利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電的方法及系統的製作方法

2023-05-05 20:00:01 4

專利名稱：利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電的方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及到熱能-電能轉換技術領域，特別是涉及一種利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電的方法及系統。
背景技術：
熱能在自然界及人類生產生活中普遍存在，自然界中熱能的存在形式包括太陽能、地熱能等；在工業生產過程中，煤、石油、天然氣等化石能源的燃燒、核反應等過程也釋放大量的熱。與水力發電、風能發電等技術相比，熱發電技術目前在國際上仍佔主導地位，現有熱發電技術可分為間接熱發電技術和直接熱電轉換技術。間接熱發電技術的共性是通過熱力循環(如蒸汽朗肯循環)，首先將熱能轉換為機械功，再通過發電機將機械功轉換為電能，主要包括火力發電、核能發電、太陽能熱發電以及工業餘熱發電技術等；直接熱發電技術的共性特點為直接將熱能轉換為電能，中間無需經過熱能到機械能的轉換，如磁流體發電是根據法拉第電磁感應原理，利用高溫導電流體(在工程技術上常用等離子體)高速通過磁場，以導電的流體切割磁感線產生電動勢，而熱電轉換材料發電是利用金屬或半導體材料的seebeck效應實現直接熱電轉換的。對於間接式熱發電技術，由於要經過熱能到機械功再到電能的轉換，系統相對複雜，不僅建設和運行維護成本高，而且每個單元設備上也都存在能量損失。如國際上最先進的超臨界燃煤發電技術，由於凝汽器內蒸汽凝結放熱導致的冷端損失巨大，使得其系統熱效率也僅為45%左右。常見的直接熱發電技術，如磁流體發電技術，其工作溫度一般在2000K以上，磁場、電極及絕緣材料的選擇和冷卻問題難以解決，特別是居裡點的存在，磁場隨溫度升高而減弱甚至消失；對於採用熱電轉換材料實現直接發電的技術而言，由於材料本身的Seebeck效應，只要有溫差即可以產生電能，其系統簡單、可靠性高。目前，國內外對熱電材料的研究主要集中在新型熱電轉換功能材料的篩選、製備以提高熱電轉換效率方面，理想的熱電材料應具有較小的導熱係數並且能夠在較大溫差下保持性能穩定，由於現有熱電材料的轉換效率僅為10%左右，其大規模推廣應用仍需進一步深入研究。

發明內容
本發明的目的是提出一種利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電的方法及，其特徵在於，所述利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電系統為由迴路型雙工質脈動熱管的下部蒸發段、中部熱絕緣及電絕緣段、上部冷凝段組成的封閉系統；其中，在雙工質脈動熱管主體I的上橫管道上連接抽真空管路9、液態導電工質A注入管路2和絕緣工質B注入管路3 ;低溫熱源4套在雙工質脈動熱管主體I的上部，高溫熱源5套在雙工質脈動熱管主體I的下部，外部電路7及蓄電端或用電端8與中間熱絕緣段上電極a和電極b連接成迴路；迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電系統置於磁場6中。所述抽真空管路9與上橫管道之間連接真空管路截止閥10。
所述液態導電工質A注入管路2和絕緣工質B注入管路3上各自連接一個液態導電工質A注液閥11和絕緣工質B充注閥12，液態導電工質A注液閥11和絕緣工質B充注閥12連接一起後與上橫管道接通。所述中間熱絕緣段採用扁平矩形通道結構並且為電絕緣。所述扁平矩形通道的兩個側壁上分別布置電極a和電極b，電極a和電極b與外部電路7及蓄電端或用電端8連接，另外兩個側壁施加磁場。所述下部蒸發段為U型管，從所述高溫熱源吸收熱量作為整個熱發電系統的輸入能量，一般採用具有高熱導率的材料以減小熱阻；中部熱絕緣及電絕緣段採用熱導率小並且電絕緣的材料，用於實現減少散熱損失和電絕緣的目的；上部冷凝段為U型管，向所述低溫熱源釋放系統排出的熱量，一般採用具有高熱導率的材料以減小熱阻。
