CN110600764A - 一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机及其发电供热方法 - Google Patents

一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机及其发电供热方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机，包括通过管道首尾相连通的集热器、磁流体发电机、氢氧燃料电池、内热交换器以及水泵；其中，集热器用于吸收太阳能，在高温以及催化剂条件下对集热器中的水进行电离，产生H+以及OH‑；磁流体发电机利用对流经其内的H+以及OH‑产生电能，并同时产生氢气和氧气；氢氧燃料电池利用接收磁流体发电机产生的氢气和氧气在其内部发生化学反应产生电能，并同时产生再生水；热回收模块用于与再生水进行热交换并利用余热进行发电，由热回收模块冷却的再生水经水泵泵送至集热器。本发明解决了传统太阳能发电系统功能单一、部件生产过程环境污染较大、太阳能利用效率较低的问题。

Description

一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机及其发电供热 方法
技术领域
本发明涉及发电供热技术领域，更具体地，涉及一种一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机及其发电供热方法。
背景技术
随着社会的进步与发展，人类对能源的需求与日剧增，同时环境保护意识逐步深入人心。当前新型能源中的太阳能虽然能解决一些能源问题，但是在太阳能发展过程中仍存在以下问题：比如太阳能发电系统功能单一，部件生产过程环境污染较大，太阳能利用效率低的问题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机，其特征在于：包括通过管道首尾相连通的集热器、磁流体发电机、氢氧燃料电池、内热交换器以及水泵；其中，所述集热器用于吸收太阳能，在高温以及催化剂条件下对所述集热器中的水进行电离，产生H+以及OH-；所述磁流体发电机利用对流经其内的H+以及OH-产生电能，并同时产生氢气和氧气；所述氢氧燃料电池利用接收磁流体发电机产生的氢气和氧气在其内部发生化学反应产生电能，并同时产生再生水；所述热回收模块用于与再生水进行热交换并利用余热进行发电，由热回收模块冷却的再生水经水泵泵送至集热器。
本技术方案中，采用阳光照射集热器的方式，使集热器中的水升温并电离，离子经过多流道的磁流体发电机并产生电能、氢气和氧气，气体进入氢氧燃料电池反应并产生电能，通过水的热循环将水的热量集中并经热回收装置，实现热能的进一步转化，从而得到更高的发电效率和更高集成度的供电供热一体化。并通过采用系统化设计控制，从而实现较低成本的生产、较高的扩展性和可维护性。本技术方案节约、清洁、高效利用太阳能，解决了传统太阳能发电系统功能单一、部件生产过程环境污染较大、太阳能利用效率较低的问题。
优选地，所述磁流体发电机包括相对设置的负电极、正电极以及环绕设置在所述负电极与正电极外侧的环形磁铁；所述负电极与所述正电极形成一用于H+、OH-以及水流经的通道，所述通道具有进口端与出口端；所述进口端通过管道与所述集热器相连通，所述出口端通过管道与所述氢氧燃料电池相连通。
优选地，所述进口端呈敞口状,所述通道中沿进口端与出口端方向设置有隔板,所述隔板分别将所述进口端与所述出口端隔成两组并形成第一出口端以及第二出口端。需要说明的是，第一出口端用于在负电极产生的氧气以及从通道中流出的水排出，第二出口端用于在正电极产生的氢气以及从通道中流出的水排出。
优选地，所述氢氧燃料电池中的负极侧设置有用于氢气进入的第一入口，所述氢氧燃料电池的正极侧设置有用于水及氧气进入的第二入口，所述氢氧燃料电池的正极侧设置有用于再生水流出的第一出口，所述第一出口通过管道与热回收模块相连通。
优选地，所述热回收模块包括内热交换器、依次覆盖于内热交换器的半导体温差发电装置以及外热交换器。
优选地，所述外热交换器上设置有第三入口以及第二出口，所述第三入口用于外界水进入至外热交换器中，所述第二出口用于流经外热交换器中的外界水通过管道流出。
