发电装置及系统

1.本发明涉及发电设备技术领域，尤其涉及一种发电装置及系统。


背景技术：

2.理想的布雷顿循环主要由绝热压缩过程、定压加热过程、绝热膨胀过程和定压放热过程这四个可逆过程组成的理想循环。现有的布雷顿循环热机主要采用的是离心式和轴流式的压气机，对于氦工质而言，单级压气机不易获得较大压比，与此同时，燃气轮机的实际循环中存在各种不可逆性，制约了发动机的效率和可靠性。


技术实现要素：

3.本发明提供一种发电装置及系统，用以解决现有技术中单级压气机难以获得较大压比的技术问题，同时保证了系统的高效率和长寿命。
4.本发明提供一种发电装置，包括：
5.机壳，其内部设置有活塞，所述活塞将机壳内部的空腔分隔为膨胀腔、背腔和压缩腔；
6.发电机定子，设置于所述背腔内；
7.发电机动子，在所述背腔内与所述活塞相连，活塞用于驱动所述发电机动子往复运动形成交变磁场；
8.第一管路，设有加热机构，所述第一管路的第一端与所述压缩腔的出气孔相连通，所述第一管路的第二端与所述膨胀腔的回气孔相连通；
9.第二管路，设有冷却机构，所述第二管路的第一端与所述压缩腔的进气孔相连通，所述第二管路的第二端与所述膨胀腔的排气孔相连通。
10.根据本发明提供一种的发电装置，所述膨胀腔内设有隔热单元，所述隔热单元与所述活塞的第一端相连。
11.根据本发明提供的一种发电装置，所述隔热单元为圆筒结构，且所述隔热单元沿所述机壳的轴向设置。
12.根据本发明提供的一种发电装置，所述第一管路设有第一单向阀，所述第一单向阀的入口端通过所述第一管路与所述压缩腔的出气孔相连通，所述第一单向阀的出口端通过所述第一管路与所述膨胀腔的回气孔相连通；
13.所述第二管路设有第二单向阀，所述第二单向阀的入口端通过所述第二管路与所述膨胀腔的排气孔相连通，所述第二单向阀的出口端通过所述第二管路与所述压缩腔的进气孔相连通。
14.根据本发明提供的一种发电装置，所述第一单向阀设置为两个，其中一个所述第一单向阀设置于所述第一管路上靠近所述压缩腔的出气孔的位置，另一个所述第一单向阀设置于所述第一管路上靠近所述膨胀腔的回气孔的位置；
15.所述第二单向阀设置为两个，其中一个所述第二单向阀设置于所述第二管路上靠
近所述压缩腔的进气孔的位置，另一个所述第二单向阀设置于所述第二管路上靠近所述膨胀腔的排气孔的位置。
16.根据本发明提供的一种发电装置，所述发动机定子包括内定子和外定子，所述内定子套设于所述活塞的外部，所述发电机动子套设于所述内定子的外部，所述外定子套设于所述发电机动子的外部。
17.根据本发明提供的一种发电装置，所述发电机动子包括相互连接的工作部和连接部，所述工作部套设于所述内定子的外部，所述连接部与所述活塞的表面相连。
18.根据本发明提供的一种发电装置，所述加热机构为核反应堆。
19.根据本发明提供的一种发电装置，还包括：回热单元，所述回热单元内置第一通道和第二通道，所述第一通道与所述第一管路在位于所述加热机构前侧的位置相连通，所述第二通道与所述第二管路在位于所述冷却机构前侧的位置相连通。
20.本发明还提供一种发电系统，包括至少两个前述的发电装置，其中，至少两个所述发电装置对置设置，且至少两个所述发电装置共用一个所述加热机构。
