CN109869194A - 低温自由活塞发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种低温自由活塞发电系统，具体地，所述发电系统包括：(a)低温工作流体输入模块，包括低温工作流体储器以及用于输送低温工作流体的第一管路；(b)自由活塞式发电模块，所述自由活塞式发电模块包括：活塞缸；自由活塞，活塞腔被分割为位于活塞腔一端的膨胀室和位于活塞腔另一端的弹簧室，所述自由活塞的活塞头设有磁体部件，所述膨胀室设有第一入口，用于供入所述低温工作流体；发电线圈部件，当所述自由活塞在活塞腔内移动时，使得所述发电线圈部件产生电流；和(c)电源输出端，所述的电源输出端与所述的发电线圈部件相连。本发明的发电系统具有环境友好、结构简单和发电效率高等优点。

Description

低温自由活塞发电系统

技术领域

本发明涉及发电领域，更具体地涉及一种低温自由活塞发电系统。

背景技术

目前，超低温、低温液体气体(如液氮)经过储存和运输后，使用前均需要气化。这些超低温、低温液态气体吸收环境的的热量发生气化，然而，气化膨胀过程中产生的膨胀能量缺少有效的回收方式，造成大量浪费。

目前，小型化的发电系统存在广泛的需求，例如在某些边远地区或电动汽车领域。然而，目前的大多数的应急或小型发电装置采用柴油或汽油等作为燃料，不仅发电效率较低，而且燃料燃烧后会造成一定的尾气排放，造成大气污染。此外，大量存储柴油也存在安全隐患。

因此，本领域迫切需要开发环境友好、结构简单和发电效率高的发电系统。

发明内容

本发明的目的就是提供一种环境友好、结构简单并且发电效率高的发电系统。

在本发明的第一方面，提供了一种低温自由活塞发电系统，所述系统包括：

(a)低温工作流体输入模块，所述低温工作流体输入模块包括低温工作流体储器以及用于输送低温工作流体的第一管路，其中，所述的低温工作流体选自下组：液氮、液氧、液空、液氩、或其组合；

(b)自由活塞式发电模块，所述自由活塞式发电模块包括：

-活塞缸，所述活塞缸具有一缸本体，以及由所述缸本体限定的活塞腔；

-自由活塞，所述的自由活塞位于所述活塞腔内，并且将活塞腔分割为位于活塞腔一端的膨胀室和位于活塞腔另一端的弹簧室；所述自由活塞包括活塞头和活塞柱，其中所述活塞头设有磁体部件；

一发电线圈部件，所述的发电线圈部件设置于所述缸本体的外侧和/或嵌入所述缸本体，并且当所述自由活塞在活塞腔内移动时，所述磁体部件全部或至少地被所述发电线圈部件围绕，从而使得所述发电线圈部件产生电流；

