CN107956660A - 一种循环相变腔体旋转式热电转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种循环相变腔体旋转式热电转换装置，旨在保证转换效率的同时，简化热电转换装置的结构，包括聚光面和通过中心支柱固定在聚光面焦点位置的热电转换单元；热电转换单元包括加热腔、叶轮腔、储液腔、冷凝腔、支撑架和发电机；发电机通过支撑架固定在加热腔的底部；叶轮腔固定在加热腔的顶部，其中心轴线与加热腔和发电机的中心轴线重合；储液腔固定在叶轮腔的顶部；冷凝腔固定在储液腔的顶部；加热腔和储液腔之间连接有储液腔进气管道和储液腔排液管道；冷凝腔和叶轮腔之间连接有叶轮腔排气管道，和储液腔之间连接有储液腔进液管道和储液腔排气管道。本发明结构简单紧凑，质量轻，可用于聚光式太阳能热发电系统。

Description

一种循环相变腔体旋转式热电转换装置

技术领域

本发明属于机械装置技术领域，具体涉及一种循环相变腔体旋转式热电转换装置，可用于聚光式太阳能热发电系统。

背景技术

由于传统不可再生资源的枯竭，以及常规能源的开发和利用对环境造成的污染日趋严重，开发太阳能、地热能、风能、生物质能等清洁环保的可再生能源成为人类最迫切的需要。其中，太阳能因具有资源充足、分布广泛、成本低廉等特点，拥有极大的开发价值和广泛的应用前景。

太阳能发电主要有太阳能光伏发电和太阳能热发电两类，与光伏发电相比，太阳能热发电系统生产加工过程污染较少，是当前研究的热点。太阳能热发电系统可分为聚光式太阳能热发电系统和非聚光式太阳能热发电系统，其中聚光式太阳能热发电系统又可细分为碟式太阳能热发电系统、槽式太阳能热发电系统和塔式太阳能热发电系统。相对于非聚光式太阳能热发电系统，如太阳能热气流发电、太阳能热池发电等，聚光式太阳能热发电系统能量转换效率更高，具有良好的应用前景，但传统方案因其结构复杂、功率密度低，成本高等，难以进行大范围的普及应用。

例如碟式太阳能热发电系统，主要包括碟式聚光器、接收器、斯特林热机、发电机等，其中斯特林热机通过工作气体的受热膨胀、遇冷压缩可将热能转化为机械能，驱动加热腔内的动力活塞做往复运动，进而驱动直线电机将机械能转化为电能输出。该类热机具有外燃、闭式循环等特点，但却普遍存在结构复杂、功率密度低、制造难度大等缺点，难以实现商业化。

槽式和塔式太阳能热发电系统，则是将多个集热器经过串并联排列，以聚焦的方式将太阳光聚集起来，产生高温并加热工质，利用相变产生的高温高压蒸汽在汽轮机内膨胀做功，推动汽轮机高速旋转，并带动发电机发电，适合商业化并网发电，但汽轮机结构复杂，且整个系统需要地面上的集热系统、储热系统、换热系统、汽轮机组、冷却系统、工质泵、发电系统等各个子系统相互配合，系统组成复杂，占地面积大，建造成本高。除此之外，工质泵还会消耗一部分系统发出的电能。例如授权公告号为CN 102817799 B，名称为“塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置”的中国专利，公开了一种塔式特斯拉涡轮太阳能发电装置，该装置中储热工质将通过吸收聚光镜反射的太阳能而存储的热量传递给发电工质，发电工质发生相变形成蒸汽并推动特斯拉涡轮做功，进而带动发电机发电。该装置采用特斯拉涡轮结构替代汽轮机作为热能的转换部件，简化了传统太阳能热发电系统的部分结构，但却依然存在系统组成复杂，且需要增压液泵将液态工质送入工质蒸发器的缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种循环相变腔体旋转式热电转换装置，旨在保证转换效率的同时，简化热电转换装置的结构。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种循环相变腔体旋转式热电转换装置，包括热电转换单元1和聚光面3，所述热电转换单元1通过中心支柱2固定在聚光面3的焦点位置；

所述热电转换单元1，包括冷凝腔101、储液腔102、叶轮腔103、加热腔104、发电机106、储液腔进液管道109、储液腔排液管道111、储液腔进气管道110、储液腔排气管道107和叶轮腔排气管道108，其中：

