CN104802631A - 钍燃料动力系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钍燃料动力系统及方法，所述钍燃料动力系统包括：热力单元、发电单元与冷却单元，热力单元包括锅炉与热力发生器；锅炉包括介质腔与燃料腔，热力发生器包括钍燃料和激光器，所述钍燃料放置于所述燃料腔中，所述燃料腔的腔壁设有开孔，所述激光器设置在腔壁的外侧，激光器发出的激光能够穿过所述开孔加热所述钍燃料从而使钍燃料产生热能，所述介质腔容置液体介质，其包括介质输入端与介质输出端；发电单元包括涡轮机与发电机，所述涡轮机与所述介质输出端相连通，所述涡轮机与所述发电机连接以带动发电机的发电；冷却单元设置于涡轮机与介质输入端之间并且与二者分别连通。通过本发明提供动力具有成本低、环保且更便捷的优点。

Description

钍燃料动力系统及方法

技术领域

本发明涉及动力系统领域，特别涉及一种适用于作为车辆、船舶、飞机、火车等运载工具的动力系统的钍燃料动力系统及方法。

背景技术

随着社会的发展，人类对能源的需求不断增加，给自然环境带来了非常深远的影响。动力系统为诸如车辆、船舶、飞机、火车等各类运载工具提供动力和操纵力，是各类运载工具的核心部件。随着科学技术的快速发展，对动力系统的性能要求也越来越高，尤其是其环保性。以汽车为例，目前全球的汽车保有量已超过10亿辆，而中国的汽车保有量已接近1.4亿辆。随着汽车等运载工具数量的大幅增加，能源消耗和环境污染变得越来越突出和严重，然而地球数十亿年积累的能源却是短期不可再生的，所以更为节能和环保的新能源动力系统将是人类发展的必然趋势。

因此，节能环保型动力系统成为了各类运载工具研发中的热点和难点问题。目前正在发展的新能源动力系统有混合动力、纯电动和燃料电池动力系统。混合动力系统是将发动机的一部分机械能转化为电能，在一定转速下只有电动机工作，从而达到提高发动机的工作效率，减少排放的目的，但动力来源还是依靠燃油，不能有效避免污染物的排放。纯电动动力系统能达到零排放的要求，但需要配备有大量的充电设施，且纯电动动力系统的续航能力有限，充电时间较长也限制了其推广。从能源的角度来说，我国火力发电产生的电量占到了总发电量的78％左右，纯电动动力系统所需要的电能大部分还是来自于火力发电，不能够完全摆脱化石燃料的束缚以及由火力发电产生的环境污染。氢燃料电池动力系统排放物只有水蒸气和热量，不产生任何废气，其续航里程和传统燃油动力系统不相上下，但氢燃料动力系统的推广首先要在技术层面上达到成熟，其次还要拥有完善的加氢设施。此外，目前氢气主要由天然气制取，生产过程中会排放大量的二氧化碳，而电解水制氢的效率非常低下且昂贵，氢燃料电池所使用的铂电极造价昂贵，使得氢气制造成本及氢燃料动力系统成本高居不下，这一系列的问题也使得氢燃料电池动力系统的发展较为缓慢。总之，各种技术、成本及基础设施建设问题严重制约了新能源动力系统在各类运载工具中的应用。

综上所述，提供一种独具优势的新能源动力系统及方法，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

由于运载工具中传统的燃油能源动力系统存在的缺点及目前新能源动力系统发展面临着不小的阻碍，为了解决新能源动力系统发展所面临的难题，本发明提供一种钍燃料动力系统及方法。钍燃料中储藏的能量极其丰富，且只要经过加热就能产生高热能，只需少量的钍燃料就能为运输工具提供持久的动力，在后续的使用过程中将不需要对燃料进行补充；利用此动力系统为汽车等运输工具提供高效动力，且不产生任何废气，能够有效解决由汽车排放大量废气引起的全球环境污染问题。

