一种住宅氢能源系统和斯特林自体发电‑热泵联体机的制作方法

本发明属于清洁能源系统，尤其涉及利用太阳能的一种住宅氢能源系统和斯特林自体发电-热泵联体机。

背景技术：

目前在住宅清洁能源利用领域存在多种技术方案，在太阳能利用领域包括光热发电、光伏发电和太阳能热水等方式。这些太阳能利用装置通常存在利用方式单一、阳光能量转换效率低、能量独立存储功能差等缺陷，能源综合利用能力低；由此带来的太阳能利用经济效益差、建设成本高、难于广泛应用的后果，制约了清洁能源的利用。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种住宅氢能源系统和斯特林自体发电-热泵联体机的技术方案，实现太阳能的高位能利用和太阳热能的阶梯利用，提高太阳能综合热效率，改进清洁能源的存储和取用方式，提高清洁能源的利用效益。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种住宅氢能源系统,利用太阳能为住宅提供能源；所述住宅氢能源系统包括阳光采集传输装置、光热转换装置、斯特林自体发电-热泵联体机和制氢装置；所述阳光采集传输装置是收集并传输太阳光能的装置，所述光热转换装置是将所述阳光采集传输装置采集的太阳光能转换为热能并储蓄热能的装置，所述斯特林自体发电-热泵联体机是利用所述光热转换装置提供的热能发电和制取热/冷能量的装置，所述制氢装置是利用所述斯特林自体发电-热泵联体机产生的电能制取氢气的装置；所述住宅设有所述制氢装置产生的氢气的储存设备和以氢气为燃料的燃气设备，所述住宅还设有利用所述斯特林自体发电-热泵联体机发电余热和所制取的热/冷能量的低温热能储蓄设备和冷能量储蓄设备。

更进一步，所述阳光采集传输装置包括多个阳光采集组件，每个所述阳光采集组件设有多块将反射阳光聚焦在预定焦点的阳光反射板；所述阳光采集传输装置通过光热传输导管连接所述光热转换装置，所述光热传输导管是将高密度平行光束从接收透镜输送到发射透镜的导管，所述光热传输导管的接收透镜位于所述阳光采集组件的预定焦点处，所述光热传输导管的发射透镜连接到所述光热转换装置。

更进一步，所述阳光采集组件安装在所述住宅的屋面和/或室外地面之上；所述住宅包括地下室，所述斯特林自体发电-热泵联体机安装在所述地下室中低于所述低温热能储蓄设备和冷能量储蓄设备的位置；所述光热转换装置安装在低于所述斯特林自体发电-热泵联体机的位置。

更进一步，所述斯特林自体发电-热泵联体机产生的电量优先输送到所述住宅的蓄电设备；所述斯特林自体发电-热泵联体机产生的更多电量输送到所述制氢装置用于制取氢气；所述斯特林自体发电-热泵联体机产生的余热通过管道输送到所述低温热能储蓄设备；所述斯特林自体发电-热泵联体机制取的热能量也通过管道输送到所述低温热能储蓄设备；所述斯特林自体发电-热泵联体机制取的冷能量通过管道输送到所述冷能量储蓄设备。

更进一步，所述制氢装置是电解水制氢装置；所述制氢装置连接一个氢气储罐，所述氢气储罐连接所述燃气设备，所述氢气储罐设有向外界输出氢气的氢气输出口；所述制氢装置还连接一个氧气储罐，所述氧气储罐设有向外界输出氧气的氧气输出口；所述制氢装置连接一只收集屋面雨水用于制氢的雨水收集罐。

一种斯特林自体发电-热泵联体机，利用热能产生电力和制取热/冷能量，包括斯特林发动机，其特征在于，所述斯特林自体发电-热泵联体机还包括自体发电机和制取热/冷能量的斯特林热泵，所述斯特林发动机、自体发电机和斯特林热泵设置在一个密闭的机壳中；所述斯特林发动机的动力输出轴驱动所述自体发电机和斯特林热泵，所述密闭机壳设有所述自体发电机的电力输出端子。电力输出端子与密闭机壳之间以绝缘方式静密封。

