CN109882309A - 一种余热高效温差发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种余热高效温差发电机，其包括：直线发电机，设置有动子和定子，所述定子上绕设有线圈，所述动子为磁钢块；设置于直线发电机下方的气缸，包括缸套和活塞，所述活塞的上端设置有活塞推杆，所述活塞推杆的末端通过活塞推杆连接器联接动子，所述缸套内于活塞的下端填充有液态水；设置于缸套底部的导热装置，用于将热量传导至气缸底部。本发明中的发电机可有效地将热量转化为电能，补充市场上的空白，并且转化效率高、控制简单，生产成本低，有利于可持续发展社会的建设，实用性强。

Description

一种余热高效温差发电机

技术领域

本发明属于发电机技术领域，具体涉及一种余热高效温差发电机。

背景技术

发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，其基于电磁感应定律和电磁力定律，用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。在多数机械设备中，其内燃机或燃烧炉在工作过程中会产生较大热量，然而此类设备并没有合理地利用这部分热量，反而需要设置散热结构来消散这部分热量，并且传统的发电机也并不能将这部分热量转化为电能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种可利用其产生的热量，先将热能转化为机械能，再转化为电能的余热高效温差发电机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种余热高效温差发电机，其包括：

直线发电机，设置有动子和定子，所述定子上绕设有线圈，所述动子为磁钢块；

设置于直线发电机下方的气缸，包括缸套和活塞，所述活塞的上端设置有活塞推杆，所述活塞推杆的末端通过活塞推杆连接器联接动子，所述缸套内于活塞的下端填充有液态水；

设置于缸套底部的导热装置，用于将热量传导至气缸底部。

作为本方案的进一步改进，所述活塞沿缸套径向的横截面轮廓具有若干凸起或凹位，所述缸套的内壁与之适配。

作为本方案的进一步改进，所述缸套上设置有冷却水道，所述冷却水道内注入有冷却水。

作为本方案的进一步改进，所述缸套的下端设置有注水口和泄气口，所述注水口连接有注水阀，所述泄气口连接有泄气阀。

作为本方案的进一步改进，所述缸套的上端与活塞推杆之间保持密封，且在缸套的上端设置有压缩空气储能开关。

作为本方案的进一步改进，还包括一控制器和整流器，所述控制器电性连接注水阀、泄气阀、压缩空气储能开关和整流器，所述整流器电性连接线圈和蓄电装置。

作为本方案的进一步改进，所述缸套的底部通过导热装置密封，从而通过缸套、活塞的下端面和导热装置形成液态水的反应空腔。

作为本方案的进一步改进，所述导热装置于气缸的底部设置有铜质的导热件，所述导热件的竖直截面具有若干延伸于反应空腔内的锯齿状结构。

作为本方案的进一步改进，所述直线发电机设置有一个或多个。

本发明的有益效果是：本发明中的发电机可通过导热装置传导热量至气缸底部，使活塞下端的液态水受热至气态，使得体积膨胀而将活塞向上顶推，进而带动动子于线圈内上行，使线圈产生电流；在膨胀至一定程度后，气态水在活塞和缸套内壁上冷凝而减小体积，同时在活塞、动子等部件的重力作用下，活塞下行并带动动子于线圈内下行而使线圈产生电流，如此往复直至热量耗尽，因此本发明中的发电机可有效地将热量转化为电能，补充市场上的空白，并且转化效率高、控制简单，生产成本低，有利于可持续发展社会的建设，实用性强。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中缸套和活塞的剖视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

第一实施例

参照图1～图2，本发明公开一种余热高效温差发电机，其包括：

直线发电机，设置有动子3和定子1，所述定子1上绕设有线圈2，所述动子3为磁钢块；

设置于直线发电机下方的气缸，包括缸套4和活塞5，所述活塞5的上端设置有活塞推杆6，所述活塞推杆6的末端通过活塞推杆连接器7联接动子3，所述缸套4内于活塞5的下端填充有液态水；

