CN112283058A - 一种形状记忆合金热发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种形状记忆合金热机装置，包括有上下相对的主动轮及传动轮，所述主动轮及传动轮上缠绕有形状记忆合金丝，所述传动轮的下部外设有水浴。本发明进一步提供一种形状记忆合金热发电系统及其使用方法。本发明提供的一种形状记忆合金热发电系统，利用形状记忆合金的可逆马氏体相变，采用温差作为发电能量供应，具有结构简单，能量转化效率高的优点，可对工业废热进行再利用，也有助于节能减排。
Description
技术领域
本发明属于热机及发电机的技术领域，涉及一种形状记忆合金热发电系统，具体涉及一种利用形状记忆合金将热能转换为动能和电能的系统。
背景技术
汽车发动机，工业炉，空调等设备在使用过程中会产生大量废热，废热在我国工业用能中占比近60-65％。废热利用有多种途径和多种方法，但最重要、最有意义的还是发电，但因废热发电特别是低温余热发电的技术相对落后，制约着它的进一步发展。
形状记忆合金能够将废热转化为动能。形状记忆合金在温度低于马氏体转变结束温度时，合金易于拉伸、弯曲等变形；当温度升高到奥氏体转变开始温度以上时，形状记忆合金的马氏体相会转变成奥氏体相，同时合金之前的拉伸、弯曲等变形会回复，并记住初始的热定形形状，且形状记忆合金的马氏体转变是可逆过程。利用形状记忆合金可逆的马氏体相变，可以将形状记忆合金作为执行器件，利用发动机尾喷管、工业炉等设备不同区域的温度差，将热能转变为动能。相比于其他执行材料，形状记忆合金作为执行器件使用时，具有结构简单，能量转化率高的优点。而且目前综合性能最为优异的钛镍形状记忆合金，其相变温度可以从80摄氏度到液氮温度这一广泛的范围内进行调节，因而在低温余热利用领域具有极大的优势。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种形状记忆合金热发电系统，用于解决现有技术中低温余热利用效率低、热机结构复杂的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种形状记忆合金热机装置，包括有上下相对的传动轮及主动轮，所述传动轮及主动轮上缠绕有形状记忆合金丝，所述主动轮的下部外设有废液池。
优选地，所述传动轮的半径大于所述主动轮的半径。
优选地，所述传动轮转动经形状记忆合金丝传动，从而带动主动轮转动。
优选地，所述传动轮及主动轮的外圈设有凹槽。
更优选地，所述凹槽的形状选自U型或V型中的一种。
优选地，所述传动轮及主动轮的材质选自铝合金或者铜合金中的一种。
所述传动轮位于上方，所述主动轮位于传动轮的相对下方。
优选地，所述形状记忆合金丝的材质选自钛镍合金(TiNi)、钛镍锆合金(TiNiZr)、钛镍铪合金(TiNiHf)、钛镍铁合金(TiNiFe)、钛镍铜合金(TiNiCu)、钛镍铜铝合金(TiNiCuAl)、铜铝锰合金(CuAlMn)、铜铝镍合金(CuAlNi)、铜锌铝合金(CuZnAl)、铁镍钴钛合金(FeNiCoTi)、铁镍钴铝合金(FeNiCoAl)、铁锰硅合金(FeMnSi)中一种。
更优选地，所述形状记忆合金丝的材质为钛镍合金(TiNi)。
进一步优选地，所述钛镍合金，按质量百分比计，包括以下组分：
钛 44％；
镍 56％。
优选地，所述形状记忆合金丝通过拉拔制成形状记忆合金丝材。
更优选地，所述形状记忆合金丝材的直径为0.1-1mm。
更优选地，所述形状记忆合金丝材的马氏体转变起始温度(Ms)高于室温。进一步优选地，所述形状记忆合金丝材的马氏体转变起始温度(Ms)为80℃。
优选地，所述废液池中废液温度≥50℃。
优选地，所述主动轮下部浸入废液池的体积占主动轮的体积≤1/2。
更优选地，所述主动轮下部浸入废液池的体积占主动轮的体积的1/4～1/3。
本发明第二方面提供一种形状记忆合金热发电系统，包括有以下部件：
