CN103001533A - 利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于热能-电能转换技术领域的一种利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电的方法及系统。所述利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电系统为由回路型双工质脉动热管的下部蒸发段、中部热绝缘及电绝缘段、上部冷凝段组成的封闭系统；首先对脉动热管抽真空后，交替充入高沸点导电工质A和低沸点绝缘工质B，在双工质脉动热管的蒸发段内，低沸点绝缘工质B吸收来自高温热源的热量蒸发，在冷凝段将凝结热释放给低温热源，脉动热管内高沸点导电工质A的运动垂直切割磁力线，从而在工质A内部产生感应电动势，从而实现热能-电能的直接转换。本发明可适用于各种温差条件，极大地提高了系统的转换效率和可靠性，具有广阔的应用前景。

Description

利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电的方法及系统

技术领域

本发明涉及到热能-电能转换技术领域，特别是涉及一种利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电的方法及系统。 

背景技术

热能在自然界及人类生产生活中普遍存在，自然界中热能的存在形式包括太阳能、地热能等；在工业生产过程中，煤、石油、天然气等化石能源的燃烧、核反应等过程也释放大量的热。与水力发电、风能发电等技术相比，热发电技术目前在国际上仍占主导地位，现有热发电技术可分为间接热发电技术和直接热电转换技术。间接热发电技术的共性是通过热力循环（如蒸汽朗肯循环），首先将热能转换为机械功，再通过发电机将机械功转换为电能，主要包括火力发电、核能发电、太阳能热发电以及工业余热发电技术等；直接热发电技术的共性特点为直接将热能转换为电能，中间无需经过热能到机械能的转换，如磁流体发电是根据法拉第电磁感应原理，利用高温导电流体（在工程技术上常用等离子体）高速通过磁场，以导电的流体切割磁感线产生电动势，而热电转换材料发电是利用金属或半导体材料的seebeck效应实现直接热电转换的。 

对于间接式热发电技术，由于要经过热能到机械功再到电能的转换，系统相对复杂，不仅建设和运行维护成本高，而且每个单元设备上也都存在能量损失。 如国际上最先进的超临界燃煤发电技术，由于凝汽器内蒸汽凝结放热导致的冷端损失巨大，使得其系统热效率也仅为45%左右。 

常见的直接热发电技术，如磁流体发电技术，其工作温度一般在2000K以上， 磁场、电极及绝缘材料的选择和冷却问题难以解决，特别是居里点的存在，磁场随温度升高而减弱甚至消失；对于采用热电转换材料实现直接发电的技术而言，由于材料本身的Seebeck效应，只要有温差即可以产生电能，其系统简单、可靠性高。目前，国内外对热电材料的研究主要集中在新型热电转换功能材料的筛选、制备以提高热电转换效率方面，理想的热电材料应具有较小的导热系数并且能够在较大温差下保持性能稳定，由于现有热电材料的转换效率仅为10%左右，其大规模推广应用仍需进一步深入研究。 

发明内容

本发明的目的是提出一种利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电的方法及，其特征在于，所述利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电系统为由回路型双工质脉动热管的下部蒸发段、中部热绝缘及电绝缘段、上部冷凝段组成的封闭系统；其中，在双工质脉动热管主体1的上横管道上连接抽真空管路9、液态导电工质A注入管路2和绝缘工质B注入管路3；低温热源4套在双工质脉动热管主体1的上部，高温热源5套在双工质脉动热管主体1的下部，外部电路7及蓄电端或用电端8与中间热绝缘段上电极a和电极b连接成回路；回路型双工质脉动热管实现直接热发电系统置于磁场6中。 

所述抽真空管路9与上横管道之间连接真空管路截止阀10。 

所述液态导电工质A注入管路2和绝缘工质B注入管路3上各自连接一个液态导电工质A注液阀11和绝缘工质B充注阀12，液态导电工质A注液阀11和绝缘工质B充注阀12连接一起后与上横管道接通。 

所述中间热绝缘段采用扁平矩形通道结构并且为电绝缘。 

所述扁平矩形通道的两个侧壁上分别布置电极a和电极b，电极a和电极b与外部电路7及蓄电端或用电端8连接，另外两个侧壁施加磁场。 

所述下部蒸发段为U型管，从所述高温热源吸收热量作为整个热发电系统的输入能量，一般采用具有高热导率的材料以减小热阻；中部热绝缘及电绝缘段采用热导率小并且电绝缘的材料，用于实现减少散热损失和电绝缘的目的；上部冷凝段为U型管，向所述低温热源释放系统排出的热量，一般采用具有高热导率的材料以减小热阻。 