为了达到上述目的，本发明提供一种钍燃料动力系统，其包括：

热力单元，其包括锅炉与热力发生器；所述锅炉包括介质腔与燃料腔，所述热力发生器包括钍燃料和激光器，所述钍燃料放置于所述燃料腔中，所述燃料腔的腔壁设有开孔，所述激光器设置在腔壁的外侧，激光器发出的激光能够穿过所述开孔加热所述钍燃料从而使钍燃料产生热能，所述介质腔用于容置液体介质，所述介质腔包括介质输入端与介质输出端，所述液体介质能够受热汽化为气体介质，所述气体介质从介质输出端输出；

发电单元，其包括涡轮机与发电机，所述涡轮机与所述介质输出端相连通，所述气体介质从所述涡轮机的一端输入再从另一端输出由此带动所述涡轮机转动，所述涡轮机与所述发电机连接以带动发电机的发电，所述发电机产生的电能输出到蓄电池或者电动机；

冷却单元，其设置于涡轮机与介质输入端之间并且与二者分别连通，所述冷却单元用于将输入的所述气体介质冷却为液体介质并输送回介质腔。

优选地，所述钍燃料通过一固定支架设置于所述燃料腔内，所述固定支架一端设置有均匀分布的三个以上的抓手，所述抓手夹持所述钍燃料将其固定，所述固定支架的另一端固定连接于所述燃料腔；所述开孔包括衬套与透光片，所述衬套包裹所述透光片的边缘将其固定于所述腔壁，所述激光器与所述开孔为一一对应关系，所述激光器设置于所述开孔的外侧，并且其发出的激光能够穿过所述透光片直接照射到所述钍燃料。

优选地，所述抓手上设置有镂空的小孔，所述小孔与所述开孔为一一对应关系，所述小孔的中心、所述开孔的中心与所述激光器的激光束成三点一线设置，并且所述小孔的面积小于所述开孔的面积；所述燃料腔的腔壁由内而外依次包括耐热层与耐压层，所述耐热层用以阻止热能耗散，所述耐压层用以确保锅炉具有耐压性。

优选地，所述发电单元还包括开关与整流器，所述开关设置于蓄电池、整流器与发电机之间，所述开关能够控制电能的输送与否，所述整流器经过一转换器将发电机输出的不稳定交流电转换成可供电动机使用的交流电；所述动力系统还包括传感器与控制器，所述传感器能够检测液体介质的液面高度、涡轮机转速、介质腔与燃料腔压力、介质腔与燃料腔的温度将其转化为电信号的数据信息传输给控制器，控制器能够根据传感器检测的数据信息控制所述开关与激光器的开启或关闭状态以及液体介质的补充。

优选地，所述透光片为玻璃；所述耐热材料为多孔绝热材料；所述耐压层为金属材料；所述安全阀为弹簧式安全阀。

本发明同时提供了一种运输车辆，其中该运输车辆包括上述的钍燃料动力系统。

本发明同时还提供一种钍燃料动力方法，其采用如上所述的钍燃料动力系统，其中，包括以下步骤：

采用钍作为燃料，利用激光器照射钍燃料，使钍燃料受热产生热能；

所述热能加热介质腔内的液体介质使液体介质汽化转化为高压气体介质；

所述高压气体介质推动涡轮机转动做功而将热能转化为机械能；

所述涡轮机带动发电机的转子转动以将机械能转化为电能；

将电能输出给蓄电池或者电动机。

优选地，所述高压气体介质做功后的气体介质进入冷却单元，经过冷却单元的冷却后液化为液体介质，所述液体介质重新回到介质腔内。

优选地，所述钍燃料设置于能够隔热的燃料腔内，所述激光器设置于燃料腔外，所述燃料腔设置开孔，所述开孔设置透光片，所述激光器发出的激光能够穿过所述透光片照射到钍燃料；所述激光器与所述开孔一一对应，所述激光器与所述开孔分别设置为一个以上。

