一种多能互补微型自由活塞发电机

1.本发明涉及能源动力技术领域，具体涉及一种多能互补微型自由活塞发电机。


背景技术：

2.便携式设备和微小型移动平台在国民生活和工业生产等领域的广泛应用，对微小型能源系统的性能提出了较高的要求。目前，化学电池仍是各类微型电气设备的主要动力源。虽然电池形式多样，结构简单，功率密度高，但是，由于其属于封闭系统，蓄电能量有限，能量密度低，制约了其在能源供应的持久性和连续性方面的发展。各类微型电气设备的续航时间和自主执行任务范围因此受到了限制，只有通过经常更换电池或充电来维持设备需要长时工作的需求。因此，设计和制造结构紧凑，同时具有高比能量和比功率的微小型能源系统成为现阶段微型电气设备发展的迫切需求。
3.典型碳氢燃料的能量密度可达50kj/g，是目前最先进可充电电池的100倍，且此类系统燃料补充迅速，易于更换。因此，世界各国的研究者提出了利用传统碳氢燃料的微型能源动力系统。但是，碳氢燃料为不可再生能源，且燃料燃烧时容易产生大量的空气污染物。此外，如果仅仅使用传统碳氢燃料，在进行野外作业时仍然会遇到燃料供给不足的情况。因此，按照不同资源条件和用能对象，合理利用风能、水能、太阳能、地热能等可再生资源实现多能互补，不仅可以拓展微小型能源系统的应用范围，延长微小型能源系统的时间，还可以有效解决能源消纳问题，避免能源浪费，合理保护自然资源，促进生态环境良性循环。此外，多能互补是现阶段的一种能源政策，可以实现多能互补的能源系统是能源系统发展的趋势，有利于带动地方投资；促进行业的发展和科技创新；提供良好的经济效益和社会效益。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种多能互补微型自由活塞发电机，能够将多种能源转化为电能。
5.本发明的技术方案为：一种多能互补微型自由活塞发电机，包括：发电机本体和微型蓄电池组；发电机本体并联在微型蓄电池组的两端；
6.其中，发电机本体包含三个功能区，分别为：动力燃烧区、磁力发电区和气体弹簧区，动子活塞杆装配在发电机本体中部，将三个功能区连接起来；通过动子活塞杆的往复运动实现内燃机发电和外燃机发电两种工作模式；内燃机工作模式将碳氢燃料转化为电能，外燃机工作模式将具有一定温度的任意热源的能量转化为电能；生成的电能存储在微型蓄电池组中。
7.优选地，所述发电机本体由上层、中间层和下层通过环氧树脂胶或者玻璃熔合粘合组成。
8.优选地，所述动力燃烧区、磁力发电区和气体弹簧区分别对应设置在中间层上的动力气室、磁力发电室和气体弹簧室；动子活塞杆装配在中间层中，以连通动力气室、磁力发电室和气体弹簧室。
9.优选地，所述气体弹簧室为第一独立空间，动力气室和磁力发电室共同组成第二独立空间，磁力发电室位于动力气室和气体弹簧室之间，，动力活塞与设置在气体弹簧室内的配气活塞通过动子活塞杆连接；其中，动子活塞杆的中部设有磁性动子，与设置在磁力发电室内的定子绕组通过往复运动产生电流，或者定子绕组通电后驱动磁性动子进行往复运动，动力活塞装配在动力气室内、与动力气室的内壁面之间为间隙配合。
10.优选地，所述动力气室由左至右依次为：进气通道、燃烧室和动力气缸，且进气通道、燃烧室和动力气缸的前后内壁之间的尺寸依次增大；动力气缸的侧壁上设有排气通道，排气通道的两相对侧壁上设有排气开关阀，用于控制排气通道的开启或关闭；
11.所述燃烧室的两相对侧壁上分别装有一个高压点火线圈，进气通道左端的两相对侧壁上分别装有一个进气单向阀，用于限制燃烧室内的可燃气体在压缩冲程被挤回进气通道的左端；进气通道右端内部设有止回通道，止回通道的宽度小于使用碳氢燃料的焠熄距离。
