基于南極天文觀測(cè)站柴油發(fā)電機(jī)組余熱的發(fā)電及蓄能系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于南極天文觀測(cè)站柴油發(fā)電機(jī)組余熱的發(fā)電及蓄能系統(tǒng)，柴油發(fā)電機(jī)組具有排氣管道以及儲(chǔ)油箱，在排氣管道外設(shè)置有一空氣換熱器，在排氣管道與儲(chǔ)油箱之間還連接有一蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置，在排氣管道與空氣換熱器之間設(shè)置有多個(gè)串聯(lián)在一起的發(fā)電模塊，發(fā)電模塊通過(guò)控制器與蓄電池相連，發(fā)電模塊包括熱端、冷端以及由溫差發(fā)電材料制成的發(fā)電體，冷端與空氣換熱器接觸，熱端與排氣管道接觸，蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置的蒸發(fā)段布置在排氣管道內(nèi)，蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置的冷凝段布置在儲(chǔ)油箱內(nèi)。本發(fā)明解決了柴油發(fā)電機(jī)組尾氣直接排放到大氣中所造成的熱損失，提高了能量利用率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于南極天文觀測(cè)站柴油發(fā)電機(jī)組余熱的發(fā)電及蓄能系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于南極天文觀測(cè)站的余熱發(fā)電及蓄能系統(tǒng)，尤其是基于觀測(cè)站發(fā)電機(jī)組廢棄余熱的發(fā)電與儲(chǔ)能系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]南極是地球上至今未被開(kāi)發(fā)，未被污染的潔凈大陸，是進(jìn)行天文觀測(cè)等科學(xué)實(shí)驗(yàn)的理想圣地。為了建設(shè)我國(guó)獨(dú)立設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行管理與維護(hù)的南極自動(dòng)天文觀測(cè)站，需要解決電源保障、發(fā)電艙內(nèi)環(huán)境控制等許多關(guān)鍵技術(shù)，為在南極開(kāi)展更廣泛的天文觀測(cè)奠定基礎(chǔ)。天文觀測(cè)站的能源保障由發(fā)電艙內(nèi)發(fā)電設(shè)備(如柴油發(fā)電機(jī)組等)提供，由于南極地區(qū)緯度高，吸收的太陽(yáng)輻射能較少，因此，年平均溫度一般低于_50°C，為了保證發(fā)電設(shè)備的正常工作，需要維持發(fā)電艙內(nèi)溫度在發(fā)電設(shè)備的正常工作范圍內(nèi)。而一般柴油發(fā)電機(jī)排氣溫度在400°C以上，如果排氣直接進(jìn)入大氣中，將造成較大的熱量損失，降低能量利用率。
[0003]溫差發(fā)電器是一種利用溫差直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有壽命長(zhǎng)、無(wú)干擾并可利用多種熱源(如核燃料、廢熱)等優(yōu)點(diǎn)，適用于做空間飛行器、海底電纜系統(tǒng)、海上燈塔、無(wú)人值守的觀測(cè)站等的輔助電源，具有較大的應(yīng)用潛力。
[0004]為保證柴油發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，柴油機(jī)進(jìn)油溫度需維持在一定范圍之內(nèi)，因此，要對(duì)儲(chǔ)油箱進(jìn)行預(yù)熱。為此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種用于南極天文觀測(cè)站的余熱發(fā)電及蓄能系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種應(yīng)用于南極天文觀測(cè)站的余熱發(fā)電及畜能系統(tǒng)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)解決方案是:
一種基于南極天文觀測(cè)站柴油發(fā)電機(jī)組余熱的發(fā)電及蓄能系統(tǒng)，所述柴油發(fā)電機(jī)組具有排氣管道以及儲(chǔ)油箱，其特征在于，在所述的排氣管道外設(shè)置有一空氣換熱器，在所述的排氣管道與儲(chǔ)油箱之間還連接有一蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置，在所述的排氣管道與空氣換熱器之間設(shè)置有多個(gè)串聯(lián)在一起的發(fā)電模塊，所述發(fā)電模塊通過(guò)控制器與蓄電池相連，所述發(fā)電模塊包括熱端、冷端以及由溫差發(fā)電材料制成的發(fā)電體，所述的熱端和冷端位于發(fā)電體的兩端，所述的冷端與所述的空氣換熱器接觸，所述的熱端與所述的排氣管道接觸，所述的蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置的蒸發(fā)段布置在所述的排氣管道內(nèi)，所述的蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置的冷凝段布置在所述的儲(chǔ)油箱內(nèi)。所述的蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置的工作原理為:在蒸發(fā)段，氣液兩相流體吸熱產(chǎn)生氣泡，迅速膨脹和升壓，推動(dòng)流體工質(zhì)流向鄰管子之間存在的壓力不平衡，使得流體工質(zhì)在蒸發(fā)段和冷凝段之間振蕩流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。
