一种饮水鸟式能量采集装置

1.本发明涉及一种能量回收装置，尤其涉及一种回收低品位热能并进行发电的饮水鸟式能量采集装置。


背景技术：

2.随着科技和社会的发展，能量损失和工业废热利用逐渐被人们所关注，如何在小温差条件下对能量进行有效的转换和采集，是目前低品位能量回收的难点。
3.饮水鸟是中国古代的一种玩具，它的具体原理是：底部容器内液态工质受热后，蒸汽压变大，与作为头部的第一容器内的蒸汽压形成压差，在蒸汽压差的作用下，底部容器内液态工质通过中间连通杆流至上部容器内，使饮水鸟本体重心的上移，造成饮水鸟本体低头喝水的运动，饮水鸟头部吸收的水分在空气中蒸发，上部容器内的液态工质被冷却，在重力的作用下重新回落至底部容器内，造成饮水鸟本体重新站立，重新加热底部容器能够实现饮水鸟本体循环的往复摇摆运动。从能量转换的角度看：饮水鸟实际上是一种应用饱和蒸汽压差工作的热机，传统热机都是依靠温差而工作，温差越大，热机效率越高，而饮水鸟则是饱和蒸汽压差越大，热机效率越高，而饱和蒸汽压差的建立快慢则和蒸发速率有关，而蒸发速率又和环境空气相对湿度都有关。与通常的热机迥异的是：饮水鸟循坏系统是通过水的蒸发消耗来获得机械功量。因此，理论上能够利用饮水鸟的摇摆机械能并将其转换为电能。
4.中国专利号200510119767.7的发明专利申请公开了一种饮水鸟玩具，涉及一种能自摆动的机械玩具装置，由支座、容器和鸟体所组成，由鸟嘴、蒸发容器和吸液层构成的鸟头；由供热容器和放置在内部的工作液体所构成的鸟身；被固定于供热容器上的鸟尾；连通鸟头与鸟身的空心杆及固定于所述的供热容器上的动轴。饮水鸟作为一种利用低饱和蒸汽压差工作的热机，在低品位能量回收上有相当的价值，但该装置仅作为玩具使用，并未将机械能加以利用，因此并没有真正在能量转换上有所进展。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种能够有效回收并利用低品位热能发电的装置。
6.技术方案：本发明所述的饮水鸟式能量采集装置用于通过饱和蒸汽压差工作将低品位热能转换为电能，包括支架、饮水鸟本体、棘轮-齿轮箱和电能存储单元；所述饮水鸟本体包括第一容器、第二容器、连通管、鸟嘴和吸水毛细芯，所述鸟嘴和第一容器的外表面为均覆有具有吸水毛细芯，所述水箱设置于鸟嘴的正前方，所述第二容器内部装有液态工质；所述饮水鸟本体与棘轮-齿轮箱通过传动轴固定连接，所述棘轮-齿轮箱与微型无刷发电机转子通过输出轴固定连接；所述电能存储单元由微型无刷发电机、整流器和蓄电池形成电路环路。
7.进一步地，所述的饮水鸟本体中的第一容器和第二容器内部通过连通管相连通，
连通管伸入第二容器，所述连通管、第一容器和第二容器均由轻金属制成，且通过焊接固定。
8.进一步地，所述的棘轮-齿轮箱，包括内盘、棘轮盘、弹簧式驱动棘爪、变速齿轮组、传动轴和传动轴。所述内盘上周向设置有弹簧式驱动棘爪；所述棘轮盘内圈设有用于对驱动棘爪进行限位的棘槽，外圈为齿轮结构，用于与变速齿轮组相啮合，所述内盘与传动轴刚性连接。
9.进一步地，所述连通管一端通入第一容器，另一端通入第二容器中的液态工质液位以下，且与第二容器的底面不接触。
10.进一步地，所述饮水鸟本体置于室外，或采用外界热源对第二容器外部进行加热。
11.进一步地，所述第二容器底部充注有饱和蒸汽压易随温度变化的液态工质，所述液态工质为乙醚或r11。
12.进一步地，所述鸟嘴和第一容器的外表面覆有吸水毛细芯；所述鸟嘴和第一容器外表面覆有的吸水毛细芯相连通。