所述加热腔104，包括加热腔体1042、加热板1043和加热腔盖1041；所述加热腔体1042采用带有中间细两端开口空腔的薄壁曲面结构，其侧壁下端设置有供储液腔排液管道111穿过的通孔；所述加热腔盖1041固定在加热腔体1042的顶端端口，其上设置有中心通孔、连接储液腔进气管道110的排气孔和2个以上且周向均匀分布的通往叶轮腔103的排气孔；所述加热板1043固定在加热腔体1042的底端端口，其上表面固定有分液体1044，中心位置设置有通孔；

所述发电机106，通过支撑架105固定在加热板1043上；

所述叶轮腔103，包括叶轮腔体1031、叶轮轴1033和叶轮1032；所述叶轮腔体1031采用顶端封闭的中空圆柱形薄壁结构，其顶部设置有连接叶轮腔排气管道108的排气孔，底端固定在加热腔盖1041上；所述叶轮轴1033贯穿加热腔盖1041和加热板1043通孔上安装的密封轴承，上端与安装在叶轮腔体1031内的叶轮1032固定，下端通过联轴器与发电机106的发电机轴连接；

所述储液腔102，包括储液腔体1022、储液腔盖1021、压缩弹簧1024和移动腔1023；所述储液腔体1022，采用底端封闭的中空圆柱形薄壁结构，其侧壁自上而下设置有连接储液腔进气管道110的进气孔、连接储液腔排气管道107的排气孔、连接储液腔进液管道109的进液孔和连接储液腔排液管道111的排液孔，底端固定在叶轮腔体1031上；所述储液腔盖1021固定在储液腔体1022的顶端端口；所述移动腔1023，采用中空圆柱形结构，通过压缩弹簧1024固定在储液腔体1022的底部，该移动腔1023的外径与储液腔体1022的内径尺寸相等，侧壁上端设置有进气孔，下端设置有排气孔，初始工作状态下，该进气孔与储液腔体1022的进气孔重合，且腔体顶部与储液腔盖1021的下表面相接触；

所述冷凝腔101，包括冷凝腔体1012和冷凝腔盖1011，所述冷凝腔体1012，采用底端封闭的中空圆柱形薄壁结构，其侧壁下端设置有连接储液腔进液管道109的排液孔，底端固定在储液腔盖1021上；所述冷凝腔盖1011固定在冷凝腔体1012的顶端端口，其上设置有供储液腔排气管道107和叶轮腔排气管道108穿过的通孔。

上述一种循环相变腔体旋转式热电转换装置，所述分液体1044，包括中心连接体和与其固定的2条以上周向均匀分布的分液管道；所述中心连接体上设置有用于叶轮轴1033通过的过孔，所述分液管道上设置有多个排液孔和连接储液腔排液管道111的进液孔。

上述一种循环相变腔体旋转式热电转换装置，所述加热板1043，采用导热板材，其一侧表面覆盖有吸热涂层，用于吸收聚光面3反射的太阳能。

上述一种循环相变腔体旋转式热电转换装置，所述叶轮1032，采用开式结构，其外径与叶轮腔体1031的内径尺寸相等，该叶轮1032的叶片采用空间曲面结构，数量至少为3个，且相邻叶片沿轴向方向部分重叠。

上述一种循环相变腔体旋转式热电转换装置，所述加热腔体1042、叶轮腔体1031和储液腔体1022，其外表面均覆盖有隔热涂层。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明将冷凝腔、储液腔、叶轮腔、加热腔和发电机依次固定连接，利用液态工质循环相变产生的蒸汽驱动叶轮旋转，进而带动发电机发电，实现热电转换特性。与现有技术相比，显著降低了结构复杂度，提高了装置的功率密度。同时加热腔体、叶轮、储液腔、支撑架等各部件在满足强度刚度的同时，均采用轻量化的结构设计，既有利于聚光太阳能系统的视日跟踪，也有利于显著降低成本。

2.本发明中移动腔在高压蒸汽和弹簧弹性势能的作用下能够进行往复运动，从而实现储液腔进气孔、排气孔、进液孔和排液孔的自动打开和关闭，省去了复杂的阀门切换控制，进一步降低了结构复杂度。

3.本发明中储液腔结构利用加热腔内产生的高温高压蒸汽对腔内液态工质进行加压，从而实现了在零外动力损耗的情况下从低压的冷凝腔向高压的加热腔输送工质，实现了无泵循环，避免了现有技术方案中工质泵的电能消耗，显著提高了装置的发电效率。

4.本发明采用分液体结构使热电转换装置在任何工作状态下，进入加热腔的液态工质都能够最大程度的均匀流向加热板上表面吸收热量，提高了吸热效率；同时，叶轮结构采用空间曲面叶片，使叶轮腔能够短时局部封闭增压，加热腔内产生的蒸汽能够尽可能高效率的驱动叶轮旋转，提高了热能到机械能的转换效率，进一步提高了装置的发电效率。

