一种水压氢能发电系统的制作方法

本发明属于能量综合利用技术领域，涉及一种水压氢能发电系统。

背景技术：

自然界充满着无限的常温能源，空气、海水等无限量的常温能源，具有开发潜力。地球上的能源绝大部分来自于太阳，在能源日益紧缺的今天，新的可再生绿色洁净发电技术日益受到重视。现在新能源中，水能和风能发电技术应用较为普遍，技术也较为成熟。水电开发潜力不大，而风力又过于分散，只能在一些特定区域有用，而且水能和风能发电装置投入很大，占地面积广。空气能已逐步进入人们的视野中，目前空气能热水器也得到了普遍应用，其原理就是利用空气中的热能，通过热泵加热水。但是利用空气能发电的技术非常少，技术不够成熟，难以推广应用。

授权公告号为cn202055876u，授权公告日为2011年11月30日的中国实用新型专利公开了一种新能源太阳能热力超临界低温空气能发电装置。包括吸热器、膨胀发电机组、回热器、冷却器、增压泵、制冷机及其管道附件及检测和控制装置，密闭系统内有氮气或混合工质。工质经吸热器成为高压超临界流体，经膨胀发电机组做功发电成为临界状态工质，经回热器、冷却器冷凝，由增压泵压入回热器换热再进吸热器吸热形成封闭循环发电系统。它也可以用于余热废热地热等中低温热源发电，工质用二氧化碳或混合工质。该实用新型专利能够将空气能转化成推动发电机组转动的动能，但是因冷却器冷凝需要耗能，其系统能量转换率变低，发电机发电量较小，实际推广价值有限。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种水压氢能发电系统，以氢气等为循环工质，利用金属储氢材料的吸氢/放氢特性产生的与大气压力之间的压力差，推动氢气往复式活塞发电机发电或驱动设备，充分利用大自然能量及工业余热，有利于节能减排和创造经济效益。

本发明的技术方案是：

一种水压氢能发电系统，包括氢反应床单元、氢气水压单元、发电单元、蓄电池和外部电网，所述发电单元电路连接到蓄电池和外部电网。所述发电单元包括至少一组氢气往复式活塞发电机和两个气缸的组合，所述两个气缸位于氢气往复式活塞发电机的两侧，气缸内设有活塞。所述氢气往复式活塞发电机设有线圈、磁推杆和中心通道，所述磁推杆穿过中心通道与两侧气缸中的活塞连接。所述气缸设有进气口和出气口，所述进气口和出气口分别设有阀门。所述两侧气缸的进气口通过氢气进口管路与氢气水压单元连接，所述两侧气缸的出气口通过负压氢气入口管路与氢反应床单元连接，所述氢反应床单元通过负压氢气出口管路连接到氢气水压单元。

所述氢气水压单元设有左浮箱、右浮箱和水泵。所述左浮箱和右浮箱分别设有水槽和浮体，所述水槽为环形结构，所述浮体扣装在水槽的水面。所述水泵为双向泵，水泵分别与左浮箱和右浮箱的水槽连接。所述浮体上设有浮箱氢气出口和浮箱氢气进口，所述浮箱氢气出口和浮箱氢气进口分别设有阀门。所述氢反应床单元通过负压氢气出口管路连接到左浮箱和右浮箱的浮箱氢气进口，所述左浮箱和右浮箱的浮箱氢气出口通过氢气进口管路连接到气缸的进气口。

所述氢反应床单元设有换热中心和至少两台氢反应床，所述换热中心包括高负压循环部分和低负压循环部分，所述高负压循环部分和低负压循环部分通过换热盘管进行间壁换热。所述氢反应床设有负压氢气入口、负压氢气出口、换热氢气入出口和换热氢气出入口，换热氢气出入口通过氢气循环管路经三通阀分为两路，一路出口连接到换热中心的高负压循环部分，一路连接到低负压循环部分。高负压循环部分和低负压循环部分经三通阀和氢气循环管路连接到换热氢气入出口，氢气循环管路设有氢气循环泵。所述氢反应床的负压氢气出口通过负压氢气出口管路连接到氢气水压单元内浮箱氢气进口。所述气缸的出气口经负压氢气入口管路连接到氢反应床的负压氢气入口。所述换热盘管包括但不限于可以由3d打印的装置或虫洞的装置所代替，使冷热流体间隔通过各自的换热通道，以增加换热效率。

