一种微温差热能燃气直行发电机的制作方法

本发明属于热能发电技术领域，具体涉及一种热能转换器两端有微小温差就能摆动发电的热能发电装置。

背景技术：

目前工业化使用的沼气等燃气热能发电装置有两种：一种是借用内燃机发电的装置；另一种采用低沸点工作介质的涡轮发电机。因为沼气中甲烷含量只有50％-70％，含有大量二氧化碳和腐蚀气体(天燃气中的甲烷含量为99.5％)，直接通入内燃机会产生后燃烧现象，发电效率低，而且因腐蚀金属，严重影响机器的使用寿命。若将沼气进行提纯处理，发电成本会大大提高。

低沸点工作介质的涡轮发电机是将蒸汽轮发电机中的工作介质由水换成了低沸点工作介质，热源的质量要求可以降低，但原蒸汽发电的各系统一个也不能少，依然要产生高压高速的循环气体。无法降低发电成本，无法提高使用寿命和安全性；且操作复杂；保养和维修成本高。

热力循环模式决定了上述两种发电机的发电能效都不高，只有20％-40％。

技术实现要素：

为了克服现有内燃机沼气发电和低沸点工作介质的涡轮发电中存在的热源要求高，效能低下，设备复杂，经济性差等问题，本发明推出一种微温差热能燃气直行发电机。该热能发电机不仅可以利用天燃气、页岩气、矿井煤气发电，而且可以利用原生沼气等劣质能源来发电。该热能发电机的热力循环属于一种新的热力学循环模式，转换效能高，经济性好，且采取低温低压低速的安全、长寿命工作方式。

本发明所采用的技术方案是：利用带加热系统的热能转换器两端的温度差，产生大的饱和蒸气压差，将热能直接转换成机械能，再由机械能转变为电能。一套微温差热能燃气直行发电机包括若干套直行发电装置和一台控制器。控制器控制各直行发电装置协调运行，保证电力的稳定输出。见图1。

直行发电装置由四部分组成：带加热系统的热能转换器、连杆传动机构、三角底座支撑架和直行发电输出单元。

热能转换器是呈哑铃形的特制密封容器，由两个一端开口的长管颈容器对接而成。其中一个口径管径大，一个口径管径小。另一端不开口，是大于管径的大头。管部可以是圆筒形的或非圆筒形的；头部可以是空心球形的或空心非球形的；容器材质可以是金属的或非金属的。将两容器开口相对，口径管径小的插入口径管径大的里面，进行套接。在套接前向容器中注入一定量的低沸点液体，套接到位后，将套接的两管径之间用密封材料或焊接方式进行密封，使气体和液体无法溢出(如图2)。形成一个两端大头的特制密封容器(特制密封容器也可以采用两个空心球体的开口与中间长管颈容器管口对焊的方式完成)。其两端的大头分热头端和冷头端，热头端的容积要大于冷头端的容积。热头端安装有加热系统。先将特制密封容器水平放置，在管径中部找出水平位置的平衡轴线，从平衡轴线向冷头端作水平位移，找出合适的支撑轴线(如图3)。该支撑轴线须满足下面条件：以该轴线为轴心，热头端(a端)力矩变大，向下摆动，使a端降低而冷头端(b端)升高，形成a和b两端均存有气体的液体隔断空间。

液体在不同的温度下会产生不同的饱和蒸气压，液、气两相相变达到新的平衡。低沸点的液体热头端液面的饱和蒸气压远高于冷头端的，热头端液面的温度越高而冷头端温度不变，两端的压差就越大。

