CN108343571A - 用于热液能量收集的小型化发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于热液能量收集的小型化发电装置。顶盖、换热片和导流管之间联接，顶盖和换热片之间通过O型圈密封，换热片和导流管之间留有间隙，导流管与底座相套装联接；顶盖上设有散热翅片，顶盖下端面开有方形凹槽，方形凹槽下面的换热片上端面上从中心往外设有多圈方环形挡片，相邻圈环形挡片之间的方形凹槽内安放热电模组；换热片下端面从中心往外有多圈同圆心的圆环形凸起，相邻圆环形凸起之间的间距从中心往外逐渐增大。本发明在保证装置耐压、耐热及密封性的前提下提高换热片上热电模组的个数，提高装置的发电能力。装置主体采用钢材，其刚性、耐热性较好，可以适合于热液口的复杂环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电装置，具体涉及了一种用于热液能量收集的小型化发电装置。
背景技术
热液口在海底有着较广泛的分布，其热液的最高温度可达400℃，而周围海水的温度只有2～4℃，热液区巨大的温度梯度使其蕴含巨大的温差能。而目前这些热量尚没有得到较好的采集和利用。且热液口一直有重要的研究价值，对于各种探测装备来讲，从陆地引电或使用电池都不是很好的方式，如果能够有效的利用这些温差能，为深海探测设备提供能量供给，将具有重要的科学研究价值。
作为能源利用的一种重要的方式，温差发电技术在很早就展开了研究并取得了一定进展。最先进的温差发电技术已经应用到“好奇号”火星探测器等高科技产品中。现在的温差发电多采用热电模组的形式，热电材料又根据应用环境分为低温段、中温段和高温段，并在塞贝克效应和“电子晶体-声子玻璃”模型的指导下获得了不同ZT值的热电材料。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明的目的是提供了一种用于热液能量收集的小型化发电装置，结构独特，能实现热能利用率高的热液能量收集。
本发明采用的技术方案是：
所述发电装置包括由上至下依次布置的顶盖、换热片、导流管和底座；顶盖、换热片和导流管之间使用螺栓和螺母进行联接，顶盖下端面和换热片顶端面之间通过O型圈密封，换热片和导流管之间留有用于热液流出的间隙，导流管下端与底座使用螺纹相互套装联接；顶盖上端面设有散热翅片，顶盖下端面中心开有方形凹槽，方形凹槽下面的换热片上端面上从中心往外设有多圈方环形挡片，相邻圈环形挡片之间的方形凹槽内安放热电模组，环形挡片上设置多处开口，开口用于热电模组之间的连接线通过；换热片下端面从中心往外有多圈同圆心的圆环形凸起，相邻圆环形凸起之间的间距从中心往外逐渐增大。
热液从底座下端进入，经导流管导流扩散后从导流管上端和换热片下端之间的周围间隙中流出，经换热片下端面充分接收后被换热片和顶盖之间布置的热电模组转换为电能输出。
所述的顶盖上端面设有多片沿周向间隔均布沿平面螺旋方向布置的散热翅片。
所述顶盖下端面的周面边缘设有环形凹槽，环形凹槽内安装有O型圈。
所述顶盖和换热片在周围边缘之间通过一部分的螺栓和螺母紧固联接；顶盖、换热片和导流管在周围边缘之间使用另一部分的螺栓和螺母以及垫片进行联接，垫片套在换热片和导流管之间的螺栓上，通过垫片的增加和减少调节导流管与换热片的间隙。
所述的热电模组之间串联连接，串联后的两端从环形挡片的开口引出。
所述的热电模组主要上陶瓷片和下陶瓷片以及布置在上陶瓷片和下陶瓷片之间的P型热电臂和N型热电臂组成，上陶瓷片和下陶瓷片上设有铜电极，P型热电臂和N型热电臂使用耐高温导电粘合剂粘接到上陶瓷片和下陶瓷片的铜电极上。
所述的热电模组的下端接触作为热端的换热片，上端接触作为冷端的顶盖。
所述热电模组，热电臂与铜电极间使用耐高温导电粘合剂进行黏接。
所述导流管为喇叭形结构，上端部为喇叭形结构的大端，且为环状平板结构，下端部为喇叭形结构的小端，且为柱状套筒结构，上端部和下端部之间通过近似锥面过渡连接。
所述导流管下端部外侧有用于与底座联接的外螺纹；所述底座主要由一圆柱管与漏斗状管相连构成，漏斗状管的小端朝上并与圆柱管的下端连接，圆柱管设有用于与导流管外螺纹联接的内螺纹。
本发明的有益效果是：
本发明的小型化发电装置将上下方向流动的热液变为水平方向的扩散，并通过换热片表面结构增大其换热面积与效率，通过翅片降低冷端温度，两侧温差大，热电转化效率高，且装置重心低，便于安装，可视具体情况增大换热片等零件的尺寸，增加模组数量，提高发电量。
