CN116398316A - 一种太阳能斯特林发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机技术领域，提供一种太阳能斯特林发动机，包括发动机本体、保温套筒和光辐射接收器；发动机本体包括加热器、回热器、冷却器和导热壳体，加热器、回热器、冷却器在导热壳体内依次连接；保温套筒套设于导热壳体的周壁，保温套筒套的第一端露出于导热壳体的第一端；保温套筒套的第一端设有透明窗口；光辐射接收器设于导热壳体的第一端的外壁面，透明窗口和光辐射接收器之间形成保温腔。本发明可实现充分吸收光辐射，减小光线二次反射损失、辐射损失和对流传热损失，提高光热转换效率，有效增大气体工质的换热面积和平均温度，进而提高斯特林发动机的效率。

Description

一种太阳能斯特林发动机

技术领域

本发明涉及发动机技术领域，尤其涉及一种太阳能斯特林发动机。

背景技术

当前，光热发电技术以其能够利用储量丰富、清洁、可再生的太阳能，得到广泛的推广和关注。碟式太阳能斯特林热发电技术通过碟形聚光器将太阳光线聚焦到焦斑位置的斯特林发动机接收器，斯特林发动机接收器将光能转换为高温的热能，以实现驱动斯特林发动机做功并发电，具有效率高、系统紧凑、布局灵活等优点。

斯特林发动机(Stirling Engine，SE)是一种外部供热的闭式循环往复式发动机，具有不受热源形式限制、运行噪声低、热效率高等优点，是碟式斯特林太阳能热发电当中热功转换的关键部件。斯特林发动机主要包括加热器、回热器、冷却器以及相关机械传动部件。斯特林发动机内部的工质在高温热源和低温冷源的作用下，进行周期性地膨胀和压缩，以推动活塞做功，从而将热能转换为机械能。其中，斯特林发动机内的工质通常采用氦气、氢气或空气。

碟式太阳能斯特林发电系统中，发动机接收器外表面传热方式为辐射换热，因此，发动机加热器内壁面对流换热过程是限制加热器传热性能的关键因素。高功率碟式斯特林发电系统一般采用管式加热器，并将管式加热器制造为类似盘状或圆锥形结构，以增大换热面积，充分吸收辐射光线。但是，在管径小、数量多的情况下，加热管制作及焊接工艺比较复杂，焊点容易漏气且热流分布不均，易导致加热管高温腐蚀。低功率碟式太阳能β型自由活塞斯特林发动机通常采用结构简单、辐射传热面积大的具有外露结构的接收器来吸收辐射热量。辐射吸收的热量通过导热方式依次传递到膨胀腔外壁和加热器的外壁，然后再传递到斯特林发动机内的气体工质。

然而，在实际应用中发现，在低功率型碟式太阳能β型自由活塞斯特林发电系统中，外露式接收器结构存在辐射热损、对流热损和光线二次反射损失等缺点，导致光热转化效率降低，斯特林发动机的效率降低。

发明内容

本发明提供一种太阳能斯特林发动机，用以提高斯特林发动机光热转化效率，进而有效提高斯特林发动机效率。

本发明提供一种太阳能斯特林发动机，包括：发动机本体、保温套筒和光辐射接收器；

所述发动机本体包括加热器、回热器、冷却器和导热壳体，所述加热器、所述回热器、所述冷却器分别设于所述导热壳体内，所述加热器、所述回热器和所述冷却器依次连接；

所述保温套筒套设于所述导热壳体的周壁，所述保温套筒套的第一端露出于所述导热壳体的第一端；所述保温套筒套的第一端设有透明窗口；所述光辐射接收器设于所述导热壳体的第一端的外壁面，所述透明窗口和所述光辐射接收器之间形成保温腔；

其中，聚焦的太阳光可通过所述透明窗口到达所述光辐射接收器，所述光辐射接收器用于将所述太阳光的太阳能转化为热能，所述导热壳体将所述热能传导至所述加热器，所述加热器通过对流传热方式与斯特林发动机内的气体工质进行热交换。

