CN103176222A - 一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器，包括气囊（1）和位于气囊（1）下部的热力发电系统，热力发电系统上部外沿与气囊（1）密封连接，包括集液环（2）、储液器（3）、单向阀门（4）、换热器（5）、过热管（6）、涡轮膨胀机（7）、发电机（8）和设备载荷舱（12）。本发明可在大气温度梯度和浮空探测器的垂直运动共同作用下，形成等效的热力循环，可从大气储存的能量中产生电能,可自主启动、自主运行，安全性好、可靠性高。

Description

一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器

技术领域

本发明涉及利用大气浮力飞行的浮空探测器，特别是涉及一种利用大气温度梯度进行热力发电的浮空探测器。

背景技术

浮空探测器通过在体内填充大量轻质气体（如氢气、氦气等）产生浮力，从而实现在大气中飞行。气球和飞艇等浮空探测器在100多年前就已经得到应用，并成为地球大气探测的一种重要手段。除地球之外，宇宙中存在大量具有大气的行星和卫星。仅太阳系中，目前已知具有较为稠密大气的星体就有金星、火星、木星、土星、天王星、海王星等行星，以及土星最大的卫星土卫六。上述天体中，除木星、土星、天王星和海王星等巨行星主要由氢、氦等轻质气体元素构成外，其余星体均与地球类似，具有固体表面，上面覆盖着大气层。由于浮空探测器悬浮在大气中，不仅可在具有固体表面的星球上运行，也可在类木行星等没有固体表面的星球上运行。它可弥补着陆器、漫步车等陆基探测器等探测活动范围小，受地形地貌条件限制，以及轨道探测器数据分辨率低、受云层遮挡、机动性差等不足，具有覆盖范围大、驻空时间长、灵活机动、能源消耗少、振动及电磁噪声小等优点，是在星球大气层内开展科学探测的理想飞行器。

浮空探测器等深空探测器需解决的首要因素之一是能源的持续获取。探测器通过自身携带的蓄电池，仅能供应数小时的电能。随着离太阳的距离越远，太阳能发电的效率越低，甚至不可能；而且，即使像金星等距离太阳较近的星球，由于自旋周期长，夜晚可长达数百天，以及云层遮挡等因素的影响，采用太阳能难以解决探测器的持续供电问题。同位素核电源体积小、寿命长，在深空探测器得到普遍应用。但由于其发电功率小（数瓦～数百瓦）、价格昂贵、发射时面临核安全等风险，应用范围有限。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种利用地球、金星、火星等星球表面大气自然形成的温度梯度进行热力发电的浮空探测器，以实现长期持续的电力供应，可摆脱对太阳能的依赖，实现昼夜能量供应，大大提高浮空探测器的探测能力。

为实现上述目的，本发明提供一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器，包括气囊和位于气囊下部的热力发电系统；其中，热力发电系统上部外沿与气囊密封连接，包括集液环、储液器、单向阀门、换热器、过热管、涡轮膨胀机、发电机和设备载荷舱；储液器位于热力发电系统的底部，包括同轴的中心长空心圆柱结构和下部扁空心圆柱结构，集液环紧密设置在储液器中心长空心圆柱结构的外侧，集液环顶部均匀设置若干个单向阀门，换热器布置在储液器下部扁空心圆柱结构的外部，储液器下部扁空心圆柱结构外沿均匀开有若干个通向储液器上部空心圆柱结构空腔的过热管，储液器顶部设置有涡轮膨胀机，发电机设置在与涡轮膨胀机上部并与其同轴联动，储液器底部为设备载荷舱，设备载荷舱内设有电源管理装置和蓄电池，通过电缆将发电机、电源管理装置和蓄电池连通。

