CN106762211B - 一种基于介电弹性体的斯特林发电机及发电方法 - Google Patents

Abstract

一种基于介电弹性体的斯特林发电机及发电方法，属于斯特林发电机及发电方法。发电机包括：启动装置、发电装置和动力装置；启动装置、发电装置和动力装置顺序连接成一体；发电方法：通过内置的直线电机启动斯特林发电机，启动后的斯特林发电机进入自行运转阶段，自行运转分为四个阶段步骤：等温膨胀、等容放热、等温压缩和等容吸热。优点：启动装置、动力装置和发电装置为一体化；利用介电弹性体的弹性实现发动机连续运转并且有效利用其产生的形变用于发电；发电装置与动力装置集成化，减少中间机械传递环节，提高了能量利用率；利用直线电机实现发动机的启动；适用于各种高温热源；发电时噪声小；有效减少有害气体排放；有效提高高温热源利用率。

Description

一种基于介电弹性体的斯特林发电机及发电方法

技术领域

本发明涉及一种斯特林发电机及发电方法，特别是一种基于介电弹性体的斯特林发电机及发电方法。

背景技术

随着全球能源危机的发展与环境的恶化，传统的化石燃料日益枯竭，且燃烧的排放物造成了温室效应、雾霾天气及极端的气候等人为的灾害，为了地球的可持续发展和人类生活水平的改善，人们清楚地认识到开发利用新能源的重要性。其中，绿色能源的利用越来越广泛，绿色能源对环境无害或危害极小，且资源广泛。越来越多的国家采取鼓励生产和使用绿色能源的政策和措施，中国也确立了到年绿色能源占总能源比重的目标。斯特林发动机作为一种外燃机，外燃机是指在汽缸外燃烧的发动机，热能通过加热器传给工质，工质不直接参与燃烧，也不更换，无需排放有害气体，几乎可以使用任何高温热源，如太阳能，地热能等绿色能源或汽车、空调、热电厂的废冷废热等。

目前，现有的斯特林发动机是使用发动机的发电装置，通过发动机转变为旋转运动，带动旋转发电机进行发电，发动机与发电机要通过传动轴连接，体积庞大；发动机运转时存在有运动死点，一般是通过飞轮的惯性或弹性体的弹性来越过死点，容易发生死机。

发明内容

本发明的目的是要提供一种基于介电弹性体的斯特林发电机及发电方法，利用越过死点的方式进行发电，不再通过输出旋转运动进行发电，不易死机，提高工作效率；内置直线电机进行启动，所有工作流程集成在一起，实现集成化，有效的减小发电机体积。

本发明的目的是这样实现的：本发明的斯特林发电机包括：启动装置、发电装置和动力装置；启动装置、发电装置和动力装置顺序连接成一体。

所述的启动装置包括：定子铁芯、绕组、动子磁极和永磁体；绕组嵌在定子铁芯内，动子磁极嵌在永磁体内；永磁体置于定子铁芯内，动子磁极与绕组构成的电极相对应。

所述的发电装置包括：第一移气活塞介电弹性体、第二移气活塞介电弹性体、动力活塞介电弹性体固定架、第一动力活塞介电弹性体、第一电线、第一集电装置、第二电线、第二集电装置、第二动力活塞介电弹性体、第三电线、第三集电装置、第四电线和第四集电装置；第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体顺序连接在动力装置的移气活塞和移气活塞轴之间；在动力活塞介电弹性体固定架内两端连接有第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体，第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体的中心连接在动力装置的动力活塞轴上，在动力活塞轴内芯序连接有第一电线、第一集电装置、第二电线和第二集电装置；启动装置的永磁体连接在动力装置的动力活塞轴上，位于动力活塞介电弹性体固定架、第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体的空间内；在动力装置的移气活塞轴的轴芯内顺序连接有第三电线、第三集电装置、第四电线和第四集电装置。

所述的动力装置包括：热端缸、移气活塞外壳、回热器、移气活塞、移气活塞轴、散热片、动力活塞缸、外壳、动力活塞轴、动力活塞、锁紧螺栓、固定板、固定螺栓、冷端和热端；移气活塞外壳位于热端缸内，在热端缸和移气活塞外壳之间连接有回热器，热端缸和移气活塞外壳的一端均为开口端；热端缸封闭端为热端，热端缸的开口端套接有散热片，散热片位置的热端缸为冷端；在散热片内中心连接有移气活塞轴，移气活塞轴穿过移气活塞伸入到移气活塞外壳内；移气活塞套接在移气活塞外壳的开端；动力活塞缸连接在散热片和外壳之间；发电装置和启动装置位于外壳内；动力活塞轴一端穿过外壳的底端，一端插入到动力活塞中，动力活塞通过锁紧螺栓、固定板和固定螺栓连接在动力活塞轴的端部。

