阅读说明：本技术 一种基于形状记忆合金的固相热能发电装置 (Solid phase heat energy power generation device based on shape memory alloy ) 是由 董桂馥 闫语童 尤博 林楠 王富家 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：一种基于形状记忆合金的固相热能发电装置,属于发电装置领域。包括能量转换装置、能量传输装置和发电机；能量转换装置包括成对设置的活塞式固态热能转换装置、杠杆、热水箱和冷水箱；能量传输装置包括通过管道相连的液压缸A和液压缸B,液压缸B与发电机相连。本发明机械结构简单、输出位移大,通过对成对设置的活塞式固态热能转换装置交替通入冷水和热水来产生动能,经过能量传输装置进而产生电能,能量传输装置中的液压缸A和液压缸B能够将SMA弹簧的输出位移放大近两倍,提升了驱动性能和发电性能。(A solid phase heat energy power generation device based on shape memory alloy belongs to the field of power generation devices. Comprises an energy conversion device, an energy transmission device and a generator; the energy conversion device comprises piston type solid heat energy conversion devices, a lever, a hot water tank and a cold water tank which are arranged in pairs; the energy transmission device comprises a hydraulic cylinder A and a hydraulic cylinder B which are connected through a pipeline, and the hydraulic cylinder B is connected with the generator. The mechanical structure is simple, the output displacement is large, the kinetic energy is generated by alternately introducing cold water and hot water into the piston type solid-state heat energy conversion devices which are arranged in pairs, the kinetic energy passes through the energy transmission device to generate electric energy, the hydraulic cylinder A and the hydraulic cylinder B in the energy transmission device can amplify the output displacement of the SMA spring by nearly two times, and the driving performance and the power generation performance are improved.)

一种基于形状记忆合金的固相热能发电装置

技术领域

本发明涉及发电装置领域，尤其涉及一种基于形状记忆合金的固相热能发电装置。

背景技术

汽轮机和燃气轮机这类传统的能量转化器主要利用气体的物态变化来完成能量转换，因此低温区域的热效率较低，特别是利用发电厂和废物焚烧装置产生的热量，例如长距离输送热能则热量损失极大，因此这样的热量只限于邻近地区利用，但是如果热机的工作物质换成固体，利用固体物质的原子结合能变化而实现的化学能转换器，即使在低温范围内热效率也相当高，因此利用低温范围下不能利用的能量来开发发电技术是十分有必要的。

发明内容

为解决现有能源提供动力对环境造成较大破坏的问题，本发明提供了一种基于形状记忆合金的固相热能发电装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于形状记忆合金的固相热能发电装置，包括能量转换装置、能量传输装置和发电机；所述能量转换装置包括成对设置的活塞式固态热能转换装置、杠杆、热水箱和冷水箱，成对设置的活塞式固态热能转换装置分别通过管道与热水箱和冷水箱连通，活塞式固态热能转换装置的连接轴与杠杆相连，杠杆与液压缸A连接；所述能量传输装置包括通过管道相连的液压缸A和液压缸B，液压缸B与发电机相连。

进一步的，所述活塞式固态热能转换装置包括外壳、上活塞、下活塞和SMA弹簧；外壳的底部封闭，顶部开口，侧壁上设有热水入口、冷水入口、热水出口和冷水出口；上活塞和下活塞均位于外壳内，SMA弹簧位于上活塞和下活塞之间，上活塞顶部设有连接轴。

进一步的，所述SMA弹簧中部通过固定架与外壳固定，上活塞和下活塞的侧壁均与外壳贴合，上活塞和下活塞的内部均设有通路，上活塞上方设有上挡板，上挡板侧壁与外壳贴合，上活塞和下活塞在外壳内的伸展位置和收缩位置之间滑动。

进一步的，当上活塞和下活塞位于所述收缩位置时，SMA弹簧为收缩状态，上活塞封闭热水入口，热水出口位于上活塞上方，上挡板位于热水出口上方，下活塞封闭冷水出口，冷水入口位于下活塞下方；当上活塞和下活塞位于所述伸展位置时，SMA弹簧为伸展状态，上活塞封闭热水出口，热水入口位于上活塞下方，下活塞封闭冷水入口，冷水出口位于下活塞上方；所述下活塞底部伸出固定轴，固定轴底部设有下挡板，下挡板侧壁与外壳贴合，当下活塞位于收缩位置时，冷水入口位于下挡板上方，当下活塞位于伸展位置时，下挡板与外壳底部贴合。

