CN103052788A - 用于斯特灵电机的太阳辐射热吸收器 - Google Patents

Abstract

一种用于斯特灵电机的太阳辐射热吸收器（1），该斯特灵电机包括电机头部（2）和热交换器（3），该吸收器包括成形为接合在头部（2）上并且将热传递至热交换器（3）的腔体。该吸收器具有从适于收集光辐射的较大基底（S）向较小基底（SM）渐缩的外圆柱对称形状，在该较小基底中形成有与较小基底连通并同心的圆柱腔体。

Description

用于斯特灵电机的太阳辐射热吸收器

描述

技术领域

本公开涉及一种吸收器，并且涉及形成斯特灵电机（Stirling motor）的尺寸的相关方法，所述斯特灵电机最初设计成通过燃烧天然气来运行。特别地，本公开涉及这样的吸收器的设计，即，该吸收器在接收太阳能时能够有效地积聚来自太阳辐射的热流并将该热流传递至斯特灵电机的头部，而无需使用矢量流体（vector fluid）。

背景技术

斯特灵电机是具有将气体用作热力流体（通常是高性能形式的空气、氮气或氦气）的闭合循环的外燃式热机：就不同热源而言，其被证明是完全通用的。

斯特灵电机由一个或多个圆柱体组成，在所述一个或多个圆柱体中，一个或多个活塞跟随热力流体的膨胀和收缩而滑动。气体在已通过一个交流换热器（heat regenerator）之后交替地从热交换器和冷交换器流出：通过机械-电转换器，活塞的对应调和运动能产生电能。热通常供应至热交换器，该热交换器位于圆柱体的一个端部处，并且设置成用于加热使活塞移动的内部热力流体。

通常，热交换器由具有良好导热性的材料的多个散热片形成，或者由工作流体在其中流动的多个小管道形成。

交流换热器交替地从工作流体吸收热以及将热返还给工作流体，并且提高转化效率。组成低温源的冷交换器通常是具有管束的交叉流式交换器，在该管束中，通过冷却水在外部冲洗管，而工作流体在管内部流动。

斯特灵电机通过外燃而工作的事实是有利的，因为热能由一大批可燃物（甚至是具有低发热的可燃物）从外部供应。

斯特灵电机的一个非常常见的应用预见通过燃烧天然气来制造热源。

另一个应用预见使用斯特灵电机从可再生源产生电能，并且特别地出于在电机内部限定所述热点的目的而通过收集和可能地积聚通过太阳辐射获得的热来产生电能。

在这样的领域中，在其中将热传给矢量流体并且从矢量流体将热传送至一个或多个斯特灵电机的头部的应用与其中电机沿着反射镜的聚焦轴线对准而避免在电机外部使用矢量流体的应用之间，划分斯特灵电机的使用。后面这个应用的实例在US6735946和US7026722中给出。

在天然气的燃烧领域中，WO02/14671描述了一种吸收器，该吸收器由圆柱形环形成，待安装在斯特灵电机的圆柱体的头部外部，并且包括由导热材料的散热片，以有效地收集通过天然气的燃烧而获得的热，并且通过交换器在电机内部传递热。

具体地，WO2005/054654描述了一种包括热交换器的斯特灵发动机组件，所述交换器由在内部围绕圆柱体的靠近头部的一个端部的环限定。这样一种热吸收器不适于太阳能应用，特别是因为其热容量如此低以致其不能确保斯特灵电机的连续运行。另一方面，通过去除吸收器并且直接照射圆柱体的头部，存在损坏电机的风险。

本发明的概要

本发明建议提供一种用于斯特灵电机的太阳辐射热吸收器，特别是用于太阳能应用，所述太阳辐射热吸收器能够收集太阳辐射的热并且将热有效地传递至斯特灵电机内部的热交换器。

本发明建议为斯特灵电机供应集中的太阳辐射，这些斯特灵电机需要低于1000瓦/m²的热流来运行。

具体地，这样种类的电机现在正在生产中并且适于利用天然气的燃烧来运行，确保优良的效率，但是不适于太阳能应用。类似电机的一个实例由前述专利WO2005/054654给出，将该专利通过引证结合于此。