优选地，所述第一出口通过管道连接有水箱，所述水箱通过管道与所述内热交换器相连通，所述内热交换器通过管道与水泵相连通。
优选地，所述磁流体发电机设置有若干个，若干个所述磁流体发电机的通道依次相互连接。
本发明还提供一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机的发电供热方法，包括以下步骤：
S1：水先流经集热器，集热器中的水在高温及催化剂的作用下高效率电离，产生H+以及OH-；
S2：上述H+、OH-以及水从磁流体发电机的进口端进入到通道中，在磁流体发电机的作用下产生电能，同时产生氢气与氧气；
S3：上述氢气从氢氧燃料电池的负极的第一入口中进入到氢氧燃料电池中，上述氧气从氢氧燃料电池的正极的第二入口中进入到氢氧燃料电池中，并在氢氧燃料电池的内部发生化学反应，氢氧燃料电池将反应的化学能转化为电能并同时产生再生水，再生水通过第一出口以及管道回流至水箱；
S3：水箱中的水通过内热交换器放热后，由水泵泵送至集热器中，以此形成闭式循环。
优选地，在所述步骤S3中，外热交换器为热回收部件，其与内热交换器一同维持半导体温差发电装置的温差，并通过来自系统的热量加热进入至外热交换器中的外界水。
与现有技术相比，有益效果是：
由于磁流体发电机、氢氧燃料电池、半导体温差发电装置产生的电能完全由太阳能转化而来，能量来源清洁，绿色环保且永不枯竭。水在系统中即可完成分子——离子——分子的物质变化，安全可靠，多种能量利用手段结合，能量利用效率更高，系统除自身正常损耗外不耗水，节约水资源。对比目前的高温等离子体，水离子体温度较低，磁流体发电机工作温度较低，有助于提高使用寿命，降低系统成本。并且若使用非聚光式集热器，则相对体积小、可利用太阳光散射光照、低温使用性能优异，安装便利、适应性强。
附图说明
图1是本发明一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机的结构示意图；
图2是本发明中热回收模块的结构示意图；
图3是本发明中氢氧燃料电池的结构示意图；
图4是本发明中磁流体发电机的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例1
如图1至图4所示，一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机，包括通过管道首尾相连通的集热器1、磁流体发电机2、氢氧燃料电池3、水箱6、热回收模块4以及水泵5；其中，集热器1用于吸收太阳能，在高温以及催化剂条件下对集热器1中的水进行电离，产生H+以及OH-；磁流体发电机2利用对流经其内的H+以及OH-产生电能，并同时产生氢气和氧气；氢氧燃料电池3利用接收磁流体发电机2产生的氢气和氧气在其内部发生化学反应产生电能，并同时产生再生水；热回收模块4用于与再生水进行热交换并利用余热进行发电，由热回收模块4冷却的再生水经水泵5泵送至集热器1。
在本实施例中，水先流经集热器1，集热器1中的水在热量及催化剂的作用下以较高的效率电离，产生H+、OH-。离子通过磁流体发电机2的作用下产生电能，并有产生副产品氢气和氧气。氢气与氧气进入氢氧燃料电池3，发生反应。氢氧燃料电池3将反应的化学能转化为电能并产生水，实现水的再生。再生水通过管道回流至水箱6，水箱6中的水在经过热回收模块放热后，由水泵10泵送至集热器1，形成闭式循环。
其中，热回收模块4包括内热交换器41、依次外覆盖于内热交换器41上的半导体温差发电装置42及外热交换器43，形成内热交换器41——半导体温差发电装置42——外热交换器43夹层结构。外界水由外交换器43的第三入口流入，从外热交换器43的第二出口流出。
另外，水箱6与内热交换器41、热交换器41与水泵5、水泵5与集热器1、集热器1与磁流体发电机2、磁流体发电机2与氢氧燃料电池3、氢氧燃料电池3与蓄水箱6之间均通过管道连接。内热交换器41外应为半导体温差发电装置42，半导体温差发电装置42一侧与内热交换器41接触吸热，另一侧与外热交换器43接触，维持系统温度并保持半导体温差发电装置42两侧温差，同时生产热水。