所述热力发电系统上部外沿通过悬挂装置和补片与气囊密封连接。

所述集液环顶部均匀设置4个单向阀门。

所述储液器下部扁空心圆柱结构外沿均匀开有3个通向储液器上部空心圆柱结构空腔的过热管。

所述涡轮膨胀机入口设置有控制阀。

所述换热器外表面安装有翅片，用于强化与大气的对流换热。

所述气囊可采用单气囊单工质、双气囊双工质或单气囊双工质等方案。

本发明与现有技术相比的有益效果是：（1）本发明提出的一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器，可在大气温度梯度和浮空探测器的垂直运动共同作用下，形成等效的热力循环，可从大气储存的能量中产生电能；例如：若携带1kg的水，换热器热功率为1kW，热电转换效率5%，则可在一个垂直振荡周期内可连续38分钟提供50W电能。（2）本发明提出的一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器采用与大气垂直热力结构相匹配的、易于汽液相变的工质作为浮空探测器的浮力气体，利用自身物理机制产生高度方向上的自持振荡，利用不同高度的大气温度差发电，不需额外电力辅助，可自主启动、自主运行，安全性好、可靠性高。（3）利用本发明中的高效率的涡轮膨胀机发电装置，可把大气中的低品位热能转换为电能，使浮空探测器可便捷地从周围环境中获取能源。（4）利用本发明中的涡轮发电机和蓄电池联合供电方式，可实现在整个循环周期内为携带的电子设备连续供电。

附图说明

图1为本发明的一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器实施例示意图。

图2为图1的A向视图。

图3为本发明的一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器在低空蒸发膨胀状态的实施例示意图

图4为本发明的一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器在高空冷凝收缩状态的实施例示意图

图中，1-气囊，2-集液环，3-储液器，4-单向阀门，5-换热器，6-过热管，7-涡轮膨胀机，8-发电机，9-电缆，10-电源管理装置，11-蓄电池，12-设备载荷舱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。

由于星球表面大气受到地表和太阳辐射的长期综合作用，会在一定区域范围内形成稳定的随高度降低的温度梯度，同时，在星球引力作用下，大气压力会产生随高度降低（例如地球对流层大气温度会按照6.5℃/km的速率降低，大气压力和密度也会近似按指数规律降低）。本发明提出利用星球大气系统的垂直温度梯度和重力作用，利用浮空探测器内部工质的汽液相变造成的浮力变化使浮空探测器产生垂直振荡运动，把大气作为取之不竭的能量库，从大气层低处吸取热量，在大气层高处排出热量，形成等效的热力循环作用，并采用涡轮机等热电转换装置，把热能转换为机械能并最终转换为电能，从而为仪器设备供电。采用这种热能发电的方式，可为浮空飞行器，特别是深空探测浮空飞行器提供长期持续的电力供应，摆脱对太阳能的依赖，实现昼夜能量供应，大大提高浮空探测器的探测能力。

