CN109973152B - 一种活塞氢能做功系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种活塞氢能做功系统，包括氢反应床单元、氢气压缩单元、氢气膨胀机、发电机、蓄电池和外部电网。氢气压缩单元设有气缸、液压站、液压泵、左液压缸和右液压缸。左推杆一头与左活塞连接另一头与气缸间断性接触，右推杆与右活塞连接另一头与气缸间断性接触。氢反应床单元连接到气缸两头的氢气进口，气缸两头的氢气出口连接到氢气膨胀机的入口，膨胀机出口连接到氢反应床单元。液压站与左液压缸进液口和右液压缸进液口管路连接，左液压缸出液口和右液压缸出液口连接到液压泵，液压泵出口连接到液压站。

Description

一种活塞氢能做功系统

技术领域

本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种活塞氢能做功系统。

背景技术

自然界充满着无限的常温能源，空气、海水等无限量的常温能源，具有开发潜力。地球上的能源绝大部分来自于太阳，在能源日益紧缺的今天，新的可再生绿色洁净发电技术日益受到重视。现在新能源中，水能和风能发电技术应用较为普遍，技术也较为成熟。水电开发潜力不大，而风力又过于分散，只能在一些特定区域有用，而且水能和风能发电装置投入很大，占地面积广。空气能已逐步进入人们的视野中，目前空气能热水器也得到了普遍应用，其原理就是利用空气中的热能，通过热泵加热水。但是利用空气能发电的技术非常少，技术不够成熟，难以推广应用。

授权公告号为CN202055876U，授权公告日为2011年11月30日的中国实用新型专利公开了一种新能源太阳能热力超临界低温空气能发电装置。包括吸热器、膨胀发电机组、回热器、冷却器、增压泵、制冷机及其管道附件及检测和控制装置，密闭系统内有氮气或混合工质。工质经吸热器成为高压超临界流体，经膨胀发电机组做功发电成为临界状态工质，经回热器、冷却器冷凝，由增压泵压入回热器换热再进吸热器吸热形成封闭循环发电系统。它也可以用于余热废热地热等中低温热源发电，工质用二氧化碳或混合工质。该实用新型专利能够将空气能转化成推动发电机组转动的动能，但是因冷却器冷凝需要耗能，其系统能量转换率变低，发电机发电量较小，实际推广价值有限。

发明内容

本发明的目的是提供一种活塞氢能做功系统，以氢气等为循环工质，利用金属储氢材料的吸氢/放氢特性产生的与大气压力之间的压力差，推动膨胀机做功并带动发电机发电或驱动设备，充分利用大自然能量及工业余热，有利于节能减排和创造经济效益。

本发明的技术方案是：

一种活塞氢能做功系统，包括氢反应床单元、至少一套氢气压缩单元、氢气膨胀机、发电机、蓄电池和外部电网，氢气膨胀机与发电机轴连接，所述发电机电路连接到蓄电池和外部电网。所述氢气压缩单元设有气缸、液压站、液压泵、左液压缸和右液压缸。所述气缸内设有活塞，气缸的两头均设有氢气进口和氢气出口。所述左液压缸设有左活塞、左液压缸进液口和左液压缸出液口,所述右液压缸设有右活塞、右液压缸进液口和右液压缸出液口。所述气缸设有左推杆和右推杆，所述左推杆一头与左活塞连接，另一头与气缸内的活塞间断性接触。所述右推杆一头与右活塞连接，另一头与气缸内的活塞间断性接触。所述氢反应床单元通过负压氢气出口管路连接到气缸两头的氢气进口。所述气缸两头的氢气出口通过氢气进口管路连接到氢气膨胀机的入口，所述膨胀机出口通过负压氢气入口管路连接到氢反应床单元。所述液压站分别通过液压站出口阀与左液压缸进液口和右液压缸进液口管路连接，所述左液压缸出液口和右液压缸出液口分别通过液压泵进口阀连接到液压泵，所述液压泵出口连接到液压站。