一种利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电的方法，其特征在于，实施步骤为： 

1）首先关闭液态导电工质A注液阀11和绝缘工质B充注阀12，通过抽真空管路9对脉动热管的封闭空间进行抽真空，以排除不凝性气体，抽至真空度至少达100 Pa后，关闭真空管路截止阀10； 

2）然后交替开启和关闭液态导电工质A注液阀11和绝缘工质B充注阀12，向脉动热管内间歇注入互不相溶的液态导电工质A和绝缘工质B； 

3）开启高温热源5，在脉动热管下部的蒸发段输入热能，使绝缘工质B吸收热量，当其温度达到绝缘工质B的沸点后，脉动热管开始启动，使得液态导电工质A、液相的绝缘工质B及汽相绝缘工质汽B_汽在中间热绝缘段13的矩形管通道内呈单向或双向往复运动，液态导电工质A的运动垂直切割所述磁场的磁力线，根据法拉第电磁感应定律，将在矩形通道侧壁上的电极a和电极b两个电极之间产生感应电动势，由外部电路7及蓄电端或用电端8与电极a和电极b连接成的回路输出，从而实现了热能到电能的直接转换。 

所述液态导电工质A具有较高的沸点，在脉动热管中它只产生位移而不发生相变，但都不与所述绝缘工质B互溶；该液态导电工质A为液态金汞。 

所述绝缘工质B具有较低的沸点，在脉动热管的加热段吸热蒸发、在冷凝段放热冷凝，但都不与所述液态导电工质A互溶，该绝缘工质B为纯工质为纯水或 去离子水、甲醇、乙二醇、丙酮或液态二氧化碳；或是两种以上的混合工质。 

所述中间热绝缘段的矩形通道内包含三种相态，即液相导电工质A、液相绝缘工质B及汽相绝缘工质B_汽。 

所述下部蒸发段为U型管，从所述高温热源吸收热量作为整个热发电系统的输入能量，一般采用具有高热导率的材料以减小热阻；中部热绝缘及电绝缘段采用热导率小并且电绝缘的材料，用于实现减少散热损失和电绝缘的目的；上部冷凝段为U型管，向所述低温热源释放系统排出的热量，一般采用具有高热导率的材料以减小热阻。 

本发明的有益效果是本发明根据法拉第电磁感应定律，导电工质A的运动垂直切割磁力线，使得工质A内部产生感应电动势，从而实现热能到电能的直接转换，与其他热发电技术相比，本发明的突出优势在于，只要存在高温热源和低温热源，而无需对冷热源的绝对温度作任何限制性要求，即可通过筛选合适的高沸点液态导电工质A和低沸点绝缘工质B，实现热能-电能的直接转换，中间无需任何机械运动部件，从而大大减小了热电转换系统的机械损失，提高了可靠性。需要进一步说明的是，本发明创造的热电直接转换方法与系统虽然对冷热源的绝对温度并无具体要求，但冷热源与工质的匹配应满足：所述低沸点绝缘工质B应能够在高温热源侧吸热蒸发，在低温热源侧放热冷凝，所述导电工质A不发生相变，仅存在显热形式的热交换。本发明可广泛应用于工业余热、高热功率设备放热、太阳能、地热能等多种形式的热能-电能直接转换，具有广阔的应用前景。具有结构简单、可靠性高的优点，该方法及系统可在各种温差条件下工作，可广泛应用于余热废热发电、太阳能热发电、地热能发电等领域。 

附图说明

图1为回路型双工质脉动热管直接热发电系统结构示意图。 

图2为回路型双工质脉动热管主体的结构示意图 

图3为绝缘段内工质相态分布及发电原理示意图 

附图标记说明：1、回路型双工质脉冲热管主体，2、液态导电工质A，3、液态绝缘工质B ，4、低温热源（冷源），5、热源，6、永磁场，7、外部电路，8、蓄电端（或用电端）。9、抽真空管路，10、真空管路截止阀，11、液态导电工质A注液阀，12、绝缘工质B注液阀，13、中部热绝缘及电绝缘段，14电绝缘连接件、电极a，电极b.  