[0007]所述的排氣管道進(jìn)口前連接有排氣凈化裝置。
[0008]所述的空氣換熱器的進(jìn)氣為冷空氣，排氣直接排入大氣中，所述的空氣換熱器內(nèi)空氣流動(dòng)方向與所述的排氣管道內(nèi)排氣流動(dòng)方向相反。
[0009]所述的溫差發(fā)電材料為半導(dǎo)體熱電材料。
[0010]所述的半導(dǎo)體熱電材料為銻或銅。
[0011]所述的控制器為輸出控制電路，調(diào)整溫差發(fā)電模塊輸出的電流與電壓。
[0012]所述的蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置包括蒸發(fā)段和冷凝段。蒸發(fā)段布置在排氣管道中，冷凝段布置在儲(chǔ)油箱中，換熱裝置中裝有工作液(如氨)。
[0013]柴油發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組排氣進(jìn)入所述的排氣管道，熱量從排氣傳遞到所述的溫差發(fā)電模塊的熱端，使所述的溫差發(fā)電模塊的熱端溫度升高；冷空氣從所述的空氣換熱器的進(jìn)口進(jìn)入所述的空氣換熱器，所述的空氣換熱器內(nèi)空氣流動(dòng)方向與所述的排氣管道內(nèi)排氣流動(dòng)方向相反，熱量從所述的溫差發(fā)電模塊的冷端傳遞到冷空氣中，使所述的冷端溫度降低；所述的溫差發(fā)電模塊的熱端和冷端之間為所述的半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料，根據(jù)半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料的特性，當(dāng)其兩端存在溫差，兩端會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，溫差較大時(shí)，電動(dòng)勢(shì)較大，并且多個(gè)溫差發(fā)電材料相互串聯(lián)會(huì)提高輸出功率；所述的溫差發(fā)電模塊與所述的控制器相連，所述的控制器由輸出控制電路組成，通過(guò)輸出控制電路控制所述的溫差發(fā)電模塊輸出的電流與電壓；所述的控制器與所述的蓄電池組相連，將所述的溫差發(fā)電模塊輸出的電能存儲(chǔ)在蓄電池組中。所述的排氣管道內(nèi)布置有所述的蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置的蒸發(fā)段，所述的蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置的冷凝段布置在所述的儲(chǔ)油箱中，所述的蒸發(fā)段的工作液被排氣加熱，吸取潛熱蒸發(fā)，蒸氣流向所述的冷凝段，工作液蒸氣放出潛熱，凝結(jié)為液體。蒸氣液化釋放出來(lái)的潛熱傳遞到所述的儲(chǔ)油箱中，預(yù)熱儲(chǔ)油。凝結(jié)液通過(guò)毛細(xì)力作用返回到所述的蒸發(fā)段再吸熱蒸發(fā)，工作液的循環(huán)將熱量從所述的蒸發(fā)段傳遞到所述的冷凝段，通過(guò)所述的蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置這個(gè)中間媒介，排氣的熱量就可以傳遞給儲(chǔ)油箱中的儲(chǔ)油，實(shí)現(xiàn)蓄能過(guò)程。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
1、本發(fā)明解決了柴油發(fā)電機(jī)組尾氣直接排放到大氣中所造成的熱損失，通過(guò)發(fā)電子系統(tǒng)將尾氣中一部分熱量轉(zhuǎn)換成電能，存儲(chǔ)在蓄電池中，實(shí)現(xiàn)了熱能——電能的轉(zhuǎn)化；通過(guò)蓄能系統(tǒng)利用尾氣中一部分熱量對(duì)儲(chǔ)油箱中的柴油進(jìn)行余熱，提高了能量利用率。
[0015]2、南極地區(qū)年平均氣溫低于_50°C，而柴油機(jī)排氣溫度一般在400°C以上，因此溫差發(fā)電模塊的熱端和冷端溫差大，發(fā)電功率大。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1余熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖；
圖2余熱蓄能系統(tǒng)示意圖。
[0017]圖中，1.空氣換熱器出口 ；2.排氣管道進(jìn)口 ；3.空氣換熱器；4.排氣管道；5.冷端；6.發(fā)電體；7.熱端；8.蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置蒸發(fā)段；9.空氣換熱器進(jìn)口 ；
10.排氣管道出口 ；11.儲(chǔ)油箱；12.蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置冷凝段。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0019]如圖1至圖2所示，一種南極天文觀測(cè)站余熱發(fā)電及蓄能系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括余熱發(fā)電子系統(tǒng)和余熱蓄能子系統(tǒng)。余熱發(fā)電子系統(tǒng)包括柴油發(fā)電機(jī)組排氣管道4、空氣換熱器3、溫差發(fā)電模塊、控制器和蓄電池組，柴油發(fā)電機(jī)組排氣管道4外表面與溫差發(fā)電模塊的熱端7熱接觸，空氣換熱器3外表面與溫差發(fā)電模塊的冷端5熱接觸，溫差發(fā)電模塊與控制器相連，控制器與蓄電池組相連；余熱蓄子系統(tǒng)包括柴油發(fā)電機(jī)組排氣管道4和蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置。