发电方法：通过内置的直线电机启动斯特林发电机，启动后的斯特林发电机进入自行运转阶段，自行运转分为四个阶段步骤：等温膨胀、等容放热、等温压缩和等容吸热。

具体步骤为：

第一步等温膨胀：当多数工作介质位于热端时，与高温热源大面积接触，工作介质被加热后膨胀，移气活塞运动到行程最左侧，第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体向左侧拉伸，向左侧拉伸的第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体发生形变，形变一方面储存了弹性势能，另一方面介电弹性体的变形将机械能转化为电能，通过第三集电装置和第四集电装置与第三电线和第四电线输送到外界；这时热端的工作介质体积已经达到最大状态，而动力活塞处于行程最右侧，第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体已经处于向右侧拉伸状态，冷端的工作介质体积处于最小状态，这时热端中被加热的工作介质通过回热器冲入冷端，并且此时动力活塞在第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体弹性势能的作用下动力活塞向左运动，与动力活塞同轴连接的第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体向左侧拉伸，向左侧被拉伸的第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体发生形变，形变一方面储存了弹性势能，另一方面介电弹性体的变形将机械能转化为电能，通过第一集电装置和第二集电装置与第一电线和第二电线输送到外界，此过程为等温膨胀阶段；

第二步等容放热：加热后的工作介质冲入冷端后，与冷端的散热片大面积接触，高温工作介质降低温度，由于第一动力活塞介电弹性体、第二动力活塞介电弹性体、第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体储存的弹性势能开始释放，即动力活塞和移气活塞在弹性势能和气体压强减小的作用下开始向右运动，热端的工作介质开始被压缩，此过程近等容放热阶段；

第三步等温压缩：大部分进入冷端的工作介质经过散热片的充分冷却，工作介质通过回热器，工作介质的温度进一步降低，冷端的压强开始减小，并且通过第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体的弹性势能使动力活塞向右运动，在冷端的工作介质被压缩，在这一阶段第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体在压强减小和弹性势能作用下，第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体向右侧被拉伸，向右侧被拉伸的第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体发生形变，形变一方面储存了弹性势能，另一方面介电弹性体的变形将机械能转化为电能，第一集电装置和第二集电装置与第一电线和第二电线输送到外界；移气活塞在被压缩的工作介质与第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体作用下向右运动，被固定在移气活塞轴上第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体由向左侧拉伸状态转变为向右侧拉伸状态，向右侧被拉伸的第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体发生形变，形变一方面储存了弹性势能，另一方面介电弹性体的变形将机械能转化为电能，通过第三集电装置和第四集电装置与第三电线和第四电线输送到外界，此过程近似为等温压缩阶段；

第四步等容吸热：此时整个装置内气体体积最小，热端的工作介质被加热后开始膨胀，由于第一动力活塞介电弹性体、第二动力活塞介电弹性体、第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体储存的弹性势能开始释放，即动力活塞和移气活塞在弹性势能和气体压强增大的作用下开始向左运动，热端的气体开始膨胀，回到第一步等温膨胀状态，此过程近似为等容吸热。

有益效果，由于采用了上述方案，将发动机与发电机进行集成，而且不再将动力转变为旋转运动再带动旋转发电机发电，而是通过斯特林发动机越过死点的方式进行发电，通过介电弹性体来完成越过死点，其中介电弹性体在存储斯特林发动机越过死点的能量时要发生形变，介电弹性体本身在发生形变时会发生离子的移动，从而介电弹性体进行发电。总之，将发电与动力集成化，并且利用发动机越过死点的方式进行发电，并且采用了内置直线电机进行启动，缩小整体尺寸，高度集成化。

优点：

1、启动装置、动力装置和发电装置实现一体化；

2、利用介电弹性体的弹性实现发动机连续运转并且有效利用其产生的形变用于发电；

3、发电装置与动力装置的集成化，减少中间机械传递环节，提高了能量利用率；

4、利用直线电机实现发动机的启动；

5、适用于各种高温热源；

6、发电时噪声小；

7、有效减少有害气体排放；

8、有效提高高温热源的利用率。

附图说明：

图1是本发明的剖视结构图。

图2是本发明的外部结构图。

图中，1、热端缸；2、移气活塞外壳；3、回热器；4、第一移气活塞介电弹性体；5、第二移气活塞介电弹性体；6、移气活塞；7、移气活塞轴；8、散热片；9、动力活塞缸；10、外壳；11、动力活塞介电弹性体固定架；12、第一动力活塞介电弹性体；13、第一电线；14、第一集电装置；15、定子铁芯；16、绕组；17、动子磁极；18、永磁体；19、第二电线；20、第二集电装置；21、第二动力活塞介电弹性体；22、动力活塞轴；23、动力活塞；24、锁紧螺栓；25、固定板；26、固定螺栓；27、冷端；28、第三电线；29、第三集电装置；30、第四电线；31、第四集电装置；32、热端。