设置于缸套4底部的导热装置，用于将热量传导至气缸底部。

工作时，通过导热装置传导热量至气缸底部，使活塞5下端的液态水受热至气态，使得体积膨胀而将活塞5向上顶推，进而带动动子3于线圈2内上行，使线圈2产生电流；在膨胀至一定程度后，气态水在活塞5和缸套4内壁上冷凝而减小体积，同时在活塞5、动子3等部件的重力作用下，活塞5下行并带动动子3于线圈2内下行而使线圈2产生电流，如此往复直至热量耗尽。故此，本发明中的发电机可有效地将热量转化为电能，补充市场上的空白，并且转化效率高、控制简单，生产成本低，有利于可持续发展社会的建设，实用性强。由于直线电机的行程有限，为了避免活塞5被推动运行的距离过大，在实际生产过程中，可以增大气缸尺寸，扩大活塞5的横截面积，使得在活塞5上行时液态水所处空腔的容积变化大。

为了提高工作过程中的活塞5的散热效率，优选的，所述活塞5沿缸套4径向的横截面轮廓具有若干凸起或凹位，所述缸套4的内壁与之适配，通过此种方式来增大活塞5与缸套4的接触面积，便于活塞5的热量传导至缸套4上散热，有助于提高气态水的冷凝效率，进而提高发电效率。

如图2所示，本实施例中将活塞5设置为横截面呈五角星形的柱体结构，而缸套4内设置与之适配的五角星形腔体结构，通过此种方式来增大活塞5与缸套4的接触面积，并且通过此种结构来实现活塞5运动的导向。当然，该活塞5也可设置为其他形状，如轮廓呈波浪形的结构等，只需通过凸起或凹位而使得其表面积较传统的圆柱体结构的表面积更大即可。

作为本方案的进一步改进，所述缸套4上设置有冷却水道9，所述冷却水道9内注入有冷却水。由于本实施例中的活塞5设置为五角星形的柱体结构，因此冷却水道9优选设置于缸套4上对应活塞5的内凹处而凸起的几个部分，即图示的几个部分，当然，在缸套4的尺寸允许的情况下，缸套4上对应活塞5的突起处而内凹的部分也可以设置冷却水道9。其中若干冷却水道9可以相互连通，使得若干冷却水道9形成一条曲折的流道，此外也可以使每条冷却水道9的一端为进水端、另一端为出水端来形成多条流道。又或者将若干冷却水道9按所在区域分成多个部分，使每个部分内的冷却水道9相连通而形成多条流道。冷却水道9的具体连通方式、注水方式等可参照模具行业内的冷却系统结构进行设置，在此不作赘述。

如此，通过冷却水道9的设置，既可以加速气态水于缸套4内壁上的冷凝速度，也可以提高活塞5的散热效率，进一步提高气态水的冷凝效率，从而提高动子3反复运动的频率，提高发电效率。

由于在工作过程中不可避免的会存在部分气态水或液态水损耗，为了确保气缸底部保持足量的液态水，同时也为了便于停机，优选的，所述缸套4的下端设置有注水口10和泄气口12，所述注水口10连接有注水阀11，所述泄气口12连接有泄气阀13。为了不影响冷却水道9的设置，注水口10优选设置于缸套4的底部中央，并且为了使注入的水及时接触导热装置，提高蒸发效率，在注水口10的端部设置一阻挡结构，该阻挡结构为一挡片，挡片下端通过多个支脚固定，使得挡片的下端形成周向的多个出水口，这样在通过注水口10注水时，液态水通过挡片阻挡而回落于气缸底部，并且通过周向的多个出水口分散水流，使其横向扩散、均匀的喷洒于活塞下方，加速蒸发效率。而泄气口12的口径小于注水口10，故而其既可设置于缸套4的侧壁，也可以设置于缸套4的底部。

如此在发电机销售前无需注入液态水，用户可在使用前通过注水阀11自行注入液态水，便于运输；而在使用过程中可以通过注水阀11向气缸底部补充液态水，保持足量的液态水；并且可以通过泄气阀13排气来加速活塞5下行速度，提高活塞5的升降频率，提高发电效率；在使用完之后，可以通过泄气阀13排出水汽，有助于在闲置设备的过程中保持设备干燥，延长使用寿命。

进一步的，所述缸套4的上端与活塞推杆6之间保持密封，且在缸套4的上端设置有压缩空气储能开关。同时，本实施例中的发电机还设置有一控制器和整流器，所述控制器电性连接注水阀11、泄气阀13、压缩空气储能开关和整流器，所述整流器电性连接线圈2和蓄电装置。

