CN111089022A - 一种带过行程保护的自由活塞斯特林发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带过行程保护的自由活塞斯特林发电机,其包括:缸体、直线发电机、动力活塞和排出器;所述动力活塞包括塞体和隼部;所述塞体设置在所述缸体内,所述隼部与所述直线发电机的动子连接;所述排出器设置在所述缸体内,与所述缸体一端形成膨胀腔,与所述动力活塞之间形成压缩腔。电机背腔靠近所述压缩腔一端的所述缸体内壁上设有缸体单向阀,所述排出器靠近所述动力活塞一端的内壁上设有排出器单向阀。所述压缩腔内设有压力波动传感器。所述压缩腔与电机背腔之间设有外置电磁阀。本发明具有结构简单、安装便利的特点,可有效避免机械碰撞,提高了系统的可靠性,降低了系统的维护成本。
Description
技术领域
本发明涉及能源动力技术领域,尤其涉及一种带过行程保护的自由活塞斯特林发电机。
背景技术
自由活塞斯特林发电机是一种由自由活塞斯特林发动机驱动直线发电机发电的外燃式发电技术,其主要具有以下优点:基于可逆的斯特林循环,理论效率等于卡诺效率;外燃式热机,可以利用太阳能、生物质能、地热能和工业余热等多种能源;采用闭式循环,同时又采用氦气或者氢气作为工作气体,对环境友好。因此,在能源短缺且环境污染严重的背景条件下,自由活塞斯特林发电机满足了高效、环保、能源适应性强等特点,具有广阔的应用前景。
图1为现有的自由活塞斯特林发电机结构示意图,其主要包括以下部件:缸体1、膨胀腔2、热端换热器3、回热器4、室温换热器5、排出器6、压缩腔7、动力活塞8、塞体8a、隼部8b、直线发电机9、定子9a、动子9b、电机背腔10、平面板簧11。其中排出器和动力活塞作为自由活塞斯特林发电机的重要部件,其平稳运行是实现安全高效的能量转换之关键。若发生意外事件如负载过大或加热量过大,使排出器或动力活塞超出设计行程造成撞击,尤其是排出器远离动力活塞一端壁面较薄,撞击容易变形,以及动力活塞的隼部8b与直线发电机的定子9a的碰撞,都将影响自由活塞斯特林发电机的可靠性,使其偏离设计结构,严重影响发电效率甚至无法工作。
为了防止上述意外情况导致的撞击发生,现有技术一般通过布置传感器检测机壳振动、检测排出器和动力活塞位移,再根据检测结果调节负载和加热量,使动力活塞和排出器回到设计工况,从而避免撞击;或者通过布置气体弹簧防撞结构等以避免刚性撞击。这些方法存在响应滞后、需要引入额外结构等问题,造成系统结构复杂、设计及工艺难度加大、维护成本增加等问题,降低了自由活塞斯特林发电机技术的优势。
发明内容
本发明针对现有的自由活塞斯特林发电机中存在的意外情况下运动部件超过设计行程可能发生机械碰撞导致可靠性低、维护成本高、发电效率降低甚至无法工作等问题,提出了一种带过行程保护的自由活塞斯特林发电机。该发电机通过在电机背腔靠近压缩腔一端的缸体内壁上设置缸体单向阀,在排出器靠近所述动力活塞一端的内壁上设置排出器单向阀,上述单向阀能够在气体波动压力达到设定值时打开,瞬间耗散排出器和动力活塞的动能,从而使两者回到设计行程。若上述单向阀的导通仍无法使发电机稳定工作,则压力波动传感器监测到压缩腔内压力波动达到电磁阀的设定值,使作为第二道防护的电磁阀完全打开,发电机停止工作。另一方面,作为第二道防护的电磁阀还有一个重要作用,即在发电机充气、放气和存在泄露的情况下,快速连通压缩腔和电机背腔,从而避免因电机背腔或压缩腔的压力突变而造成动力活塞与排出器或者电机定子等的撞击。
本发明解决了目前自由活塞斯特林发电机在意外情况下和发电机压力变化情况下部件之间撞击导致的可靠性降低、发电效率降低、维护成本增加以及现有防撞技术系统结构复杂的问题。因而本发明具有:结构简单,维护成本低、可靠性高、效率高等特点。
为了达到以上目的,本发明采用了如下技术方案:
本发明提供了一种带过行程保护的自由活塞斯特林发电机,其包括:缸体、直线发电机、动力活塞和排出器。
