CN219974645U - 内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及自由活塞斯特林发电机技术领域，提供一种内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，包括热源、斯特林发电机、压气装置和氦气传热管路，氦气传热管路依次穿过热源和斯特林发电机，以使氦气传热管路中的传热气体与热源传热后供给斯特林发电机传热发电，通过在斯特林发电机的膨胀腔内增设压气腔，由斯特林发电机中的调相器的动能提供压气驱动力，不需要依靠其它额外驱动部件，简化了斯特林发电系统的结构，并且氦气传热管路采用气体介质，产生的高压气体直流与热源直接耦合换热，不需要考虑其它传热介质(例如熔盐、液态金属等)对热头结构的腐蚀，具有结构简单紧凑、热源适应性广以及热电效率高的优点。

Description

内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统

技术领域

本实用新型涉及自由活塞斯特林发电机技术领域，具体涉及一种内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统。

背景技术

自由活塞斯特林发电机是一种高效率、长寿命的新型热电转换装置，它由自由活塞斯特林发动机和直线振荡电机耦合而成，通过热声效应将热能转换成可压缩流体在往复振荡中具有的声能，从而驱动动力活塞带动磁铁往复切割磁力线产生交流电，随着空间探测需求的不断增长，自由活塞斯特林发电机由于具有高效率、高可靠、长寿命等优点而逐渐受到重视。

目前，自由活塞斯特林发电系统中，为了减少热源对换热器的热辐射，斯特林发电机与热源之间通过设置两个传热回路实现传热，即一回路先与热源传热，二回路与一回路传热后再传热给斯特林发电机进行发电，同时，为了增加传热效率，二回路中通常需要增加高比热流体(例如熔盐、液态金属等)作为循环介质来吸收外部热源的热量。

然而，二回路传热循环增加了系统的复杂性，并且熔盐、液态金属等循环介质具有严重的腐蚀性，对发电机热头具有较严重的损坏，降低整个发电机的工作可靠性和使用寿命。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提出了一种内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，解决或至少部分解决现有技术中存在的技术缺陷。

本实用新型提供一种内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，

包括：

热源；

斯特林发电机，包括壳体和调相器，所述调相器设置于所述壳体内并与壳体轴向一侧的内壁分隔出膨胀腔；

压气装置，包括压气活塞和压气腔，所述压气腔设置于所述膨胀腔内，所述压气活塞可相对移动的设置于所述压气腔内，所述压气活塞和所述调相器连接，以使所述压气活塞能够沿所述压气腔的轴向做往复运动，所述压气腔内充注与斯特林发电机(1)内部相同的氦气，所述压气腔具有出口和进口；

氦气传热管路，所述氦气传热管路的一端与所述出口连接，另一端与所述进口连接，所述氦气传热管路依次穿过所述热源和所述斯特林发电机，以使所述氦气传热管路中的传热气体与所述热源传热后供给所述斯特林发电机传热发电。

根据本实用新型提供的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，所述出口与所述氦气传热管路之间通过第一单向导通件进行连接，所述第一单向导通件的导通方向为从所述出口向所述氦气传热管路的一端方向。

根据本实用新型提供的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，所述进口与所述氦气传热管路之间通过第二单向导通件进行连接，所述第二单向导通件的导通方向为从所述氦气传热管路的另一端向所述进口方向。

根据本实用新型提供的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，所述第一单向导通件和所述第二单向导通件均为单向阀。

根据本实用新型提供的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，所述压气活塞与压气腔之间为间隙密封，以使所述膨胀腔与所述压气腔之间的平均压力保持一致。

根据本实用新型提供的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，所述热源为核热、太阳能热、工业废热和燃料燃烧热中的一种。

根据本实用新型提供的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，所述压气腔的容积与所述压气活塞的扫气容积的比值为1.5～3。

