CN106089612B - 一种特征吸收光谱的辐射吸热器、斯特林发动机及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种特征吸收光谱的辐射吸热器、斯特林发动机及运行方法，所述装置可以实现斯特林发动机内部的工质气体快速吸收辐射能量，并可以在太阳能不足时，采用辅助加热方式，保证斯特林发动机稳定运行。所述的采用特征吸收光谱的气体体吸热的快速吸热型加热器主要包括加热器底座、光能转换器件、加热管、燃烧室和加热管阀门。所述的光能转换器件将太阳能转换为工质气体的特征吸收峰邻近的辐射能，工质直接立体吸收辐射能。本发明有利于增强斯特林发动机热端辐射换热、高效利用聚焦太阳光中心高温能量、减少热端死体积，解决斯特林加热器爆管等问题，提高发动机效率，实现光热互补利用，提高发动机的稳定性。

Description

一种特征吸收光谱的辐射吸热器、斯特林发动机及运行方法
技术领域
本发明涉及一种特征吸收光谱的辐射吸热器、斯特林发动机及运行方法,特别涉及一种使用光能转换器件，光能转换器件一侧吸收聚焦太阳光转换为热能，热能传递到光能转换器件另一侧，转换为气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能，并向膨胀腔内辐射换热,并可以实现光热互补，可应用于碟式-斯特林太阳能热发电系统的采用辐射加热的斯特林加热器。
背景技术
碟式-斯特林太阳能热发电是太阳能热发电技术中光电转换效率最高的一种方式，同时由于发电功率较小，适合于小型分布式能源系统。其利用抛物面聚光镜收集太阳光并将其反射到聚光镜的焦点处，斯特林发动机通常安放在聚光镜焦点位置光斑附近，聚得的集中、高温、高热流密度的热量被斯特林发动机加热管吸收，加热内部工质，将太阳能转变为热能，保证斯特林发动机的稳定运行，从而带动发电机发电。
斯特林发动机(又称热气机)是一种利用外部热源实现可逆循环即斯特林循环的发动机，可以是活塞式发动机，利用密封在回路中的工质周期性膨胀和压缩，实现热能向机械功的转化。斯特林发动机外部加热的特点使其具有能源适应性好的突出优点，不仅可燃用煤、汽油、柴油、天然气等化石能源，木屑、秸秆、酒精、沼气等生物质能源，还可利用余热、太阳能等低品位能源。外部燃烧过程连续，易于实现燃烧控制和燃烧完全，排放的有害气体大大减少，同时没有爆震和排气波现象，运转平稳，可靠性高。可作为发电的原动机、制冷机、热泵和压力发生器，在家用电器，汽车，轮船和航空航天、微电子以及生物低温保存等诸多领域具有广泛的应用。
斯特林发动机工作容积主要由以下五部分组成：膨胀腔、压缩腔、加热器、回热器和冷却器。工质在活塞运动的驱动下在回路中往复流动，在加热器内被外部热源加热，在冷却器内被外部冷源冷却。采用不同的加热方式，相应的斯特林加热器结构有不同特点。根据已有相关研究，燃气加热的加热管一般多为U型直列管，加热器由一定数量的加热管沿圆周均匀排布，加热管管壁上安装有光能转换器件，它可以透过特定波长的辐射，用以加热对应的工质气体，使气体的吸热效果更好；当太阳辐射较弱时，可辅以通入热烟气，与加热管进行对流换热。太阳辐射加热的斯特林加热管往往设计成向外伸张、整体呈轴对称的结构，以在有限的空间内能更多的吸收太阳能，还有腔体式隔热结构包围加热器管，以集中热量、减少热损失。
