一种斯特林温差发电机构[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 104539195 A (43)申请公布日(43)申请公布日 2015.04.22

(21)申请号 201510029395.2(22)申请日 2015.01.21

(71)申请人北京航空航天大学

地址100191 北京市海淀区学院路37号(72)发明人许未晴 王佳 蔡茂林 石岩(51)Int.Cl.

H02N 11/00(2006.01)

权利要求书1页 说明书3页 附图1页

(54)发明名称

一种斯特林温差发电机构(57)摘要

本发明是一种斯特林温差发电机构，属于能源领域，主要面向温差发电，可以实现对低温差余热或余冷的利用。基于朗肯循环的蒸汽机利用水气化过程产生的高压水蒸汽推动汽轮机做功，将热能转化为电能，通常用于400～600℃工业余热的回收。对低于200℃的余热，采用沸点低于水的有机工质，即有机郎肯循环余热发电技术，但其涉及到有机工质的相变等复杂的热力过程，系统结构复杂，成本高，目前在国内还未广泛应用。本发明以传统斯特林发动机为基础，提出了增加导热材料的配气活塞新结构，改善了工作气体与余热或余冷储存工质的换热效率，实现对低于200℃温差的余热或余冷进行回收。避免了采用有机工质相变而带来的结构复杂成本高的问题。

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权 利 要 求 书

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1.一种斯特林温差发电机构，其特征在于：由飞轮(1)、动力缸(3)、储液配气缸(4)和配气活塞(2)组成，动力缸(3)连接与配气活塞(2)配合的储液配气缸(4)，动力缸(3)与储液配气缸(4)连通，动力缸(3)的缸壁开有排气孔(12)，动力活塞(5)与配气活塞(2)存在一定的相位差，分别通过动力连杆(11)及配气连杆(10)与飞轮(1)连接，配气活塞(2)由回热器(9)，隔热片(6)，隔热片(7)和导热器(8)组成，随着配气连杆的动作，四个组件一齐上下运动。

2.权利要求1所述的回热器(9)，其特征在于：放置在隔热片(6)和隔热片(7)之间，内部填充蓄冷或蓄热介质。

3.权利要求1所述的隔热片(6)和(7)，其特征在于：放置在回热器(9)上下两侧，由隔热材料制成，阻隔回热器与导热器的热量传递，保持回热器内部温度，其轴向分布有均匀小孔，作为工作气体流动路径。

4.权利要求1所述的导热器(8)，其特征在于：放置在隔热片(7)下侧，由多孔导热材料组成，插入储液配气缸(4)中工质液面之下。

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CN 104539195 A

说 明 书

一种斯特林温差发电机构

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技术领域：

[0001] 本发明属于压缩空气能量存储与利用领域，涉及液态空气储能系统的热功转换系统。

背景技术：

[0002] 我国工业领域能源消耗量约占全国能源消耗总量的70％，主要工业产品单位能耗平均比国际先进水平高出30％左右。我国能源利用率仅为33％左右，比发达国家低约10％。至少50％的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。[0003] 按照温度范围分类：[0004] 高温余热：600℃以上；[0005] 中温余热：300～600℃；[0006] 低温余热：300℃以下。[0007] 按照余热来源分类：[0008] (1)烟气余热：热量大，温度分布范围宽，占工业余热资源总量的50％以上，分布广泛。

[0009] 如冶金、化工、建材、机械、电力等行业，各种冶炼炉、加热炉、内燃机和锅炉的排气排烟。

[0010] 而且有些工业窑炉的烟气余热量甚至高达炉窑本身燃料消耗量的30％～60％，节能潜力大，是余热利用的主要对象。[0011] (2)冷却介质余热：是指在工业生产中为了保护高温生产设备或满足工艺流程冷却要求，空气、水和油等冷却介质带走的余热，多属于中低温余热，余热量占工业余热资源总量的20％。

[0012] (3)废水废汽余热：属于低品位的蒸汽或凝结水余热，约占余热资源总量的10％～16％；

[0013] (4)化学反应余热：占余热资源总量的10％以下，主要存在于化工行业；[0014] 按照余热用途分类：[0015] (1)热交换技术：适用于各种温度水平的余热回收。是余热回收中最直接、效率较高的经济方法。但其只能对余热进行热利用，用途受到限制。[0016] (2)热功转换技术：将余热能量转换为机械能并以机械功的形式输出，提高余热的品位。热功转换技术按照工质分类又可分为以水为工质的发电技术和基于低沸点工质的有机工质发电技术。其中，基于低沸点工质的发电技术(ORC)采用经济可行的有机郎肯循环余热发电技术对工业中大量废弃的200℃及其以下的低温余热进行利用，并以推广至其他低品位能源。