更进一步，所述自体发电机是设有永磁转子的感应式交流发电机，所述斯特林发动机的动力输出轴直接连接所述自体发电机的转子。

更进一步，所述自体发电机的永磁转子也是所述斯特林发动机的惯性飞轮。

更进一步，所述斯特林发动机的动力输出轴通过一个设置在所述密闭机壳中的电磁离合器驱动所述斯特林热泵转动；所述密闭机壳设有所述电磁离合器的驱动电源输入端子，所述驱动电源输入端子与密闭机壳之间以绝缘方式静密封。

更进一步，所述斯特林发动机和斯特林热泵的工作介质为氢气，所述密闭机壳中填充介质为氢气。

本发明的有益效果是：利用太阳能以外热方式驱动斯特林自体发电-热泵联体机，可同时发电和制取热/冷能量，能够实现太阳光热利用效率的最大化；采用氢气作为长时间存储能量的载体，可为城市提供清洁能源；副产氧气用途广泛。可实现太阳能的高效综合利用，显著提高清洁能源的利用效益；斯特林自体发电-热泵联体机的斯特林发动机、自体发电机和斯特林热泵安装在一个密闭机壳中，无外露的运动部件，集成程度高，运行可靠性高。

下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

附图说明

图1：住宅氢能源系统原理图；

图2：住宅氢能源系统结构图；

图3：住宅阳光采集传输装置示意图；

图4：光导管结构图；

图5：阳光采集组件光学原理图；

图6：光热转换装置系统图：

图7：斯特林自体发电-热泵联体机结构图；

图8：斯特林自体发电机结构剖面图；

图9：斯特林热泵结构剖面图；

图10：斯特林发动机工作原理图；

图11：斯特林热泵工作原理图。

具体实施方式

如图1至图5，一种住宅氢能源系统,利用太阳能为住宅1提供能源；所述住宅氢能源系统包括阳光采集传输装置2、光热转换装置3、斯特林自体发电-热泵联体机4和制氢装置5；所述阳光采集传输装置是收集并传输太阳光能的装置，所述光热转换装置是将所述阳光采集传输装置采集的太阳光能转换为热能的装置，所述斯特林自体发电-热泵联体机是利用所述光热转换装置提供的热能发电和制取热/冷能量的装置，所述制氢装置是利用所述斯特林自体发电-热泵联体机产生的电能制取氢气的装置；所述住宅设有所述制氢装置产生的氢气的储存设备和以氢气为燃料的燃气设备，所述住宅还设有利用所述斯特林自体发电-热泵联体机发电余热和所制取的热/冷能量的低温热能储蓄设备6和冷能量储蓄设备7。

所述阳光采集传输装置包括多个阳光采集组件2-1，每个所述阳光采集组件设有多块将反射阳光G-2聚焦在预定焦点F-1的阳光反射板2-1-1；所述阳光采集传输装置通过光热传输导管2-2连接所述光热转换装置3，所述光热传输导管是将高密度平行光束G-3从接收透镜2-2-1输送到发射透镜2-2-3的导管，所述光热传输导管的接收透镜位于所述阳光采集组件的预定焦点F-1处，所述光热传输导管的发射透镜连接到所述光热转换装置。

所述阳光采集组件安装在所述住宅的屋面1和/或室外地面1-3之上；所述住宅包括地下室1-2，所述斯特林自体发电-热泵联体机安装在所述地下室中低于所述低温热能储蓄设备和冷能量储蓄设备的位置；所述光热转换装置安装在低于所述斯特林自体发电-热泵联体机的位置。

所述斯特林自体发电-热泵联体机产生的电量优先输送到所述住宅的蓄电设备9；所述斯特林自体发电-热泵联体机产生的更多电量输送到所述制氢装置用于制取氢气；所述斯特林自体发电-热泵联体机产生的余热通过管道输送到所述低温热能储蓄设备；所述斯特林自体发电-热泵联体机制取的热能量也通过管道输送到所述低温热能储蓄设备；所述斯特林自体发电-热泵联体机制取的冷能量通过管道输送到所述冷能量储蓄设备。

所述制氢装置是电解水制氢装置；所述制氢装置连接一个氢气储罐5-2，所述氢气储罐连接所述燃气设备，所述氢气储罐设有向外界输出氢气的氢气输出口；所述制氢装置还连接一个氧气储罐5-3，所述氧气储罐设有向外界输出氧气的氧气输出口；所述制氢装置连接一只收集屋面雨水用于制氢的雨水收集罐8。

