斯特林发动机驱动充气式增氧机系统的制作方法

本发明涉及一种池塘增氧设备，具体是一种斯特林发动机驱动充气式增氧机系统。

背景技术：

增氧机是现代水产养殖不可缺少的一种工具。据统计，我国拥有淡水面积约2.7亿亩，可供养殖水面约7500万亩，其中池塘2000万亩。水产养殖环境的好坏，直接影响着水产品的产量和质量，进而影响养殖户的经济收入。目前，水产养殖都是以高密度的饲养模式来实现经济效益的最大化，然而高密度养殖在遇到水体环境变化，如天气变化、水体外部污染、水产品产生的粪便超过自然分解量、大量施肥时，都会造成水体部分或严重缺氧，不仅威胁水产品的正常生长，严重时甚至会引发水产品大规模死亡的事故。因此，在天气炎热、大量施肥等情况下，都需要通过增氧机为养殖池塘提供氧气，改善水产品的养殖环境。

增氧机，或称供养机，可增加水中的氧气含量，以确保水中的水产品不会因缺氧而影响正常生长或死亡，与此同时也能抑制水中厌氧茵的生长，防止水体变质而威胁水产品的生存环境。

现有的池塘增氧机有多种类型，按照结构和工作原理的不同有叶轮式、水车式、射流式、喷水式、充气式等。其中叶轮式增氧机，需要将池塘的水抽出水面，因此叶轮安装在池塘水面的中下深度，造成增氧机系统的负荷大，需要耗费较多动能。水车式增氧机由于产品结构设计的原因，无法有效扩大增氧面积，经常出现水底的含氧量远远小于水面含氧量的情况，当水底水质产生变异或毒气超标时水底无法有效溶氧，造成水底无氧或氧份不足，导致鱼虾浮头，甚至死亡事件。

根据工作工程中增氧机是否可以移动，可分为在池塘固定位置的固定式增氧机和漂浮移动式增氧机两种。采用电力驱动增氧机的方式都需要电线连接，特别是浮动式增氧机由于电线的存在，在移动时会很不方便，而当电线出现老化、破损及电机故障时，这对于池塘里的水产品及养殖人员来讲都是一项非常严重的安全隐患。

目前市场上的池塘增氧机基本上都是由市电直接供电，但由于养殖池塘的地点一般比较偏僻，分布上比较分散等原因，电网往往难以有效覆盖，给池塘增氧机的安装及使用带来非常大的困难，而且运行过程中电力费用较高，增加了养殖成本。同时，由于电力供给的日趋紧张，尤其是在最需要增氧的炎热潮闷的夏季，往往是电力供给难以保证的时段，缺电和电力供给不正常使增氧机难以正常使用，常常给池塘养殖带来巨大的损失。再是架设输电线路及其维护过程耗资巨大，所以寻找一种成本相对低廉、质量可靠且智能化的池塘增氧机势在必行。

斯特林发动机，又叫热气机，是一种外部燃烧(加热)的封闭式活塞发动机，具有燃料来源广、噪音低、理论热效率高、环境污染小、综合成本低廉、维护方便且易于推广的优点，可以应用在许多领域内作为清洁高效的动力机。

斯特林发动机对于燃料的适应性很强，可用能源除了煤、石油、天然气外，还可以利用太阳能、原子能、化学能以及木材、秸秆等农林废弃物燃烧所放出来的热能。例如，斯特林发动机可适用于聚光太阳能的热发电，还可利用化工、冶金等工业可燃废气、废热来作为动力热源，这使得斯特林发动机可运行于环境温度变化范围较大的许多不同环境中。

斯特林发动机可将热转化为功，有利于使用太阳能、生物质能、工业废气废热等低品位能源。如在太阳能斯特林机发电装置中，太阳光通过聚集装置，将太阳能聚集在斯特林发动机的加热缸部分，缸内工质被加热并膨胀，使得斯特林发动机运行，从而带动电动机进行发电。

斯特林发动机的热效率很高，理论上斯特林循环效率等于相同状态下的卡诺效率，实验表明斯特林发动机的实际有效效率可以达到32％～40％，最高甚至可达47％。斯特林发动机运行的污染物排放少，作为一种外燃机，燃料可以在足够的空气下连续燃烧，燃烧比较充分，与内燃机相比，排放的一氧化碳和碳氢化合物等有害气体大大减少。