低沸点液体可以是工业制冷剂，也可以是为热能转换器特制的工作介质。

热头端(a端)加热系统(图4)，包括：悬浮导热板、导热管、导热软线、加热盘、电子点火器、燃气软管和磁屏蔽板等组成。

a端到达低位(启动位置)时，安装在a端下腹部的磁屏蔽板插入安装在三角底座支撑架上的非接触式电磁监测器，非接触式电磁监测器开启通电，发信号给控制器，控制器发指令给电子点火器，使其开通燃气软管并点燃与供气管路相连的加热盘(也可以采用小的长燃引火头方式点燃加热盘)，加热盘燃烧将热能通过导热管向下传入a端内，再通过导热软线将热能传导到悬浮导热板，悬浮导热板悬浮在a端液面，a端液面温度快速升高，产生大的饱和蒸气压，压迫管内液体流向b端，a端液面下降b端液体位置上抬，造成重心移向支撑轴线，继而越过支撑轴线，使a端上摆，b端下摆，磁屏蔽板离开非接触式电磁监测器，控制器收到关闭信号，发出指令给电子点火器，加热盘灭火。在b端下摆的过程中，由于管内的更多液体流向b端头部，向下力矩逐步加大，再加上动压头的作用，摆动加快。摆动到水平位置附近时，a、b两端的气体贯通，两端气体压力差为零，动压头亦为零。此刻，重心又回到处于水平位置的a端，a端力矩又变大，又开始向下摆动，到启动位置，a和b两端恢复成原先两个气室的液体隔断空间，完成一个运动周期。这样在温度差的作用下，热能不断地转变成机械能，周而复始，循环不断。

导热管内装导热介质，外管材质为高导热性金属。管型可以是“u”型的，也可以是非“u”型的。导热软线材质可以是银、铝等高导热性金属，也可以是石墨烯材料。悬浮导热板比重小于低沸点液体比重，上下面采用高导热性金属，板面采取镂空工艺(见图4)，可增加相变液面面积。上下面之间夹层中可以是被密闭的气体，也可为导热介质。

非接触式电磁监测器由磁铁、弹簧、监测开关和信号发生器等组成。磁屏蔽板屏蔽磁铁磁场，弹簧张开，监测开关接通，发接通信号给控制器；反之监测开关断开，发断开信号给控制器。非接触式监测器除采用电磁方式工作外，还可采用声电和光电方式工作；开关可以是机械式的，也可以是电子式的。

连杆传动机构与冷头端(b端)联接。连杆传动机构包括头盔连杆框架和中间连杆等。头盔连杆框架套接在b端头部，焊接成一个整体(见图5)。中间连杆的上端圆孔套接在头盔连杆框架的转轴上，下端圆孔套接在直行发电输出单元动子上端的转轴上，中间连杆可以在两转轴上转动。b端摆动时随机带动中间连杆，中间连杆拉动直行发电输出单元动子在定子中上下运动。

直行发电输出单元主要由定子线圈组和动子磁体组组成，动子磁体组在定子线圈组中直线运行，线圈切割磁力线，线圈内产生电流，见图6。直行发电输出单元可以是圆柱形的，也可以是非圆柱形的。

三角底座支撑架中两支撑架与三角形底座为一整体，其上部各有一个螺纹孔，两螺纹孔同心且水平。两金属瓦件夹持住热能转换器的中部，其中一个瓦件带同心轴，同心轴的轴线与支撑轴线重合。将该组装件放置于两支撑架之间，同心轴的两个外端面的锥形中心孔与支撑架上的螺纹孔对正，从两端螺纹孔各旋入一个带螺纹的锥头顶丝，顶丝的锥头顶入锥形中心孔，再从两顶丝外端旋入两固紧螺帽，将两个锥头顶丝固定在支撑架上，形成一对滑动轴承。转换器在支撑架上的摆动也可以采用滚动轴承、滑套轴承或磁力轴承。

三角底座支撑架的另一角与水平位置时热能转换器冷头端的位置上下对应，该角上面安装直行发电输出单元，两者以球形铰链联接。在球形铰链上直行发电输出单元可作倒伞形摆动，以满足直行发电输出单元动子随热能转换器冷头端随机上下运动的要求。另外也可以将上部的连杆传动机构设计成可变平行四边形的六连杆机构形式，实现直行发电输出单元动子垂直上下运动(参见百度磕头机图)。