进一步的，所述活塞式固态热能转换装置包括外壳、内芯和SMA弹簧；外壳的底部封闭，顶部开口，侧壁上设有热水入口、冷水入口、热水出口和冷水出口；内芯位于外壳内，顶部设有上活塞，底部开口，侧壁设有分别与热水入口、冷水入口、热水出口和冷水出口对应的开口；上活塞顶部设有连接轴，SMA弹簧位于内芯内。

进一步的，所述外壳的底部通过后盖封闭，后盖上设有用于固定SMA弹簧的凸起，内芯侧壁与外壳侧壁贴合，上活塞内部设有通路，内芯顶部还设有上挡板，上挡板位于活塞上方，内芯在外壳内的伸展位置和收缩位置之间滑动。

进一步的，当内芯位于所述收缩位置时，SMA弹簧为收缩状态，内芯侧壁封闭热水入口和冷水出口，热水出口和冷水入口分别与内芯侧壁上对应的开口连通，热水出口位于上活塞上方，上挡板位于热水出口上方，内芯底部与后盖接触；当内芯位于所述伸展位置时，SMA弹簧为伸展状态，内芯侧壁封闭热水出口和冷水入口，热水入口和冷水出口分别与内芯侧壁上对应的开口连通，热水入口位于上活塞下方，内芯底部与后盖之间有间隙；所述SMA弹簧位于内芯的槽形室内，SMA弹簧一端与活塞底部接触，另一端与后盖接触，用于固定SMA弹簧的凸起伸入SMA弹簧内。

进一步的，所述热水入口和热水出口分别通过管道与热水箱相连，热水箱与热水入口之间设有微型泵，冷水入口和冷水出口分别通过管道与冷水箱相连，冷水入口与冷水箱之间设有微型泵。

进一步的，所述液压缸A的活塞杆与杠杆转动连接，液压缸A的缸体设有管道连通液压缸B的缸体，液压缸B的活塞杆连接齿轮机构，齿轮机构通过调速轮与发电机相连。

进一步的，所述齿轮机构包括三个齿轮，液压缸B的活塞杆设置为齿条并与第一个齿轮啮合，第一个齿轮与第二个齿轮同轴，第二个齿轮设有单向滚珠轴承，第二个齿轮与第三个齿轮啮合，第三个齿轮与调速轮中的第一个皮带轮同轴，调速轮中的第二个皮带轮与发电机连接。

本发明的有益效果是：机械结构简单、输出位移大，通过对成对设置的活塞式固态热能转换装置交替通入冷水和热水来产生动能，经过能量传输装置进而产生电能，能量传输装置中的液压缸A和液压缸B能够将SMA弹簧的输出位移放大近两倍，提升了驱动性能和发电性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明能量转换装置的结构示意图；

图3为本发明能量转换装置的结构示意图；

图4为本发明活塞式固态热能转换装置的结构示意图A；

图5为本发明活塞式固态热能转换装置的结构示意图B；

图6为本发明能量转换装置的右视图；

图7为本发明能量转换装置的正视图；

图8为本发明能量转换装置的左视图；

图9为本发明能量转换装置的俯视图；

图10为本发明能量传输装置的结构示意图。

图中1.能量转换装置，2.能量传输装置，3.热水箱，4.冷水箱，5.活塞式固态热能转换装置，6.上活塞，7.SMA弹簧，8.热水出口，9.冷水出口，10.热水入口，11.冷水入口，12.连接轴，13.固定架，14.外壳，15.下活塞，16.后盖，17.内芯，18.槽形室，19.应变片，20.杠杆，21.微型泵，22.液压缸B，23.发电机，24.齿轮机构，25.调速轮。

具体实施方式

实施例1

一种基于形状记忆合金的固相热能发电装置，包括能量转换装置1、能量传输装置2和发电机23；所述能量转换装置1包括成对设置的活塞式固态热能转换装置5、杠杆20、热水箱3和冷水箱4，成对设置的活塞式固态热能转换装置5分别通过管道与热水箱3和冷水箱4连通，活塞式固态热能转换装置5的连接轴12与杠杆20相连，杠杆20上依次设置与一个活塞式固态热能转换装置5的连接轴12的连接点、支点、与另一个活塞式固态热能转换装置5的连接轴12的连接点和与液压缸A18的连接点；所述能量传输装置2包括通过管道相连的液压缸A18和液压缸B22，液压缸B22与发电机23相连。

活塞式固态热能转换装置5热水入口10和热水出口8分别通过管道与热水箱3相连，热水箱3与热水入口10之间设有微型泵21，冷水入口11和冷水出口9分别通过管道与冷水箱4相连，冷水入口11与冷水箱4之间设有微型泵21；热水箱3还可以与由绝热的刚性容器组成的热能收集装置相连。