如此，线圈2在动子3运动过程中产生的交流电经整流器整流变为直流电，并储存进入蓄电装置。而控制器可控制整个发电机的工作，实现各个组件之间的协调工作。

如图所示，为了提高导热效率，在本实施例中，所述缸套4的底部通过导热装置密封，从而通过缸套4、活塞5的下端面和导热装置形成液态水的反应空腔，使得液态水直接接触导热装置。该导热装置优选采用铜材制成。如图所示，本实施例中的导热装置于气缸的底部设置有铜质的导热件8，所述导热件8的竖直截面具有若干延伸于反应空腔内的锯齿状结构。这样可以通过该锯齿状结构增大导热件8与液态水的接触面积，提高液态水蒸腾的速度。该导热件8可直接接触大型设备的内燃机、燃烧炉等来实现热传导，既可解决此类设备的散热，还能将需要散去的热量转化为电能反哺于设备本身，有利于可持续发展社会的建设。显然，本实施例中的注水口设置于导热件8上。为了不干涉活塞5的行程，该挡片于气缸的底部采用内陷的结构设置，具体的，导热件8的上端面对应注水口10的端部设置沉台，将挡片设置于沉台内。如此通过沉台的形式将挡片的下方挖空，从而可以适当降低挡片的高度。并且该导热件8上设置有温度传感器，以实时监控导热件8的温度，避免烧损。

除此之外，该导热装置也可采用其他导热材料制成，如铝材等。且在生产控制过程中，可以合理地设置活塞5的行程，从而避免其下端直接接触导热件8，延长使用寿命，也能避免活塞5上行时超出缸套4顶部而爆缸。考虑到气缸本身与导热件8接触，也会传导热量，为了提高热量转化率，可以在导热件8与缸套4之间设置隔热结构，并且在导热件8与气缸整体外侧包覆一外壳来保温。

本实施例中的直线发电机的原理及整体结构与市面上已知结构直线发电机相似，如专利号为CN201420422564.X中的永磁直线发电机、专利号为CN201120397772.5、CN86211092中的直线发电机，因此其具体的结构组成、安装固定方式在此不作赘述。

工作过程中，活塞5也可以通过控制器实现行程限位，比如设置相应压力传感器，活塞5下行时，由压力传感器获取压力做工数据、实时储能水平，通过控制器分析活塞5的上段做工功率来分配上段压力下端储能从而承担活塞5带来的大部分惯性动能，再通过电机精确控制活塞5的位置。

除此之外，也可以于活塞5的行程顶部和底部均设置弹簧限位器，通过弹簧限位器来实现活塞5的行程限位，避免发生顶缸或爆缸。

由于弹簧限位器极易损坏，使用过程中需要经常更换，可靠性不高，因此在部分实施例中，于动子3的上方设置轴杆，通过该轴杆铰接一曲柄摇杆机构，在活塞5上下运动的过程中，曲柄摇杆机构随之摆动，通过控制其摆动的方式来反向实现活塞5的限位，不容易损坏，并且精确度更高。

斯特林发电机由于热传导主要由空气这一介质膨胀转化为机械能，所以效率低于百分之十。空气的热导率只有0.026，比热容为1012，而水的导热率为0.56，比空气的吸热速度高20倍，水比热容为4200，水蒸气为1850，导致其膨胀做工传递转换能量比空气更高，功率大约为空气的2至4万倍。由于在汽缸中水可以控制蒸发温度，其做工转化能量的效率远高于空气斯特林动力，在汽缸中水被挤压到导热件8上，水遇高温蒸发推动汽缸向上运动，推动动子3在线圈2中产生电流做工给电池充电或送至电网，当汽缸继续向上运动导热件8温度高于150度，水继续蒸发做工，当温度低于90度汽缸惯性形成低压水并继续蒸发。

环境温度通过散热器会有传热温度差，这时如果环境温度为20度，那么汽缸温度将在50度左右，功率比较小，有效散热面积为1000平方厘米的汽缸的功率为500至1500瓦，如果温度在150至240度，在相同的有效散热面积下的功率为2000瓦至8000瓦。而很多内燃机排气温度都高于200度，大功率内燃机高达600至800度，由于内燃机排气热量损失在25至30之间，通过汽缸温差发电机可以将这部分热能转化4成至5成，如果能将汽缸散热温度提高到120至150度那么这将再回收2至3成的热效率，整个内燃机加汽缸温差发电机热转化效率将把燃油效率提高到60％至70％，余热温度将在60至90度，这将提高整体能源利用率近5成。

