一种耦合温差发电的斯特林发动机系统及运行方法

摘要

本发明公开了一种耦合温差发电的斯特林发动机系统及运行方法，主要应用于反应堆动力系统等领域中，可以作为千瓦级以上的移动式孤岛电源用于偏远地区供电。该系统包含小型反应堆热源、循环泵、分流阀、斯特林发动机、发电机、温差发电系统、蓄电池和汇集三通阀。本发明系统可以在三种运行方式下运行，通过调整分流阀开度，按照外界负荷需求分配斯特林发动机和温差发电系统的输出功率，使斯特林发动机承担稳定的基本负荷，利用温差发电系统快速响应的特性，承担外界负荷小幅度波动变化带来的输出功率变化，提高了系统的变负荷运行灵活性。

权利要求

1.一种耦合温差发电的斯特林发动机系统的运行方法，该系统包括小型反应堆热源(1)、循环泵(2)、分流阀(3)、斯特林发动机(4)、发电机(5)、汇集三通阀(6)、温差发电系统(7)和蓄电池(8)；

小型反应堆热源(1)的出口端连接循环泵(2)的入口端，循环泵(2)出口端与分流阀(3)的入口相连，分流阀(3)将进入温差发电系统(7)的高温工质分流出来，并从分流阀(3)的第二出口(3.2)输送至温差发电系统(7)高温侧的入口端，温差发电系统(7)高温侧的出口端连接汇集三通阀(6)的第二入口(6.2)，温差发电系统(7)的低温侧通入冷却水冷却，冷却水流向与高温工质流向相反，在温差发电系统(7)内部形成温差并产生电流，产生的电能储存在蓄电池(8)中；

分流阀(3)第一出口(3.1)连接斯特林发动机(4)高温侧的进口端，斯特林发动机(4)高温侧的出口端连接汇集三通阀(6)的第一入口(6.1)，斯特林发动机(4)的低温侧通入冷却水冷却，斯特林发动机(4)输出动力带动发电机(5)发电，汇集三通阀(6)出口连接小型反应堆热源(1)入口端；

所述温差发电系统(7)采用半导体温差发电系统，半导体温差发电系统利用塞贝克效应，利用温差在半导体中直接产生电动势，将热能转换为电能，具有响应快的优点；

其特征在于：所述的耦合温差发电的斯特林发动机系统的运行方法，具有三种运行方式：(一)、在外界负荷需求较低或无负荷需求条件下，停用斯特林发动机(4)和发电机(5)，利用小型反应堆热源(1)加热少量循环工质，通入温差发电系统(7)并输出少量电能，直接使用或在蓄电池(8)中储存；(二)、在外界负荷需求较高且负荷稳定条件下，单独启用斯特林发动机(4)带动发电机(8)发电；(三)、在外界负荷需求不稳定时，为应对频繁波动变化的外界负荷需求，同时启用斯特林发电系统和温差发电系统(7)发电，当负荷需求变化时，通过改变分流阀(3)第二出口(3.2)的开度来改变流入温差发电系统(7)的工质流量，保持进入斯特林发动机(4)的工质流量不变，利用温差发电系统(7)的快速响应特性实现系统输出功率的快速变化，满足波动的外界负荷需求；

通过温差发电和斯特林发动机带动发电机发电，在三种运行方式间灵活切换，实现系统全工况自适应灵活运行；在较低负荷需求下，系统以运行方式(一)运行，分流阀(3)仅开启第二出口(3.2)，控制高温工质流入温差发电系统(7)进行发电；当负荷需求上升，温差发电系统输出功率无法满足外界需要时，开启分流阀(3)的第一出口(3.1)，控制高温工质流入斯特林发动机(4)，带动发电机(5)发电；当外界负荷需求稳定后，逐渐关闭分流阀(3)的第二出口(3.2)，开大分流阀(3)的第一出口(3.1)，将流入温差发电系统(7)的工质流量转移至斯特林发动机(4)所在循环回路中，系统可以维持在运行方式(二)，使发电机(5)承载外界稳定负荷；部分开启分流阀(3)的第二出口(3.2)开度，维持温差发电系统(7)运行，系统处于在运行方式(三)；此时保持分流阀的第一出口(3.1)流量不变，维持斯特林发动机(4)的输出功率稳定，使发电机(5)承担大部分基本负荷，温差发电系统(7)承担小部分负荷；当外界负荷需求发生小范围快速变化时，通过改变分流阀(3)的第二出口(3.2)开度调节流量，快速改变温差发电系统(7)的输出功率，使温差发电系统(7)承担外界负荷的快速变化部分，而斯特林发动机(4)的输出功率保持不变，增加系统在变负荷时的运行灵活性，既能满足外界负荷变化需要，又能避免频繁改变斯特林发动机的转速，影响部件使用寿命。

说明书

一种耦合温差发电的斯特林发动机系统及运行方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种斯特林发动机系统，特别涉及一种耦合温差发电的斯特林发动机系统及运行方法。

