PL228084B1 - Generator energii elektrycznej na bazie silnika Stirlinga - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest generator energii elektrycznej na bazie silnika Stirlinga, z wydzielonymi komorami ciśnieniowymi. Może on być wykorzystany do produkcji energii elektrycznej, z wyk orzystaniem dowolnego źródła ciepła takiego jak energia słoneczna, energia geotermalna, energia chemiczna, energia z procesu spalania dowolnych substancji. Może również służyć do odzyskiwania energii z procesów produkcyjnych lub z silników spalinowych.

Silnik Stirlinga jest silnikiem cieplnym, który przetwarza energię cieplną na energię mechaniczną. Energia cieplna jest dostarczana do silnika z zewnątrz. Nie zachodzi w nim proces wewnętrznego spalania.

Podstawowe konstrukcje silnika Stirlinga składają się z dwóch cylindrów ciepłego i zimnego w ypełnionych stałą ilością gazu roboczego. Cylindry połączone są ze sobą w taki sposób, aby umożliwić przepływ gazu z jednego cylindra do drugiego. Znane są też konstrukcje z jednym tłokiem i wyporn ikiem, czyli luźno pasowanym tłokiem, który wymusza przepływ gazu pomiędzy ciepłą i zimną częścią silnika. Gaz najpierw jest ogrzewany w cylindrze ciepłym, gdzie zwiększa się jego ciśnienie, a następnie jest przetłaczany do cylindra zimnego za pomocą wypornika. W zimnym cylindrze gaz jest ochł adzany i zmniejsza się jego ciśnienie. Wzrost ciśnienia gazu w komorze ciepłej wykorzystuje się do przesuwania tłoka roboczego, który jest ciasno pasowany z cylindrem. W podstawowych typach konstrukcji silnika Stirlinga alfa, beta i gamma para tłoków lub wypornik i tłok są połączone mechanicznie poprzez wał korbowy.

Rozwiązanie znane z wynalazku US4215548 opisuje konstrukcję z tak zwanym wolnym tłokiem. W tej konstrukcji tłok roboczy nie jest powiązany z wypornikiem za pomocą sprzężenia mechaniczn ego. Tłok wypornika może być sterowany pneumatycznie, hydraulicznie lub elektromagnetycznie. Podczas przemieszczania wypornika, gaz roboczy przetłaczany jest pomiędzy ciepłą i zimną częścią k omory przez regenerator, który zwiększa sprawność rozwiązania. Tłok roboczy odbierający energię znajduje się w tej samej komorze poniżej wypornika. Tłok roboczy wraz z wypornikiem znajdują się w jednej obudowie i stanowią integralną cześć całego urządzenia.

W publikacji „5-kWe Free-Piston Stirling Engine Convertor” Peter A. Chapman, Nicholas A. Vitale and Thomas J. Walter opisane jest rozwiązanie z tak zwanym wolnym tłokiem, gdzie w szczelnej obudowie znajduje się wypornik, który przemieszcza gaz poprzez regenerator pomiędzy ciepłą i zimną częścią komory. Poniżej wypornika znajduje się tłok roboczy odbierający energię, do którego przym ocowana jest prądnica liniowa. Tłok roboczy, wypornik oraz prądnica liniowa znajdują się w jednej szczelnej obudowie wypełnionej gazem roboczym pod bardzo dużym ciśnieniem i stanowią integralną część całego urządzenia. W tego typu konstrukcjach częstotliwość pracy urządzenia oraz jego moc jest stała i określona na etapie projektowania urządzenia.

Celem wynalazku jest stworzenie w porównaniu do dotychczas znanych rozwiązań taniej w budowie, skalowalnej konstrukcji o regulowanej częstotliwości działania, której moc można w łatwy sp osób zwiększyć poprzez dodawanie kolejnych modułów hermetycznych komór ciśnieniowych bez k onieczności rozbudowy części zawierającej tłoki robocze oraz prądnicę.