上述热机装置；
发电机，所述发电机外设有轴杆，所述轴杆的一端与所述发电机相连接，所述轴杆的另一端与所述热机装置的传动轮轴心相连接，用于将轴杆传递热机装置的轮体转动所获得的动能发送至发电机，再由发电机将动能转化为电能输出；
用电器，所述用电器与所述发电机相连接，用于接受发电机供电。
优选地，所述发电机为常规使用的将动能转化为电能的发电机。
优选地，所述用电器为常规使用的在电路中消耗电能的装置。
优选地，所述形状记忆合金热发电系统还包括有以下部件：
测速传感器，所述测速传感器设于所述热机装置的主动轮外，用于测定热机装置的轮体转动的转速；
测温传感器，所述测温传感器设于所述热机装置的废液池中，用于测定废液池中的水温；
监测器，所述监测器包括有控制器和显示屏，所述控制器分别与发电机、测速传感器、测温传感器、显示屏相连接，用于接收发电机发送的电流强弱信号，接收测速传感器测定的热机装置的轮体转速信号，接收测温传感器测定废液池中的水温信号，并由显示屏显示。
更优选地，所述测速传感器为常规使用的测量被测物运行速度的传感器。
更优选地，所述测温传感器为能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。
更优选地，所述监测器中的控制器为常规使用的控制器。本领域技术人员均了解，所述控制器的计算比较、判断、输出指令过程、均可以利用现有技术中的集成电路模块、可编程逻辑器件、其它硬件或安装相应的软件模块来实现。
更优选地，所述显示屏为常规使用的液晶显示屏。
优选地，所述形状记忆合金热发电系统还包括有支撑架和基座，所述支撑架的下部固定在基座上，所述支撑架的上部与轴杆相连接用于支撑固定轴杆。
更优选地，所述基座上还固定有废液池、用电器，所述用电器顶部设置发电机。
本发明第三方面提供一种形状记忆合金热发电系统的使用方法，包括如下步骤：
1)将主动轮的下部浸入废液池中，通过废液池中废液温度给缠绕在主动轮上的形状记忆合金丝提供热能，使其达到紧绷状态，从而使主动轮转动并带动传动轮转动以产生动能；
2)再将动能经轴杆传递至发电机，由发电机转化为电能，为用电器供电；
3)通过监测器中的控制器接收发电机发送的电流数值信号，接收测速传感器测定的热机装置的轮体转速信号，接收测温传感器测定废液池中的水温信号，并通过监测器中的显示屏显示。
步骤1)中，所述缠绕在主动轮上的形状记忆合金丝达到紧绷状态从而使主动轮转动，是指缠绕在主动轮上的形状记忆合金丝通过废液池中加热废液受热后达到紧绷状态，产生一个力矩实现使主动轮转动。
优选地，步骤1)中，所述废液池中废液温度≥50℃。
优选地，步骤1)中，所述主动轮转动速度为30-300r/min。
优选地，步骤2)中，所述发电机产生的峰值电压为2-8V。
优选地，步骤2)中，所述发电机产生的电流为3-8mA。
如上所述，本发明提供的一种形状记忆合金热发电系统，包含有热机装置，通过将主动轮置于马氏体转变开始温度以下的环境，同时将传动轮部分及绕于其上的形状记忆合金丝置于奥氏体转变开始温度以上的环境(如热水或热风中)，实现形状记忆合金在不同温度下可逆的马氏体相变将温度差转化为传动轮的动能。同时，形状记忆合金丝还起到传动的作用，能够通过传动轮转动带动主动轮转动，在不同温度下可逆的马氏体相变将温度差转化为动能。本发明进一步将主动轮与发电机连接，使传动轮的动能转化为电能。
本发明提供的一种形状记忆合金热发电系统，利用形状记忆合金的可逆马氏体相变，采用温差作为发电能量供应，具有结构简单，能量转化效率高的优点，可对工业废热进行再利用，也有助于节能减排。