本发明在保证装置耐压、耐热及密封性的前提下提高换热片上热电模组的个数，提高装置的发电能力。装置主体采用钢材，其刚性、耐热性较好，可以适合于热液口的复杂环境。
附图说明
图1是用于热液能量收集的小型化发电装置的结构爆炸示意图。
图2是小型化发电装置剖面示意图。
图3是换热片上端面示意图。
图4是换热片下端面示意图。
图5是热电模组下陶瓷片铜电极排布示意图。
图6是热电模组上陶瓷片铜电极排布示意图。
图7是热电模组结构示意图。
图8是装配了热电模组的换热片结构示意图。
图9是装配完成的小型化发电装置整体外观示意图。
图中：1、顶盖，2、O型圈，3、换热片，4、导流管，5、底座，6、下陶瓷片，7、上陶瓷片，8、P型热电臂，9、N型热电臂，10、螺栓，11、螺母，12、垫片，13、环形挡片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1～图2所示，本发明具体实施的发电装置包括由上至下依次布置的顶盖1、换热片3、导流管4和底座5；顶盖1、换热片3和导流管4之间使用螺栓10和螺母11进行联接，顶盖1下端面的周面边缘设有环形凹槽，环形凹槽内安装有O型圈2，顶盖1下端面和换热片3顶端面之间通过O型圈2密封，O型圈2用于模组及电路部分的密封。
顶盖1和换热片3在周围边缘之间通过一部分的螺栓10和螺母11紧固联接，使顶盖1与换热片3压紧连接；顶盖1、换热片3和导流管4在周围边缘之间使用另一部分的螺栓10和螺母11以及垫片12进行联接，垫片12套在换热片3和导流管4之间的螺栓10上，通过垫片12的增加和减少调节导流管4与换热片3的间隙。
如图1～图2所示，顶盖1上端面设有沿周向间隔均布沿平面螺旋方向布置的散热翅片，散热翅片用于冷端散热。
顶盖1下端面中心开有方形凹槽，方形凹槽下面的换热片3上端面上从中心往外设有多圈方环形挡片13，如图3所示，相邻圈环形挡片13之间的方形凹槽内安放热电模组，环形挡片13上设置多处开口，开口用于热电模组之间的连接线通过。如图4所示，换热片3下端面从中心往外有多圈同圆心的圆环形凸起，相邻圆环形凸起之间的间距从中心往外逐渐增大，通过圆环形凸起能够增大水流与钢板间的传热效率。
如图1～图2所示，顶盖1，为一圆形钢板，上端面加工有螺旋型的翅片用于冷端散热；下端面有一圈环形凹槽用于安装O型圈2，且开有中心方形凹槽，方形凹槽用于在跟换热片3配合时给热电模组留安装的空间，同时圆周边缘上设有二十个用于螺栓连接的孔。
如图3～4及图8所示，换热片3，为一尺寸于顶盖1相同的圆形钢板，上端面有一圈环形凹槽用于安装O型圈2，中间表面上从中心往外有多圈环形挡片13，如图3所示，高度较低，相邻圈环形挡片13之间安放多个热电模组，如图8所示，环形挡片13上设置多处开口，开口挡片的开口用于热电模组之间的连接线通过和安置，热电模组之间串联连接，串联后的两端从环形挡片13的开口引出。同时圆周边缘上设有二十个用于螺栓连接的孔。
装置中，热液从底座5下端进入，经导流管4导流扩散后从导流管4上端和换热片3下端之间的周围间隙中流出，经换热片3下端面充分接收后被换热片3和顶盖1之间布置的热电模组转换为电能输出。
热电模组主要上陶瓷片7和下陶瓷片6以及布置在上陶瓷片7和下陶瓷片6之间的P型热电臂8和N型热电臂9组成，上陶瓷片7和下陶瓷片6上设有铜电极，P型热电臂8和N型热电臂9使用耐高温导电粘合剂粘接到上陶瓷片7和下陶瓷片6的铜电极上。
如图5～图7所示，具体实施的热电模组，在布置有铜电极的20mm*20mm下陶瓷片6上排布62个热电臂，N型及P型各半，采用8*8正方形排布，第一行从左侧至右侧依次间隔设有P型热电臂8和N型热电臂9，第二行从左侧至右侧依次间隔设有N型和P型热电臂，依次类推；且最后一行的第一个与最后一个不排布，用做正负极。同时在热电臂上方再设另一片布置有铜电级的20mm*20mm上陶瓷片7，使所有热电臂组成串联，热电臂与铜电极间使用耐高温导电粘合剂进行黏接。
如图2所示，导流管4为喇叭形结构，上端部为喇叭形结构的大端，且为环状平板结构，下端部为喇叭形结构的小端，且为柱状套筒结构，上端部和下端部之间通过近似锥面过渡连接，起到将流体从上流导流为从圆心向四周辐射的作用；且环形钢板圆周上有二十个用于螺栓连接的孔。
导流管4零件的表面尽可能光滑以减少热量交换，导流管4下端部外侧有一定长度、用于与底座5联接的外螺纹；