21.本发明实施例提供的发电装置及系统，工质气体在压缩腔内通过活塞进行绝热压缩后形成低温高压工质气体，低温高压工质气体沿第一管路中流通时可以通过加热机构进行定压加热，以形成高温高压工质气体，高温高压工质气体再流入到膨胀腔内经过绝热膨胀过程来推动活塞做功，所做的一部分功用于使活塞持续地进行前述压缩过程，另一部分功用于使活塞带动发电机动子不断往复运动以使发电机定子进行发电，膨胀后的低压工质气体通过第二管路上的冷却机构进行定压放热后重新回到压缩腔内，从而完成整个循环工作，上述方式采用具有活塞机构的容积式压气结构，可以在较低的工作温度以及平均压力较小的情况下产生较大的压比，从而提高整个循环的效率，且活塞为自由活塞结构，可以使运行过程中产生较小的侧向摩擦损失，上述方案为机电一体化结构，将发动机结构和发电机构设计为一个整体，发动机结构输出的功可以直接供给发电机结构并产生电力输出，同时本发电装置结构紧凑，尤其适用于中小功率机型，由于单级压比较大，可以保证很好的发动机效率。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1是本发明提供的发电装置的结构示意图；
24.图2是本发明提供的发电系统的结构示意图。
25.附图标记：
26.1、机壳；2、膨胀腔；3、背腔；4、压缩腔；5、活塞；6、第一管路；7、第二管路；8、加热机构；9、冷却机构；10、隔热单元；11、第一单向阀；12、第二单向阀；13、内定子；14、外定子；15、工作部；16、连接部；17、回热单元。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
28.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
30.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
31.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
32.下面结合图1-图2描述本发明的发电装置，该发电装置包括机壳1、活塞5、发电机定子、发电机动子、第一管路6以及第二管路7，其中，机壳1内部中空，活塞5设置于机壳1内部的空腔内，并且活塞5将机壳1内部的空腔分为膨胀腔2、背腔3和压缩腔4(以图1的视角而言，从左至右的顺序依次形成膨胀腔2、背腔3和压缩腔4)，活塞5能沿机壳1内部空腔的轴向自由滑动，以使膨胀腔2和压缩腔4的腔体大小进行改变，从而实现工质气体的膨胀和压缩，发电机定子固定安装于背腔3内，发电机动子在背腔3内与活塞5相连，用于通过活塞5的往复运动带动发电机动子进行来回往复运动，从而形成交变磁场，在第一管路6上设置有加热机构8，第一管路6的第一端与压缩腔4的出气孔相连通，第一管路6的第二端与膨胀腔2的回气孔相连通，在第二管路7上设置有冷却机构9，第二管路7的第一端与压缩腔4的进气孔相连通，第二管路7的第二端与膨胀腔2的排气孔相连通。
33.在本实施例中，工质气体在压缩腔4内通过活塞5进行绝热压缩后形成低温高压工质气体，低温高压工质气体沿第一管路6中流通时可以通过加热机构8进行定压加热，以形成高温高压工质气体，高温高压工质气体再流入到膨胀腔2内经过绝热膨胀过程来推动活
塞5做功，所做的一部分功用于使活塞5持续地进行前述压缩过程，另一部分功用于使活塞5带动发电机动子不断往复运动以使发电机定子进行发电，膨胀后的低压工质气体通过第二管路7上的冷却机构9进行定压放热后重新回到压缩腔4内，从而完成整个循环工作。
34.上述方式采用具有活塞机构的容积式压气结构，可以在较低的工作温度以及平均压力较小的情况下产生较大的压比，从而提高整个循环的效率，且活塞5为自由活塞结构，可以使运行过程中产生较小的侧向摩擦损失，上述方案为机电一体化结构，将发动机结构和发电机构设计为一个整体，发动机结构输出的功可以直接供给发电机结构并产生电力输出，同时本发电装置结构紧凑，尤其适用于中小功率机型，由于单级压比较大，可以保证很好的发动机效率。