基于上述发明思路，一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器如图1所示，包括气囊1和位于气囊1下部的热力发电系统；其中，热力发电系统上部外沿通过悬挂装置和补片与气囊1密封连接，包括集液环2、储液器3、单向阀门4、换热器5、过热管6、涡轮膨胀机7、发电机8和设备载荷舱12；气囊1位于顶部，容纳汽化的工质并产生浮力，实现在大气中飞行；储液器3位于热力发电系统的底部，包括同轴的中心长空心圆柱结构和下部扁空心圆柱结构，用于接收集液环2收集的气囊1表面冷却液体；集液环2紧密设置在储液器3中心长空心圆柱结构的外侧，用于在高空低温环境下收集气囊1表面冷却的液体；集液环2顶部均匀设置4个单向阀门4，保障液体可从气囊1流入集液环2，并避免汽化后的汽态工质从集液环2回流到气囊1；换热器5布置在储液器3下部扁空心圆柱结构的外部，换热器5外表面安装有翅片，用于实现与外界环境的充分换热，在低空温度较高的大气加热作用下，内部的液态工质受热蒸发，并按照一定的汽化率转变为汽态工质；储液器3下部扁空心圆柱结构外沿均匀开有3个通向储液器3中心空心圆柱结构空腔的过热管6，通过与外界热交换，把汽态工质由换热器5外侧导出到储液器3上部空腔，并沿管道上升，在上升过程中被外界大气进一步加热，形成过热气体；储液器3顶部设置有涡轮膨胀机7，用于汽态工质膨胀做功，将工质的热能转换为机械动能，汇集到储液器3上部空间的汽态工质，流过涡轮膨胀机7中的流道并膨胀做功，驱动涡轮膨胀机7高速旋转，膨胀后的汽态工质由涡轮膨胀机7出口排出至气囊1内；发电机8设置在与涡轮膨胀机7上部并与其同轴联动，用于将涡轮膨胀机7动旋转动能通过电磁作用转换为电能；储液器3底部为设备载荷舱12，设备载荷舱12内设有电源管理装置10和蓄电池11，通过电缆9将发电机8、电源管理装置10和蓄电池11连通，电源管理装置10根据要求将发电机8发出的电能输送给仪器设备或通过蓄电池11存储，蓄电池11用于将发电机8产生的电能储存，并通过电源管理装置10，输送给浮空探测器携带的仪器设备使用。涡轮膨胀机7入口设置有控制阀，控制汽态工质向涡轮膨胀机7的流量，可实现发电功率以及浮力调节。控制阀完全关闭时，汽态工质无法流入气囊1，气囊1浮力不再变化，可在其它手段的配合下实现高度调节与控制。根据应用需求的不同，气囊1可采用单气囊单工质，双气囊双工质、或单气囊双工质等方案。浮空探测器可采用气球或飞艇的形式。

上述浮空探测器在低空蒸发膨胀状态的工作过程如图3所示：当浮空探测器下降到一定高度后，在低空热空气的加热作用下，储液器3底部的液态工质蒸发，产生高压汽态工质，并驱动涡轮膨胀机7做功，排出的低压汽态工质进入上部气囊1；随着工质汽化量的增加，更多的汽态工质进入气囊1，气囊1体积不断膨胀，达到充满状态；同时，浮空探测器的总浮力也不断增加，当总浮力超过总重时，浮空探测器将克服重力的影响，高度不再下降并逐步上升。

上述浮空探测器在高空冷凝收缩状态的工作过程如图4所示：当浮空探测器上升到一定高度后，在高空冷空气的冷却作用下，汽态工质冷凝，形成液态工质；液态工质在重力场作用下沿气囊1内表面向下流动，并在气囊1下端的收缩口流入集液环2，并最终汇集到储液器3中；随着工质液化量的增加，更多的汽态工质冷凝为液态工质，并流出气囊1，气囊1体积不断收缩；同时，浮空探测器的总浮力也不断降低，当总浮力低于总重时，浮空探测器将无法克服重力的影响，高度不再上升并逐步下降。

热力发电系统运行方式如图1、图2所示：由于大气压力和温度随高度降低逐渐升高，当浮空探测器飞行高度降低到一定程度时，外界大气的压力与温度满足内部液态工质的蒸发条件；在外界大气环境的加热作用，已冷凝集聚在浮空探测器底部储液器3和换热器5处的液态工质受热蒸发，按照一定的汽化率转变为汽态；汽态工质由换热器5外侧的过热管6流出，并沿管道上升，在上升过程中被外界大气进一步加热，形成过热汽态工质；过热管6出口的汽态工质排出汇集到储液器3的上部空间；储液器3的上部空间中的汽态工质在压力驱动下，流过其上部的涡轮膨胀机7；汽态工质在涡轮膨胀机7的流道中膨胀做功，压力降低，并以一定的速度从涡轮膨胀机7出口排出，进入气囊1内部的封闭空间；汽态工质在涡轮膨胀机7中膨胀做功，驱动涡轮膨胀机7高速旋转；与涡轮膨胀机7同轴联动的发电机8转子在涡轮膨胀机7的驱动下转动，通过电磁作用，将机械能转换为电能；发出的电能通过电缆9传输到电源管理装置10，由电源管理装置10根据要求将电能输送给仪器设备或通过蓄电池11存储。膨胀降压后的汽态工质由涡轮膨胀机7出口进入浮空探测器上部的气囊1，为浮空探测器提供更多的浮力；当工质汽化到一定数量后，浮空探测器处于净浮力状态，浮力超过重力，使浮空探测器停止下降，开始上升周期。

