CN115492696A - 基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，包括：包含第一液压缸、第一和第二压力容器的第一液体活塞系统，包含第二液压缸、第三和第四压力容器的第二液体活塞系统；第一和第二气用活塞缸、可逆动力设备及多级换热装置。本系统基于斯特林循环的运行过程由低温等温压缩、等容升温、高温等温膨胀、等容降温四个过程构成，而热泵系统的工作原理是斯特林循环的逆过程，其运行过程包括高温等温压缩、等容降温、低温等温膨胀、等容升温四个过程。等容升温和等容降温利用多级换热装置进行换热，使气体在等体积迁移过程中温度升高或降低，以实现热量回收过程，提升热效率。本发明系统利用液体温差发电，提供了一种可持续发电的发电系统。

Description

基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统
技术领域
本发明属于压缩空气储能技术领域，尤其涉及一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统。
背景技术
随着电力系统的发展，太阳能发电和余热发电等新的发电技术越来越受到重视。太阳能热发电技术是一种通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳能直射光聚集起来，加热工质，产生高温高压的蒸汽以驱动汽轮机发电的技术。
在自然资源方面，我国地热资源十分丰富，但是，除少数中高温热水资源用于发电外，其余主要用于建筑采暖、温泉保健、养殖种植等。另一方面，在工业领域和生活领域中，存在大量含有废热和余热的液体、烟气，这些热量因为品味、品质不高，利用的可行性较低。随着社会科学的不断进步以及工业用压缩空气的工艺需求的不断发展，某些场合经常提出对压缩空气进行变温变压的要求。例如，在压缩空气储能技术领域，压缩空气存储时，低温低压的气体容易存储；压缩空气发电时，利用高温高压气体发电可以提高发电效率。
在现有技术中大部分是基于卡诺循环过程，而斯特林循环过程相较于卡诺循环过程，对于相同等温过程压缩比下的斯特林循环过程，其升温后的气体压强远小于卡诺循环过程，对设备耐压需求小，设备实际制造难度小。
发明内容
本发明提出了一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其利用第一液体活塞缸的第一温度范围的液体和第二液体活塞缸的第二温度范围的液体的温差进行发电，并且提供一种可持续发电的发电系统。相较于卡诺循环过程，对于相同等温过程压缩比下的斯特林循环过程，其升温后的气体压强远小于卡诺循环过程，对设备耐压需求小，设备实际制造难度小。
一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，包括：
第一至第四压力容器(1、2、3、4)，第一和第二液压缸(5、6)，第一和第二气用活塞缸(7、8)，第一至第四可逆动力设备(9、10、11、12)，第一和第二多级换热装置(13、14)；所述第一和第二压力容器(1、2)被配置为储存具有第一温度范围的液体和气体，所述第三和第四压力容器(3、4)被配置为储存具有第二温度范围的液体和气体；
所述第一液压缸(5)和第一和第二压力容器(1、2)组成第一液体活塞系统，用于低温等温压缩过程，所述第一液压缸(5)中的第一活塞推动第一液压缸(5)中的第一温度范围的液体进入第一压力容器(1)或第二压力容器(2)中压缩所述第一气体；所述第二液压缸(6)和第三和第四压力容器(3、4)组成第二液体活塞系统，用于高温等温膨胀过程，所述所述第二液压缸(6)的第二活塞在所述第二气体的膨胀作用下运动，通过与其相连的第二活塞杆驱动所述第四可逆动力设备(12)；
所述第一多级换热装置(13)低温口通过阀门控制与第一和第二压力容器(1、2)之一相连，高温口通过阀门控制与第三和第四压力容器(3、4)之一相连；所述第二多级换热装置(14)低温口通过阀门控制与第一和第二压力容器(1、2)之一相连，高温口通过阀门控制与第三和第四压力容器(3、4)之一相连；
所述第一气用活塞缸(7)和第二气用活塞缸(8)分别交替用于等容升温和等容降温过程的驱动；所述第一气用活塞缸(7)设置在第一多级换热装置(13)低温口与第一压力容器(1)和第二压力容器(2)相连的管道上用于控制气体的等体积迁移，所述第二气用活塞缸(8)设置在第二多级换热装置(14)低温口与第一压力容器(1)和第二压力容器(2)相连的管道上用于控制气体的等体积迁移。
进一步，所述系统包括四个斯特林循环过程，分别为：
第一过程，第一多级换热装置(13)低温口通过阀门控制与第一压力容器(1)相连，高温口与第四压力容器(4)相连，第四可逆动力设备(12)控制第一气用活塞缸(7)中的第一气体活塞杆运动使第四压力容器(4)中气体经第一多级换热装置(13)等容降温迁移至第一压力容器(1)中；
第二过程，第一多级换热装置(13)低温口通过阀门控制与第一压力容器(1)相连，高温口与第三压力容器(3)相连，第二多级换热装置(14)低温口通过阀门控制与第二压力容器(2)相连，高温口与第四压力容器(4)相连；第四可逆动力设备(12)控制第一气用活塞缸(7)中第一气体活塞杆运动使第三压力容器(3)中气体经第一多级换热装置(13)等容降温迁移至第一压力容器(1)中，第二可逆动力设备(10)控制第二气用活塞缸(8)中的第二气体活塞杆运动使第二压力容器(2)中气体经第二多级换热装置(14)等容升温迁移至第四压力容器(4)中；