35.可以理解的是，膨胀腔2和活塞5相互配合可以形成膨胀机结构，活塞5和压缩腔4相互配合可以形成压气机结构，发电机动子、发电机定子和背腔3相互配合可以形成发电机结构，第一管路6、第二管路7、加热机构8和冷却机构9相互配合可以形成外部气路结构，通过膨胀机结构可以使高温高压工质气体进行膨胀做功，从而推动活塞5运动，通过压气机结构可以使低温低压工质气体进行压缩，从而形成低温高压工质气体，通过发电机结构可以使发电机动子的磁铁进行往复运动，从而产生交变磁场，以在发电机定子的线圈内产生可以输出的电流，通过外部气路结构上的加热机构8和冷却机构9可以使工质气体进行定压加热和定压放热。
36.根据前述的工作原理，工质气体的流动方向为：压缩腔4-第一管路6-膨胀腔2-第二管路7-压缩腔4，从而完成工质气体的循环，以实现布雷顿循环。其中，工质气体可以采用氦气，此时，氦气一方面作为工质气体，另一方面作为传热介质。
37.其中，加热机构8为核反应堆，前述的氦气作为工质气体一方面可以具有良好的换热性能，另一方面氦气作为工质气体还可以直接通过核反应堆进行加热，不需要通入二次流体，也不需要设置热管等结构。
38.如图1所示，本发明提供的发电装置还包括回热单元17，其中，在回热单元17内设置有第一通道和第二通道，第一通道与第一管路6在位于加热机构8前侧的位置相连通，第二通道与第二管路7在位于冷却机构9前侧的位置相连通。前侧是以工质气体的流动方向作为参照，沿工质气体的流动方向，设置于第一管路6上的回热单元17位于加热机构8的前侧，沿工质气体的流动方向，设置于第二管路7上的回热单元17位于冷却机构9的前侧。
39.可以理解的是，高温高压的工质气体在膨胀腔2内膨胀做功后还保存着一部分的热量，将该部分具有热量的工质气体在回流的过程中经过回热单元17，便可使具有热量的工质气体对从压缩腔4内流出的高压工质气体进行预热，从而保证热量的充分利用。其中，回热单元17内的第一通道和第二通道之间可以进行导热，从而实现热量的传递以对从压缩腔4流出的高压工质气体进行预热。
40.根据本发明提供的发电装置，在膨胀腔2内设置有隔热单元10，其中，隔热单元10与活塞5的第一端相连，设置隔热单元10能更好的实现高温高压工质气体在膨胀腔2内的绝热膨胀，避免热量传递至背腔3和压缩腔4内。其中，隔热单元10为圆筒结构，且隔热单元10沿机壳1的轴向设置，采用圆筒结构的隔热单元10可以使活塞5间隙处的温度梯度减小，进一步减小高温窜气所造成的损失。
41.其中，在第一管路6上设置有第一单向阀11，第一单向阀11的入口端通过第一管路
6与压缩腔4的出气孔相连通，第一单向阀11的出口端通过第一管路6与膨胀腔2的回气孔相连通，第一单向阀11用于使工质气体沿压缩腔4至膨胀腔2的方向流动，在第二管路7上设置有第二单向阀12，第二单向阀12的入口端通过第二管路7与膨胀腔2的排气孔相连通，第二单向阀12的出口端通过第二管路7与压缩腔4的进气孔相连通，第二单向阀12用于使工质气体沿膨胀腔2至压缩腔4的方向流动，第一单向阀11和第二单向阀12的设置可以确保工质气体的流动方向，避免工质气体出现反向流动的现象而无法完成循环。
42.具体的，第一单向阀11和第二单向阀12均可以设置为两个，其中一个第一单向阀11设置于第一管路6上靠近压缩腔4的出气孔的位置，另一个第一单向阀11设置于第一管路6上靠近膨胀腔2的回气孔的位置，其中一个第二单向阀12设置于第二管路7上靠近压缩腔4的进气孔的位置，另一个第二单向阀12设置于第二管路7上靠近膨胀腔2的排气孔的位置。
