CN116771501A - 发电装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发电装置及系统，该发电装置包括壳体、压气活塞、动力单元、第一管路、第二管路、透平膨胀机和旋转电机，压气活塞设置于壳体内，且压气活塞将壳体分隔为动力腔和压气腔，动力单元设置于动力腔内，动力单元与压气活塞相连，用于使压气活塞在壳体内部进行往复运动，第一管路上设置有加热机构，第一管路的分别与压气腔和透平膨胀机相连通，第二管路上设置有冷却机构，第二管路分别与压气腔和透平膨胀机相连通，旋转电机与透平膨胀机的传动连接。具有换热结构简单、单级压比高、可靠性强、功率密度高的优点，适用于中小功率发电领域。

Description

发电装置及系统

技术领域

本发明涉及发电设备技术领域，尤其涉及一种发电装置及系统。

背景技术

近年来，随着科学技术的发展和经济水平的提高，能源的消耗总量也不断地增多，由此引发的能源短缺和环境污染等问题也变得愈发严重，同时，化石能源的利用率低，且大量的工业废热也无法得到充分应用。

作为一种外部燃烧(加热)的闭式循环发动机，斯特林发动机具有热源适应能力强、运行噪声底等优点，同时，斯特林循环的效率比一般的热机要高，其理想循环效率可以达到卡诺效率，因此，斯特林发动机在可再生能源利用、余热利用以及热电联供等方面具有十分广阔的应用前景。

斯特林热机内部循环气体经常采用高压氢或氦，以产生较好的功率密度和热机效率。目前较常见的斯特林热机是将斯特林热机的动力活塞直接与直线电机的动子相连，通过永磁体的往复运动产生交变的磁场，最终在线圈内输出电功，但上述方式中内外定子的较大体积会导致系统的功率密度不高。

因此，如何提升斯特林发动机进行发电的效率，同时缩小体积，增大功率密度，且能够保证系统的长寿命稳定运行成为一个需要继续解决的问题。

发明内容

本发明提供一种发电装置及系统，用以解决现有斯特林发电技术中发电装置功率密度不高的技术问题。

本发明提供一种发电装置，包括：

壳体；

压气活塞，设置于所述壳体内，所述压气活塞将所述壳体分隔为动力腔和压气腔；

动力单元，设置于所述动力腔内，所述动力单元与所述压气活塞相连，用于使所述压气活塞在所述壳体内往复运动；

第一管路，与所述压气腔的排气口相连通，所述第一管路设有加热机构，且所述第一管路连通透平膨胀机的进气口；

第二管路，与所述压气腔的回气口相连通，所述第二管路设有冷却机构，且所述第二管路连通所述透平膨胀机的出气口；

旋转电机，与所述透平膨胀机传动相连。

根据本发明提供一种的发电装置，所述动力单元包括配气活塞、连接件、高温换热器、回热器和冷却器，所述高温换热器、所述回热器和所述冷却器依次相连通，用于使所述配气活塞往复运动，所述配气活塞与所述连接件相连。

根据本发明提供的一种发电装置，所述配气活塞和所述连接件将所述动力腔分隔为膨胀腔和压缩腔，所述配气活塞位于所述膨胀腔，所述压气活塞设置于所述压缩腔和所述压气腔之间。

根据本发明提供的一种发电装置，所述高温换热器为壳管式换热器，所述加热机构连通有第三管路，所述第三管路与所述高温加热器壳侧的第一端口相连通，所述高温加热器壳侧的第二端口连通有第四管路，所述第四管路与所述第一管路位于加热机构后侧的位置相连通。

根据本发明提供的一种发电装置，所述第一管路设有第一单向阀，用于使气体沿所述压气腔至所述透平膨胀机的方向流动，所述第二管路设有第二单向阀，用于使气体沿所述透平膨胀机至所述压气腔的方向流动。

根据本发明提供的一种发电装置，还包括：回热单元，所述回热单元内置第一通道和第二通道，所述第一通道与所述第一管路在位于所述加热机构前侧的位置相连通，所述第二通道与所述第二管路在位于所述冷却机构前侧的位置相连通。