其中，纯水通过水箱6上的注水装置进入系统，并储存于水箱6；蓄水箱6确保系统中有充足的水作为工质循环及作为离子生产原料；由水箱6、内热交换器41与水泵5与各连接管组成水循环模块。太阳光照射后，集热器1内水温上升、密度变小并电离产生H+、OH-，内热交换器41内水密度较大，形成了集热器1——磁流体发电机2——氢氧燃料电池3——水箱(6)——内热交换器41——水泵5——集热器1的水循环，其中的H+、OH-离子定向运动，水泵5可强制系统内循环，将离子运送至磁流体发电机2，在较为恶劣的工况下提高系统的工作效能。
磁流体发电机2包括相对设置的负电极21、正电极22以及环绕设置在负电极21与正电极22外侧的环形磁铁25；负电极21与正电极22形成一用于H+、OH-以及水流经的通道23，通道23具有进口端24与出口端25；进口端24通过管道与集热器1相连通，出口端25通过管道与氢氧燃料电池3相连通。进口端24呈敞口状,通道23中沿进口端24与出口端25方向设置有隔板25,隔板25分别将进口端24与出口端25隔成两组并形成第一出口端251以及第二出口端252。磁流体发电机2的阳极和阴极分别产生氧气与氢气，其中阳极反应为：4OH--4e-→2H2O+O2↑；阴极反应为：4H++4e-→2H2↑；气体随管道进入氢氧燃料电池3，反应方程式为：2H2+O2→2H2O，理论上反应重新产生等量水并同时产生电能。为提高发电效率，集热器1、磁流体发电机2与氢氧燃料电池3应有多组有效单元，即集热器1应有多组真空管，磁流体发电机2应有多组流道，氢氧燃料电池3应采用电池组形式等。同时集热器1应为非聚光式，使其相对体积小、可利用太阳光散射光照、低温使用性能优异，安装便利、适应性强。需要说明的是，在负电极21产生的氧气以及从通道23中流出的水从第一出口端251排出，在正电极22产生的氢气以及从通道23中流出的水从第二出口端252排出。需要说明的是，磁流体发电机2设置有若干个，若干个磁流体发电机2的通道23依次相互连接，使用多个磁流体发电机2可以提高发电效率，而本实施例中采用一组磁流体发电机2是为了节约成本。
另外，磁流体发电机2与氢氧燃料电池3共同组成了系统的离子发电模块。热回收模块通过内热交换器41与外热交换器43换热，系统可将内部热量转移，实现余热利用。余热首先用于半导体温差发电装置42发电，并通过外界水带走热量，稳定系统温度并保持半导体温差发电装置42两端温差。半导体温差发电装置42基本发电单元为单个PN节；由塞贝克效应可知，PN节所使用的材料可将温度势差转化为电势差，每个半导体温差发电装置42由数十至数百PN节组成。外热交换器43中的外界水吸收热量，用途包括但不限于生活热水。系统整体能量利用效率进一步提高。
实施例2
一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机的发电供热方法，包括以下步骤：
S1：水先流经集热器1，集热器1中的水在高温及催化剂的作用下高效率电离，产生H+以及OH-；
S2：上述H+、OH-以及水从磁流体发电机2的进口端进入到通道中，在磁流体发电机2的作用下产生电能，同时产生氢气与氧气；
S3：上述氢气从氢氧燃料电池3的负极31的第一入口33中进入到氢氧燃料电池3中，上述氧气从氢氧燃料电池3的正极32的第二入口34中进入到氢氧燃料电池3中，并在氢氧燃料电池3的内部发生化学反应，氢氧燃料电池3将反应的化学能转化为电能并同时产生再生水，再生水通过位于正极32侧的第一出口35以及管道回流至水箱6；
S3：水箱6中的水通过内热交换器41放热后，由水泵5泵送至集热器1中，以此形成闭式循环。
在所述步骤S3中，外热交换器43为热回收部件，其与内热交换器41一同维持半导体温差发电装置42的温差，并通过来自系统的热量加热进入至外热交换器43中的外界水。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机，其特征在于：包括通过管道首尾相连通的集热器(1)、磁流体发电机(2)、氢氧燃料电池(3)、热回收模块(4)以及水泵(5)；
其中，所述集热器(1)用于吸收太阳能，在高温以及催化剂条件下对所述集热器(1)中的水进行电离，产生H+以及OH-；
所述磁流体发电机(2)利用对流经其内的H+以及OH-产生电能，并同时产生氢气和氧气；
所述氢氧燃料电池(3)利用接收磁流体发电机(2)产生的氢气和氧气在其内部发生化学反应产生电能，并同时产生再生水；
