PL217440B1 - Generator energii elektrycznej - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest generator energii elektrycznej oparty na konstrukcji silnika Stirlinga i przeznaczony do wytwarzania energii elektrycznej w oparciu o dostarczane ciepło, zwłaszcza ciepło słoneczne.

Od prawie 200 lat znane jest rozwiązanie Silnika Stirlinga, które to przekształca energię cieplną w energię mechaniczną. Silnik ten pracuje na zasadzie dwóch procesów grzania i chłodzenia które następują naprzemiennie oraz które wprawiają w ruch koło zamachowe. Wiadomym jest, że ruch mechaniczny łatwo zamienić na energię elektryczną. Znane są rozwiązania silników Stirlinga gdzie ruch mechaniczny tłoka silnika napędza ruch drugiego tłoka na którym znajduje się magnes który porusza się w polu cewki.

Znane z wynalazku US 5148066 rozwiązanie nawiązuje do termomechanicznego przetwornika sprzętowo podłączonego do silnika liniowego lub alternatora, zwłaszcza gdzie swobodnie zawieszony tłok silnika Stirlinga jest sprzęgnięty z polem magnetycznym alternatora. W silniku znajdują się symetrycznie i współosiowo zamocowane dodatkowe magnesy, skierowane biegunami odwrotnie. Pole magnetyczne jest spolaryzowane promieniście. Kiedy pole magnetyczne jest przemieszczone z centralnego położenia, dodatkowe magnesy wchodzą w reakcję i oddziaływają w celu przywrócenia poprzedniego centralnego położenia. To powoduje środkowanie odchylenia magnesu i następnie środkowanie pozycji tłoka w silniku Stirlinga. Dodatkowym efektem wytworzonym przez magnetyczną sprężynę dodatkowych magnesów jest ograniczenie amplitudy podczas zmniejszenia obciążenia silnika Stirlinga.

Znane jest z opisu wynalazku JP3078554 rozwiązanie, które poprawia kontakt części ślizgowych silnika Stirlinga o wolno zawieszonym tłoku, zapewnia większą miniaturyzację i uproszenie obu części konstrukcji przez ich odpowiednie połączenie. Duży i mały cylindry tłoków są wzajemnie połączone w jednej osi. Magnetyczna płytka, albo płytka z materiału o dużej przenikalności magnetycznej jest zamocowana na dnie dużego cylindra do wewnętrznej ścianki przy końcu ruchu posuwistego tłoka. W tym tłoku z kolei zamocowany jest wewnątrz magnes stały. Kiedy odpowiednio dobrane ciepło jest dostarczone w pobliże ściany komory ciepła, a odpowiednie schłodzenie jest zapewnione ścianie z płytką magnetyczną u dołu silnika, to tłok górny jest wciągany do górnego cylindra, a z opóźnieniem dolny tłok jest podnoszony w swoim cylindrze. Oba mechanizmy są sprzężone koaksjalną sprężyną. Dla poprawienia stabilności i osiowości przemieszczania się tłoka w większym cylindrze zastosowano wspomagający trzpień.

Celem wynalazku jest uproszczenie dotychczas stosowanego rozwiązania przez eliminację osprzętu i skomplikowanych rozwiązań konstrukcyjnych mających za zadanie odpychanie i chłodzenie tłoka.

Generator energii elektrycznej na bazie silnika Stirlinga zawiera dwie komory: cieplną i generatora z gazem, korzystnie z helem, szczelnie zamkniętym w obu komorach. Trzpień tłoka głównego, wyposażony jest w magnes stały, a w komorze ciepła zamocowany jest nieruchomo magnes stały o polarności odwrotnej do magnesu tłoka głównego, przy czym zamocowanie magnesu trzpienia jest ustalone w położeniu, które umożliwia zbliżenie się do magnesu u podstawy komory ciepła w trakcie ruchu posuwistego tłoka głównego. Opcjonalnie na końcu trzpienia tłoka generującego energię elektryczną zamocowany jest magnes stały, który jest odwrotnie spolaryzowany do magnesu znajdującego się na końcu hermetycznej obudowy silnika Stirlinga. Zastosowane magnesy stałe są korzystnie silnymi magnesami neodymowymi, zamocowany współosiowo.

