一種周期通孔腔體往復式熱電轉換裝置的制作方法

本發明屬于太陽能應用技術領域，涉及一種熱電轉換裝置，具體涉及一種周期通孔腔體往復式熱電轉換裝置，可用于太陽能發電系統。

背景技術：

在石化能源危機和環境污染越來越嚴重的今天，清潔、環保、低廉的可再生能源的開發和使用成為當今的熱點，在可持續發展中扮演著越來越重要的作用。其中太陽能發電，作為來源廣泛儲量極大的清潔能源之一，具有極大的價值和廣泛的前景。目前碟式聚光斯特林發電相較于其他幾種太陽能發電如光伏發電，幾乎具有最高的能量轉換效率，適用于大規模及偏遠地區發電，且生產加工過程污染很少，具有良好的前景，但其因結構復雜、功率密度低，成本高，難以進行商業化推廣及廣泛使用。

例如德國的SBP公司開展了30多年的太陽能應用研究，可提供多種匯聚太陽能產品，包括拋物線槽型、拋物面碟型、反射陣列塔型。該公司的新型的EuroDish拋物面碟型聚光太陽能系統，口徑達16米。其斯特林發電機中，25kw的4-95型號重330kg，30kw的NS30A型號重243kg。有著雙作用活塞的斯特林機在實際工作中有著最高的功率密度，即功率/重量比。而目前斯特林電機中功率密度最高為160w/kg，斯特林電機作為核心的熱電轉換裝置，仍難以提高功率密度和降低其高昂的成本。

再如授權公告號為CN 104500262B，名稱為“自由活塞斯特林發電機”的中國專利，公開了一種自由活塞式斯特靈發動機，該自由活塞斯特林發電機采用自由活塞斯特林發動機驅動直線電機而制成。工作氣體在加熱腔體內受熱膨脹，帶動腔內的動力活塞運動，從而驅動直線電機動子運動將機械能轉換為電能、膨脹后的氣體進入壓縮腔內進行被壓縮并冷卻，然后將冷卻后的氣體在該腔內配氣活塞的作用下流入膨脹腔體，從而完成連續的斯特林循環，實現將熱能轉化為機械能。這種發動機具有外燃、閉式循環等特點，但依然具有斯特林發電機普遍的結構復雜、成本高、質量重的缺點，依然難以實現商業化。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出了一種一種周期通孔腔體往復式熱電轉換裝置，旨在簡化熱電轉換裝置的結構，并降低質量和成本。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：

一種周期通孔腔體往復式熱電轉換裝置，包括工作腔體、活塞體、支撐體、直線發電機和回復機構，其中，

所述工作腔體，包括相互連接的膨脹腔體和加熱腔體，所述膨脹腔體，采用頂端封閉的中空圓柱結構，其側壁上設置有排氣孔；所述加熱腔體，采用中空臺狀結構，其上底面中心位置設置有過孔，下底面通過吸熱板封閉，該吸熱板用于收集反射面匯聚的光能，并實現光熱轉換，其中心位置設置有通孔；

所述活塞體，由活塞、第一空心桿和第二空心桿組成，其中第一空心桿的桿壁上設置有進氣孔；

所述支撐體，包括依次連接的上支撐桿、定子套筒、下支撐桿和底座，所述底座的中心位置設置有定位套筒；

所述直線發電機，包括定子和中空的動子；

所述回復機構，包括一個拉簧；

所述工作腔體與支撐體相連，活塞安裝在膨脹腔體的空腔內，定子固定在定子套筒內，第二空心桿穿過動子的中心孔，嵌套在定位套筒上，拉簧套在定位套筒外側，其一端與動子相連，另一端固定在底座上；所述動子通過膨脹腔體側壁上的排氣孔和第一空心桿桿壁的進氣孔的周期性打開，在活塞體和回復機構的帶動下，沿軸向往復運動，實現熱電轉換特性。