由于太阳辐射存在非常明显的不稳定性，当太阳辐射不足或者没有时，斯特林发动机达不到运行功率要求，因此需要额外热源供热，利用燃气加热结合太阳能加热是一种比较合理的选择。研究表明，由于燃气产生的烟气温度一般在1000℃以下，颗粒物含量少，因此对流换热方式占主导，辐射换热量占总换热量31％左右，强化烟气与加热管之间的对流换热以提高斯特林发动机性能也有大量研究。传统的斯特林发动机的加热器必须足够的换热面积才能完全加热斯特林发动机内部的工质气体，与此对应斯特林发动机加热器部分具有比较大的死容积，这是影响斯特林发动机效率的重要因素，如果能够实现斯特林发动机加热器部分工质气体的快速换热，并减少斯特林发动机加热器部分的死容积，对提高斯特林发动机的输出功率与循环效率有重要的作用。
碟式太阳能聚光系统中，聚焦太阳光中心具有很高的温度，这对斯特林发动机加热器的材料提出了巨大的挑战，通常碟式太阳能热发电系统中斯特林发动机通常会避开这部分高温能量，从而使整个光热效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用特征吸收光谱的气体体吸热的快速吸热型斯特林发动机加热器装置、斯特林发动机以及斯特林发动机的运行方法。以太阳辐射加热为主，燃烧加热作为辅助热源，通过光能转换器件，部分太阳辐射能在膨胀腔顶端辐射出工质气体吸收峰附近的特定窄谱光波加热工质，部分太阳辐射能对加热器内部工质加热，适用于碟式-斯特林太阳能热发电系统。
传统的斯特林发动机采用普通的加热器，斯特林发动机热端具有比较大的死容积，热端死容积是影响斯特林发动机效率和循环功率的重要因素。采用光能转换器件可以实现斯特林发动机内部工质气体的快速吸热，从而减少斯特林发动机热端的死容积，提高了斯特林发动机的循环功率和效率。
本发明公开了一种将太阳光转换为斯特林循环工质特征吸收光谱的辐射吸热器，包括加热器底座、光能转换器件、加热管、燃烧室和加热管阀门，所述的加热管与加热管阀门相连；加热管阀门与加热器底座相连，所述的燃烧室位于加热管的周侧，燃烧室内供给加热管所需要的热量，所述的光能转换器件位于加热器底座和斯特林发动机的膨胀腔上端；所述的加热器底座拥有第一孔结构、第二孔结构、第三孔结构；所述第二孔结构位于加热器底座与膨胀腔连接处；所述第一孔结构位于加热器底座与回热器连接处；所述第三孔结构位于膨胀腔与回热器连接处，并靠近加热器底座上端面。
进一步的，所述的光能转换器件的材料是半导体或金属，包括光吸收器、中间层和光辐射器，光吸收器吸收聚焦太阳光并转换为热能，中间层起热传递作用，光辐射器辐射出气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能，直接通过热辐射加热膨胀腔内工质气体，所述的气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能是辐射光谱的中心波长和气体工质的特征吸收峰的中心波长相同且谱线宽度小于气体工质的特征吸收峰的谱线宽度的辐射能。
进一步的，所述的将太阳光转换为斯特林循环工质特征吸收光谱的辐射吸热器的吸热工质包括二氧化碳、丁烷或丁烯的一种或多种。
进一步的，所述的第三孔结构处于常开状态；所述的第一孔结构和第二孔结构可以通过控制加热管阀门实现。所述的第一孔结构与第二孔结构处于打开状态时可以通过控制所述的加热管阀门实现控制第一孔结构与第二孔结构的开孔大小，从而控制通过加热管和第三孔结构工质气体的流量比。
进一步的，所述的加热管沿圆周均匀排布，单根加热管弯折为两段，呈空间弧线形。第一孔结构与第二孔结构处于打开状态时，工质气体从膨胀腔通过第二孔结构进入加热管的一端，并从加热管的另一端通过第一孔结构进入回热器。
进一步的，所述的加热器使用的太阳辐射热源可以通过太阳能聚光系统实现，并通过CPC聚光器实现进一步聚光。