一種利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電的方法，其特徵在於，實施步驟為I)首先關閉液態導電工質A注液閥11和絕緣工質B充注閥12，通過抽真空管路9對脈動熱管的封閉空間進行抽真空，以排除不凝性氣體，抽至真空度至少達100 Pa後，關閉真空管路截止閥10 ；2)然後交替開啟和關閉液態導電工質A注液閥11和絕緣工質B充注閥12，向脈動熱管內間歇注入互不相溶的液態導電工質A和絕緣工質B ；3)開啟高溫熱源5，在脈動熱管下部的蒸發段輸入熱能，使絕緣工質B吸收熱量，當其溫度達到絕緣工質B的沸點後,脈動熱管開始啟動,使得液態導電工質A、液相的絕緣工質B及汽相絕緣工質汽匕；^在中間熱絕緣段13的矩形管通道內呈單向或雙嚮往復運動，液態導電工質A的運動垂直切割所述磁場的磁力線，根據法拉第電磁感應定律，將在矩形通道側壁上的電極a和電極b兩個電極之間產生感應電動勢，由外部電路7及蓄電端或用電端8與電極a和電極b連接成的迴路輸出，從而實現了熱能到電能的直接轉換。所述液態導電工質A具有較高的沸點，在脈動熱管中它只產生位移而不發生相變，但都不與所述絕緣工質B互溶；該液態導電工質A為液態金汞。所述絕緣工質B具有較低的沸點，在脈動熱管的加熱段吸熱蒸發、在冷凝段放熱冷凝，但都不與所述液態導電工質A互溶，該絕緣工質B為純工質為純水或去離子水、甲醇、乙二醇、丙酮或液態二氧化碳；或是兩種以上的混合工質。所述中間熱絕緣段的矩形通道內包含三種相態，即液相導電工質A、液相絕緣工質B及汽相絕緣工質Bn。所述下部蒸發段為U型管，從所述高溫熱源吸收熱量作為整個熱發電系統的輸入能量，一般採用具有高熱導率的材料以減小熱阻；中部熱絕緣及電絕緣段採用熱導率小並且電絕緣的材料，用於實現減少散熱損失和電絕緣的目的；上部冷凝段為U型管，向所述低溫熱源釋放系統排出的熱量，一般採用具有高熱導率的材料以減小熱阻。本發明的有益效果是本發明根據法拉第電磁感應定律，導電工質A的運動垂直切割磁力線，使得工質A內部產生感應電動勢,從而實現熱能到電能的直接轉換,與其他熱發電技術相比，本發明的突出優勢在於，只要存在高溫熱源和低溫熱源，而無需對冷熱源的絕對溫度作任何限制性要求，即可通過篩選合適的高沸點液態導電工質A和低沸點絕緣工質B，實現熱能-電能的直接轉換，中間無需任何機械運動部件，從而大大減小了熱電轉換系統的機械損失，提高了可靠性。需要進一步說明的是，本發明創造的熱電直接轉換方法與系統雖然對冷熱源的絕對溫度並無具體要求，但冷熱源與工質的匹配應滿足所述低沸點絕緣工質B應能夠在高溫熱源側吸熱蒸發，在低溫熱源側放熱冷凝，所述導電工質A不發生相變，僅存在顯熱形式的熱交換。本發明可廣泛應用於工業餘熱、高熱功率設備放熱、太陽能、地熱能等多種形式的熱能-電能直接轉換，具有廣闊的應用前景。具有結構簡單、可靠性高的優點，該方法及系統可在各種溫差條件下工作，可廣泛應用於餘熱廢熱發電、太陽能熱發電、地熱能發電等領域。


圖1為迴路型雙工質脈動熱管直接熱發電系統結構示意圖。圖2為迴路型雙工質脈動熱管主體的結構示意3為絕緣段內工質相態分布及發電原理示意圖附圖標記說明1、迴路型雙工質脈衝熱管主體，2、液態導電工質A，3、液態絕緣工質B，4、低溫熱源(冷源)，5、熱源，6、永磁場，7、外部電路，8、蓄電端(或用電端)。9、抽真空管路，10、真空管路截止閥，11、液態導電工質A注液閥，12、絕緣工質B注液閥，13、中部熱絕緣及電絕緣段，14電絕緣連接件、電極a,電極b.