因此，本发明的目的是一种根据权利要求1的用于斯特灵电机的太阳辐射热吸收器。

有利地，本发现的吸收器对象使得可以吸收在明确的区域上集中的太阳辐射，优化电机的运行温度，并且将所吸收的能量以使由辐射和对流导致的损失最小的热的形式传递至斯特灵电机的头部。此外，该吸收器具有这样的热容量以致在预定的时间间隔内保持电机接通，甚至在太阳辐射低于1000瓦/m²时。

限定一种电机头部的盖的吸收器因而作为集中的太阳辐射与插入到斯特灵电机的头部内部的热交换器之间的界面而运行。

本发明的另一个目的是提供一种用于转换太阳能的系统，该系统基于包括前述热吸收器的斯特灵电机。

在本发现的一个优选变型中，斯特灵电机是能够生产电源频率电能和热水两者的类型。

本发明的另一个目的是提供一种形成用于斯特灵电机的太阳能应用的热吸收器的尺寸的方法，所述斯特灵电机包括插入到电机头部中的热交换器。

因此，根据权利要求10的形成斯特灵电机的热吸收器的尺寸的方法也构成本发明的目的。

根据本发现，斯特灵电机的头部可以由两个以上的圆柱体共用。

附图说明

从借助于所附图表对用于斯特灵电机的太阳辐射热吸收器的优选但非唯一性的实施方式的详细描述中，本发明的其他特征和优点应变得更清楚，所述实施方式作为实例并且并非出于限制的目的而示出，附图中：

图1描绘了插入到斯特灵电机的头部上的吸收器的纵向截面；

图2描绘了图1的截面在收集和热交换操作过程中的温度的趋势。

附图中的相同参考标号和相同参考字母标识相同元件或部件。

本发明的详述

参照图1，吸收器1（或太阳能盖）具有收集光辐射以及将热传送至位于电机头部2的热交换器3处的圆柱形区域的任务。

图1中示出了狭缝4，在该狭缝中插入有热电偶，以用于监测热交换器2r与吸收器1之间的界面处的温度。

优选地，使用沿着电机头部2的周向布置在两个相对部分中的两个热电偶。图1中描绘的截面因而描绘了经过旨在容纳未描绘的相应热电偶的狭缝4的纵向截面。

为了正确地形成太阳能盖1的热容量的尺寸，需要知道起动电机的斯特灵循环所需的最小功率，并且因此还需要知道为了保持电机的运行温度恒定所需的稳定运行的功率。在本描述的剩余部分中示出的实例是指最初设计成用于基于天然气的燃烧的应用的电机，并且该电机的圆柱体的头部不可用集中的太阳辐射直接照射，而不使电机变得损坏。

本描述公开了如何：

-确定用于斯特灵电机的稳定运行所需的太阳能盖1的热容量及质量，

-确定优化太阳能盖1的运行的一种或多种形状和/或几何形状。

确定太阳能盖的质量

为了有效地实现积聚来自合适地集中的太阳辐射的热的功能，需要确定保持斯特灵电机致动所需的热容量。为此，需要预先获得以下数据：

■为了起动斯特灵循环所需的由热交换器吸收的最小热功率P_start；

■当吸收的功率为P_start时由热交换器达到的温度T_start；

■为了斯特灵的稳定运行由热交换器在稳定运行中吸收的热功率P_steady；

■当吸收的功率为P_steady时由热交换器达到的温度T_steady；

从这些参数，计算太阳能盖1的热容量值的范围，通过这个范围计算太阳能盖的质量，使得太阳能盖能吸收斯特灵电机起动其自身并且于是甚至在没有太阳辐射的情况下在预定的时间间隔内保持其自身处于稳定运行中所需的热的量。