如图6至图8，一种斯特林自体发电-热泵联体机4，利用热能产生电力和制取热/冷能量，包括斯特林发动机4-1，所述斯特林自体发电-热泵联体机还包括自体发电机4-2和制取热/冷能量的斯特林热泵4-3，所述斯特林发动机、自体发电机和斯特林热泵设置在一个密闭的机壳4-5中；所述斯特林发动机的动力输出轴4-1-3驱动所述自体发电机和斯特林热泵，所述密闭机壳设有所述自体发电机的电力输出端子4-2-3。电力输出端子与密闭机壳之间以绝缘方式静密封。静密封是指电力输出端子以密封方式固定在密闭机壳上，电力输出端子与密闭机壳之间不产生相对运动。

所述自体发电机是设有永磁转子4-2-1的感应式交流发电机，所述斯特林发动机的动力输出轴直接连接所述自体发电机的转子。

所述自体发电机的永磁转子也是所述斯特林发动机的惯性飞轮。

所述斯特林发动机的动力输出轴通过一个设置在所述密闭机壳中的电磁离合器4-4驱动所述斯特林热泵转动；所述密闭机壳设有所述电磁离合器的驱动电源输入端子4-4-1，所述驱动电源输入端子与密闭机壳之间以绝缘方式静密封。

所述斯特林发动机和斯特林热泵的工作介质为氢气，所述密闭机壳中填充介质为氢气。

实施例一：

如图7至图9，一种斯特林自体发电-热泵联体机4，利用中、高温热能产生电力和制取热/冷能量。

如图8所示，斯特林自体发电-热泵联体机4设有斯特林发动机4-1。斯特林发动机为α型四缸，以双L形或双V形布置；斯特林发动机的膨胀气缸4-1-1与压缩气缸4-1-2之间的相位角相差为β=90°。斯特林发动机设有加热器4-1-1-2和冷却器4-1-2-2。加热器4-1-1-2吸收外部中、高温热能，为斯特林发动机4-1提供做功能量。中、高温热能是温度高于100℃的载热介质所包含的热能。

斯特林自体发电-热泵联体机4还设有自体发电机4-2。自体发电机4-2是设有永磁转子4-2-1的感应式交流发电机，斯特林发动机4-1的动力输出轴4-1-3的一端直接连接自体发电机4-2的永磁转子4-2-1，永磁转子同时可作为斯特林发动机的惯性飞轮。

如图9所示，斯特林自体发电-热泵联体机4还设有制取热/冷能量的斯特林热泵4-3，斯特林热泵4-3为α型四缸，以L形或V形布置；斯特林热泵的膨胀气缸4-3-1与压缩气缸4-3-2之间的相位角也为相差β=90^o。斯特林发动机4-1动力输出轴4-1-3的另一端通过电磁离合器4-4联接、驱动斯特林热泵4-3转动。

如图7所示，斯特林自体发电-热泵联体机4设置密闭机壳4-5，斯特林发动机4-1、自体发电机4-2、斯特林热泵4-3及其驱动机构（4-1-5和4-3-5）、电磁离合器4-4全部安置在密闭机壳4-5内，使斯特林发动机4-1在密闭机壳4-5中驱动自体发电机4-2和斯特林热泵4-3；在密闭机壳4-5上设有自体发电机4-2的电力输出端子4-2-3和电磁离合器4-4的驱动电源输入端子4-4-1。斯特林自体发电-热泵联体机4的密闭机壳4-5上没有任何与外部连接的运动部件。

如图10，图11，斯特林发动机4-1和斯特林热泵4-3通常需要采用低质量、高热容的气体作为工作介质，本实施例中，斯特林发动机4-1和斯特林热泵4-3的工作介质4-0-1为氢气，密闭机壳4-5中填充介质4-0-2也同为氢气。在密闭机壳4-5上设有充/排气口4-5-1。

