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一種海洋溫差能發電裝置.pdf

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一種 海洋 溫差 發電 裝置
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摘要
申請專利號:

CN201310615973.1

申請日:

2013.11.28

公開號:

CN103670981A

公開日:

2014.03.26

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):F03G 7/06申請日:20131128|||公開
IPC分類號: F03G7/06 主分類號: F03G7/06
申請人: 浙江大學
發明人: 王林翔; 楊軍; 張誠
地址: 310027 浙江省杭州市西湖區浙大路38號
優先權:
專利代理機構: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224 代理人: 胡紅娟
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201310615973.1

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2016.07.06|||2014.04.23|||2014.03.26

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種海洋溫差能發電裝置,包括置于海水中的支架,支架的頂部設有同步轉動的主動輪和從動輪,支架的底部安裝有第一滑輪,所述主動輪和從動輪的下方設有第二滑輪和第三滑輪,并設有繞置在所述主動輪、從動輪、第一滑輪、第二滑輪和第三滑輪上的雙程形狀記憶合金彈簧,還包括受所述主動輪帶動的發電裝置。本發明根據形狀記憶合金在不同環境溫度下具有不同形狀的特性,可以將海水垂直方向上的熱能,轉換成發電裝置的動能,實現對海洋溫差能的開發和利用。

權利要求書

權利要求書
1.  一種海洋溫差能發電裝置,包括置于海水中的支架(1),其特征在于,支架(1)的頂部設有同步轉動的主動輪(6)和從動輪(7),支架(1)的底部安裝有第一滑輪(11),所述主動輪(6)和從動輪(7)的下方設有第二滑輪(3)和第三滑輪(4),并設有繞置在所述主動輪(6)、從動輪(7)、第一滑輪(11)、第二滑輪(3)和第三滑輪(4)上的雙程形狀記憶合金彈簧(2),還包括受所述主動輪(6)帶動的發電裝置。

2.  如權利要求1所述的海洋溫差能發電裝置,其特征在于,設有與主動輪(6)同軸固定的第一皮帶輪(8),所述從動輪(7)同軸固定有第二皮帶輪(9),所述第一皮帶輪(8)和第二皮帶輪(9)上繞置有同步皮帶(10)。

3.  如權利要求1所述的海洋溫差能發電裝置,其特征在于,所述主動輪(6)、從動輪(7)、第一滑輪(11)、第二滑輪(3)和第三滑輪(4)的徑向邊緣均設有與所述雙程形狀記憶合金彈簧(2)配合的凹槽。

4.  如權利要求1所述的海洋溫差能發電裝置,其特征在于,位于第二滑輪(3)和第三滑輪(4)之間的雙程形狀記憶合金彈簧(2)所處的海水區域安裝有輔助加熱裝置。

5.  如權利要求4所述的海洋溫差能發電裝置,其特征在于,所述的輔助加熱裝置包括置于所述海水區域的加熱器(5),以及與加熱器(5)連接并置于海面上的太陽能電池板。