其中，所述的活塞腔的膨胀室设有第一入口，所述第一入口用于供入所述低温工作流体；

所述的活塞腔的膨胀室设有第一排放口，所述第一排放口用于排放经膨胀做功后的尾气；和

(c)电源输出端，所述的电源输出端与所述的发电线圈部件相连；

其中，所述第一管路位于所述低温工作流体储器与所述第一入口之间。

在另一优选例中，所述的活塞腔的膨胀室还设有第二入口，所述第二入口用于供入所述供热流体(HPF)。

在另一优选例中，所述供热流体用于向所述低温工作流体输送热量，使得所述低温工作流体膨胀。

在另一优选例中，所述的系统还包括：供热流体输入模块，所述的供热流体输入模块包括供热流体储器以及用于输送供热流体的第二管路。

在另一优选例中，所述的系统还包括第一喷射器，用于将所述的低温工作流体喷射入所述的膨胀室。

在另一优选例中，所述的第一喷射器位于第一管路。

在另一优选例中，所述的系统还包括一个或多个位于所述第一管路上的预热器。

在另一优选例中，所述的至少一个预热器对所述低温工作流体进行供热。

在另一优选例中，所述的供热流体储器用于存储供热流体。

在另一优选例中，所述的第二管路位于所述供热流体储器与所述第二入口之间。

在另一优选例中，所述的系统还包括一个或多个位于所述第二管路上的供热流体热交换器。

在另一优选例中，所述的供热流体输入模块还包括第二喷射器，用于将所述的供热流体喷射入所述的膨胀室。

在另一优选例中，所述的低温工作流体第一管路设有液体阀门、预热器、流体泵、或其组合。

在另一优选例中，所述的尾气为对应于所述低温工作流体的气体。

在另一优选例中，所述的尾气为对应于所述低温工作流体的气体和所述供热流体的混合物。

在另一优选例中，所述的系统还包括一电输出模块，所述电输出模块与所述的电源输出端相连。

在另一优选例中，所述的活塞腔为直线型，且在工作状态下，所述自由活塞在所述活塞腔内作直线往复运动。

在另一优选例中，所述的弹簧室选自下组：空气弹簧室、非空气弹簧室、或其组合。

在另一优选例中，所述的弹簧室为空气弹簧室。

在另一优选例中，所述的非空气弹簧室设有金属弹簧。

在另一优选例中，所述的金属弹簧是对称分布的。

在另一优选例中，所述的系统还包括：

供热流体回收模块，用于回收来自所述自由活塞式发电模块的供热流体，并输送给供热流体储器。

在另一优选例中，所述系统还包括：位于所述供热流体储器与所述第一排放口之间的、用于回收和输送的经回收的供热流体的第三管路。

在另一优选例中，所述的系统还包括：

低温工作流体回收模块，用于回收来自所述自由活塞式发电模块的气体，重新形成低温工作流体，并输送给低温工作流体储器。

在另一优选例中，所述系统还包括：位于所述低温工作流体储器与所述第一排放口之间的、用于回收和输送的经回收的低温工作流体的第四管路。

在另一优选例中，在所述的第一管路、第二管路、第三管路和/或第四管路上设置有一个或多个预热器或热交换器。

在另一优选例中，所述的预热器或热交换器采用环境热和/或来自热传导介质的热量作为热源。

在另一优选例中，所述的热传导介质包括制冷系统的制冷剂(如无机化合物制冷剂、氟里昂、饱和碳氢化合物制冷剂、不饱和碳氢化合物制冷剂和共沸混合物制冷剂)和热能发电产生的热介质(如水等)。

在另一优选例中，所述的第一入口、第二入口和第一排放口各自独立地设置于膨胀室的不同位置。

在另一优选例中，所述的第一入口、第二入口和第一排放口均设置于膨胀室的一端。

在另一优选例中，所述的第一入口、第二入口和第一排放口均设置于膨胀室的远离活塞头的一端。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1显示了本发明低温自由活塞发电系统的示意图。

图2显示了本发明一个实施例中低温自由活塞发电系统的结构示意图。

图3显示了本发明另一实施例中低温自由活塞发电系统的结构示意图。

各附图中，标识如下：

100：自由活塞式发电模块

101：低温工作流体输入模块

102：供热流体输入模块

103：供热流体回收模块

104：低温工作流体回收模块(任选的)

105：电输出模块

2：活塞缸

5：膨胀室

51：第一入口(即低温工作流体入口)

52：第二入口(即供热流体入口)

53：第一排放口(即膨胀室气体出口)：

6：弹簧室

61：弹簧(非空气式)

62：空气弹簧

7：自由活塞

8：活塞头

9：活塞柱

12：磁体部件(如永磁体)

14：线圈

16：活塞滑动引导轴

20：低温工作流体储器

22：低温工作流体管路(或第一管路)

24：低温工作流体喷射器(或第一喷射器)

26：低温工作流体预热器

30：供热流体储器

32：供热流体管路(或第二管路)

34：供热流体喷射器(或第二喷射器)

36：供热流体预热器

37：尾气热交换器

38：供热流体回收装置

39：供热流体回收热交换器

40：第三管路

41：第四管路

具体实施方式

本发明人通过广泛而深入的研究，首次开发了一种利用低温工作流体通过自由活塞进行高效发电的发电系统。本发明的低温自由活塞发电系统包括低温工作流体输入模块、与所述低温工作流体输入模块耦联的自由活塞式发电模块、任选的供热流体输入模块和任选的供热流体回收模块。本发明的低温自由活塞发电系统具有环境友好、结构简单并且发电效率高等优点。在此基础上完成了本发明。

