一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置的製作方法

2023-04-28 08:28:01

專利名稱：一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及發電技術及能源儲存領域，特指一種將熱管與汽輪機工作原理相 結合進行發電，並利用飛輪儲能原理儲存電能的熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置。
背景技術：
能源危機的影響已經滲透到社會生活的各個方面，提高能源利用效率是人類緩解 能源危機的必要措施。電能是當今世界能源消費的主要形式，開闢新的電能轉換方法，提高 電能生產、儲存和利用效率是亟待解決的重要問題。熱管具有良好的導熱特性，利用熱管原理製造發電機可以提高熱電轉化效率。專 利200620134555公開了一種熱管式發電機。其技術方案主要是在熱管內設有一扇葉，該扇 葉周緣環設有磁鐵轉子，且該磁鐵轉子相對於熱管外部設有發電線圈。當熱管內工作液體 受熱蒸發形成蒸汽推動扇葉連同磁鐵轉子進行旋轉時，能使熱管外部的發電線圈產生感應 電流，成為熱管發電機。但是，這種發電機受熱源強度變化的影響會使電流出現波動，而且 蒸汽動能經過單級葉扇轉化傳遞，能量利用率低，並且當熱源消失後其輸出電流也迅速衰 減，沒有足夠的儲能能力。飛輪儲能是近年來迅速發展起來的一種新的技術，由於具有無汙染，儲能密度高， 使用壽命長，充電速度快，能量轉換率高等諸多優點，人們正在積極開發替代傳統化學電池 的飛輪電池。目前，飛輪電池已經開始在UPS不間斷電源，太空飛行器用高容量電池等領域獲得 成功應用，用於電動汽車的飛輪電池也已試驗成功，一旦性能價格比問題得到進一步解決， 便有望進入到大規模應用的時代。有關飛輪電池的專利技術較多，如200310118907公開了 一種懸浮飛輪電池。但是，目前有關飛輪電池的發明大都集中在電能儲存方面，很少有將發 電過程中其他形式的能直接轉化成飛輪動能進行蓄能，在負載需要時利用飛輪電池發電供 能的實用新型。另外，在能源利用的經典理論中，也主張著「能量品位」的等級觀念。特別是對於 熱能而言，「能量貶值」和「低品位化」的現象非常嚴重。所謂低品位熱能是指當前還難以利 用的熱能，如海水熱能、地熱能、太陽光熱能等，而高品位熱能則是指很容易利用的熱能，如 煤燃燒釋放的熱能等。加強低品位熱能的利用是人們開發利用好新能源，提高能源轉換效 率必須要解決的關鍵問題。

實用新型內容本實用新型旨在提供一種發電儲能裝置，通過開發利用低品質熱能來提高發電生 產過程中的電能轉換效率，並且可以將熱能直接轉換成動能儲存能量，而且該裝置還可以 進行任意數量的並聯組合發電，能有效提高能源利用效率，滿足不同功率的負載要求和不 同場所的應用需求。本實用新型的技術方案是，一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置，主要包括熱管 蒸發段、蒸汽上升管道、調節汽室、調節閥門、汽缸、進汽室、發電機轉子、轉子磁鐵、發電線圈、磁浮軸承、中心軸、汽輪機葉輪、隔板、排汽室、散熱片、熱管冷凝段、液體下降管道，熱管 蒸發段、蒸汽上升管道、調節汽室、汽缸、熱管冷凝段、液體下降管道串接組成熱管，構成一 閉合循環迴路，散熱片位於排汽室和熱管冷凝段外側，調節汽室出口處安裝有調節閥門，用 來調節進入汽缸的熱管工作介質蒸汽壓力，保證汽輪機葉輪的啟動速度；隔板即為靜葉片， 固定於汽缸內，將汽輪機葉輪隔開，形成汽輪機多級結構；汽輪機葉輪與發電機轉子安裝在 一根中心軸上並與中心軸一起旋轉，中心軸一端為發電機轉子，另一端及靠近發電機轉子 處裝有磁浮軸承，發電機轉子上裝有轉子磁鐵，中心軸連同汽輪機葉輪、發電機轉子、轉子 磁鐵、磁浮軸承一起安裝在汽缸內部，汽輪機葉輪在熱管工作介質蒸汽的推動下轉動，進而 帶動發電機轉子旋轉，使轉子磁鐵和發電線圈工作發電，熱管工作介質蒸汽做功能量降低， 經過熱管冷凝段在散熱片的作用下冷凝，經液體下降管道重新回到熱管蒸發段；當熱管蒸 發段外部熱源消失或蒸汽壓力不足時，汽輪機葉輪作為儲能飛輪儲存一定量的動能，當負 載需繼續供電時，汽輪機葉輪釋放動能，通過發電機結構繼續對外供電，起到飛輪電池的儲 能作用。汽輪機葉輪兼做儲能飛輪使用，可以使整個裝置結構簡化。