CN114857939B - 一种移动能量收割装置 - Google Patents

Abstract

一种移动能量收割装置，包含固体散料收集装置、固体散料输送装置、固体散料存储装置、固体散料换热装置、动力装置、能量转换/存储装置以及移动装置；固体散料收集装置收集固体表面的固体散料；固体散料存储装置用于存储固体散料，其包括进料口、出料口、散料存储仓，固体散料存储装置和固体散料收集装置之间设置有固体散料输送装置；固体散料换热装置包括散料进料口、散料出料口、换热介质入口、换热介质出口、换热器；能量转换/存储装置用于将来自固体散料换热装置获得的热量进行储存、热电转换和/或工业热利用；移动装置驱动能量收割装置运动。通过本装置实现固体表面含热能的固体散料能量回收。

Description

一种移动能量收割装置

本申请要求享有2022年5月18日提交的申请号为202210547761.3，发明名称为“一种移动能量收割装置”的中国专利申请的优先权。

技术领域

本发明涉及一种移动能量收割装置，可用于固体表面含热能的固体散料的能量收集，存储和转化。

背景技术

固体散料是指堆积在一起的大量的块状、粒状、粉状物料，其广泛存在于固体表面，如覆盖整个月球表面的月壤，如约占地球陆地面积20％的沙漠中的沙壤等。这些固体散料在吸收热能后温度可达几十至上百度，在月球表面，固体散料吸收热能后温度可达120多摄氏度。大量的固体散料蕴含了巨大的热能，将这部分能量进行收集并利用具有极大的价值及前景。然而目前针对在固体表面大量固体散料热能的收集利用少之又少，主要原因有几点：(1)由于固体散料的比热容较小，在固体散料广泛存在的地区其昼夜温差较大，给能量收集利用系统的保温工作带来了挑战；(2)目前在固体散料广泛存在的地区主要应用的是光伏发电系统，对固体散料的热能收集利用技术研究较少；(3)现有固体散料热能收集系统为定点布置，对广泛存在的固体散料热能收集效率低，只可针对固定范围内的固体散料开展热能收集工作，不能进行移动收集。因此，开发一种可移动的固体散料热能收集利用系统显得尤为必要。

光伏发电系统是目前在固体散料广泛分布的地区主要应用的能量收集利用系统，其通过单晶硅电池板对太阳能进行收集利用，但其具有以下几点局限性：(1)能量密度较低、占地面积大，需要大面积的单晶硅电池板才可满足能量收集需要，不利于系统的集成化及可移动性；(2)受环境影响较大，细小的固体散料极易附着在电池板表面，这使得光伏发电的效率下降，并且很难清理；(3)对热能收集利用不够充分，针对昼夜温差大运行系统需保温的问题，需经过光能到电能、电能到热能的转换，能量利用效率低，给系统的保温工作带来挑战。而针对固体散料可移动的热能收集利用系统可以很好的避免以上几种局限性，系统的高集成化避免了较大的占地面积，并且可移动的特性可以适用于收集广泛存在的固体散料热能，可移动至固体散料热能多的地方开展工作，方便灵活；系统对热能直接进行收集利用，能量利用效率高且可以很好应对昼夜温差大的系统保温问题，并且受环境条件影响较小。

中国申请专利CN105180471A公开了一种沙漠沙壤热能收集装置，该装置埋藏于沙壤中，依靠换热器与沙壤进行热交换以达到收集热能的目的。该装置对沙壤的热能进行了收集利用，但其采用定点布置的方式，只可针对小面积固定范围内的沙壤进行热能收集，不适合对广泛存在的固体散料进行移动收集利用。沙壤在完成热交换后温度降低，这使装置热交换效率降低，且周围的沙壤无法更新使用，极大的影响了装置的能量收集效率。

中国申请专利CN107974522A公开一种针对高温炉渣的能量收集装置，其利用炉渣的显热产生蒸汽及煤气对高温固体散料的能量进行收集利用。该装置只针对工业生产中产生的高温炉渣进行使用，不适用于其他种类固体散料的热能回收，受用面有限。在实际生产中，产生的各种高温炉渣被转运至装置处才可完成热能的收集利用，该装置只能定点布置，不可移动，不适合对广泛存在的固体散料进行移动收集利用，且转运的过程带来了极大的不便与能量消耗，影响了整体系统效率。

综上所述，开发一种可移动的针对固体散料的热能收集利用系统显得重要和迫切。

发明内容

本发明提供一种移动能量收割装置，通过本装置实现固体表面含热能的固体散料能量回收，收集的热能可用于装置保温、能量转化和为其他外部设备供能。

本发明提供一种移动能量收割装置，主要由固体散料收集装置、固体散料输送装置、固体散料存储装置、固体散料换热装置、动力装置、能量转换/存储装置以及移动装置组成，利用固体散料收集装置收集含热能的固体散料，并将散料存储在固体散料存储装置中，利用固体散料换热装置收割散料中的热能，通过移动装置实现大范围的固体表面固体散料热能回收。