在本发明中,所述动力活塞包括塞体和隼部。
在所述动力活塞中,所述塞体设置在所述缸体内,所述隼部与所述直线发电机的动子连接。
在本发明中,所述排出器设置在所述缸体内,与所述缸体的一端形成膨胀腔,并与所述动力活塞之间形成压缩腔,所述缸体的另一端的内壁与所述动力活塞之间形成电机背腔。
在本发明中,所述电机背腔靠近所述压缩腔一端的所述缸体内壁上设有m个缸体单向阀,所述排出器靠近所述动力活塞一端的内壁上设有n个排出器单向阀。
在本发明中,所述电机背腔靠近所述压缩腔一端内壁上的所述缸体单向阀的导通方向为从压缩腔朝向电机背腔方向;
在本发明中,所述排出器靠近所述动力活塞的内壁上的所述排出器单向阀的导通方向为从压缩腔朝向排出器内腔体方向;
在本发明中,所述缸体单向阀数量m为≥1的正整数,呈圆周等弧度布置。所述排出器单向阀数量n为≥1的正整数,呈圆周等弧度布置。
在本发明中,所述缸体单向阀和/或排出器单向阀的入口处安装有滤网。
在本发明中,所述压缩腔内设有压力波动传感器。
在本发明中,所述压缩腔与所述电机背腔之间设有外置的电磁阀。
本发明的工作机理是:通过合理地设置单向阀预应力以及压力波动传感器设定值,在意外情况下排出器或动力活塞超出设计行程后,单向阀开启,压缩腔与电机背腔相连而使声功耗散,或者压缩腔与排出器内部腔体相连而产生声功耗散,从而使排出器和动力活塞驱动力减小,位移回归设计值,若发电机仍然无法稳定工作,压力波动传感器监测到压缩腔压力波动超过电磁阀的设定值,则电磁阀作为第二道防护打开,发电机停止工作,有效避免了撞击,增加了系统的可靠性。
本发明单向阀的声功耗散机理为:当声波由某一空间C经由一狭小流道而进入另一大空间R时,会产生严重的耗散,即为声功耗散。该声功耗散的表达式为:
其中,ω为声波的角频率,V为大空间的体积,γ为气体的比热比,Pm为平均压力,|PC|和|PR|为声波在空间C和空间R处的波动压力幅值,而为两处压力波动的相位差。从上述公式可知,体积越大,波动压力越大,则消耗声功越大。进一步,单向阀的开度决定了相位差的大小。通过合适的单向阀开度设置,可以将声功耗散控制在某一所需量级,从而保护发电机以避免撞击。
本发明电磁阀的作用机理为:当压缩腔的压力传感器监测到压缩腔的压力波动达到设定值或者压力变化率超过设定值时,将电信号发送给电磁阀令其打开。电磁阀打开后,压缩腔和电机背腔连通,动力活塞两侧的压力相等,动力活塞失去主动力而停止运动,保证动力活塞不与其他部件发生碰撞。
本发明装置在意外情况下,即所述动力活塞超出设计行程、将要与所述直线发电机定子相撞或者所述排出器超出设计行程将要与所述缸体一端相撞时,所述两个单向阀分别开启,使压缩腔的大压力波动与所述电机背腔或者排出器内可忽略的压力波动联通,使声功耗散在单向阀处,从而使所述动力活塞或所述排出器的动能降低,即位移下降。若发电机仍然无法稳定工作,则电磁阀打开,发电机停止工作。
本发明提供一种带过行程保护的自由活塞斯特林发电机,其有益效果在于:通过在系统内部的合理位置布置单向阀、电磁阀和压力波动传感器,有效解决了意外情况下部件之间撞击导致的可靠性降低、发电效率降低甚至无法工作等问题,且系统结构简单,维护成本低。
附图说明
图1所示为现有的自由活塞斯特林发电机的结构示意图;
图2所示为本发明实施例1带过行程保护的自由活塞斯特林发电机的结构示意图;
图3所示为图2所示的带过行程保护的自由活塞斯特林发电机工作原理示意图。
附图标记:1、缸体;2、膨胀腔;3、热端换热器;4、回热器;5、室温换热器;6、排出器;6a、排出器连杆;7、压缩腔;8、动力活塞;8a、塞体;8b、隼部;9、直线发电机;9a、定子;9b、动子;10、电机背腔;11、平面板簧;12、缸体单向阀;13、排出器单向阀;14、电磁阀;15、压力波动传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不能用来限制本发明的范围。
