CN107120248A - 一种发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新能源开发技术领域，公开了一种发电装置，其中，该发电装置，采用斯特林发动机将热能转化为声能，通过调相机构调节阻抗，配合双向透平发电装置将声能转化为机械能发电，从而实现热能发电的目的。本发明中双向透平发电装置具有结构简单、功率可扩展性好、经济性高的特点。与效率高，使用寿命长的自由活塞斯特林发动机相结合，可使斯特林发电系统更为经济、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及新能源开发技术领域，更具体地，涉及一种发电装置。
背景技术
自由活塞斯特林发电机是一种高效、紧凑的发电系统，其发电过程经历热-声-电的过程，其中声电转换部件一般采用直线发电机，即自由活塞斯特林直线发电机，如图1所示为自由活塞斯特林直线发电机结构示简图，自由活塞斯特林直线发电机主要部件由自由活塞斯特林发动机16和直线电机17两部分组成，其中，自由活塞斯特林发动机16主要包括排出器15，排出器支撑板簧组件12、13，高温换热器2、回热器3、低温换热器4。通过排出器支撑板簧组件径12、13向支承，排出器15可沿轴向往复运动，使得工质在循环回路中往复流动。直线电机17主要包括动力活塞11，动力活塞支撑板簧组件7、9，直线电机定子6，直线电机动子10。图中，动力活塞11、直线发电机动子10固连，共同组成直线发电机运动部件，通过动力活塞连杆支撑板簧组件7、9的径向支撑可实现该运动部件的往复运动。排出器15的顶部与发动机顶部的壳体之间的空腔称为膨胀腔1，排出器15的底部与动力活塞11顶部之间的空腔称为压缩腔5，动力活塞11的底部与发动机底部壳体之间的空腔称为背腔8。
工作时，动力活塞压缩腔5和背腔8形成较大的波动压力差，从而驱动动力活塞11带动直线发电机动子10往复运动，实现机械能向电能的转换，电能则由直线电机定子线圈输出。
斯特林发动机的主要优点有：(1)燃料来源广。斯特林发动机对燃料的适应性强，可用燃料除化石燃料外，还包括太阳能、化学能、以及木材、秸秆等农林废弃物燃烧所释放出来的能量，此外，斯特林发动机还可以用来回收各种分散或低品位的热能。(2)热效率高。理想斯特林循环由两个等温过程和两个等容过程组成，其理论效率等于相同状态下的卡诺效率。(3)噪音低，斯特林发动机没有气阀机构且工质在气缸内的压力变化类似于正弦，并且没有燃烧产生的爆震和排气波，因而斯特林发动机运转比较平稳，噪音比较小。
然而，随着自由活塞斯特林发电机向大功率、实用化方向发展，直线电机技术方面存在的不足也日益凸显：(1)直线电机中，受支撑机制决定，活塞往复运动的位移受限，导致线圈切割磁力线的速度只有数米/秒，直线电机的功率不容易做大，功率密度也很低；(2)目前热声系统中应用的直线电机未形成大规模批量生产，间隙密封、板簧支撑、大量采用永磁体等因素导致其成本非常高，与常规旋转式电机比有量级上的差别，对其实际应用产生了严重阻碍；(3)随着功率需求的增大，由于采用直线电机的热声发电系统有谐振要求，活塞面积和动子质量越来越大，在支撑连接等结构强度、磁路设计和系统振动抑制等方面带来的技术难度也越来越大。
为适应斯特林发电的大功率与低成本实用化发展需求，一种可行的方案是采用旋转式电机来替代直线电机。气体的往复运动直接通过旋转机械转变成轴功进而带动常规旋转电机发电。这一技术在振荡水柱式(Oscillating Water Column，简称OWC)波能发电中已经得以应用，但其应用于常压空气，效率普遍只有30％～40％。
目前，常用的双向透平是威尔斯透平和双向冲击式透平。如图2所示的威尔斯透平动叶片18，其原理属于“升力型”，采用对称翼。如图3所示为双向冲击式透平动叶片示意图，其与传统单级轴流冲击式叶轮机相同。在威尔斯透平或双向冲击式透平的两侧，各装配有一组导流叶片19，来自上游的导流叶片类似喷嘴叶栅，下流的导流叶片类似扩压叶栅。往复流体流经导流叶片后，产生的推力都使透平朝同一方向旋转。导流叶片可分为固定式导流叶片和可调节导流叶片，分别如图4和图5，可调节导流叶片可根据气流的方向自动或被动换向，从而提高了透平效率。
