CN108223188B - 一种基于斯特林发动机的废热发电嵌入式实时控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于斯特林发动机的废热发电嵌入式实时控制装置，本发明包括斯特林发动机模块、实时温度检测模块、实时电机驱动模块、可变大小皮带轮模块、固定大小皮带轮、发电机驱动轴、发电机、弹簧、活动皮带轮、导轨、皮带Ⅰ和皮带Ⅱ；所述斯特林发动机模块与可变大小皮带轮模块通过皮带Ⅰ连接，实时温度检测模块与实时电机驱动模块连接，实时电机驱动模块与可变大小皮带轮模块连接，可变大小皮带轮模块与固定大小皮带轮连接，固定大小皮带轮与发电机驱动轴通过皮带Ⅱ连接，发电机驱动轴直接驱动发电机进行发电。本发明利用皮带轮无级变速系统，可将多个中小功率的斯特林发动机组输出的力聚合起来，以此来驱动一个大型的发电机进行发电。

Description

一种基于斯特林发动机的废热发电嵌入式实时控制装置
技术领域
本发明涉及一种基于斯特林发动机的废热发电嵌入式实时控制装置，属于废热发电控制领域。
背景技术
随着社会工业的发展，大量有害气体通过烟囱排入大气，造成了空气的严重污染，同时还有大量的热量也排入大气，造成了大气温度的升高，因此，当今工业废气已成为雾霾和全球温室效应的一个重要影响因素。而斯特林发动机，作为一种外燃机，它可以有效利用工业废热，将能量由热能转化为机械能，如果能将机械能转化为电能，以此既减少了工业废气对环境的影响，同时又减少了能源的浪费，提高其利用率。
发明内容
本发明提供了一种基于斯特林发动机的废热发电嵌入式实时控制装置，用于将多个中小功率的斯特林发动机组输出的力组合起来，通过皮带轮变速系统，使各个斯特林发动机组在保持自身达到最优转速的情况下，输出到发电机驱动轴上的力大致相等，最终驱动发电机完成发电。
本发明的技术方案是：一种基于斯特林发动机的废热发电嵌入式实时控制装置，包括斯特林发动机模块1、实时温度检测模块2、实时电机驱动模块3、可变大小皮带轮模块4、固定大小皮带轮5、发电机驱动轴6、发电机7、弹簧24、活动皮带轮25、导轨26、皮带Ⅰ27和皮带Ⅱ29；所述斯特林发动机模块1与可变大小皮带轮模块4通过皮带Ⅰ27连接，实时温度检测模块2与实时电机驱动模块3连接，实时电机驱动模块3与可变大小皮带轮模块4连接，可变大小皮带轮模块4与固定大小皮带轮5连接，固定大小皮带轮5与发电机驱动轴6通过皮带Ⅱ29连接，发电机驱动轴6直接驱动发电机7进行发电；
所述斯特林发动机模块1不断的做功带动可变大小皮带轮模块4转动，实时温度检测模块2实时检测斯特林发动机模块1中热腔11与冷腔17的温度并传至实时电机驱动模块3，实时电机驱动模块3用于控制可变大小皮带轮模块4中带轮叶片28进行径向的直线运动使由多个皮带轮叶片28构成的皮带轮外径大小得到改变，可变大小皮带轮模块4的皮带轮叶片28外径大小改变，带动皮带Ⅰ27的松紧状态改变，通过弹簧24与小型活动皮带轮25的自动支撑，使皮带Ⅰ27始终保持紧绷状态，弹簧24的伸缩运动，带动小型活动皮带轮25在导轨26内运动，可变大小皮带轮模块4的运动带动固定大小皮带轮5运动，固定大小皮带轮5运动带动发电机驱动轴6直接驱动发电机7进行发电。
所述斯特林发动机模块1包括烟囱内部吸热片8、热传导导管9、烟囱外部导热片10、热腔11、冷热气体交换导管13、冷热气体交换腔14、冷腔活塞15、冷腔17、水管冷却模块18、热腔活塞19、热腔传动连接杆20、固定轴承21、驱动轮22和冷腔传动连接杆23；所述热传导导管9分别与烟囱内部吸热片8和烟囱外部导热片10连接，烟囱内部吸热片8紧贴烟囱内侧墙体，热传导导管9嵌于烟囱墙体内部，烟囱外部导热片10紧贴烟囱外侧墙体，热腔11与烟囱外部导热片10紧贴一起，冷腔17外侧与水管冷却模块18紧贴一起，热腔11与冷腔17共同通过冷热气体交换导管13连接冷热气体交换腔14，冷热气体交换腔14中充入氦气或氢气作为斯特林发动机的做功工质，热腔传动连接杆20分别与热腔活塞19和驱动轮22连接，冷腔传动连接杆23分别与冷腔活塞15和驱动轮22连接，热腔活塞19在热腔11内做直线伸缩运动，冷腔活塞15在冷腔17内做直线伸缩运动，热腔传动连接杆20与冷腔传动连接杆23共同驱动固定在固定轴承21上的驱动轮22转动，驱动轮22与可变大小皮带轮模块4通过皮带Ⅰ27连接。
