PL222471B1 - Układ zasilania silnika Stirlinga - Google Patents

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 222471 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 406152 (22) Data zgłoszenia: 20.11.2013

Układ zasilania silnika Stirlinga (43) Zgłoszenie ogłoszono:

25.05.2015 BUP 11/15 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

29.07.2016 WUP 07/16 (51) Int.Cl.

F02G 1/055 (2006.01) F03G 6/06 (2006.01) (73) Uprawniony z patentu:

PRZEDSIĘBIORSTWO USŁUGOWE GEOCARBON SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Katowice, PL (72) Twórca(y) wynalazku:

MARCIN KACZMARSKI, Sosnowiec, PL ŁUKASZ KUBAN, Częstochowa, PL JAKUB STEMPKA, Płośnica, PL

WOJCIECH WĘGLORZ, Gliwice, PL (74) Pełnomocnik:

rzecz. pat. Adam Pawłowski

PL 222 471 B1

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy układu zasilania silnika Stirlinga energią słoneczną.

Silnik Stirlinga zwany także „silnikiem na ogrzane powietrze” jest tłokową maszyną roboczą pracującą w obiegu zamkniętym. W przestrzeni roboczej silnika Stirlinga jest stała masa gazu roboczego, który uczestniczy w kolejnych cyklach pracy silnika. Zwykle jako gaz roboczy stosuje się hel, wodór lub powietrze. Silnik Stirlinga standardowo wyposażony jest w tłok oraz wypornik. Tłok przemieszcza gaz roboczy pomiędzy przestrzenią sprężania i przestrzenią rozprężania, zwaną także komorą ekspansji silnika. W wielu znanych konstrukcjach silnika, w przypadku gdy stosuje się wysokie ciśnienia gazu w przestrzeni roboczej, pod tłokiem znajduje się ponadto przestrzeń buforowa, której zadaniem jest zmniejszanie różnicy ciśnień na uszczelnieniach tłoka.

W celu zrealizowania obiegu cieplnego, do przestrzeni roboczej silnika Stirlinga na przemian doprowadza się i odprowadza się ciepło. Realizacja tego procesu standardowo następuje w regeneratorze, przy czym ze względu na fakt, iż nie jest możliwa doskonała regeneracja ciepła, w celu zrealizowania odpowiedniej przemiany podczas trwania obiegu cieplnego gazu, do czynnika roboczego należy doprowadzić dodatkową ilość ciepła, czyli zasilić silnik, co kompensuje straty ciepła w regeneratorze.

Sprężanie i rozprężanie gazu roboczego należy prowadzić w stałej temperaturze, dlatego też gaz nagrzewa się w trakcie procesu rozprężania, a chłodzi się podczas procesu sprężania. Procesy te realizowane są w nagrzewnicy i chłodnicy. Nagrzewnica stanowi zazwyczaj specjalnie ukształtowaną przestrzeń, a w zależności od jej konstrukcji proces zasilania silnika Stirlinga w ciepło niezbędne do realizacji procesów termodynamicznych gazu roboczego odbywa się w nagrzewnicy bezpośrednio lub za pomocą układów pośrednich, takich jak rura ciepła czy wymiennik parowy. W zależności od konstrukcji nagrzewnicy, silnik Stirlinga jest zasilany energią z różnych źródeł, takich jak związki ropopochodne, węgiel, drewno, paliwa gazowe o różnym składzie czy biomasa. Do zasilania silnika Stirlinga można ponadto wykorzystywać energię odnawialną tj. energię słoneczną lub energię geotermalną, co obniża koszty pracy silnika oraz wpływa na całkowite wyeliminowanie negatywnych skutków pracy silnika tj. produkcja CO₂.

Z literatury patentowej znane są układy zasilania silnika Stirlinga energią odnawialną.

Przykładowo, z amerykańskiego opisu patentowego US6775982 znany jest układ zasilania silnika Stirlinga z soczewką Fresnela wykorzystujący promieniowanie słoneczne. W opisanym układzie, energia słoneczna skupiana za pomocą soczewki Fresnela jest transportowana do układu zasilającego silnik Stirlinga poprzez włókna światłowodowe, wykonane ze szkła kwarcowego. Promieniowanie słoneczne zgromadzone na soczewce jest przekazywane do światłowodu poprzez stożkową powierzchnię padania, przy czym powierzchnia padania światłowodu oraz soczewka są połączone z czujnikiem kąta padania promieni świetlnych, który steruje położeniem soczewki w ciągu dnia w celu efektywnego skupiania promieni słonecznych oraz dostosowuje ułożenie powierzchni padania światłowodu do położenia soczewki tak by całość zgromadzonej energii została przekazana do światłowodu.