为了降低自由活塞发电机的成本，提高其功率和实用可靠性，人们尝试将自由活塞斯特林发动机与双向透平结合在一起组成发电装置，但是，在工作过程中，由于斯特林发动机的出口阻抗相位角为60°至70°，表现为压力波动相位领先于体积流率相位，即出口要求声阻加声感的声学特性。而双向透平作为能量输出机构，在透平中将往复气体的动能转化为旋转机械能，在透平两端产生显著压降，因而其主要表现为声阻特性。因此，这就导致双向透平发电装置与斯特林发动机之间无法进行直接耦合。
故如何解决双向透平发电装置与自由活塞斯特林发动机之间的耦合成为了发电装置发展的关键。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供一种发电装置，以解决现有自由活塞斯特林发电机比功率低、不便于生产且加工技术难度大、经济性差的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种发电装置，包括斯特林发动机、调相机构和双向透平发电装置，所述斯特林发动机经所述调相机构与所述双向透平发电装置相连。
在上述方案基础上优选，所述调相机构为声学谐振管。
在上述方案基础上优选，所述双向透平发电装置装设在所述声学谐振管内。
在上述方案基础上优选，所述声学谐振管背离所述斯特林发动机的一端装设有气库，所述双向透平发电机装置装设在所述气库的入口端。
在上述方案基础上优选，所述声学谐振管的声感关系式为：
其中：L表示声学谐振管的声感；A表示声学谐振管的截面积；ρm表示声学谐振管内的工作介质密度；Δx表示声学谐振管的长度。
在上述方案基础上优选，所述调相机构为谐振子。
在上述方案基础上优选，所述斯特林发动机通过所述谐振子与所述双向透平发电装置相连接，且所述双向透平发电装置末端还装设有一气库。
在上述方案基础上优选，所述斯特林发动机通过所述双向透平发电装置与所述谐振子相连。
在上述方案基础上优选，所述谐振子包括缸体、活塞和弹性复位件，所述活塞与所述缸体适配并装设在所述缸体内，且所述弹性复位件一端固定在所述缸体内，其另一端与所述活塞相连。
在上述方案基础上优选，所述斯特林发动机为多台，且当所述斯特林发动机为偶数台时，所述斯特林发动机每两个相互对置设置；当所述斯特林发动机为奇数台时，其中一个所述斯特林发动机通过所述调相机构与所述双向透平发电装置对置放置，其余所述斯特林发动机每两个相互对置设置。
在上述方案基础上优选，所述斯特林发动机包括壳体、排出器、支撑组件、高温换热器、回热器和低温换热器，所述支撑组件包括弹性元件和底座，所述支撑组件装设在所述壳体内，所述排出器通过弹性元件装设在所述底座上，所述高温换热器、回热器和低温换热器呈环形分别套装在排出器上，并固定在所述底座上，其中，所述低温换热器设置在所述底座上，所述高温换热器通过回热器安装在所述低温换热器上。
在上述方案基础上优选，所述弹性元件为板弹簧。
在上述方案基础上优选，所述排出器呈中空状，并在所述排出器内设有防辐射屏。
在上述方案基础上优选，所述双向透平发电装置包括两个整流罩、双向透平和旋转式发电机，所述双向透平包括转轴、导流静叶片、动叶片，两个所述导流静叶片平行间隔设置，并将所述动叶片装设在两个所述导流静叶片之间的转轴上，所述转轴的一端延伸至所述整流罩外，所述旋转式发电机装设在所述转轴的延伸至所述整流罩外的一端。
在上述方案基础上优选，所述双向透平发电装置包括两组整流阀和两个单项透平发电装置，其中，每一组整流阀包括两个单向阀，且所述单向透平发电装置装设在两个所述单向阀之间。
在上述方案基础上优选，所述单向透平发电装置包括转轴、导流静叶片、动叶片、整流罩和旋转式发电机，整流罩、导流静叶片、动叶片和旋转式发电机顺序装设在转轴上。
