一种小型自由活塞式太阳能发电机系统的制作方法
【技术领域】
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[0001]本发明属于太阳能利用技术领域，具体涉及一种小型自由活塞式太阳能发电机系统，适用于太阳能热源以及其他具有集中热源的发电装置。
【背景技术】
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[0002]随着石油、煤炭等能源的逐渐枯竭，地球上人类正在面临严重的能源危机。太阳能作为一种用之不竭的清洁能源，是目前应对能源危机、减少环境污染的重要途径。利用太阳能来解决当前人类所面临的能源危机，已成为世界各国的共识。有关太阳能利用技术的研究也成为了各国竞相研究和开发的热点。
[0003]目前主要的太阳能发电技术有太阳能光伏发电和太阳能热发电两种形式。光伏发电需要用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能。该技术的关键元件是太阳能电池，其生产成本较高，在加工过程中的能耗也很高，其光电转换效率也较低，直接导致太阳能光伏电价高，不能广泛应用。
[0004]太阳能热发电是利用聚光器聚集太阳能，使其生成高密度的能量，然后转化为热能。太阳能热发电成本低于光伏发电，同时在相关设备的加工过程中也不会带来较大污染和能耗，因此将是未来太阳能发电的主要技术。
[0005]斯特林发动机是一种外部供热的活塞型发动机，它以气体为工质，在冷热端温差的作用下，推动活塞做循环往复运动，实现热能向机械能的转化。自由活塞式斯特林发动机是斯特林的一种结构形式，自由活塞的斯特林发动机具有技术含量高、结构简单、工作稳定、效率高、使用方便可靠、价格低廉，在小型自由活塞式太阳能发电系统中比一般的斯特林发动机更具有生命力。
[0006]直线电机可以看成是旋转电机在结构上的一种演变，可以分为动磁式直线发电机、动圈式直线发电机和动铁式直线发电机。一般采用动圈式和动磁式直线发电机，直线发电机是将直线运动的机械能转化为电能的一种发电装置。
[0007]现有的太阳能热发电机结构比较复杂，热交换器实际热转化效率较低。对于高压强高频率的发电机往往系统密封性不能满足要求，而且工作时活塞往复运动造成较大摩擦损耗，同时产生较大的噪声和振动，造成发电机系统寿命短。
【发明内容】
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[0008]本发明针对现有技术存在的缺陷和不足，即太阳能发电系统热交换器热效率较低，太阳能发电机系统密封性能较差以及使用过程中活塞磨损严重等问题，导致太阳能发电系统效率低、寿命短等不足，提出了一种小型自由活塞式太阳能发电机系统。该系统的热交换部分采用一体化传热翼片结构进行热交换，以提高热交换效率;机械能到电能转换部分结构将采用直线发电机，配气活塞密封结合传统密封圈密封和微间隙密封结构，动力活塞密封采用传统密封圈密封和新型的磁流磁流变液密封组合密封技术，提高了发电机系统密性能。
[0009]为达到上述目的，本发明通过下述技术方案来实现的。
[0010]—种小型自由活塞式太阳能发电机系统，包括自由活塞式太阳能发动机部分和永磁直线发电机部分;其中，
