CN101915133A

CN101915133A - 一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置及方法

Info

Publication number: CN101915133A
Application number: CN2010102268878A
Authority: CN
Inventors: 杨卫民; 刘泽; 何长江; 汪传生
Original assignee: BEIJING HUAXIA YINGLAN TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd; Qingdao University of Science and Technology
Current assignee: BEIJING HUAXIA YINGLAN TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd; Qingdao University of Science and Technology
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2010-12-15

Abstract

本发明涉及发电技术及能源储存领域，特指一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置及方法，主要包括热管蒸发段、蒸汽上升管道、调节汽室、调节阀门、汽缸、进汽室、发电机转子、转子磁铁、发电线圈、磁浮轴承、中心轴、汽轮机叶轮、隔板、排汽室、散热片、热管冷凝段、液体下降管道，热管内工作介质受热蒸发在回路中快速流动，推动汽轮机叶轮旋转，带动发电机转子工作发电；当外热源消失或蒸汽动力不足时汽轮机叶轮在真空环境中靠惯性力作用保持高速旋转，储存一定量的动能。本发明利用低品质热能发电，电能转换效率高，而且汽轮机叶轮既能提供发电原动力又可作为飞轮储能，具有储能密度大、使用寿命长等优势，同时该装置可组合发电，适用范围广阔。

Description

一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置及方法

技术领域

本发明涉及发电技术及能源储存领域，特指一种将热管与汽轮机工作原理相结合进行发电，并利用飞轮储能原理储存电能的热管飞轮式汽轮机发电储能装置及方法。

背景技术

能源危机的影响已经渗透到社会生活的各个方面，提高能源利用效率是人类缓解能源危机的必要措施。电能是当今世界能源消费的主要形式，开辟新的电能转换方法，提高电能生产、储存和利用效率是亟待解决的重要问题。

热管具有良好的导热特性，利用热管原理制造发电机可以提高热电转化效率。专利200620134555公开了一种热管式发电机。其技术方案主要是在热管内设有一扇叶，该扇叶周缘环设有磁铁转子，且该磁铁转子相对于热管外部设有发电线圈。当热管内工作液体受热蒸发形成蒸汽推动扇叶连同磁铁转子进行旋转时，能使热管外部的发电线圈产生感应电流，成为热管发电机。但是，这种发电机受热源强度变化的影响会使电流出现波动，而且蒸汽动能经过单级叶扇转化传递，能量利用率低，并且当热源消失后其输出电流也迅速衰减，没有足够的储能能力。

飞轮储能是近年来迅速发展起来的一种新的技术，由于具有无污染，储能密度高，使用寿命长，充电速度快，能量转换率高等诸多优点，人们正在积极开发替代传统化学电池的飞轮电池。目前，飞轮电池已经开始在UPS不间断电源，航天器用高容量电池等领域获得成功应用，用于电动汽车的飞轮电池也已试验成功，一旦性能价格比问题得到进一步解决，便有望进入到大规模应用的时代。有关飞轮电池的专利技术较多，如200310118907公开了一种悬浮飞轮电池。但是，目前有关飞轮电池的发明大都集中在电能储存方面，很少有将发电过程中其他形式的能直接转化成飞轮动能进行蓄能，在负载需要时利用飞轮电池发电供能的发明。

另外，在能源利用的经典理论中，也主张着“能量品位”的等级观念。特别是对于热能而言，“能量贬值”和“低品位化”的现象非常严重。所谓低品位热能是指当前还难以利用的热能，如海水热能、地热能、太阳光热能等，而高品位热能则是指很容易利用的热能，如煤燃烧释放的热能等。加强低品位热能的利用是人们开发利用好新能源，提高能源转换效率必须要解决的关键问题。

发明内容

本发明旨在提供一种发电储能装置，通过开发利用低品质热能来提高发电生产过程中的电能转换效率，并且可以将热能直接转换成动能储存能量，而且该装置还可以进行任意数量的并联组合发电，能有效提高能源利用效率，满足不同功率的负载要求和不同场所的应用需求。