一種周期通孔腔體往復式熱電轉換裝置，包括工作腔體、活塞體、支撐體、直線發電機和回復機構，其中，

所述工作腔體，包括相互連接的膨脹腔體和加熱腔體，所述膨脹腔體，采用頂端封閉的中空圓柱結構，且封閉端的中心位置設置有過孔，該中空圓柱結構的側壁上設置有排氣孔；所述加熱腔體，采用中空臺狀結構，其上底面中心位置設置有過孔，下底面通過吸熱板封閉，該吸熱板用于收集反射面匯聚的光能，并實現光熱轉換，其中心位置設置有通孔；

所述活塞體，由活塞、連通的第一空心桿和末端封閉的第二空心桿組成，其中活塞的中心位置設有中心柱通過的過孔，第一空心桿的桿壁上設置有第一進氣孔，第二空心桿的桿壁上設置有第二進氣孔，且封閉的末端中心設有中心柱通過的過孔；

所述支撐體，包括依次連接的上支撐桿、定子套筒、下支撐桿和底座及中心柱，所述底座的中心位置設置有過孔；

所述直線發電機，包括定子和中空的動子；

所述回復機構，包括多個拉簧；

所述工作腔體與支撐體相連，活塞安裝在膨脹腔體的空腔內，定子固定在定子套筒內，中心柱穿過活塞體，兩端分別固定在膨脹腔體密封端的過孔和底座的過孔上，多個拉簧一端與動子相連，另一端固定在底座上；所述動子通過膨脹腔體側壁上排氣孔和第一空心桿的桿壁的進氣孔的周期性打開，在活塞體和回復機構的帶動下，沿軸向往復運動，實現熱電轉換特性。

上述的周期開孔腔體往復式熱電轉換裝置，所述吸熱板，采用導熱性的剛性材料，其下表面覆有光熱材料。

上述的周期開孔腔體往復式熱電轉換裝置，所述膨脹腔體，其內腔的直徑與活塞的直徑尺寸相等。

上述的周期開孔腔體往復式熱電轉換裝置,所述排氣孔，其位置靠近膨脹腔體的頂端。

上述的周期開孔腔體往復式熱電轉換裝置，所述進氣孔，其中心到活塞下端面的距離與吸熱板上表面到排氣孔上沿的距離相等。

上述的周期開孔腔體往復式熱電轉換裝置，所述第一進氣孔，其下沿到活塞下端面的距離與吸熱板上表面到排氣孔上沿的距離相等。

本發明與現有技術相比，具有如下優點：

1.本發明由于膨脹腔體的側壁上設置有排氣孔，活塞體的空心桿的桿壁上設置有進氣孔，活塞體的往復運動使排氣孔和進氣孔呈周期性打開從而進行換氣，只有一個活塞進行往復運動，不需冷卻部件，降低了結構復雜度，減輕了結構質量，從而提高了裝置的功率密度。

2.本發明采用空氣作為循環工質，工作腔內空氣與外界大氣自然對流循環，降低了密封要求，結構簡單，易于輕量化設計，從而降低了應用成本。

3.本發明由于回復機構采用拉簧，易于控制和調整，并且提升了活塞體工作行程，從而提高了直線電機的工作效率。

附圖說明

圖1是本發明適用的太陽能發電系統的結構示意圖；

圖2為本發明第一實施例的整體結構示意圖；

圖3為本發明第一實施例的活塞體結構示意圖；

圖4為本發明第一實施例的工作原理圖；

圖5為本發明第二實施例的整體結構示意圖；

圖6為本發明第二實施例的活塞體結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步詳細說明：

參照圖1，太陽能發電系統包括太陽跟蹤定位系統、反射面以及熱電轉換裝置。安裝在地面上的太陽跟蹤定位系統支撐展開的反射面，使該反射面軸線指向太陽，熱電轉換裝置安裝在反射面中心柱上且位于反射面焦點處，從而將匯聚的太陽能通過熱電轉換裝置轉換為電能。