具体实施方式

本发明提供一种利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电的方法及系统，下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。 

在图1、图2及图3所示的回路型双工质脉动热管直接热发电系统结构示意图中，所述利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电系统为由回路型双工质脉动热管的下部蒸发段、中部热绝缘及电绝缘段、上部冷凝段组成的封闭系统；其中，在双工质脉动热管主体1的上横管道上连接抽真空管路9、液态汞容器2和去离子水容器3；低温热源4套在双工质脉动热管主体1的上部，高温热源5套在双工质脉动热管主体1的下部，外部电路7及蓄电端或用电端8与中间热绝缘段上电极a和电极b连接成回路；回路型双工质脉动热管实现直接热发电系统置于磁场6中。 

所述抽真空管路9与上横管道之间连接真空管路截止阀10。 

所述液态导电工质A注入管路2和绝缘工质B注入管路3上各自连接一个液态导电工质A注液阀11和绝缘工质B充注阀12，液态导电工质A注液阀11和绝缘工质B充注阀12连接一起后与上横管道接通。 

所述中间热绝缘段采用扁平矩形通道结构并且为电绝缘。 

所述扁平矩形通道的两个侧壁上分别布置电极a和电极b，电极a和电极b与外部电路7及蓄电端或用电端8连接，另外两个侧壁施加磁场。

所述下部蒸发段为U型管，从所述高温热源吸收热量作为整个热发电系统的输入能量，一般采用具有高热导率的材料以减小热阻；中部热绝缘及电绝缘段采用热导率小并且电绝缘的材料，用于实现减少散热损失和电绝缘的目的；上部冷凝段为U型管，向所述低温热源释放系统排出的热量，一般采用具有高热导率的材料以减小热阻。 

一种利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电的方法，其特征在于，实施步骤为： 

1）首先关闭液态导电工质A注液阀11和绝缘工质B充注阀12，通过抽真空管路9对脉动热管的封闭空间进行抽真空，以排除不凝性气体，抽至真空度至少达100Pa后，关闭真空管路截止阀10； 

2）然后交替开启和关闭液态导电工质A注液阀11和绝缘工质B充注阀12，向脉动热管内间歇注入互不相溶的液态导电工质A和绝缘工质B； 

3）开启高温热源5，在脉动热管下部的蒸发段输入热能，使绝缘工质B吸收热量，当其温度达到绝缘工质B的沸点后，脉动热管开始启动，使得液态导电工质A、液相的绝缘工质B及汽相绝缘工质汽B_汽在中间热绝缘段13的矩形管通道内呈单向或双向往复运动，液态导电工质A的运动垂直切割所述磁场的磁力线，根据法拉第电磁感应定律，将在矩形通道侧壁上的电极a和电极b两个电极之间产生感应电动势（如图3所示），由外部电路7及蓄电端或用电端8与电极a和电极b连接成的回路输出，从而实现了热能到电能的直接转换。所述下部蒸发段和上部冷凝段的管路截面形状可为任意形状。 

所述液态导电工质A具有较高的沸点，在脉动热管中它只产生位移而不发生相变，既可以是液态金属（如汞等），也可以是其他导电的溶液，但都不与所述绝缘工质B互溶（如图2所示）。 

所述绝缘工质B具有较低的沸点，在脉动热管的加热段吸热蒸发、在冷凝段放热冷凝，它既可以是纯工质（纯水或去离子水、甲醇、丙酮、液态二氧化碳等），也可以是由多种互溶液体组成的混合工质（水-乙二醇混合溶液），但都不与所述液态导电工质A互溶（如图2所示）。 

所述中间热绝缘段的矩形通道内包含三种相态，即液相导电工质A、液相绝缘工质B及汽相绝缘工质B_汽。 

所述脉动热管主体1置于所述磁场6的N极和S极之间，如图3所示，磁场方向垂直纸面向里，绝缘段13矩形通道内去离子水、水蒸汽31以及液态汞2共同向上运动并垂直切割所述磁场6的磁力线，在液态汞2内部产生由右向左的感应电动势。需要指出的是，由于液态汞2在通道内运动方向的不确定，其内部产生的感应电动势也不确定，当液态汞2做往复运动时，其内部产生幅值不断变化的交流电；当液态汞2做单向运动时，其内部产生幅值不断变化的直流电，液态汞2在通道内的运动方式可通过在管路上设置单向阀或通过管路阻力匹配来控制；由于液相导电工质A（液态汞）与液相绝缘工质B（去离子水）及汽相绝缘工质B_汽（水蒸汽）在通道内间隔分布，电极a和电极b之间产生的感应电动势也具有间歇性。此外，由于脉动热管主体1的绝缘段13内包含多根并列通道，不同通道产生的感应电动势可进行并联或串联以获取较大的感应电流或感应电动势；当考虑规模化应用时，单个脉动热管主体1可视为一个直接热发电单元，通过多个发电单元的并联或串联可以获取规模化应用所需的大电流或高电压。 

为使所述脉动热管发电系统正常运行，所述下部吸热段、中间热绝缘及电绝 缘段、上部冷凝段的通道水力直径一般条件下需满足： 

$D_i\sqrt{g\frac{{\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_G}{\mathrm{\σ}}}\≤2$

其中D_i为通道的水力直径，g为重力加速度，ρ_I、ρ_G分别为所述电绝缘工质B的液相、汽相密度，σ为电绝缘工质B的液相和汽相之间界面张力。 

Claims (10)