实施例1
如图1和图2所示,本实施例提供一种带过行程保护装置的自由活塞斯特林发电机,其包括:缸体1、直线发电机9、动力活塞8和排出器6。
在本实施例中,所述动力活塞8包括塞体8a和隼部8b。
在所述动力活塞8中,所述塞体8a设置在所述缸体1内,所述隼部8b与所述直线发电机的动子9b连接。
在本实施例中,所述排出器6设置在所述缸体1内,与所述缸体1的一端形成膨胀腔2,并与所述动力活塞8之间形成压缩腔7所述缸体的另一端的内壁与所述动力活塞之间形成电机背腔。
在本实施例中,所述电机背腔10靠近所述压缩腔7一端的所述缸体1内壁上设有m个缸体单向阀12,所述排出器6靠近所述动力活塞8一端的内壁上设有n个排出器单向阀13。
在本实施例中,所述电机背腔10靠近所述压缩腔7一端内壁上的所述缸体单向阀12的导通方向为从压缩腔7朝向背腔10方向;
在本实施例中,所述排出器6靠近所述动力活塞8的内壁上的所述排出器单向阀13的导通方向为从压缩腔7朝向排出器6内腔体方向;
在本实施例中,所述缸体单向阀数量m为≥1的正整数,呈圆周等弧度布置。所述排出器单向阀数量n为≥1的正整数,呈圆周等弧度布置。
在本实施例中,所述缸体单向阀和/或排出器单向阀的入口处安装有滤网。
在本实施例中,所述压缩腔7内设有压力波动传感器15。
在本实施例中,所述压缩腔7与电机背腔10之间设有外置的电磁阀14。
在本实施例中,所述排出器6在靠近所述动力活塞8一端设有排出器连杆6a,所述排出器连杆6a插入所述动力活塞8设置的通孔中。
在本实施例中,所述动力活塞8与所述缸体1另一端之间设有平面板簧11,所述排出器连杆6a与所述平面板簧11固定连接。
在本实施例中,所述动力活塞8和所述直线发电机9沿所述排出器连杆6a对称布置。
在本实施例中,所述缸体1一端内壁上设有热端换热器3,所述热端换热器3为翅片结构,所述翅片结构沿所述气缸1内壁的周向方向环绕设置。
在本实施例中,所述缸体1靠近热端换热器3一端的内壁上设有回热器4,所述回热器4为多孔结构,所述多孔结构沿所述气缸1内壁的周向方向环绕设置。
在本实施例中,所述缸体1靠近回热器4一端的内壁上设有室温换热器5,所述室温换热器5为翅片结构,所述翅片结构沿所述缸体1内壁的周向方向环绕设置。
在本实施例中,所述热端换热器3从外界吸热并由所述回热器4将该热量转化为声功(机械能),推动所述动力活塞8,使所述直线发电机的动子9b切割磁力线,从而向外界输出电能。
下面将结合自由活塞斯特林发电机的工作原理对本发明提供的带过行程保护的自由活塞斯特林发电机的特定结构进行进一步解释说明。图3是图2所示的带过行程保护的自由活塞斯特林发电机工作原理示意图。同时参照图2和图3,本实施例提供的带过行程保护的自由活塞斯特林发电机工作原理如下:
状态a-状态b过程,动力活塞8从下止点开始、排出器6从平衡位置开始,两者同时上行,压缩腔7内的工作气体被压缩,并通过室温换热器5向外界放热,此时压缩腔7内压力开始上升。在意外情况下,压缩腔7内压力高于排出器单向阀13的预设压力(额定工作压力的100%~110%),排出器单向阀13开启,压力降低,排出器6向平衡位置移动,从而避免了排出器6远离动力活塞8一端与缸体1一端的撞击。若发电机仍然无法稳定工作,压力波动传感器15检测到压缩腔7压力波动超过电磁阀14的设定值(>额定工作压力的110%),则电磁阀14作为系统的第二道防护打开,发电机停止工作,有效避免了撞击。
状态b-状态c过程,动力活塞8继续上行,排出器6下行,压缩腔7内的工作气体继续被压缩,压力继续上升,气体热量从压缩腔7流经回热器4进入膨胀腔2,途中在回热器4中释放热量,温度降低。在意外情况下,压缩腔7内气体压力超过缸体单向阀12的预设压力(额定工作压力的100%~110%),缸体单向阀12将开启,多余的声功被耗散,动力活塞8失去动力,向平衡位置移动,避免了动力活塞隼部8b与直线发电机定子9a的撞击。若缸体单向阀12的导通无法使发电机稳定工作,压力波动传感器15检测到压缩腔7内压力超过电磁阀14的设定值(>额定工作压力的110%),则电磁阀14打开,发电机停止工作,避免了撞击。