控制器和直行发电装置中的非接触式电磁监测器、电子点火器可以采用外接电源工作，也可以采用电池工作；与控制器之间的信号连接可以是有线的，也可以是无线的。

底座支撑架的底座可以是三角形的，也可以是非三角形的。

连杆传动机构除与冷头端(b端)一端联接外，也可以另外在热头端(a端)两端同时联接，两端的连杆传动机构联接两个直行发电输出单元。

若干个直行发电装置的电力输出可采取串联或并联输出设计，各直行发电装置将监测信号发送给控制器并接受控制器指令运行，微温差热能燃气直行发电机就可以产生持续稳定的电流，类似一台连续运行的旋转式发电机。

微温差热能燃气直行发电机可以是若干个直行发电装置在控制器调控下直接对外输出电流，也可以是若干个直行发电装置先将电流(若是交流电流则需进行整流)输入一个化学或物理储能器，再由储能器对外输出电流，此种方式直行发电装置与控制器一一对应。

有益效果

1，与传统的燃气热能发电相比，能效高，设备简单，投资少。且可以直接利用沼气等劣质燃气，有高的经济性。

2，不产生高温高压高速蒸汽，设备安全性好，维护成本低，设备运行无噪声且寿命长。

3，本发电机可操作性好，无需经严格考核的专业技术人员。且可方便实现智能化远程监控运行。

4，本发电机可大可小，有好的适用性，发的电可并入电网输出，也可自用，解决各种用电需求，对用电困难地区有特别意义。

5，可以直接利用沼气等劣质能源发电，减少垃圾污水处理中甲烷在自然界的排放，对减小温室效应有积极意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，是本发明的直行发电机整体示意图。

图2，是本发明热能转换器水平位置液体正面透视图。

图3，是本发明热能转换器启动位置液体正面透视图。

图4，是热能转换器热头端加热系统解剖示意图。

图5，是热能转换器冷头端连杆传动机构示意图。

图6，是圆柱形直行发电输出单元剖面示意图。

图7，是直行发电装置相关部件构造拆分图。

图8，是非接触式电磁监测器接通工作电路图。

图9，是非接触式电磁监测器断开工作电路图。

图中：1、直行发电装置，2、控制器，3、热能转换器，4、连杆传动机构，5、圆柱形直行发电输出单元，6、三角底座支撑架，7、球头圆管颈小口容器，8、球头圆管颈大口容器，9、平衡轴线，10、支撑轴线，11、b端液态制冷剂，12、b端气态制冷剂，13、a端气态制冷剂，14、a端液态制冷剂，15、两管径间焊接处，16、加热盘，17、u型导热管，18、导热软线，19、导热浮板，20、电子点火器，21、燃气软管，22、非接触式电磁监测器，23、磁屏蔽板，24、磁铁，25、弹簧，26、监测开关27、头盔连杆框架，28、中间连杆，29、动子，30、定子，31、支撑架螺纹孔，32、带轴半圆金属瓦件，33、半圆金属瓦件，34、金属瓦件同心轴，35、锥形中心孔，36、锥头顶丝，37、顶丝固定螺帽，38、球形铰链，39、瓦件螺纹孔，40、瓦件通孔，41、瓦件紧固螺栓，42、下凹型半球支座，43、上凹型半球压盖、44，球头，45、支座联结螺拴、46、框架转轴，47、动子上端转轴，48、转轴开口销，49、电力输出线，50、燃气管道，51、动子磁体组，52、定子绕线组，53、信号发生器。

具体实施方式

一种微温差热能燃气直行发电机实施例，由若干套直行发电装置(1)和一台控制器(2)组成，(1)与(2)信号传递，无线连接。见图1。

每套直行发电装置(1)包括带加热系统的热能转换器(3)、连杆传动机构(4)、直行发电输出单元(5)和三角底座支撑架(6)。控制器(2)内装测控软件，接收各直行发电装置(1)发出的监测信号并对其发出指令。

