任意温度范围的高效热力发电

1、任意温度范围的高效热力发电胡修泰1 引言本技术涉及一种热力发电方法，使热发电用于任意规模、任意温度条件。众所周知，现在的火力发电厂是将水加热形成高压蒸汽，驱动涡轮发电机发电。成本高，必须大规模，才有实际意义。近年来，人们发明了碱金属热发电技术，用于中温热发电，排热温度在300左右，但不能用于低温热发电。碱金属热发电技术即使用于中温发电，目前也没形成商业气候。而低温热发电的需求非常广泛，特别是100以下热源的低温条件比比皆是，但苦于没有相应技术加以利用而被大量浪费。如太阳热、发动机水箱余热、发动机排气余热、设备热、灯具热、发电厂余热、化工厂余热、水泥厂余热、地热、供暖等。偏远地区用生活热获得电力

2、，也将极具前景。目前利用这些余热的系统要么成本很高，要么根本不可能。2 方法本技术的目的是要提供一种低温发电方法，用于任何热发电规模和温度条件。本方法分负压介质和常压介质两种情况。负压介质热力发电：主要特征在于：在热源和冷源之间设置热管；在热管上设置热管吸热端、热管形变段和热管放热端；热管吸热端连接到热源；热管放热端连接到冷源；在热管吸热端、热管形变段之间设置热端阀门，用于控制热管形变段是否从热源吸热；在热管放热端、热管形变段之间设置冷端阀门，用于控制热管形变段是否向冷源放热；热管形变段某端或两端连接压电材料，形成发电部件；在发电部件外设置强力位移限制机构，用于限制发电部件的伸长，以便对压电材

3、料形成压力；膨胀发电过程为，关闭冷端阀门、开启热端阀门，热管吸热端从热源吸热向热管形变段传送，使热管形变段膨胀，压电材料受压输出某极性（如正）电流；使用电子技术全额利用该电能，将压电材料两端的电荷如数利用，以便后续步骤有效产生负向电流；收缩发电过程为，关闭热端阀门、开启冷端阀门，热管放热端从热管形变段吸热向冷源传送，使热管形变段放松直至收缩，压电材料上的压力降低甚至变为拉伸力，从而输出反极性（如负）电流；使用电子技术全额利用该电能，将压电材料两端的电荷如数利用，以便后续步骤有效产生正向电流。本技术的基本原理如图1所示。膨胀发电过程为，关闭冷阀门、开启热阀门使热管形变段膨胀，热管形变段和压电材料

4、组成发电部件。由于热管形变段要膨胀，而强力位移限制机构又不允许它们膨胀，所以压电材料受压输出某极性（如正）电流；收缩发电过程为，关闭热阀门、开启冷阀门使热管形变段放松直至收缩，压电材料上的压力降低甚至变为拉伸力，从而输出反极性（如负）电流。全额利用压电材料两端的电荷需要使用开关电源技术，该技术可以将其上的电荷全部用尽。将其全部用尽后，后续的反向电荷会更多。 介质通道 冷阀门 位移限制 位移限制 6 压电材料 热阀门 介质通道 图1热源冷源1冷源1冷源吸热端放热端形变段常压介质热力发电：1冷源1冷源1冷源 冷源 驱动阀门 形结构 压电材料 阀门 驱动 热源 图2 图1设置形变结构，具备热胀冷缩特

5、性；所述形变结构连接若干压电材料，在形变结构和压电材料外设置强力位移限制机构，用于限制发电部件可能的膨胀，以便对压电材料形成压力；称此组合为发电总成；在热源与形变结构之间设置常压传热介质1；在冷源与形变结构之间设置常压传热介质2；膨胀发电过程为，不允许形变段与冷源之间的传热，允许形变段与热源之间的传热，使形变结构膨胀，压电材料受压输出某极性（如正）电流；收缩发电过程为，不允许形变段与热源之间的传热，允许形变段与冷源之间的传热，使形变结构收缩，压电材料放松输出反极性（如负）电流。本发明的基本原理如图2所示。图中冷源可以是散热器，或发电厂的冷水池；传热介质驱动机构可以是涡轮、叶轮、泵等；强力位移限

6、制机构，用于限制发电部件的伸长，以便对压电材料形成压力；热源可以是燃煤锅炉、余热源、路灯热源等。发电总成由形变结构、压电材料、强力位移限制机构等组成。膨胀发电过程为，关闭冷端阀门，开启热端阀门，传热介质使形变结构与热源之间实现热交换，于是形变结构膨胀，形变结构和压电材料组成发电部件。由于形变结构要膨胀，而强力位移限制机构不允许它们膨胀，所以压电材料受压输出某极性（如正）电流；收缩发电过程为，关闭热端阀门，开启冷端阀门，传热介质使形变结构与冷源之间实现热交换，于是形变结构放松直至收缩，压电材料上的压力降低甚至变为拉伸力，从而输出反极性（如负）电流。图2中，形变结构可以是直管状结构、螺管状结构、或

