CN108571396A - 一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置 - Google Patents

一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置 Download PDF

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Abstract

一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置，由两组加热器(3)、散热器(4)和外壳(9)构成两个空间，空间内充满工作物质，每个空间内设置一个移气活塞(5)；两个空间通过气缸(7)连接起来，两个移气活塞(5)通过处于气缸(7)内的做功活塞(6)连接起来。在两个空间压力差的作用下，做功活塞(6)发生移动，并带动压力大的一侧的移气活塞(5)将工作物质转移到散热器(4)一侧而压力变小，带动压力小的一侧的移气活塞(5)将压力小的一侧的工作物质转移到加热器(3)一侧而压力变大。如此推动做工活塞(6)往复运动，带动直线发电机输出电能。

Description

一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置
技术领域
本发明涉及一种斯特林热机发电装置，更具体地讲涉及一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置。
背景技术
斯特林热机是一种外热式热机，通过外部热源加热内部工质，通过工质的吸热膨胀和放热压缩等过程推动活塞运动，将热能转换为机械能。斯特林热机的工作过程遵循卡诺循环，由于没有内燃机的爆震过程，其理论热效率接近卡诺循环效率。相比同样是利用余热发电的半导体温差发电技术，斯特林热机发电技术具有效率高，输出功率大等特点。斯特林热机可以将低品质热源，比如太阳热、工厂余热等转换为机械动能，带动发电机发电，转换为电能，实现将低品位能源转换为高品位能源的的功能，具有节能环保的优点。
斯特林热机气缸内的工质压力越高对于提高其做功能力和热效率越有利。但是现有的斯特林热机通过活塞密封缸内工作物质，由于活塞需要工作在高频往复运动状态，因此在工艺上很难解决气体的密封问题，这直接影响了气缸内气体的工作压力，也直接导致了其输出扭矩较小，影响了其输出功率和热转换效率的提高。
斯特林热机的一个工作周期需要经历四个过程：等温吸热，绝热膨胀，等温放热，绝热压缩，其中只有绝热膨胀过程对外做功。与内燃机不同，斯特林热机的全过程内，外部热源都在提供热量加热，因此可见，有相当一部分的时间和能量被直接浪费掉，这也是其输出功率和热转换效率很难提高的重要原因。另外，斯特林发动机需要提供足够的转速或者运动频率，才能保证其所负载的发电机具有足够的发电能力和效率。现有斯特林发动机的转速或者运动频率主要由冷热源的温度差决定，因此低温热源很难产生足够温差，这显然限制了其在低品位热源条件下工作的性能的提高。
发明内容
为能够制作出一种在低温差热源下能够高效率，大功率实现热电转换的装置，本发明人发明了一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置，可以解决工质的密封问题，实现工质在高压力下工作；同样温差下，可以提高活塞的运动频率，提高整机的发电效率和发电能力。
如图1，双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置由双缸直连活塞移气式双作用斯特林热机和直线发电机两部分组成。
其中双缸直连活塞移气式双作用斯特林热机包含：高温热源(1)、低温热源(2)、加热器(3)、散热器(4)、移气活塞(5)、做功活塞(6)、气缸(7)、移相机构(8)和基座(9)。
其组成结构是：
加热器(3)、散热器(4)、气缸(7)和基座(9)组成一个密封空间，内部充满工作物质。气缸(7)通过其两端将左右两个同样的所述密封空间连接起来。做功活塞(6)被放置在气缸(7)内部，将所述连接起来的两个密封空间分割开来，成为A空间和B空间，并可以在气缸(7)内部来回自由移动，改变其左右两个空间的大小。在做功活塞(6)一侧密封空间的工作物质的膨胀压力作用下，做功活塞(6)向其另一侧密封空间移动，并对所述另一侧密封空间内的工作物质产生压缩作用。
