CN113586280A - 一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器，属于斯特林发动机技术领域，包括换热系统底座及机体，所述换热系统底座及机体上连接有气缸壳体，所述气缸壳体内分别内置有配气活塞和动力活塞，所述配气活塞位于动力活塞的上方，所述气缸壳体内且位于配气活塞的上方形成有膨胀腔，所述气缸壳体内且位于配气活塞与动力活塞间形成有压缩腔，所述气缸壳体的顶端钎焊有工质出口集管；本发明利用反斯托克斯效应，制造出红外光转化可见光装置，给斯特林发动机吸热器提供了更多的可吸收光线，有效提高了太阳能光热转化效率；并且利用陶瓷合金作为吸热器吸热管的管材，可以耐受1200‑1500℃的高温，提高吸热器使用寿命。

Description

一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器
技术领域
本发明属于斯特林发动机技术领域，具体涉及一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器。
背景技术
斯特林发动机是一种可以由任何外部热源加热、往复活塞式的动力机械，斯特林发动机可以选用太阳能、烟气余热和多种清洁能源作为热源，与传统的发动机相比，斯特林发动机的不完全燃烧现象几乎不发生，对环境污染相对较小。
吸热器作为光热转化的主体部分，按其应用范围可分为平板吸热器、管式吸热器和腔体式吸热器，其中管式吸热器具有适用条件广泛、换热效率高等优点，被应用于诸多热发电系统中。
吸热器常用工质有氢气、空气、氦气等，但是从换热性能角度考虑，大多技术成熟的大功率斯特林发动机采用氦气作为工质。
斯特林机运行性能好坏直接由吸热器的光热转化效率决定，但是由于部分光线经聚光镜多次反射后未照射到吸热器，导致其光热转化效率不高。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器，具有有效提高太阳能光热转化效率的特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器，包括换热系统底座及机体，所述换热系统底座及机体上连接有气缸壳体，所述气缸壳体内分别内置有配气活塞和动力活塞，所述配气活塞位于动力活塞的上方，所述气缸壳体内且位于配气活塞的上方形成有膨胀腔，所述气缸壳体内且位于配气活塞与动力活塞间形成有压缩腔，所述气缸壳体的顶端钎焊有工质出口集管，所述工质出口集管与膨胀腔连通，所述工质出口集管的顶端中间位置连接有红外光转化可见光装置，所述换热系统底座及机体上且位于气缸壳体的外侧连接有冷却器，所述冷却器与压缩腔连通，所述冷却器的上方连接有回热器，所述回热器与冷却器连通，所述回热器的上方连接有工质入口集管，所述工质入口集管与回热器连通，所述工质入口集管的上方钎焊有扩张式吸热管，所述扩张式吸热管的入口管端与工质入口集管连通，所述扩张式吸热管的出口管端与工质出口集管连通，所述换热系统底座及机体上且位于冷却器、回热器、工质入口集管和扩张式吸热管的外侧连接有保温腔。
本发明中进一步的，所述红外光转化可见光装置包括主体和薄膜，所述主体与工质出口集管连接，所述主体的形状为圆柱与半球型复合台状，所述主体采用陶瓷材料制成，所述主体的表面覆盖有薄膜，所述薄膜采用锡-硫-有机复合材料制成。
本发明中进一步的，所述扩张式吸热管包括内圈吸热管簇和外圈吸热管簇，所述内圈吸热管簇和外圈吸热管簇的入口管端分别与工质入口集管连通，所述内圈吸热管簇和外圈吸热管簇的出口管端分别与工质出口集管连通，所述内圈吸热管簇和外圈吸热管簇的排布方式为双圈圆形阵列分布。
本发明中进一步的，所述内圈吸热管簇和外圈吸热管簇采用碳化硅陶瓷合金制成，所述内圈吸热管簇和外圈吸热管簇的管内径分别为5mm。
本发明中进一步的，所述保温腔的形状采用六角封闭蜂窝腔体结构，所述保温腔的内壁面涂覆有反射率达95％及以上的涂层材料，所述保温腔的外表面覆盖有膨胀聚苯板保温层。
本发明中进一步的，所述涂层材料包括碳酸钙颗粒的丙烯酸材料、聚碳酸酯，Ag-SiO2和Al-SiO2反射薄膜，但不仅限于这些涂层材料。
本发明中进一步的，所述内圈吸热管簇和外圈吸热管簇的外表面均涂覆有超黑吸光涂层。
本发明中进一步的，所述内圈吸热管簇和外圈吸热管簇靠近保温腔的管壁上分别焊接有多个光能转换外肋片，所述光能转换外肋片采用黑色二氧化钛制成。
本发明中进一步的，所述内圈吸热管簇和外圈吸热管簇的内部分别连接有连接杆，多个所述连接杆上均匀分布有多个钺型热辐调频-涡发生器，多个所述钺型热辐调频-涡发生器采用金属薄片制成，所述金属薄片材料可以包括金、铁和络，但不仅限于这些金属单质或其合金材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明利用反斯托克斯效应，制造出红外光转化可见光装置，给斯特林发动机吸热器提供了更多的可吸收光线，有效提高了太阳能光热转化效率；并且利用陶瓷合金作为吸热器吸热管的管材，可以耐受1200-1500℃的高温，提高吸热器使用寿命。
