一種用于斯特林發(fā)動機的預熱系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明總體涉及斯特林發(fā)動機發(fā)動之前的預熱領域，目的在于減少斯特林發(fā)動機內重要部件的磨損和后續(xù)疲勞。
【背景技術】
[0002]斯特林發(fā)動機以及其他發(fā)動機類型被設計用于可在一定溫度下，此時發(fā)動機的潤滑劑、密封件和其他重要部件以最少的磨損量正常工作。發(fā)動時的溫度變化和尤其是低溫會顯著增加這類發(fā)動機內部部件的磨損。由此優(yōu)選總體上要避免發(fā)動機的冷啟動,且由此存在許多用于預熱斯特林發(fā)動機及其他類型發(fā)動機的解決方案。
[0003]斯特林發(fā)動機可用于許多不同環(huán)境，因為它們可在多種熱源下工作。例如，它們適用于聚光太陽能熱發(fā)電、燃料燃燒或者工業(yè)過程中的廢熱。這使得斯特林發(fā)動機可以被設置并運行于呈現(xiàn)環(huán)境溫度變化范圍較大的許多不同環(huán)境中。
[0004]斯特林發(fā)動機可將熱轉化為功，因此有利于使用在太陽能熱聚光發(fā)電裝置上。太陽能熱聚光發(fā)電裝置通過太陽能聚集器，例如拋物面，將太陽能聚集并導向斯特林發(fā)動機的第一太陽能接收單元。第一太陽能接收單元包含工作氣體，工作氣體被高度聚集的太陽光線加熱并膨脹，使得斯特林發(fā)動機能夠運行。安裝在室外及變化的氣候條件中時，用于聚光太陽能熱發(fā)電裝置中的斯特林發(fā)動機受制于不同的溫度條件。典型地，夜晚的環(huán)境溫度較冷并經常低于攝氏零度。白天運行時斯特林發(fā)動機的一些部件溫度可以達到攝氏幾百度。
[0005]前述的冷啟動對斯特林發(fā)動機的內部件有害，尤其是，例如活塞桿密封等一些部件?；钊麠U密封位于斯特林發(fā)動機內部，是利用斯特林循環(huán)的發(fā)動機中最脆弱的部件之一。
[0006]那些溫度差可以對發(fā)動機造成麻煩，因為潤滑劑、密封件以及其他重要部件有合適的運行溫度區(qū)間并且被選擇主要在運行溫度下工作。因此，潤滑劑以及密封件可能在某些時候運行不能令人滿意，例如在某個寒冷的早晨冷啟動后的第一分鐘。在這種條件下的運行可能導致發(fā)動機更多的磨損和疲勞，甚至可能發(fā)生工作氣體或發(fā)動機油的泄露。
[0007]通常，用于太陽能熱聚光裝置的斯特林發(fā)動機的預熱問題通過使用電加熱器或浸沒式電加熱器預熱發(fā)動機的冷卻劑來解決。電加熱器的使用解決了用于太陽能熱聚光裝置的斯特林發(fā)動機預熱的問題，但也呈現(xiàn)出一些缺點需要解決。例如，太陽能熱聚光裝置適合用于在運行時產生電力。使用電加熱器預熱冷卻劑會消耗電力，這在發(fā)動之前造成一種狀態(tài)，在其中被用作發(fā)電裝置的太陽能熱聚光裝置不產生電卻消耗電。此外，給太陽能熱聚光裝置增加附加部件，例如電加熱器，會對太陽能熱聚光裝置的生產價格產生附加成本。
[0008]基于上述問題及現(xiàn)有的解決方案，提供不消耗電力、避免增加附加且昂貴部件的用于發(fā)動機冷卻劑或斯特林發(fā)動機內其他液體的預熱系統(tǒng)是有益的。

【發(fā)明內容】

[0009]由此，本發(fā)明的目的在于為斯特林發(fā)動機提供預熱系統(tǒng)，這個預熱系統(tǒng)消耗更少的能量，移除了附加的電加熱器，并利用太陽能反射器以在啟動之前預熱所述斯特林發(fā)動機。
[0010]這個目的是通過用于設置在太陽能熱聚光發(fā)電裝置中的斯特林發(fā)動機預熱系統(tǒng)來實現(xiàn)的，其中冷卻劑和/或發(fā)動機油是利用來自太陽能聚集器，例如拋物面狀碟，聚集的太陽光線的熱量來預熱的。