密闭机壳4-5内部空间与外界完全隔绝。斯特林发动机4-1和斯特林热泵4-3及其驱动机构、自体发电机4-2、电磁离合器4-4全部置于密闭机壳4-5内；密闭机壳4-5内的空间与斯特林发动机4-1和斯特林热泵4-3的工作腔通过活塞环动密封。在斯特林发动机4-1及斯特林热泵4-3各工作腔与密闭机壳内腔之间，除工作腔中带压气体因活塞贴缸筒滑动位移产生对密闭机壳空间的痕量泄露外，不再存在任何其它连通。由于密闭机壳4-5的空间容积远大于各工作腔的容积，故在运转过程中，各工作腔的活塞往复运动不会对密闭机壳4-5内的压力造成明显波动而影响机械效率。

采用密闭机壳4-5既能够通过增加工作介质气压、密度而提高斯特林发动机4-1和斯特林热泵4-3的热效率，进而减小设备体积，又可减少动力输出轴4-1-3支承的密封、润滑环节，提高机械效率。

斯特林自体发电-热泵联体机4的运行原理是：当中、高温热能对斯特林发动机的加热器4-1-1-2加热时，加热器4-1-1-2加热膨胀气缸4-1-1内的工作介质4-0-1，使工作介质4-0-1温度升高并使气缸压力升高，推动膨胀端活塞4-1-1-1运动做功。膨胀端活塞4-1-1-1所做机械功通过动力输出轴4-1-3驱动自体发电机4-2的永磁转子4-2-1旋转发电。斯特林发动机4-1的膨胀端活塞4-1-1-1做功后，在自体发电机的永磁转子4-2-1的惯性力的旋转推动作用下，膨胀端活塞4-1-1-1作反向运动，工作介质4-0-1由膨胀端活塞4-1-1-1推动流经回热器4-1-6换热降温后，再经冷却器4-1-2-2冷却，在释放做功余热后进入压缩端气缸4-1-2，经压缩端活塞4-1-2-1惯性力推动，工作介质4-0-1流经回热器4-1-6换热升温后再经加热器4-1-1-2流入膨胀气缸4-1-1，进入下一工作循环。

斯特林自体发电-热泵联体机4的启动：斯特林自体发电-热泵联体机4的启动是在斯特林发动机4-1的加热器4-1-1-2接通热源，当膨胀气缸4-1-1达到一定温度后，再接通自体发电机4-2的启动电路，接通启动电源空载运转。此时，自体发电机4-2只产生感应电动势而无电流输出。当空载运转稳定后，自体发电机4-2再切换到电能输出状态，稳步增加负荷。

斯特林自体发电-热泵联体机4的自动停机：当系统温度降低到低点时，斯特林自体发电-热泵联体机4因供热不足而自动停止运转并切断电能输出。

斯特林自体发电-热泵联体机4的制动：斯特林自体发电-热泵联体机4的制动须在切断热源后，自体发电机4-2输出端连接大功率制动电阻制动。

斯特林自体发电-热泵联体机4须安置于住宅地下室1-2中低于低温热能储蓄设备6的位置，以利于流经冷却器4-1-2-2的冷却水依靠自身热动力循环流动，在为斯特林发动机4-1的压缩端4-1-2降温的同时，将做功余热移至低温热能储蓄设备6中。本实施例的低温热能储蓄设备是工作温度在80℃以下的热水箱。

斯特林自体发电-热泵联体机4制热：当住宅低温热能储蓄设备6热量不足时，斯特林自体发电-热泵联体机4接通电磁离合器驱动电源，使离合器接合，拖动斯特林热泵4-3制热。补充低温热能储蓄设备6热量。

斯特林自体发电-热泵联体机4制冷：当住宅冷能量储蓄设备7冷能量不足时，斯特林自体发电-热泵联体机4接通电磁离合器驱动电源，使离合器接合，拖动斯特林热泵4-3制冷。补充冷能量储蓄设备7冷能量。本实施例的冷能量储蓄设备是含10%乙二醇的水箱。

斯特林热泵4-3的制热或制冷由外部系统管路切换决定。

实施例二：

一种住宅氢能源系统,利用太阳能为住宅提供能源，并对外输出氢能源的装置系统。技术路线如图1。

如图1，住宅氢能源系统包括阳光采集传输装置2、光热转换装置3、斯特林自体发电-热泵联体机4和制氢装置5。

如图2，阳光采集传输装置2是采集阳光并传输高密度平行光束的装置。阳光采集传输装置2包括多个阳光采集组件2-1，阳光采集组件2-1由多块阳光反射板组成。组成阳光采集组件2-1的各阳光反射板将反射阳光聚焦到预定反射焦点F-1。

