一种周期通孔腔体旋转式热电转换装置的制作方法

本发明属于太阳能应用技术领域，涉及一种热电转换装置，具体涉及一种通过周期性通孔的加热腔体驱动叶轮旋转运动，进而带动发电机发电的热电转换装置，可用于碟型聚光太阳能热电转换系统。

背景技术：

清洁环保、价廉物美的可再生能源是当今人类社会追求的迫切目标，在人类现代化生活中有着广泛的应用前景。2013年中国新增的可再生能源装机容量超过了欧洲和亚太地区其他国家容量的总和，REmap 2030的研究显示，可再生能源在中国发电部门中的比例估计将从目前的20％增加到2030年的40％。

国外现有聚光太阳能(Concentrating Solar Power:CSP)应用系统相对其他太阳能应用系统，具有几乎是最高的能量转换效率，但其成本高昂，占地面积广大。德国的SBP公司开展了30多年的太阳能应用研究，可提供多种汇聚太阳能产品，包括抛物线槽型、抛物面碟型、反射阵列塔型。该公司的新型的EuroDish抛物面碟型聚光太阳能系统，口径达16米。使用的太阳能斯特林发电机中，25kw的4-95型号重330kg，30kw的NS30A型号重243kg。有着双作用活塞的斯特林机在实际工作中有着最高的功率密度，即功率/重量比。目前斯特林电机中功率密度最高为160w/kg，斯特林电机作为核心的热电转换装置，其难以提高的功率密度和其高昂的成本，严重制约着聚光太阳能的推广应用。

现有抛物面碟型聚光太阳能系统中广泛使用的太阳能斯特林发动机是一种外燃机，和发电机配合使用可以实现热能到电能的转换。例如美国专利授权公告号：US4586334A，名称为：Solar Energy Power Generation System，公开了一种单反射面的碟型聚光热电转换系统，能够在馈源处利用热管将太阳能汇聚并传送到下方的介质中，再利用导热介质去加热斯特林发电机发电。这种系统能减轻馈源处的重量，降低系统的重心。但该系统相对于其他斯特林电机的安装形式，系统总重量并没有降低，且结构复杂，成本较高。也有采用汽轮机作为抛物面碟型聚光太阳能系统的案例，例如世界专利公开号：WO1994027096A2，名称为：Solar Dish Concentrator Coupled to Power Generator，公开了一种碟式太阳能光电转换系统，为了减轻馈源处的重量，该系统采用汽轮机作为热电转换装置，汽轮机和发电机都安装在地面上，但该系统需要地面上的储热系统、冷却系统以及工质循环管道与之配合，系统复杂，占地面积大，建造成本高。

国内在应用方面，该领域的研究仅才起步，核心技术处在刚开始引进消化之中。其应用成本远超现有离网光伏的成本。太阳能光热发电系统的典型容量一般大于等于50MW。尽管系统中的所有关键零部件都可以国产化，但是因为还没有在商业电站中应用，产品质量和使用寿命还缺乏长期验证。国内还缺乏商业电站的集成设计与运行经验。

综上所述，聚光太阳能应用唯有显著降低成本，才有进一步发展和应用的空间。而作为其核心技术之一的热电转换装置，同样需要提高功率密度、并显著降低结构复杂度和应用成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供了一种周期通孔腔体旋转式热电转换装置，旨在简化现有热电转换装置的结构，并降低质量。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种周期通孔腔体旋转式热电转换装置，包括加热腔体1、叶轮体2、发电机4、上支撑体3和下支撑体5，其中：

所述加热腔体1，包括相互固定的加热腔盖13和加热板15，形成密闭空腔，所述加热腔盖，其侧壁上设置有排气孔12，顶端中心位置安装有上盖板14；所述加热板15，用于吸收反射器反射的光能并传导到密闭空腔内，其中心位置设置有通孔。

所述叶轮体2，包括叶轮21和叶轮轴24，所述叶轮21的外形轮廓尺寸与加热腔体1上的密闭空腔的尺寸相等；所述叶轮轴24采用空心结构，其上设置有上进气孔23和下进气孔25。

所述上支撑体3，包括支撑架31。

所述发电机4，包括转子43、定子44、机箱41和机箱盖42。

所述下支撑体5，包括法兰盘51。

所述加热腔体1通过上支撑体3与机箱盖42的一端连接，机箱盖42的另一端通过机箱41与下支撑体5相连接，叶轮21安装在加热腔体1的空腔内，叶轮轴24与转子43相连；叶轮轴24的一端与上盖板14套接，另一端与发电机机箱41套接；所述叶轮21通过加热腔体1侧壁上的排气孔和叶轮轴24上的进气孔的周期性打开，加热腔体1内的热空气驱动叶轮轴24，带动转子43相对于定子44旋转，实现热电转换特性。