具体的根据本发明提供一种移动能量收割装置，所述固体散料收集装置收集固体表面的固体散料；所述固体散料存储装置用于存储固体散料，其包括进料口、出料口、散料存储仓；固体散料存储装置和固体散料收集装置之间设置有固体散料输送装置；所述固体散料换热装置包括散料进料口、散料出料口、换热介质入口、换热介质出口、换热器；所述能量转换/存储装置用于将来自固体散料换热装置获得的热量进行储存、热电转换和/或工业热利用。

固体散料收集装置设置有升降装置，控制其与固体表面接触，固体散料收集装置设置有铲斗或吸料装置或铲斗、吸料装置的组合。

固体散料存储装置和固体散料换热装置外侧设置有保温层。固体散料存储装置顶部设置有固体散料预处理装置，其对散料进行筛分和/或破碎。

固体散料换热装置的散料出料口将散料输送到能量收割装置外部。

固体散料输送装置具有水平和/或垂直输送散料的能力，其是螺旋输料器或传送带或螺旋输料器、传送带的组合。

移动装置驱动能量收割装置运动，其设置有车轮或履带或机械足，移动装置设置有高温固体散料搜寻装置，用于确定能量收割范围。

动力装置驱动能量收割装置上所有需要动力的装置运转，还具有控制装置，控制系统控制整个能量收割装置的运行。

移动能量收割装置可与其他能量转换和/或存储装置相连使用。

本发明与现有技术相比，具有以下效果：

(1)本发明的一种移动能量收割装置通过移动实现固体散料的能量收割，其工作范围可自由设定，可实现广范围和多场景的固体散料的能量收割。

(2)本发明的一种移动能量收割装置由于其可移动的特点，能够选择性的收割固体散料，其热能收集效率高。

(3)本发明的一种移动能量收割装置通过能量转换/存储装置可将固体散料换热装置获得的热量进行储存、热电转换和/或工业热利用，其可实现能量的高效和多样化利用。

(4)本发明的一种移动能量收割装置与其他外部能量转换/存储装置相连，可用于为其他装置供能。

附图说明

图1是本发明的移动能量收割装置结构示意图。

图2是本发明提供的能量收割小车实例示意图。

图3是本发明提供的能量收割机器人实例示意图。

图4是本发明提供的基于工业废弃炉渣的能量收割装置实例示意图。

其中：1：固体散料、2：固体散料收集装置、3：固体散料输送装置、4：固体散料存储装置、5：固体散料换热装置、6：固体散料排料装置、7：动力装置、8：控制系统、9：热量转换/存储装置、10：移动装置、11：铲斗、12：传送带、13：筛网、14：固体散料存储装置、15：固体散料换热装置、16：盘管、17：热电转换装置、18：蓄电池组、19：动力装置、20：控制系统、21：移动装置、22：高温固体散料搜寻装置、23：散料收集斗、24：机械臂、25：散料存储换热装置、26：针状换热翅片、27：阀门、28：散料排料装置、29：相变储热单元、30：探测装置、31：控制系统、32：动力装置、33：机械足、34：废弃炉渣堆、35：铲斗、36：探测装置、37：筛分装置、38：移动装置、39：散料入口、40：散料出口、41：固体散料管式换热器、42：炉渣存储装置、43：熔融盐储热装置、44：动力装置、45：控制装置、46：储存装置、47：甲醇制氢厂

具体实施方式

图1是本发明提供的基于散料的能量收割装置的示意图。

能量收割装置外壳整体由保温材料制成。散料收集装置2位于能量收割装置底部，用于收集含热能的大面积固体散料1。固体散料输送装置3设置在固体散料收集装置2和固体散料存储装置4之间。固体散料存储装置4用于暂存收集的固体散料，并将固体散料输送到固体散料换热装置5内，利用散料所受体积力或输送装置提供的动力使散料移动并进行换热，固体散料换热装置5与热量转换/存储装置9相连，将热能转化为任意其他形式的能量存储或使用。固体散料经过换热后由固体散料排料装置6集中输送到能量收割装置外部。移动装置10用于控制整个能量收割装置的位置移动。控制系统8用于控制整个装置的启停、移动、转向以及输送装置的工作。动力装置7用于为移动装置10、固体散料输送装置3、固体散料换热装置5、热量转换/存储装置9提供动力。

上述本发明的基于散料的能量收割装置能够用于各种大面积分布的固体散料的热能回收。且根据其可移动的特点，能够做到对固体散料热能的高效收集、存储和利用。下面将结合实例对本发明的实施方式进行介绍。