阳光采集组件2-1设有相应的调控机构、太阳方位跟踪模块。

多个阳光采集组件2-1由阳光反射板组成一个密集型阳光反射阵，密集型阳光反射阵的技术特征是：将多件矩形阳光反射板2-1-1组装成阳光采集组件2-1。多组阳光采集组件2-1以紧密相接方式布置在同一平面，形成密集型阳光反射阵，所有阳光采集组件2-1的反射阳光的光斑均投射到预定反射焦点F-1。

本实施例中，在住宅屋面1安装由多个阳光采集组件2-1，构成的阳光反射主阵；在院落内地面阳光长年照射区域1-3内安装有多个阳光采集组件2-1，构成密集型阳光反射辅阵。

在住宅屋面1安装密集型阳光反射主阵，密集型阳光反射主阵上方设置多个预定反射焦点F-1，其中的每个阳光采集组件2-1-1的反射焦点分别对应于各自的预定反射焦点F-1，预定反射焦点F-1设置于屋面1之上的一定高度的位置。在院落内地面阳光长年照射区域1-3内安装密集型阳光反射辅阵，其预定反射焦点F-1设置于距地面较高的位置，通常是将反射焦点设置在屋檐下的位置，可减少阳光采集装置对住宅外观的影响。

阳光反射组件2-1-1采用面多块积较小的阳光反射板2-1-1，以便于制造、安装并有利于结构的稳固。

阳光采集组件2-1可以灵活布置位置和数量，以适应场地的面积和形状，能够实现单位面积采光最大化；由于每个阳光反射板2-1-1的面积较小；与大型的整体阳光采集采集装置相比较，在组件制造、结构安装、抗风能力方面也具有明显优势，特别适用于住宅太能采集系统的应用。

图5示意了密集型阳光反射阵2光学原理，包括早晚时段斜射状态A、正午时点直射状态B、冬季低角度入射状态C、夏季高角度入射状态D。

在太阳整体升起到地平线的时点，密集型阳光反射阵2开始太阳方位跟踪运行，直到太阳下落到切地平线时运行停止。

复位及休眠：当太阳完全落下地平线时，密集型反射阵2开始复位并进入待启动的休眠状态。

如图4，光热传输导管2-2包括接收透镜2-2-1、光导管2-2-2和发射透镜2-2-3。光热传输导管2-2是将高密度平行光束G-3从接收透镜2-2-1输送到发射透镜2-2-3的导管。光导管2-2-2内设有光反射涂层，使高密度平行光束G-3在光导管内经数次折射，从接收透镜2-2-1沿光导管2-2-2照射向发射透镜2-2-3，然后经发射透镜2-2-3聚焦照射到光热转换装置3，并在光热转换装置3的光热接收器3-1内聚焦成终极焦点F-2。

光热转换装置3是将阳光采集传输装置2采集的太阳光能转换为热能的装置。光热转换装置3设有光热接收器3-1,光热转换装置设有双层壳体，在双层壳体中填充有蓄热介质3-2-1，光热转换装置3内设有流体状态的导热介质3-2-2；导热介质3-2-2包括导热油。光热接收器3-1在接收光束中的热能后，将热能传导到导热介质3-2-2。导热介质3-2-2再将中、高温热能传递给斯特林自体发电-热泵联体机4。

斯特林自体发电-热泵联体机4是利用热转换装置3输送来的中、高温热能发电和制取热/冷能量的核心设备。本实施例采用实施例一所述的斯特林自体发电-热泵联体机4。

制氢装置5是利用斯特林自体发电-热泵联体机4产生的电能制取氢气的装置。

制氢装置5以电解水方式制取氢气并副产氧气。制氢装置5用于制氢的水来源于自然降水；来自于屋面的雨水和融化雪水被存储在一只雨水收集罐8中，经去除机械杂质和离子交换装置净化为纯净水，通过管道输送至制氢装置5。

本实施例的住宅设有地下室1-2，斯特林自体发电-热泵联体机4和光热转换装置3安装在地下室1-2中，为便于光热转换装置3的导热介质3-2-2依靠自身热动力将中、高温热能输送到斯特林自体发电-热泵联体机4，光热转换装置3须安装到低于斯特林自体发电-热泵联体机4的位置。以实现导热介质在无外动力推动的情况下自动循环。