根据本发明提供的一种太阳能斯特林发动机，所述光辐射接收器包括多孔泡沫金属层和光吸收涂层；

所述多孔泡沫金属层设于所述导热壳体的第一端的外壁面，所述光吸收涂层设于所述多孔泡沫金属层的表面。

根据本发明提供的一种太阳能斯特林发动机，所述多孔泡沫金属层和所述导热壳体为相同的金属材料，所述多孔泡沫金属层是在所述导热壳体的外壁上采用发泡法加工而成。

根据本发明提供的一种太阳能斯特林发动机，所述光吸收涂层包括超黑材料涂层；

所述超黑材料涂层的材质包括碳纳米管、炭黑和氮化铝钛当中的任一种或至少两种的组合。

根据本发明提供的一种太阳能斯特林发动机，所述保温套筒包括收缩段和直筒段；所述收缩段的第一端形成为所述保温套筒套的第一端，所述收缩段的第二端与所述直筒段的第一端连通；

其中，所述直筒段套设于所述导热壳体的周壁，所述直筒段的第二端延伸至所述导热壳体上的与所述回热器靠近所述冷却器的一端相对应的位置。

根据本发明提供的一种太阳能斯特林发动机，所述保温套筒包括内壳体和外壳体；所述外壳体套设于所述内壳体的外侧，所述内壳体和所述外壳体之间形成空气隔热层。

根据本发明提供的一种太阳能斯特林发动机，所述太阳能斯特林发动机还包括：耐热保温层；所述耐热保温层夹设于所述直筒段和所述导热壳体之间。

根据本发明提供的一种太阳能斯特林发动机，所述透明窗口包括高透射率玻璃片和低辐射膜；

所述高透射率玻璃片设于所述保温套筒套的第一端，所述低辐射膜设于所述高透射率玻璃片朝向所述光辐射接收器的一侧。

根据本发明提供的一种太阳能斯特林发动机，所述加热器呈筒状，所述加热器上沿周向设有多个流体通道，每个所述流体通道沿所述加热器的轴向贯穿所述加热器。

根据本发明提供的一种太阳能斯特林发动机，所述加热器的热导率大于所述导热壳体的热导率，所述加热器的外侧面和所述导热壳体的内壁贴合；

和/或，每个所述流体通道沿垂直于所述加热器的轴向的截面形状包括三角形、矩形和圆形当中的任一种，多个所述流体通道的所述截面形状为三角形、矩形和圆形当中的至少一种的组合。

本发明提供的太阳能斯特林发动机，通过在导热壳体的第一端的外壁面设置光辐射接收器，可以通过光辐射接收器充分吸收光辐射，并且基于透明窗口和光辐射接收器之间设置的保温腔，减小光辐射接收器的辐射损失和对流热损失，有效提高导热壳体在对应加热器部位的温度，提高光热转换效率；由于加热器流道数量可根据实际换热情况进行调整，有效增大气体工质的换热面积和平均温度，进而提高斯特林发动机的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的太阳能斯特林发动机的剖面结构示意图；

图2是本发明提供的图1中K部的局部放大示意图；

图3是本发明提供的图1中P部的局部放大示意图；

图4是本发明提供的加热器的立体结构示意图；

图5是本发明提供的加热器的俯视示意图之一；

图6是本发明提供的加热器的俯视示意图之二；

图7是本发明提供的加热器的俯视示意图之三。

附图标记：

1、发动机本体；101、导热壳体；11、加热器；12、回热器；13、冷却器；111、流体通道；14、膨胀腔；15、压缩腔；16、气缸；17、配气活塞；18、配气活塞杆；19、动力活塞；