斯特林发动机没有气阀机构，工质在汽缸内的压力变化接近正弦波形，而且燃烧不会产生的爆震和排气波，因而运转比较平稳，噪音比较小；例如stm生产的50kw的斯特林发动机在裸机工作时，1m处的噪音低于75db。

斯特林发动机的运转比较平稳，扭矩比较均匀，超负荷能力强(可以在超负荷50％的情况下仍然能正常运转)，相比之下内燃机超负荷能力只有5％～15％。另外，斯特林发动机结构简单，比内燃机少40％的零部件，例如自由活塞式斯特林发动机只有密封的汽缸和活塞，没有容易出故障的气阀机构、高压喷油系统和需要良好润滑的活塞环，维修也比较方便。

斯特林发动机由于采用封闭式循环，能够采用远大于大气压力的高压气体工作，提高发动机单位重量的功率，减小发动机的体积和重量。同时由于采用外燃方式，工质不直接参与燃烧，因此可允许燃料具有较高的杂质含量。另外，斯特林发动机在封闭式循环中工质与大气隔绝，使得它非常适合于高海拔地区使用。斯特林发动机的单机容量可以较小，机组容量可从20-50kw，因此方便因地制宜地增减系统的容量。

目前，已有不少单位在研制利用太阳能和风能的增氧机。例如cn201520709681.9中介绍了一种太阳能鱼塘增氧机，在白天有光照时，太阳能电池组件将太阳能转变为电能为鱼塘增氧机供电，剩余电能储存在蓄电池中。夜间及阴雨天时，蓄电池的储存电量可继续为鱼塘增氧机供电，当蓄电池深度放电无法继续给鱼塘增氧机供电时，光伏控制器发挥作用，防止蓄电池过度放电损坏，从而实现了光电有效转化和电能的合理利用。

cn201520368072.1公开了一种水产养殖用太阳能增氧机设备，包括增氧机壳体、太阳能板、叶轮、驱动电机，将以上部分按照固有顺序组装，当太阳能板接受太阳能时，浮筒支撑增氧机浮于水面，蓄电池带动驱动电机转动，电机带动叶轮转动，从而带动孔增氧管转动，实现了鱼塘供氧。该发明充分利用了太阳能，减少电力使用，节约了生产成本。

cn201510693995.9中公布了一种水产养殖风力叶轮增氧机，包括底座，底座的周围设有连杆，连杆的一端与底座固定连接，连杆的另一端设有浮球，底座上设有支撑筒，支撑筒顶部设置转盘，转盘设置向下凸起的外沿，外沿内侧与套在支撑筒上的轴承连接，支撑筒顶部的轴承下方设置轴承挡套，支撑筒顶部的外沿设置有一个支撑转盘的滚动珠，太阳能板支架设置在底座和支撑筒的一侧，转盘上设置风力转动装置。当满足风力条件时，就可以驱动增氧机工作。

综上所知，增氧机在池塘养殖业方面应用很广，但是在目前市面上已有的增氧机及相关发明专利在现实使用过程中仍存在诸多问题。如利用太阳能电池板发电后驱动增氧机工作，由于其中需要经过光电转换过程，目前即便是太阳能电池板中光电转换效率最高的单晶硅太阳能电池，其实验室光电转换效率最高也只能达到24％左右，商用光电转换效率仅能达到17％，太阳能电池板成本较高且占地面积大。风力直接驱动或者风力发电后驱动增氧机，在风速较小的情况下，难以达到有效增氧的要求。因此，积极开发一种成本相对低廉、质量可靠的池塘增氧机是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明目的是利用太阳能的光热，无机可燃物或有机可燃物(如化石能源及衍生物、生物质及衍生物、工业可燃废弃物等)燃烧产生热量，或者生产生活余热来驱动斯特林机进行动作，再通过一定传动装置使池塘充气式增氧机工作，完成池塘的供氧作业。