术语

如本文所用，术语“低温工作流体”、“本发明工作流体”、或“LTWF(LowTemperature Working Fluid)”可互换使用，指一种或多种选自下组的低温流体：液氮、液氧、液空、液氩、或其组合。优选地，所述的低温工作流体为液氮、液空、液氩、或其组合。

如本文所用，术语“供热流体”、“本发明供热流体”、或“HPF(Heat ProvidingFluid)”可互换使用，指为本发明低温工作流体提供热量，使得低温工作流体气化的流体。

如本文所用，术语“任选的”、“任选地”表示可有可无的、或可选的。

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

应理解，在本发明的附图中，为了便于阐述，省略了一些细节。例如，在本发明低温自由活塞发电系统的任一管路(如第一管路、第二管路、第三管路、第四管路或其它管路)上，可以按需要设置一个或多个部件，其中包括(但并不限于)：阀门、输送泵、计量泵、传感器(如温度探头、压力探头、流量探头(或流量计))、保温或隔热部件(如保温层、隔热层等)、报警器、或其组合。

如图1所示，本发明的低温自由活塞发电系统主要包括：自由活塞式发电模块100、低温工作流体输入模块101和电输出模块105。此外，本发明的低温自由活塞发电系统还可含有任选的供热流体输入模块102、任选的供热流体回收模块103以及任选的低温工作流体回收模块104。

一种典型的低温自由活塞发电系统如图2所示。在该实施例中，低温自由活塞发电系统包括自由活塞式发电模块100、低温工作流体输入模块、供热流体输入模块、供热流体回收模块和电输出模块(未示出)。

在该实施例中，自由活塞式发电模块100包括：

-活塞缸2，所述活塞缸2具有一缸本体，以及由所述缸本体限定的活塞腔；

-自由活塞7，所述的自由活塞位于所述活塞腔内，并且将活塞腔分割为位于活塞腔一端的膨胀室5和位于活塞腔另一端的弹簧室6；所述自由活塞7包括活塞头8和活塞柱9，其中所述活塞头设有磁体部件12；

-发电线圈部件14，所述的发电线圈部件14设置于所述缸本体的外侧和/或嵌入所述缸本体，并且当所述自由活塞在活塞腔内移动时，所述磁体部件12全部或至少地被所述发电线圈部件14围绕，这样，当自由活塞在活塞腔内移动时，所述磁体部分(如永磁体)会切割磁力线，从而使得所述发电线圈部件产生电流；

所述的活塞腔的膨胀室5设有第一入口(即低温工作流体入口)51，所述第一入口51用于供入所述低温工作流体；

所述的活塞腔的膨胀室5设有第一排放口53，所述第一排放口53用于排放经膨胀做功后的尾气。

通常，所述的尾气为气态的低温工作气体(如N2)、或低温工作气体和供热流体的混合物，其中供热流体可部分或全部为气态或液态。

在图2所示的实例中，弹簧室采用了空气弹簧室结构。

在图2所示的实例中，低温工作流体输入模块包括低温工作流体储器20、用于输送低温工作流体的第一管路(即低温工作流体管路)22、用于将低温工作流体喷入膨胀室5的低温工作流体喷射器(或第一喷射器)24、以及任选的位于所述第一管路22上的低温工作流体预热器26。其中，所述预热器26用于利用来自环境或其他热传导介质的热量，对低温工作流体进行部分热交换。第一喷射器24设置于活塞缸膨胀室的低温工作流体入口51处，以便将低温工作流体喷射入膨胀室。

在图2所示的实例中，本发明的低温自由活塞发电系统还包括一供热流体输入模块，以便进一步提高本发明发电系统的工作效率。应理解，该供热流体输入模块是可有可无的。当省略该供热流体输入模块时，则在膨胀室经过热膨胀后的气体(如N2)，可直接排入大气或被回收再利用。

一种典型的供热流体输入模块包括供热流体储器30、第二管路(即供热流体管路)32和供热流体喷射器(或第二喷射器)34。其中，第二喷射器34设置于活塞缸膨胀室的供热流体入口52处，以便将供热流体喷射入膨胀室。