对于基于气体而运行的Microgen^TM斯特灵电机，已实验性地获得以下数据：

■P_start=2.5KW；

■T_start=200°C；

■P_steady=4.5KW；

■T_steady=550°C。

假设，例如，将铜用作制造太阳能盖的材料，其具有比热c_copper=380J/Kg*K。

然后，计算为了在没有照射头部（即，通过单独的由吸收器积聚的热）的情况下在预定的时间间隔δt内保持斯特灵电机致动太阳能盖1必须吸收的能量的量。例如，假设，所述间隔为δt=5分钟。因此，最小能量和稳定运行能量分别为：

■Q_min=P_start×δt≈0.22KWh

■Q_max=P_steady×δt≈0.38KWh

从所述能量值，计算为了实现上述目的太阳能盖必须具有的最小质量m_min并且然后还有最大质量m_max：

Q_min=m_min×c_copper×(T_steady-T_start)=>0.22[KWh]=m_min×0.036[KWh/Kg]

所以最小质量m_min≈6Kg。

对于Q_max，遵循同样的过程，获得太阳能盖的最大质量m_max≈11Kg。

确定太阳能盖的形状和/或几何形状

为了确定吸收器的最佳形状，已选择以下目标：

■优化集中在吸收器的一个或多个表面上的辐射的吸收；

■将从暴露于太阳辐射的区域以热的形式吸收的能量朝着与热交换器直接接触的表面传递，所述热交换器是环形的；

■使由于辐射和/或对流导致的损失最小。

通过上述目标，明显有利的是，使太阳辐射的收集区域等于聚焦区域的尺寸，并且使不直接暴露于太阳辐射的表面以及与朝着热交换器3传递热有关的表面最小。

另一方面，需要确保吸收器的材料的足够厚度，以允许将来自收集表面S的热充分地传输至将热释放给交换器的表面，使得斯特灵电机能适当地运行。此外，用于热经过的表面在很大程度上受斯特灵的头部的外径的宽度限制，使得不可能如出于减小损耗的目的所期望的那样减少盖的没有直接照射的部分，因为存在不能够将电机的运行所需的能量传递至热交换器的风险。

这样形成尺寸还受吸收器的质量限制，该质量能在先前限定的m_min与m_max之间的范围内变化。

根据本发现，使用热传导的一般方程（傅立叶定律）来计算盖的必须接合在斯特灵电机的头部上的部分的外径d_e。具体地，待在所述方程中替换的参数如以下所示地正确选择：

$W=\mathrm{\λ}\×\frac{T_{\mathrm{irr}}-T_{\mathrm{int}}}{L}\×S$ （傅立叶定律）

其中：

-W选择成从暴露于太阳辐射的区域传输至与斯特灵的热交换器直接接触的区域的功率；

-λ是太阳能盖的材料的导热率；

-T_irr选择成暴露于太阳辐射的表面的平均温度；

-T_int选择成与热交换器的界面的平均温度；

-S选择成太阳辐射的收集表面，并且如果反射镜是球体的一部分，那么S具有小于或等于具有直径d_e-max的聚焦区域的圆形形状；

-L是太阳能盖1的平均厚度；

特别地，选择成设定：

-L至少等于活塞的圆柱体的高度，

-T_int等于T_steady，

-λ取决于吸收器的材料，例如铜，并且其是已知的

-T_irr设定为等于T_max，其是预选的材料（例如铜）能经受而不变得损坏的最高温度。

参照Microgen^TM电机，上述参数具有以下值：

W=4500瓦，即，等于稳定运行功率P_steady

λ=400W/m*K

L=80mm，

T_int=823°K（550°C）

铜的T_max为1100°K（1373°C）以及

为交换表面，其内径等于电机圆柱体的外径，等于d_i=116mm。

从上述方程，通过替换上述参数，计算传输稳定运行功率P_steady所需的最小外径d_e-min：

$d_{e-\min }=2\×\sqrt{\frac{W\×L}{\mathrm{\λ}(T_{\max }-T_{\mathrm{int}})\×\mathrm{\π}}+\frac{d_i^2}{4}}\≈130\mathrm{mm}$

