[发明专利]一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统及其工作方法

说明书

本发明公开了一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，由斯特林原动机、斯特林制冷机、直线发电机三部分组成；斯特林原动机与斯特林制冷机通过共用的压缩腔耦合在一起，并经动力活塞与直线发电机相连接；工质在斯特林原动机循环中从外界高温热源吸收热量，并将热能转化为动能；工质在斯特林制冷机循环中从外界中低温环境吸收热量，达到制冷效果；动力活塞带动直线发电机进行发电，将动能转化为电能。本发明的优点在于：动力装置、制冷装置和发电装置集成化，结构紧凑，减少中间机械传递环节，能量利用率高；系统完全气密无泄漏，震动和噪声小；绿色环保，可利用热源广泛，制冷温度范围宽。

技术领域

本发明涉及一种斯特林发动机系统，特别是一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统。

背景技术

斯特林发动机是一种外部供热的活塞式发动机，以气体作为工质并按闭式循环的方式进行工作。工质在发动机内部往复运动，经过一系列膨胀与压缩过程将热能转化为机械能。斯特林发动机吸收的热能来源广泛，无论是液态的、气态或固态的燃料，当采用载热系统间接加热时，几乎可以使用任何高温热源，如生物质能、核热、太阳能、工业废热等。此外，斯特林发动机中密闭循环的工质与大气隔绝，使得其工作性能不受环境压力的影响，即使在高海拔地区和航天领域仍然适用。

斯特林制冷机是斯特林循环的逆向应用，由于系统采用氢气、氦气等气体作为工质，相比于传统的制冷机减少了对臭氧层的破坏，因此斯特林制冷机是一种绿色环保制冷机。此外，斯特林循环不涉及相变，制冷温度不受限于压力水平，能够自由选择，温度选择范围大。

在一些特殊的工作环境，如钢铁厂、液化天然气运输等，既有可回收的工业废热，同时又需对液氮和液化天然气进行低温保存。通过自由活塞斯特林发动机将斯特林原动机和制冷机耦合在一起，利用高温热源加热气体工质，推动活塞运动以实现制冷循环而获得冷量。相比于传统制冷机利用高品位电能进行制冷，自由活塞斯特林原动机与制冷机的耦合系统能够有效提高对低品位能源的利用效率。同时，自由活塞斯特林发动机省去了曲柄连杆和机械飞轮等传动结构，取而代之的是动力活塞与配气活塞的传动结构，活塞之间没有机械上的联系，原动机与制冷机对称放置以减小震动。此外，将配气活塞杆与直线发电机相连接，可将活塞运动产生的机械能转化为电能。整套装置具有结构紧凑、寿命长、效率高等诸多优点。

发明内容

发明目的：

本发明的目的是针对现有斯特林发动机在同时发电和制冷时存在的困难，提供一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统。该系统中斯特林原动机和制冷机的压缩过程在同一腔室内进行，结构紧凑、绿色环保、工作范围广范。

技术方案：

一种基于自由活塞斯特林发动机的冷电联产系统，包括斯特林原动机、斯特林制冷机、直线发电机；斯特林原动机与斯特林制冷机通过共用的压缩腔耦合在一起，并与直线发电机相连接进行发电；所述斯特林原动机包含第一膨胀腔、第一加热器、第一回热器、第一冷却器、第一配气活塞、第一支撑弹簧、第一支撑底座、第一压缩腔、动力活塞；第一膨胀腔外部为高温环境，所述第一膨胀腔位于装置左侧；所述第一加热器、第一回热器、第一冷却器均为环形结构，并沿横向依次布置；所述第一膨胀腔、第一加热器、第一回热器、第一冷却器、第一压缩腔之间依次连通；所述第一配气活塞的右侧与第一支撑弹簧相连接；第一支撑弹簧的右侧与第一支撑底座相连接，并且都位于第一压缩腔内部，避免高温环境对其性能的影响；所述第一支撑底座开有第一连通孔，以保证被底座隔开的压缩腔内部相互连通；第一支撑弹簧用来提供第一配气活塞往复运动所需的回复力；