所述氢反应床单元设有换热中心和至少两台氢反应床，所述换热中心包括高负压循环部分和低负压循环部分，所述高负压循环部分和低负压循环部分通过换热盘管进行间壁换热。所述氢反应床设有负压氢气入口、负压氢气出口、换热氢气入出口和换热氢气出入口，换热氢气出入口通过氢气循环管路经三通阀分为两路，一路出口连接到换热中心的高负压循环部分，一路连接到低负压循环部分。高负压循环部分和低负压循环部分经三通阀和氢气循环管路连接到换热氢气入出口，氢气循环管路设有氢气循环泵。所述氢反应床的负压氢气出口通过负压氢气出口管路连接到氢气压缩单元气缸两头的氢气进口。所述氢反应床的负压氢气入口通过负压氢气入口管路连接到氢气膨胀机的出口。

所述氢反应床内装载金属储氢材料，包括但不限于稀土系金属氢化物。氢气由氢气入口进入氢反应床，氢气被储氢材料吸收形成金属氢化物，对完成吸氢后的金属氢化物加热放出氢气。所述氢反应床为至少一级结构，或者为阶梯利用热量的多级结构，允许每级氢反应床中的每个氢反应床内的金属氢化物的品种、质量或体积可以不一样，每级氢反应床的吸放氢气的温度和压力可以相同或者不同。

所述氢气压缩单元替换为包括但不限于活塞、重力、机械、气力、真空、液力、电磁、回转机械的方法或它们的组合，从而可靠的实现等压压缩的任何方法都适用。

允许金属氢化物和/或包括但不限于氢气的循环介质中增加固体、液体、气体物质，起催化剂作用，从而稳定地增加吸放氢速度，或提高金属氢化物吸氢的百分比或金属氢化物放氢的百分比，或改变金属氢化物的P-C-T曲线。

所述氢反应床采用循环介质与加热介质间壁或非间壁换热，加热介质为空气、烟气、海水、河水、湖水、气体加热介质、液体加热介质、固体加热介质、气液固之间二二混合或三相混合加热介质。氢反应床采用的高压或低压循环介质包括氢气但不限于氢气，直接进入氢反应床进行加热或移热，或采用电、电磁或内部加热的方式，或采用外加热的方式，或同时采用内外加热的方式，循环介质为氢气或其他稳定介质，循环介质可以是气体、液体、固体，或气液固之间二二混合或三相混合循环介质，直接进入氢反应床进行加热或移热。对氢反应床吸氢时放出的反应热，采用换热循环介质进行移热，换热循环介质包括但不限于氢气。对氢反应床放氢时需要的反应热，采用换热循环介质进行加热，外界的热量直接带入氢反应床，加热循环介质包括但不限于氢气。

所述氢反应床单元被具有稳定压力功能的阀门和/或储气罐系统所代替。

所述气缸内活塞的面积、推杆的面积和所述左液压缸和右液压缸内活塞的面积、推杆的面积根据做功的要求任意调节。

所述氢气进口管路和负压氢气入口管路设置净化器，防止润滑剂等残留物外泄，不允许有任何的润滑剂泄露到系统外，外扩散的润滑剂在系统内进行收集处理。

本发明活塞氢能做功系统以氢气等为循环工质，根据氢反应床单元中金属储氢材料的吸氢/放氢特性，利用其吸氢形成负压端，吸氢后的金属储氢材料可在更低压力下放氢实现循环使用，放出的负压氢气在大气压力以及活塞辅助作用下形成常压端，通过工质氢气在常压端和负压端之间循环流动驱动膨胀机做功并带动发电机发电或驱动设备，充分利用大自然的能量，有利于节能减排和创造经济效益。将本发明安装在轮船等交通工具，可以利用其它自然物质所携带的能量，通过工质循环驱动膨胀机做功，将大气压力转变为机械能驱动交通工具运行，实现绿色交通。

附图说明

图1为本发明活塞氢能做功系统的流程示意图；

图2为活塞到达最右边时示意图；

图3为活塞向左移动示意图；

图4为右推杆拉出脱开活塞示意图；

图5为活塞向右移动示意图。

其中：1—氢反应床单元、3—氢气膨胀机、4—发电机、5—蓄电池、6—左液压缸、7—右液压缸、8—液压泵进口阀、9—负压氢气入口、10—换热氢气入出口、11—高负压循环部分、12—低负压循环部分、13—液压站出口阀、14—右推杆、15—液压泵、16—液压站、17—外供电力、18—阀门、19—负压氢气出口、20—换热氢气出入口、21—氢气进口管路、22—负压氢气入口管路、23—左活塞、24—左液压缸出液口、25—换热盘管、26—负压氢气出口管路、27—氢反应床、28—右活塞、29—右液压缸进液口、30—氢气压缩单元、31—气缸、32—活塞、33—左推杆、34—氢气进口、35—氢气出口、36—氢气循环管路、37—三通阀、38—氢气循环泵、39—右液压缸出液口、40—左液压缸进液口、41—净化器。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明活塞氢能做功系统如图1所示，包括氢反应床单元1、氢气压缩单元30、氢气膨胀机3、发电机4、蓄电池5和外部电网。氢气膨胀机3与发电机4轴连接，发电机电路连接到蓄电池和外部电网，发电机发的电一部分储存在蓄电池5，一部分并入电网外供。