底座5主要由一圆柱管与漏斗状管相连构成，漏斗状管的小端朝上并与圆柱管的下端连接，圆柱管设有一定长度、用于与导流管4联接的内螺纹。
螺栓联接的装配部分，第一种是使用螺栓10螺母11直接联接顶盖1与换热片3，提供足够的压紧力保证装置的密封性。第二种是使用螺栓10螺母11和垫片12联接顶盖1，换热片3及导流管4，在导流管4与换热片3中间垫上一定厚度的垫片12，用于调节水流出的间隙，两种联接方式间隔排布。
本发明的工作原理过程是：
使用时，只需将装置正立地底座向下安装在热液口上，若需要可在圆周焊接上加辅助支撑，整个装置即可开始工作，当热液填充了装置间隙的大部分空间时，装置可稳定正常工作。工作时，底座一方面起到隔绝热液喷口周围海水，防止周围海水冷却热液导致效率降低或沉淀堵塞的作用，另外一方面起到支撑稳定整个装置便于整个装置布放的作用。热液从导流管向上流，在换热片与导流管的水平面的间隙向外发散。
热液的能量通过换热片传递到热电模组的热端，该过程通过换热片下端面的圆环凸起增强传递效率，同时导流管的表面尽可能光滑以降低热液能量在导流管上的损失。而热电模组的冷端与顶盖相接触，通过顶盖上端面的散热翅片尽可能得降低冷端的温度。以此获得热电模组两侧更大的温度差，获得更大的发电量。
Claims (8)
1.一种用于热液能量收集的小型化发电装置，其特征在于：所述发电装置包括由上至下依次布置的顶盖(1)、换热片(3)、导流管(4)和底座(5)；顶盖(1)、换热片(3)和导流管(4)之间使用螺栓(10)和螺母(11)进行联接，顶盖(1)下端面和换热片(3)顶端面之间通过O型圈(2)密封，换热片(3)和导流管(4)之间留有用于热液流出的间隙，导流管(4)下端与底座(5)使用螺纹相互套装联接；顶盖(1)上端面设有散热翅片，顶盖(1)下端面中心开有方形凹槽，方形凹槽下面的换热片(3)上端面上从中心往外设有多圈方环形挡片(13)，相邻圈环形挡片(13)之间的方形凹槽内安放热电模组，环形挡片(13)上设置多处开口，开口用于热电模组之间的连接线通过；换热片(3)下端面从中心往外有多圈同圆心的圆环形凸起，相邻圆环形凸起之间的间距从中心往外逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的一种用于热液能量收集的小型化发电装置，其特征在于：所述的顶盖(1)上端面设有多片沿周向间隔均布沿平面螺旋方向布置的散热翅片。
3.根据权利要求1所述的一种用于热液能量收集的小型化发电装置，其特征在于：所述顶盖(1)下端面的周面边缘设有环形凹槽，环形凹槽内安装有O型圈(2)。
4.根据权利要求1所述的一种用于热液能量收集的小型化发电装置，其特征在于：所述顶盖(1)和换热片(3)在周围边缘之间通过一部分的螺栓(10)和螺母(11)紧固联接；顶盖(1)、换热片(3)和导流管(4)在周围边缘之间使用另一部分的螺栓(10)和螺母(11)以及垫片(12)进行联接，垫片(12)套在换热片(3)和导流管(4)之间的螺栓(10)上，通过垫片(12)的增加和减少调节导流管(4)与换热片(3)的间隙。
5.根据权利要求1所述的一种用于热液能量收集的小型化发电装置，其特征在于：所述的热电模组之间串联连接，串联后的两端从环形挡片(13)的开口引出。
6.根据权利要求1所述的一种用于热液能量收集的小型化发电装置，其特征在于：所述的热电模组主要上陶瓷片(7)和下陶瓷片(6)以及布置在上陶瓷片(7)和下陶瓷片(6)之间的P型热电臂(8)和N型热电臂(9)组成，上陶瓷片(7)和下陶瓷片(6)上设有铜电极，P型热电臂(8)和N型热电臂(9)粘接到上陶瓷片(7)和下陶瓷片(6)的铜电极上。
7.根据权利要求1所述的一种用于热液能量收集的小型化发电装置，其特征在于：所述导流管(4)为喇叭形结构，上端部为喇叭形结构的大端，且为环状平板结构，下端部为喇叭形结构的小端，且为柱状套筒结构，上端部和下端部之间通过近似锥面过渡连接。
8.根据权利要求1所述的一种用于热液能量收集的小型化发电装置，其特征在于：所述导流管(4)下端部外侧有用于与底座(5)联接的外螺纹；所述底座(5)主要由一圆柱管与漏斗状管相连构成，漏斗状管的小端朝上并与圆柱管的下端连接，圆柱管设有用于与导流管(4)外螺纹联接的内螺纹。
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