优选地，发电单元设置蓄电池组用来储存发电机产生的部分电能并作为动力系统的备用能源。

本发明的有益效果是：钍燃料所储藏的能量巨大，且储量丰富，将其用在汽车等运载工具中，只需少量的燃料便能为其提供持久的动力。只要大约8公克的钍燃料，就相当于6万加仑的汽油，几乎是只要添加一次燃料就能撑到运载工具坏掉。此外，由于其燃料补给是一次性的，不需要有任何其他的配套设施建设。另外，利用此动力系统不产生任何废气，能够有效解决由汽车排放大量废气引起的全球环境污染问题。因此，钍燃料动力系统是汽车等运载工具的最佳选择。

附图说明

通过说明书附图以及随后与说明书附图一起用于说明本发明某些原理的具体实施方式，本发明所具有的其它特征和优点将变得清楚或得以更为具体地阐明。

图1是钍燃料汽车动力系统总体结构示意图；

图2是钍燃料固定支架俯视图；

图3是小型锅炉结构剖面图；

图4是激光器安装位置局部放大图；

图5是钍燃料动力系统在汽车上应用的结构示意图。

应当了解，说明书附图并不一定按比例地显示本发明的具体结构，并且在说明书附图中用于说明本发明某些原理的图示性特征也会采取略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在说明书附图的多幅附图中，相同的附图标记表示本发明的相同或等同的部分。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提供一种钍燃料动力系统，其能够将热能转化为机械能再将机械能转化为电能输出，其包括：热力单元、发电单元与冷却单元。

热力单元包括锅炉与热力发生器，所述锅炉可以呈任意的封闭结构形式，如横切面为正方形、正六边形或者圆形的柱形。所述锅炉包括容置液体介质的介质腔与容置燃料的燃料腔，所述热力发生器包括钍燃料和激光器，所述钍燃料放置于所述燃料腔中，所述燃料腔的腔壁设有开孔，所述激光器设置在燃料腔的腔壁的外侧，激光器发出的激光能够穿过所述开孔加热所述钍燃料从而使钍燃料产生热能。所述介质腔包括介质输入端与介质输出端，所述液体介质能够受热汽化为气体介质，所述气体介质能够从介质输出端输出；所述燃料为钍燃料，所述钍燃料能够受的激光器的激发产生热能。所述钍燃料通过一固定支架设置于所述燃料腔内，所述固定支架可以是任何形式的固定支架，也可以是没有抓手的支架，其目的主要是对钍燃料进行固定，优选的固定支架为一端设置有等夹角分布的多个用于夹持固定所述钍燃料的抓手，抓手数目可以是三个或者三个以上，并不限定具体数目，优选个数为四个。所述固定支架的另一端固定连接于所述燃料腔。所述燃料腔的腔壁包括开孔，所述开孔设置有衬套与透光片，所述衬套包裹所述透光片的边缘将其固定于所述燃料腔的腔壁，所述激光器与所述开孔可以设置为一个以上且二者为一一对应关系，具体数量根据实际需要设定，所述激光器设置于所述开孔的外侧，并且其发出的激光能够穿过所述透光片直接照射到所述钍燃料，所述透光片的优选材料为耐高温的玻璃。所述抓手上设置有镂空的小孔，所述小孔与所述开孔为一一对应关系。为了确保激光直接照射钍燃料，所述小孔的中心、所述开孔的中心与所述激光器的激光束成三点一线设置，并且所述小孔的面积小于所述开孔的面积。所述燃料腔的腔壁由内而外依次包括耐热层与耐压层，所述耐热层选用多孔绝热材料用以阻止热能耗散起到隔热和保温的作用；所述耐压层可选用各类高强度金属材料或复合材料，用以确保锅炉具有足够的耐压性。

发电单元包括涡轮机与发电机，所述涡轮机的一端通过一安全阀连通所述介质输出端，所述气体介质从所述涡轮机的一端输入再从另一端输出由此带动所述涡轮机转动，所述涡轮机与所述发电机共轴连接带动发电机的转子转动，所述发电机的电能通过一电能输出端输出。所述发电单元还包括开关、蓄电池与整流器，所述开关设置于蓄电池、整流器与电能输出端之间，所述开关能够控制电能的输送与否，所述整流器经过一转换器将发电机输出的不稳定交流电转换成可供电动机使用的预设频率的交流电。在具体实施例中，所述动力系统还可包括传感器与控制器，所述传感器能够检测液体介质的液面高度、涡轮机转速、介质腔与燃料腔压力、介质腔与燃料腔的温度将其转化为电信号的数据信息传输给控制器，控制器能够根据传感器检测的数据信息控制所述开关与激光器的开启或关闭状态以及液体介质的补充。

