專利名稱：利用太陽能的斯特林發(fā)動機發(fā)電設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種不需要燃料而采用太陽光的、利用太陽能的斯特林發(fā)動機發(fā)電設備。
背景技術：
過去已知多種發(fā)電設備，并且通常具有一個利用汽油作為燃料的內(nèi)燃機發(fā)電設備。進而，已經(jīng)研究并發(fā)展出了一種斯特林發(fā)動機，該發(fā)動機與內(nèi)燃機不同，沒有點火噪音，可以安靜地工作。
根據(jù)斯特林發(fā)動機的基本原理，對密封在汽缸中的工作流體(工作氣體)進行加熱或冷卻，以便產(chǎn)生壓力波動和活塞的垂直運動，然后將活塞的垂直運動轉換成旋轉運動，從而實現(xiàn)發(fā)電。
在對上述斯特林發(fā)電機進行加熱的情況下，利用一個燃燒器燃燒燃料，并且將其熱量施加給一個加熱部，然而，在燃燒例如汽油等燃料的情況下，會產(chǎn)生二氧化碳(CO2)。
因此，考慮將太陽光作為提供給斯特林發(fā)動機的加熱部的熱能。在這種情況下，設置大量盤狀反射板以便整體形成一個碗型，所述盤狀反射板具有一個表面，在該表面上形成用于反射太陽光的反射表面，并且，在設置在其拋物面上的大量(例如三十二片)反射板(反射鏡)的焦點上設置一個斯特林發(fā)動機。
將由大量反射板反射的反射光聚焦，并且將其熱能提供給斯特林發(fā)動機的加熱部，從而對斯特林發(fā)動機的加熱部進行加熱。
然而，為了設置大量反射板并將反射光聚焦到一點上，放置反射板是很困難的，并且不能令人滿意地進行聚焦。進而，存在整個設備規(guī)模龐大，并且成本極高的問題。
進而，由于太陽光被反射板暫時反射以便進行聚焦，所以存在對熱量的收集惡化、和由于斯特林發(fā)動機的加熱部溫度為大約750℃所以溫度不能進一步增加的問題。因此，發(fā)電機僅可以產(chǎn)生一個大約7.5kW的較低輸出。
進而，在想要增加斯特林發(fā)動機的加熱部的溫度、例如增加至1000℃以便增加斯特林發(fā)動機的輸出的情況下，需要進一步增加反射板的數(shù)目。因此，需要巨大的成本，并且難以放置反射板，并且運營成本增加，從而導致發(fā)電設備具有許多缺點。
同時，專利文獻(日本未審專利公開No.2001-13357)是由本發(fā)明的申請人申請的，并且其公開了利用透鏡接收太陽光熱能的結構。然而，在這種情況下，該專利文獻指出，利用由透鏡聚焦的太陽光線燃燒礦渣，并且利用礦渣燃燒時產(chǎn)生的熱能帶動一個發(fā)電機、例如一個蒸汽輪機。
然而，當?shù)V渣燃燒時，與前面所述的方式相同，產(chǎn)生二氧化碳，并且導致全球變暖，因而與最近減少二氧化碳(CO2)的趨勢相背離。
特別地，存在多種采用通過燃燒化石燃料獲得的熱量作為熱源的斯特林發(fā)動機發(fā)電廠，然而，一個實際情況是，從全球環(huán)境污染和排出使全球變暖的氣體的角度考慮，燃燒化石燃料會產(chǎn)生很大的問題。
本發(fā)明是考慮上述問題而提出的，并且本發(fā)明提供一種利用太陽能的斯特林發(fā)動機發(fā)電設備，該設備用于下述至少一個目的。
(1)不需要使用用于發(fā)電的燃料。
(2)由于不需要燃燒物質(zhì)來發(fā)電，所以不會產(chǎn)生二氧化碳(CO2)。
(3)可以在發(fā)電的同時提供熱水。
(4)提供一種比現(xiàn)有發(fā)電設備更為廉價的發(fā)電設備。
