基于南极天文观测站柴油发电机组余热的发电及蓄能系统

摘要

本发明公开了一种基于南极天文观测站柴油发电机组余热的发电及蓄能系统，柴油发电机组具有排气管道以及储油箱，在排气管道外设置有一空气换热器，在排气管道与储油箱之间还连接有一蒸发冷凝两相流自循环换热装置，在排气管道与空气换热器之间设置有多个串联在一起的发电模块，发电模块通过控制器与蓄电池相连，发电模块包括热端、冷端以及由温差发电材料制成的发电体，冷端与空气换热器接触，热端与排气管道接触，蒸发冷凝两相流自循环换热装置的蒸发段布置在排气管道内，蒸发冷凝两相流自循环换热装置的冷凝段布置在储油箱内。本发明解决了柴油发电机组尾气直接排放到大气中所造成的热损失，提高了能量利用率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于南极天文观测站的余热发电及蓄能系统，尤其是基于观测站发电机组废弃余热的发电与储能系统。

背景技术

南极是地球上至今未被开发，未被污染的洁净大陆，是进行天文观测等科学实验的理想圣地。为了建设我国独立设计、制造和运行管理与维护的南极自动天文观测站，需要解决电源保障、发电舱内环境控制等许多关键技术，为在南极开展更广泛的天文观测奠定基础。天文观测站的能源保障由发电舱内发电设备（如柴油发电机组等）提供，由于南极地区纬度高，吸收的太阳辐射能较少，因此，年平均温度一般低于-50℃，为了保证发电设备的正常工作，需要维持发电舱内温度在发电设备的正常工作范围内。而一般柴油发电机排气温度在400℃以上，如果排气直接进入大气中，将造成较大的热量损失，降低能量利用率。

温差发电器是一种利用温差直接将热能转化为电能的装置，具有寿命长、无干扰并可利用多种热源（如核燃料、废热）等优点，适用于做空间飞行器、海底电缆系统、海上灯塔、无人值守的观测站等的辅助电源，具有较大的应用潜力。

为保证柴油发电机组的正常运行，柴油机进油温度需维持在一定范围之内，因此，要对储油箱进行预热。为此，本发明设计了一种用于南极天文观测站的余热发电及蓄能系统。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种应用于南极天文观测站的余热发电及蓄能系统。

为实现上述目的，本发明所采用的技术解决方案是：

一种基于南极天文观测站柴油发电机组余热的发电及蓄能系统，所述柴油发电机组具有排气管道以及储油箱，其特征在于，在所述的排气管道外设置有一空气换热器，在所述的排气管道与储油箱之间还连接有一蒸发冷凝两相流自循环换热装置，在所述的排气管道与空气换热器之间设置有多个串联在一起的发电模块，所述发电模块通过控制器与蓄电池相连，所述发电模块包括热端、冷端以及由温差发电材料制成的发电体，所述的热端和冷端位于发电体的两端，所述的冷端与所述的空气换热器接触，所述的热端与所述的排气管道接触，所述的蒸发冷凝两相流自循环换热装置的蒸发段布置在所述的排气管道内，所述的蒸发冷凝两相流自循环换热装置的冷凝段布置在所述的储油箱内。所述的蒸发冷凝两相流自循环换热装置的工作原理为：在蒸发段，气液两相流体吸热产生气泡，迅速膨胀和升压，推动流体工质流向邻管子之间存在的压力不平衡，使得流体工质在蒸发段和冷凝段之间振荡流动，从而实现热量的传递。