高温热源(1)和低温热源(2)是一对存在相对温度差的两个区域，高温热源(1)位于加热器(3)的一侧，低温热源(2)位于散热器(4)的一侧。
加热器(3)由导热材料制成，热量可以由外部高温热源(1)通过加热器(3)传递给内部工作物质，使内部工作物质受热膨胀。
散热器(4)由导热材料制成，内部工作物质可以通过散热器(4)向低温热源(2)散热，使内部工作物质冷却收缩。
移气活塞(5)是由绝热轻质材料制作成的一种填充体。移气活塞(5)被放置在加热器(3)和散热器(4)之间的空间内，并且可以在加热器(3)和散热器(4)之间来回移动，起到把内部工作物质在加热器(3)和散热器(4)之间来回移动的作用。当移气活塞(5)移动到靠近加热器(3)一侧时，内部工作物质被排挤到靠近散热器(4)一侧的空间，此时隔绝了高温热源(1)对内部工作物质的加热作用，内部工作物质只能通过散热器(4)散热，冷却，收缩；当移气活塞(5)移动到靠近散热器(4)一侧时，内部工作物质被排挤到靠近加热器(3)一侧的空间，此时隔绝了内部工作物质向低温热源(2)散热的通道，高温热源(1)通过加热器(3)对内部工作物质加热，内部工作物质受热，膨胀。
做功活塞(6)处于气缸(7)内，在其两侧空间内部工作物质的压力差作用下，在气缸(7)内部发生左右移动，带动相关机构运动，实现装置的连续移动和对外输出机械功。
移相机构(8)是一套可以将做功活塞(6)的移动以一定相位差传递给移气活塞(5)，并且使做功活塞(6)两端的工作物质的受热和散热始终处于相反的状态，并使这种状态发生周期性反转的装置。移相机构(8)可以由机械联动机构构成，也可以由磁控装置实现，还可以通过气压或者液压装置实现。
直线发电机的构成器件包含：移动磁体(10)、外部磁路(11)和发电线圈(12)。
其组成结构是：
移动磁体(10)和外部磁路(11)构成磁通回路，发电线圈(12)环绕在该磁通回路上。移动磁体(10)是一种磁导体或者磁铁，被安置在做功活塞(6)上，随着做功活塞(6)的移动而移动，所在磁路的磁阻或者磁压随着移动磁体(10)的移动而发生改变，其磁通量随着发生改变，即发电线圈(12)内部的磁通量随着移动磁体(10)的移动而发生改变，因此产生感应电动势。
双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置的工作过程是这样的：
如图2，定义做功活塞(6)左侧的空间为空间A，做功活塞(6)右侧的空间为空间B。启动之前，空间A和B内部的工作物质的受热情况相同，压力相等，即P1＝P2。所述如图2中的状态a。
启动，通过外部给一个启动动作，使做功活塞(6)移动到气缸(7)的左侧，做功活塞(6)通过左侧移相机构(8)带动左侧的移气活塞(5)向空间A所在的散热器(4)一侧的空间移动，即将空间A内部的工作物质转移到靠近空间A所在的加热器(3)一侧的空间；同时通过右侧移相机构(8)带动右侧的移气活塞(5)向空间B所在的加热器(3)一侧的空间移动，即将空间B内部的工作物质转移到靠近空间B所在的散热器(4)一侧的空间。所述如图2中的状态b。
这样空间A内部的工作物质只能被高温热源(1)加热，不能向低温热源(2)散热；而空间B内部的工作物质只能通过低温热源(2)散热，不能被高温热源(1)加热。随着高温热源(1)和低温热源(2)的不断传热和吸热，空间A内部的工作物质被加热发生膨胀，空间B内部的工作物质被散热发生收缩，即空间A内部的工作物质的压强P1开始增大，而空间B内部的工作物质的压强P2开始减小，结果空间A内部的工作物质的压强变得大于空间B内部的工作物质的压强，即P1＞P2，即产生由空间A指向空间B的压力差ΔPA→B。
在这个压力差ΔPA→B的推动下，做功活塞(6)从气缸(7)的左侧开始向右侧移动。随着做功活塞(6)的向右移动，空间B内部的工作物质被压缩。同时，做功活塞(6)通过左侧移相机构(8)带动左侧的移气活塞(5)从空间A所在的散热器(4)一侧的空间向空间A所在的加热器(3)一侧的空间移动，即将空间A内部的工作物质从靠近空间A所在的加热器(3)一侧的空间转移到靠近空间A所在的散热器(4)一侧的空间；同时通过右侧移相机构(8)带动右侧的移气活塞(5)从靠近空间B所在的加热器(3)一侧的空间向空间B所在的散热器(4)一侧的空间移动，即将空间B内部的工作物质从靠近空间B所在的散热器(4)一侧的空间转移到靠近空间B所在的加热器(3)一侧的空间。所述如图2中的状态c。