(5)由于如前面所述不需要燃料并且不產(chǎn)生二氧化碳(CO2)，所以提供一種環(huán)境保護型發(fā)電設備。
發(fā)明的概述根據(jù)本發(fā)明的第一個方案，提供一種利用太陽能的斯特林發(fā)動機發(fā)電設備，包括一個用于收集太陽能的菲涅耳透鏡1；一個用于將由菲涅耳透鏡1收集、且具有在大約600℃和大約2000℃之間溫度的熱源引導至一個預定地點的石英玻璃光導纖維3；一個利用從光導纖維3而來的熱源驅動的斯特林發(fā)動機4；和一個由斯特林發(fā)動機4驅動的發(fā)電機5。
根據(jù)上述結構，與現(xiàn)有技術不同，由于用于由發(fā)電機5發(fā)電的燃料是太陽的光線，所以不需要燃料，并且沒有物質(zhì)燃燒，從而不會產(chǎn)生二氧化碳(CO2)。因此，可以提供一種理想的環(huán)境保護型發(fā)電設備。進而，由于不需要燃燒成本，所以運營成本非常低，并且可以提供比現(xiàn)有發(fā)電機廉價的發(fā)電設備。進而，由于從供水管44而來的在冷卻部42冷卻的水變?yōu)楦邷?，并且在本設備的斯特林發(fā)動機4的操作過程中從一個排出管45排出，所以可以在發(fā)電的同時提供熱水。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方案，提供一種利用太陽能的斯特林發(fā)動機發(fā)電設備，其進一步包括一個用于跟蹤太陽能的跟蹤設備2。
因此，可以有效并安全地利用太陽能。
根據(jù)本發(fā)明的第三個方案，提供一種利用太陽能的斯特林發(fā)動機發(fā)電設備，其中，從菲涅耳透鏡1接收太陽能的光導纖維的光接收部31大致形成錐形，其中，隨著逐漸接近菲涅耳透鏡1，該錐形的直徑變大。
因此，通過沿著與菲涅耳透鏡1的聚焦方向相同的方向移動光導纖維3的光接收部31，可以改變光導纖維3的光接收部31的光接收表面32上的聚焦區(qū)域，并且可以容易地獲得具有理想溫度的熱源，例如在大約600℃至大約2000℃之間。因此，通過與斯特林發(fā)動機4的輸出響應來移動光導纖維3，可以對應于具有多種輸出的斯特林發(fā)動機。
附圖的簡單說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的利用太陽能的斯特林發(fā)動機發(fā)電設備的一個系統(tǒng)的框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的光導纖維的光接收表面上的聚焦區(qū)域的示意圖；并且圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的光導纖維的光接收表面上的聚焦區(qū)域的示意圖。
優(yōu)選實施例的說明參照附圖，給出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的詳細說明。本發(fā)明提供一種發(fā)電設備，其結構可以解決有關全球環(huán)境污染和排出全球變暖氣體的問題，采用對全球環(huán)境有利的清潔的太陽能作為熱源來對斯特林發(fā)動機加熱，并且利用由斯特林發(fā)動機的輸出而受到驅動的發(fā)電機實現(xiàn)發(fā)電。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一個系統(tǒng)的框圖。該系統(tǒng)的構造用于通過收集太陽能來獲得熱源，利用一個丙烯酸菲涅耳透鏡1收集太陽能，并且沿著聚焦方向從菲涅耳透鏡1的聚焦部分獲得600℃和2000℃之間的任意溫度。
