CN116838496A - 分布式斯特林发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电系统技术领域，提供一种分布式斯特林发电系统，其包括：热管堆、导热件、发电机和多个斯特林发动机；所述热管堆设有多个热管，多个所述热管和多个所述斯特林发动机的高温端换热器分别连接于所述导热件，使所述热管的热量能够通过所述导热件传导至所述高温端换热器；所述发电机设有压缩腔，每一所述斯特林发动机的气室与所述发电机的压缩腔相连通。该分布式斯特林发电系统中的多个斯特林发动机通过导热件与热管连接，增大了系统换热面积，减小了热损失，提高了发电系统的热电转换效率。且该系统的冗余性高、加工制造难度低。

Description

分布式斯特林发电系统

技术领域

本发明涉及发电系统技术领域，尤其涉及一种分布式斯特林发电系统。

背景技术

斯特林发动机是一种外燃式发动机，在外部热源的作用下，其通过气缸内工作介质经冷却收缩和吸热膨胀将热能转化为机械能。利用斯特林发动机输出的机械能驱动直线发电机进行发电是一种工作可靠性高、工作寿命长的发电方式。这种发电方式可以高效利用核能、太阳能、工业余热等，由于不存在爆燃，振动与工质泄露问题也随之减少。相关现有技术中，以高温热管堆为热源的斯特林发电系统可覆盖较大的功率范围，功率密度高，但仍然存在热管与斯特林发动机高温端换热器之间传热效果差，进而导致热电转换效率低的问题。

发明内容

本发明提供一种分布式斯特林发电系统，用以解决现有技术中以高温热管堆为热源的斯特林发电系统存在热管与斯特林发动机高温端换热器传热效果差，导致热电转换效率低的问题。

本发明提供一种分布式斯特林发电系统，包括：热管堆、导热件、发电机和多个斯特林发动机；

所述热管堆设有多个热管，多个所述热管和多个所述斯特林发动机的高温端换热器分别连接于所述导热件，使所述热管的热量能够通过所述导热件传导至所述高温端换热器；所述发电机设有压缩腔，每一所述斯特林发动机的气室与所述发电机的压缩腔相连通。

根据本发明提供的一种分布式斯特林发电系统，所述导热件和所述斯特林发动机位于所述热管堆靠近所述热管的一侧，所述斯特林发动机的气室与所述发电机的压缩腔通过供气管道相连通。

根据本发明提供的一种分布式斯特林发电系统，多个所述热管和多个所述斯特林发动机在所述导热件上交错排布。

根据本发明提供的一种分布式斯特林发电系统，多个所述热管呈蜂窝状结构排布，连接于所述导热件的每相邻三个呈三角形布置的所述热管之间设有一个所述斯特林发动机。

根据本发明提供的一种分布式斯特林发电系统，所述导热件设有多个安装孔，多个所述斯特林发动机的高温端换热器一一对应安装于多个所述安装孔。

根据本发明提供的一种分布式斯特林发电系统，所述导热件设有相背的第一侧面和第二侧面，所述安装孔为设于所述第一侧面的第一沉孔，所述第二侧面设有多个第二沉孔，多个所述安装孔和多个所述第二沉孔一一对应设置。

根据本发明提供的一种分布式斯特林发电系统，所述发电机为直线发电机或液态金属磁流体发电机。

根据本发明提供的一种分布式斯特林发电系统，所述发电机的数量为两个，两个所述发电机同轴对置。

根据本发明提供的一种分布式斯特林发电系统，两个所述液态金属磁流体发电机相互靠近的压缩腔或者两个所述液态金属磁流体发电机相互远离的压缩腔与多个所述斯特林发动机的气室相连通；

或者，两个所述液态金属磁流体发电机相互靠近的压缩腔与其中一部分所述斯特林发动机的气室相连通，两个所述液态金属磁流体发电机相互远离的压缩腔与另一部分所述斯特林发动机的气室相连通，两部分的所述斯特林发动机在所述导热件上交叉间隔排布。