背景技术

[0002] 斯特林发动机采用闭式循环，是一种依靠外部热源加热，气体工质压缩膨胀，将热能转化为机械能的活塞式动力机械。由于具有热源适应性强、循环效率高、噪声小，使用寿
命长等优点，因此斯特林发动机在太阳能光热发电、余热利用和舰船动力等领域具有广阔
的应用前景。将斯特林发动机与小型一体化反应堆结合，可以作为千瓦级以上的移动式孤
岛电源用于偏远地区供电。对于一个恒温热源驱动的斯特林发动机系统，当外界负荷需求
变化时，斯特林发动机输出功率变化通过改变转速来实现。相应地，需要改变斯特林发动机
高温侧工质流量和冷却工质流量以适应变负荷需求。因此斯特林发动机在变负荷过程中存
在一定迟滞现象，不能满足快速变化的外界负荷的需要。此外，转速频繁变化将对斯特林发
动机部件寿命产生影响。

发明内容

[0003] 本发明是为了提高斯特林发动机系统在变负荷运行时灵活性，避免因外界负荷频繁波动变化带来的部件寿命问题，提供一种耦合温差发电的斯特林发动机系统及运行方
法，能够实现快速变负荷运行。

[0004] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0005] 耦合温差发电的斯特林发动机系统，包括小型反应堆热源1、循环泵2、分流阀3、斯特林发动机4、发电机5、汇集三通阀6、温差发电系统7和蓄电池8；

[0006] 小型反应堆热源1的出口端连接循环泵2的入口端，循环泵2出口端与分流阀3的入口相连，分流阀3将进入温差发电系统7的高温工质分流出来，并从分流阀3的第二出口3.2
输送至温差发电系统7高温侧的入口端，温差发电系统7高温侧的出口端连接汇集三通阀6
的第二入口6.2，温差发电系统7的低温侧通入冷却水冷却，冷却水流向与高温工质流向相
反，在温差发电系统7内部形成温差并产生电流，产生的电能储存在蓄电池8中；

[0007] 分流阀3第一出口3.1连接斯特林发动机4高温侧的进口端，斯特林发动机4高温侧的出口端连接汇集三通阀6的第一入口6.1，斯特林发电机4的冷端通入冷却水冷却，斯特林
发动机4输出的动力带动发电机5产生电能，汇集三通阀6出口连接小型反应堆热源1入口
端。

[0008] 本发明所述的耦合温差发电的斯特林发动机系统，通过分流阀3改变高温工质在斯特林发动机和温差发电系统之间的流量分配，系统可以在不同负荷需求下启用不同的运
行模式。本系统可以在三种运行方式下运行：(一)、在外界负荷需求较低或无负荷需求条件
下，停用斯特林发动机4和发电机5，利用小型反应堆热源1加热少量循环工质，通入温差发
电系统7并输出少量电能，直接使用或在蓄电池8中储存；(二)、在外界负荷需求较高且负荷
稳定条件下，单独启用斯特林发动机4带动发电机8发电；(三)、在外界负荷需求不稳定时，
为应对频繁波动变化的外界负荷需求，同时启用斯特林发电系统和温差发电系统7发电，当
负荷需求变化时，通过改变分流阀3第二出口3.2的开度来改变流入温差发电系统7的工质
流量，保持进入斯特林发动机4的工质流量不变，利用温差发电系统7的快速响应特性实现
系统输出功率的快速变化，满足波动的外界负荷需求。

[0009] 本系统通过温差发电和斯特林发动机带动发电机发电的三种运行方式灵活切换，实现系统全工况自适应灵活运行；在较低负荷需求下，系统以运行方式(一)运行，分流阀3
仅开启第二出口3.2，控制高温工质流入温差发电系统7进行发电；当负荷需求上升，温差发
电系统输出功率无法满足外界需要时，开启分流阀3的第一出口3.1，控制高温工质流入斯
特林发动机4，带动发电机5发电；当外界负荷需求稳定后，逐渐关闭分流阀3的第二出口
3.2，开大分流阀3的第一出口3.1，将流入温差发电系统7的工质流量转移至斯特林发动机4
所在循环回路中，系统可以维持在运行方式(二)，使发电机5承载外界稳定负荷。部分开启
分流阀3的第二出口3.2开度，维持温差发电系统7运行，系统处于在运行方式(三)。此时保
持分流阀3的第一出口3.1流量不变，维持斯特林发动机4的输出功率稳定，使发电机5承担
大部分基本负荷，温差发电系统7承担小部分负荷；当外界负荷需求发生小范围快速变化
时，可以通过改变分流阀3的第二出口3.2开度，快速改变温差发电系统7的输出功率，使温
差发电系统7承担外界负荷快速变化的部分，而斯特林发动机4的输出功率保持不变，增加
系统在变负荷时的运行灵活性，既能满足外界负荷变化需要，又能避免频繁改变斯特林发
动机的转速，影响部件使用寿命。