氢反应床单元1设有3台氢反应床27和换热中心。氢反应床27设有负压氢气入口9、负压氢气出口19、换热氢气入出口10和换热氢气出入口20。换热中心包括高负压循环部分11和低负压循环部分12，高负压循环部分与低负压循环部分通过换热盘管25间壁换热。换热氢气出入口20通过氢气循环管路36经三通阀37分为两路，三通阀37一路出口连接到换热中心的高负压循环部分11，一路连接到低负压循环部分12。高负压循环部分11和低负压循环部分12经三通阀37和氢气循环管路36连接到换热氢气入出口10，氢气循环管路36设有氢气循环泵38。为保证氢反应床27温度均匀，换热氢气入出口10和换热氢气出入口20不定期进行切换，即一段时间内循环氢气经换热氢气入出口10进入，另一段时间内循环氢气改经换热氢气出入口20进入。

氢气压缩单元30包括左液压缸6、右液压缸7、气缸31、活塞32、左推杆33和右推杆14、液压泵进口阀8、液压站出口阀13、液压泵15和液压站16。气缸31左右两侧均设有氢气入口34和氢气出口35，气缸内安装活塞32，活塞32可在气缸内自由移动，气缸右侧设置右推杆14，气缸左侧设置左推杆33。左液压缸6设有左活塞23、左液压缸进液口40和左液压缸出液口24。右液压缸7设有右活塞28、右液压缸进液口29和右液压缸出液口39。左推杆33一头与左活塞23连接，另一头与气缸内的活塞间断性接触。右推杆14一头与右活塞28连接，另一头与气缸内的活塞间断性接触。液压站16分别通过液压站出口阀13与左液压缸进液口40和右液压缸进液口29管路连接，左液压缸出液口24和右液压缸出液口39分别通过液压泵进口阀8连接到液压泵15，液压泵15出口连接到液压站16。

氢反应床单元1各氢反应床的负压氢气出口19通过负压氢气出口管路26连接气缸31两头的氢气入口34，气缸31两头的氢气出口35通过氢气进口管路21连接到氢气膨胀机3的入口，氢气膨胀机3的出口通过负压氢气入口管路22连接氢反应床单元1各氢反应床的负压氢气入口9。负压氢气出口管路26、氢气进口管路21和负压氢气入口管路22均设有阀门18。

氢反应床单元1的工作过程为：三台氢反应床交替进行吸氢/放氢操作，保证任何时间均有两台氢反应床进行吸氢，一台氢反应床进行放氢。氢反应床在低负压（例如0.05MPa）下进行吸氢，并在同样温度及高负压（例如0.04MPa）下进行放氢。氢反应床吸氢时会放热，放氢时则会吸热。氢反应床设有循环换热管线，可通过三通阀在放氢吸热时切换连通到换热中心的高负压循环部分，在吸氢放热时切换连通到换热中心的低负压循环部分；换热中心的高负压循环部分内的循环换热氢气与换热中心的低负压循环部分内的循环换热氢气通过换热盘管进行间壁换热，从而实现了将两台氢反应床吸氢时放出的反应热提供给另一台氢反应床在高负压条件下放氢时使用。氢反应床单元1吸氢时形成负压，从而实现了常压氢气在氢气膨胀机3内的膨胀做功；氢反应床单元1吸收的氢气在更高负压下放出，进入到氢气压缩单元30中的气缸31。

本实施例氢气压缩单元30的活塞32上设有左推杆33和右推杆14，氢气压缩单元30的工作过程如图2所示，当活塞32到达最右边时，高负压氢气（0.04MPa）从氢气进口34进入气缸31的进气过程完毕，在高负压氢气进入气缸31的过程中，保持左侧氢气进口34上的阀门18打开，同时保持左侧氢气出口35上的阀门18关闭，此时把左推杆33拉出脱开活塞。