本发明还公开了一种斯特林发动机包括所述的将太阳光转换为斯特林循环工质特征吸收光谱的辐射吸热器，还包括回热器、冷却器、膨胀腔和压缩腔，辐射吸热器与回热器的一端相连，回热器的另一端与冷却器相连，冷却器出口与压缩腔相连，辐射吸热器出口与膨胀腔相连，膨胀腔、辐射吸热器、回热器、冷却器和压缩腔形成一个完整的循环回路，工质气体在所述的循环回路中流动。
进一步的，所述膨胀腔和所述压缩腔分别与膨胀腔活塞和压缩腔活塞相连，并采用膨胀腔活塞环和压缩腔活塞环将所述膨胀腔和所述压缩腔中的工质气体与外部气体隔绝开，膨胀腔活塞和压缩腔活塞分别通过膨胀腔活塞连杆和压缩腔活塞连杆而与传动结构相连；传动机构与飞轮一端相连；飞轮另一端和电机相连。
本发明还公开了一种所述斯特林发动机的运行方法，包括如下步骤：
A.只采用太阳光辐射加热时，
控制加热管阀门使第一孔结构与第二孔结构处于关闭状态，工质气体在所述膨胀腔内膨胀做功，太阳辐射能通过光能转换器件后，辐射出工质气体吸收峰附近的特定窄谱光波，与加热器底座的上端面进行辐射换热，并将能量传给膨胀腔内的工质气体，被加热后的工质通过第三孔结构进入所述回热器，通过所述回热器后的工质通过冷却器并被冷却，排入所述压缩腔中被压缩，而后工质再依次通过冷却器、回热器、第三孔结构回到膨胀腔，重复上述过程；
B.采用太阳光辐射和燃烧辅助热源加热时，
控制加热管阀门使第一孔结构与第二孔结构处于打开状态，调节加热管阀门控制通过第二孔结构和第三孔结构的工质气体的流量比，工质气体在所述膨胀腔内膨胀做功，太阳辐射能通过光能转换器件后，辐射出工质气体吸收峰附近的特定窄谱光波，与加热器底座的上端面进行辐射换热，并将能量传给膨胀腔内的工质气体，部分被加热后的工质通过第三孔结构进入所述回热器，剩余部分被加热后的工质通过第二孔结构进入加热管的一端，工质气体经进一步加热，经过第一孔结构进入回热器，通过所述回热器后的工质通过冷却器并被冷却，排入所述压缩腔中被压缩，而后工质再依次通过冷却器、回热器、第三孔结构或第一孔结构、加热管与第二孔结构回到膨胀腔，重复上述过程。
综合来说，本发明与现有技术相比具有以下优势：
1.使用采用特征吸收光谱的气体体吸热的快速吸热型斯特林发动机加热器装置的斯特林发动机，适用于碟式太阳能辐射加热。在采用太阳辐射热源的加热情况下，通过光能转换器件辐射出工质气体吸收峰附近的特定窄谱光波，被流经的工质直接快速、高效地吸收.所述装置可以充分利用聚焦太阳光中心高温部分的能量，提高光热转换效率，并可以使用超过1000℃的高温聚焦太阳能。
2.使用采用特征吸收光谱的气体体吸热的快速吸热型斯特林发动机加热器装置的斯特林发动机，可以实现太阳辐射能的快速吸收，有利于增强斯特林发动机热端辐射换热、减少热端死容积，提高发动机效率。以GPU-3为例，使用该斯特林加热器装置，完全使用太阳辐射加热，可以减少热端加热管容积80％以上的死容积，相应效率从28％提高到34％，功率从4kW，提高到4.6kW。
3.使用采用特征吸收光谱的气体体吸热的快速吸热型斯特林发动机加热器装置的斯特林发动机，适用于碟式太阳能辐射加热和燃烧烟气加热两种热源，在太阳辐射不足或没有时，利用燃气燃烧产生高温烟气进行对流换热，保证足够供热热量，使斯特林发动机可以稳定运行。
4.使用采用特征吸收光谱的气体体吸热的快速吸热型斯特林发动机加热器装置的斯特林发动机，可以实现太阳辐射能的快速吸收，有利于增强斯特林机热端辐射换热，实现工质气体的快速吸热，有效解决斯特林发动机加热器的爆管问题。
附图说明
图1是本发明的辐射加热器以及斯特林发动机的结构示意图。
图2是一种辐射加热器的局部放大图。
图3是一种只使用太阳辐射热源的辐射加热器的局部放大图。
图4是一种使用光源互补热源的辐射加热器的局部放大图。
具体实施方式