所述的排气管道进口前连接有排气净化装置。

所述的空气换热器的进气为冷空气，排气直接排入大气中，所述的空气换热器内空气流动方向与所述的排气管道内排气流动方向相反。

所述的温差发电材料为半导体热电材料。

所述的半导体热电材料为锑或铜。

所述的控制器为输出控制电路，调整温差发电模块输出的电流与电压。

所述的蒸发冷凝两相流自循环换热装置包括蒸发段和冷凝段。蒸发段布置在排气管道中，冷凝段布置在储油箱中，换热装置中装有工作液（如氨）。

柴油发电机组正常运行时，柴油机发电机组排气进入所述的排气管道，热量从排气传递到所述的温差发电模块的热端，使所述的温差发电模块的热端温度升高；冷空气从所述的空气换热器的进口进入所述的空气换热器，所述的空气换热器内空气流动方向与所述的排气管道内排气流动方向相反，热量从所述的温差发电模块的冷端传递到冷空气中，使所述的冷端温度降低；所述的温差发电模块的热端和冷端之间为所述的半导体温差发电材料，根据半导体温差发电材料的特性，当其两端存在温差，两端会产生电动势，温差较大时，电动势较大，并且多个温差发电材料相互串联会提高输出功率；所述的温差发电模块与所述的控制器相连，所述的控制器由输出控制电路组成，通过输出控制电路控制所述的温差发电模块输出的电流与电压；所述的控制器与所述的蓄电池组相连，将所述的温差发电模块输出的电能存储在蓄电池组中。所述的排气管道内布置有所述的蒸发冷凝两相流自循环换热装置的蒸发段，所述的蒸发冷凝两相流自循环换热装置的冷凝段布置在所述的储油箱中，所述的蒸发段的工作液被排气加热，吸取潜热蒸发，蒸气流向所述的冷凝段，工作液蒸气放出潜热，凝结为液体。蒸气液化释放出来的潜热传递到所述的储油箱中，预热储油。凝结液通过毛细力作用返回到所述的蒸发段再吸热蒸发，工作液的循环将热量从所述的蒸发段传递到所述的冷凝段，通过所述的蒸发冷凝两相流自循环换热装置这个中间媒介，排气的热量就可以传递给储油箱中的储油，实现蓄能过程。

本发明的有益效果：

1、本发明解决了柴油发电机组尾气直接排放到大气中所造成的热损失，通过发电子系统将尾气中一部分热量转换成电能，存储在蓄电池中，实现了热能——电能的转化；通过蓄能系统利用尾气中一部分热量对储油箱中的柴油进行余热，提高了能量利用率。

2、南极地区年平均气温低于-50℃，而柴油机排气温度一般在400℃以上，因此温差发电模块的热端和冷端温差大，发电功率大。

附图说明

图1 余热发电系统示意图；

图2 余热蓄能系统示意图。

图中，1.空气换热器出口；2.排气管道进口；3.空气换热器；4.排气管道；5.冷端；6.发电体；7.热端；8.蒸发冷凝两相流自循环换热装置蒸发段；9.空气换热器进口；10.排气管道出口；11.储油箱；12. 蒸发冷凝两相流自循环换热装置冷凝段。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1至图2所示，一种南极天文观测站余热发电及蓄能系统。该系统包括余热发电子系统和余热蓄能子系统。余热发电子系统包括柴油发电机组排气管道4、空气换热器3、温差发电模块、控制器和蓄电池组，柴油发电机组排气管道4外表面与温差发电模块的热端7热接触，空气换热器3外表面与温差发电模块的冷端5热接触，温差发电模块与控制器相连，控制器与蓄电池组相连；余热蓄子系统包括柴油发电机组排气管道4和蒸发冷凝两相流自循环换热装置。

柴油发电机组运行时，柴油机发电机组排气进入排气管道4，热量从排气传递到温差发电模块的热端7，使热端7的温度升高；冷空气从空气换热器的进口9进入空气换热器3，热量从温差发电模块的冷端5传递到冷空气中，使冷端5的温度降低；温差发电模块的热端7和冷端5之间为半导体温差发电材料制成的发电体6，根据半导体温差发电材料的特性，当其两端存在温差，两端会产生电动势，温差较大时，电动势较大，并且多个温差发电材料相互串联会提高输出功率；温差发电模块与控制器相连，控制器由输出控制电路组成，通过输出控制电路控制温差发电模块输出的电流与电压，控制器与蓄电池组相连，将温差发电模块输出的电能存储在蓄电池组中。

排气管道4内布置有蒸发冷凝两相流自循环换热装置的蒸发段8，蒸发冷凝两相流自循环换热装置的冷凝段12布置在储油箱11中，蒸发段的工作液被排气加热，吸取潜热蒸发，蒸气流向冷凝段，工作液蒸气放出潜热，凝结为液体。蒸气液化释放出来的潜热传递到储油箱中，预热储油。凝结液通过毛细力作用返回到蒸发段再吸热蒸发，工作液的循环将热量从蒸发段传递到冷凝段，通过蒸发冷凝两相流自循环换热装置这个中间媒介，排气的热量就可以传递给储油，实现蓄能过程。