本发明提供的一种形状记忆合金热发电系统，为了实现形状记忆合金热机转动并带动发电机发电的目的，在实际使用过程中，将绕有形状记忆合金丝的主动轮部分置于温度高于记忆合金奥氏体转变开始温度的环境中，例如热水或者发动机的高温尾气中，热机的其他部分置于温度低于马氏体转变开始温度的环境中，由于形状记忆合金浸于热水或者热气流中的部分会转变成奥氏体，长度收缩，从而驱动主动轮旋转，同时也带动形状记忆合金丝本身运动，当形状记忆合金丝运动到温度低于马氏体转变起始温度以下的环境中，形状记忆合金丝转变成马氏体状态，丝材变软，长度伸长。通过形状记忆合金在不同温度下可逆的马氏体相变连续地将温度差转化为传动轮的动能，进而带动发电机转动以产生电能。
附图说明
图1显示为本发明中形状记忆合金热发电系统的结构示意图。
图2显示为本发明中形状记忆合金热机装置的结构示意图。
附图标记
1 形状记忆合金丝
2 传动轮
3 主动轮
4 废液池
5 测速传感器
6 用电器
7 监测器
71 控制器
72 显示屏
8 发电机
9 支撑架
10 轴杆
11 测温传感器
12 基座
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本发明第一方面提供一种形状记忆合金热机装置，如图2所示，包括有上下相对的传动轮2及主动轮3，所述传动轮2及主动轮3上缠绕有形状记忆合金丝1，如图1所示，所述主动轮3的下部外设有废液池4。
在本发明提供的实施例中，如图2所示，所述传动轮2的半径大于所述主动轮3的半径。
在本发明提供的实施例中，如图2所示，所述传动轮2转动经形状记忆合金丝1传动，从而带动主动轮3转动。
在本发明提供的实施例中，所述传动轮2及主动轮3的外圈设有凹槽。具体来说，所述凹槽选自U型或V型中的一种。方便套接形状记忆合金丝1。
在本发明提供的实施例中，所述传动轮2及主动轮3的材质为导热性良好的合金。具体来说，所述合金选自铝合金或者铜合金中的一种。
在本发明提供的实施例中，所述传动轮2位于上方，所述主动轮3位于传动轮2的相对下方。所述传动轮2及主动轮3的轮位上下可调。
在本发明提供的实施例中，所述形状记忆合金丝1的材质选自钛镍合金(TiNi)、钛镍锆合金(TiNiZr)、钛镍铪合金(TiNiHf)、钛镍铁合金(TiNiFe)、钛镍铜合金(TiNiCu)、钛镍铜铝合金(TiNiCuAl)、铜铝锰合金(CuAlMn)、铜铝镍合金(CuAlNi)、铜锌铝合金(CuZnAl)、铁镍钴钛合金(FeNiCoTi)、铁镍钴铝合金(FeNiCoAl)、铁锰硅合金(FeMnSi)中一种。
在一个优选的实施例中，所述形状记忆合金丝1的材质为钛镍合金(TiNi)。
具体来说，所述钛镍合金，按质量百分比计，包括以下组分：
钛 44％；
镍 56％。
在本发明提供的实施例中，所述形状记忆合金丝1通过拉拔制成形状记忆合金丝材。
在一个优选的实施例中，所述形状记忆合金丝材的直径为0.1-1mm。
在一个优选的实施例中，所述形状记忆合金丝材的马氏体转变起始温度(Ms)高于室温。
更进一步地，所述形状记忆合金丝材的马氏体转变起始温度(Ms)为80℃。
在本发明提供的实施例中，所述形状记忆合金丝1绕过主动轮3及传动轮2，形成闭环。所述闭环采用焊接形状记忆合金丝1的首尾而成。所述形状记忆合金丝1起到类似于皮带的传动作用。主动轮3与形状记忆合金丝1为未固定状态，在常温下形状记忆合金丝1松弛，可轻松安装或取下，在工作时紧绷有效防止脱落；传动轮2与形状记忆合金丝1锁死防脱落。
在一个优选的实施例中，所述形状记忆合金丝1绕过传动轮2及主动轮3，均采用了减小摩擦的滚珠轴承。
在本发明提供的实施例中，所述废液池4中废液温度≥50℃。所述废液池4中废液为工业产生的常规废液。
在本发明提供的实施例中，所述主动轮3下部浸入废液池4的体积占主动轮3的体积小于1/2。即所述主动轮3下部低于圆心处的部分体积浸没在废液池4中。使得从相变传到动的转化有效进行。
在一个优选的实施例中，所述主动轮3下部浸入废液池4的体积占主动轮3的体积的1/4～1/3。
本发明第二方面提供一种形状记忆合金热发电系统，如图1所示，包括有以下部件：
上述热机装置；