下一步，如图3所示，开启液压站出口阀13，在大气压的作用下液压油自动进入右液压缸7中，在液压油的作用下右活塞28通过推杆14推动活塞32向左移动，压缩气缸左侧内的氢气到常压并从氢气出口35排出进入到氢气膨胀机，而且随着氢气排出，活塞32在推杆14的作用下不断左移，以使氢气出口压力稳定，在常压氢气排出气缸31的过程中，保持左侧氢气进口34上的阀门18关闭，同时保持左侧氢气出口35上的阀门18打开，同时通过氢气进口34高负压氢气进入活塞右侧的气缸31内，保持右侧氢气进口34上的阀门18打开，同时保持右侧氢气出口35上的阀门18关闭。

下一步，如图4所示，左侧氢气排出后关闭左侧氢气出口阀门，高负压氢气（0.04MPa）从右侧氢气进口34进入气缸31过程完成，此时开启液压泵15及液压泵进口阀8，液压油通过右液压缸出液口39抽入液压站16，右活塞28被液压油抽吸向右移动拉动右推杆14脱开活塞。

下一步，如图5所示，开启液压站出口阀13，在大气压的作用下液压油自动进入左液压缸6中，在液压油的作用下左活塞28通过右推杆14推动活塞32向右移动，压缩气缸31内活塞右侧的氢气到常压并从氢气出口35排出进入到氢气膨胀机，而且随着氢气排出，活塞32在外部大气压的作用下不断右移，以使氢气出口压力稳定，在常压氢气排出气缸31的过程中，保持右侧氢气进口34上的阀门18关闭，同时保持右侧氢气出口35上的阀门18打开，同时通过氢气进口34高负压氢气进入活塞左侧的气缸31内，保持左侧氢气进口34上的阀门18打开，同时保持左侧氢气出口35上的阀门18关闭。

重复以上的循环操作，由于液压泵的进出口压力均为常压，液压泵主要用来液压油流体输送，其作用功耗较小。

多个氢气压缩单元30如此往复交替循环，以使氢气压缩单元进出氢气连续稳定，从而利用了大气压力对氢反应床单元1放出的高负压氢气进行压缩。同时为了保证氢气出口流量稳定，氢气压缩单元30设置三台并联，使输出氢气流量稳定、压力稳定。

本实施例的工作过程为：以低海拔大气条件举例说明，0.1MPa，84℃，流量0.15kg/s的常压氢气进入氢气膨胀机3内膨胀做功，输出功率100kW；膨胀机出口0.05MPa，20℃的氢气进入氢反应床单元1进行吸氢过程，吸氢后的金属储氢材料在20℃、0.04MPa下进行放氢，吸氢放出的反应热供给放氢时使用；20℃、0.04MPa的氢气进入氢气压缩单元后，利用大气压力压缩至0.1MPa，84℃后送到氢气膨胀机3使用。以上金属储氢材料采用稀土类金属氢化物。

允许金属氢化物和/或包括但不限于氢气的循环介质中增加固体、液体、气体物质，起催化剂作用，从而稳定地增加吸放氢速度，或提高金属氢化物吸氢的百分比或金属氢化物放氢的百分比，或改变金属氢化物的P-C-T曲线。金属氢化物的P-C-T曲线是测量在一定温度下，金属储氢材料的储氢量与其平衡压力关系的曲线；即在等温条件下，金属储氢材料与氢气的平衡相图。平衡压力对数值作纵坐标，吸放氢量作横坐标。

氢反应床单元1可以被起到类似功能的稳压-减压阀所代替。

氢反应床单元1的换热氢气入出口和换热氢气出入口的循环介质采用氢气直接进入氢反应床，当吸氢时由循环介质氢气直接将吸氢放热带出氢反应床，当放氢时由循环介质氢气直接将放氢需要的热量带入氢反应床。

氢气进口管路21和负压氢气入口管路22设置净化器41，防止润滑剂等残留物外泄，不允许有任何的润滑剂泄露到系统外，外扩散的润滑剂在系统内进行收集处理。

Claims (8)