Istota wynalazku polega na zastosowaniu wydzielonych i hermetycznych komór ciśnieniowych, ze sterowanymi niezależnie od tłoków roboczych wypornikami. Komory ciśnieniowe mają budowę modułową i są wydzielone od części zawierającej tłok roboczy. Komory ciśnieniowe znajdują się w innej obudowie niż tłoki robocze i są połączone z częścią zawierającą tłoki robocze za pomocą przewodów ciśnieniowych. Nie istnieje sprzężenie mechaniczne pomiędzy wypornikiem a tłokiem roboczym.

Każda z komór ciśnieniowych składa się z dwóch części oddzielonych izolatorem, którego zadaniem jest minimalizowanie przepływu ciepła pomiędzy ciepłą i zimną częścią komory. Wewnątrz komory znajduje się stała ilość gazu roboczego pod ciśnieniem oraz luźno pasowany wypornik.

Ruch wypornika może być realizowany z regulowaną częstotliwością elektromagnetycznie, pneumatycznie lub hydraulicznie. Ruch wypornika wewnątrz komory powoduje przemieszczanie gazu do ciepłej lub do zimnej części komory, co z kolei powoduje zmiany ciśnienia gazu roboczego podczas jego naprzemiennego ogrzewania i ochładzania.

Jeżeli wypornik znajduje się w ciepłej części komory, to gaz znajduje się w jej zimnej części i ciśnienie gazu maleje. Jeżeli wypornik znajduje się w zimnej części komory, to gaz znajduje się w jej ciepłej części i ciśnienie gazu rośnie.

Komora ciśnieniowa wraz z siłownikiem sterującym wypornikiem jest szczelna i można w niej stosować bardzo wysokie ciśnienia.

PL 228 084 B1

Siłownik wymuszający ruch wypornika może znajdować się wewnątrz lub na zewnątrz komory. Sposób umiejscowienia siłownika zależy od wyboru kształtu komory oraz jego wielkości. W każdym przypadku połączenie siłownika z komorą oraz wypornikiem musi być zrealizowane w taki sposób, aby cały układ składający się z komory, wypornika oraz siłownika był szczelny. W przypadku komory w kształcie torusa, ruch wypornika może być realizowany poprzez oddziaływanie na ferromagnetyczny materiał wypornika pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez cewki nawinięte na torusowy korpus komory.

Siłownik jest sterowany z oddzielnego źródła. Dzięki temu można niezależnie sterować częstotliwością ruchów wypornika. W przypadku siłownika elektromagnetycznego, cyklami ruchów siłownika steruje układ elektroniczny, który generuje impulsy prostokątne o regulowanym czasie trwania. Niezależne sterowanie oznacza również, że nie istnieje mechaniczne sprzężenie pomiędzy wypornikiem i tłokiem roboczym, a przez to komory można łączyć ze sobą, budując zestawy komór o dowolnych rozmiarach, zwiększając powierzchnię wymiany ciepła.

Wypornik powinien być wykonany z jak najlżejszego materiału tak, aby wydatki energii na jego poruszanie były jak najmniejsze.

Każda komora ma otwór, który poprzez dołączony do niego przewód ciśnieniowy umożliwia przekazanie zmiany ciśnienia gazu roboczego na tłok roboczy. Rolę tłoka roboczego może pełnić siłownik pneumatyczny, który jest połączony z prądnicą. Korzystne jest jeżeli tłoki robocze wraz z np. prądnicą liniową są umieszczone w tym samym cylindrze, tak aby cały układ zachowywał szczelność.