12.优选地，所述燃烧室的宽度大于使用碳氢燃料的焠熄距离。
13.优选地，所述止回通道的宽度小于400μm，燃烧室的宽度大于1mm。
14.优选地，所述上层上加工有进气口和排气口；排气通道与上层上的排气口连通组成排气通路；进气通道与上层上的进气口组成进气通路。
15.优选地，所述气体弹簧室内部存储有气体工质，并在配气活塞的两端分别设有配气通道隔断，两个配气通道隔断与气体弹簧室的前后内壁面分别构成配气通道；气体弹簧室的前后壁面上分别设有配气开关阀，用于开启或关闭配气通道。
16.优选地，所述上层和下层的材料采用石英或者耐高温派来克玻璃，中间层采用硅材料。
17.有益效果：
18.1、本发明的多能互补微型自由活塞发电机，第一方面，利用一个动子活塞杆同时实现自由活塞内燃机和自由活塞外燃机功能，可以将碳氢燃料以及太阳能、地热能、木柴能等具有一定温度的任意热源的能量转化为电能存入微型蓄电池组中，从而实现将多种能源转化为电能的目的；本发明具有燃料来源广、热效率高、排气污染少、噪音低、运转特性好、结构简单和维修方便等优点；再利用微型蓄电池组功率密度大的特点输出大功率，从而使该发电机同时具备高能量密度和功率密度的性能；
19.第二方面，该发电机配合人工智能算法，可以实现自主寻找可用能源，通过多能互补拓展微小型移动平台的自主执行范围。
20.第三方面，该发电机响应国家多能互补的能源政策，减少污染物排放，实现了能源梯级利用，有效解决能源消纳问题，避免能源浪费，合理保护自然资源，促进生态环境良性循环。
21.2、本发明中动力燃烧区、磁力发电区和气体弹簧区在中间层上的具体设置，便于动子活塞杆的往复运动，从而便于发电机实现内燃机和外燃机功能以及内燃机和外燃机两种功能之间的切换。
22.3、本发明中动力燃烧区的具体设计，有利于其在内燃机功能时，将动力气室作为内燃机气缸使用，在外燃机功能时，将动力气室作为气体弹簧使用。
23.4、本发明中气体弹簧区的具体设计，有利于其在内燃机功能时，将气体弹簧室作
为气体弹簧使用，在外燃机功能时，将气体弹簧室作为动力源使用。
附图说明
24.图1为本发明涉及多能互补微型自由活塞发电机的结构示意图。
25.图2为本发明涉及多能互补微型自由活塞发电机中间层平面示意图。
26.其中，1-动子活塞杆；2-动力活塞；3-磁性动子；4-配气开关阀；5-通道隔断；6-配气活塞；7-定子绕组；8-排气开关阀；9-排气通道；10-中间层；11-高压点火线圈；12-止回通道；13-进气单向阀；14-进气通道；15-燃烧室；16-动力气缸；17-配气通道；18-进气口；19-排气口；20-上层；30-下层；40-微型蓄电池组；50-负载；i-气体弹簧室；i*-冷端气室；i**-热端气室；ii-磁力发电室；iii-动力气室。
具体实施方式
27.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
28.本实施例提供了一种多能互补微型自由活塞发电机，能够将多种能源转化为电能。
29.如图1所示，该多能互补微型自由活塞发电机包括：发电机本体和微型蓄电池组40；发电机本体和负载50分别并联在微型蓄电池组40的两端；