本发明具体所采用的技术方案为：

一种斯特林发动机驱动充气式增氧机系统，包括增氧机以及与增氧机连接的供气管道，其特征是，还包括底座，底座上设有斯特林发动机加热缸和斯特林发动机冷却缸，斯特林发动机加热缸与太阳能聚集装置位置匹配；还包括与斯特林发动机加热缸连接的第一连杆、与斯特林发动机冷却缸连接的第二连杆，第一连杆连接大飞轮，大飞轮连接主齿轮，第二连杆连接小飞轮，小飞轮连接副齿轮，主齿轮和副齿轮相互啮合，副齿轮连接增氧机，作为增氧机的动力输入。白天有阳光时，太阳光通过太阳能聚集装置汇聚到斯特林发动机的加热缸部分，缸内工质被加热并膨胀，当达到启动工况后斯特林发动机开始动作，动力通过一定传动装置，带动充气式增氧机工作。

本发明还包括太阳跟踪机构，驱动太阳能聚集装置的动作，使聚光镜的轴线对准太阳，反射镜始终与太阳保持一个最佳角度，最大效率地采集太阳光的能量。

所述太阳能聚集装置根据所用聚光镜的不同，可以采用槽式抛物面反射镜、菲涅尔原理反射镜、碟式旋转抛物面反射镜等将太阳光线聚集或点聚焦到斯特林发动机加热缸，优选碟式旋转抛物面反射镜。上述太阳光发射镜的焦点可不必直接落在加热缸的表面上，加热缸吸热面可布置于焦点前后方。

为充分利用太阳能，本发明还包括发电机、蓄电装置和小齿轮，小齿轮与副齿轮啮合，带动发电装置进行发电，并将电力储存在蓄电装置内，电力可提供一定照明或者为太阳跟踪装置、控制系统等提供能源。

进一步，本发明还设有电动机，电动机与副齿轮同轴，并由蓄电装置提供电力使电动机带动增氧机工作，从而保证充气式增氧机能够在不同季节、多种天气条件下按照需求进行池塘水体增氧作业。另外，斯特林发动机在启动时会遇到较大的摩擦阻力，为辅助斯特林发动机顺利完成启动过程，从而带动充气式增氧机工作，斯特林发动机在启动过程中可由电动机提供短时间的启动动力。

本发明还包括与斯特林发动机加热缸匹配的燃气喷嘴，以及置于斯特林发动机加热缸下部的固体或液体燃料补燃料仓。当白天阳光较弱或者夜晚时，通过无机可燃物或有机可燃物的燃烧产生热量。

本发明还包括与斯特林发动机加热缸匹配的余热换热装置，利用生产生活余热作为补充热源来驱动斯特林机动作。

本发明的固体或液体燃料补燃料仓、燃气喷嘴可使用多种燃料，将固体或液体可燃燃料放置于斯特林发动机加热缸下部的凹型补燃料仓内，或者将可燃气体通入燃气喷嘴，通过人工点火、电子点火、等离子点火、电阻丝点火等一种或多种方式将燃料点燃，产生热量驱动斯特林发动机进行工作，点火过程中可加入适当的助燃物质。当有温度合适的工业余热、生活废热时，也可通过斯特林发动机加热缸外部的热交换器或者直接加热斯特林发动机加热缸的方式，驱动斯特林发动机进行工作。

上述固体或液体可燃燃料，可以为化石能源及衍生物、生物质及衍生物、工业可燃废弃物等，优选生物质及衍生物。其中化石能源及衍生物，可选择如石油、汽油、煤油、柴油、润滑油、重油、乙醇、乙醚、苯、甲苯、二甲苯、乙苯、氯丁烷、甲醇、正丙醇、乙醚、乙醛、丙酮、甲酸甲酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯、乙腈、丙烯腈、呋喃、吡啶、正壬烷、正癸烷、二乙苯、正丙苯、苯乙烯、正丁醇、福尔马林、乙酸、乙二胺、硝基甲烷、石蜡、渣油、沥青、煤炭、煤矸石、焦炭、合成纤维、合成橡胶、合成塑料等一种或多种混合物。其中生物质及衍生物，可选择如木材及加工废弃物、农作物秸秆、杂草、植物性油脂、动物性油脂、生物乙醇、木炭、废旧的棉、麻、纸、蚕丝、生物柴油、天然橡胶、人工板材、包装纸板等一种或多种混合物。其中工业可燃废弃物，可选择如废轮胎、废塑料、水泥刨花板、酚醛塑料、聚氯乙烯塑料、脲甲醛塑料、三聚氰胺塑料等一种或多种混合物。除上述以外，经干燥后的污泥、高浓度有机废水、农业废塑料薄膜等也可作为斯特林发动机的固体或液体可燃燃料。