根据本发明提供的一种分布式斯特林发电系统，所述斯特林发动机的气室端安装有减振器。

本发明提供的分布式斯特林发电系统，通过设置导热件，利用该导热件连接热管堆的热管和多个斯特林发动机，采用分布式的多个斯特林发动机耦合直线发电机发电，当一个斯特林发动机出现故障，不会给系统带来严重影响，提高了发电系统的冗余性。多个斯特林发动机与导热件连接，增大了换热面积、减少了换热损失，提高了发电系统的热电转换效率。并且由于单个斯特林发动机的尺寸较小，不仅可以使单个斯特林发动机热量分布较为均匀，提高热电换热效率；还可以大大降低了斯特林发动机的加工制造难度，提高了其机械运动部件的精度和工作的可靠性。

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是本发明提供的分布式斯特林发电系统部分结构示意图；

图2是本发明提供的分布式斯特林发电系统中导热块的拼接示意图之一；

图3是本发明提供的分布式斯特林发电系统中导热块的拼接示意图之二；

图4是本发明提供的斯特林发电系统部分结构剖视图；

图5是本发明提供的斯特林发电系统中斯特林发动机与自由活塞式直线电机的连接示意图之一；

图6是本发明提供的斯特林发电系统中斯特林发动机与自由活塞式直线电机的连接示意图之二；

图7是本发明提供的斯特林发电系统中斯特林发动机与液态金属磁流体发电机的连接示意图之一；

图8是本发明提供的斯特林发电系统中斯特林发动机与液态金属磁流体发电机的连接示意图之二；

附图标记：

11、热管；12、堆芯；121、第一插孔；122、第二插孔；2、导热件；21、导热块；211、安装孔；212、通孔；213、第二沉孔；30、压缩腔；31、直线发电机；311、外壳；312、自由活塞；313、内定子；314、外定子；315、板弹簧；32、液态金属磁流体发电机；4、斯特林发动机；40、气室；41、机壳；42、排出器；43、室温端换热器；44、回热器；45、高温端换热器；46、板簧；5、减振器。

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。

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“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“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，或一体地连接；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中的具体含义。

下面结合图1-图8描述本发明的分布式斯特林发电系统。

如图1所示，本发明提供的分布式斯特林发电系统包括热管堆、导热件2、发电机和多个斯特林发动机4。热管堆设有多个热管11，多个热管11和多个斯特林发动机4的高温端换热器45分别连接于导热件2，使热管11的热量能够通过导热件2传导至高温端换热器45。发电机设有压缩腔30，每一斯特林发动机4的气室与发电机的压缩腔30相连通。其中，为清楚说明该分布式斯特林发电系统的机构，图1中仅示意性的展示了导热件2的一部分结构。

其中，如图4所示，斯特林发动机4包括机壳41、排出器42以及沿排出器42的轴向顺次相连的室温端换热器43、回热器44和高温端换热器45。机壳41内固定有板簧46，排出器42与板簧46固定连接，室温端换热器43、回热器44和高温端换热器45环设于排出器42的外周，且室温端换热器43、回热器44和高温端换热器45沿排出器42的轴向依次相连，形成斯特林发动机的气室40。

热管堆还包括堆芯12，每一热管11的一端连接堆芯12，另一端连接导热件2。其中，导热件2可采用导热率较高的金属块，比如铜块。堆芯12可采用高温气冷堆。该分布式斯特林发电系统工作时，高温气冷堆在蒸发段产生的热量通过热管11传导至导热件2，然后由导热件2传导至多个斯特林发动机4的高温端换热器45，使高温端换热器45与室温端换热器43之间的回热器44产生轴向温度梯度，从而产生压力波形式的机械能。多个斯特林发动机4产生的机械能同时传递到发电机中，以将压力波形式的机械能转化为电能。

其中，在回热器44轴向温度梯度达到临界温度梯度之前，先给发电机接通电源激励发电机往复震荡。由于发电机的气室与斯特林发动机4的气室相连通，使排出器42得到初始力并在板簧46的作用下开始往复运动。当回热器44轴向温度梯度达到临界温度梯度时即可关闭激励，利用斯特林发动机4气室内气体工质的周期性膨胀和收缩产生的机械能继续驱动发电机进行发电。