W odmianie wynalazku generator energii elektrycznej na bazie silnika Stirlinga również zawiera dwie komory: cieplną i generatora z gazem, korzystnie z helem, szczelnie zamkniętym w obu komorach. Trzpień tłoka głównego na łożyskach ślizgowych, korzystnie łożyskach magnetycznych, wyposażony jest w magnes stały, a w komorze ciepła zamocowany jest nieruchomo magnes stały o polarności odwrotnej do magnesu tłoka głównego, przy czym zamocowanie magnesu trzpienia jest ustalone w położeniu, które umożliwia maksymalne zbliżenie się do magnesu u podstawy komory ciepła w trakcie ruchu posuwistego tłoka głównego. Opcjonalnie na końcu trzpienia tłoka na łożyskach ślizgowych, korzystnie łożyskach magnetycznych, generującego energię elektryczną zamocowany jest magnes stały, który jest odwrotnie spolaryzowany do magnesu znajdującego się na końcu hermetycznej obudowy silnika Stirlinga. Zastosowane magnesy stałe są korzystnie silnymi magnesami neodymowymi, zamocowanymi współosiowo.

PL 217 440 B1

Proces odpychania tłoka w stronę przeciwną do procesu grzania - zastępujemy sprężystym, odpychającym działaniem magnesów. Alternatywnie albo jeden magnes jest podłączony na stałe do tłoka a drugi do obudowy, albo odwrotnie. Takie same magnesy można zastosować na drugim tłoku który porusza kolejny magnes w polu magnetycznym cewki.

Zaletą generatora według wynalazku jest prosta budowa, która umożliwia seryjną produkcję. Duża niezawodność wynika także z braku skomplikowanych rozwiązań mechanicznych, które ulegałyby uszkodzeniu. Obecnie produkuje się prąd z baterii fotowoltaicznych które posiadają sprawności rządu 7-12% w seryjnej produkcji. Sprawność generatora w znacznym stopniu zależy od stopnia dokładności wykonania elementów i przekracza nawet 25%. Jest to niespotykana jak do tej pory sprawność wśród tego typu urządzeń.

Przedmiot wynalazku uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym w przekroju podłużnym na fig. 1 przedstawiony jest silnik Stirlinga z nowymi elementami magnetycznymi, a na fig. 2 w wersji z magnetycznymi łożyskami elementów ruchomych.

Proces wytwarzania energii elektrycznej w hermetycznej obudowie 1 przebiega zgodnie z przebiegami w tradycyjnym Silniku Stirlinga. Na nieruchomym trzpieniu 2 przymocowany jest magnes 3. Na tym trzpieniu porusza się ślizgowo tłok 4. Gas w komorze 5 ogrzewając się poprzez strefę grzania 6 rozpręża się i powoduje ruch tłoka 4 w lewą stronę. Gas ten również przechodzi poprzez otwory 7 i przesuwa tłok 8 również w lewą stronę. Tłok 8 reaguje jednak z pewnym opóźnieniem. Opóźnienie to jest proporcjonalne do proporcji pomiędzy masami tłoka 4 i tłoka 8. Następnie tłok 4 na którym doczepiony jest magnes 9, dochodząc do skrajnego położenia napotyka na magnes 3. Magnesy odpychają się co powoduje przemieszczenie się tłoka 4 do pozycji wyjściowej. W tym momencie tłok 8 zostaje wessany i podąża za tłokiem 4. Poprzez strefę chłodzenia 10, która powoduje zmniejszenie objętości gazu, a w konsekwencji podążenie tłoka 8 za tłokiem 4, tłok 8 wraca do pozycji wyjściowej. Cały proces się powtarza. Dokładny proces został już opisany w Silniku Stirlinga z tym że koło zamachowe zostało zastąpione poprzez magnesy 3 i 9. Magnes 11 - na końcu trzpienia 12 tłoka 8 i magnes 13 na końcu komory 1 są mocowane opcjonalnie, dla polepszenia dynamiki silnika. Tłok 8 wykonuje pracę wzdłużną co zostało wykorzystane do produkcji prądu, mianowicie do tłoka 8 został dołączony magnes 14 który porusza się w polu cewki 15 w której płynie prąd.