2、本发明首次将新型光学固化涂层技术应用到斯特林吸热器上，利用现有超黑吸光涂层，将其均匀涂抹在斯特林吸热器的扩张式吸热管外表面上，可以大大提高太阳能光热转化效率，且不会增加吸热器自身重量。
3、本发明根据表面等离激元共振效应，利用气体分子的运动频率与红外热辐射的频率相近时，气体会对红外波段的能量产生较强的吸收，在吸热管内安装调节红外辐射频率的元件，使气体工质最大程度吸收热能，进而强化工质对流与辐射换热。
附图说明
图1为本发明斯特林机吸热器的整体结构示意简图；
图2为本发明斯特林机吸热器的另一结构俯视示意图；
图3为本发明吸热器的扩张式吸热管结构局部放大图；
图4为本发明钺型热辐调频-涡发生器插入在吸热管时的示意图；
图中：1、换热系统底座及机体；2、冷却器；3、回热器；4、膨胀腔；
5、保温腔；6、扩张式吸热管；601、内圈吸热管簇；602、外圈吸热管簇；
603、钺型热辐调频-涡发生器；604、超黑吸光涂层；605、光能转换外肋片；606、连接杆；7、红外光转化可见光装置；8、工质出口集管；9、工质入口集管；10、气缸壳体；11、配气活塞；12、压缩腔；13、动力活塞。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供以下技术方案：一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器，包括换热系统底座及机体1，换热系统底座及机体1上连接有气缸壳体10，气缸壳体10内分别内置有配气活塞11和动力活塞13，配气活塞11位于动力活塞13的上方，气缸壳体10内且位于配气活塞11的上方形成有膨胀腔4，气缸壳体10内且位于配气活塞11与动力活塞13间形成有压缩腔12，气缸壳体10的顶端钎焊有工质出口集管8，工质出口集管8与膨胀腔4连通，工质出口集管8的顶端中间位置连接有红外光转化可见光装置7，换热系统底座及机体1上且位于气缸壳体10的外侧连接有冷却器2，冷却器2与压缩腔12连通，冷却器2的上方连接有回热器3，回热器3与冷却器2连通，回热器3的上方连接有工质入口集管9，工质入口集管9与回热器3连通，工质入口集管9的上方钎焊有扩张式吸热管6，扩张式吸热管6的入口管端与工质入口集管9连通，扩张式吸热管6的出口管端与工质出口集管8连通，换热系统底座及机体1上且位于冷却器2、回热器3、工质入口集管9和扩张式吸热管6的外侧连接有保温腔5。
具体的，红外光转化可见光装置7包括主体和薄膜，主体与工质出口集管8连接，主体的形状为圆柱与半球型复合台状，主体采用陶瓷材料制成，主体的表面覆盖有薄膜，薄膜采用锡-硫-有机复合材料制成。
具体的，扩张式吸热管6包括内圈吸热管簇601和外圈吸热管簇602，内圈吸热管簇601和外圈吸热管簇602的入口管端分别与工质入口集管9连通，内圈吸热管簇601和外圈吸热管簇602的出口管端分别与工质出口集管8连通，内圈吸热管簇601和外圈吸热管簇602的排布方式为双圈圆形阵列分布。
具体的，内圈吸热管簇601和外圈吸热管簇602采用碳化硅陶瓷合金制成，内圈吸热管簇601和外圈吸热管簇602的管内径分别为5mm。
具体的，保温腔5的形状采用六角封闭蜂窝腔体结构，保温腔5的内壁面涂覆有反射率达95％及以上的涂层材料，保温腔5的外表面覆盖有膨胀聚苯板保温层。
具体的，涂层材料包括碳酸钙颗粒的丙烯酸材料、聚碳酸酯，Ag-SiO2和Al-SiO2反射薄膜，但不仅限于这些涂层材料。
具体的，内圈吸热管簇601和外圈吸热管簇602的外表面均涂覆有超黑吸光涂层604。
具体的，内圈吸热管簇601和外圈吸热管簇602靠近保温腔5的管壁上分别焊接有多个光能转换外肋片605，光能转换外肋片605采用黑色二氧化钛制成。
具体的，内圈吸热管簇601和外圈吸热管簇602的内部分别连接有连接杆606，多个连接杆606上均匀分布有多个钺型热辐调频-涡发生器603，多个钺型热辐调频-涡发生器603采用金属薄片制成，金属薄片材料可以包括金、铁和络，但不仅限于这些金属单质或其合金材料。
碟式抛物面聚光器聚集太阳光反射到吸热器腔体内部，其中一部分可见光直接照射到扩张式吸热管6及超黑吸光涂层604上，阳光中的另一部分红外光照射到红外光转化可见光装置7的外表面上，被上转换材料吸收后转换为可见光，产生的可见光通过半球型反射表面的均匀照射到扩张式吸热管6上；
根据反斯托克斯效应可以吸收长波然后辐射出短波，其可以通过吸收多个光子或能量转移可以将不可见的红外光转换为可见光，具有这种效应的材料叫做上转换材料，现有锡-硫-有机复合材料就是上转换材料，而红外光转化可见光装置7由主体和薄膜构成，薄膜则采用锡-硫-有机复合材料制成，因此红外光转化可见光装置7上的薄膜为上转换材料；