第三过程，第二多级换热装置(14)低温口通过阀门控制与第二压力容器(2)相连，高温口与第三压力容器(3)相连，第二可逆动力设备(10)控制第二气用活塞缸(8)中第二气体活塞杆运动使第三压力容器(3)中气体经第二多级换热装置(14)等容降温迁移至第二压力容器(2)中；
第四过程，第一多级换热装置(13)低温口通过阀门控制与第一压力容器(1)相连，高温口与第三压力容器(3)相连，第二多级换热装置(14)低温口通过阀门控制与第二压力容器(2)相连，高温口与第四压力容器(4)相连；第四可逆动力设备(12)控制第一气用活塞缸(7)中第一气体活塞杆运动使第一压力容器(1)中气体经第一多级换热装置(13)等容升温迁移至第三压力容器(3)中，第二可逆动力设备(10)控制第二气用活塞缸(8)中第二气体活塞杆运动使第四压力容器(4)中气体经第二多级换热装置(14)等容降温迁移至第二压力容器(2)中。
优选地，第一至第四压力容器(1、2、3、4)可作为送气罐或受气罐，其中第一和第二压力容器(1、2)中的具有第一温度范围的液体和气体以及第三和第四压力容器(3、4)中的具有第二温度范围的液体和气体可以迁入或迁出。
优选地，所述第一至第四压力容器(1、2、3、4)设置隔热材料与外界隔热。
优选地，所述可逆动力设备(9、10、11、12)同时具有发电模式和电动模式；在发电模式下，可逆动力设备(9、11)分别被第一、第二液体活塞杆驱动进行发电，可逆动力设备(10、12)分别被第一、第二气用活塞杆驱动进行发电；在电机模式下，可逆动力设备(9、11)可利用电能分别驱动第一、第二液体活塞杆运动，可逆动力设备(10、12)可利用电能分别驱动第一、第二气用活塞杆运动。
优选地，第一和第二多级换热装置(13、14)采用非同时回热。
优选地，所述第一和第二多级换热装置(13、14)由多个串联的储水罐组成，每个储水罐中存储较满的不同温度的水。
进一步，当气体需要升温时，通过控制气体阀门使气体通过第一和第二多级换热装置(13、14)的高温口进入，低温口排出；当气体需要降温时，通过控制气体阀门使气体通过第一和第二多级换热装置(13、14)的低温口进入，高温口排出。
优选地，第一和第二多级换热装置(13、14)为表面式加热器或混合式回热加热器。
具体地，表面式加热器为将多个存储满具有一定温度范围水的储水罐通过排气管道依次串联起来，使需要升温或降温的气体与水不直接接触，利用金属管道的传热能力进行升温或降温。
具体地，混合式回热加热其为将三个储水罐储存接近满罐的温度范围的水，利用迁移气体的管道串联起来，使需要升温或降温的气体与液体在储水罐中直接接触。
优选地，第一和第二多级换热装置(13、14)的储水罐中设置有循环泵，将储水罐底部的具有一定温度范围的液体抽送到储水罐的顶部。
具体地，低温等温压缩过程中的第一液压缸(5)、第一压力容器(1)和第二压力容器(2)均有压缩、迁出、进气三种状态，其中第一压力容器(1)进气状态横跨第一过程和第二过程，第二压力容器(2)进气状态横跨第三过程和第四过程；高温等温膨胀过程中的第二液压缸(6)、第三压力容器(3)和第四压力容器(4)均有迁入、膨胀、排气三种状态，其中第三压力容器(3)排气状态横跨第二过程和第三过程，第四压力容器(4)排气横跨第一过程和第四过程；等容升温过程中的第一气用活塞缸(7)和第二气用活塞缸(8)均有升温、停止两种状态；等容降温过程中的第一气用活塞缸(7)和第二气用活塞缸(8)仅有降温一种状态。
具体地，第三压容器(3)或第四压力容器(4)中的气体等温膨胀推动第三压力容器(3)或第四压力容器(4)中第二温度液体流向所述第二液压缸(6)并驱动所述第二活塞杆运动使可逆动力设备(11)发电；所述第三压力容器(3)或第四压力容器(4)中的气体等温膨胀后，在由第三压力容器(3)或第四压力容器(4)经第二气用活塞缸(8)等体积迁移至第一压力容器(1)或第二压力容器(2)时，推动第二气用活塞杆使可逆动力设备(12)发电。
具体地，在热泵运行过程中，第一液体活塞系统用于低温等温膨胀过程，第一或第二压力容器中的气体低温等温膨胀时，第一温度液体由第一压力容器(1)或第二压力容器(2)流向所述第一液压缸(5)时驱动所述第一活塞运动并推动可逆动力设备(9)发电；第二液体活塞系统用于高温等温压缩过程，所述第三压力容器(3)或第四压力容器(4)中的气体在等温压缩之后，在由第三压力容器(3)或第四压力容器(4)经第二气用活塞缸(8)等体积迁移至第一压力容器(1)或第二压力容器(2)时，推动第二气用活塞杆推动可逆动力设备(12)发电；所述第一气用活塞缸(7)和第二气用活塞缸(8)分别交替用于等容升温和等容降温过程的驱动。
优选地，系统还包括第五压力容器(15)和第六压力容器(16)；所述第五压力容器(15)下部连接第一液压缸(5)，上部通过气体阀门控制与第一气用活塞缸(7)和第二气用活塞缸(8)之一相连接；所述第六压力容器(16)下部连接第二液压缸(6)，上部通过气体阀门控制与第一气用活塞缸(7)和第二气用活塞缸(8)之一相连接；所述第五压力容器(15)中储存满第一温度范围的液体，所述第六压力容器(16)储存满第二温度范围的液体。
优选地，系统还包括第三液压缸(17)、第四液压缸(18)，第七压力容器(19)、第八压力容器(20)；所述第一液压缸(5)与第三液压缸(17)并联连接，第二液压缸(6)与第四液压缸并联。
优选地，第一温度范围低于所述第二温度范围。
附图说明
本发明实施例附图中，只涉及到与本发明实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。在不冲突的情况下，本发明同一实施例及不同实施例中的特征可以相互组合。
图1为本发明一实施例提供的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统的结构示意图；
