CN108644079A - 循环相变分离腔体旋转式热电转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种循环相变分离腔体旋转式热电转换装置，主要解决现有技术结构复杂的问题。其包括聚光面(3)和通过中心支柱(2)固定在其焦点处的热电转换单元(1)；热电转换单元包括叶轮腔(104)、储液腔(103)、冷凝腔(102)、加热腔(101)、发电机(105)和支撑架(111)；冷凝腔分别与储液腔、叶轮腔、加热腔之间连接有储液腔排气管道(107)、储液腔进液管道(108)、叶轮腔排气管道(110)和加热腔排气管道(106)；加热腔与储液腔之间连接有储液腔排液管道(109)，加热腔内部液态工质吸收热量产生蒸汽后，进入叶轮腔做功并驱动发电机发电，实现热电转换。本发明结构简单，可用于太阳能发电系统。

Description

循环相变分离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CN102817799B，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，提供一种循环相变分离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，本发明包括热电转换单元和聚光面，热电转换单元通过中心支柱固定在聚光面的焦点位置，其特征在于：

所述热电转换单元，包括叶轮腔、储液腔、冷凝腔、加热腔、发电机、加热腔排气管道和支撑架；

该叶轮腔通过支撑架固定在发电机的顶部，其中心轴线与发电机的中心轴线重合；

该储液腔固定在叶轮腔的顶部，并与加热腔之间连接有储液腔排液管道；

该冷凝腔固定在储液腔的顶部，其与储液腔之间连接有储液腔排气管道和储液腔进液管道，其与叶轮腔之间连接有叶轮腔排气管道；加热腔通过加热腔排气管道固定在冷凝腔的顶部，并与储液腔和叶轮腔连接；加热腔内液态工质吸收聚光面反射汇聚的太阳能，产生蒸汽后进入叶轮腔做功，进而驱动发电机发电，实现热电转换特性。

本发明具有如下优点：

1.本发明通过将发电机、叶轮腔、储液腔、冷凝腔和加热腔依次固定连接，加热腔内相变产生的蒸汽进入叶轮腔做功，并驱动发电机发电，实现热电转换特性。与现有技术相比，极大地降低了装置的结构复杂度，并显著降低成本。

2.本发明通过加热腔排气管道将其他部件与加热腔分离，并安装在离加热腔较远且离聚光面较近的一侧，显著降低了热电转换单元的重心位置，从而减小了聚光面和中心支柱由于热电转换单元所产生的变形。

3.本发明中叶轮腔、储液腔、冷凝腔、加热腔和支撑架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热发电系统的视日跟踪，也提高了装置的功率密度。

4.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，从而可以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，进一步提高了装置的转换效率。

附图说明

图1是本发明实施例1的总体结构示意图；

图2是本发明实施例1中的热电转换单元结构示意图；

图3是本发明实施例1中的叶轮腔结构示意图；

图4是本发明实施例1中的储液腔结构及工作原理示意图；

图5是本发明实施例1中的冷凝腔结构示意图；

图6是本发明实施例1中的加热腔结构示意图；

图7是本发明实施例1中的储液腔排液管道结构示意图；

图8是本发明实施例2中的储液腔结构示意图；

图9是本发明实施例2中的储液腔排液管道结构示意图。

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：

实施例1

参照图1，本实施例包括热电转换单元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；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。

参照图2，所述热电转换单元1，包括叶轮腔104、储液腔103、冷凝腔102、加热腔101、发电机105、加热腔排气管道106和支撑架111，其中：叶轮腔104通过支撑架111固定在发电机105的顶部，其中心轴线与发电机105的中心轴线重合；储液腔103固定在叶轮腔104的顶部，并与加热腔101之间连接有储液腔排液管道109；冷凝腔102固定在储液腔103的顶部，其与储液腔103之间连接有储液腔排气管道107和储液腔进液管道108，其与叶轮腔104之间连接有叶轮腔排气管道110；加热腔101通过加热腔排气管道106固定在冷凝腔102的顶部，并与储液腔103和叶轮腔104连接。