本實用新型一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置中調節閥門為單向閥，用來控制 調節汽室蒸汽壓力，防止進汽室內氣體回流。本實用新型一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置中汽輪機葉輪是多級的，也可以 是單級的，以滿足不同傳動效率的要求。本實用新型一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置中汽輪機部分的具體結構可以 是衝動式汽輪機結構，也可以是反動式汽輪機結構，根據具體工作環境參數而定。本實用新型一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置中中心軸一端的發電機轉子可 以是盤式結構，轉子磁鐵鑲嵌在其端面；也可以是圓柱式結構，轉子磁鐵平行於圓柱軸線鑲 嵌在其外圓柱面上，以滿足不同發電形式的需求。本實用新型一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置中發電線圈鑲嵌在發電機轉子 安裝轉子磁鐵對應部位的汽缸壁內，可以避免熱管工作介質蒸汽浸入線圈損壞發電機，保 證發電機安全運行。本實用新型一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置的發電儲能方法是在熱管與 汽輪機發電機串聯組成的閉合循環系統中，熱管工作介質在熱管蒸發段受外熱源作用而蒸 發，通過蒸汽上升管道進入調節汽室，在調節閥門作用下達到一定壓力後進入進汽室，然後 快速流過汽缸，到達排汽室經散熱片後放熱冷凝變成液體，在重力及蒸發產生的負壓的雙 重作用下經液體下降管道流回熱管蒸發段，重新受熱蒸發，實現循環；熱管工作介質蒸汽在 快速流過汽缸的過程中推動汽輪機葉輪旋轉，帶動同一中心軸上的發電機轉子旋轉，使轉 子磁鐵和發電線圈工作發電，當熱管外部熱源消失或管內蒸汽動力不足時，汽輪機葉輪在 真空環境下靠慣性力作用繼續保持高速旋轉，儲存一定量的動能，當負載需要繼續供電時， 儲存的動能通過發電機結構轉換成電能對負載供電，實現飛輪電池的儲能功能。本實用新型利用熱管對外部熱能的高效吸收特點，將汽輪機和發電機做成整體安 裝在熱管迴路內部，可以簡化設備製造工藝，並能利用低品質熱能工作發電，提高電能轉換 效率；中心軸上的發電機轉子和兼做儲能飛輪的汽輪機葉輪既能發電又可儲能，且具有儲 能密度大、使用壽命長、能量轉換率高等優勢；此外本實用新型還可以進行多級組合發電， 組合形式靈活，適用範圍廣闊。
圖1是本實用新型一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置的工作原理圖，發電機轉 子為盤式結構。圖2是本實用新型一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置的另一種結構的工作原 理圖，發電機轉子為圓柱式結構。圖中1-熱管，2-熱管蒸發段，3-蒸汽上升管道，4-調節汽室，5-調節閥門，6_進 汽室，7-汽缸，8-發電機轉子，9-轉子磁鐵，10-發電線圈，11-磁浮軸承，12-中心軸，13-汽 輪機葉輪，14-隔板，15-排汽室，16-散熱片，17-熱管冷凝段，18-液體下降管道。
具體實施方式
圖1和圖2是本實用新型的兩個不同發電機轉子結構的實施例，外部熱源為低品 位熱能。本實用新型一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置中，熱管1由熱管蒸發段2、蒸汽 上升管道3、調節汽室4、汽缸7、熱管冷凝段17和液體下降管道18組成，構成一閉合循環回 路；調節汽室4出口處安裝有調節閥門5，調節進入進汽室6的蒸汽壓力，中心軸12與汽輪 機葉輪13、發電機轉子8、磁浮軸承11構成一個整體安裝在汽缸7內部，汽缸7為對開式結 構，便於發電機轉子8、轉子磁鐵9、磁浮軸承11、中心軸12、汽輪機葉輪13的裝入，汽輪機 葉輪13、發電機轉子8與中心軸12採用平鍵或花鍵等固定連接，使得汽輪機葉輪13與中 心軸12、發電機轉子8共同旋轉，轉子磁鐵9固定在發電機轉子8上，發電線圈10嵌入在 轉子磁鐵9對應的汽缸7壁內，散熱片16分布在汽缸7的排汽室15和熱管冷凝段17外表 面。系統內充填一定量的熱管工作介質後抽成真空並且密封可靠，外部熱源形式多樣，可以 是工業餘熱，也可以是太陽熱能、地熱能等新能源，還可以是海水熱能。