所述氢反应床内装载金属储氢材料，包括但不限于稀土系金属氢化物。氢气由氢气入口进入氢反应床，氢气被储氢材料吸收形成金属氢化物，对完成吸氢后的金属氢化物加热放出氢气。所述氢反应床为至少一级结构，或者为阶梯利用热量的多级结构，允许每级氢反应床中的每个氢反应床内的金属氢化物的品种、质量或体积可以不一样，每级氢反应床的吸放氢气的温度和压力可以相同或者不同。

允许金属氢化物和/或包括但不限于氢气的循环介质中增加固体、液体、气体物质，起催化剂作用，从而稳定地增加吸放氢速度，或提高金属氢化物吸氢的百分比或金属氢化物放氢的百分比，或改变金属氢化物的p-c-t曲线。

所述氢反应床采用循环介质与加热介质间壁或非间壁换热，加热介质为空气、烟气、海水、河水、湖水、气体加热介质、液体加热介质、固体加热介质、气液固之间二二混合或三相混合加热介质。氢反应床采用的高压或低压循环介质包括氢气但不限于氢气，直接进入氢反应床进行加热或移热，或采用电、电磁或内部加热的方式，或采用外加热的方式，或同时采用内外加热的方式，循环介质为氢气或其他稳定介质，循环介质可以是气体、液体、固体，或气液固之间二二混合或三相混合循环介质，直接进入氢反应床进行加热或移热。对氢反应床吸氢时放出的反应热，采用换热循环介质进行移热，换热循环介质包括但不限于氢气。对氢反应床放氢时需要的反应热，采用换热循环介质进行加热，外界的热量直接带入氢反应床，加热循环介质包括但不限于氢气。所述氢反应床单元被具有稳定压力功能的阀门和/或储气罐系统所代替。

所述氢气进口管路和负压氢气入口管路设置净化器，防止润滑剂等残留物外泄，不允许有任何的润滑剂泄露到系统外，外扩散的润滑剂在系统内进行收集处理。

所述氢气水压单元替换为包括但不限于活塞、重力、机械、气力、真空、液力、电磁、回转机械的方法或它们的组合，从而可靠的实现包括但不限于等压压缩的任何方法都适用。所述发电单元中的装置替换为包括但不限于回转发电机械或活塞发电机械。

所述所有管路均为防静电复合管，管路和设备均设内保温或外保温或内外保温，同时均设有氮气保护装置，使氢气不能泄露到大气环境中。允许浮箱设置加热器，根据工艺要求提高或降低储浮箱内的温度。允许在氢气进口管路、负压氢气入口管路和/或负压氢气出口管路上设置旁路，旁路上装有空气能温度调节器或加热器，保证进入氢反应床单元的氢气温度恒定。

所述浮箱设有至少一个，来自氢反应床单元放氢的负压气体进入浮箱时通过水泵加压将浮箱的浮体上浮，形成负压，从而使负压气体进入，当负压气体进入完成后，用水泵将浮箱水槽内的水泵走，从而利用大气压及重力作用压缩负压气体到0.1mpa，并且随着气体排出过程中浮体跟随变化，以确保浮箱出口压力为0.1mpa。所述浮箱包括但不限于被液压活塞、气动活塞所代替，可以被能接受负压氢气源并形成稳定的0.1mpa氢气的装置所代替。

本发明水压氢能发电系统利用发电单元、氢反应床单元和氢气水压单元相结合，以氢气等为循环工质，根据氢反应床单元中金属储氢材料的吸氢/放氢特性，利用其吸氢形成负压端，吸氢后的金属储氢材料可在更低压力下放氢实现循环使用，放出的负压氢气在大气压作用下形成常压端，通过工质氢气在常压端和负压端之间循环流动驱动活塞并带动磁推杆作往复运动，切割线圈磁力线，使氢气往复式活塞发电机发电，充分利用了大自然的能量，有利于节能减排和创造经济效益。将本发明安装在轮船等交通工具，可以利用其它自然物质所携带的能量，通过工质循环驱动氢气往复式活塞发电机发电，将大气压力转变为电能，进而驱动交通工具运行，实现绿色交通。