上述周期通孔腔体旋转式热电转换装置，所述排气孔12，其位置靠近加热腔盖13顶端。

上述周期通孔腔体旋转式热电转换装置，所述叶轮21，其叶片采用空间曲面结构，且相邻叶片沿轴向方向部分重叠。

上述周期通孔腔体旋转式热电转换装置，所述加热板15，采用耐高温、热传导系数高且辐射率低的材料。

上述周期通孔腔体旋转式热电转换装置，所述加热板15，其中心位置通孔的上沿位置设置有环状凸台16，该环状凸台16沿径向设置有进气的开槽。

上述周期通孔腔体旋转式热电转换装置，所述上进气孔23，其数量至少为2个，且相对叶轮体2的旋转中心轴线等间距分布。

上述周期通孔腔体旋转式热电转换装置，所述下进气孔25，其数量至少为2个，且相对叶轮体2的旋转中心轴线等间距分布。

上述周期通孔腔体旋转式热电转换装置，其特征在于，所述叶轮21，其叶片数量为3个或3的整数倍个。

上述周期通孔腔体旋转式热电转换装置，其特征在于，所述支撑架31，其数量至少为3个，且相对叶轮体2的旋转中心轴线等间距分布。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于加热腔体的侧壁上设置有排气孔，叶轮轴上设置有进气孔，叶轮通过加热腔体侧壁上的排气孔和叶轮轴上的进气孔的周期性打开，加热腔体内的热空气驱动叶轮轴，带动转子相对于定子旋转，实现热电转换特性。使得热能转换到机械能的过程所用的部件大大减少，与传统碟式发电系统中的太阳能斯特林电机结构形式相比，显著降低了结构复杂度，显著减轻了结构质量，显著提高了装置的功率密度。

2.本发明采用空气作为循环工质，与斯特林发动机相比减少了冷却装置、回热器等部件的使用，使装置的复杂性降低，易于维护保养；与蒸汽轮机相比，本装置由于工作过程中工质没有发生相变，无需复杂的蒸汽冷却系统。

3.本发明由于叶轮设计中采用了可形成周期、局部封闭腔体的空间曲面叶片，使得腔体中的热气流可以驱动叶轮连续转动，有效保证了热能到机械能的转换。

4.本发明的加热腔体、叶轮体、上支撑体和下支撑体，在满足强度刚度的同时，采用了轻量化的结构设计，使得整个热电转换装置轻质，材料消耗少，既有利于聚光太阳能系统的视日跟踪，也有利于显著降低成本。

附图说明

图1是本发明适用的碟型聚光太阳能热电转换系统的结构示意图；

图2是本发明的总体结构示意图；

图3是本发明的加热腔体的结构示意图；

图4是图2中的叶轮体的俯视图；

图5是本发明的叶轮体结构的局部剖视图；

图6是本发明加热板、上支撑体和机箱盖的连接关系示意图；

图7是本发明的进气孔工作过程示意图；

图8是本发明发电机、下支撑体连接关系示意图；

图9是本发明发电机的结构及连接关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

参照图1，碟型聚光太阳能热电转换系统结构示意图。抛物面碟型太阳能反射器安装在视日跟踪系统上，可以将太阳光汇聚到其焦平面很小的范围内，进而显著减小热电转换装置的尺寸，提高其转换效率。对于口径为5m的抛物面碟型太阳能反射器而言，这个汇聚范围小于30cm；对于口径15m的抛物面碟型太阳能反射器而言，这个汇聚范围约为50至75cm。在汇聚点处，极高的热流密度能够在很短时间内对工质气体进行加热。如果在汇聚点处装配热电转换装置，就能迅速产生足以推动叶轮旋转进而将机械能转换为电能的腔内气压。

参照图2，一种周期通孔腔体旋转式热电转换装置，包括加热腔体1、叶轮体2、发电机4、上支撑体3和下支撑体5，其中：

加热腔体1，其结构如图3所示，包含上端盖14、加热腔盖13、加热板15、排气孔12及环状凸台16。加热腔盖，侧壁上排气孔12位置靠近加热腔盖13顶端，有利于叶轮2在排气过程中获得更大的动力。顶端中心位置安装有上盖板14。所述加热板15，用于吸收反射器反射的光能并传导到密闭空腔内，其中心位置设置有通孔，加热板15中心位置有环状凸台16。上端盖14通过螺纹与加热腔盖13相连，加热腔盖13和加热板15通过螺栓相连接。