这样空间A内部的工作物质只能通过低温热源(2)散热，不能被高温热源(1)加热；而空间B内部的工作物质只能被高温热源(1)加热，不能向低温热源(2)散热。随着高温热源(1)和低温热源(2)的不断传热和吸热，空间B内部的工作物质被加热并发生膨胀，空间A内部的工作物质被散热发生收缩，即空间A内部的工作物质的压强P1开始减小，而空间B内部的工作物质的压强P2开始增大，结果空间A内部工作物质的压强与和空间B内部工作物质的压强变得相等，即从P1＞P2变成P1＝P2。随着高温热源(1)和低温热源(2)的进一步不断传热和吸热，空间A内部的工作物质的压强P1进一步减小，而空间B内部的工作物质的压强P2进一步增大，最终出现空间A内部工作物质的压强变得小于空间B内部工作物质的压强的情况，即出现P1＜P2，即产生由空间B指向空间A的压力差ΔPB→A。
在这个压力差ΔPB→A的推动下，做功活塞(6)从气缸(7)的右侧开始向左侧移动。做功活塞(6)通过左侧移相机构(8)带动左侧的移气活塞(5)从空间A所在的加热器(3)一侧的空间向空间A所在的散热器(4)一侧的空间移动，即将空间A内部的工作物质从靠近空间A所在的散热器(4)一侧的空间转移到靠近空间A所在的加热器(3)一侧的空间；同时通过右侧移相机构(8)带动右侧的移气活塞(5)从靠近空间B所在的散热器(4)一侧的空间向空间B所在的加热器(3)一侧的空间移动，即将空间B内部的工作物质从靠近空间B所在的加热器(3)一侧的空间转移到靠近空间B所在的散热器(4)一侧的空间。所述如图2中的过程d。
状态d和状态b完全相同，如此整个装置回到启动时的初始状态，完成一个周期的往复运动。在高温热源(1)和低温热源(2)的继续传热和散热作用下，即只要高温热源(1)和低温热源(2)只之间存在持续的温度差，整个装置将如此周而复始运转下去，做功活塞(6)将在气缸(5)内做往复运动。
移动磁体(10)随着做功活塞(6)不断往复运动，周期性的改变着直线发电机发电线圈(12)所在磁通回路的磁阻或者磁压，间接改变着直线发电机发电线圈(12)内部的磁通量，使发电线圈(12)发生电磁感应，产生电感应电动势，输出电能，实现将热能转换为电能输出的功能。
关于低温热源(1)和低温热源(2)，具体实施方案中，温度差的产生可以通过单独在加热器(3)一侧施加高于环境温度的热源来实现，也可以通过单独在在散热器(4)一侧施加低于环境温度的热源来实现，还可以通过同时在加热器(3)一侧加热，在散热器(4)一侧散热来实现。
在一种实施方案中，所述高温热源(1)和所述低温热源(2)的组合可以是：高温热源为环境空气；低温热源为化学物质溶解吸热产生的冷源，或者是液态氮气(液氮)或者固体二氧化碳(干冰)等气化吸热物质形成的冷源。
在第二种实施方案中，所述高温热源(1)和所述低温热源(2)的组合可以是：高温热源为燃烧发热体，或者是高温储热体，或者是化学反应发热体，比如氧化钠与水反应生热的热源或者氧化钙与水反应生热的热源；低温热源为环境空气，或者经过机械散热冷却的的环境空气。
在第三种实施方案中，所述高温热源(1)和所述低温热源(2)的组合可以是：高温热源是燃烧发热体，或者是高温储热体或者是化学反应发热体，比如氧化钠与水反应生热的热源或者氧化钙与水反应生热的热源；低温热源是化学物质溶解吸热产生的冷源，或者是液态氮气(液氮)或者固体二氧化碳(干冰)等气化吸热物质形成的冷源。
根据相关研究，高低温热源的温差越大，整个装置的能量转换效率就越高。另外考虑环保要求，以及考虑能源质量比功率的需要，优选方案是：采用氧化钠与水反应生热的方式作为高温热源，采用液态氮气(液氮)作为低温热源。因为从环保上考虑，氧化钠与水反应生热以及氧化钙与水反应生热都是零排放过程，但氧化钠与水反应生热的单位质量放热是-4.11kJ/g，而氧化钙与水反应生热的单位质量放热是-0.89kJ/g，因此优选氧化钠与水反应生热的方式作为高温热源。从提高整个装置的能量转换效率上考虑，液态氮气(液氮)的气化温度是-196℃，固体二氧化碳(干冰)的气化温度是-67℃，两者都能有效降低低温热源的温度，扩大高低温热源之间的温差，有效提高整个装置的能量转换效率。但是液态氮气(液氮)温度更低，且是液体，能与散热器充分接触，充分换热，因此优选液态氮气(液氮)作为低温热源。