实施例1：

图2提供了一种基于散料的能量收割小车的实例。在能量收割小车移动过程中，铲斗11将固体散料铲起，送入传送带12，传送带12上可设置隔板，保证该装置具有水平或垂直输送散料的能力。铲斗11与传送带12的方向可转动，保证在复杂地貌下可以与散料接触，完成对散料的收集。

传送带12在输送固体散料时，可设置筛网13，根据需求对固体散料的大小进行筛分。防止体积较大的散料对内部装置造成损坏。

传送带12将固体散料垂直输送到装置高处的固体散料存储装置14中，固体散料存储装置14用于暂存固体散料，其形状可设计成漏斗形，以便散料在重力作用下能够及时排出，防止散料在存储装置中堆积。

固体散料存储装置14中的固体散料被输送至固体散料换热装置15，经过换热后排出能量收割装置外。固体散料可采用管型装置进行输送，并在其中布置叶片螺旋控流器，可通过叶片螺旋的转速来改变固体散料的流速，以适应不同情况下的流速需求。

固体散料换热装置15外部覆盖保温材料以减少能量损失。盘管16中流动的中低温冷却工质经过固体散料换热装置15并与固体散料发生热量交换。随后冷却工质流入热电转换装置17，将冷却工质中吸收的热能转化电能，并通过无线输电技术将电能输送至装置外部的蓄电池组18进行存储。

能量收割装置工作过程中需保持不断的移动，移动装置21用于实现能量收割装置的移动和转向。在能量收割装置外部设有高温固体散料搜寻装置22，其中含有红外测温模块和超声测距模块，用于确定能量收割的范围。

控制系统20用于控制移动装置21实现整个装置的启停、移动、转向。控制系统20同时用于控制铲斗11和传送带12的工作状态。动力装置19用于提供铲斗、传送带、输送装置、移动装置、换热装置工作时所需要的动力，该动力装置的能量来源可由蓄电池组18提供。

图2所示能量收割装置实例可应用于沙漠地表的热能回收。夏季沙漠的空气温度在40℃，地表温度可达到接近70℃，若装置以0.1m/s的速度在沙漠地区移动，铲斗宽度为0.5m，下挖的深度为0.1m，则收集到的沙粒流量为0.005m3/s。沙粒在横截面积为1m2的换热通道内以0.005m/s的速度下落并充分换热，以每天正常发电时间4小时，沙粒在换热器中的温降以5℃计算，则工作一天可回收热能约120kWh；沙粒在换热器中的温降以30℃计算，则工作一天可回收热能约720kWh。

实施例2：

图3提供了一种基于散料的能量收割机器人的实例。在该能量收割机器人移动过程中，散料收集斗23将地面上的散料收集起来，由机械臂24传动，将散料收集斗中含有热能的固体散料送入散料存储换热装置25。散料存储换热装置25的换热面上布置有针状换热翅片26，可有效地增强散料的换热效率。阀门27用于控制散料存储换热装置出口的开闭，待散料在散料存储换热装置25内充分换热后，阀门27打开，散料由散料排料装置28排出。

相变储热单元29内部填充石蜡一类的低温相变储热材料，并填充泡沫金属等高导热性能材料提高导热率，在吸收固体散料的热能之后，发生固液相变，在保持储热单元内部温度不升得过高的情况下，能够存储大量非稳定热流的热能。待相变材料完全熔化，可将相变储热单元29卸载至余热回收站集中进行回收。

探测装置30可通过红外热成像和超声测距等技术探测周围环境地表的温度以及地貌情况，并通过控制系统31来控制机械臂24和机械足33的运动以及阀门27的开闭。机械臂24和机械足33具有灵活度高、可多角度伸展的特点，能够满足复杂地表的作业需求。动力装置32用于给控制系统31、探测装置30、机械臂24、机械足33、阀门27供电。

图3所示能量收割装置实例可应用于月球地表月壤的热能回收。月球表面温度白天可达到127℃，夜晚可达到-183℃，昼夜温差较大。可采用低温有机相变材料填充储热单元，若将0.001m3的低温有机相变材料由-100℃加热至100℃，可收集热能约690kJ。采用针状翅片以及泡沫金属填充相变材料来强化月壤与相变材料间的换热，可使单个储热单元的熔化时间缩短至3h以内。则单个能量收割机器人的热能回收功率可达到230kJ/h以上。

实施例3：

图4提供了一种基于工业废弃炉渣的能量收割装置的实例。装置前后安装有探测装置36，该装置可通过红外热成像和超声测距等技术探测废弃炉渣堆的温度及距离，并将信息传递给控制装置45。结合实时的温度与距离信息，控制装置45对多个废弃炉渣堆34进行分析对比，并通过控制移动装置38使整个系统装置移动至附近温度最高的废弃炉渣堆的位置进行收集工作。该搜寻收集的过程为实时过程，当正在采集的废弃炉渣堆的温度降低后，整个能量收割系统会再次根据现场信息自主移动至下一个温度较高的废弃炉渣堆的位置并进行收集。