所述实时温度检测模块2包括两个结构相同的热传感器Ⅰ12和热传感器Ⅱ16，热传感器Ⅰ12放置在斯特林发动机模块1中热腔活塞19的上侧，热传感器Ⅱ16放置在斯特林发动机模块1中冷腔活塞16的上侧；
其中热传感器Ⅰ12和热传感器Ⅱ16的结构均由实时温度信号采集放大电路和模数转换电路组成，实时温度信号采集放大电路将采集的温度信号放大后通过模数转换电路传至实时电机驱动模块3。
所述实时温度信号采集放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、滑动变阻器RP1、滑动变阻器RP2、热电阻传感器RI1、电容C1和放大器LM741；其中5V电源分别连接电阻R1和电阻R2的一端，电阻R1的另一端连接热电阻传感器RI1和电阻R3的一端，电阻R2连接滑动变阻器RP1、电阻R3、电阻R4的一端，热电阻传感器RI1和滑动变阻器RP1的另一端共同接地，电阻R4的另一端分别连接电容C1、电阻R6的一端及放大器LM741的同相输入端，电容C1和电阻R6的另一端接地，放大器LM741的反相输入端连接电阻R5的一端、电阻R3的另一端，电阻R5的另一端连接滑动变阻器RP2的一端，滑动变阻器RP2的另一端连接放大器LM741的输出端，放大器LM741的输出端接模数转换电路中模数转换器ADC0809的IN0端口。
所述热电阻传感器RI1使用型号为PT100温度传感器。
所述模数转换电路包括模数转换器ADC0809、两个或非门74LS02；其中模数转换器ADC0809的ref(-)管脚接地，ref(+)管脚接5V电源，IN-0管脚接实时温度信号采集放大电路中放大器LM741的输出端，ADD-A、ADD-BH和ADD-C管脚同时接地，2-1至2-8管脚接实时电机驱动模块3中单片机AT89C51的P0.0至P0.7管脚，ALE和START管脚接一个或非门74LS02的输出口且该或非门74LS02的输入口分别接实时电机驱动模块3中单片机AT89C51的和P2.7管脚，ENABLE管脚接另一个或非门74LS02的输出口且该或非门74LS02的输入口分别接实时电机驱动模块3中单片机AT89C51的/>和P2.7管脚。
所述实时电机驱动模块3包括单片机AT89C51、驱动器ULN2003、晶振Y1，电容C2、电容C3、电容C4、电阻R7、开关K1；其中单片机AT89C51的RST管脚接电容C2、电阻R7和开关K1的一端，电容C2、开关K1的另一端接5V电源，电阻R7的另一端接地，单片机AT89C51的X1管脚并联晶振Y1和电容C3一端，单片机AT89C51的X2管脚并联晶振Y1和电容C4一端，电容C3和电容C4的另一端同时接地，单片机AT89C51的管脚接电源，单片机AT89C51的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7管脚分别接入驱动器ULN2003的1B、2B、3B、4B管脚，驱动器ULN2003的GND管脚接地，驱动器ULN2003的1C、2C、3C、4C管脚分别接可变大小皮带轮模块4中步进电机40的3、4、5、6接口，驱动器ULN2003的VCC管脚接电源。