[0010] 半导体温差发电系统利用塞贝克效应，利用温差在半导体中直接产生电动势，将热能转换为电能，具有结构简单、装置体积小、响应速度快等显著优点，本发明将温差发电
系统与斯特林发动机结合，构建互补式发电的耦合循环系统，利用温差发电系统的快速响
应特性满足外界负荷快速变化需求，可以提高系统的变负荷灵活性，避免因转速频繁变动
而缩短斯特林发动机部件使用寿命。本发明带来以下益处：

[0011] (1)本发明一种耦合温差发电的斯特林发动机系统，结合了两种发电方式，能够根据不同负荷需求切换三种运行方式，提高了变工况适应性和灵活性；

[0012] (2)本发明系统还能够在外界负荷需求频繁变化的情况下，通过改变温差发电系统的输出功率，提高系统对负荷变化的反应速度，增强系统灵活性；

[0013] (3)本发明系统适用于小型反应堆热源，且具有结构紧凑的优点，可以在多种场合作为千瓦级以上的小型化移动电源为偏远地区局部电网供电，满足频繁变化的负荷需求。

附图说明

[0014] 图1为耦合热温差发电的斯特林发动机系统的结构示意图。

[0015] 图中：小型反应堆热源1、循环泵2、分流阀3、斯特林发动机4、发电机5、汇集三通阀6、温差发电系统7、蓄电池8。

具体实施方式

[0016] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

[0017] 具体实施方式一：参照图1说明本发明的本实施方式，本实施方式所述的耦合温差发电的斯特林发动机系统，包括：小型反应堆热源1、循环泵2、分离阀3、斯特林发动机4、发
电机5、汇集三通阀6、温差发电系统7和蓄电池8。

[0018] 小型反应堆热源1的出口端连接循环泵2的入口端，循环泵2出口端与分流阀3的入口相连，分流阀3将进入温差发电系统7的高温工质分流出来，并从分流阀3的第二出口3.2
输送至温差发电系统7高温侧的入口端，温差发电系统7高温侧的出口端连接汇集三通阀6
的第二入口6.2，温差发电系统7的低温侧通入冷却水冷却，冷却水流向与高温工质相反，在
温差发电系统7内部形成温差并产生电流，产生的电能储存在蓄电池8中。

[0019] 分流阀3的第一出口3.1连接斯特林发动机4高温侧的进口端，斯特林发动机4高温侧的出口端连接汇集三通阀6的第一入口6.1，斯特林发电机4的冷端通入冷却水冷却，斯特
林发动机4输出的动力带动发电机5产生电能，汇集三通阀6出口连接小型反应堆热源1入口
端。

[0020] 本发明所述的耦合温差发电的斯特林发动机系统，通过分流阀3改变高温工质在斯特林发动机和温差发电系统之间的流量分配，系统可以在不同负荷需求下启用不同的运
行模式。本系统可以在三种运行方式下运行：(一)、在外界负荷需求较低或无负荷需求条件
下，停用斯特林发动机4和发电机5，利用小型反应堆热源1加热少量循环工质，通入温差发
电系统7并输出少量电能，直接使用或在蓄电池中储存；(二)、在外界负荷需求较高且负荷
稳定条件下，单独启用斯特林发动机4带动发电机8发电；(三)、在外界负荷需求不稳定时，
为应对频繁波动变化的外界负荷需求，同时启用斯特林发电系统和温差发电系统7发电，当
负荷需求变化时，通过改变分流阀3第二出口3.2的开度来改变流入温差发电系统7的工质
流量，保持进入斯特林发动机4的工质流量不变，利用温差发电系统7的快速响应特性填补
外界负荷缺口，实现系统输出功率的快速变化。

[0021] 本发明系统通过温差发电和斯特林发动机带动发电机发电的三种运行方式灵活切换，实现系统全工况自适应灵活运行。在较低负荷需求下，系统以运行方式(一)运行，分
流阀3仅开启第二出口3.2，控制高温工质流入温差发电系统7进行发电；当负荷需求上升，
温差发电系统输出功率无法满足外界需要时，开启分流阀3的第一出口3.1，控制高温工质
流入斯特林发动机4，带动发电机5发电；当外界负荷需求稳定后，逐渐关闭分流阀3的第二
出口3.2，开大分流阀3的第一出口3.1，将流入温差发电系统7的工质流量转移至斯特林发
动机4所在循环回路中，系统可以维持在运行方式(二)，使发电机5承载外界稳定负荷。部分
开启分流阀33的第二出口3.2开度，维持温差发电系统7运行，系统处于在运行方式(三)。此
时保持分流阀3的第一出口3.1流量不变，维持斯特林发动机4的输出功率稳定，使发电机5
承担大部分基本负荷，温差发电系统7承担小部分负荷；当外界负荷需求发生小范围快速变
化时，可以通过改变分流阀3的第二出口3.2开度，快速改变温差发电系统7的输出功率，使
温差发电系统7承担外界负荷快速变化的部分，而斯特林发动机4的输出功率保持不变，增
加系统在变负荷时的运行灵活性，既能满足外界负荷变化需要，又能避免频繁改变斯特林
发动机的转速，影响部件使用寿命。