在本发明中，设置供热流体输入模块，可以通过设置于供热流体储器和/或设置第二管路的一个或多个加热器或热交换装置，对供热流体进行加热，提供温度高于低温工作流体的供热流体，从而当所述供热流体与低温工作流体在膨胀室内混合时，可有将大量的热量供给或传导给低温工作流体，从而导致低温工作流体快速气化和膨胀，从而推动活塞做功。

应理解，在本发明中，所述的供热流体的种类没有特别限制，可以是任何沸点F1高于低温工作流体的沸点F0的任何一种流体或多种流体的混合物。优选地，所述的供热流体是具有一定比热的流体(与水比热相近的流体)。典型地，适用于本发明的供热流体的F1可有为-60℃至100℃，较佳地-50℃至80℃。代表性的例子包括(但并不限于)：醇溶剂、烷烃类、水、醚、或其组合。特别优选的例子包括乙二醇、丙二醇等醇类溶剂。

在本发明中，通过控制供热流体喷射器以及低温工作流体喷射器的大小和/或开度，可以调控供热流体和低温工作流体的混合比例，从而使得两者混合时，供热流体能够给低温工作流体提供足够的热量，并使低温工作流体气化。

在图2所示的实例中，本发明的低温自由活塞发电系统还包括一供热流体回收模块，以便回收供热流体并循环利用。所述的供热流体回收模块包括：供热流体回收装置38和第三管路40，所述供热流体回收装置38通过第三管路40与膨胀室5的第一排放口(即膨胀室气体出口)53相连通。根据供热流体的类型以及尾气的构成，可采用相应的供热流体回收装置对供热流体进行回收，例如采用离心方式或气液分离方式回收供热流体。对尾气进行回收处理后，所产生的气态的低温工作流体(如氮气)可直接排放或进一步通过低温工作流体回收模块循环使用，而回收的供热流体则被输送或泵送回供热流体储器30。

此外，在本发明中，可以在第三管路40上分别设置一个或多个尾气热交换器37和/或供热流体回收热交换器39。

在本发明中，当尾气的温度较低(如低于室温或环境温度时)，可以通过尾气热交换器将尾气作为冷源，与其他需要散热或需要低温的设备进行热交换，以便实现制冷(如用于冷链运输车辆、空调系统(包括房屋的空调或汽车空调系统等))，从而进一步充分利用资源并进一步提高功效。

此外，虽然图2中没有标示104：低温工作流体回收模块，但是图2的低温自由活塞发电系统也可以配有低温工作流体回收模块，以便在回收和循环利用低温工作流体。

本发明低温自由活塞发电系统的一个显著优点在于，所述的低温工作流体采用了环境友好和安全性高的气体(如N2和空气)，因此尾气无污染，可以直接排入大气。

另一种典型的低温自由活塞发电系统如图3所示。在该实施例中，低温自由活塞发电系统包括自由活塞式发电模块100、低温工作流体输入模块、供热流体输入模块、供热流体回收模块和电输出模块(未示出)。

与图2所示的实例不同，图3所示的实例的弹簧室采用了非空气式弹簧室结构，在弹簧室中设置有多个对称布置的弹簧(构成弹簧组)。在本发明中，所述弹簧可采用常规的弹性材料构成，代表性的例子包括(但并不限于)：金属、合金、复合材料等。

此外，在图3中，自由活塞还设有一活塞滑动引导轴16，用于引导活塞沿着所述的活塞滑动引导轴16进行往复运动，进一步提高活塞往复运动的稳定性。

在本发明的低温自由活塞发电系统中，可以配置N个(N为任意正整数，如1-50，或1-20、或2-10)自由活塞式发电模块，这些自由活塞式发电模块可以互相并联、或串联或兼而有之。

当本发明的低温自由活塞发电系统工作时，来自低温工作流体储器的低温工作流体被输送入自由活塞式发电模块,并在膨胀室吸收热量进行气化，从而膨胀做功，推动自由活塞进行运动。当自由活塞在活塞腔内移动时，所述磁体部分(如永磁体)会切割磁力线，从而使得所述发电线圈部件产生电流。

