CN101860279A - 微温差热能发电装置 - Google Patents

Abstract

一种微温差热能发电装置由热能转换器、棘轮传动机构、发电输入装置组成。转换器是两个一端头大一端开口的长管颈容器套接并将套接处密封而成的一个整体，管内设隔离物，形成两个均含液体和气体的隔离空间，隔离物透气不透液体。管颈部选支撑轴线使整体重心偏一端，此端在下，上端部液体水平面高于隔离物。当温度下高上低时，下端管内气体呈正压差，使重心随上端液体向上端部移动，下端向上摆动，处水平位置时内部气压差为零，两端反向摆动，以此循环。传动机构通过若干个并列运行的棘轮加链轮的传动，将往返摆动变成大链轮的间歇转动，再变成小链轮轴的连续转动，两级增速后输入发电机。该装置可用地表温热、工业废热、太阳热能和空气中的热量进行发电。

Description

微温差热能发电装置

技术领域

本发明属于热能发电技术领域，具体涉及一种热能转换器两端有微小温差能摆动发电的热能发电装置。

背景技术

目前工业化生产用的热能发电装置有两种：地热发电和太阳热能发电装置。地热发电装置一般用高温地热蒸汽发电，先将来自地热井的蒸汽输入井口分离装置，分离掉其中携带的固体杂质，再通入汽轮机作功发电，排汽冷凝后排放。要达到经济性，须要摄氏150度以上的地热资源。若达不到需要的温度则要先进行热交换，将地热能传给另一种低沸点的工作流体。这种热能发电装置投资大，建设周期长，系统复杂，维护成本高。近年来各地一些小地热发电机组由于地热水温过低，不能直接利用而关闭。

当今，世界上太阳热能发电装置采用聚光系统，将水升温至高温高压，用高压蒸汽推动涡轮，进而带动发电机。问题是聚光系统设备昂贵，蓄热须要能保温抗高压的设备，另外还有冷凝和循环的问题。

自然空气由于温度低，热能少，目前都是作为工业废热排放的载体，是热能传递的最低端。利用自然空气所含热量进行发电目前没有这种工业化装置，也没有相关的技术报道。

发明内容

为了克服现有地热发电和太阳热能发电中存在的热资源要求高，投资大，设备复杂，经济性难保证等问题，并尝试利用自然空气中的热量来发电，本发明推出一种微温差热能发电装置。该热能发电装置不仅可以利用地表温热资源，工业废热，太阳热能来发电，而且能利用自然空气中的热量来发电。

本发明所采用的技术方案是：利用热能转换器两端的温度差，将热能直接转换成机械能，再由机械能转变为电能。该热能发电装置由三部分组成：热能转换器，棘轮传动机构和发电输入装置。

热能转换器

该转换器含两个一端开口的长管颈容器，一个口径管径大，另一个口径管径小。另一端不开口，是大于管径的大头。管部可以是圆筒形或非圆筒形；头部可以是空心的球形或非球形；容器材质可以是金属的或非金属的。将两容器开口相对，口径管径小的插入口径管径大的里面，进行套接。在套接前向两个容器中注入一定量的低沸点液体(液体可以是单质的，也可以是混合物)，在口径管径小的容器口部放置隔离物。该隔离物透气，但液体不能透过。套接到位后(如图2)，将套接的两管径之间用密封材料进行密封，使容器内的气体和液体无法溢出。形成一个两端大头的密封大整体。

先将容器两端水平放置，在管径中部找出水平位置的平衡轴线，从平衡轴线向不带隔离物端作水平位移，找出合适的支撑轴线(如图3)。该支撑轴线须满足下面条件：

以该轴线为轴心带隔离物一端(A端)力矩变大，向下摆动，使A端低而另一端(B端)升高，上端部的液体水平面高于隔离物，形成两个均存有液体和气体的隔断空间。当高低端存在温度差时有两种情况：一，高端(B端)的温度降低，高端(B端)空间内的气体体积要缩小，压力变小，相对低端(A端)空间内的气体为负压，例如容器处自然空气中，高端(B端)与较低温度的液体接触；二，低端(A端)温度增高，其空间内的气体体积要胀大，压力变大，相对高端(B端)空间内的气体为正压，例如容器处自然空气中，低端(A端)与地热等热源接触。这两种情况都会导致内管中的液体位置上抬，造成重心移向支撑轴线，继而越过支撑轴线，使A端上摆，B端下摆。在B端下摆的过程中，由于内管的液体流向B端头部，向下力矩逐步加大，再加上动压头的作用，摆动加快。将摆动到水平位置附近时，A、B两端的气体贯通，两端气体压力差为零，动压头亦为零。此时恢复到水平起始状态，由于A端的力矩又变大，又开始向下摆动，恢复成原先的两个隔断空间，完成一个运动周期。这样在温度差的作用下，热能不断地转变成机械能，周而复始，循环不断。