30.其中，发电机本体由上层20、中间层10和下层30通过环氧树脂胶或者玻璃熔合技术(有利于保证更好的密封效果)粘合组成，如图2所示，发电机本体包含三个功能区，分别为：动力燃烧区、磁力发电区和气体弹簧区，分别对应设置在中间层10上的动力气室iii、磁力发电室ii和气体弹簧室i；动子活塞杆1装配在中间层10中，将三个功能区连接起来；通过动子活塞杆1在中间层10的往复运动实现内燃机发电和外燃机发电两种工作模式；内燃机工作模式可以将碳氢燃料高效的转化为电能，外燃机工作模式可以将太阳能、地热能、木柴能等具有一定温度的任意热源的能量转化为电能；两种工作模式的组合可以保证发电机的燃料广泛适用性，提高发电机的能量密度；生成的电能存储在微型蓄电池组40中，在负载50工作时为其提供大功率电源，从而使发电机同时具有高能量密度和高功率密度。
31.本实施例中，气体弹簧室i为第一独立空间，动力气室iii和磁力发电室ⅱ共同组成第二独立空间，磁力发电室ⅱ位于动力气室iii和气体弹簧室i之间，动力活塞2与设置在气体弹簧室i内的配气活塞6通过动子活塞杆1连接，从而实现动子活塞杆1将三个功能区连接起来；其中，动子活塞杆1的中部设有磁性动子3，与设置在磁力发电室ⅱ内的定子绕组7通过往复运动产生电流，或者定子绕组7通电后驱动磁性动子3进行往复运动(磁性动子3与定子绕组7之间的磁路间隙需要经过设计计算以满足电机推力需求)；其中，动力活塞2装配在动力气室iii内，动力活塞2与动力气室iii的内壁面之间为间隙配合，但配合间隙应尽量小以减少气体泄漏，动力气室iii与动力活塞2配合的内表面应尽量光滑，以减少滑动摩擦。
32.本实施例中，动力气室iii由左至右依次为：进气通道14、燃烧室15和动力气缸16，且进气通道14、燃烧室15和动力气缸16的前后内壁之间的尺寸依次增大；动力气缸16的侧壁上设有排气通道9，排气通道9的两相对侧壁上设有排气开关阀8，可以按照设计需求定时开启或关闭排气通道9；
33.燃烧室15的两相对侧壁上分别装有一个高压点火线圈11，进气通道14左端的两相
对侧壁上分别装有一个进气单向阀13，用于保证燃烧室15内的可燃混合气体在压缩冲程不被挤回进气通道14的左端；进气通道14右端内部设有止回通道12，止回通道12的宽度(前后内壁之间的尺寸)应小于使用碳氢燃料的焠熄距离，优选止回通道12的宽度小于400μm，以保证发电机气体交换的扫气过程中不会发生回火现象。
34.本实施例中，燃烧室15的宽度(前后内壁之间的尺寸)应大于使用碳氢燃料的焠熄距离，优选的应当大于1mm。
35.本实施例中，上层20上加工有进气口18和排气口19；排气通道9与上层20上的排气口19连通组成排气通路，可将燃烧废气排出；进气通道14与上层20上的进气口18组成进气通路，可将预混后的可燃混合气体填充进入燃烧室15和动力气缸16。
36.本实施例中，气体弹簧室i内部存储有气体工质(氦气、空气或者氢气等)，并在配气活塞6的两端分别设有配气通道隔断5，两个配气通道隔断5与气体弹簧室i的前后内壁面分别构成配气通道17；气体弹簧室i的前后壁面上分别设有配气开关阀4，用于按照设计需求开启或关闭配气通道17。
37.本实施例中，配气活塞6与其两端的配气通道隔断5间隙配合，且配合间隙应尽量小，以减少气体泄漏，配气通道隔断5与配气活塞6相配合的表面应尽量光滑，以减小滑动摩擦。
38.本实施例中，配气活塞6、配气通道隔断5及配气开关阀4将气体弹簧室i分割成左右两个气室，左气室靠近磁力发电室ii，为冷端气室i*，右气室远离磁力发电室ii，为热端气室i**。
39.本实施例中，上层20和下层30的材料采用石英或者耐高温派来克玻璃，中间层10使用硅材料。