对照附图对本发明做进一步说明。
如图1、图2和图3所示，本发明的辐射吸热器1，包括加热器底座6、光能转换器件5、加热管3、燃烧室2和加热管阀门4，所述的加热管3与加热管阀门4相连；加热管阀门4与加热器底座6相连，所述的燃烧室2位于加热管3的周侧，燃烧室2内供给加热管3所需要的热量，所述的光能转换器件5位于加热器底座6和斯特林发动机的膨胀腔19上端；所述的加热器底座6拥有第一孔结构20、第二孔结构21、第三孔结构22；所述第二孔结构21位于加热器底座6与膨胀腔19连接处；所述第一孔结构20位于加热器底座6与回热器7连接处；所述第三孔结构22位于膨胀腔19与回热器7连接处，并靠近加热器底座6上端面。
在本发明的一个具体实施例中，所述的光能转换器件5的材料是半导体或金属，包括光吸收器、中间层和光辐射器，光吸收器吸收聚焦太阳光并转换为热能，中间层起热传递作用，光辐射器辐射出气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能，直接通过热辐射加热膨胀腔内工质气体，所述的气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能是辐射光谱的中心波长和气体工质的特征吸收峰的中心波长相同且谱线宽度小于气体工质的特征吸收峰的谱线宽度的辐射能。
在本发明的一个具体实施例中，，所述的将太阳光转换为斯特林循环工质特征吸收光谱的辐射吸热器1的吸热工质包括二氧化碳、丁烷或丁烯的一种或多种。
在本发明的一个具体实施例中，，所述的第三孔结构22处于常开状态；所述的第一孔结构20和第二孔结构21可以通过控制加热管阀门4实现。所述的第一孔结构20与第二孔结构21处于打开状态时可以通过控制所述的加热管阀门4实现控制第一孔结构20与第二孔结构21的开孔大小，从而控制通过加热管3和第三孔结构22工质气体的流量比。
在本发明的一个具体实施例中，，所述的加热管3沿圆周均匀排布，单根加热管弯折为两段，呈空间弧线形。第一孔结构20与第二孔结构21处于打开状态时，工质气体从膨胀腔19通过第二孔结构21进入加热管3的一端，并从加热管3的另一端通过第一孔结构20进入回热器7。
在本发明的一个具体实施例中，，所述的加热器1使用的太阳辐射热源24可以通过太阳能聚光系统实现，并通过CPC聚光器23实现进一步聚光。
本发明还公开了一种斯特林发动机25包括所述的将太阳光转换为斯特林循环工质特征吸收光谱的辐射吸热器1，还包括回热器7、冷却器8、膨胀腔19和压缩腔18，辐射吸热器1与回热器7的一端相连，回热器7的另一端与冷却器8相连，冷却器8出口与压缩腔18相连，辐射吸热器1出口与膨胀腔19相连，膨胀腔19、辐射吸热器1、回热器7、冷却器8和压缩腔18形成一个完整的循环回路，工质气体在所述的循环回路中流动。
在本发明的一个具体实施例中，，所述膨胀腔19和所述压缩腔18分别与膨胀腔活塞10和压缩腔活塞16相连，并采用膨胀腔活塞环(9)和压缩腔活塞环17将所述膨胀腔和所述压缩腔中的工质气体与外部气体隔绝开，膨胀腔活塞10和压缩腔活塞16分别通过膨胀腔活塞连杆11和压缩腔活塞连杆14而与传动结构13相连；传动机构13与飞轮12一端相连；飞轮12另一端和电机15相连。
实施例1
如图1、图2和图3所示，实施例1只采用太阳光辐射加热，控制加热管阀门使第一孔结构20与第二孔结构21处于关闭状态，工质气体在膨胀腔工质在所述膨胀腔内膨胀做功，太阳辐射能通过光能转换器件后，辐射出工质气体吸收峰附近的特定窄谱光波，与加热器底座的上端面进行辐射换热，并将能量传给膨胀腔内的工质气体，被加热后的工质通过第三孔结构22进入所述回热器，通过所述回热器后的工质通过冷却器并被冷却，排入所述压缩腔中被压缩，而后工质再依次通过冷却器，回热器，第三孔结构22回到膨胀腔，重复上述过程。