2、保温套筒；21、收缩段；22、直筒段；201、内壳体；202、外壳体；203、空气隔热层；2001、盖板；2002、密封圈；

3、透明窗口；31、高透射率玻璃片；32、低辐射膜；

4、光辐射接收器；41、多孔泡沫金属层；42、光吸收涂层；

5、耐热保温层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

下面结合图1-图7，通过具体的实施例及其应用场景对本发明实施例提供的太阳能斯特林发动机进行详细地说明。

如图1所示，本发明实施例提供一种太阳能斯特林发动机，包括：发动机本体1、保温套筒2和光辐射接收器4。

发动机本体1包括加热器11、回热器12、冷却器13和导热壳体101，发动机本体1包括膨胀腔14、压缩腔15、气缸16、配气活塞17、配气活塞杆18和动力活塞19。气缸16同轴设置于导热壳体101内，加热器11、回热器12、冷却器13分别设于导热壳体101内，加热器11、回热器12和冷却器13依次连接，并且加热器11、回热器12和冷却器13依次套设于气缸16和导热壳体101之间，配气活塞17可移动地设于气缸16内。其中，导热壳体101可以采用不低于600℃的耐高温金属材料制成，例如，导热壳体101可以为不锈钢壳体。

导热壳体101的第一端、加热器11远离回热器12的一端以及配气活塞17的第一端之间形成膨胀腔14，导热壳体101的第二端、冷却器13远离回热器12的一端以及配气活塞17的第二端之间形成压缩腔15。

进一步地，保温套筒2套设于导热壳体101的周壁，保温套筒2的第一端露出于导热壳体101的第一端；保温套筒2的第一端设有透明窗口3；光辐射接收器4设于导热壳体101的第一端的外壁面，透明窗口3和光辐射接收器4之间形成保温腔。

可理解的是，本实施例所示的太阳能斯特林发动机的结构类型可以为本领域公知的β型自由活塞斯特林发动机。

如图1所示，在太阳能斯特林发动机中，气缸16的外壁面和导热壳体101的内壁面之间形成环形通道，加热器11、回热器12和冷却器13均设于环形通道内；也即，加热器11、回热器12和冷却器13均可设置成圆筒状，加热器11的外侧面、回热器12的外侧面以及冷却器13的外侧面分别与导热壳体101的内壁面接触，加热器11的内侧面、回热器12的外侧面以及冷却器13的外侧面分别与气缸16的外壁面接触。

进一步地，配气活塞17的第二端和配气活塞杆18的第一端连接，配气活塞杆18的第二端延伸出压缩腔15，并穿过动力活塞19与板弹簧连接。其中，板弹簧在图1中未示意出。

在实际应用中，将透明窗口3朝向聚光碟设置，太阳光在经聚光碟的反射后，通过透明窗口3聚焦到光辐射接收器4的表面，光辐射接收器4将太阳光的太阳能转化为热能，导热壳体101将热能传导至加热器11和导热壳体101的内壁面，然后，基于气体工质与导热壳体101的内壁面的对流换热，导热壳体101的内壁面和加热器11的外侧面之间的接触导热，以及气体工质与加热器11之间的对流换热，热能再次传递到斯特林发动机内的气体工质。气体工质可以为氦气、氢气或空气。

如图1所示，本实施例用箭头具体示意了太阳光向透明窗口3入射的情形。基于光辐射接收器4源源不断地吸收光辐射，并将太阳能转换为热能，在导热壳体101的热传导的作用下，加热器11的温度逐渐升高，从而加热器11可作为高温热源，冷却器13可作为低温冷源；在高温热源和冷却器13的作用下，斯特林发动机内的气体工质周期性地先依次从膨胀腔14、加热器11、回热器12和冷却器13到达压缩腔15，再依次从压缩腔15、冷却器13、回热器12和加热器11返回至膨胀腔14，以此循环，并且气体工质在周期性地膨胀和压缩的过程中，推动配气活塞17和动力活塞19做功。

由上可知，本发明提供的太阳能斯特林发动机，通过在导热壳体101的第一端的外壁面设置光辐射接收器4，可以通过光辐射接收器4充分吸收光辐射，并且基于透明窗口3和光辐射接收器4之间设置的保温腔，减小光辐射接收器4的辐射损失和对流热损失，有效提高导热壳体101在对应加热器11的部位的温度，确保了光热转换效率；由于加热器11设于导热壳体101内，基于导热壳体101对热能的传导，确保加热器11内的流体通道111与气体工质之间的对流换热，有效增大流体通道111的换热面积，并提高气体工质平均温度，进而提高斯特林发动机的效率。

