CN103615362A - 一种碟式斯特林超导直线发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碟式斯特林超导直线发电系统。该系统包括碟式聚光器、腔式吸热器、斯特林发动机、超导直线发电机及双级斯特林脉管制冷机；腔式吸热器将光能转换为导热流体的热能，提供给斯特林发动机产生动力，然后通过能量分流结构分别完成驱动超导直线发电机和为双级斯特林脉管制冷机输气；双级斯特林脉管制冷机的低温冷头接入超导直线发电机内冷却超导励磁线圈；双级斯特林脉管制冷机及低温冷头置于真空罩内。与现有技术相比，本发明不需要外接电源，也不需要添加制冷液，解决了超导材料在太阳能发电系统中的制冷难题，实现了超导直线发电机在碟式斯特林发电系统中的应用。

Description

一种碟式斯特林超导直线发电系统

技术领域

本发明属于太阳能光热发电领域，特别涉及一种带有自冷却的碟式斯特林超导直线发电系统。

背景技术

随着化石资源的日益减少、趋于耗尽，以及传统发电方式存在的诸多资源、环境问题，太阳能发电技术越来越被人们重视。碟式太阳能发电通过光线的点聚焦和斯特林发动机的应用，是光电转换效率最高的一种太阳能光热发电方式。斯特林发动机在高温加热下，可以持续的产生高频往复直线输出功，它在碟式太阳能发电中通常是驱动永磁同步直线发电机发电，但永磁同步电机受其固有特性的限制，其效率的提高已经接近极限，所以发电效率的提升只能依靠引用新材料来实现。

近年来，超导材料的发展为新励磁材料进入发电机的应用打下了基础。超导材料在低温下的无阻性和大电流性，可以带来低励磁损耗、高励磁场能、励磁绕组重量轻等优点，使其成为发电机效率革命的重要突破口。超导发电机已在许多场合得到了应用，但其在新能源的代表太阳能上的应用却迟迟没有进展；尤其在碟式斯特林系统中，斯特林发动机的特性决定了超导直线发电机可以作为其良好的能量转换装置，其作为新的孤网发电单体或电场型单元，有着很光明的前景。而这种应用之所以没有实现，主要原因在于：太阳能系统作为高温系统，对于超导的低温环境有很大影响，使得超导材料在太阳能发电系统中的制冷成为一大难题；如果借助于浸泡式制冷，液氦的高成本和添加维护的复杂性又带来了很多困难；如果运用附加的外带制冷机，又存在超导磁体的强磁场对于制冷机电机磁场的干扰，以及需要外接电源等问题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种带有自冷却的碟式斯特林超导直线发电系统，解决了超导材料在太阳能发电系统中的制冷难题，实现超导直线发电机在碟式斯特林发电系统中的应用。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提出的一种碟式斯特林超导直线发电系统，包括碟式聚光器、与碟式聚光器中央相对设置的腔式吸热器、及置于腔式吸热器之后的斯特林发动机。斯特林发动机为2台，腔式吸热器与斯特林发动机之间设有三通陶瓷阀门，用于调节通向2台斯特林发动机的导热流体流量；其中一台斯特林发动机的输出活塞驱动超导直线发电机，另一台斯特林发动机的输出活塞为双级斯特林脉管制冷机输气。双级斯特林脉管制冷机的低温冷头接入超导直线发电机内冷却超导励磁线圈；双级斯特林脉管制冷机及低温冷头置于真空罩内。

上述发电机应用超导材料励磁，并由其中一台斯特林发动机输出轴驱动，超导体的冷却运用脉管制冷机传导式冷却，制冷机的压缩动力来源于另一台斯特林发动机，借助于三通陶瓷阀门调节两台斯特林发动机的导热油流量来分配制冷功率和发电功率。系统运行初期，阀门向制冷机压缩用斯特林发动机全开，向驱动电机用斯特林发动机全闭，此时系统吸收的能量全部用于冷却超导磁体；当磁体温度达到超导运行温度以下，逐渐减小制冷机用斯特林机处的导热流量，此时热量大部分供给于驱动电机运动的斯特林发动机，因为在真空杜瓦中超导磁体低温维护所需的冷量很少，所以此时系统绝大部分能量用来驱动发电机发电。