本发明还提供一种发电系统，包括至少两个任一项前述的发电装置。

根据本发明提供的一种发电系统，所述至少两个发电装置对置设置。

根据本发明提供的一种发电系统，所述至少两个发电装置的所述第一管路相连通，至少两个所述发电装置的所述第二管路相连通，所述至少两个发电装置的所述压缩腔相连通；

其中，所述至少两个发电装置共用一个所述透平膨胀机和一个所述旋转电机。

根据本发明提供的一种发电系统，在相邻两个所述发电装置之间，其中一个所述发电装置的所述第一管路与另一个所述发电装置的所述压气腔的回气口相连通；

其中，所述至少两个发电装置共用一个所述透平膨胀机和一个所述旋转电机。

本发明实施例提供的发电装置及系统，通过动力单元来驱动压气活塞进行往复运动，压气活塞在进行往复运动时，便能对压气腔内的工质气体进行绝热压缩，从而产生高压气体，高压气体经过第一管路时可以通过加热机构进行定压加热，从而产生高温高压气体，高温高压气体经过透平膨胀机便可进行绝热膨胀过程，并推动透平膨胀机的透平旋转，透平将机械能传递至旋转电机便可进行发电，经过透平的工质气体将通过冷却机构进行定压放热，再流回到压气腔内完成布雷顿循环，上述过程中采用自由活塞的压气机构，可以减小活塞的侧向摩擦力，提高效率，并且采用容积式的压气机机构，相较于常规的轴流式和离心式压气机结构而言，在单机情况下具有更高的压比，可以适用于中小功率发电，本方案中的工质气体还可以作为传热介质，使得发电装置的加热机构的结构更加简单，不需要搭配热管或热流体配合使用，采用旋转电机还能具有更高的效率，同时可以大大减小定子磁铁的质量和体积，提升功率密度。

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以简单地介绍，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是本发明提供的发电装置的结构示意图之一；

图2是本发明提供的发电装置的结构示意图之二；

图3是本发明提供的发电系统的结构示意图之一；

图4是本发明提供的发电系统的结构示意图之二。

附图标记：

1、壳体；2、压气活塞；3、压气腔；4、第一管路；5、第二管路；6、加热机构；7、冷却机构；8、透平膨胀机；9、旋转电机；10、配气活塞；11、连接件；12、高温换热器；13、回热器；14、冷却器；15、膨胀腔；16、压缩腔；17、第三管路；18、第四管路；19、第一单向阀；20、第二单向阀；21、回热单元；22、板弹簧。

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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

下面结合图1-图4描述本发明的发电装置，该发电装置包括壳体1、压气活塞2、动力单元、第一管路4、第二管路5、透平膨胀机8和旋转电机9，其中，压气活塞2设置于壳体1内，且压气活塞2将壳体1分隔为动力腔和压气腔3，动力单元设置于动力腔内，动力单元与压气活塞2相连，用于使压气活塞2在壳体1内部进行往复运动，第一管路4上设置有加热机构6，第一管路4的第一端与压气腔3的排气口相连通，第一管路4的第二端与透平膨胀机8的进气口相连通，第二管路5上设置有冷却机构7，第二管路5的第一端与压气腔3的回气口相连通，第二管路5的第二端与透平膨胀机8的出气口相连通，旋转电机9的输出轴与透平膨胀机8的透平相连，从而实现旋转电机9与透平膨胀机8的传动连接。

在本实施例中，通过动力单元来驱动压气活塞2进行往复运动，压气活塞2在进行往复运动时，便能对压气腔3内的工质气体进行绝热压缩，从而产生高压气体，高压气体经过第一管路4时可以通过加热机构6进行定压加热，从而产生高温高压气体，高温高压气体经过透平膨胀机8便可进行绝热膨胀过程，并推动透平膨胀机8的透平旋转，透平将机械能传递至旋转电机9便可进行发电，经过透平的工质气体将通过冷却机构7进行定压放热，再流回到压气腔3内完成布雷顿循环。

上述过程中采用自由活塞的压气机构，可以减小活塞的侧向摩擦力，提高效率，并且采用容积式的压气机机构，相较于常规的轴流式和离心式压气机结构而言，在单机情况下具有更高的压比，可以适用于中小功率发电，本方案中的工质气体还可以作为传热结构，使得发电装置的加热机构6的结构更加简单，不需要搭配热管或热流体配合使用，采用旋转电机9还能具有更高的效率，同时可以大大减小定子磁铁的质量和体积，提升功率密度。