本发明的技术方案是，一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置，主要包括热管蒸发段、蒸汽上升管道、调节汽室、调节阀门、汽缸、进汽室、发电机转子、转子磁铁、发电线圈、磁浮轴承、中心轴、汽轮机叶轮、隔板、排汽室、散热片、热管冷凝段、液体下降管道，热管蒸发段、蒸汽上升管道、调节汽室、汽缸、热管冷凝段、液体下降管道串接组成热管，构成一闭合循环回路，散热片位于排汽室和热管冷凝段外侧，调节汽室出口处安装有调节阀门，用来调节进入汽缸的热管工作介质蒸汽压力，保证汽轮机叶轮的启动速度；隔板即为静叶片，固定于汽缸内，将汽轮机叶轮隔开，形成汽轮机多级结构；汽轮机叶轮与发电机转子安装在一根中心轴上并与中心轴一起旋转，中心轴一端安装发电机转子，另一端及靠近发电机转子处装有磁浮轴承，发电机转子上装有转子磁铁，中心轴连同汽轮机叶轮、发电机转子、转子磁铁、磁浮轴承一起安装在汽缸内部，汽轮机叶轮在热管工作介质蒸汽的推动下转动，进而带动发电机转子旋转，使转子磁铁和发电线圈工作发电，热管工作介质蒸汽做功能量降低，经过热管冷凝段在散热片的作用下冷凝，经液体下降管道重新回到热管蒸发段；当热管蒸发段外部热源消失或蒸汽压力不足时，汽轮机叶轮作为储能飞轮储存一定量的动能，当负载需继续供电时，汽轮机叶轮释放动能，通过发电机结构继续对外供电，起到飞轮电池的储能作用。汽轮机叶轮兼做储能飞轮使用，可以使整个装置结构简化。

本发明一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置中调节阀门为单向阀，用来控制调节汽室蒸汽压力，防止进汽室内气体回流。

本发明一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置中汽轮机叶轮是多级的，也可以是单级的，以满足不同传动效率的要求。

本发明一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置中汽轮机部分的具体结构可以是冲动式汽轮机结构，也可以是反动式汽轮机结构，根据具体工作环境参数而定。

本发明一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置中中心轴一端的发电机转子可以是盘式结构，转子磁铁镶嵌在其端面；也可以是圆柱式结构，转子磁铁平行于圆柱轴线镶嵌在其外圆柱面上，以满足不同发电形式的需求。

本发明一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置中发电线圈镶嵌在发电机转子安装转子磁铁对应部位的汽缸壁内，可以避免热管工作介质蒸汽浸入线圈损坏发电机，保证发电机安全运行。

本发明一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置的发电储能方法是：在热管与汽轮机发电机串联组成的闭合循环系统中，热管工作介质在热管蒸发段受外热源作用而蒸发，通过蒸汽上升管道进入调节汽室，在调节阀门作用下达到一定压力后进入进汽室，然后快速流过汽缸，到达排汽室经散热片后放热冷凝变成液体，在重力及蒸发产生的负压的双重作用下经液体下降管道流回热管蒸发段，重新受热蒸发，实现循环；热管工作介质蒸汽在快速流过汽缸的过程中推动汽轮机叶轮旋转，带动同一中心轴上的发电机转子旋转，使转子磁铁和发电线圈工作发电，当热管外部热源消失或管内蒸汽动力不足时，汽轮机叶轮在真空环境下靠惯性力作用继续保持高速旋转，储存一定量的动能，当负载需要继续供电时，储存的动能通过发电机结构转换成电能对负载供电，实现飞轮电池的储能功能。

本发明利用热管对外部热能的高效吸收特点，将汽轮机和发电机做成整体安装在热管回路内部，可以简化设备制造工艺，并能利用低品质热能工作发电，提高电能转换效率；中心轴上的发电机转子和兼做储能飞轮的汽轮机叶轮既能发电又可储能，且具有储能密度大、使用寿命长、能量转换率高等优势；此外本发明还可以进行多级组合发电，组合形式灵活，适用范围广阔。

附图说明

图1是本发明一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置的工作原理图，发电机转子为盘式结构。

图2是本发明一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置的另一种结构的工作原理图，发电机转子为圆柱式结构。

图中：1-热管，2-热管蒸发段，3-蒸汽上升管道，4-调节汽室，5-调节阀门，6-进汽室，7-汽缸，8-发电机转子，9-转子磁铁，10-发电线圈，11-磁浮轴承，12-中心轴，13-汽轮机叶轮，14-隔板，15-排汽室，16-散热片，17-热管冷凝段，18-液体下降管道。

具体实施方式

图1和图2是本发明的两个不同发电机转子结构的实施例，外部热源为低品位热能。本发明一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置中，热管1由热管蒸发段2、蒸汽上升管道3、调节汽室4、汽缸7、热管冷凝段17和液体下降管道18组成，构成一闭合循环回路；调节汽室4出口处安装有调节阀门5，调节进入进汽室6的蒸汽压力，中心轴12与汽轮机叶轮13、发电机转子8、磁浮轴承11构成一个整体安装在汽缸7内部，汽缸7为对开式结构，便于发电机转子8、转子磁铁9、磁浮轴承11、中心轴12、汽轮机叶轮13的装入，汽轮机叶轮13、发电机转子8与中心轴12采用平键或花键等固定连接，使得汽轮机叶轮13与中心轴12、发电机转子8共同旋转，转子磁铁9固定在发电机转子8上，发电线圈10嵌入在转子磁铁9对应的汽缸7壁内，散热片16分布在汽缸7的排汽室15和热管冷凝段17外表面。系统内充填一定量的热管工作介质后抽成真空并且密封可靠，外部热源形式多样，可以是工业余热，也可以是太阳热能、地热能等新能源，还可以是海水热能。