叶轮体2，其结构如图5所示，包括叶轮21、叶轮轴24、上进气孔23、下进气孔25及叶轮体上端凸台22。所述叶轮21的外形轮廓尺寸与加热腔体1上的密闭空腔的尺寸相等；所述叶轮轴24上设置有上进气孔23和下进气孔25，上进气孔23用于和加热板上的环状凸台16配合，共同控制进气孔的打开和关闭。下进气孔25用于使空气能够进入到空心的叶轮轴24中。上进气孔23，其数量至少为2个，且相对叶轮体2的旋转中心轴线等间距分布，下进气孔25，其数量至少为2个，且相对叶轮体2的旋转中心轴线等间距分布，有利于空气对流进入叶轮轴24内，本实施例中上进气孔设置有3个，下进气孔设置有3个。

加热腔体1通过上支撑体3与发电机4连接，发电机4与下支撑体5相连接，叶轮21安装在加热腔体1的空腔内，叶轮轴24通过加热板15中心通孔。叶轮轴24与加热板15之间通过轴承连接，并对轴承作密封处理。叶轮体上端凸台22与加热腔体1的上盖板14套接。

工作时，加热板15安装在抛物面碟型太阳能反射器的焦平面上，所用材料具有耐高温、导热性好和热辐射率低的特点，本实施案例采用铝合金材料。加热板15将所接收到的太阳光能吸收并将热能传导到加热腔体1内。叶轮21和加热腔体1之间形成局部封闭腔体，腔内空气在加热板15的作用下受热膨胀，当叶轮21相邻叶片之间的局部封闭腔体运动至排气孔12的位置处时，该局部封闭腔体中的高温高压空气从排气孔12排出，同时推动叶轮作旋转运动，叶轮21转过一定角度后，排气孔12对着相邻下一个局部封闭腔体的范围，对于前一个局部封闭腔体而言排气孔12关闭。叶轮21转动时带动叶轮轴24旋转，进而带动发电机4作旋转运动，实现热电转换。排气孔12的数量至少为2个，但不能超过叶片的数量，本实施例排气孔12的数量为3个，保证了局部封闭腔体中的空气有足够长受热的时间。叶轮体2的上进气孔23与加热板15上的环状凸台16相配合，能够控制进气孔打开和关闭。上进气孔23对着环状凸台16的开槽时，空气因对流作用从该处进入到加热腔体内部，随着叶轮21旋转，上进气孔23对着环状凸台16的凸出部分，此时空气不能进入加热腔体1内部，加热腔体内部的空气进入受热膨胀状态，直到运动到下一次排气孔12打开时，高温高压气体排出，叶轮体2因而获得驱动力。周期性的进气、排气过程将如此循环交替，持续进行下去。

参照图4，叶轮21的叶片采用空间曲面结构，叶片沿叶轮旋转轴轴线方向部分重叠，能够保证相邻叶片形成的局部封闭空间有着更好的密闭性，其叶片数量为3或3的整数倍，本实施例叶轮21叶片数量为12，旨在保证转换效率的同时，使进气排气过程更加平稳。

参照图6，支撑架31，其数量至少为3，本实施例支撑架31设置有3根，且相对叶轮体2的旋转中心轴线等间距分布，能够使连接稳固可靠。上支撑体上端通过螺纹孔32与加热板15经螺栓连接，下端通过螺纹孔33与机箱盖42经螺栓连接。

参照图7，叶轮体2的上进气孔23与加热板15上的环状凸台16相配合，能够控制进气孔打开和关闭。其中图7(a)显示，当叶轮体2的上进气孔23对着加热板15上环状凸台16的凸出部分时，由于凸出部分的遮挡，进气孔处于关闭状态。图7(b)显示，当叶轮体2在气流推动下转过一个角度之后，进气孔逐渐打开。图7(c)显示，当叶轮体2在气流推动下再转过一个角度之后，进气孔完全打开。

参照图8，下支撑体5的法兰盘51，通过螺栓与电机箱41连接，并通过法兰盘套筒连接碟型太阳能反射器的中心支柱。

参照图9，发电机4，包括转子43、定子44、机箱41和机箱盖42。机箱41与机箱盖42通过螺栓固定连接，转子43与叶轮轴24固定连接，发电机机箱底部凸台45与叶轮轴24套接，定子44与发电机机箱41固定连接。加热腔内气体排出时带动叶轮轴24，进而带动转子43转动，与定子44发生相对旋转运动，产生电流。

以上所描述的具体实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的限制，在不背离本发明原理的情况下，进行形式或细节上的各种修改和改变，仍在本发明的权利要求保护范围之内。