图2A-2D为根据本发明一实施例提供的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统的4个运行过程示意图，其中图2A为第一过程的运行示意图，图2B为第二过程的运行示意图，图2C为第三过程的运行示意图，图2D为第四过程的运行示意图；
图3A-3E为根据本发明一实施例提供的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统的多级换热装置的两种方案结构示意图；其中图3A、图3B为表面式加热器，图3C为混合式回热加热器，图3D为固定板管式换热器，图3E为蓄热体换热过程工作原理图；
图4为根据本发明一实施例提供的具有外部换热实现结构的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统结构图；
图5为根据本发明一实施例提供的具有三态式连续运行结构的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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，都属于本发明的保护范围。本发明实施例附图中，只涉及到与本发明实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。在不冲突的情况下，本发明同一实施例及不同实施例中的特征可以相互组合。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
目前，通常的太阳能热发电技术效率不高，对太阳能的利用效率较低。另一方面，工业领域和生活领域中的含有废热和余热的液体、烟气的品味、品质不高，利用的可行性较低；其中绝大部分被废弃掉，既造成了资源的浪费，也对环境产生了污染。同样地，我国的地热资源除少数中高温热水资源用于发电外，其余主要用于建筑采暖、温泉保健、养殖种植，大量的地热资源缺乏直接的热需求，因而被闲置浪费。因此，本发明旨在对这些热源进行有效利用可同时利用这些能源进行发电，又可减少资源的浪费并减少污染。
图1为根据本发明一实施例提供的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统的结构示意图。如图1所示，第一压力容器1和第二压力容器2被配置为储存具有第一温度范围的液体和气体；第三压力容器3和第四压力容器4被配置为储存具有第二温度范围的液体和气体；第一液压缸5连接第一压力容器1和第二压力容器2组成第一液体活塞系统，第二液压缸6连接第三压力容器3和第四压力容器4组成第二液体活塞系统。设置四个过程形成斯特林循环，第一多级换热装置13低温口通过阀门控制与第一压力容器1和第二压力容器2其中之一相连，高温口通过阀门控制与第三压力容器3和第四压力容器4其中之一相连；第二多级换热装置14低温口通过阀门控制与第一压力容器1和第二压力容器2其中之一相连，高温口通过阀门控制与第三压力容器3和第四压力容器4其中之一相连；第一气用活塞缸7设置在第一多级换热装置13低温口与第一压力容器1和第二压力容器2相连的管道上用于控制气体的等体积迁移，第二气用活塞缸8设置在第二多级换热装置14低温口与第一压力容器1和第二压力容器2相连的管道上用于控制气体的等体积迁移；第一液压缸5中设置有第一液体活塞及相连的第一液体活塞杆，第二液压缸6中设置有第二液体活塞及相连的第二液体活塞杆，第一气用活塞缸7中设置有第一气用活塞及相连的第一气用活塞杆，第二气用活塞缸8中设置有第二气用活塞及相连的第二气用活塞杆。第一液体活塞推动第一液压缸5中第一温度范围的液体进入第一压力容器1或第二压力容器2中压缩第一气体，第一气用活塞被配置为在第二气体的膨胀作用下运动，驱动第四可逆动力设备12。
图2为根据本发明一实施例提供的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统中4个斯特林循环过程的示意图，图中气体阀门与液体阀门加阴影代表阀门打开，不加阴影代表阀门关闭。箭头代表管道中液体流向，灰色箭头代表管道中气体流向。
图2A为第一过程的运行示意图，黑色过程开始时第一压力容器1处于满液，第二压力容器2处于满气，第三压力容器3中气体的体积为V1，第四压力容器4中的气体体积为V2。打开液体阀门F1、F4、F5、F8及气体阀门F9、F15、F18、F19，第一过程中，第一压力容器1处于进气状态，第二压力容器2处于压缩状态，第二气用活塞缸8处于停止状态，第三压力容器3处于膨胀状态，第四压力容器4处于迁出状态，第一气用活塞缸7处于工作状态；第一可逆动力设备9处于电动机状态带动第一液体活塞杆运动将第一液压缸5中第一温度范围的液体压至第二压力容器2中，第一温度范围的液体在第二压力容器2中等温压缩其中的气体，而第一压力容器1也由于不断进气将第一压力容器1中第一温度范围的液体压至第一液体压缸5中，直至第一压力容器1中的气体体积变为V2，第二压力容器2中的气体被等温压缩，最终体积为V1；在第二压力容器2中进行等温压缩的同时，高温高压的第二气体在第三压力容器3中等温膨胀，同时将第三压力容器3中的第二温度范围的液体压至第二液压缸6中，向第二液压缸6施加液压推动第二液体活塞杆运动并驱动第三可逆动力设备11进行发电；第二液压缸6中第二温度液体也因此被压入第四压力容器4中，直至第四压力容器4为满液状态；第四压力容器4中的第二气体也在第二液压缸6中第二温度液体的推动下进行排气，此第二气体经过多级换热装置13降温之后经由第一气用活塞缸7等体积迁移至第一压力容器1中，在迁移的过程中推动第一气用活塞缸7的第一气用活塞杆运动使第四可逆动力设备12进行发电。