阳光采集装置2-1通过光热传输导管2-2连接光热转换装置3，有多支光热传输导管2-2分别接收各位于屋面1的密集型阳光反射主阵的聚焦反射阳光G-2，另有一支光热传输导管2-2连接在院落内地面的密集型阳光反射辅阵，接收聚焦反射阳光G-2，每个光热传输导管2-2的接收透镜2-2-1位于阳光反射组件2-1-1的预定反射焦点F-1处，各光热传输导管2-2的发射透镜2-2-3在光热转换装置3处聚拢，将高能光斑聚焦在光热转换装置3的光热接收器3-1内的焦点F-2处。

来自光热转换装置3的载热导热介质3-2-2依靠自身热动力将中、高温热能输送到斯特林自体发电-热泵联体机4，加热斯特林自体发电-热泵联体机4的斯特林发动机4-1的膨胀端加热器4-1-1-2，推动斯特林自体发电-热泵联体机4产生电能和制取热/冷能量。斯特林自体发电-热泵联体机4做功产生的余热和制取的热/冷能量蓄入住宅内的低温热能储蓄设备6和冷能量储蓄设备7。

斯特林自体发电-热泵联体机4产生的电量优先输送到住宅的蓄电设备9；斯特林自体发电-热泵联体机产生的更多电量输送到制氢装置5用于制取氢气。斯特林自体发电-热泵联体机4产生的余热通过管道输送到所述低温热能储蓄设备6；斯特林自体发电-热泵联体机制取的热能量也通过管道输送到低温热能储蓄设备6；斯特林自体发电-热泵联体机制取的冷能量通过管道输送到冷能量储蓄设备7。本实施例的低温热能储蓄设备是工作温度在80℃以下的热水箱。冷能量储蓄设备是含10%乙二醇的水箱。

制氢装置5产生的氢气输送到氢气储罐5-2储存。氢气储罐5-2还设有向外界输出氢气的氢气输出口。制氢装置5副产的氧气输送到氧气储罐5-3，氧气储罐5-3设有向外界输出氧气的氧气输出口，制氢装置5副产的氧气全部向社会销售，用于医疗、保健和其它工业用途。

住宅的储电设备8连接住宅内各用电设备。

氢气储罐5-2连接住宅内的燃气设备，包括燃气灶、烤箱等。

斯特林自体发电-热泵联体机4做功产生的余热依靠自身热动力通过管道输送到低温热能储蓄设备6；以提高能源的利用率。

斯特林自体发电-热泵联体机4的斯特林热泵4-3制取的热能量通过管道输送到低温热能储蓄设备6。

斯特林自体发电-热泵联体机4的斯特林热泵4-3制取的冷能量通过管道输送到冷能量储蓄设备7。

氢能源住宅具有显著的科学性、实用性和经济可行性。

1、居民能够通过采集分布式能源并就地转化、就地应用，满足日常生活需要，实现人与自然的融合。减少能源远距离输送。

2、以居民住宅屋面为采光场所，把居住占地与太阳能采集占地合二为一，可减少土地重复占用，提高土地利用率；

3、能够实现单位面积阳光采集的最大化。同时取得高位能热源；

4、使用光热传输导管传输光能，可完全依靠光能自身的光压实现光热能量高密度、高效率、低消耗传输，使阳光采集装置与光热转换装置的链接更加经济合理，为太阳能利用创造更广泛的应用手段；

5、将光热转换装置安装到住宅地下室的最低位置，能够实现各载热流体介质依靠自身热动力循环传热，摆脱外动力驱动传热的束缚，降低动力消耗，提高系统能量效率；

6、应用斯特林自体发电-热泵联体机能够提供电能和发电余热，还能同时制热/制冷，实现住宅电、热、冷联供。斯特林自体发电-热泵联体机的斯特林发动机在一定功率范围内(10千瓦至100千瓦)具备优于任何其他类型热发动机的高效率；

7、使用制氢装置5电解水制氢，能够将住宅内斯特林自体发电-热泵联体机4的自体发电机4-2发出的频率、电压、电流均不稳定的电能转换为氢气，便于长时间储存。