根据本实用新型提供的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，所述斯特林发电机还包括：

热声单元，所述热声单元设于所述调相器与所述壳体径向内壁之间，所述热声单元用于产生声功，所述调相器在所述声功作用下能够沿所述热声单元往复运动；

动力活塞，设于所述壳体内，所述动力活塞设于所述调相器远离所述膨胀腔的一侧，所述动力活塞与所述调相器之间分隔出压缩腔，所述动力活塞通过连接杆与所述调相器连接；

直线电机，设于所述动力活塞与所述壳体径向内壁之间；

弹性件，设于所述壳体内与所述膨胀腔相对的另一侧，所述连接杆与所述弹性件连接。

根据本实用新型提供的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，所述弹性件为柱弹簧或板弹簧。

根据本实用新型提供的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，所述热声单元包括低温换热器、回热器和高温换热器，所述低温换热器、所述回热器和所述高温换热器由所述压缩腔向所述膨胀腔方向依次设置。

有益效果：本实用新型提供的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，包括热源、斯特林发电机、压气装置和氦气传热管路，压气装置包括压气活塞和压气腔，氦气传热管路的一端与出口连接，另一端与进口连接，氦气传热管路依次穿过热源和斯特林发电机，以使氦气传热管路中的传热气体与热源传热后供给斯特林发电机传热发电，通过在斯特林发电机的膨胀腔内增设压气腔，氦气传热管路直接与压气腔连通，由斯特林发电机中的调相器的动能提供压气驱动力，不需要依靠其它额外驱动部件，简化了斯特林发电系统的结构，并且氦气传热管路采用气体介质，产生的高压气体直流与热源直接耦合换热，不需要考虑其它传热介质(例如熔盐、液态金属等)对热头结构的腐蚀，具有结构简单紧凑、热源适应性广以及热电效率高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例中内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统结构示意图；

图2是本实用新型实施例中内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统的另一结构示意图；

图3是是本实用新型实施例中内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统的另一结构示意图。

附图标记：

1、斯特林发电机；11、壳体；12、调相器；13、膨胀腔；14、热声单元；141、低温换热器；142、回热器；143、高温换热器；15、动力活塞；16、压缩腔；17、连接杆；18、直线电机；19、弹性件；

2、压气装置；21、压气活塞；22、压气腔；23、出口；24、进口；

3、氦气传热管路；31、第一单向导通件；32、第二单向导通件；

4、堆芯；

5、燃烧室；

6、反射聚光器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。

自由活塞斯特林发电机是一种高效率、长寿命的新型热电转换装置，它由自由活塞斯特林发动机和直线振荡电机耦合而成，通过热声效应将热能转换成可压缩流体在往复振荡中具有的声能，从而驱动动力活塞带动磁铁往复切割磁力线产生交流电，随着空间探测需求的不断增长，自由活塞斯特林发电机由于具有高效率、高可靠、长寿命等优点而逐渐受到重视。

目前，自由活塞斯特林发电系统中，为了减少热源对换热器的热辐射，斯特林发电机与热源之间通过设置两个传热回路实现传热，即一回路先与热源传热，二回路与一回路传热后再传热给斯特林发电机进行发电，同时，为了增加传热效率，二回路中通常需要增加高比热流体(例如熔盐、液态金属等)作为循环介质来吸收热源的热量。

然而，二回路传热循环增加了系统的复杂性，并且熔盐、液态金属等循环介质具有严重的腐蚀性，对发电机热头具有较严重的损坏，降低整个发电机的工作可靠性和使用寿命。

本实用新型实施例中，通过在斯特林发电机的膨胀腔内增设压气腔，氦气传热管路直接与压气腔连通，由斯特林发电机中的调相器的动能提供压气驱动力，不需要依靠其它额外驱动部件，简化了斯特林发电系统的结构，并且氦气传热管路采用气体介质，产生的高压气体直流与热源直接耦合换热，不需要考虑其它传热介质(例如熔盐、液态金属等)对热头结构的腐蚀，具有结构简单紧凑、热源适应性广以及热电效率高的优点。

如图1所示，本实用新型实施例提供的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，包括热源、斯特林发电机1、压气装置2和氦气传热管路3，可利用的热源包括核热、太阳能热、工业废热和燃料燃烧热中的任一种，本实施例中的热源采用核热。