扩张式吸热管6外靠近保温腔5一侧不受阳光直射的管壁上的光能转换外肋片605具有全光谱吸收能力，其可直接或者间接吸收太阳光或者周围环境中红外辐射，另外扩张式吸热管6内插入的钺型热辐调频-涡发生器603吸收扩张式吸热管6内壁辐射能同时调节为气体工质的特征吸收峰附近的特定频率红外光波，当工质分子的运动频率与红外热辐射的频率相当时，工质将红外热辐射能量吸收掉，同时扩张式吸热管6内工质形成涡旋流，提高了扩张式吸热管6管壁面区域的温度梯度，从而强化扩张式吸热管6内工质换热。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器，包括换热系统底座及机体(1)，其特征在于：所述换热系统底座及机体(1)上连接有气缸壳体(10)，所述气缸壳体(10)内分别内置有配气活塞(11)和动力活塞(13)，所述配气活塞(11)位于动力活塞(13)的上方，所述气缸壳体(10)内且位于配气活塞(11)的上方形成有膨胀腔(4)，所述气缸壳体(10)内且位于配气活塞(11)与动力活塞(13)间形成有压缩腔(12)，所述气缸壳体(10)的顶端钎焊有工质出口集管(8)，所述工质出口集管(8)与膨胀腔(4)连通，所述工质出口集管(8)的顶端中间位置连接有红外光转化可见光装置(7)，所述换热系统底座及机体(1)上且位于气缸壳体(10)的外侧连接有冷却器(2)，所述冷却器(2)与压缩腔(12)连通，所述冷却器(2)的上方连接有回热器(3)，所述回热器(3)与冷却器(2)连通，所述回热器(3)的上方连接有工质入口集管(9)，所述工质入口集管(9)与回热器(3)连通，所述工质入口集管(9)的上方钎焊有扩张式吸热管(6)，所述扩张式吸热管(6)的入口管端与工质入口集管(9)连通，所述扩张式吸热管(6)的出口管端与工质出口集管(8)连通，所述换热系统底座及机体(1)上且位于冷却器(2)、回热器(3)、工质入口集管(9)和扩张式吸热管(6)的外侧连接有保温腔(5)。
2.根据权利要求1所述的一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器，其特征在于：所述红外光转化可见光装置(7)包括主体和薄膜，所述主体与工质出口集管(8)连接，所述主体的形状为圆柱与半球型复合台状，所述主体采用陶瓷材料制成，所述主体的表面覆盖有薄膜，所述薄膜采用锡-硫-有机复合材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器，其特征在于：所述扩张式吸热管(6)包括内圈吸热管簇(601)和外圈吸热管簇(602)，所述内圈吸热管簇(601)和外圈吸热管簇(602)的入口管端分别与工质入口集管(9)连通，所述内圈吸热管簇(601)和外圈吸热管簇(602)的出口管端分别与工质出口集管(8)连通，所述内圈吸热管簇(601)和外圈吸热管簇(602)的排布方式为双圈圆形阵列分布。
4.根据权利要求3所述的一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器，其特征在于：所述内圈吸热管簇(601)和外圈吸热管簇(602)采用碳化硅陶瓷合金制成，所述内圈吸热管簇(601)和外圈吸热管簇(602)的管内径分别为5mm。
5.根据权利要求1所述的一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器，其特征在于：所述保温腔(5)的形状采用六角封闭蜂窝腔体结构，所述保温腔(5)的内壁面涂覆有反射率达95％及以上的涂层材料，所述保温腔(5)的外表面覆盖有膨胀聚苯板保温层。
6.根据权利要求5所述的一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器，其特征在于：所述涂层材料包括碳酸钙颗粒的丙烯酸材料、聚碳酸酯，Ag-SiO2和Al-SiO2反射薄膜，但不仅限于这些涂层材料。
7.根据权利要求3所述的一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器，其特征在于：所述内圈吸热管簇(601)和外圈吸热管簇(602)的外表面均涂覆有超黑吸光涂层(604)。
8.根据权利要求3所述的一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器，其特征在于：所述内圈吸热管簇(601)和外圈吸热管簇(602)靠近保温腔(5)的管壁上分别焊接有多个光能转换外肋片(605)，所述光能转换外肋片(605)采用黑色二氧化钛制成。
9.根据权利要求3所述的一种实现红外光转换可见光的全光谱吸收斯特林吸热器，其特征在于：所述内圈吸热管簇(601)和外圈吸热管簇(602)的内部分别连接有连接杆(606)，多个所述连接杆(606)上均匀分布有多个钺型热辐调频-涡发生器(603)，多个所述钺型热辐调频-涡发生器(603)采用金属薄片制成，所述金属薄片材料可以包括金、铁和络，但不仅限于这些金属单质或其合金材料。
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