冷却单元设置于涡轮机与介质输入端之间并且与二者分别连通，所述冷却单元用于将输入的所述气体介质冷却为液体介质并输送回介质腔。液体介质可以采用水、液氮或者其他任何形式的液体。

下面，结合附图对本发明的具体实施例及方法进行描述。请参阅图1-5所示，本发明的优选实施例提出了一种运载工具的钍燃料动力系统及方法，在本实施例中，所述钍燃料动力系统结构示意图如图1所示。本实施例的锅炉采用小型锅炉4，并且采用水作为液体介质5。通过激光器9对钍燃料6进行激光加热后产生大量热能，此热能对小型锅炉4的介质腔中的液体介质5加热使液体介质汽化为气体介质，气体介质在介质腔内聚集达到预设的温度和压强后成为高压气体通过安全阀14后推动涡轮机2做功，由此热能转化为涡轮机2的机械能。涡轮机2和发电机1用同一根轴3通过预应力相连接，涡轮机2带动发电机1的转子绕定子转动产生电能。所述发电单元包括开关15，通过开关15能够调整产生的电能一部分储存在由多个蓄电池组成的蓄电池组18中，另一部分通过整流器19和转换器20后，将发电机1输出的不稳定交流电转换成可供电动机21使用的预设频率交流电。当发电机1没有处于工作状态或输出的电量不足时，蓄电池组18中储存的电能可为电动机21提供较长时间的工作。气体介质通过涡轮机2后会损失一定的热能，但还没有液化，再通过冷却单元的冷凝器11让冷却管道12中的冷却液对其进行冷却，最后液化后的液体介质直接流回小型锅炉4中，从而达到液体介质5在循环中重复使用的目的。当小型锅炉4中的液体介质5的容量小于安全值时可通过介质输入端的外接管道13，将外部的蓄液容器中的液体介质导入。

本发明中的激光器9优选半导体激光器，其具有结构简单、体积小、寿命长、易于调制及价格低廉等优点。激光器产生的激光波长范围为500～1200nm，功率范围为0.1～3kW。

本发明中的钍燃料6由固定支架7进行固定，固定支架7的一端具有均匀分布的四个个抓手71(如图2所示)，在每个抓手71处开有小孔72，以便让激光通过，采用这种固定方式除能防止钍燃料6向任何方向移动外，还能保证热量迅速向炉内空间扩散。

如图3所示，本发明中的小型锅炉4外形选择容易加工成型且抗压性能好的横截面为圆形的圆柱形状。激光器9在小型锅炉4的圆周方向上布置4个，采用均匀分布的形式，优选沿锅炉壁的圆周方向均匀分布。相应地，在燃料腔的腔壁8上设置开孔，所述激光器与所述开孔一一对应，所述开孔也相应的设置为4个。开孔的位置在水平方向上应对齐固定支架7上的小孔72，以便让激光能直接照射到钍燃料6上。激光器9安装位置的局部放大图如图4所示，开孔处安装有耐高温绝热玻璃10作为透光片，以阻止热量通过小孔向外扩散。利用衬套83将耐高温绝热玻璃10两端夹住进行固定(如图4所示)，而衬套83则通过与小孔72形成过盈配合来固定。燃料腔的腔壁8的剖面图如图3所示，所述燃料腔的腔壁8一共有两层，包括耐热层81与耐压层82。耐压层82材料选择高强度金属或者复合材料，优选高强度金属钢HC700，主要用来确保锅炉具有足够的耐压性，其屈服强度为794.2MPa，耐压层的厚度应不小于6mm，锅炉的最大工作压力不超过100MPa，优选5MPa；耐热层81材料是多孔绝热材料，用来阻止热能耗散，耐热层的厚度不小于40mm。激光器9所需的能源由蓄电池组18提供，其工作状态由控制器16控制。