Z amerykańskiego opisu patentowego US7964981 znany jest ponadto hybrydowy system zasilania silnika Stirlinga energią słoneczną i energią wiatrową. Część systemu stanowiąca solarny układ zasilania ma kolektor słoneczny w formie wypukłego talerza do konwersji promieniowania słonecznego na ciepło, który jest połączony z silnikiem Stirlinga. Kolektor słoneczny skupia promienie świetlne, które następnie są odbijane za pomocą zwierciadła i dostarczane w celu ogrzania gazu roboczego silnika, przy czym zwierciadło oraz wypukły talerz mogą zmieniać położenie w ciągu dnia w celu efektywnego skupiania promieni słonecznych Z opisanych powyżej publikacji wynika, że technika zasilania silnika Stirlinga energią słoneczną podlega ciągłym ulepszeniom mającym na celu zwiększenie koncentracji promieniowania słonecznego oraz poprawę wydajności procesu wymiany ciepła pomiędzy kolektorem a gazem roboczym silnika Stirlinga.

Celowym byłoby opracowanie układu zasilania silnika Stirlinga energią słoneczną, który zapewni wysoką koncentrację promieniowania słonecznego przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności procesu wymiany ciepła pomiędzy kolektorem a gazem roboczym.

Przedmiotem wynalazku jest układ zasilania silnika Stirlinga energią promieniowania słonecznego skupianego za pomocą soczewki Fresnela na głowicę zawierającą kolektor, zamknięcie cylindra i kanały nagrzewnicy charakteryzujący się tym, że kolektor ma kształt leja, którego powierzchnia ma kształt wklęsłego stożka o łukowatej tworzącej, i której kształt odpowiada kształtowi zamknięcia cylindra silnika, przy czym pomiędzy ścianką kolektora a zamknięciem cylindra znajdują się łukowate kanały

PL 222 471 B1 nagrzewnicy do nagrzewania czynnika roboczego, przy czym soczewka Fresnela jest umiejscowiona współosiowo z tłokiem silnika w takiej odległości (h) od kolektora, dla której ognisko soczewki Fresnela znajduje się w najniższym punkcie leja kolektora, w którym umieszczony jest absorber w postaci walca współosiowego z kolektorem, którego górna podstawa znajduje się ponad powierzchnią kolektora, w obszarze ogniska soczewki, a dolna podstawa znajduje się w obszarze przepływu gazów przez kanały nagrzewnicy.

Przedmiot wynalazku przedstawiono schematycznie w przykładzie wykonania na rysunku na którym:

Fig. 1 przedstawia układ zasilania silnika Stirlinga z soczewką Fresnela w przekroju przez głowicę silnika Stirlinga;

Fig. 2 przedstawia schematycznie konfigurację kanałów nagrzewnicy w widoku głowicy silnika Stirlinga z góry.

W układzie zasilania silnika Stirlinga według wynalazku zastosowano soczewkę Fresnela 140 do skupiania promieni słonecznych ze względu na stosunkowo małą grubość i masę przy dużej powierzchni soczewki. Czym czynnikiem roboczym silnika może być dowolny gaz, konwencjonalnie stosowany w tego typu silnikach, taki jak wodór, hel a nawet powietrze.

Na fig. 1 przedstawiono schematycznie układ głowicy silnika Stirlinga z soczewką Fresnela 140 i kanałami nagrzewnicy 130, stanowiącym solarny system zasilania silnika Stirlinga według wynalazku.

Głowica silnika składa się z odpowiednio ukształtowanego zamknięcia cylindra 110, kolektora 120 o szczelnie dopasowanej powierzchni oraz kanałów nagrzewnicy 130.

Kolektor 120 ma kształt leja, którego powierzchnia ma kształt wklęsłego stożka z łukowatą tworzącą 121, przy czym wymiary i promień krzywizny tworzącej 121 kolektora 120 dobiera się w zależności od parametrów zastosowanej soczewki 140, w szczególności zależy to od stosunku długości ogniskowej do średnicy soczewki. Kolektor zawiera ponadto absorber 123 do pochłaniania promieniowania w ognisku 141 soczewki 140, który jest umiejscowiony po wewnętrznej stronie płaszczyzny zakończenia leja w obszarze koncentracji promieniowania słonecznego 141. Absorber 123 zabezpiecza konstrukcję głowicy oraz kompensuje ewentualne niedokładności pozycjonowania i wykonania soczewki 140. Absorber 123 wykonany jest z materiału charakteryzującego się wysokim współczynnikiem przewodzenia ciepła oraz odpornego na działanie wysokich temperatur. Przykładowo, absorber 123 może być wykonany z wolframu. Absorber ma kształt walca współosiowego do układu głowicy, przy czym górna podstawa tego walca znajduje się ponad powierzchnią kolektora, w obszarze ogniska soczewki, a dolna podstawa tego walca znajduje się w obszarze przepływu gazów, tak że ciepło pobierane przez górną część i przekazane do dolnej części walca jest odbierane przez przepływające przez kanały nagrzewnicy 130 gazy.