在图2中，利用从白色（T=720°C）到黑色（T=590°C）的颜色映射示出了温度的趋势。

因此，根据本发现，一旦已确定斯特灵电机的参数P_start、T_start、P_steady、T_steady、L、T_int，并且知道聚焦区域S的尺寸以及相关直径d_e-max，选择制造吸收器的材料，并且确定T_irr（等于T_max）和λ，则利用以下公式计算d_e-min：

$d_{e-\min }=2\×\sqrt{\frac{W\×L}{\mathrm{\λ}(T_{\max }-T_{\mathrm{int}})\×\mathrm{\π}}+\frac{d_i^2}{4}}$

然后，计算Q_min=P_start×δt以及Q_max=P_steady×δt，通过由此利用以下公式计算m_min和m_max

$m=\frac{Q}{c}\frac{1}{(T_{\mathrm{steady}}-T_{\mathrm{start}})}$

其中，c是吸收器的材料的比热。从而，一旦已选择吸收器的质量，使限定较大基底的收集表面S与由所述直径d_e-min限定的较小基底SM连接，获得具有朝着较小基底（即，用于接合在斯特灵电机的头部上的部分，其中，接合腔体由较小基底形成并且与较小基底同心）渐缩的圆柱对称立方体（solid）。

根据吸收器的轴向截面，所述吸收器1因而能具有与上述连接操作相关的直线的、凹入的、凸出的侧表面11。

通过应用本发明所获得的优点是明显的：

-利用本发现，可使最初设计成供应有气体的斯特灵电机适于利用太阳辐射来运行，优化电机通过这类热源的运行，

-吸收器保护圆柱体的头部，确保将头部的温度保持在电机运行的限度内，

-吸收器收集太阳辐射，并且优化朝着插入到电机头部中的热交换器传递热，

-因为所述电机已经为了生产电源频率电能并且为了生产热水而优化，所以无需使用用于转换能量的其他装置来使基于上述电机并包括所述吸收器的太阳能系统起作用，

-提出了形成吸收器的尺寸的解析方法以及该方法的应用的具体实例。

为此，在不背离本申请的保护范围的情况下，在不同的优选实施方式中示出的元件和特征可以彼此组合。

Claims (11)

1.一种用于斯特灵电机的太阳辐射热吸收器（1），所述斯特灵电机包括电机头部（2），所述电机头部包括热交换器（3），所述吸收器包括成形为接合在所述电机头部（2）上并且将热传递至所述热交换器（3）的腔体，其特征在于：

-所述热吸收器（1）具有包括较小基底（SM）以及适于收集光辐射的闭合的较大基底（S）的外圆柱对称形状；并且

-所述热吸收器（1）使所述腔体与所述较小基底（SM）连通，其中，所述外圆柱对称形状从所述较大基底（S）向所述较小基底（SM）渐缩。

2.根据权利要求1所述的太阳辐射热吸收器（1），其中，所述圆柱对称的形状为截头圆锥形，并且其中，根据轴向截面，所述圆柱对称限定至少部分地为直线和/或至少部分地凹入和/或至少部分地突出的侧壁（11）。

3.根据权利要求1所述的太阳辐射热吸收器（1），其中，所述内部腔体的形状为圆柱形并且具有等于所述头部（2）的外径的内径（di）。

4..根据权利要求3所述的太阳辐射热吸收器（1），其中，所述较小基底的外径（d_e）通过以下方程获得：

$d_{e-\min }=2\×\sqrt{\frac{P_{\mathrm{steady}}\×L}{\mathrm{\λ}(T_{\mathrm{irr}}-T_{\mathrm{int}})\×\mathrm{\π}}+\frac{d_i^2}{4}}$