Na fig. 2 pokazane jest opcjonalnie użycie łożysk magnetycznych, które mają na celu wyeliminowanie siły tarcia pomiędzy tłokiem 4 a trzpieniem 2 oraz tłokiem 8 a obudową silnika 16 i 17.

Na trzpieniu 2 zamontowane są magnesy 18 i 20. W tłoku 4 również zamontowane są magnesy 19 i 21 o przeciwnej polaryzacji magnetycznej - magnes 18 odpycha magnes 19 i magnes 20 odpycha 21. W tym celu mogą być stosowane zarówno aktywne, pasywne, hybrydowe jak i wiroprądowe łożyska magnetyczne. Łożyska magnetyczne przeznaczone są do bezkontaktowego zawieszenia trzpieni/wirników. W łożysku wykorzystuje się siły magnetyczne. Można zaznaczyć, że wśród magnetycznych łożysk pasywnych można wyróżnić łożyska zbudowane z magnesów trwałych (ang. Permanent Magnetic Bearing) lub łożyska z nadprzewodnikami (ang. Super-conducting Magnetic Bearing). Tłok 4 wykonuje ruch posuwisty nie powodując tarcia, praktycznie takie łożyska eliminują siłę tarcia prawie do zera.

Ta sama idea łożysk magnetycznych została zastosowana przy tłoku 8. Mianowicie na trzpieniu 12 i w obudowie silnika 17 są zamontowane magnesy 24 i 25, a na pierścieniu 26 trzpienia 2 magnes 22 i w obudowie 16 magnes 23. Magnes 22 odpycha magnes 23 i magnes 24 odpycha 25 utrzymując elementy silnika w bezstykowej i współosiowej pozycji.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Generator energii elektrycznej na bazie silnika Stirlinga, która zawiera dwie komory: cieplną i generatora z gazem, korzystnie z helem, szczelnie zamkniętym w obu komorach, znamienny tym, że trzpień (2) tłoka głównego (4) wyposażony jest w magnes stały (9), a w komorze ciepła (5) zamocowany jest nieruchomo magnes stały (3) o polarności odwrotnej do magnesu (9) tłoka głównego, przy czym zamocowanie magnesu trzpienia jest ustalone w położeniu, które umożliwia zbliżenie się do magnesu u podstawy komory ciepła w trakcie ruchu posuwistego tłoka głównego i ich odpychanie się, opcjonalnie na końcu trzpienia (12) tłoka (8), w obudowie (16, H, 26) zamocowany jest magnes stały (11), który jest odwrotnie spolaryzowany do magnesu (13).

   PL 217 440 B1
2. 2. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że magnesy stałe (9, 3, 11, 13) korzystnie w silnymi magnesami neodymowymi, zamocowanymi współosiowo na trzpieniu (2, 12).
3. 3. Generator energii elektrycznej na bazie silnika Stirlinga, która zawiera dwie komory: cieplną i generatora z gazem, korzystnie z helem, szczelnie zamkniętym w obu komorach, znamienny tym, że trzpień (2) z łożyskami (18, 20) tłoka głównego (4) z łożyskami (19, 21) wyposażony jest w magnes stały (9), w komorze ciepła (5) zamocowany jest nieruchomo magnes stały (3) o polarności odwrotnej do magnesu (9) tłoka głównego, przy czym zamocowanie magnesu trzpienia jest ustalone w położeniu, które umożliwia zbliżenie się do magnesu u podstawy komory ciepła w trakcie ruchu posuwistego tłoka głównego i ich odpychanie się, opcjonalnie na końcu trzpienia (12) z łożyskami (22, 25) tłoka (8) w obudowie (16, 17, 26) z łożyskami (23, 24) zamocowany jest magnes stały (11), który jest odwrotnie spolaryzowany do magnesu (13).
4. 4. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że magnesy stałe (9, 3, 11, 13) są korzystnie silnymi magnesami neodymowymi, zamocowany współosiowo na trzpieniu (2, 12).
5. 5. Generator według zastrz. 3, znamienny tym, że łożyska (18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25) są łożyskami ślizgowymi, korzystnie magnetycznymi.