40.本实施例中，下层30可设计为光滑平面，也可根据设计需求加工相应的凹槽，从而与中间层10的三个功能区的空间尺寸相适应。
41.本实施例中，由于该发电机产生的是交变电流，若要存储于微型蓄电池组40中，可在电路中增加适应的整流装置。
42.该发电机的工作原理为：
43.1)采用碳氢燃料时，发电机工作在二冲程内燃机模式
44.此时，排气开关阀8打开，排气通道9开启并与动力气室iii连通，动力气室iii的作用等同于内燃机气缸，通过从进气口18、进气通道14将燃料引入燃烧室15和动力气缸16，并在燃烧室15内进行燃烧，产生高温高压燃气，推动动力活塞2向右膨胀作功；磁力发电室ii的作用是利用固连在动子活塞杆1上的磁性动子3的往复运动产生的交变磁场，在定子绕组7内产生感生电动势并输出存储到微型蓄电池组40；配气开关阀4关闭配气通道17，气体弹簧室i中的冷端气室i*和热端气室i**被隔开，并且冷端气室i*不需要进行散热、热端气室i**也不需要加热；只有热端气室i**中的气体随着动子活塞杆1上固连的配气活塞6的往复运动而周期性的被压缩和复原，起到气体弹簧的作用；这种模式下，一个周期包括动子活塞杆1向右膨胀和向左压缩两个冲程，在这两个冲程中，动力气室iii完成压缩、燃烧和膨胀做功及气体交换三个过程，具体介绍如下：
45.压缩过程：
46.该过程从动力活塞2向左移动关闭排气通道9开始，至动力活塞2到达动力气缸16
左止点位置(动力气缸16的最左侧)结束；该过程中，由于进气单向阀13的作用，动力气室iii内的工质密闭，不与外界交换；动子活塞杆1由气体弹簧室i内工质储存的机械能驱动向左运动，压缩动力气室iii内密闭工质；磁性动子3随之向左运动产生变化磁场，定子绕组7产生相应感生电动势并输出电能存储于微型蓄电池组40中；
47.燃烧和膨胀过程：
48.该过程从可燃混合气体燃烧开始，到动力活塞2向右膨胀至排气通道9开启结束；压缩过程结束时，动力活塞2处于动力气缸16左止点位置(动力气缸16的最左侧)，即所有可燃混合气体均处在燃烧室15内，可燃混合气体在高压点火线圈11的作用下着火并推动动子活塞杆1向右运动，直至动力活塞2到达排气通道9；由于进气单向阀13的作用，整个燃烧和膨胀过程中，动力气室iii内的可燃混合气体仍处于密闭状态，不与外界交换；动子活塞杆1上固连的磁性动子3随之向右运动产生变化磁场，定子绕组7产生相应感生电动势并输出电能存储到微型蓄电池组40；该过程中，由于配气开关阀4处于关闭状态，且热端气室i**不加热，冷端气室i*也不散热；气体弹簧室i中的大部分气体密封在热端气室i**中，且随着固连在动子活塞杆1上的配气活塞6向右运动而被压缩，以储蓄机械能；
49.气体交换过程：
50.该过程从动力活塞2向右膨胀开启排气通道9开始，至动力活塞2向左运动返回排气通道9并将其关闭结束；燃烧和膨胀过程结束时，动力活塞2紧邻排气通道9左边缘，此时，燃烧产生的高温高压气体仍有大量化学能，继续推动动子活塞杆1向右膨胀并开启排气通道9，高温高压气体从排气通道9以超音速排出；此时，完全预混燃料经过增压后通过进气通道14和进气单向阀13挤入燃烧室15和动力气缸16，并将其中的燃烧残余废气通过排气通道9清扫出去；动子活塞杆1则在惯性力作用下继续向右膨胀直至速度完全为零，并在气体弹簧室i中的气体的作用下开始加速向左回弹，直至动力活塞2反向到达排气通道9左边缘将其关闭；