安全阀14的选取须根据驱动涡轮机2所需要的气体压力进行匹配，使得从安全阀14中溢出的气体既有足够的动力驱动涡轮机2带动同轴的发电机1一起旋转产生足够的电能，又能让锅炉4中的气体压力不至于过高从而加大了对设备强度的要求。本实施例中安全阀14选用结构紧凑、严密性好、抗振性能好、灵敏可靠的弹簧式安全阀。这种安全阀利用弹簧力将阀芯压在阀座上，正常运行时，弹簧作用在阀芯上的压紧力大于气体介质作用在阀芯上的推力，安全阀处于关闭状态。当小型锅炉4内压力升高，气体介质作用在阀芯上的推力大于弹簧作用在阀芯上的压紧力时，弹簧被压缩，阀芯顶起，高压的气体介质从安全阀14中冲出，直到作用在阀芯上的气体推力小于弹簧作用在阀芯上的压紧力时，阀芯才会落下，并与阀座紧密结合，安全阀14停止排气。只要锅炉4内的产气量大于排气量，安全阀14就一直处于打开状态，高温高压气体就会对涡轮机2持续做功，涡轮机带动发电机1持续运转产生稳定电流。

控制器16通过传感器组17产生的信号来对整个动力系统实施控制。传感器组17包括的传感器有：锅炉液面监测传感器、涡轮机转速传感器及各种温度和压力传感器。温度传感器用来监测锅炉内气体的温度，可选用贴片式温度传感器，测温范围为-50～600℃；压力传感器是用来监测锅炉内气体的压力，可选用高温无腔压力传感器，测压范围为-0.1～100MPa。通过锅炉液面监测传感器，控制器16可对锅炉4中的液面位置进行实时监测，如发现锅炉液面位置在设定的警戒位置以下时，控制器16会发出指令，通过打开外接管道13连接蓄液容器的开关使液体介质5得到补充。

本发明中的钍燃料动力系统可用在各种运载工具上，图5是该钍燃料动力系统在汽车上应用的结构示意图。其中，101模块为电动机，102模块为控制器，103模块为蓄电池组，104模块由小型锅炉、激光器、涡轮机、发电机、冷凝器及各种管道组成的循环系统。104模块所占的体积较大，故应将其布置在有较大空间的汽车后方，而蓄电池组103及电动机101的布置则沿用了现在新能源汽车的布局方式，这样可以在充分利用现有新能源汽车开发平台的基础上，只需在局部区域进行修改与设计，既能够有效降低钍燃料汽车的开发成本，缩短开发周期，又能利用现有车型的技术体系。

本发明的优点在于：钍燃料中储藏的能量极其丰富，且只要经过加热就能产生高热能，因此，只需少量的钍燃料就能为汽车提供持久的动力，汽车在后续的使用过程中将不需要对燃料进行补充；利用此动力系统为汽车提供动力高效环保，不产生任何废气，能够有效解决由汽车排放大量废气引起的全球环境污染问题。至于钍燃料的辐射问题，由于钍元素的放射性很低，实际上只需要一张薄薄的铝箔就可以阻挡其放射性，厚实的蒸汽炉壁完全足以屏蔽其辐射。

上述实施例是用于例示性说明本发明的原理及其功效，但是本发明并不限于上述实施方式。本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，在权利要求保护范围内，对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围，应如本发明的权利要求书覆盖。

Claims (10)

1.一种钍燃料动力系统，其包括：

热力单元，其包括锅炉与热力发生器；所述锅炉包括介质腔与燃料腔，所述热力发生器包括钍燃料和激光器，所述钍燃料放置于所述燃料腔中，所述燃料腔的腔壁设有开孔，所述激光器设置在腔壁的外侧，激光器发出的激光能够穿过所述开孔加热所述钍燃料从而使钍燃料产生热能，所述介质腔用于容置液体介质，所述介质腔包括介质输入端与介质输出端，所述液体介质能够受热汽化为气体介质，所述气体介质从介质输出端输出；