可以理解的是，工质气体的流动方向为：压气腔3-第一管路4-透平膨胀机8-第二管路5-压气腔3，从而完成工质气体的循环，以实现布雷顿循环。其中，工质气体可以采用氦气，此时，氦气一方面作为工质气体，另一方面作为传热介质。

根据本发明提供的发电装置，动力单元包括配气活塞10、连接件11、高温换热器12、回热器13和冷却器14，高温换热器12、回热器13和冷却器14依次相连通，用于使配气活塞10往复运动，配气活塞10与连接件11相连，连接件11与压气活塞2相连。通过高温换热器12、回热器13和冷却器14之间形成温度梯度驱动配气活塞10往复运动，以实现压气活塞2的运动。

具体的，高温换热器12、回热器13和冷却器14依次排布，高温换热器12、回热器13和冷却器14内通过若干管路相连通，在管路中也具有工质气体。

配气活塞10和所述连接件11将动力腔分隔为膨胀腔15和压缩腔16，配气活塞10位于膨胀腔15，压气活塞2设置于压缩腔16和压气腔3之间。

如图1所示，连接件11的远离配气活塞10的一端不断向外延伸，连接件11与压气活塞2由间隙密封隔开相连，且连接件11的延伸端穿过压气活塞2，并且在壳体1内部(远离膨胀腔15的一侧)连接有板弹簧22。连接件11与压气活塞2不直接进行连接，连接件11在压气活塞2的中部由间隙密封隔开，压气活塞2通过上方压缩腔16和下方压气腔3之间的压力波动而产生运动。

壳体1内部的高温换热器12、回热器13、冷却器14、配气活塞10、连接件11和板弹簧22等结构配合壳体1可以形成斯特林发动机结构。斯特林发动机结构可以利用不同类型的热源，节能环保，同时配气活塞10和压气活塞2为自由活塞机构，具有高效率和长寿命的优点。

如图1所示，高温换热器12、回热器13和冷却器14设置于壳体1的内表面，位于动力腔的腔边缘，高温换热器12、回热器13和冷却器14依次导热连接，可以使高温换热器12和冷却器14之间的高温热源和低温冷源进行热量交换，使得回热器13内部产生一定的温度梯度，在回热器13内部声功被放大，放大后的声功传递到膨胀腔15内，便可推动配气活塞10往复运动，剩余的声功将再次回到冷却器14中完成循环。

其中，在第一管路4上设有第一单向阀19，用于使气体沿压气腔3至透平膨胀机8的方向流动，在第二管路5上设有第二单向阀20，用于使气体沿透平膨胀机8至压气腔3的方向流动，第一单向阀19和第二单向阀20的设置可以确保工质气体的流动方向，避免工质气体出现反向流动。

请继续参见附图1，本实施例提供的发电装置还包括回热单元21，回热单元21内置第一通道和第二通道，第一通道与第一管路4在位于加热机构6前侧的位置相连通，第二通道与第二管路5在位于冷却机构7前侧的位置相连通。其中，前侧是以工质气体的流动方向作为参照，沿工质气体的流动方向，设置于第一管路4上的回热装置位于加热机构6的前侧，沿工质气体的流动方向，设置于第二管路5上的回热装置位于冷却机构7的前侧。

其中，回热单元21与发动机中的回热器并不相同，此处是一个逆流换热器，起到将左右来流的高低温气体进行换热的作用。

可以理解的是，高温高压的工质气体在经过透平膨胀机8后还存在一定的热量，将该部分具有热量工质气体在回流的过程中经过一回热单元21，便可使具有热量工质气体对从压气腔3流出的高压工质气体进行预热，从而保证热量的充分利用。具体的，回热单元21内的第一通道和第二通道之间可以进行导热，从而实现热量的传递以对从压气腔3流出的高压工质气体进行预热。

如图2所示，根据本发明提供的发电装置，在高温换热器12为壳管式换热器，其中，加热机构6连通有第三管道，第三管道与高温换热器12壳侧的第一端口相连通，高温换热器12壳侧的第二端口连通有第四管道，第四管道与第一管路4位于加热机构6后侧的位置相连通。其中，后侧是以工质气体的流动方向作为参照，沿工质气体的流动方向，第四管路18与第一管路4的连接处在第一管路4上位于加热机构6的后侧。