满足上述条件的支撑轴线为该热能转换器的合适支撑轴线。

两个一端开口的长管颈容器，管径和口径可以不同，如上述；也可以是相同的，当相同时，可用中间加套管套接方式或其他连接方式。

棘轮传动机构

设热能转换器的中间管部为圆筒形。(如图4)有两个可锁定在一起的半圆瓦件，两个半圆瓦件形成的圆孔直径等于热能转换器外管外径。在一个瓦件两侧有两个同心轴，同心轴的两个外端面有锥形中心孔。同心轴轴心线与两半圆瓦件形成的圆孔中心线垂直交叉，组装时，将同心轴轴心线与热能转换器支撑轴线重合，用瓦件包住热能转换器的外管径部，锁定两瓦件，使之为一体。在一侧同心轴上有一台阶，台阶外圆带螺纹，与飞轮内孔螺纹匹配(飞轮即链轮和内齿圈棘轮复合件，结构及工作原理与自行车飞轮相同，如图8)，将飞轮旋固在同心轴台阶上，这样热能转换器与两瓦件和飞轮就成为一组装件。

传动机构的两侧是支撑架，两架下部刚性连接，其上部各有一个螺纹孔，两螺纹孔同心且水平。将上述组装件放置于两支撑架之间，同心轴的两个外端面的锥形中心孔与支撑架上的螺纹孔对正，从螺纹孔各旋入一个带螺纹的锥头顶丝，顶丝的锥头顶入锥形中心孔，形成一对滑动轴承，再从两顶丝外端旋入两固紧螺帽，将两个锥头顶丝固定在支撑架上。

这样热能转换器两端的上下摆动传递到飞轮，通过内齿圈棘轮，形成飞轮外大链轮的间隙转动，再经过链条传动将动力传递到小链轮上。

为了获得小链轮轴的连续转动，若干个上述携带热能转换器的棘轮传动机构沿同心轴轴向并列运行，各同心轴轴心在同一水平线上，动力通过各自链条传递到各自对应的小链轮上。这些小链轮安装在同一水平长轴上，带动长轴转动。另外，各个热能转换器液体质量或成分是不同的，这就使各个热能转换器摆动的时间长短和幅度大小不同。在若干个小链轮作用下使小链轮长轴上间隙转动的间隙变得无限小，成为工程意义上的匀速转动。

在热能转换成机械能的过程中可以利用上述带有内齿圈棘轮的飞轮机构，也可以采用其他齿啮式棘轮机构加链轮的组合。也可以是摩擦式棘轮机构加链轮的组合。

在机械能传递中可以是上述链轮链条传动，也可以是齿轮传动。

小链轮长轴可以是一根，也可以是若干根短轴对接而成的。

支撑架与同心轴间的轴承可以是滑动轴承，也可以是滚动轴承。采用滚动轴承时，支撑架与其下部刚性连接件是分体的。

发电输入装置

低速转动的大链轮通过链条带动小链轮转动，进行一级增速。小链轮的转轴带动增速齿轮箱，进行二级增速，增速齿轮箱输出轴转速应满足发电机的转速要求，将动力传递给发电机，从而使热能通过机械能转变成电能。

有益效果

1，与传统的地热发电相比，不需要钻探地热井，设备简单，投资少。地表温热资源和工业废热都可以被方便利用，有很高经济性。

2，与太阳热能发电相比，不需要产生高压蒸汽，设备安全性、经济性好，维护成本低，设备运行无噪声且寿命长。

3，可以将自然空气中的热量作为一种资源加以利用，能使自然空气中的热量降低，自然空气中的热能是无成本的绿色可再生能源。

4，本发电装置可大可小，有好的适用性，发的电可并入电网输出，也可自成单元，各自解决各种用电需求，对用电困难地区有特别意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，是本发明的装置示意图。