5.本发明中加热腔体采用带有中间细两端开口空腔的薄壁曲面结构，在降低装置重量的同时能够有效的减小蒸汽在加热腔内流动过程中所受到的阻力，减少能量损耗，进一步提高装置的发电效率。

附图说明

图1是本发明实施例的总体结构示意图；

图2是本发明实施例的热电转换单元结构示意图；

图3是本发明实施例的加热腔结构示意图；

图4是本发明实施例的叶轮腔结构示意图；

图5是本发明实施例的储液腔结构及工作原理示意图；

图6是本发明实施例的冷凝腔结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

参照图1，一种循环相变腔体旋转式热电转换装置，包括热电转换单元1、中心支柱2和聚光面3，所述聚光面3采用旋转抛物面形状，可以将入射的太阳光汇聚到其焦平面很小的范围内，进而显著减小热电转换单元1的尺寸；所述中心支柱2，一端固定在聚光面3上，一端通过法兰连接将热电转换单元1固定在聚光面3的焦点位置；所述热电转换单元1吸收聚光面3反射的太阳能并转换为热能，进而转换为机械能和电能输出，实现热电转换特性。

所述热电转换单元1，其结构如图2所示，包括冷凝腔101、储液腔102、叶轮腔103、加热腔104、支撑架105、发电机106、储液腔进液管道109、储液腔排液管道111、储液腔进气管道110、储液腔排气管道107和叶轮腔排气管道108，其中：

所述加热腔104，其结构如图3所示，包括加热腔体1042、加热板1043和加热腔盖1041；所述加热腔体1042采用带有中间细两端开口空腔的薄壁曲面结构，其侧壁下端设置有供储液腔排液管道111穿过的通孔；所述加热腔盖1041固定在加热腔体1042的顶端端口，其上设置有中心通孔、连接储液腔进气管道110的排气孔和通往叶轮腔103的排气孔，其中通往叶轮腔103的排气孔为2个以上且周向均匀分布，以保证在蒸汽能够均匀进入叶轮腔103，本实施例中设置为3个；所述加热板1043固定在加热腔体1042的底端端口，其上表面固定有分液体1044，中心位置设置有通孔，该加热板1043采用耐高温、热传导系数高的材料，本实例选用但不限于6063—T5型铝合金，且面向聚光面3的下表面覆盖有选择性吸热涂层，用于吸收聚光面3反射的太阳能，本实施例选用但不限于Pyromark 2500系列高温漆；所述分液体1044，包括中心连接体和与其固定的分液管道，所述中心连接体上设置中心通孔，且直径与加热板1043的中心通孔直径尺寸相等，所述分液管道上设置有多个排液孔和连接储液腔排液管道111的进液孔，该分液管道的数量为2条以上且周向均匀分布，以保证经过储液腔排液管道111的液态工质可以最大程度的均匀流向加热板1043上表面吸收热量，本实施例设置为3条。

所述发电机106，包括发电机轴、转子、定子和机箱，转子与发电机轴固定连接。

所述支撑架105，一端与加热板1043固定，另一端与发电机106的机箱固定，其数量至少为3根，且周向均匀分布，以保证连接稳固可靠，本实施例设置为3根。

所述叶轮腔103，其结构如图4所示，包括叶轮腔体1031、叶轮轴1033和叶轮1032；所述叶轮腔体1031采用顶端封闭的中空圆柱形薄壁结构，其顶部设置有连接叶轮腔排气管道108的排气孔，底端固定在加热腔盖1041上，其中心轴线与加热腔104和发电机106的中心轴线重合；所述叶轮轴1033贯穿加热腔盖1041和加热板1043中心通孔上安装的密封轴承，上端与安装在叶轮腔体1031内的叶轮1032固定，下端通过联轴器与发电机106的发电机轴连接；所述叶轮1032，采用开式结构，以保证进入叶轮腔103内的气态工质不改变流动方向，可以直接作用在叶轮1032的叶片表面，其外径与叶轮腔体1031的内径尺寸相等，且叶片采用空间曲面结构，其数量至少为3个，相邻叶片沿轴向方向部分重叠，以保证叶轮腔103内能够形成局部的短时封闭空间，本实施例叶片数量设置为9个。