在浮空探测器处于上升周期时，由于大气压力和温度随高度降低逐渐降低，当浮空探测器飞行高度升高到一定程度时，外界大气的压力与温度满足内部汽态工质的冷凝条件；气囊1内部的汽态工质在外界大气的冷却下，逐渐液化；液化的工质在重力场的作用下，通过在集液环2上部入口处的单向阀4流入环状集液环2；液体在集液环2内自上向下沿壁面流动，进一步受外界大气冷却，处于过冷状态，并通过下部圆孔流入底部换热器5和中心储液器3中；在此过程中发电系统不发电。随着工质液化量的增加，气囊1内汽态工质不断减少，浮空探测器浮力逐渐降低，处于净重力状态，浮空探测器产生向下运动，飞行高度逐渐降低，开始下一个下降周期。

以上所述，仅为本发明的实施例之一，但并不限制本发明的范围。依据本发明权利要求所做的等效变化及修改，仍属于本发明的范围，故都应视为本发明的进一步实施例。例如，除本发明实施例列出的单气囊浮空探测器方式之外，也可采用多气囊方式，即汽液相变气囊和浮升气囊的组合方式；既可采用气球形式，也可采用飞艇形式。因此，采用其它气囊方式的浮空探测器，也是本发明的有效变化及修改。

Claims (7)

1.一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器，包括气囊（1）和位于气囊（1）下部的热力发电系统，其特征在于：热力发电系统上部外沿与气囊（1）密封连接，包括集液环（2）、储液器（3）、单向阀门（4）、换热器（5）、过热管（6）、涡轮膨胀机（7）、发电机（8）和设备载荷舱（12）；储液器（3）位于热力发电系统的底部，包括同轴的中心长空心圆柱结构和下部扁空心圆柱结构，集液环（2）紧密设置在储液器（3）中心长空心圆柱结构的外侧，集液环（2）顶部均匀设置若干个单向阀门（4），换热器（5）布置在储液器（3）下部扁空心圆柱结构的外部，储液器（3）下部扁空心圆柱结构外沿均匀开有若干个通向储液器（3）上部空心圆柱结构空腔的过热管（6），储液器（3）顶部设置有涡轮膨胀机（7），发电机（8）设置在与涡轮膨胀机（7）上部并与其同轴联动，储液器（3）底部为设备载荷舱（12），设备载荷舱（12）内设有电源管理装置（10）和蓄电池（11），通过电缆（9）将发电机（8）、电源管理装置（10）和蓄电池（11）连通。

2.如权利要求1所述的一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器，其特征在于热力发电系统上部外沿通过悬挂装置和补片与气囊（1）密封连接。

3.如权利要求1所述的一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器，其特征在于集液环（2）顶部均匀设置4个单向阀门（4）。

4.如权利要求1所述的一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器，其特征在于储液器（3）下部扁空心圆柱结构外沿均匀开有3个通向储液器（3）上部空心圆柱结构空腔的过热管（6）。

5.如权利要求1所述的一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器，其特征在于涡轮膨胀机（7）入口设置有控制阀。

6.如权利要求1所述的一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器，其特征在于换热器（5）外表面安装有翅片。

7.如权利要求1所述的一种利用大气温度梯度发电的浮空探测器，其特征在于气囊（1）为单气囊单工质、双气囊双工质或单气囊双工质。

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