附图说明

图1为本发明水压氢能发电系统的流程示意图；

图2为浮箱结构示意图。

其中：1—氢反应床单元、2—线圈、3—气缸、4—氢气往复式活塞发电机、5—蓄电池、6—磁推杆、7—活塞、8—输电电线、9—负压氢气入口、10—换热氢气入出口、11—高负压循环部分、12—低负压循环部分、13—发电单元、14—进气口、15—出气口、17—外部电网、18—阀门、19—负压氢气出口、20—换热氢气出入口、21—氢气进口管路、22—负压氢气入口管路、25—换热盘管、26—负压氢气出口管路、27—氢反应床、29—空气能温度调节器、30—氢气水压单元、36—氢气循环管路、37—三通阀、38—氢气循环泵、41—净化器、42—浮箱氢气出口、43—浮箱氢气进口、44—水槽、45—左浮箱、46—水泵、47—右浮箱、48—浮体。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。本发明保护范围不限于实施例，本领域技术人员在权利要求限定的范围内做出任何改动也属于本发明保护的范围。

本发明水压氢能发电系统如图1所示，包括氢反应床单元1、氢气水压单元30、发电单元13、蓄电池5和外部电网17，发电单元13电路连接到蓄电池和外部电网。发电单元13发的电一部分储存在蓄电池5，一部分并入电网外供。

发电单元13包括氢气往复式活塞发电机4和两个气缸3，两个气缸位于氢气往复式活塞发电机4的两侧，气缸内设有活塞7。氢气往复式活塞发电机4设有线圈2、磁推杆6和中心通道，磁推杆6穿过中心通道与两侧气缸中的活塞连接，使一个气缸的活塞贴近氢气往复式活塞发电机一端时，另一气缸的活塞位于远离氢气往复式活塞发电机的一端。气缸设有进气口14和出气口15，进气口14和出气口15位于远离氢气往复式活塞发电机的一侧，进气口14和出气口15分别设有阀门18。

氢反应床单元1设有3台氢反应床27和换热中心。氢反应床27设有负压氢气入口9、负压氢气出口19、换热氢气入出口10和换热氢气出入口20。换热中心包括高负压循环部分11和低负压循环部分12，高负压循环部分与低负压循环部分通过换热盘管25间壁换热。换热氢气出入口20通过氢气循环管路36经三通阀37分为两路，三通阀37一路出口连接到换热中心的高负压循环部分11，一路连接到低负压循环部分12。高负压循环部分11和低负压循环部分12经三通阀37和氢气循环管路36连接到换热氢气入出口10，氢气循环管路36设有氢气循环泵38。为保证氢反应床27温度均匀，换热氢气入出口10和换热氢气出入口20不定期进行切换，即一段时间内循环氢气经换热氢气入出口10进入，另一段时间内循环氢气改经换热氢气出入口20进入。

氢气水压单元30设有左浮箱45、右浮箱47和水泵46。左浮箱和右浮箱分别设有水槽44和浮体48，水槽为环形结构，浮体扣装在水槽的水面。水泵为双向泵，水泵分别与左浮箱和右浮箱的水槽连接。浮体上设有浮箱氢气出口42和浮箱氢气进口43，浮箱氢气出口42和浮箱氢气进口43分别设有阀门18。氢反应床单元1通过负压氢气出口管路26连接到左浮箱和右浮箱的浮箱氢气进口43，左浮箱和右浮箱的浮箱氢气出口42通过设有净化器41氢气进口管路21连接到气缸3的进气口14。两侧气缸3的出气口15经负压氢气入口管路22通过净化器41连接到氢反应床27的负压氢气入口9。负压氢气出口管路26、氢气进口管路21和负压氢气入口管路22均设有阀门18。浮箱设有左右两个，或者只设置左浮箱，或者只设置右浮箱，来自氢反应床单元放氢的负压气体进入浮箱时通过水泵加压将浮箱的浮体上浮，形成负压，从而使负压气体进入，当负压气体进入完成后，用水泵将浮箱水槽内的水泵走，从而利用大气压及重力作用压缩负压气体到0.1mpa，并且随着气体排出过程中浮体跟随变化，以确保浮箱出口压力为0.1mpa。