本发明提供了一种发电装置，采用斯特林发动机将热能转化为声能，配合双向透平发电装置将声能转化为机械能发电，从而实现热能发电的目的。
由于双向透平发电装置作为斯特林发动机的负载，在声场中，作为负载的双向透平发电装置与产生声能的斯特林发动机必须匹配，才能实现高效运行以获得高性能的整机系统。本发明利用调相机构实现具有显著声阻特性的双向透平发电装置与出口需要声阻加声感声学特性的斯特林发动机的声阻抗匹配，从而获得简单可靠、具有高功率可扩展性和经济性的发电装置。
附图说明
图1为本发明现有技术中自由活塞斯特林直线发电机结构示意图；
图2为现有技术中威尔斯透平的示意图；
图3为现有技术中双向冲击式透平的示意图；
图4为现有技术中带固定导叶的双向冲击式透平的示意图；
图5为现有技术中带可调节导叶的双向冲击式透平的示意图；
图6为本发明的斯特林发动机的结构示意图；
图7为本发明的双向透平发电装置的结构示意图；
图8为本发明的带整流阀的双向透平发电装置的结构示意图；
图9为本发明的发电装置的第一实施例结构示意图；
图10为本发明的发电装置的第二实施例结构示意图；
图11为本发明的发电装置的第四实施例结构示意图；
图12为本发明的谐振子的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请继续参阅图6至图12所示，本发明提供了一种发电装置，包括斯特林发动机100、调相机构300和双向透平发电装置200，其中，斯特林发动机100经调相机构300与双向透平发电装置200相连。
在工作过程中，由于斯特林发动机100的出口阻抗相位角为60°至70°，表现为压力波动相位领先于体积流率相位，即出口要求声阻加声感的声学特性。而双向透平220作为能量输出机构，在透平中将往复气体的动能转化为旋转机械能，从而在透平两端产生显著压降，因此其主要表现为声阻特性。这就导致双向透平发电装置200与斯特林发动机100之间无法进行直接耦合，为了解决两者的耦合问题，本发明在斯特林发动机100与双向透平发电装置200之间设置了一个调相机构300，利用调相机构300，将双向透平发电装置200与斯特林发动机100之间的声阻抗进行匹配，从而不仅可实现热能到电能转化，而且使得整个系统的机构更加紧凑可靠。
值得说明的是，本发明的调相机构300可以是声学谐振管，也可以是谐振子。本发明的斯特林发动机100可以是一台，也可以是多台，且斯特林发动机100为偶数台时，斯特林发动机100每两个相互对置设置；当斯特林发动机100为奇数台时，其中一个斯特林发动机100通过调相机构200与双向透平发电装置300对置放置，其余斯特林发动机100每两个相互对置设置。
为了便于理解本发明的技术方案，请参阅图6所示。本发明的斯特林发动机100为自由活塞320斯特林发动机100，包括壳体101、排出器102、支撑组件103、高温换热器104、回热器105和低温换热器106，其中，壳体101一端开口，且其内设有腔体。排出器102、支撑组件103、高温换热器104、回热器105和低温换热器106分别装设在腔体内，支撑组件103包括弹性元件107和底座108，底座108装设在壳体101的开口端，排出器102通过弹性元件107支撑在底座108上，排出器102可在腔体内进行轴向往复运动，使得工质在循环回路中往复流动。高温换热器104、回热器105和低温换热器106呈环形分别套装在排出器102上，并固定在底座108上，其中低温换热器106设置在底座108上，高温换热器104通过回热器105安装在低温换热器106上。优选的，弹性元件107为板弹簧。
工作时，高温换热器104从外界获取热量，并通过低温换热器106在回热器105两端建立温度梯度(即两端形成温差)，从而在回热器105内产生声波震荡，将热能转换为声波，从而实现热能到声能的转化。
进一步的，本发明的排出器呈中空状，并在排出器内设有防辐射屏。