所述储液腔102，其结构如图5所示，包括储液腔体1022、储液腔盖1021、压缩弹簧1024和移动腔1023；所述储液腔体1022，采用底端封闭的中空圆柱形薄壁结构，其侧壁自上而下设置有连接储液腔进气管道110的进气孔、连接储液腔排气管道107的排气孔、连接储液腔进液管道109的进液孔和连接储液腔排液管道111的排液孔，底端固定在叶轮腔体1031上；所述储液腔盖1021固定在储液腔体1022的顶端端口；所述移动腔1023，采用中空圆柱形结构，通过压缩弹簧1024固定在储液腔体1022内的底部，该移动腔1023外径与储液腔体1022的内径尺寸相等，其侧壁上端设置有进气孔，下端设置有排气孔，以保证经储液腔进气管道110进入储液腔102内的气态工质能够完全进入移动腔1023内，初始工作状态下，如图5(a)所示，该进气孔与储液腔体1022的进气孔重合，且腔体顶部与储液腔盖1021的下表面相接触，此时储液腔进气管道110自动打开，气态工质完全进入移动腔1023内并使移动腔1023内部压强增大。在压差作用下，移动腔1023沿储液腔体1022的内壁向下运动并压缩压缩弹簧1024，直至移动腔1023的排气孔和储液腔体1022排气孔重合，储液腔排气管道107自动打开，如图5(b)所示。

所述冷凝腔101，其结构如图6所示，包括冷凝腔体1012和冷凝腔盖1011，所述冷凝腔体1012，采用底端封闭的中空圆柱形薄壁结构，其侧壁下端设置有连接储液腔进液管道109的排液孔，底端固定在储液腔盖1021上；所述冷凝腔盖1011固定在冷凝腔体1012的顶端端口，其上设置有供储液腔排气管道107和叶轮腔排气管道108穿过的通孔。

所述储液腔进液管道109、储液腔排液管道111、储液腔进气管道110、储液腔排气管道107、叶轮腔排气管道108，其数量均至少为3条，且周向均匀分布，互不干涉，旨在保证转换效率的同时，使装置内工质的流动过程和叶轮的旋转运动更加平稳，本实施例中均设置为3条。

所述加热腔体1042、叶轮1032、储液腔102、支撑架105等各部件在满足强度刚度的同时，均采用轻量化的结构设计，以降低装置质量，并选用耐高温轻质材料，本实施例选用但不限于6063—T5型铝合金。

所述加热腔体1042、叶轮腔体1031和储液腔体1022，其外表面均覆盖有隔热涂层，以保证腔体内热量不会大量散失到外部环境中，本实例选用但不限于8YSZ热障涂层。

工作时，加热板1043安装在聚光面3的焦平面上，吸收聚光面3反射汇聚的太阳光，实现光热转换。冷凝腔101内有大量液态工质，在重力作用下，一部分液态工质会通过储液腔进液管道109流入储液腔体1022内，直至充满移动腔1023外表面与储液腔体1022内表面之间的全部空间；此时，冷凝腔101内的液面高度依然高于通入冷凝腔101内的储液腔排气管道107和叶轮腔排气管道108的出口端；加热板1043吸收太阳能，温度升高，并将热量传导给经储液腔排液管道111和分液体1044的分液管道流入加热腔104内的液态介质。液态工质吸收热量发生相变产生高温高压蒸汽，此时一部分蒸汽通过加热腔盖1041上通往叶轮腔103的排气孔进入叶轮腔103内，冲击叶轮1032叶片，驱动叶轮1032做旋转运动，将热能转换为机械能，做功结束后的蒸汽通过叶轮腔排气管道108进入冷凝腔101内液化冷却，等待进入下一个循环；另一部分蒸汽通过储液腔进气管道110进入移动腔1023内，移动腔1023内压强不断增大，直至能够在压差作用下沿储液腔体1022内壁向下运动并压缩压缩弹簧1024，此时储液腔102内液态工质在压力作用下沿储液腔排液管道111进入加热腔104内，实现在零外动力损耗的情况下从低压的冷凝腔101向高压的加热腔104输送液态工质的目的。移动腔1023持续向下运动，直至移动腔1023的排气孔与储液腔体1022的排气孔重合，储液腔排气管道107自动打开，移动腔1023内蒸汽在压强作用下沿储液腔排气管道107进入冷凝腔101内液化冷却；之后移动腔1023内压强降低，在压缩弹簧1024的弹性势能作用下向上运动，直至恢复至初始状态，冷凝腔101内液态工质在重力作用下再次流入储液腔102内，等待进入下一个循环。

储液腔102内的液态工质进入加热腔104后，再次吸收加热板1043传递的热量，进入下一个循环。装置内工质在不断进行吸热、相变、做功、冷却的循环过程的同时，驱动叶轮1032做旋转运动，进而带动叶轮轴1033和发电机106转子旋转，将机械能转换为电能输出，实现热电转换特性。