本发明一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置的具体发电储能方法是：热管蒸发段2内的热管工作介质吸收外部热源热量后蒸发变成蒸汽，通过蒸汽上升管道3进入调节汽室4，达到一定压力后然后通过调节阀门5进入进汽室6，然后经过汽轮机叶轮13、隔板14后进入排汽室15和热管冷凝段17，在散热片16作用下散热冷凝成液体，汇集到热管冷凝段17的底部，在重力及蒸发产生的负压的双重作用下经液体下降管道18流回热管蒸发段2，重新吸热蒸发，实现循环；热管工作介质蒸汽在汽缸7内快速流动的过程中推动汽轮机叶轮13旋转，通过中心轴12带动发电机转子8共同旋转，使发电机转子8上面的转子磁铁9与发电线圈10工作发电；当外热源消失或者热管工作介质蒸汽动力不足时，系统内部的热管工作介质储存在热管蒸发段2、蒸汽上升管道3、调节汽室4、热管冷凝段16和液体下降管道1中，汽轮机叶轮13在汽缸7内部的真空环境中靠惯性力作用保持高速旋转，变作储能飞轮储存一定量的动能；当外部负载需要继续供电时，用作储能飞轮的汽轮机叶轮13释放动能，通过转子磁铁9和发电线圈10对负载供电，起到飞轮电池的能量储存作用。兼做储能飞轮的汽轮机叶轮13的作用一是储存能量，二是对发电过程中外部热源变化进行调整。该热管飞轮式汽轮机发电储能装置可实现在外部热源作用下边发电供应使用边储存多余能量，在外部热源消失后释放所储存的能量，继续供电的功能，并且可以根据实际负载功率需求和具体应用环境进行并联组合发电，形式灵活，适用范围广阔。

Claims

1.一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置，其特征在于：主要包括热管蒸发段、蒸汽上升管道、调节汽室、调节阀门、汽缸、进汽室、发电机转子、转子磁铁、发电线圈、磁浮轴承、中心轴、汽轮机叶轮、隔板、排汽室、散热片、热管冷凝段、液体下降管道，热管蒸发段、蒸汽上升管道、调节汽室、汽缸、热管冷凝段、液体下降管道串接组成热管，构成一闭合循环回路，散热片位于排汽室和热管冷凝段外侧，调节汽室出口处安装有调节阀门；隔板固定于汽缸内，将汽轮机叶轮隔开，形成汽轮机多级结构；汽轮机叶轮与发电机转子安装在一根中心轴上并与中心轴一起旋转，中心轴一端安装发电机转子，另一端及靠近发电机转子处装有磁浮轴承，发电机转子上装有转子磁铁，中心轴连同汽轮机叶轮、发电机转子、转子磁铁、磁浮轴承一起安装在汽缸内部，汽轮机叶轮在热管工作介质蒸汽的推动下转动，进而带动发电机转子旋转，使转子磁铁和发电线圈工作发电，汽轮机叶轮兼做储能飞轮。

2.根据权利要求1所述的一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置，其特征在于：调节阀门为单向阀。

3.根据权利要求1所述的一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置，其特征在于：汽轮机叶轮是多级或单级。

4.根据权利要求1所述的一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置，其特征在于：发电机转子是盘式结构，转子磁铁镶嵌在其端面；或是圆柱式结构，转子磁铁平行于圆柱轴线镶嵌在其外圆柱面上。

5.根据权利要求1所述的一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置，其特征在于：发电线圈镶嵌在发电机转子安装转子磁铁对应部位的汽缸壁内。

6.利用权利要求1所述的一种热管飞轮式汽轮机发电储能装置实现的发电储能方法，其特征在于：在热管与汽轮机发电机串联组成的闭合循环系统中，热管工作介质在热管蒸发段受外热源作用而蒸发，通过蒸汽上升管道进入调节汽室，在调节阀门作用下达到一定压力后进入进汽室，然后快速流过汽缸，到达排汽室经散热片后放热冷凝变成液体，在重力及蒸发产生的负压的双重作用下经液体下降管道流回热管蒸发段，重新受热蒸发，实现循环；热管工作介质蒸汽在快速流过汽缸的过程中推动汽轮机叶轮旋转，带动同一中心轴上的发电机转子旋转，使转子磁铁和发电线圈工作发电；当热管外部热源消失或管内蒸汽动力不足时，汽轮机叶轮在真空环境下靠惯性力作用继续保持高速旋转，储存一定量的动能，当负载需要继续供电时，储存的动能通过发电机结构转换成电能对负载供电，实现飞轮电池的储能功能。