本发明提出的另一种碟式斯特林超导直线发电系统，包括碟式聚光器、与碟式聚光器中央相对设置的腔式吸热器、及置于腔式吸热器之后的斯特林发动机。斯特林发动机为一台，斯特林发动机的输出活塞驱动超导直线发电机，输出活塞置于输出活塞腔内；输出活塞腔壁、靠近超导直线发电机的一端设有一开口，所述开口同双级斯特林脉管制冷机进气通道相连，所述开口与进气通道相连处设有进气逆止阀；输出活塞上设有扫气活塞，扫气活塞压缩输出活塞腔为双级斯特林脉管制冷机输气；输出活塞腔内径可调，实现扫气活塞与输出活塞腔内壁之间压缩体积可调，控制进入双级斯特林脉管制冷机的进气量，实现制冷功率和发电功率的分配。双级斯特林脉管制冷机的低温冷头接入超导直线发电机内冷却超导励磁线圈；双级斯特林脉管制冷机及低温冷头置于真空罩内。具体而言，输出活塞腔分为若干节，每节输出活塞腔内壁均设有独立的活动腔壁，活动腔壁可沿输出活塞腔径向伸缩，实现输出活塞腔内径分多节独立可调；当活动腔壁向输出活塞腔中心伸出时，扫气活塞横截面积略大于输出活塞腔内壁的横截面积，实现扫气活塞压缩输出活塞腔、通过进气逆止阀为双级斯特林脉管制冷机输气；当活动腔壁缩回时，扫气活塞横截面积小于输出活塞腔内壁的横截面积，扫气活塞在输出活塞腔内自由运动，不为双级斯特林脉管制冷机输气。

在上述单斯特林发动机构成的碟式斯特林超导直线发电系统中，斯特林发动机除了驱动超导直线发电机发电，还通过扫气活塞为制冷机提供压缩功，借助于内径可调的输出活塞腔、控制进入双级斯特林脉管制冷机的进气量来分配制冷功率和发电功率。系统运行初期，即制冷机预冷磁体阶段，所有活动腔壁均向输出活塞腔中心伸出，此时扫气活塞的扫气体积最大，制冷机以最高功率制冷，由于此时扫气活塞受到的阻力也最大，则驱动电机力为最小；达到预冷效果后，对超导磁体进行励磁，发电机进行运作，此时只需要维持低温的制冷量，则大部分活动腔壁缩回、靠近发电机的小部分活动腔壁保持伸出，扫气活塞只在活动腔壁伸出的几节输出活塞腔内存在压缩，扫气量减小，扫气活塞受到阻力也减小，斯特林发动机输出的动力大部分驱动发电机动子发电；若温度升高，则沿背离发电机方向依次将活动腔壁调节为伸出，以增加制冷量。

考虑到低温真空部分结构的复杂性和低温的保持效果，所述超导直线发电机采用动圈式发电效果更佳，即感应线圈随斯特林发动机输出活塞往复运动，内部磁体部分与电机外壳固定连接；这种结构不仅能减小超导励磁线圈所处低温的保持难度，而且能达到磁体作动子同样的效果。为了整个系统的机械稳定性和进一步减少阻力，超导直线发电机的感应线圈支架与电机外壳之间的连接方式优选轨道内嵌式，这种方式不仅能起到固定作用，还可以减少电机运行过程中的振动，通过在轨道上添加润滑油，能大大降低摩擦系数。

所述超导直线发电机的超导励磁线圈依次置于真空杜瓦和低温冷屏内（即超导励磁线圈外部是低温冷屏，低温冷屏外部是真空杜瓦）；双级斯特林脉管制冷机6的低温冷头9具体分为一级冷头和二级冷头，低温冷屏由双级斯特林脉管制冷机的一级冷头冷却，超导励磁线圈由双级斯特林脉管制冷机的二级冷头冷却。真空杜瓦应保持10^-1Pa的真空度，因此可以为真空杜瓦配置一个真空泵。