发电单元，其包括涡轮机与发电机，所述涡轮机与所述介质输出端相连通，所述气体介质从所述涡轮机的一端输入再从另一端输出由此带动所述涡轮机转动，所述涡轮机与所述发电机连接以带动发电机的发电，所述发电机产生的电能输出到蓄电池或者电动机；

冷却单元，其设置于涡轮机与介质输入端之间并且与二者分别连通，所述冷却单元用于将输入的所述气体介质冷却为液体介质并输送回介质腔。

2.根据权利要求1所述的钍燃料动力系统，其特征在于：

所述钍燃料通过一固定支架设置于所述燃料腔内，所述固定支架一端设置有均匀分布的三个以上的抓手，所述抓手夹持所述钍燃料将其固定，所述固定支架的另一端固定连接于所述燃料腔；

所述开孔包括衬套与透光片，所述衬套包裹所述透光片的边缘将其固定于所述腔壁，所述激光器与所述开孔为一一对应关系，所述激光器设置于所述开孔的外侧，并且其发出的激光能够穿过所述透光片直接照射到所述钍燃料。

3.根据权利要求2所述的钍燃料动力系统，其特征在于：所述抓手上设置有镂空的小孔，所述小孔与所述开孔为一一对应关系，所述小孔的中心、所述开孔的中心与所述激光器的激光束成三点一线设置，并且所述小孔的面积小于所述开孔的面积；

所述燃料腔的腔壁由内而外依次包括耐热层与耐压层，所述耐热层用以阻止热能耗散，所述耐压层用以确保锅炉具有耐压性。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的钍燃料动力系统，其特征在于：

所述发电单元还包括开关与整流器，所述开关设置于蓄电池、整流器与发电机之间，所述开关能够控制电能的输送与否，所述整流器经过一转换器将发电机输出的不稳定交流电转换成能够供电动机使用的交流电；

所述动力系统还包括传感器与控制器，所述传感器能够检测液体介质的液面高度、涡轮机转速、介质腔与燃料腔压力、介质腔与燃料腔的温度将其转化为电信号的数据信息传输给控制器，控制器能够根据传感器检测的数据信息控制所述开关与激光器的开启或关闭状态以及液体介质的补充。

5.根据权利要求4所述的钍燃料动力系统，其特征在于：

所述透光片为玻璃；

所述耐热材料为多孔绝热材料；

所述耐压层为金属材料；

所述安全阀为弹簧式安全阀。

6.一种运输车辆，其中该运输车辆包括权利要求1-5中任一项所述的钍燃料动力系统。

7.一种钍燃料动力方法，其采用如权利要求1-5中任一项所述的钍燃料动力系统，其中，包括以下步骤：

采用钍作为燃料，利用激光器照射钍燃料，使钍燃料受热产生热能；

所述热能加热介质腔内的液体介质使液体介质汽化转化为高压气体介质；

所述高压气体介质推动涡轮机转动做功而将热能转化为机械能；

所述涡轮机带动发电机的转子转动以将机械能转化为电能；

将电能输出给蓄电池或者电动机。

8.根据权利要求7所述的钍燃料动力方法，其中，所述高压气体介质做功后的气体介质进入冷却单元，经过冷却单元的冷却后液化为液体介质，所述液体介质重新回到介质腔内。

9.根据权利要求8所述的钍燃料动力方法，其中，所述钍燃料设置于能够隔热的燃料腔内，所述激光器设置于燃料腔外，所述燃料腔设置开孔，所述开孔设置透光片，所述激光器发出的激光能够穿过所述透光片照射到钍燃料；所述激光器与所述开孔一一对应，所述激光器与所述开孔分别设置为一个以上。

10.根据权利要求9所述的钍燃料动力方法，其中，发电单元设置蓄电池组用来储存发电机产生的部分电能并作为动力系统的备用能源。