氢反应床单元1的工作过程为：三台氢反应床交替进行吸氢/放氢操作，保证任何时间均有两台氢反应床进行吸氢，一台氢反应床进行放氢。氢反应床在低负压下进行吸氢，并在同样温度及高负压下进行放氢。氢反应床吸氢时会放热，放氢时则会吸热。氢反应床设有循环换热管线，可通过三通阀在放氢吸热时切换连通到换热中心的高负压循环部分，在吸氢放热时切换连通到换热中心的低负压循环部分；换热中心的高负压循环部分内的循环换热氢气与换热中心的低负压循环部分内的循环换热氢气通过换热盘管进行间壁换热，从而实现了将两台氢反应床吸氢时放出的反应热提供给另一台氢反应床在高负压条件下放氢时使用。氢反应床单元1吸氢时形成负压，从而实现了常压氢气在氢气往复式活塞发电机4内的往复式运动；氢反应床单元1吸收的氢气在更高负压下放出，进入到氢气水压单元30中的浮箱。

本实施例的工作过程为：以低海拔大气条件举例说明，0.1mpa，84℃，流量0.09kg/s的常压氢气进入氢气往复式活塞发电机4内驱动活塞往复式运动并切割磁力线发电，发电功率100kw；氢气往复式活塞发电机出口0.034mpa，0℃的氢气进入氢反应床单元1进行吸氢过程，吸氢后的金属储氢材料在0℃、0.024mpa下进行放氢，吸氢放出的反应热供给放氢时使用；从氢反应床单元1的负压氢气出口19排出的0℃、0.024mpa的氢气进入氢气水压单元30，利用大气压增压至84℃、0.1mpa，然后连接到氢气往复式活塞发电机4的入口。以上金属储氢材料采用稀土类金属氢化物。

允许金属氢化物和/或包括但不限于氢气的循环介质中增加固体、液体、气体物质，起催化剂作用，从而稳定地增加吸放氢速度，或提高金属氢化物吸氢的百分比或金属氢化物放氢的百分比，或改变金属氢化物的p-c-t曲线。金属氢化物的p-c-t曲线是测量在一定温度下，金属储氢材料的储氢量与其平衡压力关系的曲线；即在等温条件下，金属储氢材料与氢气的平衡相图。平衡压力对数值作纵坐标，吸放氢量作横坐标。

氢反应床单元1可以被起到类似功能的稳压-减压阀所代替。

氢反应床单元1的换热氢气入出口和换热氢气出入口的循环介质采用氢气直接进入氢反应床，当吸氢时由循环介质氢气直接将吸氢放热带出氢反应床，当放氢时由循环介质氢气直接将放氢需要的热量带入氢反应床。

氢气进口管路21和负压氢气入口管路22设置净化器41，防止润滑剂等残留物外泄，不允许有任何的润滑剂泄露到系统外，外扩散的润滑剂在系统内进行收集处理。

所有管路均为防静电复合管，管路和设备均设内保温或外保温或内外保温，同时均设有氮气保护装置，使氢气不能泄露到大气环境中。

允许浮箱设置加热器，根据工艺要求提高或降低浮箱内的温度。允许在氢气进口管路21、负压氢气入口管路22和/或负压氢气出口管路26上设置旁路，旁路上装有空气能温度调节器29或加热器，保证进入氢反应床单元1的氢气温度恒定。

调整发电单元13的进气量、进气速度和加入每个气缸的量和进气速度，从而从气缸中出来稳定温度、压力和流量的氢气流进入氢反应床单元。