斯特林发电机1包括壳体11和调相器12，调相器12设置于壳体11内并与壳体11轴向一侧的内壁分隔出膨胀腔13，压气装置2包括压气活塞21和压气腔22，压气腔22设置于膨胀腔13内，压气活塞21可相对移动的设置于压气腔22内，压气活塞21和调相器12连接，以使压气活塞21能够沿压气腔22的轴向做往复运动，压气腔22内充注高压氦气，高压氦气的压力值为5～15Mpa，压气腔22具有出口23和进口24。其中，斯特林发电机1内部工作气体也为高压氦气，保证压气腔22内的充注气体与斯特林发电机1内部工作气体相同。

氦气传热管路3的一端与出口23连接，另一端与进口24连接，氦气传热管路3依次穿过堆芯4和斯特林发电机1，以使氦气传热管路3中的高压氦气与堆芯4传热后供给斯特林发电机1传热发电。

具体的，内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统正常工作时，斯特林发电机1中的调相器12带动压气活塞21在压气腔22内做往复运动，在压气腔22内形成正弦变化的压力波动，经压气腔22的出口23进入氦气传热管路3，使得氦气传热管路3产生一股稳定的高压气体直流，从而进入堆芯4吸收热量，高压气体将热量通过氦气传热管路3传递到斯特林发电机1进行传热发电，传热后的高压气体经氦气传热管路3和进口24回到压气腔22，最终完成传热的一个回路，跟随着压气活塞21在压气腔22内的往复运动，气体在压气腔22、氦气传热管路3和热源之间完成非共振自循环传热，而无需依靠其他额外驱动部件。

本实施例中，通过在斯特林发电机1的膨胀腔13内增设压气腔22，氦气传热管路3直接与压气腔22连通，由斯特林发电机1中的调相器12的动能提供压气驱动力，不需要依靠其它额外驱动部件，简化了斯特林发电系统的结构，并且氦气传热管路3采用气体介质，产生的高压气体直流与热源直接耦合换热，不需要考虑其它传热介质(例如熔盐、液态金属等)对热头结构的腐蚀，具有结构简单紧凑、热源适应性广以及热电效率高的优点。

本实用新型的一些实施例中，出口23与氦气传热管路3之间通过第一单向导通件31进行连接，第一单向导通件31的导通方向为从出口23向氦气传热管路3的一端方向。第一单向导通件31为只允许压气腔22中的气体介质由出口23向氦气传热管路3的一端的方向流通，而且阻止反方向流动的元件，可以为止逆阀或者单向阀，本实施例中不作限制。在出口23与氦气传热管路3之间设置第一单向导通件31的目的为阻断压气腔22内的压力波动防止氦气传热管路3中的气体进入氦气传热管路3内，使氦气传热管路3中的声功损耗大大降低，并且氦气传热管路3的引入也不会导致发电机的无效容积增加而影响发电性能，进一步提高斯特林发电系统的工作效率。

本实用新型的另外一些实施例中，进口24与氦气传热管路3之间通过第二单向导通件32进行连接，第二单向导通件32的导通方向为从氦气传热管路3的另一端向进口24方向。第二单向导通件32为只允许氦气传热管路3中的气体介质由氦气传热管路3的另一端向进口24方向流通，而且阻止反方向流动的元件，可以为止逆阀或者单向阀，本实施例中不作限制。在进口24与氦气传热管路3之间设置第二单向导通件32的目的同样为阻断压气腔22内的压力波动防止其进入高压氦气传热管路3，使氦气传热管路3中的声功损耗大大降低，并且氦气传热管路3的引入也不会导致发电机的无效容积增加而影响发电性能，进一步提高斯特林发电系统的工作效率。

本实用新型的一些实施例中，第一单向导通件31和第二单向导通件均优选为单向阀。

为减小单向阀孔径以更易于加工，第一单向导通件31可以设置为多个小孔径单向阀并联，即压气腔22的出口23也设置为多个，每个出口23与氦气传热管路3之间均设置单向阀，本实施例中优选为设置两个单向阀以简化系统。

同样地，第二单向导通件32可以设置为多个小孔径单向阀并联，即压气腔22的进口24也设置为多个，每个进口24与氦气传热管路3之间均设置单向阀，本实施例中优选为设置两个单向阀以简化系统。