请继续参阅图7所述，本发明的双向透平发电装置200包括两个整流罩210、双向透平220和旋转式发电机230，双向透平220包括转轴221、导流静叶片222、动叶片223，两个导流静叶片222平行间隔固定设置，并将动叶片223装设在两个导流静叶片222之间的转轴221上，该转轴221的一端延伸至整流罩210外，旋转式发电机230装设在该转轴221的延伸至整流罩210外的一端。
请继续参阅图8所述，图8为带整流阀240的双向透平发电装置200结构示意图。在本实施例中，本发明的双向透平发电装置200包括两组整流阀240和两个单向透平发电装置250，其中，每一组整流阀240包括两个单向阀241，且单向透平发电装置装设在两个单向阀241之间。
单向透平发电装置包括转轴251、导流静叶片252、动叶片253、整流罩254和旋转式发电机255，整流罩254、动叶片253、导流静叶片252和旋转式发电机255顺序装设在转轴251上，如图8所示。
值得注意的是，本发明的旋转式发电机255可以置于整流罩254内，也可以置于整流罩254外。旋转式发电机255可以对称布置，也可以单侧布置。
以上所述双向透平220可以是单级透平，也可以是N级透平，N为大于1的整数，N级透平由单级透平串接而成，共同带动同一旋转轴221单向旋转，驱动旋转电机发电。
具体实施例1
本发明的调相机构300为声学谐振管。声学谐振管的一端呈封闭状，另一端呈开口状。斯特林发动机100的输出端与声学谐振管的开口端封闭式相连。双向透平发电装置200装设在声学谐振管内，如图9所示，双向透平发电装置200可以装设在声学谐振管内体积流率最大点之间的任意位置。
即工作过程中，斯特林发动机100将热能转化成声能，通过实现具有显著声阻特性的双向透平发电装置与出口需要声阻加声感声学特性的斯特林发动机的声阻抗匹配，经过双向透平发电装置200，将其转化为电能输出。
同时，在声学谐振管的作用下，使得本发明的斯特林发动机100与双向透平发电装置200之间得以耦合，提高了系统的稳定性，与采用谐振子作为调相机构300的发电装置相比较，其结构更加简单。
具体实施例2
本发明的调相机构300为声学谐振管。声学谐振管的两端呈开口状。斯特林发动机100的输出端与声学谐振管的开口端封闭式相连，并至声学谐振管的另一开口端装设有一气库400。双向透平发电装置200装设气库400的入口处，如图10所示。
即工作过程中，斯特林发动机100将热能转化成声能，通过声学谐振管实现具有显著声阻特性的双向透平发电装置200与出口需要声阻加声感声学特性的斯特林发动机的声阻抗匹配，经过双向透平发电装置200，将其转化为电能输出。
在本实施例中，利用装设在声学谐振管末端的气库400调节双向透平发电装置200入口处的体积流率，从而进一步提高双向透平发电装置200对声功的转化率。
需要注意的是，本发明所采用的声学谐振管为为等截面或变截面大长径比管道，且声学谐振管的声感关系式为：
其中：L表示声学谐振管的声感；A表示声学谐振管的截面积；ρm表示声学谐振管内的工作介质密度；Δx表示声学谐振管的长度。
具体实施例3
作为本发明的另一具体实施例，本发明的一种发电装置包括斯特林发动机100、调相机构300和双向透平发电装置200，其中，本实施例中的调相机构300为谐振子。斯特林发动机100的输出端与一个连接管500封闭式相连，连接管500末端连接有一气库400，谐振子和双向透平发电装置200分别装设在连接管500内，并使得斯特林发动机100通过谐振子与双向透平发电装置200相连。为了进一步提高其效率，本发明的双向透平发电装置200优选装设在气库的入口处。
本发明利用斯特林发动机100将热能转化成声能，通过谐振子实现具有显著声阻特性的双向透平发电装置与出口需要声阻加声感声学特性的斯特林发动机的声阻抗匹配，经过双向透平发电装置200，将其转化为电能输出，并通过气库400进一步调节双向透平发电装置200入口处的体积流率，提高透平对声功的转化率。
具体实施例4