状态c-状态d过程,膨胀腔2内气体通过热端换热器3吸收外界热量而膨胀,使排出器6下行,并推动动力活塞8下行。此过程中,回热器4将热能转化为声功(机械能),并通过工作气体推动动力活塞8下行,直线发电机动子9b切割磁力线从而向外输出电能。
状态d-状态a过程,动力活塞8继续下行,排出器6上行,气体热量从膨胀腔2流经回热器4进入压缩腔7,途中在回热器4中释放热量,温度降低。
上述整个循环过程中,热能被转化为机械能,再由直线发电机9转化为电能输出。动力活塞8和排出器6做简谐运动,且后者相位超前于前者。本实施例提供的带过行程保护的自由活塞斯特林发电机的工作机理与现有的自由活塞斯特林发电机工作机理相同,但本实施例的结构设计与现有技术差别较大。
由于本实施例通过在电机背腔10靠近压缩腔7一端的缸体1内壁上设置缸体单向阀12,在排出器6靠近所述动力活塞8一端的内壁上设置排出器单向阀13,同时在压缩腔7与电机背腔10之间设置电磁阀14,单向阀能够在气体压力达到设定值时打开,电磁阀14在压缩腔内气体压力波动达到设定值时作为系统的第二道防护打开,简单而有效地解决了目前自由活塞斯特林发电机在意外情况下部件之间可能发生的机械碰撞。因而本实施例提供的带过行程保护的自由活塞斯特林发电机在保证系统效率的前提下,提高了系统的可靠性。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应该理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种带过行程保护的自由活塞斯特林发电机,所述自由活塞斯特林发电机包括:缸体、动力活塞和排出器;所述排出器设置在所述缸体内,与所述缸体的一端形成膨胀腔,并与所述动力活塞之间形成压缩腔,所述缸体的另一端的内壁与所述动力活塞之间形成电机背腔,其特征在于,电机背腔靠近压缩腔一端的缸体内壁上设有m个缸体单向阀,所述排出器靠近动力活塞一端的内壁上设有n个排出器单向阀;
所述缸体单向阀的导通方向为从压缩腔朝向电机背腔方向;
所述排出器单向阀的导通方向为从压缩腔朝向排出器内腔体方向。
2.根据权利要求1所述的带过行程保护的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述缸体单向阀数量m为≥1的正整数,呈圆周等弧度布置,其开启设定值为发电机额定工作压力的100%~110%。
3.根据权利要求1所述的带过行程保护的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述排出器单向阀数量n为≥1的正整数,呈圆周等弧度布置,其开启设定值为发电机额定工作压力的100%~110%。
4.根据权利要求1-3任一项所述的带过行程保护的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述缸体单向阀和/或排出器单向阀的入口处安装有滤网。
5.根据权利要求1-4所述的带过行程保护的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述压缩腔内设有压力传感器,用于监测压缩腔的平均压力和波动压力。
6.根据权利要求1-5所述的带过行程保护的自由活塞斯特林发电机,其特征在于,所述压缩腔与电机背腔之间设有外置的电磁阀,电磁阀的开启条件为压缩腔的平均压力的变化值超过0.1bar/s,或发电机的工作压力超过额定值的110%。
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