在一些实施例中，如图1和图3所示，光辐射接收器4包括多孔泡沫金属层41和光吸收涂层42；多孔泡沫金属层41设于导热壳体101的第一端的外壁面，光吸收涂层42设于多孔泡沫金属层41的表面。

可理解的是，多孔泡沫金属层41可以采用不低于600℃的耐高温金属材料，如不锈钢、耐热钢等。光吸收涂层42可以采用对光反射率较低的超黑材料涂层。

在太阳光从透明窗口3透过，再照射至光吸收涂层42和多孔泡沫金属层41上时，可以对99％以上的太阳光进行吸收，减少光线二次反射损失。

与此同时，多孔泡沫金属层41将热能均匀地传导至导热壳体101的第一端，这种设置有利于防止光辐射接收器4的表面热流分布不均匀，导致出现表面热应力较大的问题。

在此过程中，由于光辐射接收器4位于保温腔内，则可基于保温腔的设置，减小辐射热损、对流热损和光线二次反射损失，尽可能地增大光辐射接收器4的光热转化效率。

多孔泡沫金属层41和导热壳体101为相同的金属材料，多孔泡沫金属层41是在导热壳体101的外壁上采用发泡法加工而成，可消除因不同材料直接接触导致的接触热阻。

其中，多孔泡沫金属层41起到传热延迟和温度均化作用，可改善导热壳体101的第一端的温度与应力分布。

在一些实施例中，为了确保光吸收涂层42对太阳光的吸收效果，光吸收涂层42包括超黑材料涂层，光吸收涂层42设置于多孔泡沫金属层41朝向透明窗口3的一侧面。

其中，超黑材料涂层的材质包括碳纳米管、炭黑和氮化铝钛当中的任一种或至少两种的组合。可选地，超黑材料涂层包括碳纳米管涂层、炭黑涂层和氮化铝钛涂层当中的任一种。

在一些实施例中，如图1所示，保温套筒2包括收缩段21和直筒段22；收缩段21的第一端形成为保温套筒2的第一端，收缩段21的第二端与直筒段22的第一端连通。

其中，直筒段22套设于导热壳体101的周壁，直筒段22的第二端延伸至导热壳体101上的与回热器12靠近冷却器13的一端相对应的位置。

可理解的是，沿着直筒段22至收缩段21的延伸方向，收缩段21的口径逐渐增大。可选地，收缩段21呈圆锥状，直筒段22呈圆柱状。

收缩段21远离直筒段22的一端的口径应根据聚光碟的开口直径与焦距具体选取，确保聚光碟反射的太阳光全部通过透明窗口3，并聚焦至光辐射接收器4的表面。

与此同时，本实施例通过设置直筒段22的第二端延伸至导热壳体101上的与回热器12靠近冷却器13的一端相对应的位置，可减小加热器11、回热器12朝向保温套筒2的外侧的热量散失，从而确保太阳能斯特林发动机内部气体工质的温度。

在一些实施例中，如图1和图3所示，保温套筒2包括内壳体201和外壳体202；外壳体202套设于内壳体201的外侧，内壳体201和外壳体202之间形成空气隔热层203。

可理解的是，内壳体201和外壳体202之间形成封闭的空气间隙层，该空气间隙层为本实施例所示的空气隔热层203，空气隔热层203用于阻止保温腔内的热量从内壳体201朝向外壳体202传热。其中，内壳体201和外壳体202可采用轻质合金材料，如铝合金等。