本发明提供的分布式斯特林发电系统，通过设置导热件2，利用该导热件2连接热管堆的热管11和多个斯特林发动机4，采用分布式的多个斯特林发动机4耦合发电机发电，当一个斯特林发动机4出现故障，不会给系统带来严重影响，提高了发电系统的冗余性。多个斯特林发动机4与导热件2连接，增大了系统换热面积、减少了换热损失，提高了发电系统的热电转换效率。并且由于单个斯特林发动机4的尺寸较小，不仅可以使单个斯特林发动机热量分布较为均匀，提高热电换热效率；还可以大大降低了斯特林发动机4的加工制造难度，提高了其机械运动部件的精度和工作的可靠性。

本发明实施例中，导热件2和斯特林发动机4位于热管堆靠近热管11的一侧，即导热件2、热管11和斯特林发动机4位于堆芯12的同一侧。具体地，热管11一端连接于堆芯12，另一端向远离堆芯12的方向延伸并连接于导热件2。斯特林发动机4连接于导热件2远离堆芯12的一侧。

其中，热管11设置为直管结构或近似直管结构，可提高热管11的导热能力，降低传热温差，提高热电转换效率。可选地，热管11的中心轴线与斯特林发动机4的中心轴线相互平行。实际应用中，可使热管11呈竖直方向设置，多个小型斯特林发动机4支撑于导热件2上，降低了斯特林发动机4在发电系统中的结构支撑难度。

本实施例中的斯特林发动机4可布置在靠近热管堆的位置，避免热管11弯折，减少传热损失。其中，斯特林发动机4的气室40与发电机的压缩腔30通过供气管道相连通。比如通过金属软管相连通。如此，使斯特林发动机4与发电机在结构上解耦，一方面使发电系统在结构布置上更为灵活，拓宽了应用的场合；另一方面可以使发电机部分远离堆芯，减小辐射影响。

本发明实施例中，多个热管11和多个斯特林发动机4在导热件2上交错排布。如此可使多个热管11的热量较为均匀的传导至各个斯特林发动机4的热端，提高了导热效率和整个发电系统的热电转换效率。

本发明一些实施例中，多个热管11呈蜂窝状结构排布，连接于导热件2的每相邻三个呈三角形布置的热管11之间设有一个斯特林发动机4。其中，多个斯特林发动机4在导热件2上也呈蜂窝状结构排布。即每相邻三个斯特林发动机4呈等边三角形结构布置，每相邻三个热管11呈等边三角形结构布置。并且每相邻三个呈三角形布置的热管11之间设有一个斯特林发动机4，每相邻三个呈三角形布置的斯特林发动机4之间设有一个热管11。此种结构在提高系统导热效率的基础上，还提高了热管11、导热件2和斯特林发动机4之间连接结构的强度，提高系统工作的稳定型。

其中，热管堆上还设有多个燃料棒，每相邻两个热管11之间设有至少一个燃料棒。如图1和图2所示，若每相邻两个热管11之间设有一个燃料棒，则每一个斯特林发动机4与3个相邻且呈三角形布置的燃料棒相对应。若每相邻两个热管11之间设有两个燃料棒，则每一个斯特林发动机4与6个相邻且呈六边形布置的燃料棒相对应。

相应的，堆芯12上设有多个第一插孔121和多个第二插孔122。多个热管11一一对应插设于多个第一插孔121内，多个燃料棒一一对应插设于多个第二插孔122内。每相邻两个第一插孔121之间设有至少一个第二插孔122。

如图1所示，本发明实施例中，导热件2设有多个安装孔211，多个斯特林发动机4的高温端换热器45一一对应安装于多个安装孔211内。高温端换热器45与安装孔211的孔壁紧密配合。可选地，安装孔211的深度与高温端换热器45的轴向长度相当，使高温端换热器45与导热件2具有较大的换热面积。

如图2和图3所示，本发明实施例中，导热件2包括多个导热块21，每一导热块21至少连接有至少1个热管11，多个导热块21的侧边对应拼接。多个导热块21的侧边对应拼接，可形成较大的导热件2，相邻导热块21之间可相互传导热量。其中，导热块21的形状可以为等边三角形、梯形、六边形等，只要多个导热块21能够相互拼接形成较大面积的导热件2即可，本实施例对其形状不做具体限定。本实施例将导热件2模块化设计，可根据实际需要设置导热块21的数量，以调整导热件2的面积和斯特林发动机4的数量，从而实现对发电功率的调节。