43.活塞5一方面用于对压缩腔4内的工质气体进行压缩，另一方面还能带动发电机动子运动，活塞5的动力来源为高温高压工质气体在膨胀腔2内的膨胀，也即，活塞5两端的气体流动方向必须得以控制才能完成整个循环，将机壳1内部的膨胀腔2和压缩腔4的各个进出口进行单向设置，才能确保气流正向流动。
44.如图1所示，根据本发明提供的发电装置，发电机定子包括内定子13和外定子14，其中，内定子13套设于活塞5的外部，发电机动子套设于内定子13的外部，外定子14套设于发电机动子的外部，在发电机动子进行往复运动时，发电机动子便可在内定子13和外定子14之间形成交变磁场，从而使定子线圈内产生可以输出的电流。
45.其中，发电机动子包括相互连接的工作部15和连接部16，其中，工作部15用于套接在内定子13和外定子14之间，连接部16用于连接工作部15和活塞5，可以理解的是，发电机动子上的磁铁设置于工作部15。
46.本发明提供的发电装置的运行流程为：低温低压的氦气通过活塞5在压缩腔4内进行绝热压缩后形成低温高压的氦气，被压缩后的低温高压氦气通过第一单向阀11进入第一管路6，并在第一管路6中通过回热单元17进行预热，预热后的氦气进入核反应堆中进行定压加热形成高温高压氦气，高温高压的氦气通过第一单向阀11流入到膨胀腔2内进行绝热膨胀过程，在绝热膨胀过程中推动隔热单元10和活塞5做功，一部分功用于使活塞5继续压缩低温低压的氦气，另一部分用于使发电机动子进行往复运动，以使发电机动子的磁铁形成交变磁场，电机定子的线圈便能输出电流，在高温高压氦气进行绝热膨胀后会形成带有温度的低压氦气，该带有温度的低压氦气在经过回热单元17时便可在回热单元17内对流经第一通道的低温高压氦气进行预热，在余热得到充分利用后，通过冷却机构9对氦气进行定压降温然后通过第二管路7、第二单向阀12流回到压缩腔4内，此时便可完成整个循环过程。
47.采用上述循环方式至少具有以下优点：
48.1、采用了活塞结构的容积式压气机结构，与传统的布雷顿循环热机的离心式和轴流式压气机不同，就单级压气机而言，容积式的压气机结构可以在较低的工作温度以及平均压力不高的情况下产生较大的压比，从而提高整个循环的效率；
49.2、采用自由活塞结构，不同于传统内燃机的曲轴连杆活塞结构，自由活塞结构的配置可以使发动机结构在运行的过程中产生较小的侧向摩擦损失；
50.3、圆筒结构的隔热单元10可以使活塞5间隙处的温度梯度减小，从而减小高温窜气所造成的损失；
51.4、将氦气作为循环介质一方面具有较好的换热性能，另一方面能直接通过核反应堆进行加热，不需要通入二次流体，也不需要热管等其他结构；
52.5、机电一体化的设计结构能将发动机结构与发电机结构设计为一个整体，发动机结构输出的功可以直接供给发电机结构并产生电力输出；
53.6、本发电装置尤其适用于中小功率发电机，由于压比较大，可以保证良好的发动机效率。
54.如图2所示，另一方面，本发明还提供一种发电系统，该发电系统包括至少两个前述实施例中的发电装置，其中，至少两个发电装置对置设置，且至少两个发电装置共用一个加热机构8。这样的设置方式可以减少整个系统的噪声和振动，因此，在对振动和静音要求较高的领域具有较高的优越性。
55.同时，本发电系统还具有较高的效率和功率密度，同时具有可靠性高、使用寿命长、低噪声和低振动的优点。