参照图3，所述叶轮腔104，包括包括叶轮腔盖1041、叶轮腔底板1042、叶轮轴1044和叶轮1043，其中：叶轮腔盖1041，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的第一排气孔A1；叶轮腔底板1042，固定在叶轮腔盖1041的底端端口，其上设置有供叶轮轴通过的中心孔B和连接加热腔排气管道的第一进气孔A2；叶轮1043，采用开式结构，以保证进入叶轮腔104内的气态工质不改变流动方向，可以直接作用在叶轮1043的叶片表面，其外径与叶轮腔盖1041的内径尺寸相等，且其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，以保证叶轮腔104内能够形成短时间内的局部封闭空间，本实施例中叶片数量设置为9个；叶轮轴1044，上端与叶轮1043固定连接，并放置在叶轮腔盖1041内，下端穿过中心孔B与发电机105连接；支撑架111，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。

参照图4，所述储液腔103，包括储液腔体1032、储液腔盖1031、压缩弹簧1034和移动腔1033；其中：

储液腔体1032，采用底端封闭的中空圆柱形薄壁结构，固定在叶轮腔盖1041上，其侧壁自上而下设置有连接加热腔排气管道的第二进气孔A3、连接储液腔排气管道的第二排气孔A4和连接储液腔进液管道的第一进液孔A5；

储液腔盖1031，固定在储液腔体1032的顶部，其上设置有第一管道通孔C1，供储液腔排液管道穿过；

压缩弹簧1034，固定在储液腔体1032内底部中心位置，其内径大于储液腔排液管道109的外径；

移动腔1033，采用中空圆柱形结构，其与压缩弹簧1034固定连接，且外径与储液腔体1032的内径尺寸相等，该移动腔1033顶部设置有供储液腔排液管道穿过的第二管道通孔C2，以保证经加热腔排气管道106进入储液腔103内的气态工质能够完全进入移动腔1033内，底部设置有供储液腔排液管道穿过的第三管道通孔C3，且侧壁上端设置有第一进气口D1，下端设置有排气口E。

在初始工作状态下，第一进气口D1与储液腔体1032上连接加热腔排气管道的第二进气孔A3重合，此时，加热腔101与储液腔103之间自动连通，气态工质进入移动腔1033内并使其内部压强增大，如图4(a)所示；在压差作用下，移动腔1033沿储液腔体1032内壁向下运动并压缩弹簧1034，从而使储液腔体1032内液态工质沿储液腔排液管道109进入加热腔101内，直至移动腔1033的排气口E和第二排气孔A4重合，储液腔103与冷凝腔102自动连通，移动腔1033内气体进入冷凝腔102液化冷却，如图4(b)所示。之后移动腔1033内压强降低，其在压缩弹簧1034的作用下向上运动，直至恢复至初始状态。

参照图5，所述冷凝腔102，包括冷凝腔体1022和冷凝腔盖1021，其中：

冷凝腔体1022，采用底端封闭的中空圆柱形薄壁结构，固定在储液腔盖1031上，其侧壁下端设置有连接储液腔进液管道的第一排液孔A6，底部设置有第四管道通孔C4，供储液腔排液管道穿过；

冷凝腔盖1021，固定在冷凝腔体1022的顶部，其上设置有供储液腔排液管道穿过的第五管道通孔C5、供储液腔排气管道穿过的第六管道通孔C6和供叶轮腔排气管道穿过的第七管道通孔C7。

参照图6，所述加热腔101，包括加热腔盖1011、加热板1012和分液体1013，其中：

加热腔盖1011，采用底端开口的中空薄壁结构，其顶部设置有供储液腔排液管道穿过的第八管道通孔C8，侧壁下端设置有供储液腔排液管道穿过的第九管道通孔C9；

加热板1012，固定在加热腔盖1011的底部，其上设置有供加热腔排气管道穿过的第十管道通孔C10；该加热板1012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Pyromark2500系列高温漆；

分液体1013，安装在加热板1012上表面，由多条周向均匀分布并固定连接的圆管组成，其上设置有排液口F和连接储液腔排液管道的第二进液孔A7，为保证液态工质可以最大程度的均匀吸收加热板1012传递的热量，圆管的数量为2条以上且周向均匀分布，本实施例设置为3条；加热腔排气管道106，其上端固定在加热腔盖1011的顶部内表面，且端口侧壁上设置有第二进气口D2，下端固定在冷凝腔盖1021上表面，并在端口处产生分支，分别连接储液腔103和叶轮腔104，该加热腔排气管道106的安装将加热腔101与其他部件分离，可显著降低热电转换单元1的重心位置，从而减小聚光面3和中心支柱2由于热电转换单元1所产生的变形；在热电转换单元1重心位置接近聚光面3的情况下，冷凝腔102、储液腔103和叶轮腔104既可位于聚光面3上方，也可位于聚光面3下方，本实施例中将冷凝腔102等部件安装在聚光面3上方。