图2B为第二过程的运行示意图。第二过程中，打开液体阀门F1、F4、F5、F8以及气体阀门F9、F12、F13、F16、F18、F19、F21、F24，第二过程的运行过程中第一压力容器1处于进气状态，第二压力容器2处于迁出状态，第一气用活塞缸7处于工作状态，第三压力容器3处于迁出状态，第四压力容器4处于进气状态，第二气用活塞缸8处于工作状态；第一可逆动力设备9带动第一液体活塞杆运动将第一液压缸5中第一温度范围的液体压至第二压力容器2中，将第二压力容器2中的气体迁出至第二气用活塞缸8内，第二可逆动力设备10处于电动状态并带动第一气用活塞杆运动将第二气用活塞缸8内的气体经过多级换热装置14等容升温迁至第四压力容器4内，使第四压力容器4中的第二温度范围的液体压至第二液压缸6中，进而推动第二液体活塞杆运动并确定第三可逆动力设备11发电，同时使第二液压缸6中第二温度范围的液体进入第三压力容器3中，而使第三压力容器3中第二气体排出，经过多级换热装置13降温之后由第一气用活塞缸7等体积迁移至第一压力容器1中，在迁移过程中推动第一气用活塞缸7中第二气用活塞杆运动并使第四可逆动力设备12发电。最终第一压力容器1处于满气，第二压力容器2处于满液，第三压力容器3中存在的气体体积为V2，第四压力容器4中存在的气体体积为V1。
图2C为第三过程的运行示意图。第三过程中，打开液体阀门F1、F4、F5、F8以及气体阀门F12、F14、F21、F24，第三过程的运行过程中第一压力容器1处于压缩状态，第二压力容器2处于进气状态，第一气用活塞缸7处于停止状态，第三压力容器3处于迁出状态，第四压力容器4处于膨胀状态，第二气用活塞缸8处于工作状态；第一可逆动力设备9处于电动机转态并带动第一液体活塞杆运动将第一液压缸5中第一温度范围的液体压至第一压力容器1中，第一温度范围的液体在第一压力容器1中等温压缩其中的气体；第二压力容器2也由于不断进气将第二压力容器2中第一温度范围的液体压至第一液体压缸5中，直至第二压力容器2中的气体体积为V2，第一压力容器1中存在的气体被等温压缩后体积为V1；在第一压力容器1中进行等温压缩的同时，高温高压的气体在第四压力容器4中等温膨胀，同时将第四压力容器4中的第二温度范围的液体压至第二液压缸6中，向第二液压缸6施加液压推动第二液体活塞杆运动并驱动第三可逆动力设备11发电；第二液压缸6中第二温度范围的液体也因此被压入第三压力容器3中，直至第三压力容器3为满液状态，第三压力容器3存在的气体也在第二液压缸6中第二温度范围的液体的推动下进行排气，此气体经过多级换热装置14降温之后经由第二气用活塞缸8等体积迁移至第二压力容器2中，在迁移的过程中推动第二气用活塞缸8的第二气用活塞杆运动并驱动第二可逆动力设备10发电。
图2D为第四过程的运行示意图。第四过程中，打开液体阀门F1、F4、F5、F8以及气体阀门F9、F12、F13、F16、F18、F19、F21、F24；第四过程的运行过程中第一压力容器1处于迁出状态，第二压力容器2处于进气状态，第一气用活塞缸7处于工作状态，第三压力容器3处于进气状态，第四压力容器4处于迁出状态，第二气用活塞缸8处于工作状态；第一可逆动力设备9带动第一液体活塞杆运动将第一液压缸5中第一温度范围的液体压至第一压力容器1中，将第一压力容器1中存在的气体迁出至第一气用活塞缸7内，第四可逆动力设备12处于电动状态并带动第二气用活塞杆运动将第一气用活塞缸7内气体经过多级换热装置13等容升温迁至第三压力容器3处，使第三压力容器3中的第二温度范围的液体压至第二液压缸6中，进而推动第二液体活塞杆运动并驱动第三可逆动力设备11进行发电；同时，使第二液压缸6中第二温度范围的液体进入第四压力容器4中，使第四压力容器4中存在的气体排出，经过多级换热装置14降温之后由第二气用活塞缸8等体积迁移至第二压力容器2中，在迁移过程中推动第二气用活塞缸8中的第二气用活塞杆运动并驱动第二可逆动力设备10进行发电。最终第一压力容器1处于满液，第二压力容器2处于满气，第三压力容器3中存在的气体体积为V1，第四压力容器4中存在的气体体积为V2。而热泵系统的工作过程为斯特林循环的逆过程。
在该实施例中，利用液体温差可逆式发电的系统可通过上述的装置实现持续发电，利用温度较低的具有第一温度范围的液体与温度较高的具有第二温度范围的液体之间的温差进行发电。需要说明的是，上述的第一气体和第二气体的区分仅仅是为了更清楚地说明本发明所提供的利用液体温差发电的系统的工作原理，第一气体和第二气体的具体成分可以相同；另外，第一气体具有低温低压的状态，也具有高温高压的状态，第二气体具有高温高压的状态，也具有低温低压的状态，本发明在此不作限制。另外，上述的具有第一温度范围的液体可直接为地热资源或工业领域和生活领域中的含有废热和余热的液体，从而直接对上述的热能进行利用发电，也可为经过上述地热资源或工业领域和生活领域中的含有废热和余热的液体、具有废热或余热的烟气、或太阳能等能源加热之后的液体。值得注意的是，由于第三压力容器与第四压力容器的温度较高，高温高压的气体等温膨胀所做的功大于对低温低压的气体进行压缩所做的功，因此，本实施例提供的利用液体温差发电的系统是将气体的压缩和膨胀作为一种媒介以实现对热能的利用和发电，并不需要额外补充高压气体。当然，本发明包括但不限于此，如果使用环境中具有可以利用的高压气体或高温高压气体，也可将该高压气体或高温高压气体接入本实施例提供的利用液体温差发电的系统进行利用。