热能转换器(3)包括特制密封容器和加热系统。特制密封容器含两个一端开口的球头圆管颈容器(7)和(8)，(8)的管径大，(7)的管径小；另一端是大于管径的空心球体。两个空心的球体，一头为冷头端(b端)，一头为热头端(a端)，冷头端(b端)球径小，热头端(a端)球径大。容器材质为铝镁合金。将两容器(7)、(8)开口相对进行套接。在套接前向球头圆管颈小口容器(7)中注入一定量的工业制冷剂。将球头圆管颈大口容器(8)套在球头圆管颈小口容器(7)外，套接到位后在两管径间焊接处(15)进行焊接，将其连接成一特制密封容器。热头端(a端)的上部安装有加热系统。找出特制密封容器的平衡轴线(9)和支撑轴线(10)，重心在支撑轴线(10)的右侧a端，见图2。a端下摆，b端上摆，在特制密封容器内形成a和b端均有气体的液体隔断的空间，见图3，b端液态制冷剂(11)，b端气态制冷剂(12)，a端气态制冷剂(13)和a端液态制冷剂(14)。

加热系统包括加热盘(16)、u型导热管(17)、导热软线(18)、导热浮板(19)、电子点火器(20)、燃气软管(21)等，并与非接触式电磁监测器(22)和控制器(2)相关联。加热盘(16)与电子点火器(20)连接，燃气软管(21)与(20)连接，并可随a端摆动。加热盘(16)在u型导热管(17)u型部位的下方。见图4。u型导热管(17)内装导热介质，外管材料为铝镁合金，两头部密封。可选若干个u型导热管(17)插入热头端，两者接触部位焊接密封。u型导热管(17)头部焊接导热软线(18)，导热软线(18)另一端焊接在导热浮板(19)上。导热浮板(19)浮在a端制冷剂液面，可随液面上下移动，见图4。导热软线(18)为高导热材料银。导热浮板(19)上下面为铝镁合金板，夹层为导热介质，其比重小于制冷剂的比重。导热浮板(19)的板面采取镂空工艺。

控制器(2)内装调控软件等，与非接触式电磁监测器(22)和电子点火器(20)均采用电池作为工作电源，各信号和指令均采用无线发送和接收方式。

每套直行发电装置(1)的非接触式电磁监测器(22)安装在热能转换器(3)下方的三角底座支撑架(6)上。磁屏蔽板(23)固定在a端的下腹部，随a端一起摆动，启动位置时非接触式插入(22)，屏蔽磁铁(24)的磁力线，弹簧(25)张力大于磁铁(24)吸力，推动监测开关(26)右移，接通非接触式电磁监测器(22)的电路，见图8。信号发生器(53)发出接通信号给控制器(2)，控制器(2)发出指令，电子点火器(20)工作。当热能转换器(3)摆入水平位置时，磁屏蔽板(23)脱离非接触式电磁监测器(22)，监测开关(26)左移，关闭电路，控制器(2)接收关闭信号并发出停火指令，见图9。

加热盘(16)点燃，加热u型导热管(17)u形顶部，热量通过u型导热管(17)向下传导到其头部，并通过导热软线(18)传导给导热浮板(19)，继而加热a端液态制冷剂(14)液面，产生大的饱和蒸气压，推动a端液面下降，制冷剂流向b端，b端液态制冷剂(11)液面上升，热能转换器(3)重心移向b端，当超过支撑轴线(10)，b端向下，a端向上开始摆动。a端液面进一步下降，导热浮板(19)脱离a端液态制冷剂(14)液面。同时控制器(2)接收到非接触式电磁监测器(22)的关闭信号，控制器(2)发出熄灭指令，加热盘(16)灭火。