實施例1：

參照圖2：本實例包括工作腔體1、活塞體2、支撐體3、直線發電機4和回復機構5。

工作腔體1，包括相互連通的膨脹腔體12和加熱腔體13，采用鋁合金材料，具有耐高溫、導熱性好、密度小特性，膨脹腔體12，采用頂端封閉的中空圓柱結構，其側壁上設置有2個以上中心對稱分布的排氣孔11；加熱腔體13，采用中空臺狀結構，其上底面中心位置設置有與膨脹腔體13連通的過孔，下底面通過吸熱板14封閉，該吸熱板14用于收集反射面匯聚的光能，并實現光熱轉換，其中心位置設置有第一空心桿22穿過的通孔；支撐體3采用鋁合金材料，包括上支撐桿31、定子套筒32、下支撐桿33、底座35、底座35的中心位置設置有定位套筒34，底座35為法蘭盤；直線發電機4，包括定子41和動子42，選用效率較高、功率密度大的圓筒稀土永磁直線發電機；回復機構5，包含一個拉簧51和帶有拉簧卡槽的擋環；

活塞體2的結構如圖3所示，由活塞21、第一空心桿22、進氣孔23及第二空心桿24組成，第一空心桿23桿壁上設有2個以上中心對稱分布的進氣孔23其中心到活塞21下端面的距離與吸熱板14上表面到排氣孔11上沿的距離相等，采用鋁合金材料，在保證剛度的同時盡可能降低質量。

膨脹腔體12與加熱腔體13之間設有密封圈并用螺栓連接，加熱腔體13與吸熱板14之間設有密封圈并用螺栓連接，上支撐桿31為2個以上中心對稱分布的鋁條，其一端用螺栓連接吸熱板14，另一端用螺栓連接定子套筒32，下支撐桿33也為2個以上中心對稱分布的鋁條，其一端用螺栓連接定子套筒32，另一端用螺栓連接底座35，活塞21安裝在膨脹腔體12的空腔內，第一空心桿22穿過吸熱板14中心孔并安裝密封圈，定子41安裝在定子套筒32內，第二空心桿24穿過動子42的中心孔，動子42一端與第一空心桿22和第二空心桿24的交接處對齊，另一端與套在第二空心桿24上的擋環對齊并固定，第二空心桿24末端的內壁嵌套在定位套筒34外壁上，該定位套筒34可承受來自活塞體2和動子42的徑向力，確保活塞體2沿軸向運動，使該裝置在不同方位工況下工作，單拉簧51套在定位套筒34外側，其一端與回復機構5的擋環通過拉簧卡槽相連，另一端通過底座35的拉簧卡槽固定在底座35上，動子42通過活塞體2和回復機構5的帶動，實現沿軸向的往復運動。

參照圖4，本發明的工作過程為：

圖4(a)為活塞體2位于下止點時的狀態，此時工作腔體1為封閉狀態，拉簧51的回復力最小。

圖4(b)為活塞體2從下止點向上止點運動時的狀態，此時工作腔體1為封閉狀態，吸熱板14將吸收的熱量傳遞至加熱腔13內空氣，空氣膨脹做功，推動膨脹腔12內的活塞21運動，從而帶活塞體2上安裝的動子42運動，切割磁感線進而發電，此過程拉簧51回復力逐漸增大。

圖4(c)為活塞體2位于上止點時的狀態，此時活塞21下底面位于排氣孔11的上沿上方，外界大氣通過排氣孔11與膨脹腔體12內部連通，腔內熱氣排出至外界大氣，此時以吸熱板14為分界面，進氣孔23上半部分與加熱腔體13連通，下半部分與外界大氣連通，從而使外界冷空氣進入加熱腔體13，拉簧51回復力最大，完成一次換氣。

圖4(d)為活塞體2從上止點向下止點運動時的狀態，此時工作腔體1為封閉狀態，活塞體2在回復機構5的作用下向下止點運動，冷空氣在加熱腔體13內持續加熱，拉簧51回復力逐漸減小，切割磁感線進而發電，當活塞體2運動到下止點位置，完成一次循環。