发电机8，所述发电机8外设有轴杆10，所述轴杆10的一端与所述发电机8相连接，所述轴杆10的另一端与所述热机装置的传动轮2轴心相连接，用于将轴杆10传递热机装置的轮体转动所获得的动能发送至发电机8，再由发电机8将动能转化为电能输出；
用电器6，所述用电器6与所述发电机8相连接，用于接受发电机8供电。
在本发明提供的实施例中，所述发电机8为常规使用的将动能转化为电能的发电机。具体来说，所述发电机8包括且不限于柴油发电机、汽油发电机。
在本发明提供的实施例中，所述用电器6为常规使用的在电路中消耗电能的装置。具体来说，所述用电器6包括且不限于电灯，电视、显示器等。所述电灯可以是LED灯，能够将电能转换为照明能源。
在本发明提供的实施例中，如图1所示，所述形状记忆合金热发电系统还包括有以下部件：
测速传感器5，所述测速传感器5设于所述热机装置的主动轮3外，用于测定热机装置的轮体转动的转速；
测温传感器11，所述测温传感器11设于所述热机装置的废液池4中，用于测定废液池4中的水温；
监测器7，所述监测器7包括有控制器71和显示屏72，所述控制器71分别与发电机8、测速传感器5、测温传感器11、显示屏72相连接，用于接收发电机8发送的电流数值信号，接收测速传感器5测定的热机装置的轮体转速信号，接收测温传感器11测定废液池4中的水温信号，并由显示屏72显示。
在一个优选的实施例中，所述测速传感器5为常规使用的测量被测物运行速度的传感器。具体来说，所述测速传感器5为测转速传感器，例如为激光测转速传感器。所述测速传感器5外接有电源。
在一个优选的实施例中，所述测温传感器11为能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。具体来说，所述测温传感器11包括且不限于热电阻测温传感器、热电偶测温传感器。所述测温传感器11外接有电源。
在一个优选的实施例中，所述监测器7中的控制器71为常规使用的控制器。本领域技术人员均了解，所述控制器71的计算比较、判断、输出指令过程、均可以利用现有技术中的集成电路模块、可编程逻辑器件、其它硬件或安装相应的软件模块来实现。所述监测器7外接有电源。
在一个优选的实施例中，所述显示屏72为常规使用的液晶显示屏。所述显示屏72能够显示发电机8的电流数值信息、测速传感器5测定的热机装置的轮体转速信息、测温传感器11测定废液池4中的水温信息。
在本发明提供的实施例中，如图1所示，所述形状记忆合金热发电系统还包括有支撑架9和基座12，所述支撑架9的下部固定在基座12上，所述支撑架9的上部与轴杆10相连接用于支撑固定轴杆10。所述支撑架9能够支撑整个SMA轮的运行。
在一个优选的实施例中，如图1所示，所述基座12上还固定有废液池4、用电器6，所述用电器6顶部设置发电机8。所述基座12用于固定形状记忆合金热发电系统中的各部件。
实施例1
使用者取本发明中的形状记忆合金热发电系统，将热机装置中的主动轮3的下部浸入废液池4中，通过废液池4中废液温度给缠绕在主动轮上的形状记忆合金丝1提供热能，使其达到紧绷状态，从而使主动轮3以150r/min转动并带动传动轮2转动以产生动能。废液池4中废液温度为60℃。
再将动能经轴杆10传递至发电机8，由发电机8转化为电能，如图1所示，为用电器6供电，用电器6为一组LED灯，发电机8产生的峰值电压为6V，发电机8产生的电流保持在3-8mA。
通过监测器7中的控制器71接收发电机8发送的电流数值信号，接收测速传感器5测定的热机装置的轮体转速信号，接收测温传感器11测定废液池4中的水温信号，并通过监测器7中的显示屏72显示。
本发明中形状记忆合金热发电系统运行后，只要废液池4中持续通入废液，就能够保证发电机8为LED灯持续供电，使LED灯长时间点亮，并实现对工业废热进行再利用，有助于节能减排。