移气活塞(5)是装置实现往复运动的关键核心部件。在具体实施方案中，移气活塞(5)可以采用与做功活塞(6)的运动轴线相垂直的方式运动，也可以采用与做功活塞(6)的运动轴线相平行的方式运动，可以采用围绕做功活塞(6)的运动轴线旋转的方式运动。但每种运动方式必须要要有相应形状、结构和安装方式的加热器、散热器(统称传热器)相配合，也必须要有相应的形状、结构和安装方式的移相机构相配合。
在第一种实施方式中，移气活塞(5)采用与做功活塞(6)的运动轴线相互垂直的方式运动。移向机构(8)由安装在做功活塞(6)上的磁铁组和安装在移气活塞(5)上的磁铁组共同完成。如图3，移相机构(8)由磁控装置实现，对应左右两个空间A和B内的两个移气活塞(5)各设置一套，共有两套。单套移相机构由分别安装在做功活塞(6)上的磁铁组合和安装在移气活塞(5)上的磁铁组合构成。其中，安装在做功活塞(6)上的磁铁组合由磁极并排排列，同一面上相邻磁极极性相反的两个磁铁构成，如图中左侧为磁铁8.11和磁铁8.12，右侧为磁铁8.31和磁铁8.32；安装在移气活塞(5)上的磁铁由磁极串联排列，相邻磁极极性相同的两个磁铁构成，如图中左侧为磁铁8.21和磁铁8.22，右侧为磁铁8.41和磁铁8.42。做功活塞(6)上嵌着并排排列的磁铁可以穿过移气活塞(5)上嵌着的串联排列的磁铁之间的空隙做水平方向的来回移动，即图中做功活塞(6)上面左侧嵌入的磁铁8.11和磁铁8.12可以穿过左侧移气活塞(5)上面嵌入的磁铁8.21和磁铁8.22之间的空隙做水平方向的来回移动，做功活塞(6)上面右侧嵌入的磁铁8.31和磁铁8.32可以穿过右侧移气活塞(5)上面嵌入的磁铁8.41和磁铁8.42之间的空隙做水平方向的来回移动。
如图3中状态a，当做功活塞(6)处于气缸左侧时，做功活塞(6)的左侧嵌入的磁铁8.12处于左侧移气活塞(5)上嵌入的磁铁8.21和磁铁8.22之间的空隙，由于磁铁的同相吸引和异相排斥作用，左侧空间A内的移气活塞(5)被往上抬起，处于空间A内靠近散热器(4)一侧，空间A内的工作物质被排挤到靠近加热器(3)一侧；与此同时，做功活塞(6)上面右侧嵌入的磁铁8.32处于右侧移气活塞(5)上面嵌入的磁铁8.41和磁铁8.42之间的空隙，由于磁铁的同相吸引和异相排斥作用，右侧空间B内的移气活塞(5)被往下吸引，处于空间B内靠近加热器(3)一侧，空间B内的工作物质被排挤到靠近散热器(3)一侧。空间A内的工作物质受热产生膨胀，空间B内的工作物质散热产生收缩，这样将产生由空间A指向空间B的压力差。
在这个由空间A指向空间B的压力差的推动下，做功活塞(6)向右侧移动。如图3中状态b，当做功活塞(6)处于气缸右侧时，做功活塞(6)的左侧嵌入的磁铁8.11处于左侧移气活塞(5)上面嵌入的磁铁8.21和磁铁8.22之间的空隙，由于磁铁的同相吸引和异相排斥作用，左侧空间A内的移气活塞(5)被往下吸引，处于空间A内靠近加热器(3)一侧，空间A内的工作物质被排挤到靠近散热器(4)一侧；与此同时，做功活塞(6)右侧上面嵌入的磁铁8.31处于右侧移气活塞(5)上面嵌入的磁铁8.41和磁铁8.42之间的空隙，由于磁铁的同相吸引和异相排斥作用，右侧空间B内的移气活塞(5)被往上抬起，处于空间B内靠近散热器(4)一侧，空间B内的工作物质被排挤到靠近加热器(3)一侧。空间A内的工作物质散热产生收缩，空间B内的工作物质受热产生膨胀，这样将产生由空间B指向空间A的压力差。
在这个由空间B指向空间A的压力差的推动下，做功活塞(6)将再次向左侧移动，回到如图3中状态a。如此，利用磁极极性的组合变化，在外部高/低温热源的作用下，做功活塞(6)将在气缸中发生周期性的来回移动。
在第二种实施方式中，移气活塞(5)采用与做功活塞(6)相平行的水平方式运动。如图4，加热器(3)和散热器(4)与做功活塞(6)的移动轴线呈一定的倾斜角度，移气活塞(5)通过移相机构(8)与做功活塞(6)相连。移气活塞(5)的外形呈斜面，随着做功活塞(6)左右移动时，能与加热器(3)或者散热器(4)很好的的密切配合，把空间内的工作物质排挤到靠近加热器(3)一侧的空间受热，或者把空间内的工作物质排挤到散热器(4)一侧的空间散热。
当做功活塞(6)位于气缸(7)的左侧时，如图4中状态a，左侧空间A内的移气活塞(5)贴近左侧散热器(4)而远离左侧加热器(3)；右侧空间B内的移气活塞(5)贴近右侧加热器(3)而远离右侧散热器(4)。如此，左侧空间A内的工作物质被排挤到贴近左侧加热器(3)一侧，右侧空间B内的工作物质被排挤到贴近右侧散热器(4)一侧。因此，此时左侧空间A内的工作物质只能被加热却不能散热而开始产生受热膨胀，右侧空间B内的工作物质只能被散热却不能被加热而开始产生冷却收缩，迫使做功活塞(6)往右侧移动。