具体实施方式

实施例1：本发明的斯特林发电机包括：启动装置、发电装置和动力装置；启动装置、发电装置和动力装置顺序连接成一体。

所述的启动装置包括：定子铁芯15、绕组16、动子磁极17和永磁体18；绕组16嵌在定子铁芯15内，动子磁极17嵌在永磁体18内；永磁体18置于定子铁芯15内，动子磁极17与绕组16构成的电极相对应。

所述的发电装置包括：第一移气活塞介电弹性体4、第二移气活塞介电弹性体5、动力活塞介电弹性体固定架11、第一动力活塞介电弹性体12、第一电线13、第一集电装置14、第二电线19、第二集电装置20、第二动力活塞介电弹性体21、第三电线28、第三集电装置29、第四电线30和第四集电装置31；第一移气活塞介电弹性体4和第二移气活塞介电弹性体5顺序连接在动力装置的移气活塞6和移气活塞轴7之间；在动力活塞介电弹性体固定架11内两端连接有第一动力活塞介电弹性体12和第二动力活塞介电弹性体21，第一动力活塞介电弹性体12和第二动力活塞介电弹性体21的中心连接在动力装置的动力活塞轴22上，在动力活塞轴22内芯序连接有第一电线13、第一集电装置14、第二电线19和第二集电装置20；启动装置的永磁体18连接在动力装置的动力活塞轴22上，位于动力活塞介电弹性体固定架11、第一动力活塞介电弹性体12和第二动力活塞介电弹性体21的空间内；在动力装置的移气活塞轴7的轴芯内顺序连接有第三电线28、第三集电装置29、第四电线30和第四集电装置31。

动力活塞23、动力活塞轴22、永磁体18、动子磁极17组成运动部件与动力活塞缸9和外壳10存在相对运动。

所述的动力装置包括：热端缸1、移气活塞外壳2、回热器3、移气活塞6、移气活塞轴7、散热片8、动力活塞缸9、外壳10、动力活塞轴22、动力活塞23、锁紧螺栓24、固定板25、固定螺栓26、冷端27和热端32；移气活塞外壳2位于热端缸1内，在热端缸1和移气活塞外壳2之间连接有回热器3，热端缸1和移气活塞外壳2的一端均为开口端；热端缸1封闭端为热端32，热端缸1的开口端套接有散热片8，散热片8位置的热端缸1为冷端27；在散热片8内中心连接有移气活塞轴7，移气活塞轴7穿过移气活塞6伸入到移气活塞外壳2内；移气活塞6套接在移气活塞外壳2的开端；动力活塞缸9连接在散热片8和外壳10之间；发电装置和启动装置位于外壳10内；动力活塞轴22一端穿过外壳10的底端，一端插入到动力活塞23中，动力活塞23通过锁紧螺栓24、固定板25和固定螺栓26连接在动力活塞轴22的端部。

回热器3固定在热端缸1内壁；移气活塞外壳2固定在移气活塞6外侧；第一移气活塞介电弹性体4和第二移气活塞介电弹性体5的中心处固定在移气活塞轴7上，外圆处固定在移气活塞6上，移气活塞6和移气活塞外壳2组成运动部件与移气活塞轴7和回热器3存在相对运动；散热片8固定在热端缸1的外侧，热端缸1固定在移气活塞轴7一起，移气活塞轴7、动力活塞缸9、外壳10和动力活塞介电弹性体固定架11固定在一起；第一动力活塞介电弹性体12和第二动力活塞介电弹性体21的中心处固定在动力活塞轴22圆周外侧，外圆处固定在动力活塞介电弹性体固定架11上。