本实用新型的一些实施例中，压气活塞21与压气腔22之间为间隙密封，以使膨胀腔13与压气腔22之间的平均压力保持一致。通过斯特林发电机1自身的工作气体进行循环，一方面解决了熔盐、液态金属等腐蚀性传热介质对热头结构的损害问题，另一方面不需要外部驱动泵等部件，极大程度降低了系统的复杂程度和运行成本。

本实用新型的一些实施例中，压气腔22内的充注气体优选为氦气，斯特林发电机1自身的工作气体通常为高压氦气，本实施例中通过斯特林发电机1自身的高压氦气进行循环，由调相器12的动能提供压气驱动力，不需要依靠其它额外驱动部件，简化了斯特林发电系统的结构，并且氦气传热管路3采用氦气作为传热介质，产生的高压氦气直流与热源直接耦合换热，不需要考虑其它传热介质(例如熔盐、液态金属等)对热头结构的腐蚀，即斯特林发电机1的内部循环的工作介质为氦气，外部氦气传热管路3传热回路中的工作介质也为氦气，此外传热回路中也由于单向阀的单向导通性而不存在显著压力波动导致的声功损耗，整机具有结构简单紧凑、热源适应性广以及热电效率高的优点。

如图2所示，本实施例中的斯特林发电系统中的热源为燃烧室5内产生的燃烧生物质能，其他的结构和斯特林发电系统的工作原理与上述实施例均相同，此处不再赘述。氦气传热管路3中的氦气直流与燃烧室5内产生的燃烧生物质能直接耦合传热，可以获得更大的燃烧-流动耦合传热面积，具有更高的传热效率，进一步提高斯特林发电系统的工作效率。

如图3所示，本实施例中的斯特林发电系统中的热源为反射聚光器6内聚集的太阳能，其他的结构和斯特林发电系统的工作原理与上述实施例均相同，此处不再赘述。氦气传热管路3中的氦气直流与反射聚光器6内的太阳能直接耦合传热，可以获得足够大的太阳能传热面积，结构简单紧凑且具有较高的传热效率，进一步提高斯特林发电系统的性能。

又如图1所示，本实用新型的一些实施例中，压气腔22的容积与压气活塞21的扫气容积的比值为1.5～3倍，其中压气活塞21的扫气容积为压气活塞21从一个止点移到另一个止点所扫过的容积，在本实施例中，压气活塞21的扫气容积为压气活塞21的截面积与压气活塞21的振荡速度幅值的乘积，使压气腔22的容积大于压气活塞21的扫气容积的目的，一方面可以防止压气活塞21碰撞压气腔22最远端的内壁，另一方面可以保证压气腔22内的气体压力，使气体在压气腔22、氦气传热管路3和热源之间完成非共振自循环传热，而无需依靠其他额外驱动部件。本实用新型的一些实施例中，斯特林发电机1还包括热声单元14、动力活塞15、直线电机18和弹性件19，热声单元14设于调相器12与壳体11径向内壁之间，热声单元14用于产生声功，调相器12在声功作用下能够沿热声单元14往复运动。

动力活塞15设于壳体11内，动力活塞15设于调相器12远离膨胀腔13的一侧，动力活塞15与调相器12之间分隔出压缩腔16，动力活塞15通过连接杆17与调相器12连接，直线电机18设于动力活塞15与壳体11径向内壁之间，弹性件19设于壳体11内与膨胀腔13相对的另一侧，连接杆17与弹性件19连接。

进一步的，热声单元14包括低温换热器141、回热器142和高温换热器143，低温换热器141、回热器142和高温换热器143由压缩腔16向膨胀腔13方向依次设置。