所述碟式斯特林超导直线发电系统处于高温环境，且高低温部件相邻，因此设有反光板遮挡超导直线发电机和双级斯特林脉管制冷机，以减少阳光照射对其内部造成的高温影响。所述碟式斯特林超导直线发电系统还设有温度和压力仪表，分别用于监测斯特林发动机的高低温、双级斯特林脉管制冷机各冷头温度、超导磁体温度、电流引线温度，以及各真空部分的真空度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用双级斯特林脉管制冷机和超导直线发电机相复合，超导体通过脉管制冷机传导式冷却，斯特林发动机既驱动超导直线发电机发电，又作为脉管制冷机的压缩动力源，通过能量分流来实现制冷和驱动电机双作用，不需要外接电源，也不需要添加制冷液，解决了超导材料在太阳能发电系统中的制冷难题，实现了超导直线发电机在碟式斯特林发电系统中的应用。

附图说明

图1是碟式斯特林超导直线发电系统的结构示意图。

图2是碟式斯特林超导直线发电系统为双斯特林发动机的结构示意图。

图3是碟式斯特林超导直线发电系统为单斯特林发动机的结构示意图。

图4是超导直线发电机的结构示意图。

图中标号如下：

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例1

如图1、图2、图4所示。一种碟式斯特林超导直线发电系统，包括碟式聚光器1、与碟式聚光器1中央相对设置的腔式吸热器2、及置于腔式吸热器2之后的斯特林发动机3。斯特林发动机3为2台、相邻固定放置，2台斯特林发动机3均以腔式吸热器2导出的导热油为热源，腔式吸热器2与斯特林发动机3之间设有三通陶瓷阀门4，导热油流出腔式吸热器2经由三通陶瓷阀门4调节通向2台斯特林发动机3的流量，来改变制冷量和驱动功的分配；其中一台斯特林发动机3的输出活塞7与超导直线发电机5的感应线圈支架14相连，驱动超导直线发电机5发电；另一台斯特林发动机3的输出活塞7置于双级斯特林脉管制冷机6的进气通道21内，为双级斯特林脉管制冷机6提供压缩动力。双级斯特林脉管制冷机6的低温冷头9深入超导直线发电机5内部，接触式冷却超导励磁线圈11，低温冷头9与超导直线发电机5接触部位均装有绝热垫；双级斯特林脉管制冷机6及低温冷头9置于真空罩12内。双级斯特林脉管制冷机6置于超导直线发电机5上方，设有反光板16遮挡超导直线发电机5和双级斯特林脉管制冷机6。

超导直线发电机5为动圈式发电机；超导励磁线圈11螺旋缠绕在磁体支架上，以形成上下方向的磁场；感应线圈20分别上下置于感应线圈支架14的内侧，由铜线缠绕制成；感应线圈支架14与电机外壳15之间的连接方式是轨道内嵌式。超导直线发电机5的超导励磁线圈11依次置于真空杜瓦10和低温冷屏13内，即超导励磁线圈11往外依次是低温冷屏13和真空杜瓦10；双级斯特林脉管制冷机6的低温冷头9具体分为一级冷头和二级冷头，低温冷屏13由一级冷头冷却，超导励磁线圈11由二级冷头冷却。真空杜瓦10连真空泵，抽成10^-1Pa真空，并与电机外壳15相连固定，相连部分对应在感应线圈支架14上开长槽以不影响感应线圈20的运动。

上述碟式斯特林超导直线发电系统运行时，三通陶瓷阀门4的开度与超导励磁线圈11的温度反馈相关联，即初期导热油全部流向制冷用斯特林发动机3，随温度变化逐渐调节往驱动电机用斯特林发动机3开度。当超导励磁线圈11温度达到运行标准后，通入励磁电流，超导直线发电机5开始工作，并由温度反馈保证超导励磁线圈11始终保持在工作温度。