综上所述，本发明提供的一种形状记忆合金热发电系统，利用形状记忆合金的可逆马氏体相变，采用温差作为发电能量供应，具有结构简单，能量转化效率高的优点，可对工业废热进行再利用，也有助于节能减排。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种形状记忆合金热机装置，其特征在于，包括有上下相对的传动轮(2)及主动轮(3)，所述传动轮(2)及主动轮(3)上缠绕有形状记忆合金丝(1)，所述主动轮(3)的下部外设有废液池(4)。
2.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金热机装置，其特征在于，所述形状记忆合金丝(1)的材质选自钛镍合金、钛镍锆合金、钛镍铪合金、钛镍铁合金、钛镍铜合金、钛镍铜铝合金、铜铝锰合金、铜铝镍合金、铜锌铝合金、铁镍钴钛合金、铁镍钴铝合金、铁锰硅合金中一种。
3.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金热机装置，其特征在于，所述形状记忆合金丝(1)通过拉拔制成形状记忆合金丝材，所述形状记忆合金丝材的马氏体转变起始温度为80℃。
4.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金热机装置，其特征在于，所述主动轮(3)下部浸入废液池(4)的体积占主动轮(3)的体积≤1/2。
5.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金热机装置，其特征在于，所述废液池(3)中废液温度≥50℃。
6.一种形状记忆合金热发电系统，其特征在于，包括有根据权利要求1-5任一所述的形状记忆合金热机装置，还包括有以下部件：
发电机(8)，所述发电机(8)外设有轴杆(10)，所述轴杆(10)的一端与所述发电机(8)相连接，所述轴杆(10)的另一端与所述热机装置的传动轮(2)轴心相连接，用于将轴杆(10)传递热机装置的轮体转动所获得的动能发送至发电机(8)，再由发电机(8)将动能转化为电能输出；
用电器(6)，所述用电器(6)与所述发电机(8)相连接，用于接受发电机(8)供电。
7.根据权利要求6所述的一种形状记忆合金热发电系统，其特征在于，所述形状记忆合金热发电系统还包括有以下部件：
测速传感器(5)，所述测速传感器(5)设于所述热机装置的主动轮(3)外，用于测定热机装置的轮体转动的转速；
测温传感器(11)，所述测温传感器(11)设于所述热机装置的废液池(4)中，用于测定废液池(4)中的水温；
监测器(7)，所述监测器(7)包括有控制器(71)和显示屏(72)，所述控制器(71)分别与发电机(8)、测速传感器(5)、测温传感器(11)、显示屏(72)相连接，用于接收发电机(8)发送的电流强弱信号，接收测速传感器(5)测定的热机装置的轮体转速信号，接收测温传感器(11)测定废液池(4)中的水温信号，并由显示屏(72)显示。
8.根据权利要求6所述的一种形状记忆合金热发电系统，其特征在于，所述形状记忆合金热发电系统还包括有支撑架(9)和基座(12)，所述支撑架(9)的下部固定在基座(12)上，所述支撑架(9)的上部与轴杆(10)相连接用于支撑固定轴杆(10)。
9.根据权利要求6-8任一所述的一种形状记忆合金热发电系统的使用方法，包括如下步骤：
1)将主动轮的下部浸入废液池中，通过废液池中废液温度给缠绕在主动轮上的形状记忆合金丝提供热能，使其达到紧绷状态，从而使主动轮转动并带动传动轮转动以产生动能；
2)再将动能经轴杆传递至发电机，由发电机转化为电能，为用电器供电；
3)通过监测器中的控制器接收发电机发送的电流数值信号，接收测速传感器测定的热机装置的轮体转速信号，接收测温传感器测定废液池中的水温信号，并通过监测器中的显示屏显示。
10.根据权利要求9所述的一种形状记忆合金热发电系统的使用方法，其特征在于，步骤1)中，所述主动轮转动速度为30-300r/min。
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