在优选的实施例中，如图1所示，为了更好地实现低温低压的第一气体在第一压力容器1与第二压力容器2中进行等温压缩，第一压力容器1可包括第一循环泵，第二压力容器2可包括第二循环泵，第一压力容器1和第二压力容器2的底部分别与第一压力容器1和第二压力容器2的顶部相连，以将第一压力容器1与第二压力容器2底部的具有第一温度范围的液体抽送到第一压力容器1与第二压力容器2的顶部，以更好地实现第一温度范围的液体与第一气体的热交换。
本发明中的可逆动力设备同时具有发电模式和电动模式，可利用电能反向驱动活塞杆运动。在发电模式下，可逆动力设备被活塞杆驱动进行发电；在电机模式下，可逆动力设备可利用电能反向驱动活塞杆运动。可逆动力设备可由直线发电机或曲柄发电机组成；也可为电机与丝杠混合的电动缸；也可由液压缸与水泵、水轮机组成虚拟抽蓄实现。
作为优选的实施例，如图1所示，为了更好地实现高温高压的第二气体在第三压力容器3和第四压力容器4中进行等温膨胀，第三压力容器3可包括第三循环泵，第四压力容器4可包括第四循环泵，以将第三压力容器3和第四压力容器4的底部分别与第三压力容器3和第四压力容器4的顶部相连，以将第三压力容器3和第四压力容器4底部的具有第二温度范围的液体抽送到第三压力容器3和第四压力容器4的顶部，以更好地实现第二温度范围的液体与第二气体的热交换。
回热是一种把热量从一种介质中传到另一种介质中，多级换热装置本质上是一个储热装置，将热量存储起来，当气体经过时进行换热。图3为根据本发明一实施例提供的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统中的多级换热装置的结构示意图。其中图3A与图3B为表面式加热器，图3C为混合式回热加热器。该两组换热装置分别由多个串联的储水罐组成，每个储水罐中存储较满的不同温度的水。第一多级换热装置13低温口通过阀门控制与第一压力容器1和第二压力容器2其中之一相连，高温口通过阀门控制与第三压力容器3和第四压力容器4其中之一相连；第二多级换热装置14低温口通过阀门控制与第一压力容器1和第二压力容器2其中之一相连，高温口通过阀门控制与第三压力容器3和第四压力容器4其中之一相连。多级换热装置13、14实现斯特林循环过程中的等容升温以及等容降温过程。在经过一次循环过程后通过阀门改变两个多级换热装置13、14的顺序，使上一次循环过程中升温的多级换热装置变为降温，使上一次循环过程中降温的多级换热装置变为升温，从而提高装置利用率。
表面式加热器，将多个存储满具有一定温度范围水的储水罐通过排气管道依次串联起来，使需要升温或降温的气体与水不直接接触，利用金属管道的传热能力进行升温或降温。这种加热器由于金属的传热阻力，被加热的气体不可能达到水的饱和温度，所以其热经济性比混合式回热加热器低，但是它组成的回热加热系统简单，且运行方便，工作量小。图3B的管道采用曲型结构，增加了气体与压力容器中接触时间，从而使换热更加充分。
加热水和被加热的气体直接混合的回热加热器为混合式回热加热器，如图3C所示。混合式回热加热器中，将三个储水罐储存接近满罐的温度范围的水，利用迁移气体的管道串联起来，使需要升温或降温的气体与液体在储水罐中直接接触。该加热器的优点是传热效果好，气体温度可达到加热水压力下的饱和温度，结构简单，造价低；缺点是储水罐满液时加气由于气体存在一定体积会将一部分的水带出，不利使用。
图3D为固定板管式换热器。板换热器，是液—液、液—汽进行热交换的理想设备，它是由具有一定波纹形状的一些列金属片叠装而成的一种新型高效换热器，板式换热器是用薄金属板压制成具有一定波纹形状的换热板片，然后叠装，用夹板、螺栓紧固而成的一种换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。工作流体在两块板片间形成的窄小而曲折的通道中流过。冷热流体依次通过流道，中间有一隔层板片将流体分开，并通过此板片进行换热。板式换热器的结构及换热原理决定了其具有结构紧凑、占地面积小、传热效率高、操作灵活性大、应用范围广、热损失小、安装和清洗方便等特点。
图3E为蓄热体换热过程工作原理图。蓄热体安装在蓄热室内或直接安装在燃烧器内，是蓄热燃烧系统中的关键部件之一，蓄热换热系统温度效益及热效率的高低直接取决于蓄热体的性能。蓄热体主要有蜂窝陶瓷、蓄热球和蓄热管3种。由于蜂窝陶瓷蓄热体体积小，质量轻，比表面积大，耐火度高，传热能力大，目前是最主要的蓄热体材料。如图所示，蜂窝陶瓷蓄热体的换热过程工作原理为当烟气流过蜂窝体时，烟气把自身的热量传给蜂窝体，蜂窝体存储热量，温度逐渐升高；当冷流体流过时，冷流体从蜂窝体得到热量，蜂窝体的温度逐渐降低。如此反复，形成一个非稳态的传热过程。这样，通过蜂窝体的助燃空气达到了预定高温，通过的烟气，又下降到了预定低温，蜂窝体就把高温烟气中的显热转移到了助燃空气中。
优选地，如图3C所示，为了更好地实现气体在多级换热装置中进行回热，多级换热装置的储水罐中增加循环泵，以将储水罐底部与储水罐的顶部相连，以将储水罐底部的具有一定温度范围的液体抽送到储水罐的顶部，以更好地实现多级换热装置中一定温度的液体与需要升温或降温的气体进行热交换，提高热效率。
本发明中的多级换热装置采用非同时回热。回热过程包括同时回热以及非同时回热，同时回热是在同一装置中有两个换热部分，一个用于升温，另一个用于降温，并且同时进行；非同时回热是利用同一回热装置首先进行升温，然后再进行降温，两个过程不同时进行，且存在先后顺序。非同时回热由于升温和降温在同一换热装置中完成，能够保证换热装置的温度保持在一定范围内，实现热量回收，提高热效率。