本實用新型一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置的具體發電儲能方法是熱管蒸 發段2內的熱管工作介質吸收外部熱源熱量後蒸發變成蒸汽，通過蒸汽上升管道3進入調 節汽室4，達到一定壓力後然後通過調節閥門5進入進汽室6，然後經過汽輪機葉輪13、隔板 14後進入排汽室15和熱管冷凝段17，在散熱片16作用下散熱冷凝成液體，匯集到熱管冷 凝段17的底部，在重力及蒸發產生的負壓的雙重作用下經液體下降管道18流回熱管蒸發 段2，重新吸熱蒸發，實現循環；熱管工作介質蒸汽在汽缸7內快速流動的過程中推動汽輪 機葉輪13旋轉，通過中心軸12帶動發電機轉子8共同旋轉，使發電機轉子8上面的轉子磁 鐵9與發電線圈10工作發電；當外熱源消失或者熱管工作介質蒸汽動力不足時，系統內部 的熱管工作介質儲存在熱管蒸發段2、蒸汽上升管道3、調節汽室4、熱管冷凝段16和液體下 降管道1中，汽輪機葉輪13在汽缸7內部的真空環境中靠慣性力作用保持高速旋轉，變作 儲能飛輪儲存一定量的動能；當外部負載需要繼續供電時，用作儲能飛輪的汽輪機葉輪13 釋放動能，通過轉子磁鐵9和發電線圈10對負載供電，起到飛輪電池的能量儲存作用。兼 做儲能飛輪的汽輪機葉輪13的作用一是儲存能量，二是對發電過程中外部熱源變化進行 調整。該熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置可實現在外部熱源作用下邊發電供應使用邊儲存 多餘能量，在外部熱源消失後釋放所儲存的能量，繼續供電的功能，並且可以根據實際負載 功率需求和具體應用環境進行並聯組合發電，形式靈活，適用範圍廣闊。
權利要求一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置，其特徵在於主要包括熱管蒸發段、蒸汽上升管道、調節汽室、調節閥門、汽缸、進汽室、發電機轉子、轉子磁鐵、發電線圈、磁浮軸承、中心軸、汽輪機葉輪、隔板、排汽室、散熱片、熱管冷凝段、液體下降管道，熱管蒸發段、蒸汽上升管道、調節汽室、汽缸、熱管冷凝段、液體下降管道串接組成熱管，散熱片位於排汽室和熱管冷凝段外側，調節汽室出口處安裝有調節閥門；隔板固定於汽缸內；汽輪機葉輪與發電機轉子安裝在一根中心軸上並與中心軸一起旋轉，中心軸一端安裝發電機轉子，另一端及靠近發電機轉子處裝有磁浮軸承，發電機轉子上裝有轉子磁鐵，中心軸連同汽輪機葉輪、發電機轉子、轉子磁鐵、磁浮軸承一起安裝在汽缸內部。
2.根據權利要求1所述的一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置，其特徵在於調節閥 門為單向閥。
3.根據權利要求1所述的一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置，其特徵在於汽輪機 葉輪是多級或單級。
4.根據權利要求1所述的一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置，其特徵在於發電機 轉子是盤式結構，轉子磁鐵鑲嵌在其端面；或是圓柱式結構，轉子磁鐵平行於圓柱軸線鑲嵌 在其外圓柱面上。
5.根據權利要求1所述的一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置，其特徵在於發電線 圈鑲嵌在發電機轉子安裝轉子磁鐵對應部位的汽缸壁內。
專利摘要本實用新型涉及發電技術及能源儲存領域，特指一種熱管飛輪式汽輪機發電儲能裝置，主要包括熱管蒸發段、蒸汽上升管道、調節汽室、調節閥門、汽缸、進汽室、發電機轉子、轉子磁鐵、發電線圈、磁浮軸承、中心軸、汽輪機葉輪、隔板、排汽室、散熱片、熱管冷凝段、液體下降管道，熱管內工作介質受熱蒸發在迴路中快速流動，推動汽輪機葉輪旋轉，帶動發電機轉子工作發電；當外熱源消失或蒸汽動力不足時汽輪機葉輪在真空環境中靠慣性力作用保持高速旋轉，儲存一定量的動能。本實用新型利用低品質熱能發電，電能轉換效率高，而且汽輪機葉輪既能提供發電原動力又可作為飛輪儲能，具有儲能密度大、使用壽命長等優勢，同時該裝置可組合發電，適用範圍廣闊。
文檔編號F01K19/00GK201771560SQ20102025920
公開日2011年3月23日 申請日期2010年7月6日 優先權日2010年7月6日
發明者何長江, 劉澤, 楊衛民, 汪傳生 申請人:青島科技大學;北京華夏英藍科技發展有限公司