[0020]柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組排氣進(jìn)入排氣管道4，熱量從排氣傳遞到溫差發(fā)電模塊的熱端7，使熱端7的溫度升高；冷空氣從空氣換熱器的進(jìn)口 9進(jìn)入空氣換熱器3，熱量從溫差發(fā)電模塊的冷端5傳遞到冷空氣中，使冷端5的溫度降低；溫差發(fā)電模塊的熱端7和冷端5之間為半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料制成的發(fā)電體6，根據(jù)半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料的特性，當(dāng)其兩端存在溫差，兩端會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，溫差較大時(shí)，電動(dòng)勢(shì)較大，并且多個(gè)溫差發(fā)電材料相互串聯(lián)會(huì)提高輸出功率；溫差發(fā)電模塊與控制器相連，控制器由輸出控制電路組成，通過(guò)輸出控制電路控制溫差發(fā)電模塊輸出的電流與電壓，控制器與蓄電池組相連，將溫差發(fā)電模塊輸出的電能存儲(chǔ)在蓄電池組中。
[0021]排氣管道4內(nèi)布置有蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置的蒸發(fā)段8，蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置的冷凝段12布置在儲(chǔ)油箱11中，蒸發(fā)段的工作液被排氣加熱，吸取潛熱蒸發(fā)，蒸氣流向冷凝段，工作液蒸氣放出潛熱，凝結(jié)為液體。蒸氣液化釋放出來(lái)的潛熱傳遞到儲(chǔ)油箱中，預(yù)熱儲(chǔ)油。凝結(jié)液通過(guò)毛細(xì)力作用返回到蒸發(fā)段再吸熱蒸發(fā)，工作液的循環(huán)將熱量從蒸發(fā)段傳遞到冷凝段，通過(guò)蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置這個(gè)中間媒介，排氣的熱量就可以傳遞給儲(chǔ)油，實(shí)現(xiàn)蓄能過(guò)程。
【權(quán)利要求】
1.一種基于南極天文觀測(cè)站柴油發(fā)電機(jī)組余熱的發(fā)電及蓄能系統(tǒng)，所述柴油發(fā)電機(jī)組具有排氣管道以及儲(chǔ)油箱，其特征在于，在所述的排氣管道外設(shè)置有一空氣換熱器，在所述的排氣管道與儲(chǔ)油箱之間還連接有一蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置，在所述的排氣管道與空氣換熱器之間設(shè)置有多個(gè)串聯(lián)在一起的發(fā)電模塊，所述發(fā)電模塊通過(guò)控制器與蓄電池相連，所述發(fā)電模塊包括熱端、冷端以及由溫差發(fā)電材料制成的發(fā)電體，所述的熱端和冷端位于發(fā)電體的兩端，所述的冷端與所述的空氣換熱器接觸，所述的熱端與所述的排氣管道接觸，所述的蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置的蒸發(fā)段布置在所述的排氣管道內(nèi)，所述的蒸發(fā)冷凝兩相流自循環(huán)換熱裝置的冷凝段布置在所述的儲(chǔ)油箱內(nèi)，在所述蒸發(fā)段，氣液兩相流體吸熱產(chǎn)生氣泡，迅速膨脹和升壓，推動(dòng)流體工質(zhì)流向鄰管子之間存在的壓力不平衡，使得流體工質(zhì)在蒸發(fā)段和冷凝段之間振蕩流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電及蓄能系統(tǒng)，其特征在于:所述的排氣管道進(jìn)口前連接有排氣凈化裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電及蓄能系統(tǒng)，其特征在于:所述的空氣換熱器的進(jìn)氣為冷空氣，排氣直接排入大氣中，所述的空氣換熱器內(nèi)空氣流動(dòng)方向與所述的排氣管道內(nèi)排氣流動(dòng)方向相反。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電及蓄能系統(tǒng)，其特征在于:所述的溫差發(fā)電材料為半導(dǎo)體熱電材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的發(fā)電及蓄能系統(tǒng)，其特征在于:所述的半導(dǎo)體熱電材料為銻或銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電及蓄能系統(tǒng)，其特征在于:所述控制器為輸出控制電路，調(diào)整所述的溫差發(fā)電模塊輸出的電流與電壓。
【文檔編號(hào)】F28D15/02GK103618479SQ201310699591
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】陳永平, 許兆林, 張程賓, 施明恒 申請(qǐng)人:東南大學(xué)