非接触式电磁监测器(22)能测得热能转换器(3)启动位置时间点和水平位置时间点，以及两点之间的时间间隔等技术参数。控制器(2)调控软件及时发给电子点火器(20)点火和停火指令，并通过电子点火器(20)控制燃气通量大小。

若干个直行发电装置(1)上的非接触式电磁监测器(22)，测得各自的技术参数并汇入控制器(2)，控制器(2)根据各直行发电装置(1)监测到的技术参数，通过调控软件可实时调整电子点火器(20)点火的延迟时间长短和加热盘(16)火力大小，进而达到协调各直行发电装置(1)的工作步调，保证各直行发电装置(1)有序运行，使整个直行发电机输出的电力连续、平稳、高效。

冷头端(b端)与连杆传动机构(4)联接。见图5，连杆传动机构(4)包括头盔连杆框架(27)和中间连杆(28)等。头盔连杆框架(27)套接在b端头部，焊接成一个整体。中间连杆(28)的一端圆孔套接在头盔连杆框架(27)的框架转轴(46)上，另一端圆孔套接在圆柱形直行发电输出单元(5)动子上端转轴(47)上，中间连杆(28)可以在两转轴上转动。b端摆动时带动中间连杆(28)，中间连杆(28)拉动圆柱形直行发电输出单元(5)中的动子(29)在定子(30)中上下运动。四个转轴开口销(48)分别将(46)锁定在(27)上，将(47)锁定在(29)上。

三角底座支撑架(6)为一刚性整体，见图7，两支撑架下部位于三角形底座两角，其上部各有一个支撑架螺纹孔(31)，两支撑架螺纹孔(31)同心且水平。半圆金属瓦件(33)与带轴半圆金属瓦件(32)夹持住热能转换器(3)的中部，金属瓦件同心轴(34)的轴线与支撑轴线(10)重合。四个瓦件紧固螺栓(41)通过瓦件通孔(40)，旋入瓦件螺纹孔(39)，使(32)与(33)夹持住热能转换器(3)，形成组合件。将该组合件放置于三角底座支撑架(6)中两支撑架之间，金属瓦件同心轴(34)的两个外端面的锥形中心孔(35)与支撑架螺纹孔(31)对正，从两个支撑架螺纹孔(31)各旋入一个带螺纹的锥头顶丝(36)，锥头顶丝(36)的锥头顶入锥形中心孔(35)，形成一对滑动轴承，再从两锥头顶丝(36)外端旋入两个顶丝固紧螺帽(37)，将两个锥头顶丝(36)固定在三角底座支撑架(6)中两支撑架上。

三角底座支撑架(6)的另一角与水平位置时热能转换器(3)冷头端的位置对应，该角上面安装圆柱形直行发电输出单元(5)，两者间以球形铰链(38)联接。铰链的下凹型半球支座(42)焊接在三角底座支撑架(6)的另一角上面，两个上凹型半球压盖(43)将圆柱形直行发电输出单元(5)中定子(30)下端的球头(44)限制在下凹型半球支座(42)的凹球面内，圆柱形直行发电输出单元(5)可作倒伞形摆动，以满足圆柱形直行发电输出单元(5)中动子(29)随热能转换器(3)冷头端上下运动的要求。四个支座联结螺栓(45)连接两个上凹型半球压盖(43)和下凹型半球支座(42)。见图7。

圆柱形直行发电输出单元(5)主要由定子线圈组(52)和动子磁体组(51)组成，动子磁体组(51)在定子线圈组(52)中直线运行，线圈切割磁力线，线圈内产生电流。见图6。

燃气管道(50)与各直行发电装置(1)并联，见图1，分别和各(1)中的燃气软管(21)连接。电力输出线(49)将若干个直行发电装置(1)串联，见图1中的曲折线，无线联接控制器(2)，形成微温差热能燃气直行发电机，可以产生持续稳定的电流，类似一台连续运行的旋转式发电机。