上述斯特林发动机的固体或液体可燃燃料，可选择化石能源及衍生物、生物质及衍生物、工业可燃废弃物等中的一种或者多种的混合物作为燃料。

上述可燃气体燃料，可以为天然气、煤气、石油气、水煤气、氢气、一氧化碳、甲烷、焦炉气、高炉气、沼气、生物质气化气、硫化氢、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯、丙烯、乙炔、氯乙烯、甲醛、甲胺、环氧乙烷、油田伴生气、硫氧化碳、发生炉煤气等中的一种或者多种的混合物。

本发明中，所述的充气式增氧机，将空气加压后通过水底的微孔管道或者滤芯，排出微小气泡，为池塘水体提供氧气。

为监测斯特林发动机是否满足启动条件，所述的斯特林发动机驱动充气式增氧机系统可设置相应的传感器，如在斯特林发动机加热缸部分设置温度传感器或者检测太阳光强度的光电传感器，将传感器测量信号反馈到控制系统，判断斯特林发动机是否满足启动条件，由蓄电装置提供电力使电动机完成对斯特林发动机的启动过程。

所述斯特林发动机驱动充气式增氧机系统，为了简便的需要，有些场合发电机也可作为电动机使用，即发电机和电动机为一体，不再另外设置电动机。

斯特林发动机运动过快或过慢都对系统运转不利，为监测斯特林发动机驱动充气式增氧机系统的工作状态，可设置相应的测速装置，如测量主、副齿轮的转速，或者主轴的转速，将转速测量信号反馈到控制系统，判断斯特林发动机的工作状态。当斯特林发动机的运动过快或过慢时，通过调整太阳光发射镜焦点的位置，或者无机可燃物或有机可燃物的燃料量多少、或者生产生活余热的温度高低，实现斯特林发动机运转在合适的范围之内。

所述控制系统，是指控制整个斯特林发动机驱动充气式增氧机系统的工作，包括太阳能聚集装置中太阳跟踪机构控制、太阳光发射镜焦点位置调整、斯特林发动机辅助电动机启动、传感器信号处理、无机可燃物或有机可燃物燃料量调整、生产生活余热的温度调整、系统故障报警、系统工作状态提示等功能。

本发明的有益效果在于：

1)采用斯特林发动机驱动充气式增氧机系统工作，具有燃料来源广、噪音低、运转平稳、环境污染小、综合成本低、维护方便等优点；

2)直接利用太阳光的热量使斯特林发动机为充气式增氧机提供动力，避免了太阳能电池板发电后再驱动增氧机工作的光电转换过程，与后者相比提高太阳光的能量利用率2.5～3倍；一般阳光越好时，池塘增氧越需要大功率作业，而此时斯特林发动机因太阳能聚集温度较高，其运转速度也越快，可实现与增氧作业需求间的良好适配性；

3)可采用太阳能光热、无机可燃物或有机可燃物的燃烧热、生产生活余热来共同使斯特林发动机工作，具有很好的多种类型能源互补性，可满足增氧机在不同季节、多种气候条件下的作业需求；

4)以多种能源作为斯特林发动机的动力源，具有节能、环保、经济等优势，可不必需要外部电源，避免了长距离的输配电网建设，节省了投资；斯特林发动机驱动充气式增氧机系统运行过程噪音低，有利于水产品的养殖，而且充气式增氧机能使水体上下平缓地溶氧，不损伤水产品身体，特别适合鱼虾苗池的增氧使用；

5)通过设置斯特林发动机辅助启动系统、测速装置及整体控制系统，可以实现斯特林发动机驱动充气式增氧机系统在较低热源温度下的启动运行，并能实现在安全运行区间下的状态调整，延长装置的使用寿命。