進而，參考標號3表示一個石英玻璃光導纖維。由菲涅耳透鏡1收集的熱源被可靠且安全地引導至一個目標地點，而不會由于光導纖維3而造成損失。
該結構使得斯特林發(fā)動機4受到由菲涅耳透鏡1和光導纖維3產(chǎn)生的熱源的驅動，并且對發(fā)電機5進行驅動，以便通過斯特林發(fā)動機4的輸出產(chǎn)生熱能。
在這種情況下，為了有效且可靠地收集太陽能，設有一個跟蹤設備2，利用一個傳感器(未示出)檢測太陽位置隨著白天時間的變化，并且對應于太陽位置的變化控制菲涅耳透鏡1的方位角和仰角。因此，通過操縱菲涅耳透鏡1朝向太陽的收集表面，有效且可靠地收集太陽能。
在這種情況下，跟蹤設備2除了隨菲涅耳透鏡1移動之外，還隨著光導纖維3、斯特林發(fā)動機4和發(fā)電機5一體地移動。由于設有跟蹤設備2，所以可以有效和可靠地使用太陽能。
由于本發(fā)明中采用的斯特林發(fā)動機4本身是已知的，所以省略對其的詳細說明。然而，根據(jù)基本的原理，在一個封閉的容器中充入固定量的氣體，所述氣體被稱做工作流體，該工作流體例如采用氫、氦、空氣等。
如圖1所示，斯特林發(fā)動機4的內(nèi)部主要分為一個加熱部41和一個冷卻部42，并且工作流體交替在加熱部41(高溫側)和冷卻部42(低溫側)之間運動。因此，可以移動一個活塞43，并且可以獲取能量?；钊?3在一端側的垂直運動在另一端側被轉換成旋轉運動，并且借助活塞43的旋轉運動驅動發(fā)電機5。
因此，發(fā)電機5被驅動并且獲得一個電輸出。在這種情況下，盡管在圖1中沒有示出，但是在斯特林發(fā)動機4的加熱部41和冷卻部42之間設有一個再生熱交換器，以便提高熱效率。
一個供水管44連接到斯特林發(fā)動機4的冷卻部42上，以便將用于對冷卻部42進行冷卻的冷卻水充入到冷卻部42中，并且將一個用于在對冷卻部冷卻之后將冷卻水排出的排出管45連接到冷卻部42上。
從供水管44流入冷卻部42的冷卻水通過對冷卻部42進行冷卻而變成高溫，并且進行冷卻之后的高溫熱水從排出管45排出至外部。
進而，由于固定量的氣體(例如氦氣)被密封在斯特林發(fā)動機4的汽缸內(nèi)，所以斯特林發(fā)動機4執(zhí)行一個重復等容加熱、絕熱膨脹、等容冷卻和絕熱收縮的基本熱循環(huán)，通過加熱供應到加熱器中的水可以獲得高溫水。由斯特林發(fā)動機4獲得的高溫水可以以不同的方式用在設備等中。
菲涅耳透鏡1采用一個直徑可以在大約1米(m)和大約20米(m)之間改變的菲涅耳透鏡。在本實施例中，采用具有大約20m的直徑的菲涅耳透鏡1。這是由于采用輸出大約為55kW的斯特林發(fā)動機4、并且需要1000℃的溫度用以加熱斯特林發(fā)動機4的加熱部41的緣故。
進而，用于引導由菲涅耳透鏡1收集的熱源的大致呈柱狀光導纖維3的光接收部分31形成大致圓錐形，并且光接收部31的直徑隨著其接近前端而增大。進而，光接收部31的前端中的光接收表面32形成一個平坦的表面。
從光導纖維3的光接收表面32流過來的熱源經(jīng)由菲涅耳透鏡1被引致一個排出部33。在排出部33前端中的表面形成大致平坦的表面，并且排出部33的前端表面被設計成與斯特林發(fā)動機4中的加熱部的熱供應部接觸或接近。
在這種情況下，由于下述原因，光導纖維3的光接收部31的形狀形成大致錐形。換而言之，在具有大約20m直徑的菲涅耳透鏡1的焦點附近可以獲得大約2000℃的溫度，并且產(chǎn)生這樣一種情況，即在大約600℃和大約2000℃之間的任意溫度需要與斯特林發(fā)動機4的輸出對應。