7、柱状结构等。传热介质可以使水、油、气体等流体，也可以使用固体。由于传热介质为常压，可以忽略泄漏问题，于是就可以适于大规模应用。传热介质选用流体时，传热介质可以在形变结构内部流动，也可以在外部流动。如果使用液态流体，控制流体的就是水阀门或水闸。如果使用气态流体，控制流体的就是气阀门或风挡。总之，只要使发电总成交替与热源和冷源实现热交换，就能发电。要实现大规模发电，就要同时使用多个发电总成。在多个发电总成组成的系统中，为了平衡热源负载和冷源负载，就应该让这些发电总成轮流地、分散地与热源和冷源发生热交换。 1 2 风扇 8 3 隔板 7 4 6 5 温水 图3图3为另一种热力发电装置，18为8个发电

8、总成，它们排列成发电柱；隔板上为常温常压大气，隔板下为常压温水池。本装置至少有3个发电总成在温水池里面，接受加热，也至少有3个发电总成在常温大气里面被冷却。旋转发电柱，8个发电总成轮流发出不同极性和相位的电流。这种装置适用于余热力发电。冷热传热介质可以不同，如：上为气体，下为液体；上为固体，下为火焰等。很显然，在图3中，将温水池换成火焰将得到另一种发电装置。这种装置适用于大型火力发电。在图3中，将发电柱上下换成冷热两瓣固体（即半缸），也得到一种发电装置。这时要在发电柱与半缸之间添加润滑油、或导热油，以保证发电柱转动自由，又要减小传热损失。对于使用流体为传热介质的发电柱，其表面应该凹凸不平，以增

9、大传热接触面。而对于使用固体为传热介质的发电柱，则应该表面光滑，同轴。在阀门上做文章，也可以使发电总成轮流与热源和冷源发生热交换。设计一种阀门，为该阀门设置一个公共口，多个分口，任何时刻公共口只与部分分口连通（特殊情况下为1个分口），通过旋转其转轴，使各分口轮流与公共口连通和断开；在所述发电总成上设置传热介质通道和传热介质进出口，这时其形变结构应该为直管状或螺管状；对每个发电总成，使其传热介质进出口分别与所述阀门的对应分口连接；使用2个上述阀门（分别控制传热介质进出），可使各发电总成轮流与热源进行热交换；再使用2个上述阀门，使各发电总成轮流与冷源进行热交换；只要设计各阀门的旋转相位，尽量保证任

10、何发电总成不会同时与热源和冷源进行热交换。这种发电装置的传热介质最好为廉价的水。3 分析讨论本技术对应的方法虽然简单，但要综合利用好几种现代新技术：热管技术；压电技术；开关电源技术。所以它是现代科学技术发展的必然结果。本技术对热源的温度无严格要求，可以设计梯级发电系统，将热电效率大大提高。任何设备运行时都会发热，人们往往使用水冷的措施为其降温。该热量也可以用来发电，大型设备的发电量也很可观。有的路灯功耗很大，95以上都变成热，可以发电。利用暖气热可以发电供应本房间使用，而且丝毫不影响供暖效果，相当于白发电。在偏远地区用生活热获得电力将改善很多人的生活。本技术第1部分注重热管技术，在小规模使用中

11、，使用热管的自动热流动现象无疑是比较理想的。其实，在大规模使用时，热管技术难以使用，但同时也无需使用热管技术。我们可以设计使用流体介质如水、气、等，只不过要驱动介质流动或发电柱转动，而在大规模应用中这是很简单的事情。考察太阳热电站，他们是将太阳光聚焦，将水加热到很高温度，然后驱动气轮机发电。这种方法成本太高。如果利用本技术，成本可以大大压缩。考察燃料电池，他们是利用氢气于氧气反应放出的化学能，在膜的作用下产生电能。这种方法成本高，膜的寿命短，效率也不高。如果利用本技术，成本也可以大大压缩。因为氢气与氧气反应放出的化学能总量就是燃烧时放出的热量，提高利用效率就行了。4 结论总之，本技术在各方面都找不出任何漏洞，时可行的。极具经济前景和环保前景。关于本发电项目的应用，有几种情况：1、 小规模产品：主要用于偏远地区生活热发电、太阳热发电、设备工作废热发电、汽车废热发电、路灯废热发电等；要求较低，热电效率一般；规模气候全球年效益200亿美元； 2、 大规模设备：主要用于钢铁厂余热发电、热电厂余热发电、化工厂余热发电、水泥厂余热发电设备等；要求较