所述可变大小皮带轮模块4包括皮带轮叶片28、螺纹杆30、固定螺母31、被动锥形齿轮32、主动锥形齿轮33、齿轮轴34、齿轮槽35、固定轴36、圆柱齿轮Ⅰ37、圆柱齿轮Ⅱ38、电机驱动齿轮39、步进电机40；所述皮带轮叶片28通过皮带Ⅰ27与斯特林发动机模块1连接，通过斯特林发动机模块1带动皮带轮叶片28转动，皮带轮叶片28转动带动固定在固定轴36上的固定大小皮带轮5运动，固定螺母31固定在皮带轮叶片28的内侧边缘，螺纹杆30从固定螺母31中穿过固定在被动锥形齿轮32上，主动锥形齿轮33与固定在固定轴36上的被动锥形齿轮32通过轮齿咬合固定在一起，用来改变传动方向，主动锥形齿轮33固定在齿轮轴34上，齿轮轴34的下部有齿轮槽35，齿轮槽35与圆柱齿轮Ⅰ37通过轮齿咬合固定在一起，圆柱齿轮Ⅰ37与圆柱齿轮Ⅱ38固定在一起，圆柱齿轮Ⅰ37与圆柱齿轮Ⅱ38通过轴承固定在固定轴36上，步进电机40固定在固定轴36上，电机驱动齿轮39固定在步进电机40驱动轴上且与圆柱齿轮Ⅱ38通过轮齿咬合固定在一起；步进电机40工作，驱动电机驱动齿轮39带动圆柱齿轮Ⅱ38与圆柱齿轮Ⅰ37转动，圆柱齿轮Ⅰ37带动齿轮轴34转动，通过主动锥形齿轮33将传动力转移到被动锥形齿轮32上，被动锥形齿轮32与螺纹杆30同步转动，螺纹杆30转动推动固定螺母31运动带动皮带轮叶片28进行径向的直线运动使由多个皮带轮叶片28构成的皮带轮外径大小得到改变。
本发明的有益效果是：本发明利用皮带轮无级变速系统，可将多个中小功率的斯特林发动机组输出的力聚合起来，以此可以用来驱动一个大型的发电机进行发电。通过本发明，可充分利用工业废热，提高能源利用率，减少工业废热对大气的危害，同时减轻工业废热对温室效应的影响。
附图说明
图1是本发明的总体结构框图；
图2是本发明斯特林发动机模块、可变大小皮带轮模块的结构示意图；
图3是本发明中实时温度信号采集放大电路图；
图4是本发明模数转换电路图；
图5是本发明实时电机驱动模块电路图；
图6是可变大小皮带轮模块结构完整俯视图；
图7是可变大小皮带轮模块结构部分正视图；
图中标号：1-斯特林发动机模块，2-实时温度检测模块，3-实时电机驱动模块，4-可变大小皮带轮模块，5-固定大小皮带轮，6-发电机驱动轴，7-发电机，8-烟囱内部吸热片，9-热传导导管，10-烟囱外部导热片，11-热腔，12-热传感器Ⅰ，13-冷热气体交换导管，14-冷热气体交换腔，15-冷腔活塞，16-热传感器Ⅱ，17-冷腔，18-水管冷却模块，19-热腔活塞，20-热腔传动连接杆，21-固定轴承，22-驱动轮，23-冷腔传动连接杆，24-弹簧，25-小型活动皮带轮，26-导轨，27-皮带Ⅰ，28-皮带轮叶片，29-皮带Ⅱ，30-螺纹杆，31-固定螺母，32-被动锥形齿轮，33-主动锥形齿轮，34-齿轮轴，35-齿轮槽，36-固定轴，37-圆柱齿轮Ⅰ，38-圆柱齿轮Ⅱ，39-电机驱动齿轮，40-步进电机。
具体实施方式
实施例1：如图1-7所示，一种基于斯特林发动机的废热发电嵌入式实时控制装置，包括斯特林发动机模块1、实时温度检测模块2、实时电机驱动模块3、可变大小皮带轮模块4、固定大小皮带轮5、发电机驱动轴6、发电机7、弹簧24、活动皮带轮25、导轨26、皮带Ⅰ27和皮带Ⅱ29；所述斯特林发动机模块1与可变大小皮带轮模块4通过皮带Ⅰ27连接，实时温度检测模块2与实时电机驱动模块3连接，实时电机驱动模块3与可变大小皮带轮模块4连接，可变大小皮带轮模块4与固定大小皮带轮5连接，固定大小皮带轮5与发电机驱动轴6通过皮带Ⅱ29连接，发电机驱动轴6直接驱动发电机7进行发电；
所述斯特林发动机模块1不断的做功带动可变大小皮带轮模块4转动，实时温度检测模块2实时检测斯特林发动机模块1中热腔11与冷腔17的温度并传至实时电机驱动模块3，实时电机驱动模块3用于控制可变大小皮带轮模块4中带轮叶片28进行径向的直线运动使由多个皮带轮叶片28构成的皮带轮外径大小得到改变，可变大小皮带轮模块4的皮带轮叶片28外径大小改变，带动皮带Ⅰ27的松紧状态改变，通过弹簧24与小型活动皮带轮25的自动支撑，使皮带Ⅰ27始终保持紧绷状态，弹簧24的伸缩运动，带动小型活动皮带轮25在导轨26内运动，可变大小皮带轮模块4的运动带动固定大小皮带轮5运动，固定大小皮带轮5运动带动发电机驱动轴6直接驱动发电机7进行发电。