一种优选的方式是通过供热流体来部分或全部提供低温工作流体气化所需的热量。例如，当采用供热流体输入模块时，可以在将低温工作流体输入膨胀室之前、之后或同时，将供热流体输入膨胀室，从而将热量提供给低温工作流体。

一种特别优选的方式是先将供热流体通过供热流体喷射器先输入膨胀室，然后关闭供热流体喷射器；接着,通过低温工作流体喷射器将低温工作流体喷射入膨胀室。这样，低温工作流体吸收来自供热流体的热量，实现快速而可控的气化。

当膨胀室内的低温工作流体气化并膨胀，推动自由活塞移向另一端时，会导致压缩空气式弹簧室内的空气(图2)，或拉伸弹簧组的弹簧(图3)，使得自由活塞产生往复运动。

当自由活塞往回运动时，导致膨胀室体积减小，从而将膨胀室内的尾气通过尾气排放口排出。从膨胀室的尾气排放口排出的尾气，可直接排入大气或排入供热流体回收模块。

本发明的主要优点包括：

(a)本发明的低温自由活塞发电系统不采用燃料，不进行燃烧，也不发生化学反应，而是通过物理方式进行发电。

(b)本发明的低温自由活塞发电系统对环境友好。

(c)本发明的低温自由活塞发电系统设计合理，结构简单。

(d)本发明的低温自由活塞发电系统发电效率高，能量利用率高。

(e)本发明的低温自由活塞发电系统应用范围广泛，特别适合用于冷链运输车辆、电动汽车、小型或应急发电系统、室内空调、汽车空调等场合。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种低温自由活塞发电系统，其特征在于，所述系统包括：

(a)低温工作流体输入模块，所述低温工作流体输入模块包括低温工作流体储器以及用于输送低温工作流体的第一管路，其中，所述的低温工作流体选自下组：液氮、液氧、液空、液氩、或其组合；

(b)自由活塞式发电模块，所述自由活塞式发电模块包括：

-活塞缸，所述活塞缸具有一缸本体，以及由所述缸本体限定的活塞腔；

-自由活塞，所述的自由活塞位于所述活塞腔内，并且将活塞腔分割为位于活塞腔一端的膨胀室和位于活塞腔另一端的弹簧室；所述自由活塞包括活塞头和活塞柱，其中所述活塞头设有磁体部件；

一发电线圈部件，所述的发电线圈部件设置于所述缸本体的外侧和/或嵌入所述缸本体，并且当所述自由活塞在活塞腔内移动时，所述磁体部件全部或至少地被所述发电线圈部件围绕，从而使得所述发电线圈部件产生电流；

其中，所述的活塞腔的膨胀室设有第一入口，所述第一入口用于供入所述低温工作流体；

所述的活塞腔的膨胀室设有第一排放口，所述第一排放口用于排放经膨胀做功后的尾气；和

(c)电源输出端，所述的电源输出端与所述的发电线圈部件相连；

其中，所述第一管路位于所述低温工作流体储器与所述第一入口之间。

2.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述的活塞腔的膨胀室还设有第二入口，所述第二入口用于供入所述供热流体(HPF)。

3.如权利要求2所述的发电系统，其特征在于，所述的系统还包括：供热流体输入模块，所述的供热流体输入模块包括供热流体储器以及用于输送供热流体的第二管路。

4.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述的系统还包括第一喷射器，用于将所述的低温工作流体喷射入所述的膨胀室。

5.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述的供热流体输入模块还包括第二喷射器，用于将所述的供热流体喷射入所述的膨胀室。

6.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述的活塞腔为直线型，且在工作状态下，所述自由活塞在所述活塞腔内作直线往复运动。

7.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述的系统还包括：

供热流体回收模块，用于回收来自所述自由活塞式发电模块的供热流体，并输送给供热流体储器。

8.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述的系统还包括：

低温工作流体回收模块，用于回收来自所述自由活塞式发电模块的气体，重新形成低温工作流体，并输送给低温工作流体储器。

9.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，在所述的第一管路、第二管路、第三管路和/或第四管路上设置有一个或多个预热器或热交换器。

10.如权利要求1所述的发电系统，其特征在于，所述的预热器或热交换器采用环境热和/或来自热传导介质的热量作为热源。