本发明实施例中的加热机构6可以采用核加热装置，例如核反应堆等，在加热机构6的中部引出一股高温气流通入到高温换热器12壳侧中，从而为整个发电装置提供热能，流出壳管的气流将与高温高压气体混合后推动透平膨胀机8做工，这样可以使整个发电装置仅设置一处热源供热，可以使发电装置的结构更加紧凑。

另一方面，本发明还提供一种发电系统，该发电系统具有至少两个前述实施例中的发电装置。

如图3所示，至少两个发电装置对置设置，该对置结构可以减小发电系统的外部振动和噪声，使得发电装置运行更加平稳和安静。

如图4所示，至少两个发电装置的第一管路4相连通，至少两个发电装置的第二管路5相连通，至少两个发电装置的压缩腔16相连通，其中，至少两个发电装置共用一个透平膨胀机8和旋转电机9，这样的设置方式可以形成多缸的发动机系统，多缸系统可以提供更多的声功，从而获得更大的发电量。其中，在多缸系统中，压气活塞2和配气活塞10为一个运动部件，同时起到调相和动力输出的作用。。

根据本发明提供的发电系统，在相邻两个发电装置之间，其中一个发电装置的第一管路4与另一个发电装置的压气腔3的回气口相连通；其中，至少两个发电装置共用一个透平膨胀机8和旋转电机9。可以理解的是，此时也可以形成多缸系统的逐级压缩，可以获得更高的压比，以提高发动机效率。以两个发电装置为例，此时工质气体依次通过两个压气腔3进行逐级压缩，双级压缩可以获得更高的压比，从而提高发动机效率。

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)

1.一种发电装置，其特征在于，包括：

壳体；

压气活塞，设置于所述壳体内，所述压气活塞将所述壳体分隔为动力腔和压气腔；

动力单元，设置于所述动力腔内，所述动力单元与所述压气活塞相连，用于使所述压气活塞在所述壳体内往复运动；

第一管路，与所述压气腔的排气口相连通，所述第一管路设有加热机构，且所述第一管路连通透平膨胀机的进气口；

第二管路，与所述压气腔的回气口相连通，所述第二管路设有冷却机构，且所述第二管路连通所述透平膨胀机的出气口；

旋转电机，与所述透平膨胀机传动相连。

2.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述动力单元包括：配气活塞、连接件、高温换热器、回热器和冷却器，所述高温换热器、所述回热器和所述冷却器依次相连通，用于使所述配气活塞往复运动，所述配气活塞与所述连接件相连。

3.根据权利要求2所述的发电装置，其特征在于，所述配气活塞和所述连接件将所述动力腔分隔为膨胀腔和压缩腔，所述配气活塞位于所述膨胀腔，所述压气活塞设置于所述压缩腔和所述压气腔之间。

4.根据权利要求2所述的发电装置，其特征在于，所述高温换热器为壳管式换热器，所述加热机构连通有第三管路，所述第三管路与所述高温换热器壳侧的第一端口相连通，所述高温换热器壳侧的第二端口连通有第四管路，所述第四管路与所述第一管路位于加热机构后侧的位置相连通。

5.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述第一管路设有第一单向阀，用于使气体沿所述压气腔至所述透平膨胀机的方向流动，所述第二管路设有第二单向阀，用于使气体沿所述透平膨胀机至所述压气腔的方向流动。

6.根据权利要求1-5任一项所述的发电装置，其特征在于，还包括：回热单元，所述回热单元内置第一通道和第二通道，所述第一通道与所述第一管路在位于所述加热机构前侧的位置相连通，所述第二通道与所述第二管路在位于所述冷却机构前侧的位置相连通。

7.一种发电系统，其特征在于：包括至少两个如权利要求1-6任一项所述的发电装置。

8.根据权利要求7所述的发电系统，其特征在于，所述至少两个发电装置对置设置。

9.根据权利要求7所述的发电系统，其特征在于，所述

至少两个发电装置的所述第一管路相连通，至少两个所述发电装置的所述第二管路相连通，所述至少两个发电装置的所述压缩腔相连通；

其中，所述至少两个发电装置共用一个所述透平膨胀机和一个所述旋转电机。

10.根据权利要求7所述的发电系统，其特征在于，在相邻两个所述发电装置之间，其中一个所述发电装置的所述第一管路与另一个所述发电装置的所述压气腔的回气口相连通；

其中，所述至少两个发电装置共用一个所述透平膨胀机和一个所述旋转电机。