(3)制冷技术：将余热能量作为热力驱动能量，将制冷对象的热量从向高温环境

搬运。基于吸收器的制冷技术适用于80-250℃的低温热源，COP小于2；基于吸附器的制冷技术适用于大于50℃范围的低温热源，COP小于0.7。

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说 明 书

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(4)热泵技术：将电能作为热力驱动能量，将“余热+电能转换热”搬运到高温供暖对象。多采用30-60℃的废热，COP为3-5。

[0019] 对于热功转换技术采用有机工质郎肯循环，涉及到有机工质的相变等复杂的热力过程，系统结构复杂，成本高，目前在国内还未广泛应用。本发明提出一种基于斯特林热机的低温差发电机构，适用于低温差余热或余冷的有效能回收，具有广泛的应用前景。发明内容

本发明的目的：

[0021] 提出一种适用于低温差发电的技术。[0022] 本发明的优点：[0023] 对温差的要求低，可以低于200摄氏度，结构简单成本低。

[0020]

附图说明

图1是斯特林温差发电机构原理图[0025] 1.飞轮，2.配气活塞，3.动力缸，4.储液配气缸，5.动力活塞，6.隔热片，7.隔热片，8.导热器，9.回热器，10.配气连杆，11.动力连杆，12.排气孔[0026] 本发明的技术方案：[0027] 由飞轮(1)、动力缸(3)、储液配气缸(4)和配气活塞(2)组成，动力缸(3)连接与配气活塞(2)配合的储液配气缸(4)，动力缸(3)与储液配气缸(4)连通，动力缸(3)的缸壁开有排气孔(12)，动力活塞(5)与配气活塞(2)存在一定的相位差，分别通过动力连杆(11)及配气连杆(10)与飞轮(1)连接，配气活塞(2)由回热器(9)，隔热片(6)，隔热片(7)和导热器(8)组成，随着配气连杆的动作，四个组件一齐上下运动。[0028] 回热器(9)：放置在隔热片(6)和隔热片(7)之间，内部填充蓄冷或蓄热介质。[0029] 隔热片(6)、(7)：放置在回热器(9)上下两侧，由隔热材料制成，阻隔回热器与导热器的热量传递，保持回热器内部温度，其轴向分布有均匀小孔，作为工作气体流动路径。[0030] 导热器(8)：放置在隔热片(7)下侧，由多孔导热材料组成，插入储液配气缸(4)中工质液面之下。

[0024]

具体实施方式：

[0031] 储液配气缸(4)中工质的温度可以是高于或者低于环境温度，工质可以发生相变或者不发生相变。

[0032] 1.当工质的温度低于环境温度

[0033] 动力活塞(5)相位超前于配气活塞(2)。[0034] 当动力活塞(5)向下运动时，动力缸(3)压力上升，气体进入储液配气缸(4)上腔，同时配气活塞(2)向上运动，配气缸(4)上腔气体依次通过隔热片(6)、回热器(9)和隔热片(7)上分布的轴向小孔，进入配气缸(4)下腔。气体经过回热器(9)时，回热器(9)内置的蓄冷介质通过换热对气体进行冷却。气体进入配气缸(4)下腔后，通过导热器(8)与配气储液罐(4)内液体工质进行换热，气体温度下降，液体工质温度上升(若液体工质处于相变温度，则发生气化)。

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说 明 书

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当动力活塞(5)向上运动时，动力缸(3)压力下降，储液配气缸(4)上腔的气体回流至动力缸(3)，同时配气活塞(2)向下运动，配气缸(4)下腔气体依次通过隔热片(7)、回热器(9)和隔热片(6)上分布的轴向小孔，进入配气缸(4)上腔。气体经过回热器(9)时，回热器(9)内置的蓄冷介质通过换热对气体中的冷量进行存储。[0036] 当动力活塞(5)向上运动至排气孔(12)位置时，进入排气过程，动力活塞(5)运动至最上端后向下运动至排气孔(12)位置时，排气过程结束，完成一个工作循环。[0037] 2.当工质的温度高于环境温度

[0038] 动力活塞(5)相位滞后于配气活塞(2)。[0039] 当配气活塞(2)向下运动时，配气缸(4)下腔气体依次通过隔热片(7)、回热器(9)和隔热片(6)上分布的轴向小孔，进入配气缸(4)上腔。气体经过回热器(9)时，回热器(9)内置的蓄热介质通过换热对气体中热量进行存储。同时动力活塞(5)向下运动，动力缸(3)压力上升，气体进入储液配气缸(4)上腔。[0040] 配气活塞(2)向上运动，配气缸(4)上腔气体依次通过隔热片(6)、回热器(9)和隔热片(7)上分布的轴向小孔，进入配气缸(4)下腔。气体经过回热器(9)时，回热器(9)内置的蓄热介质通过换热对气体进行加热。气体进入配气缸(4)下腔后，通过导热器(8)与配气储液罐(4)内液体工质进行换热，气体温度上升，液体工质温度下降。同时动力活塞(5)向上运动，动力缸(3)压力下降。完成一个工作循环。

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CN 104539195 A

说 明 书 附 图

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图1

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