Jako soczewkę 140 w układzie według wynalazku stosuje się asferyczną skupiającą soczewkę Fresnela, wymiar powierzchni soczewki dobiera się w zależności od mocy cieplnej pobieranej przez zastosowany silnik Stirlinga. Przykładowo, dla silnika pobierającego moc cieplną 1 kW można stosować soczewkę 140 o średnicy 120 cm.

Soczewka 140 jest umiejscowiona współosiowo z tłokiem 150 silnika Stirlinga, w takiej odległości od górnej powierzchni kolektora 120, aby ognisko soczewki 141 znajdowało się w najniższym punkcie powierzchni kolektora 120.

Długość i kształt kanałów nagrzewnicy odpowiada długości tworzącej leja kolektora 120, przy czym w przekroju poprzecznym przez głowicę silnika, kanały 130, jak uwidoczniono na fig. 1, mają kształt łukowaty.

Zewnętrzne ścianki 112 głowicy są izolowane termicznie od otoczenia, a całość ciepła pobranego przez głowicę przekazywana jest do wnętrza komory ekspansji silnika 131.

Na fig. 2 przedstawiono schematycznie konfigurację kanałów nagrzewnicy w widoku z góry głowicy silnika. Kanały nagrzewnicy 230 są uformowane promieniście wokół geometrycznego środka zakończenia leja nagrzewnicy 241.

Proces ogrzewania gazu z zastosowaniem układu zasilania silnika Stirlinga jest realizowany w następujący sposób. Schłodzony gaz kierowany jest do wyprofilowanych kanałów nagrzewnicy 130, gdzie stopniowo nagrzewa się ze stałym (stabilnym) wzrostem gradientu temperatur gazu na całej długości kanałów nagrzewnicy 130. Gaz nagrzewa się stopniowo, a ogrzanie do maksymalnej możliwej do osiągnięcia temperatury następuje w okolicach ogniska soczewki 141 i absorbera 123, przy czym wartość temperatury maksymalnej gazu zależy od rozmiaru zastosowanej soczewki. Z kanałów nagrzewnicy 130 ogrzany gaz przemieszcza się do komory ekspansji silnika 131 i porusza tłokiem 150.

PL 222 471 B1

Specyficzny - łukowaty kształt kanałów nagrzewnicy 130, 230 umożliwił przejmowanie części energii promieniowania słonecznego ukierunkowanego przez soczewkę jeszcze przed jej ogniskowaniem, co znacząco zwiększyło wydajność procesu wymiany ciepła pomiędzy kolektorem a czynnikiem roboczym silnika Stirlinga, co dodatkowo wpłynęło na zmniejszenie natężenia energii cieplnej, a w tym także temperatury w obszarze koncentracji promieniowania 141, 241. Takie rozwiązanie dało możliwość stosowania soczewek o bardzo dużych powierzchniach, których stosowanie w znanych rozwiązaniach było niemożliwe ze względu na możliwość uszkodzenia struktury głowicy silnika poprzez wysoką temperaturę, lub wymagało stosowania dodatkowych urządzeń przewodzących.

Dodatkową zaletą układu według wynalazku jest utrzymywan ie stabilnego wzrostu gradientu temperatury gazu roboczego na całej długości kanałów nagrzewnicy 130, 230, co wpływa na równomierne i stopniowe ogrzewania gazu podczas wtłaczania do komory ekspansji silnika Stirlinga 131.

Claims (1)

1. Układ zasilania silnika Stirlinga energią promieniowania słonecznego skupianego za pomocą soczewki Fresnela na głowicę zawierającą kolektor, zamknięcie cylindra i kanały nagrzewnicy, znamienny tym, że kolektor (120, 220) ma kształt leja, którego powierzchnia ma kształt wklęsłego stożka o łukowatej tworzącej (121), i której kształt odpowiada kształtowi zamknięcia cylindra silnika (110), przy czym pomiędzy ścianką kolektora (120) a zamknięciem cylindra znajdują się łukowate kanały nagrzewnicy (130) do nagrzewania czynnika roboczego, przy czym soczewka Fresnela (140) jest umiejscowiona współosiowo z tłokiem silnika (150) w takiej odległości (h) od kolektora (120, 220), dla której ognisko (141, 241) soczewki Fresnela znajduje się w najniższym punkcie leja kolektora (120, 220), w którym umieszczony jest absorber (123) w postaci walca współosiowego z kolektorem (120, 220), którego górna podstawa znajduje się ponad powierzchnią kolektora (120, 220), w obszarze ogniska soczewki, a dolna podstawa znajduje się w obszarze przepływu gazów przez kanały nagrzewnicy (130).