6.  如權利要求5所述的海洋溫差能發電裝置,其特征在于,所述的加熱器(5)為盒狀,所述的第二滑輪(3)和第三滑輪(4)放置在盒體內。

7.  如權利要求1所述的海洋溫差能發電裝置,其特征在于,所述的第一滑輪(11)為并排布置的兩個。

8.  如權利要求1所述的海洋溫差能發電裝置,其特征在于,所述的雙程形狀記憶合金彈簧(2)的材料為TiNi合金。

9.  如權利要求8所述的海洋溫差能發電裝置,其特征在于,所述的 主動輪(6)的半徑為所述從動輪(7)半徑的3倍。

10.  如權利要求9所述的海洋溫差能發電裝置,其特征在于,所述支架(1)外側安裝有防護網。

說明書

說明書一種海洋溫差能發電裝置
技術領域
本發明涉及傳動發電裝置,尤其涉及一種海洋溫差能發電裝置。
背景技術
長期以來,由于以石油、煤炭等為代表的石化能源帶來的日益嚴重的環境問題,和石化能源資源的匱乏而導致的全球能源危機,使得世界各國都認知到,為了實現社會與經濟的可持續發展,就必須優化能源結構,保護生態環境,降低石化能源在一次能源中的比例。在可再生的清潔能源中,海洋溫差能儲量最大,是國際社會公認的最具開發潛力的能源之一。所以怎樣有效地獲取海洋溫差能對于國家和整個世界的整體能源結構的調整、緩解未來能源壓力都有重要意義。
到目前為止,在利用海洋溫差能發電的研究方面,絕大多數的研究都是基于低沸點工作介質的熱動力學蘭肯循環而開展的。其原理都是通過熱交換器將暖海水的熱能轉移到工作介質上,使其蒸發、膨脹、從而推動汽輪機發電,再利用從深海提升上來的冷海水使工作介質冷凝。這種能量的轉換方式,在其規模擴大時,總是存在技術上的瓶頸,這啟發我們在開發海洋溫差能時,應嘗試其他的能量轉換方式。
其中,利用形狀記憶合金材料的內在熱彈性耦合特征的能量轉換方式,就是一種極具應用前景的方式。形狀記憶合金(Shape Memory Alloys,簡稱SMA)是一種能夠記憶原有形狀的智能材料。當合金在低于相變態溫度下,受到一有限度的塑性變形后,可由加熱的方式使其恢復到變形前的原始形狀,這種特殊的現象稱為形狀記憶效應(Shape Memory Effect,簡稱SME)。而當合金在高于相變態溫度下,施以一應力使其受到有限度的塑性變形(非線性彈性變形)后,可利用直接釋放應力的方式使其恢復到變形前的原始形狀。作為廣泛應用的一種智能材料,形狀記憶合金具有內 在的熱彈性耦合特征,能在材料內部實現熱能和機械能之間的自動轉換,并能在溫度和應力作用下誘發馬氏體相變和重定向。這一獨特特征使得形狀記憶合金在許多工程領域得到了應用,并隨著材料科學與工程技術的發展而迅猛的發展。所以基于形狀記憶形合金這種對溫度的特殊敏感性,結合海洋中的溫差的分布,可以利用形狀記憶合金將海水溫差轉換為機械能和電能。
發明內容
本發明提供了一種海洋溫差能發電裝置,利用形狀記憶合金在不同海水層的溫度差使馬氏體相變來帶動設備發電,尤其利用一種具有雙程記憶效應的形狀記憶合金,根據形狀記憶合金在不同環境溫度下具有不同形狀的特性,可以將海水垂直方向上的熱能,轉換成發電裝置的動能,實現對海洋溫差能的開發和利用。
一種海洋溫差能發電裝置,包括置于海水中的支架,支架的頂部設有同步轉動的主動輪和從動輪,支架的底部安裝有第一滑輪,所述主動輪和從動輪的下方設有第二滑輪和第三滑輪,并設有繞置在所述主動輪、從動輪、第一滑輪、第二滑輪和第三滑輪上的雙程形狀記憶合金彈簧,還包括受所述主動輪帶動的發電裝置。