Minimalna, optymalnie działająca konfiguracja systemu generowania energii elektrycznej powinna składać się z dwóch komór ciśnieniowych wraz z wypornikami oraz siłownikami elektromagnetycznymi, prądnicy liniowej wmontowanej w cylinder, zamknięty z obu stron tłokami roboczymi oraz układu elektronicznego sterującego siłownikami elektromagnetycznymi. Wyporniki w obu komorach powinny poruszać się naprzemiennie. Oznacza to, że jeżeli w jednej komorze wypornik znajduje się w części ciepłej, to w drugiej komorze w tym samym czasie wypornik znajduje się w części zimnej. W związku z takim naprzemiennym ruchem wyporników w jednej komorze ciśnienie gazu roboczego będzie większe, a w drugiej mniejsze. Powstała różnica ciśnień podana na tłoki robocze powoduje poruszanie tłoczyska oraz rdzenia prądnicy i w konsekwencji generowanie prądu elektrycznego.

Chcąc zwiększyć moc urządzenia wystarczy dokładać symetrycznie kolejne komory ciśnieniowe, łącząc ich otwory zasilające za pomocą przewodów ciśnieniowych i następnie podłączyć je do cylindra zawierającego tłoki robocze. Wówczas urządzenie jest w stanie poprzez większą powierzchnię wymiany ciepła pobrać więcej energii i przetworzyć ją na energię elektryczną.

Do podstawowych zalet konstrukcji według wynalazku należy zaliczyć łatwą skalowalność ro związania realizowaną poprzez dokładanie kolejnych komór ciśnieniowych, łatwość uszczelniania, w ysoką sprawność ze względu na możliwość działania pod wysokimi ciśnieniami, możliwość regulacji częstotliwości ruchu wyporników, a w konsekwencji częstotliwości pracy prądnicy, małą liczbę ruchomych części.

Zaletą jest też modułowa i prosta budowa komór ciśnieniowych, przez co są tanie w wykonaniu. Odseparowanie komór ciśnieniowych od części z tłokami roboczymi powoduje, że dodając kolejne komory nie trzeba wymieniać tłoków roboczych wraz z prądnicą, ponieważ jest to wydzielony i niezależny od komór ciśnieniowych element. Zestaw tłoków roboczych, to w najprostszym rozwiązaniu powszechnie stosowane siłowniki pneumatyczne, które są zupełnie niezależnym elementem i można je wybrać spośród bardzo wielu produktów wytwarzanych seryjnie przez wiele firm. Tłoki robocze są wydzielone od komór ciśnieniowych co oznacza, że nie pracują w trudnych warunkach skrajnych temperatur. Rozdzielenie komór ciśnieniowych i tłoków roboczych pozwala skalować rozwiązanie w taki sposób, że bardzo wiele komór ciśnieniowych może pracować z jednym zestawem tłoków roboczych i z jedną prądnicą. Oznacza to, że serwisowanie, zarządzanie oraz monitorowanie jest proste i tanie. Awaria jednego elementu nie oznacza konieczności wymiany całego urządzenia, a jedynie naprawę lub wymianę jego modułów.

Dodatkowo ogrzewanie ciepłych części komór ciśnieniowych może być realizowane za pomocą każdego źródła ciepła, takiego jak energia słoneczna, spalanie dowolnych substancji w tym paliw kopalnych, energii geotermalnej, energii chemicznej, ciepła odpadowego. Chłodzenie zimnych części komór ciśnieniowych może być realizowane poprzez oddawanie ciepła do atmosfery lub za pomocą cieczy.

Urządzenie według wynalazku może znaleźć zastosowanie do generowania energii elektrycznej z energii słonecznej, geotermalnej, chemicznej, do odzyskiwania energii cieplnej w pojazdach z silnikami spalinowymi lub odzyskiwania energii z procesów produkcyjnych.