当做功活塞(6)位于气缸的右侧时，如图4中状态b，左侧空间A内的移气活塞(5)贴近左侧加热器(3)而远离左侧散热器(4)；右侧空间B内的移气活塞(5)贴近右侧散热器(4)而远离右侧加热器(3)。如此，左侧空间A内的工作物质被排挤到贴近左侧散热器(4)一侧，右侧空间B内的工作物质被排挤到贴近右侧加热器(3)一侧。因此，此时左侧空间A内的工作物质只能被散热却不能被加热而开始产生散热收缩，右侧空间B内的工作物质只能被加热却不能被散热而开始产生受热膨胀，迫使做功活塞(6)往左侧移动，回到如图4中状态a。
如此，在外部高温热源(1)、低温热源(2)的作用下，做功活塞(6)将在气缸中发生周期性的来回移动。
在第三种实施方式中，同样移气活塞采用与做功活塞相平行的水平方式运动，做功活塞(6)通过移相机构(8)与做功活塞(6)直连，加热器(3)和散热器(4)呈管状结构，相对于做功活塞(6)呈内外分布放置。如图5，靠近做功活塞(6)放置的是加热器(3)，紧靠加热器(3)外面的是散热器(4)。
当做功活塞(6)处于气缸(7)左侧时，如图5中状态a，左侧空间A的移气活塞(5)处于左侧空间A的散热器(4)内，将左侧空间A内的工作物质排挤到左侧的加热器(3)内部空间；右侧空间B的移气活塞(5)处于右侧空间B的加热器(3)内，将右侧空间B内的工作物质排挤到右侧的散热器(4)内部空间；如此，左侧空间A内的工作物质只能被加热却不能散热而开始产生受热膨胀，右侧空间B内的工作物质只能被散热却不能被加热而开始产生冷却收缩，迫使做功活塞(6)往右侧移动。
当做功活塞(6)处于气缸(7)右侧时，如图5中状态b，左侧空间A的移气活塞(5)处于左侧空间A的加热器(3)内，将左侧空间A内的工作物质排挤到左侧的散热器(4)内部空间；右侧空间B的移气活塞(5)处于右侧空间B的散热器(3)内，将右侧空间B内的工作物质排挤到右侧的加热器(3)内部空间；如此，左侧空间A内的工作物质只能被散热却不能被加热而开始产生散热收缩，右侧空间B内的工作物质只能被加热却不能被散热而开始产生受热膨胀，迫使做功活塞(6)往左侧移动。
如此，在外部高温热源(3)、低温热源(4)的作用下，做工功活塞(6)将在气缸中发生周期性的来回移动。
在第四种实施方式中，移气活塞(5)采用围绕做功活塞(6)的运动轴线旋转的方式运动。如图6，加热器(3)和散热器(4)构成一个环形结构，内部圆柱状腔体充满工作物质。移气活塞(5)呈半圆形，并随着做功活塞(6)的左右移动，半圆形移气活塞(5)将围绕做功活塞(6)的移动轴线发生反转性旋转，并且左右A\B空间内的移气活塞的运动相位刚好相差180°。
如图5中状态a，当做功活塞(6)处于气缸(7)左侧时，左侧空间A内的移气活塞(5)处于左侧散热器(4)半圆内，右侧空间B内的移气活塞(5)处于右侧加热器(3)半圆内。此时左侧空间A内的工作物质将受热膨胀，右侧空间B内的工作物质将散热收缩，迫使做工活塞(6)往右侧移动。
如图6中状态b，当做工活塞(6)处于气缸(7)右侧时，左侧空间A内的移气活塞(5)处于左侧加热器(3)半圆内，右侧空间B内的移气活塞(5)处于右侧散热器(4)内。此时左侧空间A内的工作物质将散热收缩，右侧空间B内的工作物质将受热膨胀，迫使做功活塞(6)往左侧移动。
如此，在外部高/低温热源的作用下，做功活塞(6)将在气缸中发生周期性的来回移动。
关于直线发电机，既可以通过改变所说的发电线圈(12)所在的环形磁通路的磁压而使其上的磁通量发生改变，也可以通过改变所说的发电线圈(12)所在的环形磁通路的磁阻而使其上的磁通量发生改变。
在一种实施方案中，如图7中方案a1，以永久磁铁做磁源，通过移动磁源使磁路的磁压发生改变，在发电线圈L1上感应出电动势而实现发电；
在第二种实施方案中，如图7中方案a2，以永久磁铁做磁源，通过移动磁路中的一段磁体使磁路的磁阻发生改变，在发电线圈L1上感应出电动势而实现发电；
在第三种实施方案中，如图7中方案a3，以通电励磁线圈L2做磁源，通过移动磁路中的一段磁体使磁路的磁阻发生改变实现发电；
在第四种实施方案中，如图7中方案b1，以环形磁铁做磁源，发电线圈L1置于环形磁铁内部，通过移动发电线圈内部的一段磁体，使发电线圈内部的磁通量发生改变而实现发电；