实施例2
图1、图2和图4是实施例2的斯特林发动机的系统构成图。实施例2采用太阳光辐射和燃烧辅助热源加热，控制加热管阀门4使第一孔结构20与第二孔结构21处于打开状态，调节加热管阀门控制通过第二孔结构21和第三孔结构22的工质气体的流量比，工质气体在膨胀腔工质在所述膨胀腔内膨胀做功，太阳辐射能通过光能转换器件后，辐射出工质气体吸收峰附近的特定窄谱光波，与加热器底座的上端面进行辐射换热，并将能量传给膨胀腔内的工质气体，部分被加热后的工质通过第三孔结构22进入所述回热器，剩余部分被加热后的工质通过第二孔结构21进入加热管的一端，工质气体经进一步加热，经过第一孔结构20进入回热器，通过所述回热器后的工质通过冷却器并被冷却，排入所述压缩腔中被压缩，而后工质再依次通过冷却器，回热器，第三孔结构22或第一孔结构20、加热管与第二孔结构21回到膨胀腔，重复上述过程。
以上对本发明的具体实施例进行了描述，但是本发明并不限于上述实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也在本发明的范畴之内。因此，在不脱离本发明精神和范围下所做的均等变换和修改都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种将太阳光转换为斯特林循环工质特征吸收光谱的辐射吸热器（1），其特征在于包括加热器底座（6）、光能转换器件（5）、加热管（3）、燃烧室（2）和加热管阀门（4），所述的加热管（3）与加热管阀门（4）相连；加热管阀门（4）与加热器底座（6）相连，所述的燃烧室（2）位于加热管（3）的周侧，燃烧室（2）内供给加热管（3）所需要的热量，所述的光能转换器件(5)位于加热器底座（6）和斯特林发动机的膨胀腔（19）上端；所述的加热器底座（6）拥有第一孔结构（20）、第二孔结构（21）、第三孔结构（22）；所述第二孔结构（21）位于加热器底座（6）与膨胀腔（19）连接处；所述第一孔结构（20）位于加热器底座（6）与回热器（7）连接处；所述第三孔结构（22）位于膨胀腔（19）与回热器（7）连接处，并靠近加热器底座（6）上端面。
2.如权利要求1所述的将太阳光转换为斯特林循环工质特征吸收光谱的辐射吸热器（1），其特征在于所述的光能转换器件（5）的材料是半导体或金属，包括光吸收器、中间层和光辐射器，光吸收器吸收聚焦太阳光并转换为热能，中间层起热传递作用，光辐射器辐射出气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能，直接通过热辐射加热膨胀腔内工质气体，所述的气体工质的特征吸收峰邻近的辐射能是辐射光谱的中心波长和气体工质的特征吸收峰的中心波长相同且谱线宽度小于气体工质的特征吸收峰的谱线宽度的辐射能。
3.如权利要求2所述的将太阳光转换为斯特林循环工质特征吸收光谱的辐射吸热器（1），其特征在于，所述的将太阳光转换为斯特林循环工质特征吸收光谱的辐射吸热器（1）的吸热工质包括二氧化碳、丁烷或丁烯的一种或多种。
4.如权利要求1所述的将太阳光转换为斯特林循环工质特征吸收光谱的辐射吸热器（1），其特征在于，所述的第三孔结构（22）处于常开状态；所述的第一孔结构（20）和第二孔结构（21）的开启或关闭可以通过控制加热管阀门（4）实现；所述的第一孔结构（20）与第二孔结构（21）处于打开状态时可以通过控制所述的加热管阀门（4）实现控制第一孔结构（20）与第二孔结构（21）的开孔大小，从而控制通过加热管（3）和第三孔结构（22）工质气体的流量比。