在废弃炉渣收集过程中，铲斗35将废弃炉渣铲起送至散料入口39处。散料入口39设置有筛分装置37，可将过体积过大的颗粒筛去以防止炉渣过大引起的堆积堵塞。散料入口39的形状可设计成漏斗形，以便废弃炉渣在重力作用下能够及时排出。废弃炉渣经过固体散料管式换热器41，与其内部循环工质交换热量后，通过散料出口40排放至炉渣存储装置42中进行暂时存储，方便后续对废弃炉渣的转运处理。散料出口40设置有搅拌叶片，可防止废弃炉渣的堆积堵塞。

固体散料管式换热器41将高温炉渣中的热量传递给循环工质，循环工质进入到熔融盐储热装置43中将热量传递给熔融盐储存，储热后的熔融盐在储存装置46处暂存。循环工质在经过熔融盐储热装置43后，其温度降低并再次回到固体散料管式换热器41与废弃炉渣进行热量交换。固体散料管式换热器41、熔融盐储热装置43和储存装置46外部均有保温材料包裹以减少热量的散失。

当在储存装置46中熔融盐热量存储满后，可对该储存装置进行替换更新。对替换下来的储存装置进行集中处理，其中的储热熔融盐的热量被输送至甲醇制氢装置47中进行氢气的制备。

控制装置45对整个能量收割系统进行控制，动力装置44为整个系统装置提供动力。控制装置45处理探测装置36的信息，实现实时的目标找寻，并控制移动装置38、铲斗35、固体散料换热器41、熔融盐储热装置43保证系统的移动与能量的收割。整个能量收割系统可根据现场信息自主移动至下一个温度较高的废弃炉渣堆的位置进行收集，实现动态的能量收割。

图4所示能量收割装置实例可应用于工业废弃炉渣的能量收割，在废弃炉渣堆场中，多个分布式能量收割装置可同时对废弃炉渣堆进行能量收割工作。工业废弃炉渣的温度约450℃，在单个移动能量收割装置中的废弃炉渣的流量为10t/h，换热器中的循环工质可被加热至350℃。循环工质将热量传递给熔融盐进行储热，最后将多个储热熔融盐储存装置收集，并对熔融盐的热量进行汇集，为甲醇制氢提供能量。在甲醇制氢温度230℃、甲醇流量600kg/h、甲醇的转化率为80％的条件下，可获得90kg/h的氢气产量，利用前景巨大。

Claims (9)

1.一种移动能量收割装置，基于本装置实现固体表面含热能的固体散料能量回收，其特征在于：包含固体散料收集装置、固体散料输送装置、固体散料存储装置、固体散料换热装置、动力装置、能量转换/存储装置以及移动装置；

所述固体散料收集装置收集固体表面的固体散料；

所述固体散料存储装置用于存储固体散料，其包括进料口、出料口、散料存储仓，固体散料存储装置和固体散料收集装置之间设置有固体散料输送装置；

所述固体散料换热装置包括散料进料口、散料出料口、换热介质入口、换热介质出口、换热器；

所述能量转换/存储装置用于将来自固体散料换热装置获得的热量进行储存、热电转换和/或工业热利用；

所述移动装置驱动能量收割装置运动，其设置有车轮或履带或机械足；

所述移动装置设置有高温固体散料搜寻装置，用于确定能量收割范围。

2.根据权利要求1所述一种移动能量收割装置，其特征在于：所述固体散料收集装置设置有升降装置，控制其与固体表面接触。

3.根据权利要求1所述一种移动能量收割装置，其特征在于：所述固体散料收集装置设置有铲斗或吸料装置或铲斗、吸料装置的组合。

4.根据权利要求1所述一种移动能量收割装置，其特征在于：固体散料存储装置和固体散料换热装置外侧设置有保温层。

5.根据权利要求1所述一种移动能量收割装置，其特征在于：固体散料换热装置的散料出料口将散料输送到能量收割装置外部。

6.根据权利要求1所述一种移动能量收割装置，其特征在于：所述固体散料存储装置顶部设置有固体散料预处理装置，其对散料进行筛分和/或破碎。

7.根据权利要求1所述一种移动能量收割装置，其特征在于：所述固体散料输送装置具有水平和/或垂直输送散料的能力，其是螺旋输料器或传送带或螺旋输料器、传送带的组合。

8.根据权利要求1所述一种移动能量收割装置，其特征在于：动力装置驱动能量收割装置上所有需要动力的装置运转，还具有控制装置，控制系统控制整个能量收割装置的运行。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种移动能量收割装置，其特征在于：移动能量收割装置与其他外部能量转换和/或存储装置相连使用。

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