液压缸A18的活塞杆与杠杆20转动连接，液压缸A18的缸体设有管道连通液压缸B22的缸体，液压缸B22的活塞杆连接齿轮机构24，齿轮机构24通过调速轮25与发电机23相连。

齿轮机构24包括三个齿轮，液压缸B22的活塞杆设置为齿条并与第一个齿轮啮合，第一个齿轮与第二个齿轮同轴，第二个齿轮设有单向滚珠轴承，第二个齿轮与第三个齿轮啮合，第三个齿轮与调速轮25中的第一个皮带轮同轴，调速轮25中的第二个皮带轮与发电机23连接。

活塞式固态热能转换装置5成对设置，其中一个活塞式固态热能转换装置5的连接轴12与杠杆20中部转动连接，另一个活塞式固态热能转换装置5的连接轴12与杠杆20一端转动连接，杠杆20另一端与液压缸A18的活塞杆转动连接，液压缸A18的活塞杆上设有应变片2，应变片2优选为从江苏京明翰仪器设备有限公司购买的日本共和KYOWA应变片，型号为：KH高温焊接应变片(kHCR/KHCX)，工作温度：-50-350℃，电阻：350欧姆；栅长：5mm，自补偿膨胀系数：11、16×微应变/℃；非常适合长期的应变监测和恶劣条件高温应变测量；杠杆20与两个活塞式固态热能转换装置5的连接点之间设有支点，两个活塞式固态热能转换装置5的连接点与支点的距离均为L1，一个活塞式固态热能转换装置5的连接轴12与杠杆20中部转动连接点与杠杆3另一端与液压缸A18的活塞杆转动连接的连接点距离为L2，L2为L1两倍。

实施例2

本实施例提供了一种活塞式固态热能转换装置5，如图4所示：

活塞式固态热能转换装置5包括外壳14、上活塞6、下活塞15和SMA弹簧7；外壳14的底部封闭，顶部开口，侧壁上设有热水入口10、冷水入口11、热水出口8和冷水出口9；上活塞6和下活塞15均位于外壳14内，SMA弹簧7位于上活塞6和下活塞15之间，上活塞6顶部设有连接轴12。

SMA弹簧7中部通过固定架13与外壳14固定，上活塞6和下活塞15的侧壁均与外壳14贴合，上活塞6和下活塞15的内部均设有通路，上活塞6上方设有上挡板，上挡板侧壁与外壳14贴合，上活塞6和下活塞15在外壳14内的伸展位置和收缩位置之间滑动。

当上活塞6和下活塞15位于所述收缩位置时，SMA弹簧7为收缩状态，上活塞6封闭热水入口10，热水出口8位于上活塞6上方，上挡板位于热水出口8上方，下活塞15封闭冷水出口9，冷水入口11位于下活塞15下方；当上活塞6和下活塞15位于所述伸展位置时，SMA弹簧7为伸展状态，上活塞6封闭热水出口8，热水入口10位于上活塞6下方，下活塞15封闭冷水入口11，冷水出口9位于下活塞15上方；所述下活塞15底部伸出固定轴，固定轴底部设有下挡板，下挡板侧壁与外壳14贴合，当下活塞15位于收缩位置时，冷水入口11位于下挡板上方，当下活塞15位于伸展位置时，下挡板与外壳14底部贴合，上挡板和下挡板之间形成密封舱室，上挡板和下挡板设有密封垫。

当上活塞6和下活塞15到达收缩位置之后，内部的热水穿过上活塞6由热水出口8导出，冷水由冷水入口11穿过下活塞15通入，SMA弹簧7受冷开始伸长，直到上活塞6和下活塞15到达伸展位置。

当上活塞6和下活塞15到达伸展位置之后，内部的冷水由冷水出口9导出，热水由热水入口10导入，SMA弹簧7受热开始收缩，直到上活塞6和下活塞15到达收缩位置；依次往复。

优选的热水入口10和冷水入口11位于活塞式固态热能转换装置5一侧，热水出口8和冷水出口9位于另一侧；优选的热水温度为50-100度，冷水温度为20-30度。

实施例3

本实施例提供了一种活塞式固态热能转换装置5，如图5所示：

活塞式固态热能转换装置5包括外壳14、内芯17和SMA弹簧7；外壳14的底部封闭，顶部开口，侧壁上设有热水入口10、冷水入口11、热水出口8和冷水出口9；内芯17位于外壳14内，顶部设有上活塞6，底部开口，侧壁设有分别与热水入口10、冷水入口11、热水出口8和冷水出口9对应的开口；上活塞6顶部设有连接轴12，SMA弹簧7位于内芯17内。