雙程形狀記憶合金彈簧是利用具有雙程記憶效應的形狀記憶合金制成的彈簧,當這種彈簧放在熱水中時,彈簧的長度立即收縮,在冷水中時,彈簧會立即回復原狀。
海洋中海水在垂直方向上有溫度差,深度越大,溫度越低。當本發明的裝置放置在具有溫差的海水中后,位于支架頂部的雙程形狀記憶合金彈簧處于溫度較高的海水中,而支架底部的彈簧則處于溫度較低的海水中,由于上層的海水溫度較高,下層的海水溫度較低,根據雙程形狀記憶合金彈簧的雙程記憶效應,處于溫度較高的海水區域內的雙程形狀記憶合金彈簧收縮,產生兩個大小相等方向相反的拉應力T,并分別作用于主動輪和從動輪,但是主動輪的半徑大于從動輪的半徑,在同等拉應力T的拉動下,對主動輪產生的力矩要大于從動輪生產的力矩,從而使主動輪帶動從動輪 轉動,并帶動發生裝置發電。
作為優選的,設有與主動輪同軸固定的第一皮帶輪,所述從動輪同軸固定有第二皮帶輪,所述第一皮帶輪和第二皮帶輪上繞置有同步皮帶。
主動輪帶動第一皮帶輪,第一皮帶輪經同步皮帶帶動第二皮帶輪轉動,從而實現主動輪帶動從動輪轉動。
作為優選的,所述主動輪、從動輪、第一滑輪、第二滑輪和第三滑輪的徑向邊緣均設有與所述雙程形狀記憶合金彈簧配合的凹槽。
雙程形狀記憶合金彈簧類似于皮帶,繞置在主動輪、從動輪、第一滑輪、第二滑輪和第三滑輪上,設置的凹槽,可防止雙程形狀記憶合金彈簧的滑脫。
作為優選的,位于第二滑輪和第三滑輪之間的雙程形狀記憶合金彈簧所處的海水區域安裝有輔助加熱裝置。
在海水溫差較小的情況下,裝置不能正常運行,或者發電裝置的發電量不能滿足需求,還可以設置輔助加熱裝置,以提高第二滑輪和第三滑輪之間的雙程形狀記憶合金彈簧所處海水區域的溫度,加強雙程形狀記憶合金彈簧的收縮,增加主動輪所受到的拉應力,提高轉速。
作為進一步優選的,所述的輔助加熱裝置包括置于所述海水區域的加熱器,以及與加熱器連接并置于海面上的太陽能電池板。
輔助加熱裝置采用太陽能電池板作為能量供應器,利用自然存在可再生太陽能,輔助加熱對應的海水區域,增加海水在垂直方向上的溫差,保證裝置的正常運行。
作為進一步優選的,所述的加熱器為盒狀,所述的第二滑輪和第三滑輪放置在盒體內。
加熱器可以設置為板狀或盒狀,本發明優選使用盒狀,使第二滑輪和第三滑輪放置在盒體內,增加雙程形狀記憶合金彈簧處于溫度較高海水中的長度,使其收縮產生的拉應力更大。
作為優選的,所述的第一滑輪為并排布置的兩個,利于保持裝置在運行過程中的平衡和穩定。
作為優選的,所述的雙程形狀記憶合金彈簧的材料為TiNi合金。
具有記憶效應的合金有Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb等,本發明優選使用記憶效應較好的TiNi合金。
作為優選的,所述的主動輪的半徑為所述從動輪半徑的3倍。
主動輪相對從動輪越大,主動輪受拉應力產生的力矩更大,更容易帶動從動輪,在本發明中,考慮到各方面的因素,將主動輪的半徑設置為從動輪的3倍。
作為優選的,所述支架外側安裝有防護網,可阻擋海底生物進入支架內,防止海底生物影響裝置的正常運行。
本發明的海洋溫差能發電裝置具有以下優點:
1、充分利用了新型功能材料形狀記憶合金的獨特材料性質,無需從陸上遠距離傳輸能量,將海底火山口附近溫度場中的能量轉換成驅動發電裝置的動力,能很好地適應海底特殊的工作環境;
2、與傳統的陸上遠距離輸電方式相比,大大減少了工程上實現的難度;與蓄電池相比,可長期持續地把海洋中的溫差能轉換成電能,減少了蓄電池定期更換的技術難度;