本发明实施例中，导热件2设有多个通孔212，多个热管11一一对应穿设于多个通孔212。可选地，导热件2的厚度与热管11的蒸发段的尺寸相当，使热管11与导热件2具有最大的接触面积。

其中，一个导热块21上具有至少1个完整的安装孔211，其侧边具有多个半孔，相邻两个导热块21拼接之后，在二者之间形成多个完整的安装孔211，可用于安装斯特林发动机4。如图2所示，以导热块21为等边三角形且一个导热块21上连接6个热管11为具体示例，一个导热块21上具有4个完整的安装孔211，三个角上各有一个半孔，相邻两个半孔之间各有5半孔，两个导热块21拼接后在二者之间形成4个完整的安装孔211。本实施例中的导热块21的结构仅仅是示意性的，实际可根据需要设置每个导热块21的结构，如图2和图3所示，不同导热块21的结构可以相同也可以不同。

如图2所示，本发明实施例中，导热件2设有相背的第一侧面和第二侧面，安装孔211为设于第一侧面的第一沉孔，第二侧面设有多个第二沉孔213，多个第一沉孔和多个第二沉孔213一一对应设置。即在导热件2上的安装孔211背面进行挖空设计，减小导热件2的体积，使热管11的热量更多的向斯特林发动机4的位置传导，从而减小了热管11与斯特林发动机4之间的温度梯度，提高导热效率，从而提高热电转换效率。可选地，第二沉孔213与安装孔211同轴对应设置，第二沉孔213的尺寸不小于安装孔211的尺寸。

本发明实施例中，所述发电机为直线发电机31或液态金属磁流体发电机32。

如图5和图6所示，直线发电机包括外壳311、自由活塞312、内定子313、外定子314和板弹簧315。自由活塞312上设有磁铁，外定子314上设有线圈。自由活塞312与外壳311之间形成有压缩腔30。斯特林发动机4的排出器42运动产生的压力波驱动自由活塞312往复运动，自由活塞312上的磁铁切割磁感线产生电能，实现发电。

如图7和图8所示，液态金属磁流体发电机32的通道内部为液态金属，通道两端用弹性膜将液态金属与外部气体隔开，从而在液态金属磁流体发电机32内的两端分别形成一个压缩腔。液态金属磁流体发电机32至少一端的压缩腔连接有斯特林发动机4。当两端的压缩腔均连接有斯特林发动机4时，两端的压缩腔连接不同的斯特林发动机4。斯特林发动机4的排出器42运动产生的压力波挤压液态金属磁流体发电机32内的金属发电工质在通道内往复流动，产生电动势，实现发电。由于液态金属磁流体发电机32内部无机械运动部件，其工作可靠性与稳定性高，有利于提高发电系统的可靠性和稳定性。

进一步地，发电机的数量为两个，两个发电机同轴对置。在发电机为直线发电机31的情况下，两个直线发电机31的自由活塞312同轴设置，且两个直线发电机31相互对称设置。斯特林发动机4的排出器42推动气体同时进入两个直线发电机的压缩腔内，可同时驱动两个直线发电机的自由活塞312以相反的方向运动，从而减小直线发电机产生的振动。可选地，两个直线发电机31可共用一个外壳311，即两个直线发电机31集成为一个双活塞的对置直线发电机，两个自由活塞312与外壳311之间形成压缩腔。

在发电机为液态金属磁流体发电机32的情况下，两个液态金属磁流体发电机32的磁流体通道同轴设置，且两个液态金属磁流体发电机32相互对称设置。

在其中一些实施例中，两个液态金属磁流体发电机32相互靠近的压缩腔或者相互远离的压缩腔与多个斯特林发动机4的气室40相连通。斯特林发动机4的排出器42推动气体同时进入两个液态金属磁流体发电机32相互靠近的压缩腔或者相互远离的压缩腔内，可同时驱动两个液态金属磁流体发电机32内的液态金属以相反的方向流动，从而减小发电机产生的振动。