[0011]由此，這個目的是通過用于設置在太陽能熱聚光發(fā)電裝置中的斯特林發(fā)動機預熱系統(tǒng)來實現(xiàn)的，其中所述太陽能熱聚光發(fā)電裝置包含太陽能聚集器、斯特林發(fā)動機、以及第一太陽能接收單元。所述第一太陽能接收單元適合用于為所述斯特林發(fā)動機的工作循環(huán)提供熱量。太陽能熱聚光發(fā)電裝置進一步包含第二太陽能接收單元，所述第二太陽能接收單元與所述斯特林發(fā)動機的發(fā)動機冷卻劑或發(fā)動機油中的至少一個流體連接，所述第二太陽能接收單元向太陽能聚集器暴露，用于接收聚集的太陽光線并增加所述發(fā)動機冷卻劑和/或發(fā)動機油中的至少一個的溫度。
[0012]通過使用冷卻劑和/或發(fā)動機油來預熱發(fā)動機缸體是在大多數(shù)發(fā)動機的內部分散熱量的有效途徑。通過提供第二太陽能接收單元并使任一或兩種所述液體通過第二太陽能接收單元，同時引導聚集的太陽光線射向所述第二太陽能接收單元，或將焦點放置于所述第二太陽能接收單元上/或緊挨所述第二太陽能接收單元，液體可以在沒有任何電加熱器的參與下被加熱。這將消除電加熱器的使用，取而代之的是實施利用了可再生能源的方案。
[0013]在一個實施例中，基于本發(fā)明的系統(tǒng)包含多于一個太陽能接收單元是有益的。斯特林發(fā)動機由提取自例如太陽能接收單元的熱量驅動。為了達到令人滿意的效率同時產生足夠量的功率，需要提取大量熱量用于驅動斯特林發(fā)動機的工作循環(huán)。為了預熱斯特林發(fā)動機，需要較少熱量。因此在將第一和第二太陽能接收單元設置在同一個太陽能熱聚光發(fā)電裝置中是有益的。第一太陽能接收單元包含例如工作氣體，并且可放置于斯特林發(fā)動機裝置內，適于在運行階段加熱工作氣體。第二太陽能接收單元包含發(fā)動機冷卻劑和發(fā)動機油中的至少一個，其在預熱階段被加熱。需要進一步了解的是發(fā)動機冷卻劑和發(fā)動機油不能混合，但是在一個實施例中可將兩者都預熱以證明對發(fā)動機預熱的有益效果。這種兩者都預熱可通過兩個分立的第二太陽能接收單元或含有兩個用于不同液體的分立回路的多功能第二太陽能接收單元來實現(xiàn)。
[0014]在一個實施例中，所述太陽能熱聚光發(fā)電裝置進一步包括操作控制器，其中所述操作控制器適于將聚集的太陽光線的對準在第一和第二太陽能接收單元之間移動。
[0015]冷啟動并不是對于所有設置于太陽能熱聚光發(fā)電裝置的斯特林發(fā)動機都會發(fā)生的問題。例如，在某些情況下斯特林發(fā)動機的啟動程序可能在環(huán)境溫度足夠高而可以避免冷啟動時所產生的問題時才啟動。在那些情況下，對斯特林發(fā)動機的發(fā)動機缸體和內部件的預熱可能毫無意義，或者預熱的益處可能無法補償生產時間的損失。在這些情況下，提供控制方法，例如適于將聚集的太陽光線的對準在第一和第二太陽能接收單元之間移動，是很重要的。還應當理解，操作控制器也可以控制焦點的位置以調節(jié)每個太陽能接收單元處的功率輸出和/或提供第三種狀態(tài)，在所述第三種狀態(tài)中焦點被引導離開斯特林發(fā)動機裝置從而使系統(tǒng)處于非運行狀態(tài)。
[0016]在一個實施例中，所述斯特林發(fā)動機包含冷卻系統(tǒng)。
[0017]斯特林發(fā)動機，如大多數(shù)發(fā)動機一樣，在運行時會產生熱量，需要將熱量從發(fā)動機缸體轉移以維持最佳的運行溫度。為了實現(xiàn)這個目標，冷卻系統(tǒng)，優(yōu)選地含有液體冷卻劑，可設置于斯特林發(fā)動機內或緊挨斯特林發(fā)動機。
[0018]在一個實施例中，所述斯特林發(fā)動機包含油潤滑系統(tǒng)。
[0019]斯特林發(fā)動機在某些配置中需要通過使用發(fā)動機油潤滑系統(tǒng)來潤滑內部件。這種系統(tǒng)在斯特林發(fā)動機和其他發(fā)動機中都是常見的。應當指出的是所述油潤滑系統(tǒng)與其他類型發(fā)動機，例如內燃機，中的油潤滑系統(tǒng)相似。
[0020]在一個實施例中，操作控制器設有溫度閾值，且所述系統(tǒng)進一步包含連接于操作控制器的溫度傳感器。操作控制器適于移動太陽能聚集器以在溫度傳感器給出的溫度信號表示溫度處于閾值以下時將聚集的太陽光線對準第二太陽能接收器，并當信號升至閾值以上時作出響應而將聚集的太陽光線的對準改變成朝向第一太陽能接收器。
[0021]用一個或更多溫度傳感器控