5.如权利要求1所述的将太阳光转换为斯特林循环工质特征吸收光谱的辐射吸热器（1），其特征在于，所述的加热管（3）沿圆周均匀排布，单根加热管弯折为两段，呈空间弧线形；第一孔结构（20）与第二孔结构（21）处于打开状态时，工质气体从膨胀腔（19）通过第二孔结构（21）进入加热管（3）的一端，并从加热管（3）的另一端通过第一孔结构（20）进入回热器（7）。
6.如权利要求1所述的将太阳光转换为斯特林循环工质特征吸收光谱的辐射吸热器（1），其特征在于，所述的加热器（1）使用的太阳辐射热源（24）可以通过太阳能聚光系统实现，并通过CPC聚光器（23）实现进一步聚光。
7.一种斯特林发动机（25），其特征在于包括如权利要求1-5任一项所述的将太阳光转换为斯特林循环工质特征吸收光谱的辐射吸热器（1），还包括回热器（7）、冷却器（8）、膨胀腔（19）和压缩腔（18），辐射吸热器（1）与回热器（7）的一端相连，回热器（7）的另一端与冷却器（8）相连，冷却器（8）出口与压缩腔（18）相连，辐射吸热器（1）出口与膨胀腔（19）相连，膨胀腔（19）、辐射吸热器（1）、回热器（7）、冷却器（8）和压缩腔（18）形成一个完整的循环回路，工质气体在所述的循环回路中流动。
8.如权利要求7所述的斯特林发动机（25），其特征在于，所述膨胀腔（19）和所述压缩腔（18）分别与膨胀腔活塞（10）和压缩腔活塞（16）相连，并采用膨胀腔活塞环(9)和压缩腔活塞环（17）将所述膨胀腔和所述压缩腔中的工质气体与外部气体隔绝开，膨胀腔活塞(10)和压缩腔活塞（16）分别通过膨胀腔活塞连杆(11)和压缩腔活塞连杆（14）而与传动结构（13）相连；传动机构（13）与飞轮（12）一端相连；飞轮（12）另一端和电机（15）相连。
9.一种如权利要求7所述斯特林发动机（25）的运行方法，其特征在于包括如下步骤：
A.只采用太阳光辐射加热时，
控制加热管阀门（4）使第一孔结构（20）与第二孔结构（21）处于关闭状态，工质气体在所述膨胀腔（19）内膨胀做功，太阳辐射能通过光能转换器件（5）后，辐射出工质气体吸收峰附近的特定窄谱光波，与加热器底座（6）的上端面进行辐射换热，并将能量传给膨胀腔内的工质气体，被加热后的工质通过第三孔结构（22）进入所述回热器（7），通过所述回热器（7）后的工质通过冷却器（8）并被冷却，排入所述压缩腔（18）中被压缩，而后工质再依次通过冷却器（8）、回热器（7）、第三孔结构（22）回到膨胀腔（19），重复上述过程；
B.采用太阳光辐射和燃烧辅助热源加热时，
控制加热管阀门（4）使第一孔结构（20）与第二孔结构（21）处于打开状态，调节加热管阀门（4）控制通过第二孔结构（21）和第三孔结构（22）的工质气体的流量比，工质气体在所述膨胀腔（19）内膨胀做功，太阳辐射能通过光能转换器件（5）后，辐射出工质气体吸收峰附近的特定窄谱光波，与加热器底座（6）的上端面进行辐射换热，并将能量传给膨胀腔内的工质气体，部分被加热后的工质通过第三孔结构（22）进入所述回热器（7），剩余部分被加热后的工质通过第二孔结构（21）进入加热管（3）的一端，工质气体经进一步加热，经过第一孔结构（20）进入回热器，通过所述回热器（7）后的工质通过冷却器（8）并被冷却，排入所述压缩腔（18）中被压缩，而后工质再依次通过冷却器（8）、回热器（7）、第三孔结构（22）或第一孔结构（20）、加热管（3）与第二孔结构（21）回到膨胀腔（19），重复上述过程。
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