CN109067253B - 一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置，所述发电装置包括流道层和发电层；所述流道层内设有热液流道；所述热液流道的上端面敞开与发电层的下端面相接；所述发电层覆于流道层上方或下方；发电层处设有包括多枚温差发电片的发电单元；所述发电单元沿热液流道阵列布设；温差发电片的热端通过均热板紧邻热液流道设置；温差发电片的冷端通过导热盖板被海水冷却；当热液流道通有热液时，温差发电片的热端与冷端产生温差而发电；温差发电片输出的电能经过滤波模块滤波处理和变压模块变压处理后输送至电池组；本发明具有热吸收效率高，发电量大的优点。

Description

一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置

技术领域

本发明涉及发电技术领域，尤其是一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置。

背景技术

深海热液口附近有着丰富的矿石资源、能源、生物基因资源。热液与低温海水混合后，原来无色透明的溶液就成了黑色的金属硫化物溶液，这些金属硫化物一般沉积于热液口的周围，从而形成纯度很高的矿物质堆，其中包含铜、铁、硫、锌和少量的铅、银、金、钴等金属以及他一些微量元素；热液频繁喷发的海域往往存在着大量的天然气水合物，这是一种热量高污染小的能源物质。地球上古老的生物群落可以依靠热液口喷发的热液进行特殊的生命活动来维持生存，热液口之外的区域由于没有能量来源，生物无法生存，因此热液口附近的区域是深海生物资源最丰富的区域，甚至可能是唯一存在生物的区域。

勘探热液口附近的资源，观察热液口附近的生命活动需要专业设备。这些设备要么安装在“蛟龙号”之类的深潜器上，依靠深潜器供电；要么固定在热液口附近，依靠发电设备或电池供电。至多下潜十几个小时的深潜器，可以勘探深海资源，但其续航时间对于观察生命活动还远远不足。

可考虑的发电设备或电池有：海底沉积物燃料电池、海水电池、基于朗肯循环的汽轮机发电设备。海底沉积物燃料电池依靠微生物分解有机物发电，该设备体积大，功率低。1立方米的巨大海底沉积物燃料电池发电量只有1瓦左右，所以此设备不适合为深海探测设备供电。海水电池依靠海水中的阳离子腐蚀电池阳极金属材料发电。它的性质和蓄电池相似，连续放电几十个小时之后需要充电才能继续工作，供电的时间不够长，不适合为深海探测设备供电。基于朗肯循环的汽轮机发电设备靠设备中的工作介质吸收热液的热量汽化，推动蒸汽轮机发电。该设备若制造成功，发电功率足够启动探测设备，一次工作时间足够长，适合为深海探测设备供电。但是该设备结构复杂，技术难点多，还没有被制造出来。

除了上述的三种发电设备，还有一种发电方式，利用温差发电片发电。温差发电片是这样一种材料制成的：材料的冷热两端只要有温差，材料两端就会产生电势差。现有技术的温差发电装置一般都存在吸收热液的热量少，温差发电片数量少，发电功率低的缺点。热液的大部分热量直接由热液口散失到深海海水中，部分棱柱形装置的侧壁允许放置的温差发电片数量也比较少。在获取、利用能源极其困难的深海环境中，发电量低的瓶颈，将严重制约深海探测与开发。

发明内容

本发明提出一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置，具有热吸收效率高，发电量大的优点。

本发明采用以下技术方案。

一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置，所述发电装置包括流道层和发电层；所述流道层内设有热液流道；所述热液流道的上端面敞开与发电层的下端面相接；所述发电层覆于流道层上方或下方；发电层处设有包括多枚温差发电片（4）的发电单元；所述发电单元沿热液流道阵列布设；温差发电片的热端通过均热板（3）紧邻热液流道设置；温差发电片的冷端通过导热盖板（2）被海水冷却；当热液流道通有热液时，温差发电片的热端与冷端产生温差而发电。

所述温差发电片的冷端处与导热盖板相连；所述导热盖板与低温海水环境相接。

所述热液流道在流道平板（1）的板面处加工成型。

所述热液流道呈矩形；流道平板板面处的热液流道数不低于四排。

所述热液流道上间隔设置隔热盖板；所述隔热盖板包括内流道出口盖板（6）、内流道中部盖板（7）、内流道入口盖板（8）；所述热液流道与覆盖其上的隔热盖板、均热板形成可防止热液外溢的热液通道结构；热液入口导管（9）将热液流体引入所述热液流道；所述热液流道与热液流体接触的三个面均敷设隔热层；所述隔热盖板与热液流体接触的面敷设隔热层；所述温差发电片的热端直接与均热板（3）相接；所述均热板覆于热液流道上；所述流道平板未设有热液流道的板面处设有导线槽道（15）；所述导线槽道处设有盖板以防止漏水。