发电方法：通过内置的直线电机启动斯特林发电机，启动后的斯特林发电机进入自行运转阶段，自行运转分为四个阶段步骤：等温膨胀、等容放热、等温压缩和等容吸热。

具体步骤为：

第一步等温膨胀：当多数工作介质位于热端32时，与高温热源大面积接触，工作介质被加热后膨胀，移气活塞6运动到行程最左侧，第一移气活塞介电弹性体4和第二移气活塞介电弹性体5向左侧拉伸，向左侧拉伸的第一移气活塞介电弹性体4和第二移气活塞介电弹性体5发生形变，形变一方面储存了弹性势能，另一方面介电弹性体的变形将机械能转化为电能，通过第三集电装置29和第四集电装置30与第三电线28和第四电线19输送到外界；这时热端32的工作介质体积已经达到最大状态，而动力活塞23处于行程最右侧，第一动力活塞介电弹性体12和第二动力活塞介电弹性体21已经处于向右侧拉伸状态，冷端27的工作介质体积处于最小状态，这时热端32中被加热的工作介质通过回热器3冲入冷端27，并且此时动力活塞23在第一动力活塞介电弹性体12和第二动力活塞介电弹性体21弹性势能的作用下动力活塞23向左运动，与动力活塞23同轴连接的第一动力活塞介电弹性体12和第二动力活塞介电弹性体21向左侧拉伸，向左侧被拉伸的第一动力活塞介电弹性体12和第二动力活塞介电弹性体21发生形变，形变一方面储存了弹性势能，另一方面介电弹性体的变形将机械能转化为电能，通过第一集电装置14和第二集电装置20与第一电线13和第二电线19输送到外界，此过程为等温膨胀阶段；

第二步等容放热：加热后的工作介质冲入冷端27后，与冷端27的散热片8大面积接触，高温工作介质降低温度，由于第一动力活塞介电弹性体12、第二动力活塞介电弹性体21、第一移气活塞介电弹性体4和第二移气活塞介电弹性体5储存的弹性势能开始释放，即动力活塞23和移气活塞6在弹性势能和气体压强减小的作用下开始向右运动，热端32的工作介质开始被压缩，此过程近等容放热阶段；

第三步等温压缩：大部分进入冷端27的工作介质经过散热片8的充分冷却，工作介质通过回热器3，工作介质的温度进一步降低，冷端27的压强开始减小，并且通过第一动力活塞介电弹性体12和第二动力活塞介电弹性体21的弹性势能使动力活塞23向右运动，在冷端27的工作介质被压缩，在这一阶段第一动力活塞介电弹性体12和第二动力活塞介电弹性体21在压强减小和弹性势能作用下，第一动力活塞介电弹性体12和第二动力活塞介电弹性体21向右侧被拉伸，向右侧被拉伸的第一动力活塞介电弹性体12和第二动力活塞介电弹性体21发生形变，形变一方面储存了弹性势能，另一方面介电弹性体的变形将机械能转化为电能，第一集电装置14和第二集电装置20与第一电线13和第二电线19输送到外界；移气活塞6在被压缩的工作介质与第一移气活塞介电弹性体4和第二移气活塞介电弹性体5作用下向右运动，被固定在移气活塞轴7上第一移气活塞介电弹性体4和第二移气活塞介电弹性体5由向左侧拉伸状态转变为向右侧拉伸状态，向右侧被拉伸的第一移气活塞介电弹性体4和第二移气活塞介电弹性体5发生形变，形变一方面储存了弹性势能，另一方面介电弹性体的变形将机械能转化为电能，通过第三集电装置29和第四集电装置30与第三电线28和第四电线19输送到外界，此过程近似为等温压缩阶段；

第四步等容吸热：此时整个装置内气体体积最小，热端32的工作介质被加热后开始膨胀，由于第一动力活塞介电弹性体12、第二动力活塞介电弹性体21、第一移气活塞介电弹性体4和第二移气活塞介电弹性体5储存的弹性势能开始释放，即动力活塞23和移气活塞6在弹性势能和气体压强增大的作用下开始向左运动，热端32的气体开始膨胀，回到第一步等温膨胀状态，此过程近似为等容吸热。

Claims (3)

1.一种基于介电弹性体的斯特林发电机，其特征是：斯特林发电机包括：启动装置、发电装置和动力装置；启动装置、发电装置和动力装置顺序连接成一体；

所述的启动装置包括：定子铁芯、绕组、动子磁极和永磁体；绕组嵌在定子铁芯内，动子磁极嵌在永磁体内；永磁体置于定子铁芯内，动子磁极与绕组构成的电极相对应；

所述的发电装置包括：第一移气活塞介电弹性体、第二移气活塞介电弹性体、动力活塞介电弹性体固定架、第一动力活塞介电弹性体、第一电线、第一集电装置、第二电线、第二集电装置、第二动力活塞介电弹性体、第三电线、第三集电装置、第四电线和第四集电装置；

第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体顺序连接在动力装置的移气活塞和移气活塞轴之间；在动力活塞介电弹性体固定架内两端连接有第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体，第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体的中心连接在动力装置的动力活塞轴上，在动力活塞轴内顺序连接有第一电线、第一集电装置、第二电线和第二集电装置；启动装置的永磁体连接在动力装置的动力活塞轴上，位于动力活塞介电弹性体固定架、第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体的空间内；