在一些实施例中，如图1所示，太阳能斯特林发动机还包括：耐热保温层5；耐热保温层5夹设于直筒段22和导热壳体101之间。

可理解的是，耐热保温层5应满足耐热温度不小于600℃，耐热保温层5可以具体为岩棉层、硅酸铝层、玻璃棉层当中的任一种。

本实施例通过将耐热保温层5夹设于直筒段22和导热壳体101之间，可有效防止导热壳体101在对应加热器11和回热器12的区段的热量散失。

在一些实施例中，如图1和图2所示，透明窗口3包括高透射率玻璃片31和低辐射膜32；高透射率玻璃片31设于保温套筒2套的第一端，低辐射膜32设于高透射率玻璃片31朝向光辐射接收器4的一侧面。

可理解的是，高透射率玻璃片31的透光率可达到98％以上，低辐射膜32可允许来自高透射率玻璃片31的一侧的太阳光透过，但是，阻止来自光辐射接收器4的反射光线以及保温腔的红外辐射透过。

其中，低辐射膜32对来自光辐射接收器4的反射光线的反射率可达到98％以上，低辐射膜32可以具体为银基单层低辐射膜32。在实际应用中，可在高透射率玻璃片31朝向光辐射接收器4的一侧面采用真空磁控溅射工艺形成本实施例所示的低辐射膜32，以减小保温腔内的热量通过高透射率玻璃片31的辐射热损。

如图2所示，本实施例在保温套筒2套的第一端还设有盖板2001，盖板2001呈环形，盖板2001沿着保温套筒2套的第一端的周向延伸设置。

进一步地，盖板2001和外壳体202的端部连接，透明窗口3位于盖板2001和内壳体201的端部之间，并且透明窗口3和内壳体201的端部之间，以及透明窗口3和盖板2001之间均设有密封圈2002。

如此，本实施例通过设置盖板2001和密封圈2002，在实现对透明窗口3安装的同时，可确保本实施例所示的保温腔的密封性，从而可减小透明窗口3向盖板2001产生的导热损失。

在一些实施例中，如图1和图4所示，加热器11呈筒状，加热器11上沿周向设有多个流体通道111，每个流体通道111沿加热器11的轴向贯穿加热器11。

可理解的是，沿着加热器11的轴向，加热器11可以采用线切割工艺对加热器11进行加工处理，以在加热器11上构造出多个流体通道111。

进一步地，流体通道111沿垂直于加热器11的轴向的截面形状可以采用多种形状，例如：流体通道111沿垂直于加热器11的轴向的截面形状既可以为正多边形，也可以为“L”形、“D”形、扇环形等异形形状。

可选地，每个流体通道111的截面形状可以为三角形、矩形和圆形当中的任一种，多个流体通道111的所述截面形状为三角形、矩形和圆形当中的至少一种的组合，以实现增大加热器11的换热面积，确保气体工质经加热器11的流动损失处于可接受范围之内。

如图5所示，本实施例的加热器11上沿周向均布有多个流体通道111，每个流体通道111沿垂直于加热器11的轴向的截面形状呈正三角形。

如图6所示，本实施例的加热器11上沿周向均布有多个流体通道111，每个流体通道111沿垂直于加热器11的轴向的截面形状呈矩形。

如图7所示，本实施例的加热器11上沿周向均布有多个流体通道111，每个流体通道111沿垂直于加热器11的轴向的截面形状呈圆形。

在此应指出的是，对于加热器11上沿周向均布有多个流体通道111，沿着多个流体通道111的排列顺序，多个流体通道111的截面形状既可以为三角形、矩形和圆形当中的任一种，也可以为三角形、矩形和圆形当中的两种的组合，还可以为三角形、矩形和圆形这三种的组合，对此不作具体限定。

在一些实施例中，本实施例还可设置加热器11的热导率大于导热壳体101的热导率，加热器11的外侧面和导热壳体101的内壁贴合。

可理解的是，通过设置加热器11的热导率大于导热壳体101的热导率，便于加热器11更好地接收来自导热壳体101的热量。

与此同时，加热器11和导热壳体101可采用相同的金属材质，或者加热器11和导热壳体101可采用材料属性相接近的金属材质，以使得加热器11的热膨胀系数和导热壳体101的热膨胀系数大致相同，这种设置可以在受热的情形下，加热器11的外侧面和导热壳体101的内壁面始终保持较好地接触，从而确保导热壳体101和加热器11之间实现较好地传热。