进一步地，可以设置所述斯特林发动机模块1包括烟囱内部吸热片8、热传导导管9、烟囱外部导热片10、热腔11、冷热气体交换导管13、冷热气体交换腔14、冷腔活塞15、冷腔17、水管冷却模块18、热腔活塞19、热腔传动连接杆20、固定轴承21、驱动轮22和冷腔传动连接杆23；所述热传导导管9分别与烟囱内部吸热片8和烟囱外部导热片10连接，烟囱内部吸热片8紧贴烟囱内侧墙体，热传导导管9嵌于烟囱墙体内部，烟囱外部导热片10紧贴烟囱外侧墙体，热腔11与烟囱外部导热片10紧贴一起，冷腔17外侧与水管冷却模块18紧贴一起，热腔11与冷腔17共同通过冷热气体交换导管13连接冷热气体交换腔14，冷热气体交换腔14中充入氦气或氢气作为斯特林发动机的做功工质，热腔传动连接杆20分别与热腔活塞19和驱动轮22连接，冷腔传动连接杆23分别与冷腔活塞15和驱动轮22连接，热腔活塞19在热腔11内做直线伸缩运动，冷腔活塞15在冷腔17内做直线伸缩运动，热腔传动连接杆20与冷腔传动连接杆23共同驱动固定在固定轴承21上的驱动轮22转动，驱动轮22与可变大小皮带轮模块4通过皮带Ⅰ27连接。
进一步地，可以设置所述实时温度检测模块2包括两个结构相同的热传感器Ⅰ12和热传感器Ⅱ16，热传感器Ⅰ12放置在斯特林发动机模块1中热腔活塞19的上侧，热传感器Ⅱ16放置在斯特林发动机模块1中冷腔活塞16的上侧；其中热传感器Ⅰ12和热传感器Ⅱ16的结构均由实时温度信号采集放大电路和模数转换电路组成，实时温度信号采集放大电路将采集的温度信号放大后通过模数转换电路传至实时电机驱动模块3。
进一步地，可以设置所述实时温度信号采集放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、滑动变阻器RP1、滑动变阻器RP2、热电阻传感器RI1、电容C1和放大器LM741；其中5V电源分别连接电阻R1和电阻R2的一端，电阻R1的另一端连接热电阻传感器RI1和电阻R3的一端，电阻R2连接滑动变阻器RP1、电阻R3、电阻R4的一端，热电阻传感器RI1和滑动变阻器RP1的另一端共同接地，电阻R4的另一端分别连接电容C1、电阻R6的一端及放大器LM741的同相输入端，电容C1和电阻R6的另一端接地，放大器LM741的反相输入端连接电阻R5的一端、电阻R3的另一端，电阻R5的另一端连接滑动变阻器RP2的一端，滑动变阻器RP2的另一端连接放大器LM741的输出端，放大器LM741的输出端接模数转换电路中模数转换器ADC0809的IN0端口。
进一步地，可以设置所述热电阻传感器RI1使用型号为PT100温度传感器。
进一步地，可以设置所述模数转换电路包括模数转换器ADC0809、两个或非门74LS02；其中模数转换器ADC0809的ref(-)管脚接地，ref(+)管脚接5V电源，IN-0管脚接实时温度信号采集放大电路中放大器LM741的输出端，ADD-A、ADD-BH和ADD-C管脚同时接地，2-1至2-8管脚接实时电机驱动模块3中单片机AT89C51的P0.0至P0.7管脚，ALE和START管脚接一个或非门74LS02的输出口且该或非门74LS02的输入口分别接实时电机驱动模块3中单片机AT89C51的和P2.7管脚，ENABLE管脚接另一个或非门74LS02的输出口且该或非门74LS02的输入口分别接实时电机驱动模块3中单片机AT89C51的/>和P2.7管脚。