附图说明

斯特林发动机的结构类型有很多，主要有α型、β型和γ型等三种，以及依上述三种基础结构变换而来的多种变异结构，本发明所指斯特林发动机是指斯特林发动机的所有类型，包括多缸形式。为了更形象地阐述此发明中斯特林发动机驱动充气式增氧机的工作过程，附图中仅选用斯特林发动机的一种形式。同样，斯特林发动机驱动充气式增氧机系统的结构仅为最佳示出，可对其结构进行一定变型。

图1是斯特林发动机驱动充气式增氧机系统的结构俯视图

图2是斯特林发动机驱动充气式增氧机系统的结构正视图

图3是斯特林发动机驱动充气式增氧机系统a处的向视图

图4是斯特林发动机驱动充气式增氧机系统b处放大图

图5是斯特林发动机驱动充气式增氧机系统斯特林发动机加热缸4联合加热系统

具体实施方式

实施例1

以下结合附图，对本发明的工作过程作进一步详细描述。

如图1、3所示，本发明包括底座3，底座3上设有斯特林发动机加热缸4和斯特林发动机冷却缸5，斯特林发动机加热缸4与太阳能聚集装置17位置匹配，即加热缸4布置在太阳能聚集装置17的焦点前后；斯特林发动机加热缸4连接第一连杆2，斯特林发动机冷却缸5连接第二连杆6，第一连杆2连接大飞轮1，大飞轮1连接主齿轮10，第二连杆6连接小飞轮15，小飞轮15连接副齿轮14，主齿轮10和副齿轮14相互啮合，副齿轮14连接增氧机7，作为增氧机7的动力输入，增氧机7上连接供气管道22。在斯特林发动机加热缸4下部设有固体或液体燃料补燃料仓19，在斯特林发动机加热缸4相应位置设有与之匹配的燃气喷嘴20。

如图2、4所示，还包括发电机11、蓄电装置8和小齿轮16，小齿轮16与副齿轮14啮合，带动发电装置进行发电，并将电力储存在蓄电装置8内。

如图5所示，还设有太阳跟踪机构18，驱动太阳能聚集装置17的动作，使聚光镜的轴线对准太阳，反射镜始终与太阳保持一个最佳角度，最大效率地采集太阳光的能量。

在斯特林发动机加热缸4设有余热换热装置。

在所示图中，飞大轮1、主齿轮10、电动机9、小飞轮15安装在同一根轴的，即电机主轴。斯特林发动机加热缸4、第一连杆2、大飞轮1、小飞轮15、第二连杆6、斯特林发动机冷却缸5组成曲柄连杆机构，将斯特林发动机的往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，从而带动发电机和充气式增氧机工作。斯特林发动机加热缸4可采用耐高温的不锈钢或陶瓷材料，可以承受超过较高的热源温度且不易变形生锈，避免了因加热缸长期温度过高引起变形而导致不能正常运转。斯特林发动机的工质气体可选用氢或氦，高压下具有较强的传热能力。斯特林发动机冷却缸5外表面布置散热肋片，强化散热，提高斯特林发动机的效率。

斯特林发动机工作主轴上的主齿轮10与副齿轮14、小齿轮16啮合在一起，当斯特林发动机运转时，通过曲柄连杆机构带动主齿轮10及副齿轮14、小齿轮16转动，其中副齿轮14与充气式增氧机7在同一根输出轴上，小齿轮16与发电机11在同一根轴上，因此当主齿轮10转动时就可带动发电机11及充气式增氧机7工作。通过发电机11发电，把电能储存在蓄电装置8里面。测速装置13可以测量副齿轮的转速，将测量信号反馈到控制系统12，依此判断斯特林发动机的工作状态。充气式增氧机7是柱塞泵式的，当副齿轮14带动轴转动时，充气式增氧机7会向通入池塘水内的管道注入空气，通过水底的微孔管道或者滤芯，排出微小气泡，为池塘水体提供氧气。另外在增氧过程中还可以把池塘底层的腐殖质、粪便搅动，加速粪便的分解，给鱼群提供一个清洁的生存环境。

在阴雨天或夜晚，蓄电装置8可以保证电动机9带动充气式增氧机7在无外热源的情况下能够达到10小时的正常运转，为池塘提供增氧作业，避免池塘因氧气含量过低，导致鱼群“翘头”的现象发生，为鱼群提供一个舒适的环境。

