體，即溫室效應氣體，如C02，這種氣體對太陽輻射(5')是透明的且對紅外輻射是不透明。收集器(3)的壁設置有絕熱材料以將處于熱量形式的內部熱能的泄露降至最低，并且與外燃發(fā)動機(4)的熱點(8)接觸的區(qū)域(10)由起到黑體作用并同時是良好的熱導體的材料制成(這種材料例如是諸如鋁的熱傳導金屬)，并且在選擇性涂料中浸泡，該選擇性涂料吸收太陽輻射(5')并將其轉化為熱能。在圖4中示出了用于本發(fā)明的系統(tǒng)的外燃斯特林發(fā)動機，該發(fā)動機具有對置構造，這種構造的主要優(yōu)點在于發(fā)動機的熱點(8)與冷點(11)之間距離較大，從而便于在冷點(11)處排出熱量。該系統(tǒng)還包括控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)在需要的條件下控制發(fā)動機的啟動并能夠在不將發(fā)動機停機的情況下吸收軸的能量。以下示例用于說明本發(fā)明且不得認為是限制本發(fā)明的范圍。在該示例中提供了對在本發(fā)明的系統(tǒng)的運行條件下的斯特林發(fā)動機的理論行為的熱力學研究。斯特林發(fā)動機的特征在于其是一種標準空氣循環(huán)。因此，描述該循環(huán)的運行的公式是在以下描述的空氣的公式公式(1),等熵氣體壓縮。10這里，T是循環(huán)的不同點處的溫度；數(shù)字表示點，下標S表示表示其指的是循環(huán)的等熵點，P是循環(huán)的不同點處的壓力，而^是循環(huán)的多元系數(shù)(恒定壓力下的特定熱量除以恒定容積下的特定熱量)。r3尸3^r"p4公式(2)，等熵氣體膨脹。A公式(3)，壓縮性能。=r3_:r4￡73S-K公式(4)，膨脹性能。^公式(5),循環(huán)的熱力學性能。"是表示循環(huán)的熱力學性能的參數(shù)。圖5中給出了對上述點的引用。在真實的過程中，氣體的熵增加，因此在相同的等壓曲線上點2s會比點2更靠右。因而，點4s也比點4具有更多的熵且更靠右。在本發(fā)明的系統(tǒng)的應用中可以由這些公式得到對斯特林發(fā)動機的運行宏觀的估計。以下是為該研究所考慮的初始數(shù)據移置容積，V-30立方厘米。布支設熱點的溫度為250。C，T3=250°C?？紤]95%的壓縮性能和95%的膨脹性能。這些數(shù)據盡管得到了另一有益作用的補償，但是可能似乎是高的。第二個作用是等溫壓縮和等溫膨脹。給定所使用的機器的特性，冷點處的氣體溫度由于壓縮過程而升高，所產生的熱量排至發(fā)動機的壁，實現(xiàn)了所需的作用。在膨脹過程中會出現(xiàn)相似的現(xiàn)象。該過程使氣體溫度下降，因此從氣缸頭到氣體的熱量轉移會增加，從而實現(xiàn)了等溫膨脹。另一方面，發(fā)動才幾會被加壓，從而對于氣缸的相同立方容量，氣團流量增加。假設3巴的初始條件。Pl=3巴。在這種條件下，壓縮結束時的氣體溫度會是140。C,而膨脹結束時的溫度是109。C。ii循環(huán)的熱力學性能是16.6%。最后，假設發(fā)動機達到5,000轉每分(rpm)，那么發(fā)動機會發(fā)出now的輸出。這會產生i,ooow的熱輸出需求。根據對太陽輻射的研究，大致1，000W/itf的熱太陽功率到達地球的表面。通過這些結果，可以認為，通過所述發(fā)電機以及將輻射聚集在溫室效應收集器中的11112的菲涅耳透鏡，可以獲得大致now的機械能以及因此而產生的電臺匕B匕?；靖拍钤谟?，對于每平方米的菲涅耳透鏡表面，可以獲得170W的電功率。以下在阻力條件下提供對置構造的原型斯特林發(fā)動機的研究結果。為了模擬該原型，總結出以下特征活塞桿的長度89.9mm曲柄的長度19.9mm(從曲軸的軸到活塞桿的距離)沖程38.8mm直徑49mm管的死區(qū)容積1.13e-5m3總死區(qū)容積2.26e-5m3斯特林發(fā)動機的運行模式包括改變整個機器的容積，從而在最大壓力下，氣體的主要部分容納在熱點的汽缸中，而當容積最小時，氣體主要容納在冷點中。這在具有兩個氣缸的原型中已經實現(xiàn)，該兩個氣缸的TDC(上止點)/人曲柄軸偏移90。。z假設發(fā)動才幾在該封閉循環(huán)中封裝氣體，以下列出引導這些過程的公式;^公式(6),在隔熱氣缸中的壓縮過程。這里Ti是指示點1的狀況(或最大容積點)的點i的溫度，Vi是在所述點處的容積。由理想氣體已知容積、封裝的工質和根據上述公式得到的溫度計算出壓力。VI被考慮為熱點的容積，而V2則被考慮為冷點的容積。以下的表格中提供了理論計算的最相關結果12<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>可變的。