具體實施例方式本發明提供一種利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電的方法及系統，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明的內容做進一步詳細說明。在圖1、圖2及圖3所示的迴路型雙工質脈動熱管直接熱發電系統結構示意圖中，所述利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電系統為由迴路型雙工質脈動熱管的下部蒸發段、中部熱絕緣及電絕緣段、上部冷凝段組成的封閉系統；其中，在雙工質脈動熱管主體I的上橫管道上連接抽真空管路9、液態汞容器2和去離子水容器3 ;低溫熱源4套在雙工質脈動熱管主體I的上部，高溫熱源5套在雙工質脈動熱管主體I的下部，外部電路7及蓄電端或用電端8與中間熱絕緣段上電極a和電極b連接成迴路；迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電系統置於磁場6中。所述抽真空管路9與上橫管道之間連接真空管路截止閥10。所述液態導電工質A注入管路2和絕緣工質B注入管路3上各自連接一個液態導電工質A注液閥11和絕緣工質B充注閥12，液態導電工質A注液閥11和絕緣工質B充注閥12連接一起後與上橫管道接通。所述中間熱絕緣段採用扁平矩形通道結構並且為電絕緣。所述扁平矩形通道的兩個側壁上分別布置電極a和電極b，電極a和電極b與外部電路7及蓄電端或用電端8連接，另外兩個側壁施加磁場。所述下部蒸發段為U型管，從所述高溫熱源吸收熱量作為整個熱發電系統的輸入能量，一般採用具有高熱導率的材料以減小熱阻；中部熱絕緣及電絕緣段採用熱導率小並且電絕緣的材料，用於實現減少散熱損失和電絕緣的目的；上部冷凝段為U型管，向所述低溫熱源釋放系統排出的熱量，一般採用具有高熱導率的材料以減小熱阻。 一種利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電的方法，其特徵在於，實施步驟為
I)首先關閉液態導電工質A注液閥11和絕緣工質B充注閥12，通過抽真空管路9對脈動熱管的封閉空間進行抽真空，以排除不凝性氣體，抽至真空度至少達IOOPa後，關閉真空管路截止閥10 ；2)然後交替開啟和關閉液態導電工質A注液閥11和絕緣工質B充注閥12，向脈動熱管內間歇注入互不相溶的液態導電工質A和絕緣工質B ；3)開啟高溫熱源5，在脈動熱管下部的蒸發段輸入熱能，使絕緣工質B吸收熱量，當其溫度達到絕緣工質B的沸點後,脈動熱管開始啟動,使得液態導電工質A、液相的絕緣工質B及汽相絕緣工質汽匕；^在中間熱絕緣段13的矩形管通道內呈單向或雙嚮往復運動，液態導電工質A的運動垂直切割所述磁場的磁力線，根據法拉第電磁感應定律，將在矩形通道側壁上的電極a和電極b兩個電極之間產生感應電動勢(如圖3所示)，由外部電路7及蓄電端或用電端8與電極a和電極b連接成的迴路輸出，從而實現了熱能到電能的直接轉換。所述下部蒸發段和上部冷凝段的管路截面形狀可為任意形狀。所述液態導電工質A具有較高的沸點，在脈動熱管中它只產生位移而不發生相變，既可以是液態金屬(如汞等)，也可以是其他導電的溶液，但都不與所述絕緣工質B互溶(如圖2所示)。所述絕緣工質B具有較低的沸點，在脈動熱管的加熱段吸熱蒸發、在冷凝段放熱冷凝，它既可以是純工質(純水或去離子水、甲醇、丙酮、液態二氧化碳等)，也可以是由多種互溶液體組成的混合工質(水-乙二醇混合溶液)，但都不與所述液態導電工質A互溶(如圖2所示)。所述中間熱絕緣段的矩形通道內包含三種相態，即液相導電工質A、液相絕緣工質B及汽相絕緣工質Bn。所述脈動熱管主體I置於所述磁場6的N極和S極之間，如圖3所示，磁場方向垂直紙面向裡，絕緣段13矩形通道內去離子水、水蒸汽31以及液態汞2共同向上運動並垂直切割所述磁場6的磁力線，在液態汞2內部產生由右向左的感應電動勢。需要指出的是，由於液態汞2在通道內運動方向的不確定，其內部產生的感應電動勢也不確定，當液態汞2做往復運動時，其內部產生幅值不斷變化的交流電；當液態汞2做單向運動時，其內部產生幅值不斷變化的直流電，液態汞2在通道內的運動方式可通過在管路上設置單向閥或通過管路阻力匹配來控制；由於液相導電工質A (液態汞)與液相絕緣工質B (去離子水)及汽相絕緣工質Bn (水蒸汽)在通道內間隔分布，電極a和電極b之間產生的感應電動勢也具有間歇性。此外，由於脈動熱管主體I的絕緣段13內包含多根並列通道，不同通道產生的感應電動勢可進行並聯或串聯以獲取較大的感應電流或感應電動勢；當考慮規模化應用時，單個脈動熱管主體I可視為一個直接熱發電單元，通過多個發電單元的並聯或串聯可以獲取規模化應用所需的大電流或高電壓。為使所述脈動熱管發電系統正常運行，所述下部吸熱段、中間熱絕緣及電絕緣段、上部冷凝段的通道水力直徑一般條件下需滿足
權利要求
1.一種利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電系統，其特徵在於，所述利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電系統為由迴路型雙工質脈動熱管的下部蒸發段、中部熱絕緣及電絕緣段、上部冷凝段組成的封閉系統；其中，在雙工質脈動熱管主體(I)的上橫管道上連接抽真空管路(9)、液態導電工質A注入管路(2)以及絕緣工質B注入管路(3);低溫熱源(4)套在雙工質脈動熱管主體(I)的上部，高溫熱源(5)套在雙工質脈動熱管主體(I)的下部，外部電路(7)及蓄電端或用電端(8)與中間熱絕緣段上電極(a)和電極(b)連接成迴路，因此迴路型雙工質脈動熱管實現了直接熱發電系統置於磁場(6)中。