1.一种利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电系统，其特征在于，所述利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电系统为由回路型双工质脉动热管的下部蒸发段、中部热绝缘及电绝缘段、上部冷凝段组成的封闭系统；其中，在双工质脉动热管主体（1）的上横管道上连接抽真空管路（9）、液态导电工质A注入管路（2）以及绝缘工质B注入管路（3）；低温热源（4）套在双工质脉动热管主体（1）的上部，高温热源（5）套在双工质脉动热管主体（1）的下部，外部电路（7）及蓄电端或用电端（8）与中间热绝缘段上电极（a）和电极（b）连接成回路，因此回路型双工质脉动热管实现了直接热发电系统置于磁场（6）中。

2.根据权利要求1所述利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电系统，其特征在于，所述抽真空管路（9）与上横管道之间连接真空管路截止阀（10）。

3.根据权利要求1所述利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电系统，其特征在于，所述液态导电工质A注入管路（2）连接一个液态导电工质A注液阀（11），绝缘工质B注入管路（3）上连接绝缘工质B充注阀（12），然后液态导电工质A注液阀（11）和绝缘工质B充注阀（12）连接一起后与上横管道接通。

4.根据权利要求1所述利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电系统，其特征在于，所述中间热绝缘段采用扁平矩形通道结构并且为电绝缘。

5.根据权利要求1所述利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电系统，其特征在于，所述扁平矩形通道的两个侧壁上分别布置电极（a）和电极（b），电极（a）和电极（b）与外部电路（7）及蓄电端或用电端（8）连接，另外两个侧壁施加磁场。

6.根据权利要求1所述利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电系统，其特征在于，所述下部蒸发段为U型管，从所述高温热源吸收热量作为整个热发电系统的输入能量，一般采用具有高热导率的材料以减小热阻；中部热绝缘及电绝缘段采用热导率小并且电绝缘的材料，用于实现减少散热损失和电绝缘的目的；上部冷凝段为U型管，向所述低温热源释放系统排出的热量，一般采用具有高热导率的材料以减小热阻。

7.一种利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电的方法，其特征在于，实施步骤为：

1）首先关闭液态导电工质A注液阀（11）和绝缘工质B充注阀（12），通过抽真空管路（9）对脉动热管的封闭空间进行抽真空，以排除不凝性气体，抽至真空度至少达100 Pa后，关闭真空管路截止阀（10）；

2）然后交替开启和关闭液态导电工质A注液阀（11）和绝缘工质B充注阀（12），向脉动热管内间歇注入互不相溶的液态导电工质A和绝缘工质B；

3）开启高温热源（5），在脉动热管下部的蒸发段输入热能，使绝缘工质B吸收热量，当其温度达到绝缘工质B的沸点后，脉动热管开始启动，使得液态导电工质A、液相的绝缘工质B及汽相绝缘工质汽B_汽在中间热绝缘段（13）的矩形管通道内呈单向或双向往复运动，液态导电工质A的运动垂直切割所述磁场的磁力线，根据法拉第电磁感应定律，将在矩形通道侧壁上的电极（a）和电极（b）两个电极之间产生感应电动势，由外部电路（7）及蓄电端或用电端（8）与电极（a）和电极（b）连接成的回路输出，从而实现了热能到电能的直接转换。

8.根据权利要求7所述利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电的方法，其特征在于，所述液态导电工质A具有较高的沸点，在脉动热管中它只产生位移而不发生相变，但都不与所述绝缘工质B互溶；该液态导电工质A为液态金属汞；所述绝缘工质B具有较低的沸点，在脉动热管的加热段吸热蒸发、在冷凝段放热冷凝，但都不与所述液态导电工质A互溶，该绝缘工质B为纯工质为纯水或去离子水、甲醇、乙二醇、丙酮或液态二氧化碳；或是两种以上的混合工质。

9.根据权利要求7所述利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电的方法，其特征在于，所述中间热绝缘段的矩形通道内包含三种相态，即液相导电工质A、液相绝缘工质B及汽相绝缘工质B_汽。

10.根据权利要求7所述利用回路型双工质脉动热管实现直接热发电的方法，其特征在于，所述回路型双工质脉动热管下部蒸发段、中间热绝缘及电绝缘段及上部冷凝段的通道水力直径应当满足

$D_i\sqrt{g\frac{{\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_G}{\mathrm{\σ}}}\≤2$

其中D_i为通道的水力直径，g为重力加速度，ρ_I、ρ_G分别为所述电绝缘工质B的液相、汽相密度，σ为电绝缘工质B的液相和汽相之间界面张力，使所述脉动热管发电系统正常运行。

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