因此，如圖2所示，該結構使得光導纖維3可以沿著與菲涅耳透鏡1的聚焦方向相同的方向移動，以便例如在光導纖維3的光接收表面32的位置處于圖2中的參考標號A所示的位置上的情況下，聚焦溫度大約為600℃，在該位置處于參考標號B所示的位置上的情況下聚焦溫度大約為1000℃，并且在該位置處于參考標號C所示的位置上的情況下聚焦溫度大約為2000℃。因此，可以有選擇地對應于斯特林發(fā)動機4的輸出設定光導纖維3的聚焦溫度。
圖3A至3C表示對應于圖2的位置A、B和C的聚焦區(qū)域34。聚焦區(qū)域34越小，則聚焦溫度越高。進而，由于隨著溫度的增加，聚焦區(qū)域34相對于光導纖維3的光接收表面32的面積變小，所以收集的熱源不會泄漏到光導纖維3的外周，從而提高了安全性。
因此，可以通過沿著與菲涅耳透鏡1的聚焦方向相同的方向移動光導纖維3的光接收部31，改變光導纖維3的光接收部分31的光接收表面32上的聚焦面積?？梢匀菀椎孬@得具有所需溫度的熱源，例如在大約600和大約2000℃之間。因此，通過對應于斯特林發(fā)動機4的輸出而移動光導纖維3，可以對應于具有各種輸出的斯特林發(fā)動機4。
進而，通過利用菲涅耳透鏡1收集太陽能獲得的熱源，經(jīng)由光導纖維3提供給斯特林發(fā)動機4的加熱部41，工作流體交替地在斯特林發(fā)動機4中的加熱部41和冷卻部42之間運動，以便驅動活塞43，從而驅動發(fā)電機5。發(fā)電機5被驅動，從而獲得所述電力輸出。
在這種情況下，由于如前面所述，光導纖維3采用石英玻璃，所以所收集到的熱幾乎不會產(chǎn)生損失，并且收集到的熱可以提供給斯特林發(fā)動機4的加熱部41。
進而，由于在本設備中，從水供應管44而來的被冷卻部冷卻的水變成高溫水、從而在斯特林發(fā)動機4的操作過程中從排出管45排出，所以可以在發(fā)電的同時提供熱水。
進而，由于用于利用發(fā)電機5發(fā)電的燃料是太陽光，所以不需要燃料。進而，由于與現(xiàn)有技術不同，不需要燃燒物質(zhì)，所以不會產(chǎn)生二氧化碳(CO2)。因此，可以提供一個理想的環(huán)境保護型發(fā)電設備。進而，由于燃燒本身完全不需要成本，所以運營成本很低，并且可以提供具有比現(xiàn)有發(fā)電設備廉價的發(fā)電設備。
權利要求
1.一種利用太陽能的斯特林發(fā)動機發(fā)電設備，包括用于收集太陽能的菲涅耳透鏡(1)；石英玻璃光導纖維(3)，用于將由菲涅耳透鏡(1)收集、且具有大約600℃和大約2000℃之間的溫度的熱源引導至預定地點；利用從光導纖維(3)而來的熱源驅動的斯特林發(fā)動機(4)；和由斯特林發(fā)動機(4)驅動的發(fā)電機(5)。
2.如權利要求1所述的利用太陽能的斯特林發(fā)動機發(fā)電設備，進一步包括用于跟蹤太陽能的跟蹤設備(2)。
3.如權利要求1或2所述的利用太陽能的斯特林發(fā)動機發(fā)電設備，其中，從所述菲涅耳透鏡(1)接收太陽能的光導纖維(3)的光接收部(31)形成大致的錐形，其直徑隨著接近菲涅耳透鏡(1)而增大。
全文摘要
本發(fā)明的目的是不需要用于發(fā)電的燃料，不需要燃燒物質(zhì)來發(fā)電，從而不會產(chǎn)生二氧化碳(CO
文檔編號F02G1/055GK1550731SQ200410006860
公開日2004年12月1日 申請日期2004年2月20日 優(yōu)先權日2003年5月12日
發(fā)明者北村幸三, 九十九清彥, 清彥 申請人:株式會社太陽光研究所