實施例2：

本實例與實施例1相比，對工作腔體1、活塞體2、支撐體3和回復機構5的結構進行了改進。

參照圖5，工作腔體1，包括相互連通的膨脹腔體12和加熱腔體13，采用鋁合金材料，具有耐高溫、導熱性好、密度小、熱輻射率低的特性，膨脹腔體12采用中空圓柱結構，其頂端設置有支撐中心柱36的過孔，側壁上設置有排氣孔11；加熱腔體13，采用中空臺狀結構，其上底面中心位置設置有與膨脹腔體13連通的過孔，下底面通過吸熱板14封閉，該吸熱板14用于收集反射面匯聚的光能，并實現光熱轉換，其中心位置設置有第一空心桿22穿過的通孔；支撐體3采用鋁合金材料，包括上支撐桿31、定子套筒32、下支撐桿33、中心柱36、底座35，其中底座35為法蘭盤；直線發電機4，包括定子41和動子42，選用效率較高、功率密度大的圓筒稀土永磁直線發電機；回復機構5，包含2個以上拉簧51和帶有2個以上拉簧鉤的擋環；

活塞體2的結構如圖6所示，活塞體2由活塞21、活塞端面中心柱孔22、第一空心桿23、第一進氣孔24、第二空心桿25、第二進氣孔26、第二空心桿中心柱孔27組成，第一空心桿23的直徑大于第二空心桿25的直徑，且相互連通，第一進氣孔24下沿到活塞21下端面的距離與吸熱板14上表面到排氣孔11上沿的距離相等，采用鋁合金材料。

膨脹腔體12與加熱腔體13之間設有密封圈并用螺栓連接，加熱腔體13與吸熱板14之間設有密封圈并用螺栓連接，上支撐桿31為2個以上中心對稱分布的鋁條，其一端用螺栓連接吸熱板14，另一端用螺栓連接定子套筒32，下支撐桿33也為2個以上中心對稱分布的鋁條，其一端用螺栓連接定子套筒32，另一端用螺栓連接底座35，活塞21安裝在膨脹腔體12的空腔內，第一空心桿23與吸熱板14中心孔安裝有密封圈，定子41安裝在定子套筒32內，動子42一端與第一空心桿23和第二空心桿25的交接處對齊，另一端與套在第二空心桿25回復機構5的擋環對齊并固定，第二空心桿25的長度足夠且安裝后的動子42不遮擋第二進氣孔26，中心柱36依次穿過底座35的中心柱孔、第二空心桿中心柱孔26、活塞端面中心柱孔22、膨脹腔體12頂端的中心柱孔，且中心柱36的擋板與底座35的端面對齊，且在膨脹腔體12頂端面伸出的部分用螺栓固定，中心柱36可承受來自活塞體2和動子42的徑向力，確保活塞體2沿軸向運動，2個以上拉簧圍繞中心對稱分布，底座35為設有一個以上拉簧鉤的法蘭盤，3個拉簧51一端與回復機構5的擋環通過拉簧鉤相連，另一端通過底座35的拉簧鉤固定；動子42通過活塞體2和回復機構5的帶動，實現沿軸向的往復運動。

本實施例的工作過程與實施例1基本相同，不同之處在于活塞體2位于上止點進氣時，第一進氣孔24的下沿與吸熱板14上表面對齊，完全沒入加熱腔體13內，外界冷空氣依次經過第二進氣孔26、第二空心桿25、第一空心桿23和第一進氣孔24進入加熱腔體13內，而第二進氣孔26始終與外界大氣連通，使進氣孔附近的冷空氣盡可能遠離溫度較高的吸熱板14，減少冷空氣在進入加熱腔13前吸收較多熱量，從而提高熱電轉換效率。

以上所描述的具體實施例僅僅是對本發明的舉例說明，并不構成對本發明的限制，在不背離本發明原理的情況下，進行形式或細節上的各種修改和改變，仍在本發明的權利要求保護范圍之內。