所述温差发电片设于导热盖板和均热板之间，温差发电片、导热盖板和均热板构成一个发电单元。

所述均热板的制备方法为，将一个开有小孔的带空腔板抽真空，然后充填少量体积的相变工作介质，最后密封；当热液流过均热板时，所述相变工作介质被热液加热后汽化，汽化工质在与温差发电片相接的板面处冷凝放热以加热温差发电片热端。

所述发电装置还包括一级滤波/变压模块、二级滤波/变压模块和储电模块；所述一级滤波/变压模块的输入端与单个发电单元的所有温差发电片相连，输出端与二级滤波/变压模块相连；一级滤波/变压模块具有将每个发电单元输出的多路电流合并成一路并进行滤波和变压处理的功能；二级滤波/变压模块输入端与多个一级滤波/变压模块相连，输出端与储电模块相连；二级滤波/变压模块将多个一级滤波/变压模块输入的电流整合为一路，并进行滤波和变压处理，最后输出至储电模块。

所述储电模块包括电池、电池盒（5）；所述储电模块设于流道平板处。

本发明的有益效果是：

1、将热液口喷发的热液流体直接引入发电装置，大幅减少了热液流体直接散失到海水中的热量，而且采用了阵列式的温差发电片排布方式，增加了温差发电片安装的数量，显著提高了温差发电的总功率。

2、发电装置的关键位置的密封度要求低，因此具有较强的适应性；本发明中，热液流道的隔热盖板一面与热液接触，另一面与海水接触；因此热液沿着隔热盖板与内流道板的连接缝隙流入海水时，只会影响温差发电片热端的温度，不会让温差发电片或者电池组触电受损，从而提高了系统的适应性。

3、本发明的热液流道中的热液（热海水）在向温差发电片放热后，又经热液流道重新汇流于一处再从装置流出，因此收集便利，具有二次循环利用的突出优点；从本发电设备流出的热液温度仍可能在150℃以上，热液中蕴含的矿物质还没有被检测和提取，当本装置的热液出口处设计成与热液入口导管相同的结构时，就可以方便的将热液引入下游的设备。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

附图1是本发明的示意图；

附图2是本发明的原理示意图；

附图3是本发明的流道平板的示意图（加粗黑线为热液流动路径及方向）；

附图4是本发明的流道平板另一方向上的示意图；

附图5是温差发电片热端下方处覆盖均热板的示意图；

附图6是本发明的一级滤波/变压模块与二级滤波/变压模块的连接示意图；

附图7是热液入口导管的示意图；

附图8是导热盖板的示意图；

图中：1-流道平板；2-导热盖板；3-均热板；4-温差发电片；5-电池盒；6-内流道出口盖板；7-内流道中部盖板；8-内流道入口盖板；9-热液入口导管；10-热液流道；11-热液流道；12-通孔Ⅰ；13-电池盒安装位置；14-热液流道；15-导线槽道；16-硅胶片；17-一级滤波/变压电路安装位置；18-通孔Ⅱ；19-螺纹；20-螺纹；21-单个发电单元输出电流；22-多个温差发电片的汇合电流；23-一级滤波/变压电路；24-二级滤波/变压电路；25-导管部分；26-导管端盖；27-热液导流面。

具体实施方式

如图1-8所示，一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置，所述发电装置包括流道层和发电层；所述流道层内设有热液流道10、11、14；所述热液流道的上端面敞开通过均热板与发电层的下端面相接；所述发电层覆于流道层上方或下方；发电层处设有包括多枚温差发电片4的发电单元；所述发电单元沿热液流道阵列布设；温差发电片的热端通过均热板3紧邻热液流道设置；温差发电片的冷端通过导热盖板2被海水冷却；当热液流道通有热液时，温差发电片的热端与冷端产生温差而发电。

所述温差发电片的冷端处与导热盖板相连；所述导热盖板与低温海水环境相接。

所述热液流道在流道平板1的板面处加工成型。

所述热液流道呈矩形；流道平板板面处的热液流道数不低于四排。

所述热液流道上间隔设置隔热盖板；所述隔热盖板包括内流道出口盖板6、内流道中部盖板7、内流道入口盖板8；所述热液流道与覆盖其上的隔热盖板、均热板形成可防止热液外溢的热液通道结构；热液入口导管9将热液流体引入所述热液流道；所述热液流道与热液流体接触的三个面均敷设隔热层；所述隔热盖板与热液流体接触的面敷设隔热层；所述温差发电片的热端直接与均热板3相接；所述均热板覆于热液流道上；所述流道平板未设有热液流道的板面处设有导线槽道15；所述导线槽道处设有盖板以防止漏水。