请继续参阅图11所示，本发明的一种发电装置包括斯特林发动机100、调相机构300和双向透平发电装置200，其中，本实施例中的调相机构300为谐振子。斯特林发动机100的输出端与一个连接管500封闭式相连，连接管500末端呈密封状，谐振子和双向透平发电装置200分别装设在连接管500内，并将双向透平发电装置200装设在斯特林发动机100与调相机构300之间。
本发明利用斯特林发动机100将热能转化成声能，通过谐振子实现具有显著声阻特性的双向透平发电装置与出口需要声阻加声感声学特性的斯特林发动机的声阻抗匹配，经过双向透平发电装置200，将其转化为电能输出。
优选的，本实施例中的双向透平发电装置200安置在自由活塞斯特林发动机100的出口处。
进一步的，本发明的谐振子包括缸体310、活塞320和弹性复位件330，活塞320与缸体310适配并装设在缸体310内，且弹性复位件330一端固定在缸体310内，其另一端与活塞320相连，活塞320包括连接杆322、两个截面相等或截面不等的第一活塞321第二活塞323，第一活塞321通过连接杆322与第二活塞323相连，如图12所示。即利用通第一活塞321和第二活塞323的截面积比、谐振子动质量以及弹性复位件330刚度的变化可实现两侧任意声阻抗的匹配，使整个系统的结构更加紧凑。
发明提供了一种发电装置，采用斯特林发动机100将热能转化为声能，配合双向透平发电装置200将声能转化为机械能进行发电，从而实现热能发电的目的。
由于双向透平发电装置200作为斯特林发动机100的负载，在声场中，作为负载的双向透平发电装置200与产生声能的斯特林发动机100必须匹配，才能实现高效运行以获得高性能的整机系统。本发明利用调相机构300实现双向透平发电装置200与斯特林发动机100阻抗匹配，从而获得简单可靠、具有良好功率可扩展性和经济性的发电装置。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种发电装置，其特征在于，包括斯特林发动机、调相机构和双向透平发电装置，所述斯特林发动机经所述调相机构与所述双向透平发电装置相连。
2.如权利要求1所述的一种发电装置，其特征在于：所述调相机构为声学谐振管。
3.如权利要求2所述的一种发电装置，其特征在于：所述双向透平发电装置装设在所述声学谐振管内。
4.如权利要求3所述的一种发电装置，其特征在于：所述声学谐振管背离所述斯特林发动机的一端装设有气库，所述双向透平发电机装置装设在所述气库的入口端。
5.如权利要求2所述的一种发电装置，其特征在于：所述声学谐振管的声感关系式为：
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其中：L表示声学谐振管的声感；A表示声学谐振管的截面积；ρm表示声学谐振管内的工作介质密度；Δx表示声学谐振管的长度。
6.如权利要求1所述的一种发电装置，其特征在于：所述调相机构为谐振子。
7.如权利要求6所述的一种发电装置，其特征在于：所述斯特林发动机通过所述谐振子与所述双向透平发电装置相连接，且所述双向透平发电装置末端还装设有一气库。
8.如权利要求7所述的一种发电装置，其特征在于：所述斯特林发动机通过所述双向透平发电装置与所述谐振子相连。
9.如权利要求6所述的一种发电装置，其特征在于：所述谐振子包括缸体、活塞和弹性复位件，所述活塞与所述缸体适配并装设在所述缸体内，且所述弹性复位件一端固定在所述缸体内，其另一端与所述活塞相连。
10.如权利要求1-9任一项所述的一种发电装置，其特征在于：所述斯特林发动机为多台，且当所述斯特林发动机为偶数台时，所述斯特林发动机每两个相互对置设置；当所述斯特林发动机为奇数台时，其中一个所述斯特林发动机通过所述调相机构与所述双向透平发电装置对置放置，其余所述斯特林发动机每两个相互对置设置。
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