热泵是一种充分利用低品位热能的高效节能装置。热量可以自发地从高温物体传递到低温物体中去，但不能自发地沿相反方向进行，而热泵的工作原理就是以逆循环方式迫使热量从低温物体流向高温物体的装置，它仅消耗少量的逆循环净功，就可以得到较大的供热量，可以有效地把难以应用的低品位热能利用起来达到节能目的。在本发明系统的热泵运行过程中，第一液体活塞系统用于低温等温膨胀过程，第一压力容器(1)或第二压力容器(2)中的气体低温等温膨胀时，第一温度液体由第一压力容器(1)或第二压力容器(2)流向所述第一液压缸(5)时驱动所述第一活塞运动并推动可逆动力设备(9)发电；第二液体活塞系统用于高温等温压缩过程，所述第三压力容器(3)或第四压力容器(4)中的气体在等温压缩之后，在由第三压力容器(3)或第四压力容器(4)经第一气用活塞缸(7)等体积迁移至第一压力容器(1)或第二压力容器(2)时，推动第一气用活塞杆推动可逆动力设备(12)发电；所述第一气用活塞缸(7)和第二气用活塞缸(8)分别交替用于等容升温和等容降温过程的驱动。
图4为根据本发明一实施例提供的具有外部换热实现结构一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，如图4所示，虚线框内部分为外部换热实现结构。图4的系统结构是在图1基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统的结构基础上增加了第五压力容器15，第六压力容器16，气体阀门F25、F26、F27、F28以及液体阀门F29、F30、F31、F32。第五压力容器15下部连接第一液压缸5，上部通过气体阀门控制与第一气用活塞缸7和第二气用活塞缸8之一相连接；第六压力容器16下部连接第二液压缸6，上部通过气体阀门控制与第一气用活塞缸7和第二气用活塞缸8之一相连接。第五压力容器15中储存满第一温度范围的液体，第六压力容器16储存满第二温度范围的液体。在该基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统开始运行时，打开液体阀门F30、F32，使第一液压缸5、第一压力容器1和第二压力容器2组成第三液体活塞系统，使第二液压缸6、第三压力容器3和第四压力容器4组成第四液体活塞系统。运行一定时间之后，由于需要始终保持第一温度范围液体和第二温度范围液体的温度不变，关闭液体阀门F30、F32，打开液体阀门F29、F31，使第一液压缸5、第五压力容器15和第二压力容器2组成第五液体活塞系统；使第二液压缸6，第六压力容器16，第四压力容器4组成第六液体活塞系统。
图5为根据本发明一实施例提供的三态式连续运行的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统结构示意图。如图5所示，三态式连续运行系统结构在图1基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统上增加了第三液压缸17、第四液压缸18、第七压力容器19，，和第八压力容器20。在连接时使第一液压缸与第三液压缸并联连接，第二液压缸与第四液压缸并联连接。即第一液压缸5连接第一压力容器1和第二压力容器2，第三液压缸17连接第一压力容器1和第七压力容器19；第二液压缸6连接第三压力容器3和第四压力容器4，第四液压缸18连接第二压力容器3和第八压力容器20。该系统的运行过程与基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统循环过程基本一致，但是由于增加了两个液压缸以及两台压力容器，由此保证第一压力容器1和第二压力容器2以及第七压力容器19在一个循环过程中分别处于迁入、膨胀、排气三种状态，第三压力容器3和第四压力容器4以及第八压力容器20在一个循环过程中分别处于迁入、膨胀、排气三种状态，确保斯特林循环的可逆式发电及热泵系统在一个循环过程中连续运行。发电过程为第二气体在第三压力容器3和第四压力容器4以及第八压力容器20中等温膨胀使第二温度液体在第二液压缸6或第四液压缸18产生液压推动第二液体活塞杆或第四液体活塞杆运动使第三可逆动力设备或第六可逆动力设备发电；第二气体经过多级换热装置降温之后由第二气用活塞缸8等体积迁移至第一压力容器1或第二压力容器2或第七压力容器19时，在迁移过程中推动第二气用活塞缸8的第二气用活塞杆运动使第四可逆动力设备12进行发电；第二气体经过多级换热装置降温之后由第一气用活塞缸7等体积迁移至第一压力容器1或第二压力容器2或第七压力容器19时，在迁移过程中推动第一气用活塞缸7的第一气用活塞杆运动使第二可逆动力设备10进行发电。
优选地，第一温度范围和第二温度范围不相同，且第一温度范围低于第二温度范围。
在优选的实施例中，具有第一温度范围的液体可采用常温的水。由于常温的水比较容易获取且成本较低，采用常温的水作为第一温度范围的液体可减少该利用液体温差发电的系统的成本。
在优选的实施例中，具有第一温度范围的液体与具有第二温度范围的液体可采用不同的物质。例如，具有第二温度范围的液体可以采用高温油或者高温熔融盐，具有第一温度范围的液体可以采用低温油或者水，以提高第一温度范围和第二温度范围的温度差从而可以显著提高发电效率。
在优选的实施例中，本发明利用液体温差可逆式发电及热泵系统包括：存储压缩后的第一气体；以及利用存储的第一气体进行发电。由此，在本发明利用液体温差发电系统中，可将高温高压气体等温膨胀做的功一部分用于压缩第一压力容器中的低温低压气体，并将压缩后的气体迁移至压缩气体存储罐内，这样可以在用电低谷期，将所发的电能用压缩空气的空气势能形式储存起来。在用电高峰期，压缩气体存储罐内的压缩空气可以迁移至第一压力容器内，并利用这部分压缩空气膨胀做功推动第一液体活塞杆运动而发电，从而实现削峰填谷。当然，压缩气体存储罐内的压缩空气也可以迁移至第二压力容器内以进行发电。