所述温差发电片设于导热盖板和均热板之间，温差发电片、导热盖板和均热板构成一个发电单元。

所述均热板的制备方法为，将一个开有小孔的带空腔板抽真空，然后充填少量体积的相变工作介质，最后密封；当热液流过均热板时，所述相变工作介质被热液加热后汽化，汽化工质在与温差发电片相接的板面处冷凝放热以加热温差发电片热端。

所述发电装置还包括一级滤波/变压模块、二级滤波/变压模块和储电模块；所述一级滤波/变压模块的输入端与单个发电单元的所有温差发电片相连，输出端与二级滤波/变压模块相连；一级滤波/变压模块具有将每个发电单元输出的多路电流合并成一路并进行滤波和变压处理的功能；二级滤波/变压模块输入端与多个一级滤波/变压模块相连，输出端与储电模块相连；二级滤波/变压模块将多个一级滤波/变压模块输入的电流整合为一路，并进行滤波和变压处理，最后输出至储电模块。

所述储电模块包括电池、电池盒5；所述储电模块设于流道平板处。

优选地，均热板3通过螺纹19固定在流道平板1上。每块均热板3胶结六片温差发电片4，并在温差发电片4冷端黏贴硅胶片16，以防止导热盖板2、均热板3产生的形变损坏温差发电片4；导热盖板2、均热板3通过螺纹20连接。

附图标记17所示空白位置用以安放一级滤波/变压模块23。通孔Ⅰ12、通孔Ⅱ18和与流道平板上的导线槽道15相通，一级滤波/变压模块的输出导线可沿此通道进入电池盒5中。

一级滤波/变压模块23安装在附图标记17所示空白位置，二级滤波/变压模块24、电池组安放于电池盒中。

优选地，热液入口导管包括导管部分25和用于固定的导管端盖26；热液入口导管以导管端盖固定于流道平板的热液导流面27处，热液入口导管输出的热液经热液导流面导流后进入流道平板1的热液流道10、11、14。

本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (7)

1.一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置，其特征在于：所述发电装置包括流道层和发电层；所述流道层内设有热液流道；所述热液流道的上端面敞开与发电层的下端面相接；所述发电层覆于流道层上方或下方；发电层处设有包括多枚温差发电片（4）的发电单元；所述发电单元沿热液流道阵列布设；温差发电片的热端通过均热板（3）紧邻热液流道设置；温差发电片的冷端通过导热盖板（2）被海水冷却；当热液流道通有热液时，温差发电片的热端与冷端产生温差而发电；

所述热液流道在流道平板（1）的板面处加工成型；

所述热液流道上间隔设置隔热盖板；所述隔热盖板包括内流道出口盖板（6）、内流道中部盖板（7）、内流道入口盖板（8）；所述热液流道与覆盖其上的隔热盖板、均热板形成可防止热液外溢的热液通道结构；热液入口导管（9）将热液流体引入所述热液流道；所述热液流道与热液流体接触的三个面均敷设隔热层；所述隔热盖板与热液流体接触的面敷设隔热层；所述温差发电片的热端直接与均热板（3）相接；所述均热板覆于热液流道上；所述流道平板未设有热液流道的板面处设有导线槽道（15）；所述导线槽道处设有盖板以防止漏水。

2.根据权利要求1所述的一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置，其特征在于：所述温差发电片的冷端处与导热盖板相连；所述导热盖板与低温海水环境相接。

3.根据权利要求1所述的一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置，其特征在于：所述热液流道呈矩形；流道平板板面处的热液流道数不低于四排。

4.根据权利要求1所述的一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置，其特征在于：所述温差发电片设于导热盖板和均热板之间，温差发电片、导热盖板和均热板构成一个发电单元。

5.根据权利要求1所述的一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置，其特征在于：所述均热板的制备方法为，将一个开有小孔的带空腔板抽真空，然后充填少量体积的相变工作介质，最后密封；当热液流过均热板时，所述相变工作介质被热液加热后汽化，汽化工质在与温差发电片相接的板面处冷凝放热以加热温差发电片热端。

6.根据权利要求1所述的一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置，其特征在于：所述发电装置还包括一级滤波/变压模块、二级滤波/变压模块和储电模块；所述一级滤波/变压模块的输入端与单个发电单元的所有温差发电片相连，输出端与二级滤波/变压模块相连；一级滤波/变压模块具有将每个发电单元输出的多路电流合并成一路并进行滤波和变压处理的功能；二级滤波/变压模块输入端与多个一级滤波/变压模块相连，输出端与储电模块相连；二级滤波/变压模块将多个一级滤波/变压模块输入的电流整合为一路，并进行滤波和变压处理，最后输出至储电模块。

7.根据权利要求6所述的一种以深海热液口喷发的热液为能源的温差发电装置，其特征在于：所述储电模块包括电池、电池盒（5）；所述储电模块设于流道平板处。