以上所描述的具体实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的限制，在不背离本发明原理的情况下，进行形式或细节上的各种修改和改变，仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种循环相变腔体旋转式热电转换装置，包括热电转换单元(1)和聚光面(3)，所述热电转换单元(1)通过中心支柱(2)固定在聚光面(3)的焦点位置；

其特征在于：所述热电转换单元(1)，包括冷凝腔(101)、储液腔(102)、叶轮腔(103)、加热腔(104)、发电机(106)、储液腔进液管道(109)、储液腔排液管道(111)、储液腔进气管道(110)、储液腔排气管道(107)和叶轮腔排气管道(108)：

所述加热腔(104)，包括加热腔体(1042)、加热板(1043)和加热腔盖(1041)；所述加热腔体(1042)采用带有中间细两端开口空腔的薄壁曲面结构，其侧壁下端设置有供储液腔排液管道(111)穿过的通孔；所述加热腔盖(1041)固定在加热腔体(1042)的顶端端口，其上设置有中心通孔、连接储液腔进气管道(110)的排气孔和2个以上且周向均匀分布的通往叶轮腔(103)的排气孔；所述加热板(1043)固定在加热腔体(1042)的底端端口，其上表面固定有分液体(1044)，中心位置设置有通孔；

所述发电机(106)，通过支撑架(105)固定在加热板(1043)上；

所述叶轮腔(103)，包括叶轮腔体(1031)、叶轮轴(1033)和叶轮(1032)；所述叶轮腔体(1031)采用顶端封闭的中空圆柱形薄壁结构，其顶部设置有连接叶轮腔排气管道(108)的排气孔，底端固定在加热腔盖(1041)上；所述叶轮轴(1033)贯穿加热腔盖(1041)和加热板(1043)通孔上安装的密封轴承，上端与安装在叶轮腔体(1031)内的叶轮(1032)固定，下端通过联轴器与发电机(106)的发电机轴连接；

所述储液腔(102)，包括储液腔体(1022)、储液腔盖(1021)、压缩弹簧(1024)和移动腔(1023)；所述储液腔体(1022)，采用底端封闭的中空圆柱形薄壁结构，其侧壁自上而下设置有连接储液腔进气管道(110)的进气孔、连接储液腔排气管道(107)的排气孔、连接储液腔进液管道(109)的进液孔和连接储液腔排液管道(111)的排液孔，底端固定在叶轮腔体(1031)上；所述储液腔盖(1021)固定在储液腔体(1022)的顶端端口；所述移动腔(1023)，采用中空圆柱形结构，通过压缩弹簧(1024)固定在储液腔体(1022)的底部，该移动腔(1023)的外径与储液腔体(1022)的内径尺寸相等，侧壁上端设置有进气孔，下端设置有排气孔，初始工作状态下，该进气孔与储液腔体(1022)的进气孔重合，且腔体顶部与储液腔盖(1021)的下表面相接触；

所述冷凝腔(101)，包括冷凝腔体(1012)和冷凝腔盖(1011)，所述冷凝腔体(1012)，采用底端封闭的中空圆柱形薄壁结构，其侧壁下端设置有连接储液腔进液管道(109)的排液孔，底端固定在储液腔盖(1021)上；所述冷凝腔盖(1011)固定在冷凝腔体(1012)的顶端端口，其上设置有供储液腔排气管道(107)和叶轮腔排气管道(108)穿过的通孔。

2.根据权利要求1所述的循环相变腔体旋转式热电转换装置，其特征在于：所述分液体(1044)，包括中心连接体和与其固定的2条以上周向均匀分布的分液管道；所述中心连接体上设置有用于叶轮轴(1033)通过的过孔，所述分液管道上设置有多个排液孔和连接储液腔排液管道(111)的进液孔。

3.根据权利要求1所述的循环相变腔体旋转式热电转换装置，其特征在于：所述加热板(1043)，采用导热板材，其一侧表面覆盖有吸热涂层，用于吸收聚光面(3)反射的太阳能。

4.根据权利要求1所述的循环相变腔体旋转式热电转换装置，其特征在于：所述叶轮(1032)，采用开式结构，其外径与叶轮腔体(1031)的内径尺寸相等，该叶轮(1032)的叶片采用空间曲面结构，数量至少为3个，且相邻叶片沿轴向方向部分重叠。

5.根据权利要求1所述的循环相变腔体旋转式热电转换装置，其特征在于：所述加热腔体(1042)、叶轮腔体(1031)和储液腔体(1022)，其外表面均覆盖有隔热涂层。