在优选的实施例中，本发明利用液体温差可逆式发电及热泵系统包括：加热存放第二温度范围的液体的第二液体池中的具有第二温度范围的液体，以保持该液体保持第二温度范围。
在优选的实施例中，本发明中的压力容器设置隔热材料与外界隔热。
在优选的实施例中，本发明中的压力容器可以是内控温液体活塞。内控温液体活塞是指通过液体活塞内部液体控制气体压缩或膨胀时温度的变化，腔内采用蓄气单元技术、蓄水单元技术、填料塔技术、平板塔技术、强制液体循环技术或换热导管等换热技术实现快速的热质交换。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，包括：
第一至第四压力容器(1、2、3、4)，第一和第二液压缸(5、6)，第一和第二气用活塞缸(7、8)，第一至第四可逆动力设备(9、10、11、12)，第一和第二多级换热装置(13、14)；所述第一和第二压力容器(1、2)被配置为储存具有第一温度范围的液体和气体，所述第三和第四压力容器(3、4)被配置为储存具有第二温度范围的液体和气体；
所述第一液压缸(5)和第一和第二压力容器(1、2)组成第一液体活塞系统，用于低温等温压缩过程，所述第一液压缸(5)中的第一活塞推动第一液压缸(5)中的第一温度范围的液体进入第一压力容器(1)或第二压力容器(2)中压缩所述第一气体；所述第二液压缸(6)和第三和第四压力容器(3、4)组成第二液体活塞系统，用于高温等温膨胀过程，所述所述第二液压缸(6)的第二活塞在所述第二气体的膨胀作用下运动，通过与其相连的第二活塞杆驱动所述第四可逆动力设备(12)；
所述第一多级换热装置(13)低温口通过阀门控制与第一和第二压力容器(1、2)之一相连，高温口通过阀门控制与第三和第四压力容器(3、4)之一相连；所述第二多级换热装置(14)低温口通过阀门控制与第一和第二压力容器(1、2)之一相连，高温口通过阀门控制与第三和第四压力容器(3、4)之一相连；
所述第一气用活塞缸(7)和第二气用活塞缸(8)分别交替用于等容升温和等容降温过程的驱动；所述第一气用活塞缸(7)设置在第一多级换热装置(13)低温口与第一压力容器(1)和第二压力容器(2)相连的管道上用于控制气体的等体积迁移，所述第二气用活塞缸(8)设置在第二多级换热装置(14)低温口与第一压力容器(1)和第二压力容器(2)相连的管道上用于控制气体的等体积迁移。
2.根据权利要求1所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于，所述系统包括四个斯特林循环过程，分别为：
第一过程，第一多级换热装置(13)低温口通过阀门控制与第一压力容器(1)相连，高温口与第四压力容器(4)相连，第四可逆动力设备(12)控制第一气用活塞缸(7)中的第一气体活塞杆运动使第四压力容器(4)中气体经第一多级换热装置(13)等容降温迁移至第一压力容器(1)中；
第二过程，第一多级换热装置(13)低温口通过阀门控制与第一压力容器(1)相连，高温口与第三压力容器(3)相连，第二多级换热装置(14)低温口通过阀门控制与第二压力容器(2)相连，高温口与第四压力容器(4)相连；第四可逆动力设备(12)控制第一气用活塞缸(7)中第一气体活塞杆运动使第三压力容器(3)中气体经第一多级换热装置(13)等容降温迁移至第一压力容器(1)中，第二可逆动力设备(10)控制第二气用活塞缸(8)中的第二气体活塞杆运动使第二压力容器(2)中气体经第二多级换热装置(14)等容升温迁移至第四压力容器(4)中；
第三过程，第二多级换热装置(14)低温口通过阀门控制与第二压力容器(2)相连，高温口与第三压力容器(3)相连，第二可逆动力设备(10)控制第二气用活塞缸(8)中第二气体活塞杆运动使第三压力容器(3)中气体经第二多级换热装置(14)等容降温迁移至第二压力容器(2)中；
第四过程，第一多级换热装置(13)低温口通过阀门控制与第一压力容器(1)相连，高温口与第三压力容器(3)相连，第二多级换热装置(14)低温口通过阀门控制与第二压力容器(2)相连，高温口与第四压力容器(4)相连；第四可逆动力设备(12)控制第一气用活塞缸(7)中第一气体活塞杆运动使第一压力容器(1)中气体经第一多级换热装置(13)等容升温迁移至第三压力容器(3)中，第二可逆动力设备(10)控制第二气用活塞缸(8)中第二气体活塞杆运动使第四压力容器(4)中气体经第二多级换热装置(14)等容降温迁移至第二压力容器(2)中。
3.根据权利要求1所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于：所述第一至第四压力容器(1、2、3、4)可作为送气罐或受气罐，其中第一和第二压力容器(1、2)中的具有第一温度范围的液体和气体以及第三和第四压力容器(3、4)中的具有第二温度范围的液体和气体可以迁入或迁出。
4.根据权利要求1所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于：所述第一至第四压力容器(1、2、3、4)设置隔热材料与外界隔热。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于：所述可逆动力设备(9、10、11、12)同时具有发电模式和电动模式；在发电模式下，可逆动力设备(9、11)分别被第一、第二液体活塞杆驱动进行发电，可逆动力设备(10、12)分别被第一、第二气用活塞杆驱动进行发电；在电机模式下，可逆动力设备(9、11)可利用电能分别驱动第一、第二液体活塞杆运动，可逆动力设备(10、12)可利用电能分别驱动第一、第二气用活塞杆运动。
6.根据权利要求1中所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于：所述第一和第二多级换热装置(13、14)采用非同时回热。