在第五种实施方案中，如图7中方案b2，发电线圈L1和励磁线圈L2同轴环绕在一段移动磁体上，该段移动磁体可以相对于线圈L1和L2发生移动。通过励磁线圈L2在移动磁体上产生磁压，通过移动磁体的运动，使发电线圈内部的磁通量发生改变而实现发电。
说明书附图
图1，双缸直连活塞双作用斯特林热机结构原理图
图2，双缸直连活塞双作用斯特林热机工作过程原理图
图3，双缸直连活塞双作用斯特林热机垂直移气式移相机构原理图
图4，双缸直连活塞双作用斯特林热机(斜面传热)水平移气式移相机构原理图
图5，双缸直连活塞双作用斯特林热机(水平传热)水平移气式移相机构原理图
图6，双缸直连活塞双作用斯特林热机旋转移气式移相机构原理
图7，直线发电机原理图
图8，双缸直连活塞双作用斯特林热机具体实施方式结构原理图
图9，直线发电机具体实施方案结构原理图
图10，双缸直连活塞双作用斯特林热机具体实施方案工作过程原理图
具体实施方案
下面就本发明的具体实施方式，结合图8、图9和图10对本发明的内容给予具体说明，但不应理解为本发明的内容仅限于此。本发明的全部发明内容和要求的权利项不受该具体实施方案的限制。
如图8，本具体实施方式中斯特林热发电装置包含斯特林热机和直线发电机两部分。
斯特林热机的结构包含：高温热源(1)，低温热源(2)，散传热器(3)，散热器(4)，移气活塞(5)，做功活塞(6)，气缸(7)，移相机构(8)，基本骨架(9)；
其中，加热器(3)、散热器(4)、气缸(7)和基座(9)组成一个密封空间，内部充满工作物质。加热器(3)和散热器(4)相对于做工活塞的运动轴线呈一定倾斜角度放置。气缸(7)通过其两端将所述两个同样的密封空间连接起来。做功活塞(6)被放置在气缸(7)内部，将所述连接起来的两个密封空间分割开来，成为空间A和空间B，并可以在气缸(7)内部来回自由移动，改变其左右两个空间的大小比例。做功活塞(6)在一侧密封空间的工作物质的膨胀压力作用下，做功活塞(6)向其另一侧密封空间移动，并对所述另一侧密封空间内的工作物质产生压缩作用。
高温热源(1)和低温热源(2)是一对存在相对温度差的两个区域，其中高温热源(1)是由氧化钠(Na2O)或者生石灰(CaO)和水反应生热产生的，低温热源(2)是液氮形成的，高温热源(1)位于加热器(3)的一侧，低温热源(2)位于散热器(4)的一侧。
加热器(3)由铝片制成，热量可以由外部高温热源(1)通过加热器(3)传递给内部工作物质，使内部工作物质受热膨胀。散热器(4)由铝片制成，内部工作物质可以通过散热器(4)向低温热源(2)散热，使内部工作物质冷却收缩。加热器(3)和散热器(4)相对于于做工活塞的运动轴线呈一定倾斜角放置。
移气活塞(5)是由绝热材料加工成型的，内部填塞钢丝球构成，钢丝球可以当做回热器使用。移气活塞(5)被放置在加热器(3)和散热器(4)之间的空间内，并且可以在加热器(3)和散热器(4)之间来回移动。移气活塞(5)的外形呈倾斜面，倾斜角度与加热器(3)和散热器(4)相对于做功活塞(6)的运动轴线的倾斜角度一致，也就是说当移气活塞(5)在加热器(3)和散热器(4)之间来回移动时，可以很好的同加热器(3)和散热器(4)的表面贴合，起到把内部工作物质在加热器(3)和散热器(4)之间来回移动的作用。当移气活塞(5)移动到靠近加热器(3)一侧时，内部工作物质被排挤到靠近散热器(4)一侧的空间，此时隔绝了高温热源(1)对内部工作物质的加热作用，内部工作物质只能通过散热器(4)散热，冷却，收缩；当移气活塞(5)移动到靠近散热器(4)一侧时，内部工作物质被排挤到靠近加热器(3)一侧的空间，此时隔绝了内部工作物质向低温热源(2)散热的通道，高温热源(1)通过加热器(3)对内部工作物质加热，内部工作物质受热，膨胀。
做功活塞(6)处于气缸(7)内，在其两侧空间内部工作物质的压力差作用下，在气缸(7)内发生左右移动，并通过直连移相机构(8)带动左右两侧的移气活塞(5)发生左右移动，也同时带动嵌在其上面的移动磁体(10)发生左右移动。
移相机构(8)是一套带弹簧的连杆，可以将做功活塞(6)的移动以一定相位差传递给移气活塞(5)，并且使做功活塞(6)两侧的独立空间内的工作物质的受热和散热始终处于相反的状态，并使这种状态发生周期性反转。
如图9，直线发电机的结构包含：移动磁体(10.11、10.12，10.21、10.22)，外磁路(11.1、11.2)，发电线圈(12.1、12.2)