在动力装置的移气活塞轴的轴芯内顺序连接有第三电线、第三集电装置、第四电线和第四集电装置。

2.根据权利要求1所述的一种基于介电弹性体的斯特林发电机，其特征是：所述的动力装置包括：热端缸、移气活塞外壳、回热器、移气活塞、移气活塞轴、散热片、动力活塞缸、外壳、动力活塞轴、动力活塞、锁紧螺栓、固定板、固定螺栓、冷端和热端；

移气活塞外壳位于热端缸内，在热端缸和移气活塞外壳之间连接有回热器，热端缸和移气活塞外壳的一端均为开口端；热端缸封闭端为热端，热端缸的开口端套接有散热片，散热片位置的热端缸为冷端；在散热片内中心连接有移气活塞轴，移气活塞轴穿过移气活塞伸入到移气活塞外壳内；移气活塞套接在移气活塞外壳的开端；动力活塞缸连接在散热片和外壳之间；发电装置和启动装置位于外壳内；

动力活塞轴一端穿过外壳的底端，一端插入到动力活塞中，动力活塞通过锁紧螺栓、固定板和固定螺栓连接在动力活塞轴的端部。

3.权利要求1所述的一种基于介电弹性体的斯特林发电机的发电方法，其特征是：发电方法：通过内置的直线电机启动斯特林发电机，启动后的斯特林发电机进入自行运转阶段，自行运转分为四个阶段步骤：等温膨胀、等容放热、等温压缩和等容吸热；

具体步骤为：

第一步等温膨胀：当多数工作介质位于热端时，与高温热源大面积接触，工作介质被加热后膨胀，移气活塞运动到行程最左侧，第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体向左侧拉伸，向左侧拉伸的第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体发生形变，形变一方面储存了弹性势能，另一方面介电弹性体的变形将机械能转化为电能，通过第三集电装置和第四集电装置与第三电线和第四电线输送到外界；这时热端的工作介质体积已经达到最大状态，而动力活塞处于行程最右侧，第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体已经处于向右侧拉伸状态，冷端的工作介质体积处于最小状态，这时热端中被加热的工作介质通过回热器冲入冷端，并且此时动力活塞在第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体弹性势能的作用下动力活塞向左运动，与动力活塞同轴连接的第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体向左侧拉伸，向左侧被拉伸的第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体发生形变，形变一方面储存了弹性势能，另一方面介电弹性体的变形将机械能转化为电能，通过第一集电装置和第二集电装置与第一电线和第二电线输送到外界，此过程为等温膨胀阶段；

第二步等容放热：加热后的工作介质冲入冷端后，与冷端的散热片大面积接触，高温工作介质降低温度，由于第一动力活塞介电弹性体、第二动力活塞介电弹性体、第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体储存的弹性势能开始释放，即动力活塞和移气活塞在弹性势能和气体压强减小的作用下开始向右运动，热端的工作介质开始被压缩，此过程近等容放热阶段；

第三步等温压缩：大部分进入冷端的工作介质经过散热片的充分冷却，工作介质通过回热器，工作介质的温度进一步降低，冷端的压强开始减小，并且通过第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体的弹性势能使动力活塞向右运动，在冷端的工作介质被压缩，在这一阶段第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体在压强减小和弹性势能作用下，第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体向右侧被拉伸，向右侧被拉伸的第一动力活塞介电弹性体和第二动力活塞介电弹性体发生形变，形变一方面储存了弹性势能，另一方面介电弹性体的变形将机械能转化为电能，第一集电装置和第二集电装置与第一电线和第二电线输送到外界；移气活塞在被压缩的工作介质与第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体作用下向右运动，被固定在移气活塞轴上第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体由向左侧拉伸状态转变为向右侧拉伸状态，向右侧被拉伸的第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体发生形变，形变一方面储存了弹性势能，另一方面介电弹性体的变形将机械能转化为电能，通过第三集电装置和第四集电装置与第三电线和第四电线输送到外界，此过程近似为等温压缩阶段；

第四步等容吸热：此时整个装置内气体体积最小，热端的工作介质被加热后开始膨胀，由于第一动力活塞介电弹性体、第二动力活塞介电弹性体、第一移气活塞介电弹性体和第二移气活塞介电弹性体储存的弹性势能开始释放，即动力活塞和移气活塞在弹性势能和气体压强增大的作用下开始向左运动，热端的气体开始膨胀，回到第一步等温膨胀状态，此过程近似为等容吸热。