这种温差发电机有三种工作模式：

第一种为低温工作模式：温度为120度至90度(60至80度也可以工作，但是功率很小)，当温度低于蒸发温度时或者蒸发压力低时，活塞5上端为负压，初始能量可由线圈提供，水蒸发膨胀做工，活塞5向上运动，负压和水蒸发动能形成惯性压缩气缸上端腔室内的气体，形成向上的动能而促进活塞5下端的蒸汽室压力上升、温度下降，加速水蒸气凝结而使温度迅速降低，活塞5推动凝结水向导热件8运动再次蒸发做工，如此往复循环。

第二种工作模式：温度高于150至300度，活塞5上端的气体腔室为常压或者2至4个大气压，这种工作模式主要是高温高效。

第三种工作模式：蒸汽排放模式，当水蒸发做工之后汽缸向上运动，泄气阀13打开，尽可能提高汽缸速度增加功率，同时排放的余热升高、散热效率降低，功率可能会增加3到5成。

第二实施例

本实施例以第一实施例为主体，不同之处在于，本实施例中的导热装置设置为铜管，铜管的管路绕经缸套4的底部。工作过程中，该铜管用于连接大型设备内的冷却水箱，使铜管形成设备的冷却系统中的一部分。这样，在冷却水箱中的水受热升温后，经铜管进入缸套4底部与液态水进行热交换，既可以有效提高设备的冷却效率，也可有效地将热量转化为电能，实用性强。

第三实施例

本实施例以第一实施例为主体，不同之处在于，本实施例中的直线发电机设置有多个，具体的，多个直线发电机平行设置，每个直线发电机的动子3的下端均连接一轴段，多个轴段的下端通过连杆固定，活塞推杆6的上端连接连杆，从而使得一个气缸活塞5驱动多个直线发电机发电。

第四实施例

本实施例以第一实施例为主体，不同之处在于，本实施例中的动子3的上端设置有安装轴，本实施例中的发电机设置有一可将安装轴下推的驱动机构，从而在动子3上行之后，通过驱动机构作用将动子3向下按压，加速下行速度。

上述实施例只是本发明的优选方案，本发明还可有其他实施方案。本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所设定的范围内。

Claims (9)

1.一种余热高效温差发电机，其特征在于包括：

直线发电机，设置有动子(3)和定子(1)，所述定子(1)上绕设有线圈(2)，所述动子(3)为磁钢块；

设置于直线发电机下方的气缸，包括缸套(4)和活塞(5)，所述活塞(5)的上端设置有活塞推杆(6)，所述活塞推杆(6)的末端通过活塞推杆连接器(7)联接动子(3)，所述缸套(4)内于活塞(5)的下端填充有液态水；

设置于缸套(4)底部的导热装置，用于将热量传导至气缸底部。

2.如权利要求1所述的一种余热高效温差发电机，其特征在于，所述活塞(5)沿缸套(4)径向的横截面轮廓具有若干凸起或凹位，所述缸套(4)的内壁与之适配。

3.如权利要求1所述的一种余热高效温差发电机，其特征在于，所述缸套(4)上设置有冷却水道(9)，所述冷却水道(9)内注入有冷却水。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种余热高效温差发电机，其特征在于，所述缸套(4)的下端设置有注水口(10)和泄气口(12)，所述注水口(10)连接有注水阀(11)，所述泄气口(12)连接有泄气阀(13)。

5.如权利要求4所述的一种余热高效温差发电机，其特征在于，所述缸套(4)的上端与活塞推杆(6)之间保持密封，且在缸套(4)的上端设置有压缩空气储能开关。

6.如权利要求5所述的一种余热高效温差发电机，其特征在于，还包括一控制器和整流器，所述控制器电性连接注水阀(11)、泄气阀(13)、压缩空气储能开关和整流器，所述整流器电性连接线圈(2)和蓄电装置。

7.如权利要求1-3任一项所述的一种余热高效温差发电机，其特征在于，所述缸套(4)的底部通过导热装置密封，从而通过缸套(4)、活塞(5)的下端面和导热装置形成液态水的反应空腔。

8.如权利要求7所述的一种余热高效温差发电机，其特征在于，所述导热装置于气缸的底部设置有铜质的导热件(8)，所述导热件(8)的竖直截面具有若干延伸于反应空腔内的锯齿状结构。

9.如权利要求1-3任一项所述的一种余热高效温差发电机，其特征在于，所述直线发电机设置有一个或多个。