2.根據權利要求1所述利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電系統，其特徵在於，所述抽真空管路(9)與上橫管道之間連接真空管路截止閥(10)。
3.根據權利要求1所述利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電系統，其特徵在於，所述液態導電工質A注入管路(2)連接一個液態導電工質A注液閥(11)，絕緣工質B注入管路(3)上連接絕緣工質B充注閥(12)，然後液態導電工質A注液閥(11)和絕緣工質B充注閥(12)連接一起後與上橫管道接通。
4.根據權利要求1所述利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電系統，其特徵在於，所述中間熱絕緣段採用扁平矩形通道結構並且為電絕緣。
5.根據權利要求1所述利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電系統，其特徵在於，所述扁平矩形通道的兩個側壁上分別布置電極(a)和電極(b)，電極(a)和電極(b)與外部電路(7 )及蓄電端或用電端(8 )連接，另外兩個側壁施加磁場。
6.根據權利要求1所述利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電系統，其特徵在於，所述下部蒸發段為U型管，從所述高溫熱源吸收熱量作為整個熱發電系統的輸入能量，一般採用具有高熱導率的材料以減小熱阻；中部熱絕緣及電絕緣段採用熱導率小並且電絕緣的材料，用於實現減少散熱損失和電絕緣的目的；上部冷凝段為U型管，向所述低溫熱源釋放系統排出的熱量，一般採用具有高熱導率的材料以減小熱阻。
7.一種利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電的方法，其特徵在於，實施步驟為 1)首先關閉液態導電工質A注液閥(11)和絕緣工質B充注閥(12)，通過抽真空管路(9)對脈動熱管的封閉空間進行抽真空，以排除不凝性氣體，抽至真空度至少達100 Pa後，關閉真空管路截止閥(10); 2)然後交替開啟和關閉液態導電工質A注液閥(11)和絕緣工質B充注閥(12)，向脈動熱管內間歇注入互不相溶的液態導電工質A和絕緣工質B ； 3)開啟高溫熱源(5)，在脈動熱管下部的蒸發段輸入熱能，使絕緣工質B吸收熱量，當其溫度達到絕緣工質B的沸點後，脈動熱管開始啟動，使得液態導電工質A、液相的絕緣工質B及汽相絕緣工質汽隊；^在中間熱絕緣段(13)的矩形管通道內呈單向或雙嚮往復運動，液態導電工質A的運動垂直切割所述磁場的磁力線，根據法拉第電磁感應定律，將在矩形通道側壁上的電極(a)和電極(b)兩個電極之間產生感應電動勢，由外部電路(7)及蓄電端或用電端(8)與電極(a)和電極(b)連接成的迴路輸出，從而實現了熱能到電能的直接轉換。
8.根據權利要求7所述利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電的方法，其特徵在於，所述液態導電工質A具有較高的沸點，在脈動熱管中它只產生位移而不發生相變，但都不與所述絕緣工質B互溶；該液態導電工質A為液態金屬汞；所述絕緣工質B具有較低的沸點，在脈動熱管的加熱段吸熱蒸發、在冷凝段放熱冷凝，但都不與所述液態導電工質A互溶，該絕緣工質B為純工質為純水或去離子水、甲醇、乙二醇、丙酮或液態二氧化碳；或是兩種以上的混合工質。
9.根據權利要求7所述利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電的方法，其特徵在於，所述中間熱絕緣段的矩形通道內包含三種相態，即液相導電工質A、液相絕緣工質B及汽相絕緣工質Bn。
10.根據權利要求7所述利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電的方法，其特徵在於，所述迴路型雙工質脈動熱管下部蒸發段、中間熱絕緣及電絕緣段及上部冷凝段的通道水力直徑應當滿足
全文摘要
本發明公開了屬於熱能-電能轉換技術領域的一種利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電的方法及系統。所述利用迴路型雙工質脈動熱管實現直接熱發電系統為由迴路型雙工質脈動熱管的下部蒸發段、中部熱絕緣及電絕緣段、上部冷凝段組成的封閉系統；首先對脈動熱管抽真空後，交替充入高沸點導電工質A和低沸點絕緣工質B，在雙工質脈動熱管的蒸發段內，低沸點絕緣工質B吸收來自高溫熱源的熱量蒸發，在冷凝段將凝結熱釋放給低溫熱源，脈動熱管內高沸點導電工質A的運動垂直切割磁力線，從而在工質A內部產生感應電動勢，從而實現熱能-電能的直接轉換。本發明可適用於各種溫差條件，極大地提高了系統的轉換效率和可靠性，具有廣闊的應用前景。
文檔編號H02N3/00GK103001533SQ20121049226
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月27日 優先權日2012年11月27日
發明者徐進良, 張偉, 牛志願, 武超群 申請人:華北電力大學