PL 228 084 B1

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został przedstawiony na rysunku fig. 1. Podstawowa konfiguracja składa się ze szczelnych komór ciśnieniowych (1), do których podłączone są siłowniki elektromagnetyczne (3) poruszające wypornikami (9) widocznymi na przekroju rysunku fig. 2. Siłownik elektromagnetyczny (3) składa się ze szczelnego korpusu (13) połączonego szczelnie z komorą ciśnieniową (1) - jego budowa widoczna jest na przekroju rysunku fig. 3. Wewnątrz korpusu siłownika znajduje się uzwojenie (12) wytwarzające pole elektromagnetyczne pod wpływem impulsów sterujących. Wytwarzane pole elektromagnetyczne powoduje przyciąganie rdzenia siłownika (11). Rdzeń siłownika (11) połączony jest z wypornikiem (9). Ruch rdzenia siłownika powoduje ruch wypornika (9) do góry do zimnej części komory (6) oraz do dołu do ciepłej części komory (7) ciśnieniowej. Pomiędzy ciepłą (7) i zimną (6) częścią komory znajduje się izolator (8), który minimalizuje przepływ ciepła pomiędzy ciepłą i zimną częścią komory.

Do obu komór poprzez otwór zasilający (4) podłączona jest za pomocą przewodów ciśnieniowych (5) liniowa prądnica energii elektrycznej (2), której przekrój jest widoczny na rysunku fig. 2. Prądnica składa się z hermetycznego cylindra tłoków roboczych (14), w którym tłoki robocze (16) ciasno dopasowane do cylindra (14) są przymocowane do wspólnego tłoczyska. Na tłoczysku są osadzone magnesy trwałe (17), które poruszają się wewnątrz uzwojeń (18) sztywno przymocowanych do cylindra (14). Magnesy trwałe (17) wraz z cewkami (18) tworzą prądnicę liniową, która podczas ruchu magnesów wewnątrz uzwojeń cewek wytwarza prąd elektryczny.

W komorze tłoków roboczych (15) oznaczonej na rysunku fig. 4 znajduje się gaz roboczy pod takim samym ciśnieniem, jakie panuje w przestrzeni komory ciśnieniowej (10) dołączonej z tej samej strony cylindra tłoków roboczych (14).

Proces wytwarzania energii elektrycznej został przedstawiony na rysunkach fig. 4 oraz fig. 5. Komory ciśnieniowe (1) są wypełnione gazem roboczym pod ciśnieniem. Dolne części komór (7) są ogrzewane, natomiast górne części komór (6) są chłodzone. Jeżeli na siłownik (3) w lewej komorze podamy impuls sterujący to siłownik uniesie wypornik (9) do góry. Na rysunku fig. 4 w lewej komorze wypornik (9) znajduje się w jej górnej części, a gaz roboczy w ciepłej części komory, gdzie jest ogrzewany i rośnie jego ciśnienie. W komorze po prawej stronie sytuacja jest odwrotna. Wypornik (9) znajduje się na dole w ciepłej części komory, a gaz w zimnej części, gdzie jest ochładzany i jego ciśnienie maleje. Różnica ciśnień pomiędzy lewą i prawa komorą jest przekazana poprzez otwory zasilające (4) i przewody ciśnieniowe (5) na oba wejścia cylindra tłoków roboczych (14). Ciśnienie działające na lewy tłok roboczy (16) jest większe niż na prawy tłok roboczy (16). Powoduje to przesunięcie tłoczyska w prawą stronę. Razem z tłoczyskiem przesuwają się magnesy trwałe (17) wywołując przepływ prądu w uzwojeniach prądnicy (18).

Jeżeli siłownik w lewej komorze przestanie być zasilany, a impuls sterujący zostanie podany na siłownik w prawej komorze, to wypornik w lewej komorze opadnie, a wypornik w prawej komorze zostanie uniesiony do góry. Oznacza to, że gaz w lewej komorze znajdzie się w jej górnej części i zacznie się ochładzać. Tym samym jego ciśnienie będzie maleć, a w prawej komorze gaz zacznie się ogrzewać i jego ciśnie zacznie rosnąć. Taki układ ciśnień sprawi, że na prawy tłok roboczy (16) będzie działać wyższe ciśnienie niż na lewy tłok roboczy (16). Oznacza to, że tłoczysko wraz z magnesami trwałymi przesunie się w lewą stronę wywołując przepływ prądu w uzwojeniach prądnicy (18). Powtarzając opisane powyżej cykle, urządzenie będzie wytwarzać prąd elektryczny.