进一步地，可以设置所述实时电机驱动模块3包括单片机AT89C51、驱动器ULN2003、晶振Y1，电容C2、电容C3、电容C4、电阻R7、开关K1；其中单片机AT89C51的RST管脚接电容C2、电阻R7和开关K1的一端，电容C2、开关K1的另一端接5V电源，电阻R7的另一端接地，单片机AT89C51的X1管脚并联晶振Y1和电容C3一端，单片机AT89C51的X2管脚并联晶振Y1和电容C4一端，电容C3和电容C4的另一端同时接地，单片机AT89C51的管脚接电源，单片机AT89C51的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7管脚分别接入驱动器ULN2003的1B、2B、3B、4B管脚，驱动器ULN2003的GND管脚接地，驱动器ULN2003的1C、2C、3C、4C管脚分别接可变大小皮带轮模块4中步进电机40的3、4、5、6接口，驱动器ULN2003的VCC管脚接电源，步进电机的1、2管脚并联接电源。
进一步地，可以设置所述可变大小皮带轮模块4包括皮带轮叶片28、螺纹杆30、固定螺母31、被动锥形齿轮32、主动锥形齿轮33、齿轮轴34、齿轮槽35、固定轴36、圆柱齿轮Ⅰ37、圆柱齿轮Ⅱ38、电机驱动齿轮39、步进电机40；所述皮带轮叶片28通过皮带Ⅰ27与斯特林发动机模块1连接，通过斯特林发动机模块1带动皮带轮叶片28转动，皮带轮叶片28转动带动固定在固定轴36上的固定大小皮带轮5运动，固定螺母31固定在皮带轮叶片28的内侧边缘，螺纹杆30从固定螺母31中穿过固定在被动锥形齿轮32上，主动锥形齿轮33与固定在固定轴36上的被动锥形齿轮32通过轮齿咬合固定在一起，用来改变传动方向，主动锥形齿轮33固定在齿轮轴34上，齿轮轴34的下部有齿轮槽35，齿轮槽35与圆柱齿轮Ⅰ37通过轮齿咬合固定在一起，圆柱齿轮Ⅰ37与圆柱齿轮Ⅱ38固定在一起，圆柱齿轮Ⅰ37与圆柱齿轮Ⅱ38通过轴承固定在固定轴36上，步进电机40固定在固定轴36上，电机驱动齿轮39固定在步进电机40驱动轴上且与圆柱齿轮Ⅱ38通过轮齿咬合固定在一起；步进电机40工作，驱动电机驱动齿轮39带动圆柱齿轮Ⅱ38与圆柱齿轮Ⅰ37转动，圆柱齿轮Ⅰ37带动齿轮轴34转动，通过主动锥形齿轮33将传动力转移到被动锥形齿轮32上，被动锥形齿轮32与螺纹杆30同步转动，螺纹杆30转动推动固定螺母31运动带动皮带轮叶片28进行径向的直线运动使由多个皮带轮叶片28构成的皮带轮外径大小得到改变。
进一步地，可以设置从烟囱底部一直向上直线排列安装多个中小功率的斯特林发动机组，围绕烟囱一圈可安装多列这样的斯特林发动机组（从下往上算一列，围着烟囱一圈可以安装多列），每列斯特林发动机组除发电机驱动轴6、发电机7一组外，其余部件为多组，其余部件共用一组发电机驱动轴6、发电机7。
本发明的工作原理是：
本发明从烟囱底部一直向上直线排列安装多个中小功率的斯特林发动机组，围绕烟囱一圈可安装多列这样的斯特林发动机组（从下往上算一列，围着烟囱一圈可以安装多列），最高安装位置根据所处高度的温度来决定，要保证每台斯特林发动机组都能正常工作，以此发挥斯特林发动机组的最大效用，同时也能最大限度的利用烟囱热量。烟囱内部吸热片8通过热传导导管9将热量传到烟囱外部导热片10，热腔11腔体紧贴烟囱外部导热片10，利用此热量来对热腔11内的工质做功，冷腔17紧贴水管冷却模块18，水管冷却模块18由冷水管柱组成，冷水管柱竖直并与烟囱平行，通过冷水管冷却冷腔内的工质，以此使斯特林发动机组循环不断的做功。热腔11和冷腔17通过冷热气体交换导管13相连，导管中间部分加粗形成冷热气体交换腔14，以便充入更多氢气或氦气，使斯特林发动机组工作更加顺畅。
热腔活塞19与热腔传动连接杆20连接，冷腔活塞15与冷腔传动连接杆23连接，热腔传动连接杆20和冷腔传动连接杆23连接在一个驱动轮22外侧的同一点，连接杆与活塞之间可以自由旋转角度，保证在正常工作情况下连接杆不会与热腔11或冷腔17的腔体接触，驱动轮22中间安装固定轴承21，同时固定在一个固定杆上，以此保证固定杆不会跟着驱动轮22转动。