所述热回收模块(4)用于与再生水进行热交换并利用余热进行发电，由热回收模块(4)冷却的再生水经水泵(5)泵送至集热器(1)。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机，其特征在于：所述磁流体发电机(2)包括相对设置的负电极(21)、正电极(22)以及环绕设置在所述负电极(21)与正电极(22)外侧的环形磁铁(26)；所述负电极(21)与所述正电极(22)形成一用于H+、OH-以及水流经的通道(23)，所述通道(23)具有进口端(24)与出口端(25)；所述进口端(24)通过管道与所述集热器(1)相连通，所述出口端(25)通过管道与所述氢氧燃料电池(3)相连通。
3.根据权利要求2所述的一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机，其特征在于：所述进口端(24)呈敞口状,所述通道(23)中沿进口端(24)与出口端(25)方向设置有隔板(27),所述隔板(27)分别将所述进口端(24)与所述出口端(25)隔成两组并形成第一出口端(251)以及第二出口端(252)。
4.根据权利要求3所述的一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机，其特征在于：所述氢氧燃料电池(3)中的负极(31)侧设置有用于氢气进入的第一入口(33)，所述氢氧燃料电池(3)的正极(32)侧设置有用于水及氧气进入的第二入口(34)，所述氢氧燃料电池(3)的正极(32)侧设置有用于再生水流出的第一出口(35)，所述第一出口(35)通过管道与热回收模块(4)相连通。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机，其特征在于：所述热回收模块(4)包括内热交换器(41)、依次覆盖于内热交换器(41)的半导体温差发电装置(42)以及外热交换器(43)。
6.根据权利要求5所述的一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机，其特征在于：所述外热交换器(43)上设置有第三入口(431)以及第二出口(432)，所述第三入口(431)用于外界水进入至外热交换器(43)中，所述第二出口(432)用于流经外热交换器(43)中的外界水通过管道流出。
7.根据权利要求4所述的一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机，其特征在于：所述第一出口(35)通过管道连接有水箱(6)，所述水箱(6)通过管道与所述内热交换器(41)相连通，所述内热交换器(41)通过管道与水泵(5)相连通。
8.根据权利要求2所述的一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机，其特征在于：所述磁流体发电机(2)设置有若干个，若干个所述磁流体发电机(2)的通道(23)依次相互连接。
9.一种太阳能水热循环式磁流体发电供热一体机的发电供热方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：水先流经集热器(1)，集热器(1)中的水在高温及催化剂的作用下高效率电离，产生H+以及OH-；
S2：上述H+、OH-以及水从磁流体发电机(2)的进口端(24)进入到通道(23)中，在磁流体发电机(2)的作用下产生电能，同时产生氢气与氧气；
S3：上述氢气从氢氧燃料电池(3)的负极(31)侧的第一入口(33)中进入到氢氧燃料电池中，上述氧气从氢氧燃料电池(3)的正极(32)侧的第二入口(34)中进入到氢氧燃料电池(3)中，并在氢氧燃料电池(3)的内部发生化学反应，氢氧燃料电池(3)将反应的化学能转化为电能并同时产生再生水，再生水通过第一出口(35)以及管道回流至水箱(6)；
S3：水箱(6)中的水通过内热交换器(41)放热后，由水泵(5)泵送至集热器(1)中，以此形成闭式循环。
10.据权利要求8所述的一种太阳能水热循环式磁流体发电供热方法，其特征在于，在所述步骤S3中，外热交换器(43)为热回收部件，其与内热交换器(41)一同维持半导体温差发电装置(42)的温差，并通过来自系统的热量加热进入至外热交换器(43)中的外界水。
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