Chcąc zwiększyć moc całego układu należy dodawać kolejne komory ciśnieniowe, tak jak to zostało pokazane na rysunku fig. 6.

Kształt komór oraz pasujących do nich wyporników można dobierać w zależności od potrzeb. W kolejnym przykładzie wykonania jest to komora sześciokątna (19), która została przedstawiona na rysunku fig. 7.

W innym przykładzie wykonania komora ma kształt torusa, tak jak na rysunku fig. 8. Komora została podzielona na dwie części - ciepłą (21) i zimną (20). Obie części są oddzielone izolatorem (22) dla zminimalizowania przepływu ciepła pomiędzy częściami komory. Wypornik (23) zajmuje objętość jednej części komory, porusza się krążąc wewnątrz oraz przemieszczając gaz na przemian do ciepłej i zimnej części komory. Wypornik jest sterowany niezależnie od tłoków roboczych. W przypadku komory w kształcie torusa wypornik może być poruszany poprzez cewki nawinięte na korpus torusa lub grawitacyjnie poprzez odpowiednie poruszanie całej obudowy komory ciśnieniowej.

PL 228 084 B1

Wykaz oznaczeń:

1. - komora ciśnieniowa

2. - prądnica liniowa

3. - siłownik

4. - otwór zasilający

5. - przewód ciśnieniowy

6. - część zimna komory ciśnieniowej

7. - część ciepła komory ciśnieniowej

8. - izolator

9. - wypornik

10. - przestrzeń komory wypełniona gazem

11. - rdzeń siłownika

12. - uzwojenie siłownika

13. - korpus siłownika

14. - cylinder tłoków roboczych

15. - komora tłoków roboczych

16. - tłok roboczy

17. - magnes stały

18. - uzwojenie prądnicy liniowej

19. - komora ciśnieniowa sześciokątna

20. - część zimna komory torusowej

21. - część ciepła komory torusowej

22. - izolator wraz z cewką, łączący części komory torusowej

23. - wypornik komory torusowej

Claims (7)

1. Generator energii elektrycznej na bazie silnika Stirlinga, wypełniony gazem roboczym, posiadający komory z częścią ogrzewaną i chłodzoną z umieszczonymi w nich elementami wykonującymi ruchy sprężające i rozprężające ten gaz, znamienny tym, że hermetyczne komory ciśnieniowe (1) oraz umieszczone w nich luźno pasowane wyporniki (9) są połączone przewodem ciśnieniowym (5) z hermetycznym cylindrem tłoków roboczych (14), w którym ciasno pasowane tłoki robocze (16) są osadzone na wspólnym tłoczysku, do którego przymocowane są magnesy stałe (17) oddzielone szczeliną powietrzną od uzwojeń prądnicy (18) połączonych trwale z cylindrem tłoków roboczych (14).

2. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że hermetyczna komora ciśnieniowa (1) składa się z dwóch części ogrzewanej (7) i chłodzonej (6), oddzielonych od siebie warstwą izolacyjną (8).

3. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że wypornik (9) w hermetycznej komorze ciśnieniowej jest połączony z siłownikiem elektromagnetycznym (3) lub siłownikiem hydraulicznym lub siłownikiem pneumatycznym.

4. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że siłownik elektromagnetyczny (3) lub siłownik hydrauliczny lub siłownik pneumatyczny jest zasilany z zewnętrznego źródła o regulowanej częstotliwości.

5. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że tłoki robocze (16) mogą być połączone z prądnicą liniową umieszczoną wewnątrz hermetycznego cylindra (14) lub z prądnicą znajdującą się na zewnątrz cylindra (14).

6. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że otwory zasilające (4) komór ciśnieniowych można ze sobą łączyć przewodami ciśnieniowymi (5) i podłączyć wspólnie do cylindra tłoków roboczych (14).

7. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że komora ciepła (21) połączona z komorą zimną (20) za pomocą izolatora (22) ma kształt torusa z zamkniętym wewnątrz wypornikiem (23).