驱动轮22通过皮带Ⅰ27与一个可改变外径大小的皮带轮连接，同时可改变外径大小的皮带轮与一个固定大小的皮带轮5同心的固定在一根固定轴36上，该固定大小的皮带轮与发电机的驱动轴6通过皮带Ⅱ29相连，最终发电机驱动轴6转动以完成发电机7的发电工作。因为使用了一个可改变外径大小的皮带轮，所以当其外径大小改变时，会造成与它连接皮带Ⅰ27的松紧变化，利用一根弹簧24和一个小型活动皮带轮25的自动支撑作用使皮带Ⅰ27保持紧绷状态，小型活动皮带轮25固定在弹簧24边缘，但要保证小型活动皮带轮25能够自由转动，小型活动皮带轮25紧贴连接可改变外径大小皮带轮的皮带Ⅰ27，当可改变外径大小的皮带轮变得最大时，保证弹簧依然能使小型活动皮带轮25与皮带Ⅰ27接触，而此时的皮带Ⅰ27长度正是工作所需的长度，与此同时，弹簧24和小型活动皮带轮25被限制在一个导轨26内运动，弹簧24只能沿着导轨26进行伸缩变化，而固定大小皮带轮5与发电机驱动轴6之间的皮带Ⅱ29，只需使用合适的长度即可，它不会出现皮带的松紧变化。
可改变外径大小的皮带轮，其结构是使用多个扇形皮带轮叶片28，如本发明配图中使用了8个叶片，每个扇形叶片的内径中心固定一个固定螺母31，其间穿过一根螺纹杆30，螺纹杆30的一端空置在叶片上方，另一端与一个竖直放置的被动锥形齿轮32固定在一起，同时该被动锥形齿轮32固定在一根固定轴36上，该竖直放置的被动锥形齿轮32同时又与一个水平放置的主动锥形齿轮33通过轮齿咬合在一起，以此实现力的传动方向的改变，通过竖直放置的被动锥形齿轮32的旋转，带动螺纹杆30的旋转，因为固定螺母31是固定的，所以螺纹杆30旋转就会带动皮带轮叶片28的径向直线运动，以此就可以改变皮带轮叶片28的外径大小，而水平放置的主动锥形齿轮33固定在一根齿轮轴34上，该齿轮轴34下端部分有齿轮槽35，中间是光滑的，下端圆柱齿轮槽35与一个大的圆柱齿轮Ⅰ37咬合在一起，该圆柱齿轮Ⅰ37与另一个圆柱齿轮Ⅱ38固定在一起，并且它们嵌套在与固定可变大小和大小不变皮带轮的同一根固定轴36上，圆柱齿轮Ⅱ38与电机驱动齿轮39通过轮齿咬合在一起，电机驱动齿轮39安装在步进电机上。
斯特林发动机组工作时，热传感器Ⅰ12和热传感器Ⅱ16将所测得的温度上传给单片机AT89C51，根据计算得到热腔11与冷腔17之间的温度差，通过查询斯特林最优转速表可估算出此温度差下的斯特林发动机组的驱动轮22转速（如果估算驱动轮22的速度为300，要保证发电机驱动轴6的转速是100转，需要通过单片机控制步进电机40实现皮带轮叶片28和大小皮带轮5的半径比为3：1），单片机AT89C51控制步进电机40工作，步进电机40的转动带动圆柱齿轮Ⅱ38和圆柱齿轮Ⅰ37转动，圆柱齿轮Ⅰ37的周围有多根齿轮轴34，齿轮轴34的数量根据皮带轮叶片28数量来决定，齿轮轴34转动，带动水平主动锥形齿轮33和垂直被动锥形齿轮32转动，从而带动螺纹杆30的转动，螺纹杆30转动，就导致皮带轮叶片28顺着径向方向做直线运动，从而调节可变大小皮带轮的外径大小，通过多组这样的皮带轮变速系统，使各个斯特林发动机组能保持自己的最优转速，同时使固定大小皮带轮5的转速保持恒定，再通过皮带Ⅱ29连接固定大小皮带轮5和发电机驱动轴6，从而将斯特林发动机组的机械能转移到发电机驱动轴6上，最终驱动发电机7工作完成发电。
上面结合图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于斯特林发动机的废热发电嵌入式实时控制装置，其特征在于：包括斯特林发动机模块(1)、实时温度检测模块(2)、实时电机驱动模块(3)、可变大小皮带轮模块(4)、固定大小皮带轮(5)、发电机驱动轴(6)、发电机(7)、弹簧(24)、活动皮带轮(25)、导轨(26)、皮带Ⅰ(27)和皮带Ⅱ(29)；所述斯特林发动机模块(1)与可变大小皮带轮模块(4)通过皮带Ⅰ(27)连接，实时温度检测模块(2)与实时电机驱动模块(3)连接，实时电机驱动模块(3)与可变大小皮带轮模块(4)连接，可变大小皮带轮模块(4)与固定大小皮带轮(5)连接，固定大小皮带轮(5)与发电机驱动轴(6)通过皮带Ⅱ(29)连接，发电机驱动轴(6)直接驱动发电机(7)进行发电；