7.根据权利要求1中所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统的多级换热装置，其特征在于：所述第一和第二多级换热装置(13、14)由多个串联的储水罐组成，每个储水罐中存储较满的不同温度的水。
8.根据权利要求1中所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统的多级换热装置，其特征在于：当气体需要升温时，通过控制气体阀门使气体通过第一和第二多级换热装置(13、14)的高温口进入，低温口排出；当气体需要降温时，通过控制气体阀门使气体通过第一和第二多级换热装置(13、14)的低温口进入，高温口排出。
9.根据权利要求7中所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于，所述第一和第二多级换热装置(13、14)为表面式加热器或混合式回热加热器。
10.根据权利要求9中所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于，所述表面式加热器为将多个存储满具有一定温度范围水的储水罐通过排气管道依次串联起来，使需要升温或降温的气体与水不直接接触，利用金属管道的传热能力进行升温或降温。
11.根据权利要求9中所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于，所述混合式回热加热其为将三个储水罐储存接近满罐的温度范围的水，利用迁移气体的管道串联起来，使需要升温或降温的气体与液体在储水罐中直接接触。
12.根据权利要求7中所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于，所述第一和第二多级换热装置(13、14)的储水罐中设置有循环泵，将储水罐底部的具有一定温度范围的液体抽送到储水罐的顶部。
13.根据权利要求2中所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于：低温等温压缩过程中的第一液压缸(5)、第一压力容器(1)和第二压力容器(2)均有压缩、迁出、进气三种状态，其中第一压力容器(1)进气状态横跨第一过程和第二过程，第二压力容器(2)进气状态横跨第三过程和第四过程；高温等温膨胀过程中的第二液压缸(6)、第三压力容器(3)和第四压力容器(4)均有迁入、膨胀、排气三种状态，其中第三压力容器(3)排气状态横跨第二过程和第三过程，第四压力容器(4)排气横跨第一过程和第四过程；等容升温过程中的第一气用活塞缸(7)和第二气用活塞缸(8)均有升温、停止两种状态；等容降温过程中的第一气用活塞缸(7)和第二气用活塞缸(8)仅有降温一种状态。
14.根据权利要求1所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于，所述第三压容器(3)或第四压力容器(4)中的气体等温膨胀推动第三压力容器(3)或第四压力容器(4)中第二温度液体流向所述第二液压缸(6)并驱动所述第二活塞杆运动使可逆动力设备(11)发电；所述第三压力容器(3)或第四压力容器(4)中的气体等温膨胀后，在由第三压力容器(3)或第四压力容器(4)经第二气用活塞缸(8)等体积迁移至第一压力容器(1)或第二压力容器(2)时，推动第二气用活塞杆使可逆动力设备(12)发电。
15.根据权利要求1中所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于：在热泵运行过程中，第一液体活塞系统用于低温等温膨胀过程，第一或第二压力容器中的气体低温等温膨胀时，第一温度液体由第一压力容器(1)或第二压力容器(2)流向所述第一液压缸(5)时驱动所述第一活塞运动并推动可逆动力设备(9)发电；第二液体活塞系统用于高温等温压缩过程，所述第三压力容器(3)或第四压力容器(4)中的气体在等温压缩之后，在由第三压力容器(3)或第四压力容器(4)经第二气用活塞缸(8)等体积迁移至第一压力容器(1)或第二压力容器(2)时，推动第二气用活塞杆推动可逆动力设备(12)发电；所述第一气用活塞缸(7)和第二气用活塞缸(8)分别交替用于等容升温和等容降温过程的驱动。
16.根据权利要求1中所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于：所述系统还包括第五压力容器(15)和第六压力容器(16)；所述第五压力容器(15)下部连接第一液压缸(5)，上部通过气体阀门控制与第一气用活塞缸(7)和第二气用活塞缸(8)之一相连接；所述第六压力容器(16)下部连接第二液压缸(6)，上部通过气体阀门控制与第一气用活塞缸(7)和第二气用活塞缸(8)之一相连接；所述第五压力容器(15)中储存满第一温度范围的液体，所述第六压力容器(16)储存满第二温度范围的液体。
17.根据权利要求1所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统三态式连续运行，其特征在于：所述系统还包括第三液压缸(17)、第四液压缸(18)，第七压力容器(19)、第八压力容器(20)；所述第一液压缸(5)与第三液压缸(17)并联连接，第二液压缸(6)与第四液压缸并联。
18.根据权利要求1、3或16任一项所述的一种基于斯特林循环的可逆式发电及热泵系统，其特征在于：所述第一温度范围低于所述第二温度范围。
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