1.一种活塞氢能做功系统，包括氢反应床单元（1）、至少一套氢气压缩单元（30）、氢气膨胀机（3）、发电机（4）、蓄电池（5）和外部电网，氢气膨胀机（3）与发电机（4）轴连接，所述发电机电路连接到蓄电池和外部电网；其特征是：所述氢气压缩单元（30）设有气缸（31）、液压站（16）、液压泵（15）、左液压缸（6）和右液压缸（7）；所述气缸（31）内设有活塞（32），气缸的两头均设有氢气进口（34）和氢气出口（35）；所述左液压缸（6）设有左活塞（23）、左液压缸进液口（40）和左液压缸出液口（24）,所述右液压缸（7）设有右活塞（28）、右液压缸进液口（29）和右液压缸出液口（39）；所述气缸设有左推杆（33）和右推杆（14），所述左推杆（33）一头与左活塞（23）连接，另一头与气缸内的活塞间断性接触；所述右推杆（14）一头与右活塞（28）连接，另一头与气缸内的活塞间断性接触；所述氢反应床单元（1）通过负压氢气出口管路（26）连接到气缸两头的氢气进口（34）；所述气缸两头的氢气出口（35）通过氢气进口管路（21）连接到氢气膨胀机（3）的入口，所述膨胀机（3）出口通过负压氢气入口管路（22）连接到氢反应床单元（1）；所述液压站（16）分别通过液压站出口阀（13）与左液压缸进液口（40）和右液压缸进液口（29）管路连接，所述左液压缸出液口（24）和右液压缸出液口（39）分别通过液压泵进口阀（8）连接到液压泵（15），所述液压泵（15）出口连接到液压站（16）。

2.根据权利要求1所述的活塞氢能做功系统，其特征是：所述氢反应床单元（1）设有换热中心和至少两台氢反应床（27），所述换热中心包括高负压循环部分（11）和低负压循环部分（12），所述高负压循环部分和低负压循环部分通过换热盘管（25）进行间壁换热；所述氢反应床（27）设有负压氢气入口（9）、负压氢气出口（19）、换热氢气入出口（10）和换热氢气出入口（20），换热氢气出入口（20）通过氢气循环管路（36）经三通阀（37）分为两路，一路出口连接到换热中心的高负压循环部分（11），一路连接到低负压循环部分（12）；高负压循环部分（11）和低负压循环部分（12）经三通阀（37）和氢气循环管路（36）连接到换热氢气入出口（10），氢气循环管路（36）设有氢气循环泵（38）；所述氢反应床（27）的负压氢气出口（19）通过负压氢气出口管路（26）连接到氢气压缩单元（30）气缸两头的氢气进口（34）；所述氢反应床（27）的负压氢气入口（9）通过负压氢气入口管路（22）连接到氢气膨胀机的出口。

3.根据权利要求2所述的活塞氢能做功系统，其特征是：所述氢反应床内装载金属储氢材料，所述金属储氢材料包括但不限于稀土系金属氢化物；氢气由氢气入口进入氢反应床，氢气被储氢材料吸收形成金属氢化物，对完成吸氢后的金属氢化物加热放出氢气；所述氢反应床为至少一级结构，或者为阶梯利用热量的多级结构，每级氢反应床中的每个氢反应床内的金属氢化物的品种、质量或体积相同或不同，每级氢反应床的吸放氢气的温度和压力相同或者不同。

4.根据权利要求1所述的活塞氢能做功系统，其特征是：所述氢气压缩单元替换为通过采用包括但不限于气力、液力、电磁的方法或它们的组合，从而使能够可靠的实现等压压缩的任何方法都适用。

5.根据权利要求3所述的活塞氢能做功系统，其特征是：在金属氢化物中增加固体、液体或气体物质，起催化剂作用，从而稳定地增加吸放氢速度，或提高金属氢化物吸氢的百分比或金属氢化物放氢的百分比，或改变金属氢化物的P-C-T曲线。

6.根据权利要求2所述的活塞氢能做功系统，其特征是：所述氢反应床单元被具有稳定压力功能的阀门和/或储气罐系统所代替。

7.根据权利要求1所述的活塞氢能做功系统，其特征是：所述气缸（31）内活塞的面积、推杆的面积和所述左液压缸（6）、右液压缸（7）内活塞的面积、推杆的面积根据做功的要求任意调节。

8.根据权利要求1所述的活塞氢能做功系统，其特征是：在所述氢气进口管路（21）和负压氢气入口管路（22）中设置净化器（41）。

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