所述斯特林发动机模块(1)不断的做功带动可变大小皮带轮模块(4)转动，实时温度检测模块(2)实时检测斯特林发动机模块(1)中热腔(11)与冷腔(17)的温度并传至实时电机驱动模块(3)，实时电机驱动模块(3)用于控制可变大小皮带轮模块(4)中带轮叶片(28)进行径向的直线运动使由多个皮带轮叶片(28)构成的皮带轮外径大小得到改变，可变大小皮带轮模块(4)的皮带轮叶片(28)外径大小改变，带动皮带Ⅰ(27)的松紧状态改变，通过弹簧(24)与小型活动皮带轮(25)的自动支撑，使皮带Ⅰ(27)始终保持紧绷状态，弹簧(24)的伸缩运动，带动小型活动皮带轮(25)在导轨(26)内运动，可变大小皮带轮模块(4)的运动带动固定大小皮带轮(5)运动，固定大小皮带轮(5)运动带动发电机驱动轴(6)直接驱动发电机(7)进行发电；
所述斯特林发动机模块(1)包括烟囱内部吸热片(8)、热传导导管(9)、烟囱外部导热片(10)、热腔(11)、冷热气体交换导管(13)、冷热气体交换腔(14)、冷腔活塞(15)、冷腔(17)、水管冷却模块(18)、热腔活塞(19)、热腔传动连接杆(20)、固定轴承(21)、驱动轮(22)和冷腔传动连接杆(23)；所述热传导导管(9)分别与烟囱内部吸热片(8)和烟囱外部导热片(10)连接，烟囱内部吸热片(8)紧贴烟囱内侧墙体，热传导导管(9)嵌于烟囱墙体内部，烟囱外部导热片(10)紧贴烟囱外侧墙体，热腔(11)与烟囱外部导热片(10)紧贴一起，冷腔(17)外侧与水管冷却模块(18)紧贴一起，热腔(11)与冷腔(17)共同通过冷热气体交换导管(13)连接冷热气体交换腔(14)，冷热气体交换腔(14)中充入氦气或氢气作为斯特林发动机的做功工质，热腔传动连接杆(20)分别与热腔活塞(19)和驱动轮(22)连接，冷腔传动连接杆(23)分别与冷腔活塞(15)和驱动轮(22)连接，热腔活塞(19)在热腔(11)内做直线伸缩运动，冷腔活塞(15)在冷腔(17)内做直线伸缩运动，热腔传动连接杆(20)与冷腔传动连接杆(23)共同驱动固定在固定轴承(21)上的驱动轮(22)转动，驱动轮(22)与可变大小皮带轮模块(4)通过皮带Ⅰ(27)连接；
所述可变大小皮带轮模块(4)包括皮带轮叶片(28)、螺纹杆(30)、固定螺母(31)、被动锥形齿轮(32)、主动锥形齿轮(33)、齿轮轴(34)、齿轮槽(35)、固定轴(36)、圆柱齿轮Ⅰ(37)、圆柱齿轮Ⅱ(38)、电机驱动齿轮(39)、步进电机(40)；所述皮带轮叶片(28)通过皮带Ⅰ(27)与斯特林发动机模块(1)连接，通过斯特林发动机模块(1)带动皮带轮叶片(28)转动，皮带轮叶片(28)转动带动固定在固定轴(36)上的固定大小皮带轮(5)运动，固定螺母(31)固定在皮带轮叶片(28)的内侧边缘，螺纹杆(30)从固定螺母(31)中穿过固定在被动锥形齿轮(32)上，主动锥形齿轮(33)与固定在固定轴(36)上的被动锥形齿轮(32)通过轮齿咬合固定在一起，用来改变传动方向，主动锥形齿轮(33)固定在齿轮轴(34)上，齿轮轴(34)的下部有齿轮槽(35)，齿轮槽(35)与圆柱齿轮Ⅰ(37)通过轮齿咬合固定在一起，圆柱齿轮Ⅰ(37)与圆柱齿轮Ⅱ(38)固定在一起，圆柱齿轮Ⅰ(37)与圆柱齿轮Ⅱ(38)通过轴承固定在固定轴(36)上，步进电机(40)固定在固定轴(36)上，电机驱动齿轮(39)固定在步进电机(40)驱动轴上且与圆柱齿轮Ⅱ(38)通过轮齿咬合固定在一起；步进电机(40)工作，驱动电机驱动齿轮(39)带动圆柱齿轮Ⅱ(38)与圆柱齿轮Ⅰ(37)转动，圆柱齿轮Ⅰ(37)带动齿轮轴(34)转动，通过主动锥形齿轮(33)将传动力转移到被动锥形齿轮(32)上，被动锥形齿轮(32)与螺纹杆(30)同步转动，螺纹杆(30)转动推动固定螺母(31)运动带动皮带轮叶片(28)进行径向的直线运动使由多个皮带轮叶片(28)构成的皮带轮外径大小得到改变。