移动磁体是由两两构成一组的永久磁铁(A组：10.11、10.21和B组：10.12、10.22)构成，也作为磁通回路的磁源，并且每组中的两个磁铁的磁极构成串联结构，A\B两组的磁通方向相反。外部磁路是由两个平行放置的铁氧体磁芯(11.1、11.2)构成，两个发电线圈(12.1、12.2)分别环绕在两个铁氧体磁芯上。当磁铁组A(10.11、10.21)将两个磁芯(11.1、11.2)连接成一个完全闭合的磁通回路时，磁铁组B(10.12、10.22)一定没有连入这个磁通回路中。反之，亦然。即当两个磁铁组分比别交替连接两个磁芯(11.1、11.2)构成一个完全闭合的磁通回路时，这个磁通回路中的磁通方向一定发生反复转换。
永久磁铁(A组：10.11、10.21和B组：10.12、10.22)被安置在做功活塞(6)上，随着做功活塞(6)的移动而移动。即当做功活塞(6)在气缸(7)内发生往复运动时，两个磁芯(11.1、11.2)上的磁通方向和大小将发生反复转换，即发电线圈(12.1和12.2)内部的其磁通方向和大小将随着做功活塞(6)的往复运动而发生反复改变，因此产生感应电动势，输出电能。
其工作过程如下：
如图10，结合图9，由于磁铁组(A：10.11、10.21和B：10.12、10.22)的磁力作用，做功活塞(6)只可能位于气缸(7)的左侧或者右侧，不会处于气缸(7)中部。
假设开始时做功活塞(6)位于气缸(7)的左侧，如图10中状态a，左侧空间A内的移气活塞(5)贴近左侧空间A内的散热器(4)而远离左侧空间A内的加热器(3)；右侧空间B内的移气活塞(5)贴近右侧空间B内的加热器(3)而远离右侧空间B内的散热器(4)。如此，左侧空间A内的工作物质被排挤到贴近左侧空间A内加热器(3)一侧，右侧空间B内的工作物质被排挤到贴近右侧空间B内的散热器(4)一侧。因此，此时左侧空间A内的工作物质只能被加热却不能散热而开始产生受热膨胀，右侧空间B内的工作物质只能被散热却不能被加热而开始产生冷却收缩，迫使做工活塞(6)往右侧移动。
当做功活塞(6)位于气缸(7)的右侧时，如图10中状态b，左侧空间A内的移气活塞(5)贴近左侧空间A内的加热器(3)而远离左侧空间A内的散热器(4)；右侧空间B内的移气活塞(5)贴近右侧空间B内的散热器(4)而远离右侧空间B内的加热器(3)。如此，左侧空间A内的工作物质被排挤到贴近左侧空间A内的散热器(4)一侧，右侧空间B内的工作物质被排挤到贴近右侧空间B内的加热器(3)一侧。因此，此时左侧空间A内的工作物质只能被散热却不能被加热而开始产生散热收缩，右侧空间B内的工作物质只能被加热却不能被散热而开始产生受热膨胀，迫使做功活塞(6)往左侧移动，回到如图10中状态a。
如此，在外部高/低温热源的作用下，做功活塞(6)将在气缸中发生周期性的来回移动。
永久磁铁(A组：10.11、10.21和B组：10.12、10.22)，随着做功活塞(6)发生周期性的来回移动，两个磁芯(11.1、11.2)上的磁通方向和大小将交替随着发生改变，即发电线圈(12.1和12.2)内部的其磁通方向和大小将随着做功活塞(6)的往复运动而发生周期性改变改变，因此产生感应电动势，输出电能。

Claims (10)

1.一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置，由双缸直连活塞移气式双作用斯特林热机和直线发电机组合构成，其中双缸直连活塞移气式双作用斯特林热机的构成器件包含：高温热源、低温热源、加热器、散热器、做功活塞、气缸、移气活塞、移相机构和基座，直线发电机的构成器件包含：移动磁体、磁源、外部磁路和发电线圈；其特征在于：所述加热器、散热器和基座构成一个独立空间，并且该空间内充满工作物质；所述工作物质可以通过所述加热器被所述高温热源加热而发生膨胀，也可以通过所述散热器被所述低温热源冷却而发生收缩；所述移气活塞位于所述加热器、散热器和基座构成的独立空间内，并可以在所述加热器和散热器之间来回移动，将所述加热器、散热器和基座构成的独立空间内的工作物质在所述加热器和所述散热器之间来回转移，不断改变所述工作物质的受热状态(加热或者散热)；所述气缸的两端将所述两个由所述加热器、散热器和基座构成的独立空间连接起来；所述做功活塞处于所述气缸内，并可以在所述气缸内来回移动；所述做功活塞在所述气缸内来回移动将改变所述两个相互隔绝的封闭空间的大小比例；所述移相机构可以将所述做功活塞的移动以一定相位差传递给所述移气活塞；所述做功活塞总是从其两端的两个空间中压力较大的一端向压力较小的一端移动，并通过带动所述移气活塞将原本压力较大的空间内的工作物质向所述散热器挤压，将原本压力较小的空间内的工作物质向所述加热器挤压，原本压力较大的空间内的工作物质因散热收缩而压力变小，原本压力较小的空间内的工作物质因受热膨胀而压力变大，所述做功活塞因此反向移动，如此形成往复运动；所述移动磁体是一种磁导体或者永久磁铁，嵌入所述做功活塞内，随着所述做功活塞的移动而移动；所述外部磁路、磁源和移动磁体构成磁通回路，所述发电线圈环绕在所述磁通回路上，其内部的磁通量随着所述移动磁体的移动而发生改变，从而产生感应电动势，输出电能。