[0011]自由活塞式太阳能发动机部分包括热交换器和动力传动装置，热交换器包括一端开口的发电机热缸、高温端加热器、回热器以及冷却器，高温端加热器设置在发电机热缸相对于开口端的热端气缸上，回热器设置在发电机热缸内壁的周向上，冷却器设置在发电机热缸靠近开口端的周向上;动力传动装置包括两端开口的发电机冷缸、配气活塞、输出机械能的动力活塞以及固定轴盘，发电机冷缸的一端与发电机热缸的开口端连接在一起，固定轴盘包括一体化成型的盘体以及设置在盘体的端面中心处的阶梯轴，且在盘体的端面上开设有若干周向均布的通气孔，固定轴盘的盘体固定在发电机冷缸与发电机热缸之间，固定轴盘的阶梯轴伸入至发电机热缸内，配气活塞通过配气活塞柔性板弹簧固定在固定轴盘的阶梯轴上;动力活塞设置在发电机冷缸内，一端与永磁铁电机动子相连，另一端为自由端，且能够在发电机冷缸内直线往复滑动。
[0012]本发明进一步的改进在于，永磁直线发电机系统部分包括一端开口的发电机密封端盖、永磁铁电机动子和电机绕组定子，发电机密封端盖的开口端与发电机冷缸的另一端连接在一起，电机绕组定子通过发电机定子固定框架安装在发电机密封端盖内，永磁铁电机动子设置在电机绕组定子的中心处，永磁铁电机动子的两端通过安装在发电机定子固定框架两端的动子柔性板弹簧固定，且永磁铁电机动子的一端与动力活塞的一端通过动子柔性板弹簧连接在一起。
[0013]本发明进一步的改进在于，高温端加热器为槽翼式加热器，包括若干环形分布在热端气缸上的翼形肋片。
[0014]本发明进一步的改进在于，回热器连通发动机部分的发电机热缸与发电机冷缸，为环形缝隙式回热器，回热器的载热体采用不锈钢金属丝网填充。
[0015]本发明进一步的改进在于，冷却器采用环形水冷却，包括设置在发电机热缸靠近开口端的周向上的若干环形散热肋片，用于密封若干环形散热肋片的冷却器端盖，以及开设在冷却器端盖上的冷却剂进出口。
[0016]本发明进一步的改进在于，配气活塞为中空薄壁长筒结构，一端通过配气活塞柔性板弹簧固定于固定轴盘的阶梯轴上，且配气活塞壁与气缸壁之间采用微间隙密封结构密封，微间隙为0.25mm?0.5mm。
[0017]本发明进一步的改进在于，动力活塞包括中部带有轴肩的输出轴，套装固定在输出轴一端与其轴肩之间的密封固定块，套装在密封固定块上且紧靠输出轴轴肩的密封固定环，密封固定环与密封固定块之间的周向上形成环形凹槽，环形凹槽中的密封固定块上套装有若干环形永磁铁，相邻两个环形永磁铁之间套装有一个导磁极靴，导磁极靴的周向上开设有均匀分布的矩形槽，该动力活塞设置在发电机冷缸的导磁材料气缸内，导磁极靴与导磁材料气缸之间的间隙为0.05mm?0.1mm，且环形永磁铁与导磁材料气缸内壁之间以及导磁极靴与导磁材料气缸内壁之间均填充有磁流变液;输出轴的另一端与永磁电机动子相连。
[0018]本发明进一步的改进在于，动子柔性板弹簧和配气活塞柔性板弹簧均包括圆形金属薄板，以及由内至外开设在圆形金属薄板上的三组渐开线型螺旋槽，且圆形金属薄板的厚度为0.5mm，同一圆周上相邻两条渐开线型螺旋槽相差120°相位角。
[0019]本发明进一步的改进在于，永磁铁电机动子包括动子框架以及间隔镶嵌在动子框架上的若干永磁铁磁极。
[0020]本发明进一步的改进在于，电机绕组定子包括定子硅钢片，该定子硅钢片的中心处对称开设有两个槽，每个槽中均设置有定子导线绕组。
[0021]相对于现有技术，本发明发电机系统采用三段式结构，具有以下特点:
[0022]1、小型自由活塞式太阳能发电机系统采用三段式，分别为太阳能发动机热端、太阳能发动机冷端、永磁直线发电机部分。三部分两两相邻采用端面密封和螺栓联接。该结构能够极大的减少热端的热量向其余两部分的传递，保证系统冷热端的温差，同时该结构有利于太阳能发电机系统零件加工和装配，降低对装配精度的要求。
[0023]2、热交换器采用一体化结构进行热交换
[0024]热交换器结构采用结构热交换，加热器与冷却器一体化设计，紧凑的槽翼式加热器保证热端加热器热损失