外壳14的底部通过后盖16封闭，后盖16上设有用于固定SMA弹簧7的凸起，内芯17侧壁与外壳14侧壁贴合，上活塞6内部设有通路，内芯17顶部还设有上挡板，上挡板位于活塞6上方，内芯17在外壳14内的伸展位置和收缩位置之间滑动。

当内芯17位于所述收缩位置时，SMA弹簧7为收缩状态，内芯17侧壁封闭热水入口10和冷水出口9，热水出口8和冷水入口11分别与内芯17侧壁上对应的开口连通，热水出口8位于上活塞6上方，上挡板位于热水出口8上方，内芯17底部与后盖16接触；当内芯17位于所述伸展位置时，SMA弹簧7为伸展状态，内芯17侧壁封闭热水出口8和冷水入口11，热水入口10和冷水出口9分别与内芯17侧壁上对应的开口连通，热水入口10位于上活塞6下方，内芯17底部与后盖16之间有间隙；所述SMA弹簧7位于内芯17的槽形室18内，SMA弹簧7一端与活塞6底部接触，另一端与后盖16接触，用于固定SMA弹簧7的凸起伸入SMA弹簧7内。

当内芯17到达收缩位置之后，内芯17内部的热水穿过上活塞6由热水出口8导出，冷水由冷水入口11通入内芯17，SMA弹簧7受冷开始伸长，直到上活塞6带动内芯17到达伸展位置。

当内芯17到达伸展位置之后，内芯17内部的冷水由冷水出口9导出，热水由热水入口10导入，SMA弹簧7受热开始收缩，直到内芯17到达收缩位置；依次往复。

优选的热水入口10和冷水入口11位于活塞式固态热能转换装置5一侧，热水出口8和冷水出口9位于另一侧；优选的热水温度为50-100度，冷水温度为20-30度。

本发明的SMA弹簧7是在高于其逆相变点时压缩制成的，在高温时会产生强有力的收缩，在低于相变点温度时对于伸展的抵抗力很弱，因此可以把这个力差作为上活塞6的动力发挥出来。将一个活塞式固态热能转换装置5通入热水至高于逆马氏体相变点的温度，将另一个活塞式固态热能转换装置5通入冷水冷却至低于相变点的温度，因而一个活塞式固态热能转换装置5的连接轴12缩回，另一个活塞式固态热能转换装置5的连接轴12伸出，则杠杆20带动液压缸A18的活塞杆伸出(如图3所示)，接着将一个活塞式固态热能转换装置5通入冷水冷却至低于相变点的温度，将另一个活塞式固态热能转换装置5通入热水至高于逆马氏体相变点的温度，则杠杆20带动液压缸A18的活塞杆缩回，活塞杆做直线往复运动从而使液压缸A18产生动能，液压缸A18和液压缸B22的液压油相通，从而液压缸A18带动液压缸B22产生动能，液压缸B22的活塞杆带动齿轮机构24转动，经过调速轮25调节转速后带动发电机23发电。

活塞式固态热能转换装置5能否高效率完成驱动工作关键在于对SMA弹簧7通入热水和冷水的灵敏度，本发明通入的热水与冷水相互独立，分别在两个微型泵21的驱动下依次通入，微型泵21可通过AT89C52单片机进行控制，为了更高效的工作，在活塞式固态热能转换装置5中设有温度传感器来监测活塞式固态热能转换装置5内的实时温度，并将信息传送到主控板，以实现对微型泵21的开闭，控制热水与冷水循环的节奏，尽可能减小形状记忆合金滞后温度对活塞式固态热能转换装置5工作的影响。

形状记忆合金(SMA)是一种的新型的功能性金属材料，它产生于上世纪六十年代初，形状记忆合金具有优良的形状记忆效应和伪弹性，可通过一定温度场和力场来改变形状记忆合金形状，输出较大的位移和驱动力，尤其是在发生马氏体相变时会产生很大的恢复力，形状记忆合金可被制成驱动器等应用在智能机器人领域，目前在包括机电、航空航天、医疗器械、汽车等许多领域被广泛应用，本实施例中包含借助形状记忆合金的这种特性设计的一款活塞式固态热能转换装置5，本实施例SMA弹簧7的形状记忆合金优选为TiNi基形状记忆合金、NiMnGa基形状记忆合金、NiMnIn形状记忆合金、Co-Ni基形状记忆合金。

本实施例是利用形状记忆合金(SMA)的原子结合能变化而实现的化学能转换器，即使在低温范围内热效率也相当高，因此我们利用低温范围下不能利用的能量来开发发电技术，使得未来能够将本实施例实用于低温领域的发电部门，而且使其社会上得以普及，同时可有效利用产业废弃余热的技术，每年约可生产数百亿千瓦时的电能，这对于社会节能和环境保护都有重要作用，经济效应也是不言而喻的。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。