圖7中反映了在絕熱條件下的壓力和溫度的變化?？梢钥吹?，在熱力學過程的320°附近出現(xiàn)最大壓力點，氣體從270°起容納在熱點中。在這個階段向氣體提供熱量，因此產生膨脹和機械能。權利要求1.用于將太陽能轉化為機械能或電能(1)的系統(tǒng)，包括-聚集裝置(2)，將源自太陽(2)的太陽輻射(5)聚集在給定的焦點(7)；-收集裝置(3)，用于接收和累積源自所述聚集裝置(2)的太陽輻射(5′)以累積熱能；以及-轉化裝置(4)，將累積在所述收集裝置(3)中的所述熱能轉化為機械能。2.根據權利要求1所述的用于轉化能量的系統(tǒng)，其特征在于，所述收集裝置(3)具有進入區(qū)(9)和接觸區(qū)(10)，所述進入區(qū)(9)用于源自所述聚集裝置(2)的太陽輻射(5')，所述接觸區(qū)(10)用于將存儲在所述收集裝置(3)中的所述熱能傳遞至將熱能轉化為機械能的所述轉化裝置(4)。3.根據權利要求2所述的用于轉化能量的系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽輻射(5')至所述收集裝置(3)的所述進入區(qū)(9)的平面基本上平行于所述聚集裝置(2)的水平面。4.根據前述權利要求任一項所述的用于轉化能量的系統(tǒng)，其特征在于，所述收集裝置(3)是無泄漏的。5.根據前述權利要求任一項所述的用于轉化能量的系統(tǒng)，其特征在于，所述收集裝置(3)在其內部包括溫室效應氣體，所述溫室效應氣體對太陽輻射(5')是透明的而對紅外輻射是不透明的。6.根據權利要求5所述的用于轉化能量的系統(tǒng)，其特征在于，設置在所述收集裝置(3)內的所述溫室效應氣體是C02。7.根據前述權利要求任一項所述的用于轉化能量的系統(tǒng)，其特征在于，所述收集裝置(3)的壁設置有絕熱材料以將處于熱量形式的能量的泄露降至最低。8.根據前述權利要求任一項所述的用于轉化能量的系統(tǒng)，其特征在于，接觸熱能并將熱能傳遞至將熱能轉化為機械能的所述轉化裝置(4)的所述接觸區(qū)(10)具有起到黑體作用的材料，所述材料吸收所有的太陽輻射并且同時是良好的熱導體。9.根據權利要求8所述的用于轉化能量的系統(tǒng)，其特征在于，所述接觸區(qū)(10)的所述材料是浸泡在一層選擇性涂料中的鋁，所述選擇性涂料具有高的太陽輻射(5)吸收指數(shù)。10.根據權利要求1所述的用于轉化能量的系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽輻射(5)的所述聚集裝置(2)是菲涅耳透鏡。11.根據權利要求1所述的用于轉化能量的系統(tǒng)，其特征在于，將累積在所述收集裝置(3)中的熱能轉化為機械能的所述轉化裝置(4)體現(xiàn)為外燃發(fā)動機。12.根據權利要求11所述的用于轉化能量的系統(tǒng)，其特征在于，所述外燃發(fā)動機是斯特林發(fā)動機。13.根據前述權利要求任一項所述的用于轉化能量的系統(tǒng)，其特征在于，其進一步包括將源自所述轉化裝置(4)的機械能轉化為電能的裝置。14.根據前述權利要求任一項所述的用于轉化能量的系統(tǒng)，其特征在于，其包括控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)用于尤其是通過在合適的時機啟動所述發(fā)動機(4)來操作所述系統(tǒng)以及對所述聚集裝置(2)進行定位。15.用于將太陽能轉化為機械能的方法，包括以下步驟-通過聚集裝置(2)將太陽輻射(5)聚集在給定的焦點(7);-在累積裝置(3)中對源自所述聚集裝置(2)的太陽輻射(5')進行累積；以及-將累積在所述累積裝置(3)中的所述熱能應用或輸送至將所述熱能轉化為機械能的轉化裝置(4)。16.根據權利要求15所述的將太陽能轉化為機械能的方法，其特征在于，其包括將源自所述轉化裝置(4)的機械能轉化為電能的附加步驟。全文摘要本發(fā)明涉及用于將太陽能轉化為機械能或電能的系統(tǒng)，包括用于將源自太陽的太陽輻射聚集在給定的焦點的聚集裝置、用于接收和累積源自所述聚集裝置的太陽輻射以累積熱能的收集裝置以及將累積在所述收集裝置中的所述熱能轉化為機械能的轉化裝置。接著，機械能通過采用常規(guī)的發(fā)電機可以轉化為電能。文檔編號F03G6/06GK101680433SQ200880008382公開日2010年3月24日申請日期2008年1月15日優(yōu)先權日2007年2月26日發(fā)明者何塞·伊格納西奧·岡薩雷斯托萊多,何塞·比森特·加西亞奧爾蒂斯申請人:何塞·比森特·加西亞奧爾蒂斯;何塞·伊格納西奧·岡薩雷斯托萊多