51.该过程中，由于配气开关阀4处于关闭状态，且热端气室i**不加热，冷端气室i*也不散热；气体弹簧室i中的大部分气体密封在热端气室i**中，且随着固连在动子活塞杆1上的配气活塞6向右运动而被压缩储蓄机械能，当动子活塞杆1到达右止点后，气体弹簧室i中气体储存的能量开始释放并向左推动动子活塞杆1直至动力活塞2反向到达排气通道9左边缘将其关闭；
52.该过程中，磁性动子3首先随动子活塞杆1向右运动产生变化磁场，定子绕组7产生相应感生电动势并输出电能存储到微型蓄电池组40中；当动子活塞杆1到达右止点后，磁性动子3又随其向左运动，定子绕组7产生反向感生电动势并输出电能存储到微型蓄电池组40中；以上三个过程为本实施例的发电机在内燃机工作模式下的一个完整工作循环，如此循环往复，则该发电机不断的将燃料化学能转化为电能；
53.2)采用太阳能、地热能、木柴能和其他废热能时，该发电机工作在外燃机工作模式
54.此时，排气开关阀8闭合，排气通道9关闭，动力气室iii内的气体密闭不与外界发生气体交换，并随着动子活塞杆1上固连的动力活塞2的往复运动周期性的被压缩和复原，其作用等同于气体弹簧；磁力发电室ii的作用是利用固连在动子活塞杆1上的磁性动子3的往复运动产生交变磁场，在定子绕组7内产生感生电动势并输出电能存储到微型蓄电池组40中；气体弹簧室i中的配气开关阀4打开，配气通道17开启，则冷端气室i*和热端气室i**
连通；其中，热端气室i**与外部热源相连对其内部气体工质进行加热，冷端气室i*可与外部冷源相连对其内部气体工质进行散热；
55.在外燃机工作模式中，气体弹簧室i成为动力源，而动力气室iii则成为气体弹簧，起到回复动子活塞杆1的作用；气体工质(氦气、空气或氢气)被密封在气体弹簧室i中，热端气室i**内的气体工质受热后膨胀，推动配气活塞6运动，气体工质在冷端气室i*和热端气室i**之间往复流动，使得该发电机对外做功；在外燃机工作模式下，配气活塞6工作的平衡位置为配气活塞6将气体弹簧室i平分为冷端气室i*和热端气室i**的中轴线，其一个完整工作循环如下：
56.加热膨胀：
57.配气活塞6由平衡位置向左移动，气体工质通过配气通道17被排挤到热端气室i**，气体工质受热膨胀推动动子活塞杆1向左运动至左止点，动力气室iii内的气体工质被压缩，压力升高；
58.压力收缩：
59.配气活塞6处于左止点时，动力气室iii内的气体工质压力高于热端气室i**内气体工质的压力，动子活塞杆1在动力气室iii内气体工质的压力作用下向右侧运动，热端气室i**内的气体工质通过配气通道17被排挤到冷端气室i*，气体弹簧室i内的气体工质被冷却降温，气体工质体积收缩；
60.冷却收缩：
61.当配气活塞6向右运动越过平衡位置后，更多的气体工质通过配气通道17被排挤到冷端气室i*，气体工质继续冷却降温并收缩，吸引动子活塞杆1继续向右运动至右止点，动力气室iii内的气体工质体积增大，压力降低；
62.压力膨胀：
63.配气活塞6处于右止点时，气体弹簧室i内的气体工质压力高于动力气室iii内的气体工质压力，动子活塞杆1在气体弹簧室i内气体工质的作用下开始向左侧运动，冷端气室i*内的气体工质通过配气通道17被输送到热端气室i**，气体弹簧室i内的气体工质被加热升温，气体工质体积膨胀；
64.以上四个过程为该发电机在外燃机工作模式下，动子活塞杆1的一个完整工作循环过程，固连在动子活塞杆1上的磁性动子3进行往复运动产生交变磁场，定子绕组7产生感生电动势并输出电能存储到微型蓄电池组40，如此循环往复，则该发电机不断的将外界热能转化为电能。
65.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。