实施例2

如图1、图3、图4所示。一种碟式斯特林超导直线发电系统，包括碟式聚光器1、与碟式聚光器1中央相对设置的腔式吸热器2、及置于腔式吸热器2之后的斯特林发动机3。斯特林发动机3为一台，以腔式吸热器2导出的导热油为热源；斯特林发动机3的输出活塞7与超导直线发电机5的感应线圈支架14相连，驱动超导直线发电机5发电。输出活塞7置于输出活塞腔17内；输出活塞腔17壁、靠近超导直线发电机5的一端设有一开口，所述开口同双级斯特林脉管制冷机6进气通道21相连，所述开口与进气通道21相连处设有进气逆止阀18。输出活塞腔17分为3节，每节输出活塞腔17内壁均设有独立的活动腔壁19，活动腔壁19由电磁阀开关控制、可沿输出活塞腔17径向伸缩，电磁阀开关分别对应活动腔壁19的缩回和伸出，实现输出活塞腔17内径分3节独立可调；输出活塞7上设有扫气活塞8，当活动腔壁19向输出活塞腔17中心伸出时，扫气活塞8压缩输出活塞腔17通过进气逆止阀18为双级斯特林脉管制冷机6输气，当活动腔壁19缩回时，扫气活塞8在输出活塞腔17内自由运动；通过3节输出活塞腔17内壁的活动腔壁19分别伸出或缩回，实现扫气活塞8与输出活塞腔17内壁之间压缩体积可调，控制进入双级斯特林脉管制冷机6的进气量，实现制冷功率和发电功率的分配。双级斯特林脉管制冷机6的低温冷头9深入超导直线发电机5内部，接触式冷却超导励磁线圈11，低温冷头9与超导直线发电机5接触部位均装有绝热垫；双级斯特林脉管制冷机6及低温冷头9置于真空罩12内。双级斯特林脉管制冷机6置于超导直线发电机5上方，设有反光板16遮挡超导直线发电机5和双级斯特林脉管制冷机6。

超导直线发电机5为动圈式发电机；超导励磁线圈11螺旋缠绕在磁体支架上，以形成上下方向的磁场；感应线圈20分别上下置于感应线圈支架14的内侧，由铜线缠绕制成；感应线圈支架14与电机外壳15之间的连接方式是轨道内嵌式。超导直线发电机5的超导励磁线圈11依次置于真空杜瓦10和低温冷屏13内，即超导励磁线圈11往外依次是低温冷屏13和真空杜瓦10；双级斯特林脉管制冷机6的低温冷头9具体分为一级冷头和二级冷头，低温冷屏13由一级冷头冷却，超导励磁线圈11由二级冷头冷却。真空杜瓦10连真空泵，抽成10^-1Pa真空，并与电机外壳15相连固定，相连部分对应在感应线圈支架14上开长槽以不影响感应线圈20的运动。

上述碟式斯特林超导直线发电系统运行时，控制活动腔壁19活动的电磁阀与超导励磁线圈11的温度反馈相关联。初期全部电磁阀关闭，即活动腔壁19全部伸出，此时扫气活塞8与输出活塞腔17压缩体积最大，输气量最大，制冷量最大，阻力也最大。当超导励磁线圈11温度达到运行标准后，通入励磁电流，超导直线发电机5开始工作，并由温度反馈依次逐渐开动电磁阀，减少伸出的活动腔壁19节数，减小压缩体积，超导直线发电机5驱动功率增大，并由温度反馈保证超导励磁线圈11始终保持在工作温度。

Claims (9)