图2，是本发明第一实施例中的热能转换器构造正面透视图。

图3，是本发明热能转换器平衡正面透视图。

图4，是本发明实施例中棘轮传动机构图。

图5，是本发明实施例中发电输入装置图。

图6，是本发明第二实施例中的热能转换器构造图。

图7，是本发明第三实施例中的热能转换器构造图。

图8，是旋式飞轮实物图

图9，是旋式飞轮主要内部结构图。

图中1.球头长管颈小口玻璃容器，2.球头长管颈大口玻璃容器，3.平衡轴线，4.支撑轴线，5.B端液态水，6.B端气体，7.A端气体，8.A端液态水，9.两管径间密封胶，10.隔水织物，11.连体支撑架，12.锥头顶丝，13.顶丝固定螺帽，14.旋式飞轮，15.链条，16.金属瓦件同心轴，17.带轴半圆金属瓦件，18.半圆金属瓦件，19.瓦件螺纹孔，20.瓦件通孔，21.瓦件紧固螺栓，22.小链轮长轴，23.小链轮，24.齿轮箱输入轴套，25.增速齿轮箱，26.齿轮箱输入轴，27.发电机，28.齿轮箱输出轴套，29.齿轮箱输出轴，30.炭黑吸热涂料，31.太阳光反射膜，32.太阳光反射(吸热)板，33.塑料探嘴管，34.脱脂纯棉织物，35.大链轮，36.棘轮内齿圈，37.千斤，38.棘轮内螺纹孔，39.支撑架螺纹孔，40.锥形中心孔。

具体实施方式

利用地热(工业废热)能实施例

利用地热能或工业废热能的微温差热能发电装置由热能转换器(图2)、棘轮传动机构(图4)、发电输入装置(图5)等组成。将球头长管颈小口玻璃容器(1)插入球头长管颈大口玻璃容器(2)，并用两管径间密封胶(9)将其连接成一密封整体，事先注入B端液态水(5)和A端液态水(8)并在(1)开口处安放隔水织物(10)。找出密封整体的平衡轴线(3)和支撑轴线(4)。重心在(4)的右侧A端，A端在下，B端在上，B端的液体水平面高于隔水织物(10)。当地热或工业废热传递到A端，A端内的气体产生正压，导致球头长管颈小口玻璃容器(1)中的液体水位置上抬，造成重心移向支撑轴线(4)，继而越过(4)，使A端上摆，B端下摆。在B端下摆的过程中，由于B端管内的液体水流向B端头部，向下力矩逐步加大，再加上动压头的作用，摆动加快。将摆动到水平位置附近时，A、B两端的气体贯通，两端气体压力差为零，动压头亦为零。此时恢复到水平起始状态，由于A端的力矩又变大，又开始向下摆动，恢复成原先的两个隔断空间，完成一个运动周期。这样在温度差的作用下，热能不断地转变成机械能，周而复始，循环不断。

将选定支撑轴线(4)后的密封整体外管径部放置于带轴半圆金属瓦件(17)和半圆金属瓦件(18)之间，(17)(18)形成的圆孔内径与外管外径一致，金属瓦件同心轴(16)轴线与圆孔内中轴线垂直交叉，并将金属瓦件同心轴(16)轴线与支撑轴线(4)重合。用瓦件紧固螺栓(21)通过瓦件通孔(20)和瓦件螺纹孔(19)将密封整体固定在金属瓦件上。将(16)带螺纹台阶一端插入旋式飞轮(14)的棘轮内螺纹孔(38)，螺纹旋合固定组装。将上述组装件放置于连体支撑架(11)之间，(11)的两支架上部各有一个支撑架螺纹孔(39)，两支撑架螺纹孔(39)同心且水平。金属瓦件同心轴(16)的两个外端面的锥形中心孔(40)与支撑架螺纹孔(39)对正，从两端支撑架螺纹孔(39)各旋入一个带螺纹的锥头顶丝(12)，(12)的锥头顶入锥形中心孔(40)，形成一对滑动轴承，再从两(12)外端旋入两顶丝固紧螺帽(13)，将两个锥头顶丝(12)固定在支撑架(4)上，见图4。用链条(15)将飞轮(14)上的大链轮(35)与小链轮(23)连接，小链轮(23)带动小链轮长轴(22)，(22)通过齿轮箱输入轴套(24)和齿轮箱输入轴(26)输入增速齿轮箱(25)，再通过齿轮箱输出轴(29)和齿轮箱输出轴套(28)输入发电机(27)，见图5。

当A端开始上摆时，旋固在棘轮内螺纹孔(38)中的金属瓦件同心轴(16)带动飞轮(14)中的千斤(37)与棘轮内齿圈(36)啮合，顶住棘轮内齿圈(36)转动，与(36)一体的大链轮(35)一起转动，见图9。当A端上摆到水平位置时两端气体贯通，A端开始下摆，旋固在棘轮内螺纹孔(38)中的金属瓦件同心轴(16)带动千斤(37)反方向转动，千斤(37)脱离啮合，沿棘轮内齿圈(36)齿顶反向滑动，与(36)一体的大链轮(35)停留在原转动的位置不动。当A端又开始上摆时，千斤(37)又开始顶住棘轮内齿圈(36)转动相同的角度，而后又反方向转动，从而实现大链轮(35)的不断间隙转动。为了获得小链轮长轴(22)的连续转动，若干个上述携带热能转换器的棘轮传动机构沿金属瓦件同心轴(16)的轴向并列运行，各(16)的轴心在同一水平轴线上，动力通过各自链条(15)传递到各自对应的小链轮(23)上。这些小链轮(23)安装在同一水平小链轮长轴(22)上，带动(22)转动。另外，各个热能转换器液体质量或成分是不同的，这就使各个热能转换器摆动的时间长短和幅度大小不同。在若干个小链轮(23)作用下使小链轮长轴(22)上间隙转动的间隙变得无限小，成为工程意义上的匀速转动。