整个斯特林发动机驱动充气式增氧机系统结构简单，采用模块化设计。控制系统12有自检功能，可以将传感器的测量信号反馈到操作界面，操作者可以根据指示灯来判断装置部件是否发生损坏，便于操作者对整个系统的维护和维修。

实施例2

在我国某西部偏远缺电地区，使用本发明为鱼类养殖池塘增氧作业，其中斯特林发动机采用太阳能的光热和农作物秸秆燃烧热量作为热源。为简化装置、降低成本，斯特林发动机驱动充气式增氧机系统不设置电动机9、齿轮测速装置13和发电机11，太阳能聚集装置17选用槽式抛物面反射镜，控制系统仅有太阳跟踪机构18的控制功能，其中太阳跟踪机构18由可更换的蓄电装置8提供电力。

当太阳光照条件达到斯特林发动机的启动要求时，斯特林发动机驱动充气式增氧机进行增氧作业，太阳跟踪机构18保证太阳能聚集装置17追踪太阳的轨迹，为斯特林发动机提供太阳能。当太阳光照不足或者阴天下雨、夜晚时，由人工点燃置于补燃料仓19的农作物秸秆，燃烧产生热量作为斯特林发动机的热源，从而保证斯特林发动机驱动充气式增氧机系统能够正常作业。

实施例3

某池塘采用本发明为水产品养殖池塘进行增氧作业，且该池塘附近建有家用沼气池，沼气池到本发明间有沼气管道，因此可利用沼气燃烧热作为斯特林发动机的热源。本发明装置有太阳能聚集装置、沼气补燃装置，沼气管道上设有电动阀门，当需要进行沼气补燃时开启电动阀门，用电子打火方式点燃沼气，从而为斯特林发动机提供热源。为了简化装置、降低设备成本，斯特林发动机驱动充气式增氧机系统同样不设置电动机9、齿轮测速装置13和发电机11，太阳能聚集装置17选用碟式旋转抛物面反射镜，控制系统仅有太阳跟踪机构18的控制功能，其中太阳跟踪机构18由可更换的蓄电装置8提供电力。

当太阳光照条件达到斯特林发动机的启动要求时，斯特林发动机驱动充气式增氧机进行增氧作业，太阳跟踪机构18保证太阳能聚集装置17追踪太阳的轨迹，为斯特林发动机提供太阳能。当太阳光照不足或者夜晚时，开启沼气管道的电动阀门，利用电子打火方式点燃沼气，燃烧产生热量作为斯特林发动机的热源，从而保证斯特林发动机驱动充气式增氧机系统仍能够正常作业。

实施例4

某池塘靠近工业园区，如毗邻化工、水泥、钢铁、热电、陶瓷、有色金属、造纸或玻璃制造等企业，在生产中会有如高炉气、焦炉气、转炉气、炼油气、纸浆黑液等可燃物质产出，并排放100～350℃的中低温烟气。本发明装置有太阳能聚集装置、固体或液体燃料补燃料仓19、燃气补燃装置、余热换热装置21。燃气管道上设有电动阀门，当需要进行燃气补燃时开启电动阀门，用电子打火方式点燃从而为斯特林发动机提供热源。斯特林发动机驱动充气式增氧机系统设置蓄电装置8、电动机9、发电机11，太阳能聚集装置17选用菲涅尔原理反射镜。

当太阳光照条件达到斯特林发动机的启动要求时，控制系统发出指令，蓄电装置8能够使电动机9提供暂时动力，辅助斯特林发动机进行启动，并驱动充气式增氧机进行增氧作业。当太阳光照不足或者阴天下雨、夜晚时，可利用100～350℃的中低温烟气通过余热换热装置21为斯特林发动机提供热源。若该热源仍无法满足斯特林发动机正常工作需要，开启燃气管道的电动阀门，利用电子打火方式点燃可燃气体，如高炉气、焦炉气、转炉气、炼油气等，燃烧产生热量作为斯特林发动机的热源。或者点燃补燃料仓19内的固体或液体燃料，如造纸黑液，通过燃烧产生热量作为斯特林发动机的热源，保证斯特林发动机驱动充气式增氧机系统能够正常作业。

斯特林发动机在驱动充气式增氧机工作工程中，可同时带动发电机11进行发电，将多余电力储存在蓄电装置8内。