56.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种发电装置，其特征在于，包括：机壳，其内部设置有活塞，所述活塞将机壳内部的空腔分隔为膨胀腔、背腔和压缩腔；发电机定子，设置于所述背腔内；发电机动子，在所述背腔内与所述活塞相连，所述活塞用于驱动所述发电机动子往复运动形成交变磁场；第一管路，设有加热机构，所述第一管路的第一端与所述压缩腔的出气孔相连通，所述第一管路的第二端与所述膨胀腔的回气孔相连通；第二管路，设有冷却机构，所述第二管路的第一端与所述压缩腔的进气孔相连通，所述第二管路的第二端与所述膨胀腔的排气孔相连通。2.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述膨胀腔内设有隔热单元，所述隔热单元与所述活塞的第一端相连。3.根据权利要求2所述的发电装置，其特征在于，所述隔热单元为圆筒结构，且所述隔热单元沿所述机壳的轴向设置。4.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述第一管路设有第一单向阀，所述第一单向阀的入口端通过所述第一管路与所述压缩腔的出气孔相连通，所述第一单向阀的出口端通过所述第一管路与所述膨胀腔的回气孔相连通；所述第二管路设有第二单向阀，所述第二单向阀的入口端通过所述第二管路与所述膨胀腔的排气孔相连通，所述第二单向阀的出口端通过所述第二管路与所述压缩腔的进气孔相连通。5.根据权利要求4所述的发电装置，其特征在于，所述第一单向阀设置为两个，其中一个所述第一单向阀设置于所述第一管路上靠近所述压缩腔的出气孔的位置，另一个所述第一单向阀设置于所述第一管路上靠近所述膨胀腔的回气孔的位置；所述第二单向阀设置为两个，其中一个所述第二单向阀设置于所述第二管路上靠近所述压缩腔的进气孔的位置，另一个所述第二单向阀设置于所述第二管路上靠近所述膨胀腔的排气孔的位置。6.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述发动机定子包括内定子和外定子，所述内定子套设于所述活塞的外部，所述发电机动子套设于所述内定子的外部，所述外定子套设于所述发电机动子的外部。7.根据权利要求6所述的发电装置，其特征在于，所述发电机动子包括相互连接的工作部和连接部，所述工作部套设于所述内定子的外部，所述连接部与所述活塞的表面相连。8.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于，所述加热机构为核反应堆。9.根据权利要求1-8任一项所述的发电装置，其特征在于，还包括：回热单元，所述回热单元内置第一通道和第二通道，所述第一通道与所述第一管路在位于所述加热机构前侧的位置相连通，所述第二通道与所述第二管路在位于所述冷却机构前侧的位置相连通。10.一种发电系统，其特征在于，包括至少两个如权利要求1-9任一项所述的发电装置，其中，至少两个所述发电装置对置设置，且至少两个所述发电装置共用一个所述加热机构。

技术总结
本发明提供一种发电装置及系统，该发电装置包括机壳、活塞、发电机定子和发电机动子，机壳内部设置活塞，活塞将机壳内部的空腔分隔为膨胀腔、背腔和压缩腔；发电机定子设置于背腔内；发电机动子在背腔内与活塞相连，活塞驱动发电机动子往复运动形成交变磁场；第一管路设有加热机构，第一管路的第一端与压缩腔的出气孔相连通，第一管路的第二端与膨胀腔的回气孔相连通；第二管路设有冷却机构，第二管路的第一端与压缩腔的进气孔相连通，第二管路的第二端与膨胀腔的排气孔相连通。本发明相较于常规的轴流式和离心式压气机而言，提高了单级压比，同时自由活塞结构保证了效率和寿命，因此更加适合于中小功率发电领域。更加适合于中小功率发电领域。更加适合于中小功率发电领域。


技术研发人员：罗二仓 常德鹏 孙岩雷 胡剑英 陈燕燕 张丽敏 余国瑶 吴张华
受保护的技术使用者：中国科学院理化技术研究所
技术研发日：2022.03.09
技术公布日：2023/9/20