参照图7，所述储液腔排液管道109，其外径小于加热腔排气管道106的内径，下端固定在储液腔体1032内底部中心位置，且端口侧壁上设置有进液口G，上端依次穿过第八管道通孔C8、第九管道通孔C9后，与分液体1013连接。

上述装置中的储液腔进液管道108、储液腔排气管道107和叶轮腔排气管道110，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，使叶轮的旋转运动更加平稳，本实施例中均设置为3条。

上述装置中的叶轮腔104、储液腔103、冷凝腔102、加热腔101在满足强度刚度的同时，均采用轻量化的结构设计，并选用耐高温轻质材料，以降低装置质量，本实施例选用但不限于6063—T5型铝合金。

上述装置中的叶轮腔104、加热腔101、储液腔103和储液腔排液管道109，其外表面均覆盖有隔热涂层，本实例选用但不限于8YSZ热障涂层。

本实施例工作原理如下：

工作时，冷凝腔102内的液态工质在重力作用下，通过储液腔进液管道108流入储液腔体1032内，直至充满移动腔1033与储液腔体1032之间的全部空隙；

加热板1012吸收聚光面3反射汇聚的太阳能，并将热量传递给加热腔101内的液态工质；

液态工质变为高温高压蒸汽进入加热腔排气管道106后，一部分蒸汽进入叶轮腔104内，驱动叶轮1043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110进入冷凝腔102内液化冷却；另一部分蒸汽进入储液腔103内，通过做功将储液腔103内液态工质送入加热腔101内，实现在零外动力损耗的情况下从低压的冷凝腔102向高压的加热腔101输送液态工质的目的；

储液腔103内的液态工质进入加热腔101后，再次吸收加热板1012传递的热量，进入下一个循环；

工质在不断进行吸热、做功、冷却、增压过程的同时，驱动叶轮1043旋转，进而驱动发电机105发电，实现热电转换特性。

实施例2：

本实施例与实施例1相比，不同之处在于：对热电转换单元1中储液腔103的结构和储液腔排液管道109的连接关系进行了改变，其他结构相同。

参照图8，所述储液腔103，包括储液腔体1032、储液腔盖1031、压缩弹簧1034和移动腔1033；所述储液腔体1032，采用底端封闭的中空圆柱形薄壁结构，固定在叶轮腔盖1041上，其侧壁自上而下设置有连接加热腔排气管道的第二进气孔A3、连接储液腔排气管道的第二排气孔A4、连接储液腔进液管道的第一进液孔A5和连接储液腔排液管道109的第二排液孔A8，其他结构相同；

参照图9，所述储液腔排液管道109，一端连接于储液腔103，一端穿过加热腔盖1011连接于分液体1013，其数量均至少为3条，且周向均匀分布，本实施例中设置为3条。

本实施例的工作原理与实施例1相同。

上述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。显然，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。例如本实施例使用了叶轮腔、加热腔、移动腔等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，若把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。这种在不背离本发明原理、结构的情况下，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 (10)

1.一种循环相变分离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)，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)，包括叶轮腔(104)、储液腔(103)、冷凝腔(102)、加热腔(101)、发电机(105)、加热腔排气管道(106)和支撑架(111)；

该叶轮腔(104)通过支撑架(111)固定在发电机(105)的顶部，其中心轴线与发电机(105)的中心轴线重合；

该储液腔(103)固定在叶轮腔(104)的顶部，并与加热腔(101)之间连接有储液腔排液管道(109)；

该冷凝腔(102)固定在储液腔(103)的顶部，其与储液腔(103)之间连接有储液腔排气管道(107)和储液腔进液管道(108)，其与叶轮腔(104)之间连接有叶轮腔排气管道(110)；加热腔(101)通过加热腔排气管道(106)固定在冷凝腔(102)的顶部，并与储液腔(103)和叶轮腔(104)连接；加热腔(101)内液态工质吸收聚光面(3)反射汇聚的太阳能，产生蒸汽后进入叶轮腔(104)做功，进而驱动发电机(105)发电，实现热电转换特性。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：叶轮腔(104)，包括叶轮腔盖(1041)、叶轮腔底板(1042)、叶轮轴(1044)和叶轮(1043)；