1.一种碟式斯特林超导直线发电系统，包括碟式聚光器（1）、与碟式聚光器（1）中央相对设置的腔式吸热器（2）、及置于腔式吸热器（2）之后的斯特林发动机（3），其特征在于：斯特林发动机（3）为2台，腔式吸热器（2）与斯特林发动机（3）之间设有三通陶瓷阀门（4），用于调节通向2台斯特林发动机（3）的导热流体流量；其中一台斯特林发动机（3）的输出活塞（7）驱动超导直线发电机（5），另一台斯特林发动机（3）的输出活塞（7）为双级斯特林脉管制冷机（6）输气；双级斯特林脉管制冷机（6）的低温冷头（9）接入超导直线发电机（5）内冷却超导励磁线圈（11）；双级斯特林脉管制冷机（6）及低温冷头（9）置于真空罩（12）内。

2.根据权利要求1所述的碟式斯特林超导直线发电系统，其特征在于：超导直线发电机（5）为动圈式；超导直线发电机（5）的感应线圈支架（14）与电机外壳（15）之间的连接方式是轨道内嵌式。

3.根据权利要求1所述的碟式斯特林超导直线发电系统，其特征在于：超导直线发电机（5）的超导励磁线圈（11）依次置于真空杜瓦（10）和低温冷屏（13）内，低温冷屏（13）由双级斯特林脉管制冷机（6）的一级冷头冷却，超导励磁线圈（11）由双级斯特林脉管制冷机（6）的二级冷头冷却。

4.根据权利要求1-3任一所述的碟式斯特林超导直线发电系统，其特征在于：设有反光板（16）遮挡超导直线发电机（5）和双级斯特林脉管制冷机（6）。

5.一种碟式斯特林超导直线发电系统，包括碟式聚光器（1）、与碟式聚光器（1）中央相对设置的腔式吸热器（2）、及置于腔式吸热器（2）之后的斯特林发动机（3），其特征在于：斯特林发动机（3）为一台，斯特林发动机（3）的输出活塞（7）驱动超导直线发电机（5），输出活塞（7）置于输出活塞腔（17）内；输出活塞腔（17）壁、靠近超导直线发电机（5）的一端设有一开口，所述开口同双级斯特林脉管制冷机（6）进气通道（21）相连，所述开口与进气通道（21）相连处设有进气逆止阀（18）；输出活塞（7）上设有扫气活塞（8），扫气活塞（8）压缩输出活塞腔（17）为双级斯特林脉管制冷机（6）输气；输出活塞腔（17）内径可调，实现扫气活塞（8）与输出活塞腔（17）内壁之间压缩体积可调，控制进入双级斯特林脉管制冷机（6）的进气量，实现制冷功率和发电功率的分配；双级斯特林脉管制冷机（6）的低温冷头（9）接入超导直线发电机（5）内冷却超导励磁线圈（11）；双级斯特林脉管制冷机（6）及低温冷头（9）置于真空罩（12）内。

6.根据权利要求5所述的碟式斯特林超导直线发电系统，其特征在于：输出活塞腔（17）分为若干节，每节输出活塞腔（17）内壁均设有独立的活动腔壁（19），活动腔壁（19）可沿输出活塞腔（17）径向伸缩，实现输出活塞腔（17）内径分节独立可调；当活动腔壁（19）向输出活塞腔（17）中心伸出时，扫气活塞（8）压缩输出活塞腔（17）为双级斯特林脉管制冷机（6）输气；当活动腔壁（19）缩回时，扫气活塞（8）在输出活塞腔（17）内自由运动。

7.根据权利要求5或6所述的碟式斯特林超导直线发电系统，其特征在于：超导直线发电机（5）为动圈式；超导直线发电机（5）的感应线圈支架（14）与电机外壳（15）之间的连接方式是轨道内嵌式。

8.根据权利要求5或6所述的碟式斯特林超导直线发电系统，其特征在于：超导直线发电机（5）的超导励磁线圈（11）依次置于真空杜瓦（10）和低温冷屏（13）内，低温冷屏（13）由双级斯特林脉管制冷机（6）的一级冷头冷却，超导励磁线圈（11）由双级斯特林脉管制冷机（6）的二级冷头冷却。

9.根据权利要求5或6所述的碟式斯特林超导直线发电系统，其特征在于：设有反光板（16）遮挡超导直线发电机（5）和双级斯特林脉管制冷机（6）。

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