3、在垂直溫差過小導致裝置不能運行時,可用太陽能輔助加熱,增加裝置的應用范圍。
附圖說明
圖1是本發明裝置結構的主視圖;
圖2是本發明裝置結構的俯視圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
如圖1所示,一種海洋溫差能發電裝置,主要包括支架1、主動輪6、從動輪7、一對皮帶輪、同步皮帶10、第一滑輪11、第二滑輪3、第三滑輪4、雙程形狀記憶合金彈簧2、太陽能輔助加熱裝置、以及由主動輪6輸出軸帶動的發電裝置。
支架1為長方體形狀的框架,由角鋼與鋼板通過螺母拼接而成。主動 輪6和從動輪7安裝在支架1的頂部,第一滑輪11放置在支架1底部,第二滑輪3和第三滑輪4分別安裝在主動輪6和從動輪7下方的支架1上,雙程形狀記憶合金彈簧2繞置在主動輪6、從動輪7、第一滑輪11、第二滑輪3和第三滑輪4上,其中第一滑輪11為并排布置的兩個。
如圖2所示,支架1的頂部固定有鋼板,鋼板中間開有一個長方形的開口,主動輪6和從動輪7放置在開口內,且主動輪6和從動輪7的轉軸兩端帶有滾針軸承,滾針軸承放置在開口兩側的軸承支座12和軸承支座13內,鋼板上開有螺栓孔,軸承支座通過螺栓固定在鋼板上。主動輪6和從動輪7上分別同軸固定有皮帶輪8和皮帶輪9,兩個皮帶輪之間繞置有同步皮帶10,實現主動輪6和從動輪7的同步轉動。
第二滑輪3和第三滑輪4分別位于主動輪6和從動輪7下方,安裝在對應的支架橫梁上,雙程形狀記憶合金彈簧2將第二滑輪3和第三滑輪4與主動輪6和從動輪7構成一個循環體。
主動輪6、從動輪7、第一滑輪11、第二滑輪3和第三滑輪4的徑向邊緣均設有與雙程形狀記憶合金彈簧2配合的凹槽,雙程形狀記憶合金彈簧2就位于凹槽內,不易滑脫。
為增加本發明裝置的使用范圍,在第二滑輪3和第三滑輪4之間的雙程形狀記憶合金彈簧2所處的海水區域安裝有輔助加熱裝置,用于提高該海水區域的溫度,增加海水垂直高度上的溫差,使裝置能夠在溫差較小的海水中發電。輔助加熱裝置包括加熱器5和太陽能電池板,加熱器5放置在第二滑輪3和第三滑輪4所處的海水區域中,太陽能電池板安裝在海面上,用于吸收太陽能為加熱器5提供能源。加熱器5為盒體狀,其內部能夠容納第二滑輪3和第三滑輪4,增加雙程形狀記憶合金彈簧2在高溫海水中的長度,使收縮產生的拉應力更大,發電效率更高。
在本實施例中,主動輪6的半徑為從動輪7半徑的3倍,雙程形狀記憶合金彈簧2采用記憶效應較好的TiNi合金制成,且支架1外側安裝有防護網,能夠阻擋海底生物進入發電裝置內。
本發明的裝置放置在垂直方向上有較大溫度梯度的海水中,上層海水溫度較高,下層海水溫度較低,使雙程形狀記憶合金彈簧2的上面部分處 在溫度較高的海水中,而下面部分則處在溫度較低的海水中。雙程形狀記憶合金彈簧處于較高溫度海水中的部分,因溫度較高收縮而產生兩個大小相等方向相反的拉應力T,而處于下層溫度較低的海水中時,雙程形狀記憶合金彈簧遇冷后能夠恢復到原始狀態。由于支架頂部的主動輪6和皮帶輪8同軸設置,從動輪7和皮帶輪9同軸設置,且兩個皮帶輪通過同步皮帶10傳動聯接,則主動輪6和從動輪7只能同向轉動。同時,主動輪6的半徑大于從動輪7半徑,因此在同等拉應力T的拉動下,主動輪6產生的力矩要大于從動輪7產生的力矩,因此,圖1中裝置的各個轉動輪將順時針方向轉動,從而通過輸出軸帶動發電裝置發電,為海上作業設備帶來源源不斷的動力。

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