在另一些实施例中，多个斯特林发动机4分为两部分，两个液态金属磁流体发电机32相互靠近的压缩腔与其中一部分斯特林发动机4的气室40相连通。两个液态金属磁流体发电机32相互远离的压缩腔与另一部分斯特林发动机4的气室40相连通。两部分的斯特林发动机4在导热件2上交叉间隔排布。

该发电系统工作时，一部分斯特林发动机4用于推动气体同时进入两个液态金属磁流体发电机32相靠近的一端的压缩腔内，以同时挤压两个液态金属磁流体发电机32内的发电工质以相互远离的方向运动；另一部分斯特林发动机4用于推动气体同时进入两个液态金属磁流体发电机32相远离的一端的压缩腔内，以同时挤压两个液态金属磁流体发电机32内的发电工质以相互靠近的方向运动。

其中，由于每一液态金属磁流体发电机32两端的运动相位差为180°，因此两部分斯特林发动机4的相位差为180°。本发明实施例通过将这两部分斯特林发动机4在导热件2上间隔设置，可有减小导热件2的振动。

本发明实施例中，斯特林发动机4的气室端安装有减振器5。该减振器可以为主动或被动式的减振器，比如板簧结构件。减振器5连接于斯特林发动机4的气室端外侧，用于减小斯特林发动机4内排出器42运动产生的机械振动。其中，斯特林发动机4的气室端为其靠近气室40的一端。

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)

1.一种分布式斯特林发电系统，其特征在于，包括：热管堆、导热件、发电机和多个斯特林发动机；

所述热管堆设有多个热管，多个所述热管和多个所述斯特林发动机的高温端换热器分别连接于所述导热件，使所述热管的热量能够通过所述导热件传导至所述高温端换热器；所述发电机设有压缩腔，每一所述斯特林发动机的气室与所述发电机的压缩腔相连通。

2.根据权利要求1所述的分布式斯特林发电系统，其特征在于，所述导热件和所述斯特林发动机位于所述热管堆靠近所述热管的一侧，所述斯特林发动机的气室与所述发电机的压缩腔通过供气管道相连通。

3.根据权利要求1所述的分布式斯特林发电系统，其特征在于，多个所述热管和多个所述斯特林发动机在所述导热件上交错排布。

4.根据权利要求3所述的分布式斯特林发电系统，其特征在于，多个所述热管呈蜂窝状结构排布，连接于所述导热件的每相邻三个呈三角形布置的所述热管之间设有一个所述斯特林发动机。

5.根据权利要求1所述的分布式斯特林发电系统，其特征在于，所述导热件设有多个安装孔，多个所述斯特林发动机的高温端换热器一一对应安装于多个所述安装孔。

6.根据权利要求5所述的分布式斯特林发电系统，其特征在于，所述导热件设有相背的第一侧面和第二侧面，所述安装孔为设于所述第一侧面的第一沉孔，所述第二侧面设有多个第二沉孔，多个所述安装孔和多个所述第二沉孔一一对应设置。

7.根据权利要求1所述的分布式斯特林发电系统，其特征在于，所述发电机为直线发电机或液态金属磁流体发电机。

8.根据权利要求7所述的分布式斯特林发电系统，其特征在于，所述发电机的数量为两个，两个所述发电机同轴对置。

9.根据权利要求8所述的分布式斯特林发电系统，其特征在于，

两个所述液态金属磁流体发电机相互靠近的压缩腔或者两个所述液态金属磁流体发电机相互远离的压缩腔与多个所述斯特林发动机的气室相连通；

或者，两个所述液态金属磁流体发电机相互靠近的压缩腔与其中一部分所述斯特林发动机的气室相连通，两个所述液态金属磁流体发电机相互远离的压缩腔与另一部分所述斯特林发动机的气室相连通，两部分的所述斯特林发动机在所述导热件上交叉间隔排布。

10.根据权利要求1所述的分布式斯特林发电系统，其特征在于，所述斯特林发动机的气室端安装有减振器。