所述叶轮腔盖(1041)，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的第一排气孔A1；

所述叶轮腔底板(1042)，固定在叶轮腔盖(1041)的底端端口，其上设置有供叶轮轴通过的中心孔B和连接加热腔排气管道的第一进气孔A2；

所述叶轮(1043)，采用开式结构，其外径与叶轮腔盖(1041)的内径尺寸相等；

所述叶轮轴(1044)，上端与叶轮(1043)固定连接，并放置在叶轮腔盖(1041)内，下端穿过中心孔B与发电机(105)连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：储液腔(103)，包括储液腔体(1032)、储液腔盖(1031)、压缩弹簧(1034)和移动腔(1033)；

所述储液腔体(1032)，采用底端封闭的中空圆柱形薄壁结构，固定在叶轮腔盖(1041)上，其侧壁自上而下设置有连接加热腔排气管道的第二进气孔A3、连接储液腔排气管道的第二排气孔A4和连接储液腔进液管道的第一进液孔A5；

所述储液腔盖(1031)，固定在储液腔体(1032)的顶部，其上设置有第一管道通孔C1，供储液腔排液管道穿过；

所述压缩弹簧(1034)，固定在储液腔体(1032)内底部中心位置，其内径大于储液腔排液管道(109)的外径；

所述移动腔(1033)，采用中空圆柱形结构，其与压缩弹簧(1034)固定连接，且外径与储液腔体(1032)的内径尺寸相等，该移动腔(1033)顶部设置有供储液腔排液管道穿过的第二管道通孔C2，底部设置有供储液腔排液管道穿过的第三管道通孔C3，且侧壁上端设置有第一进气口D1，下端设置有排气口E；初始工作状态下，第一进气口D1与储液腔体(1032)上连接加热腔排气管道的第二进气孔A3重合。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：冷凝腔(102)，包括冷凝腔体(1022)和冷凝腔盖(1021)；

所述冷凝腔体(1022)，采用底端封闭的中空圆柱形薄壁结构，固定在储液腔盖(1031)上，其侧壁下端设置有连接储液腔进液管道的第一排液孔A6，底部设置有第四管道通孔C4，供储液腔排液管道穿过；

所述冷凝腔盖(1021)，固定在冷凝腔体(1022)的顶部，其上设置有供储液腔排液管道穿过的第五管道通孔C5、供储液腔排气管道穿过的第六管道通孔C6和供叶轮腔排气管道穿过的第七管道通孔C7。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：加热腔(101)，包括加热腔盖(1011)、加热板(1012)和分液体(1013)；

所述加热腔盖(1011)，采用底端开口的中空薄壁结构，其顶部设置有供储液腔排液管道穿过的第八管道通孔C8，侧壁下端设置有供储液腔排液管道穿过的第九管道通孔C9；

所述加热板(1012)，固定在加热腔盖(1011)的底部，其上设置有供加热腔排气管道穿过的第十管道通孔C10；

所述分液体(1013)，安装在加热板(1012)上表面，由多条周向均匀分布并固定连接的圆管组成，其上设置有排液口F和连接储液腔排液管道的第二进液孔A7。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述加热腔排气管道(106)，其上端固定在加热腔盖(1011)的顶部内表面，且端口侧壁上设置有第二进气口D2，下端固定在冷凝腔盖(1021)上表面，并在端口处产生分支，分别连接储液腔(103)和叶轮腔(104)。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述储液腔排液管道(109)，其外径小于加热腔排气管道(106)的内径，下端固定在储液腔体(1032)内底部中心位置，且端口侧壁上设置有进液口G，上端依次穿过第八管道通孔C8、第九管道通孔C9后，与分液体(1013)连接。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述叶轮腔(104)、加热腔(101)、储液腔(103)和储液腔排液管道(109)，其外表面均覆盖有隔热涂层。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述叶轮(1043)，其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。

10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述加热板(1012)，采用导热材料，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。