其中，P_steady为提供给所述热交换器（3）以用于所述电机的稳定运行的功率，λ为所述吸收器的导热率，T_irr为暴露于太阳辐射（S）的吸收器表面的平均温度，T_int为所述吸收器（1）与所述热交换器(3)之间的界面处的平均温度，L为包括所述头部(2)的所述电机的圆柱体的高度，并且d_i为所述电机圆柱体的外径。

5.根据权利要求1所述的太阳辐射热吸收器(1)，其中，所述吸收器的质量m通过以下公式计算：

$m=\frac{Q}{c}\frac{1}{(T_{\mathrm{steady}}-T_{\mathrm{start}})}$

其中，Q为由所述吸收器供应的热，c为制造所述吸收器的材料的热容量，T_steady为当所述热交换器吸收为了所述电机的稳定运行所需的功率(P_steady)时所述热交换器(3)达到的温度，并且T_start为当所述热交换器吸收起动所述电机所需的功率(P_start)时所述热交换器(3)达到的温度。

6.根据权利要求5所述的太阳辐射热交换器(1)，其中，由所述吸收器供应的所述热Q等于起动所述电机所需的功率(P_start)与依靠由所述吸收器积聚的单独的热的电机运行的预定时间间隔(δt)的乘积。

7.根据权利要求5所述的太阳辐射热交换器(1)，其中，所述供应的热等于用于所述电机的稳定运行所需的功率(P_steady)与依靠由所述吸收器积聚的单独的热的电机运行的预定时间间隔(δt)的乘积。

8.根据权利要求5至7所述的太阳辐射热交换器(1)，其中，所述吸收器的所述质量m处于第一质量值m_inin与第二质量值m_max之间的范围内，所述第一质量值和所述第二质量值分别通过起动所述电机所需的所述功率(P_start)和用于所述电机的稳定运行所需的所述功率(P_steady)计算。

9.一种用于转换太阳能的系统，所述系统包括斯特灵电机，所述斯特灵电机包括根据权利要求1-8中任一项所述的热吸收器(1)。

10.一种形成根据权利要求1-8中任一项所述的太阳辐射热吸收器（1）的尺寸的方法，所述方法包括以下步骤：

-确定斯特灵电机的以下参数：

-提供给所述热交换器以用于所述电机的稳定运行的功率P_steady，

-至少等于包括所述头部（2）的电机圆柱体的高度的尺寸L，

-所述头部的外径d_i，

-所述吸收器（1）与所述热交换器（3）之间的界面处的平均温度T_int，

-确定限定所述吸收器的材料的以下参数：

-所述吸收器的热导率λ，

-暴露于太阳辐射的吸收器表面的平均温度T_irr，

-限定等于反射镜的聚焦表面的收集表面S，

-通过以下公式计算所述较小基底（SM）的尺寸d_e-min

$d_{e-\min }=2\×\sqrt{\frac{P_{\mathrm{steady}}\×L}{\mathrm{\λ}(T_{\mathrm{irr}}-T_{\mathrm{int}})\×\mathrm{\π}}+\frac{d_i^2}{4}}$

-连接所述交换器的介于所述收集表面（S）与所述较小基底（SM）之间的侧壁。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括确定所述斯特灵电机的以下其他参数的另一步骤：

-所述热交换器（3）在吸收为了所述电机的稳定运行所需的所述功率（P_steady）时达到的温度T_steady，

-起动所述电机所需的功率P_start，

-所述热交换器（3）在吸收起动所述电机所需的功率（P_start）时达到的温度T_start；

并且包括通过以下公式限定所述吸收器的质量m的后一步骤

$m=\frac{Q}{c}\frac{1}{(T_{\mathrm{steady}}-T_{\mathrm{start}})}$

其中，Q为由所述吸收器供应的热，其等于P_start或P_steady乘以依靠由所述吸收器积聚的单独的热的电机运行的时间间隔（δt），并且c为限定所述吸收器的材料的比热。

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