斯特林发电系统的工作原理为：斯特林发电机1内填充的工作介质为氦气，压气腔22内的工作介质也为氦气。系统正常工作时，调相器12带动压气活塞21往复运动，在压气腔22内形成正弦变化的压力波动，再利用压气腔22的出口23与氦气传热管路3之间的单向阀的单向导通性，使得氦气传热管路3中产生一股稳定的高压氦气直流，从而进入热源吸收热量，传热后的高压氦气通过氦气传热管路3与斯特林发电机1中的高温换热器143内的介质进行换热，使高温换热器143与低温换热器141之间形成较高的温度差，回热器142将热能转换成可压缩流体在往复振荡中具有的声能，从而驱动调相器12往复运动，调相器12通过连接杆17带动动力活塞15往复运动，动力活塞15往复切割直线电机18中磁力线从而产生交流电，弹性件19为动力活塞15的往复运动提供动力，弹性件19可以为柱弹簧或者板弹簧，本实施例中优选为板弹簧。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，其特征在于，包括：

热源；

斯特林发电机(1)，包括壳体(11)和调相器(12)，所述调相器(12)设置于所述壳体(11)内并与壳体(11)轴向一侧的内壁分隔出膨胀腔(13)；

压气装置(2)，包括压气活塞(21)和压气腔(22)，所述压气腔(22)设置于所述膨胀腔(13)内，所述压气活塞(21)可相对移动的设置于所述压气腔(22)内，所述压气活塞(21)和所述调相器(12)连接，以使所述压气活塞(21)能够沿所述压气腔(22)的轴向做往复运动，所述压气腔(22)内充注与斯特林发电机(1)内部相同的氦气，所述压气腔(22)具有出口(23)和进口(24)；

氦气传热管路(3)，所述氦气传热管路(3)的一端与所述出口(23)连接，另一端与所述进口(24)连接，所述氦气传热管路(3)依次穿过所述热源和所述斯特林发电机(1)，以使所述氦气传热管路(3)中的氦气与所述热源传热后供给所述斯特林发电机(1)传热发电。

2.根据权利要求1所述的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，其特征在于，所述出口(23)与所述氦气传热管路(3)之间通过第一单向导通件(31)进行连接，所述第一单向导通件(31)的导通方向为从所述出口(23)向所述氦气传热管路(3)的一端方向。

3.根据权利要求2所述的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，其特征在于，所述进口(24)与所述氦气传热管路(3)之间通过第二单向导通件(32)进行连接，所述第二单向导通件(32)的导通方向为从所述氦气传热管路(3)的另一端向所述进口(24)方向。

4.根据权利要求3所述的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，其特征在于，所述第一单向导通件(31)和所述第二单向导通件均为单向阀。

5.根据权利要求1-4任一项所述的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，其特征在于，所述压气活塞(21)与压气腔(22)之间为间隙密封，以使所述膨胀腔(13)与所述压气腔(22)之间的平均压力保持一致。

6.根据权利要求1-4任一项所述的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，其特征在于，所述热源为核热、太阳能热、工业废热和燃料燃烧热中的一种。

7.根据权利要求1-4任一项所述的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，其特征在于，所述压气腔(22)的容积与所述压气活塞(21)的扫气容积的比值为1.5～3。

8.根据权利要求1-4任一项所述的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，其特征在于，所述斯特林发电机(1)还包括：

热声单元(14)，所述热声单元(14)设于所述调相器(12)与所述壳体(11)径向内壁之间，所述热声单元(14)用于产生声功，所述调相器(12)在所述声功作用下能够沿所述热声单元(14)往复运动；

动力活塞(15)，设于所述壳体(11)内，所述动力活塞(15)设于所述调相器(12)远离所述膨胀腔(13)的一侧，所述动力活塞(15)与所述调相器(12)之间分隔出压缩腔(16)，所述动力活塞(15)通过连接杆(17)与所述调相器(12)连接；

直线电机(18)，设于所述动力活塞(15)与所述壳体(11)径向内壁之间；

弹性件(19)，设于所述壳体(11)内与所述膨胀腔(13)相对的另一侧，所述连接杆(17)与所述弹性件(19)连接。

9.根据权利要求8所述的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，其特征在于，所述弹性件为柱弹簧或板弹簧。

10.根据权利要求8所述的内置压气装置的自由活塞斯特林发电系统，其特征在于，所述热声单元(14)包括低温换热器(141)、回热器(142)和高温换热器(143)，所述低温换热器(141)、所述回热器(142)和所述高温换热器(143)由所述压缩腔(16)向所述膨胀腔(13)方向依次设置。