低速转动的大链轮(35)通过链条(15)带动小链轮(23)转动，进行一级增速。小链轮长轴(22)带动增速齿轮箱(25)二级增速，增速齿轮箱输出轴(29)转速应满足发电机(27)的转速要求，将动力传递给发电机(27)，从而使热能通过机械能转变成电能，见图1。

利用太阳热能实施例

各零部件及其工作方式同上例。另外在热能转换器A端头部涂抹炭黑吸热材料(30)；B端头部覆盖太阳光反射膜(31)，在两支撑架(11)上部安装一块太阳光反射(吸收)板(32)，见图6，使B端头部不被太阳光直射，而使A端头部吸收太阳热能多，其温度高于B端，相对B端内的气体产生正压。零部件的运行和能量转换与利用地热(工业废热)能实施例相同。

利用自然空气热能实施例

各零部件及其工作方式同于利用地热(工业废热)能实施例。另外，热能转换器B端头部用三点位胶粘方式安装一塑料探嘴管(33)，内装可产生毛细吸管现象的脱脂纯棉织物(34)，一端露出(34)并覆盖在B端头部，与B端头部充分接触，见图7。当B端下摆，塑料探嘴管(33)接触到比自然空气温度低的液体(如河流、湖泊、海洋中的水等)，能造成热能转换器B端头部温度降低，同时B端头部脱脂纯棉织物(34)向上吸附的液体因蒸发也会带走B端头部的热量，使A端的温度高于B端，A端头部相对B端头部内的气体产生正压。零部件的运行和能量转换与利用地热(工业废热)能实施例相同。

上述各实施例是针对利用不同形式单一热能的，也可以同时利用两种或两种以上形式的热能，这样获得的动能更大，能提高发电能力。

Claims (10)

1.一种微温差热能发电装置，包含热能转换器、棘轮传动机构和发电输入装置，其特征是：热能转换器是两个一端头大一端开口的长管颈容器套接并将套接处密封成的一个大密封整体，并在管内设隔离物，形成两个均含液体和气体的隔离空间，隔离物透气但不透液体；在管颈部选支撑轴线，使容器整体重心偏向一端，此端在下，上端部的液体水平面高于隔离物。

2.根据权利要求1所述的微温差热能发电装置，其特征是：两长管颈容器开口端的管口径可以不同，也可以相同，相同时可用加中间套管套接方式或其他连接方式。

3.根据权利要求1所述的微温差热能发电装置，其特征是：热能转换器内上端部的负气压或下端部的正气压，都会造成重心随上端液体向上端部位移，两端会围绕支撑轴线上下摆动。

4.根据权利要求1所述的微温差热能发电装置，其特征是：密封容器内的液体可以是单质的，也可以是几种液体的混合物。

5.根据权利要求1所述的微温差热能发电装置，其特征是：两长管颈容器的管部可以是圆筒形或非圆筒形；头部可以是空心球体或非球体。

6.根据权利要求1所述的微温差热能发电装置，其特征是：在热能转换成机械能的过程中可以采用齿啮式棘轮机构，也可以采用摩擦式棘轮机构；可以是内齿圈棘轮的飞轮机构，也可以是其他齿啮式棘轮机构加链轮的组合。

7.根据权利要求1所述的微温差热能发电装置，其特征是：在机械能传递中可以是链轮链条传动，也可以是齿轮传动。

8.根据权利要求1所述的微温差热能发电装置，其特征是：支撑架与同心轴间的轴承可以是滑动轴承；也可以是滚动轴承，采用滚动轴承时，支撑架与刚性连接件是分体的。

9.根据权利要求1所述的微温差热能发电装置，其特征是：利用太阳热能发电，在热能转换器下端头部涂抹吸收太阳光涂料；上端头部涂抹反射太阳光涂料，或在两支撑架上部安装太阳光反射(或吸收)板。

10.根据权利要求1所述的微温差热能发电装置，其特征是：利用自然空气热量发电，在热能转换器上端头部安装一轻质空心探嘴，内装可产生毛细吸管现象的材料，并让该材料与上端头部充分接触。

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