2.根据权利要求1所述的基于斯特林发动机的废热发电嵌入式实时控制装置，其特征在于：所述实时温度检测模块(2)包括两个结构相同的热传感器Ⅰ(12)和热传感器Ⅱ(16)，热传感器Ⅰ(12)放置在斯特林发动机模块(1)中热腔活塞(19)的上侧，热传感器Ⅱ(16)放置在斯特林发动机模块(1)中冷腔活塞(15)的上侧；
其中热传感器Ⅰ(12)和热传感器Ⅱ(16)的结构均由实时温度信号采集放大电路和模数转换电路组成，实时温度信号采集放大电路将采集的温度信号放大后通过模数转换电路传至实时电机驱动模块(3)。
3.根据权利要求2所述的基于斯特林发动机的废热发电嵌入式实时控制装置，其特征在于：所述实时温度信号采集放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、滑动变阻器RP1、滑动变阻器RP2、热电阻传感器RI1、电容C1和放大器LM741；其中5V电源分别连接电阻R1和电阻R2的一端，电阻R1的另一端连接热电阻传感器RI1和电阻R3的一端，电阻R2连接滑动变阻器RP1、电阻R3、电阻R4的一端，热电阻传感器RI1和滑动变阻器RP1的另一端共同接地，电阻R4的另一端分别连接电容C1、电阻R6的一端及放大器LM741的同相输入端，电容C1和电阻R6的另一端接地，放大器LM741的反相输入端连接电阻R5的一端、电阻R3的另一端，电阻R5的另一端连接滑动变阻器RP2的一端，滑动变阻器RP2的另一端连接放大器LM741的输出端，放大器LM741的输出端接模数转换电路中模数转换器ADC0809的IN0端口。
4.根据权利要求3所述的基于斯特林发动机的废热发电嵌入式实时控制装置，其特征在于：所述热电阻传感器RI1使用型号为PT100温度传感器。
5.根据权利要求2所述的基于斯特林发动机的废热发电嵌入式实时控制装置，其特征在于：所述模数转换电路包括模数转换器ADC0809、两个或非门74LS02；其中模数转换器ADC0809的ref(-)管脚接地，ref(+)管脚接5V电源，IN-0管脚接实时温度信号采集放大电路中放大器LM741的输出端，ADD-A、ADD-BH和ADD-C管脚同时接地，2-1至2-8管脚接实时电机驱动模块(3)中单片机AT89C51的P0.0至P0.7管脚，ALE和START管脚接一个或非门74LS02的输出口且该或非门74LS02的输入口分别接实时电机驱动模块(3)中单片机AT89C51的和P2.7管脚，ENABLE管脚接另一个或非门74LS02的输出口且该或非门74LS02的输入口分别接实时电机驱动模块(3)中单片机AT89C51的/>和P2.7管脚。
6.根据权利要求1所述的基于斯特林发动机的废热发电嵌入式实时控制装置，其特征在于：所述实时电机驱动模块(3)包括单片机AT89C51、驱动器ULN2003、晶振Y1，电容C2、电容C3、电容C4、电阻R7、开关K1；其中单片机AT89C51的RST管脚接电容C2、电阻R7和开关K1的一端，电容C2、开关K1的另一端接5V电源，电阻R7的另一端接地，单片机AT89C51的X1管脚并联晶振Y1和电容C3一端，单片机AT89C51的X2管脚并联晶振Y1和电容C4一端，电容C3和电容C4的另一端同时接地，单片机AT89C51的管脚接电源，单片机AT89C51的P2.4、P2.5、P2.6、P2.7管脚分别接入驱动器ULN2003的1B、2B、3B、4B管脚，驱动器ULN2003的GND管脚接地，驱动器ULN2003的1C、2C、3C、4C管脚分别接可变大小皮带轮模块(4)中步进电机(40)的3、4、5、6接口，驱动器ULN2003的VCC管脚接电源。
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