2.根据权利要求1所述的一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置，其特征在于：所述高温热源可以是环境空气，可以是燃烧发热体，可以是高温储热体，也可以是化学反应发热体，比如氧化钠与水反应生热的热源或者氧化钙与水反应生热的热源，优选地，是氧化钠与水反应生热的热源。
3.根据权利要求1-2所述的一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置，其特征在于：所述低温热源可以是环境空气，可以是散热制冷装置构成的冷却源，可以是化学物质溶解吸热产生的冷源，也可以是液态氮气(液氮)或者固体二氧化碳(干冰)等气化吸热物质形成的冷源，优选地，是液态氮气(液氮)气化吸热形成的冷源。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置，其特征在于：所述加热器和散热器可以与所述做功活塞的移动轴线呈一定倾斜角度安置，也可以与所述做功活塞的移动轴线呈平行安置，并且所述加热器和散热器还可以做成环状；相对于所述做功活塞，所述加热器紧靠所述做功活塞在前放置，所述散热器在后放置；优选地，与所述做功活塞的移动轴线呈一定倾斜角度安置。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置，其特征在于：所述移气活塞可以与所述做功活塞的移动轴线呈平行移动，也可以与所述做工活塞的移动轴线呈垂直移动，优选地，与所述做工活塞的移动轴线呈平行移动。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置，其特征在于：所述移相机构由磁控装置实现，对应两个所述移气活塞各设置一套，共有两套；单套所述移相机构由分别安装在所述做功活塞上的磁铁和所述移气活塞上的磁铁构成，其中安装在所述做功活塞上的磁铁由磁极并排排列，所述做功活塞的同一面上相邻磁极极性相反的两个磁铁构成，安装在所述移气活塞上的磁铁由磁极串联排列，相邻磁极极性相同的两个磁铁构成，所述做功活塞嵌着所述并排排列的磁铁可以穿过所述移气活塞上嵌着的所述串联排列的磁铁之间的空隙做水平方向的来回移动，利用磁极极性的组合变化而产生的所述做功活塞上的磁铁与所述移气活塞上的磁铁之间的相互吸引和相互排斥作用之间的相互转换，从而引起所述移气活塞向靠近所述加热器方向或者向靠近所述散热器方向的移动。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置，其特征在于：所述做功活塞上安装有作为所述直线发电机的一部分的移动磁体，所述移动磁体可以是作为磁源的永久磁铁，也可以是作为磁路一部分的磁导体。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置，其特征在于：所述的直线发电机的磁源可以是永久磁铁，也可以是通电励磁线圈，优选地，是永久磁铁。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置，其特征在于：所述直线发电机的所述外磁路由分别平行于所述做工活塞的运动轴线，并且对称放置于所述做工活塞两侧的两个磁导体构成，所述移动磁体是由嵌入所述做功活塞的4个磁铁构成的两组磁铁组合构成，其中每一组磁铁组合里的磁铁的磁极形成串联结构，并且两组磁铁组合的磁通方向相反。
10.根据权利要求1-8任一项所述的一种双缸直连活塞移气式双作用斯特林热发电装置，其特征在于：所述的直线发电机的发电线圈可以位于所述移动磁体的活动位置上，也可以位于所述移动磁体所在的闭合磁路上的其它位置，优选地，发电线圈位于所述移动磁体所在的闭合磁路上的其它位置。
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