如此，通过在加热器11内构造多个流体通道111，可以实现加热器11的内表面的对流换热面积增大，从而有助于强化加热器11的传热性能，提高气体工质的平均温度，进而提高斯特林发动机的效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解、其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种太阳能斯特林发动机，其特征在于，包括：发动机本体、保温套筒和光辐射接收器；

所述发动机本体包括加热器、回热器、冷却器和导热壳体，所述加热器、所述回热器、所述冷却器分别设于所述导热壳体内，所述加热器、所述回热器和所述冷却器依次连接；

所述保温套筒套设于所述导热壳体的周壁，所述保温套筒套的第一端露出于所述导热壳体的第一端；所述保温套筒套的第一端设有透明窗口；所述光辐射接收器设于所述导热壳体的第一端的外壁面，所述透明窗口和所述光辐射接收器之间形成保温腔；

其中，聚焦的太阳光可通过所述透明窗口到达所述光辐射接收器，所述光辐射接收器用于将所述太阳光的太阳能转化为热能，所述导热壳体将所述热能传导至所述加热器，所述加热器通过对流传热方式与斯特林发动机内的气体工质进行热交换。

2.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发动机，其特征在于，所述光辐射接收器包括多孔泡沫金属层和光吸收涂层；

所述多孔泡沫金属层设于所述导热壳体的第一端的外壁面，所述光吸收涂层设于所述多孔泡沫金属层的表面。

3.根据权利要求2所述的太阳能斯特林发动机，其特征在于，所述多孔泡沫金属层和所述导热壳体为相同的金属材料，所述多孔泡沫金属层是在所述导热壳体的外壁上采用发泡法加工而成。

4.根据权利要求2所述的太阳能斯特林发动机，其特征在于，所述光吸收涂层包括超黑材料涂层；

所述超黑材料涂层的材质包括碳纳米管、炭黑和氮化铝钛当中的任一种或至少两种的组合。

5.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发动机，其特征在于，所述保温套筒包括收缩段和直筒段；

所述收缩段的第一端形成为所述保温套筒套的第一端，所述收缩段的第二端与所述直筒段的第一端连通；

其中，所述直筒段套设于所述导热壳体的周壁，所述直筒段的第二端延伸至所述导热壳体上的与所述回热器靠近所述冷却器的一端相对应的位置。

6.根据权利要求5所述的太阳能斯特林发动机，其特征在于，所述保温套筒包括内壳体和外壳体；

所述外壳体套设于所述内壳体的外侧，所述内壳体和所述外壳体之间形成空气隔热层。

7.根据权利要求5所述的太阳能斯特林发动机，其特征在于，所述太阳能斯特林发动机还包括：耐热保温层；

所述耐热保温层夹设于所述直筒段和所述导热壳体之间。

8.根据权利要求1所述的太阳能斯特林发动机，其特征在于，所述透明窗口包括高透射率玻璃片和低辐射膜；

所述高透射率玻璃片设于所述保温套筒套的第一端，所述低辐射膜设于所述高透射率玻璃片朝向所述光辐射接收器的一侧面。

9.根据权利要求1至8任一项所述的太阳能斯特林发动机，其特征在于，所述加热器呈筒状，所述加热器上沿周向设有多个流体通道，每个所述流体通道沿所述加热器的轴向贯穿所述加热器。

10.根据权利要求9所述的太阳能斯特林发动机，其特征在于，所述加热器的热导率大于所述导热壳体的热导率，所述加热器的外侧面和所述导热壳体的内壁贴合；

和/或，每个所述流体通道沿垂直于所述加热器的轴向的截面形状包括三角形、矩形和圆形当中的任一种，多个所述流体通道的所述截面形状为三角形、矩形和圆形当中的至少一种的组合。

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