13.进一步地，所述第一容器上设有工质充注口，所述工质充注口上设有密封结构。
14.进一步地，所述第一容器、第二容器和连通管组成的密闭结构进行抽真空处理。
15.进一步地，所述的棘轮-齿轮箱中，变速齿轮组的转速比根据摇摆频率和微型无刷电机工作需求确定，棘轮-齿轮箱内的棘轮盘和变速齿轮组表面进行抛光处理。
16.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：可以在小温差环境下工作，收集低品位热能并将其转换为电能，装置简单可靠，具有广泛的适用性。
附图说明
17.图1为本发明一个实施例的结构示意图；
18.图2为本发明一个实施例的饮水鸟本体示意图；
19.图3为本发明一个实施例的棘轮齿轮箱示意图；
20.图4为本发明一个实施例的电能储存单元示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
22.如图1所示，本实施例中的饮水鸟式能量采集装置包括支撑架1，饮水鸟本体2、棘轮齿轮箱3和电能存储单元4；饮水鸟本体2包括上表面开口的水箱25和由连通管23连通的第一容器21和第二容器22，第一容器22上设置有鸟嘴状吸水段24，第二容器22内装有液态工质，支撑架1上转动设置有水平传动杆35，连通管22和传动杆35相垂直并与传动杆35固定连接，使第一容器21和第二容器22可绕传动杆35转动；水箱25中装有水或其它液体，并设置在使第一容器21绕传动杆35旋转至最低位置时所述鸟嘴状吸水段24能够没入液面的位置。
23.鸟嘴24和第一容器21的外表面覆有吸水毛细芯，且吸水毛细芯之间相互连通，第二容器22内部充注有饱和蒸汽压易随温度变化产生相变的液态工质，该液态工质为乙醚或r11，两者均为饱和蒸汽压随温度变化较为敏感的工质，能够加快蒸发和液化速度，提高摇摆往复运动频率；连通管23一端通入第一容器21，另一端通入第二容器22且与第二容器22的底面不接触。
24.饮水鸟本体中的第一容器和第二容器内部通过轻金属制成的连通管相连通，第一容器23上设有工质充注口，工质充注口上设有顶针阀或其它密封结构，装置使用前充入一定的工质，并对第一容器21、第二容器22和连通管23组成的密闭结构进行抽真空处理，保持一定真空度，所述连通管与、第一容器和第二容器均由轻金属制成，且通过焊接固定。在本实施例中，第一容器和第二容器呈圆柱体，采用1mm厚的铝材经氩弧焊加工而成，中间连通管采用1mm厚的铝管，通过氩弧焊与上下容器连接，铝管伸入第二容器，并略高于第二容器底部。
25.棘轮-齿轮箱3为传动机构，棘轮-齿轮箱包括内盘31、棘轮盘32、弹簧式驱动棘爪33、变速齿轮组34、传动轴35和传动轴36，内盘31上周向设置有弹簧式驱动棘爪33；棘轮盘32内圈设有用于对驱动棘爪33进行限位的棘槽，外圈为齿轮结构，用于与变速齿轮组34相啮合，内盘31与传动杆35刚性连接；变速齿轮组34的传动轴36与无刷发电机41的转子同轴固定连接，无刷发电机41与整流器42电连接，整流器42与蓄电池43电连接，组成充电回路，无刷发电机41输出的电流经整流器42滤波整流后存储在蓄电池43中。
26.进一步的，本实施例中的棘轮-齿轮箱，内盘31与传动轴35刚性连接，内盘31外圈沿周向设有4个带弹簧的驱动棘爪33，棘轮盘32上内圈设有周期性棘槽，驱动棘爪33插入棘轮盘32的内圈周期性棘槽中，当饮水鸟本体逆时针转动时，棘爪33通过棘槽驱动棘轮盘32旋转；而饮水鸟本体顺时针回摆时，棘爪33掠过通过棘轮盘32的内齿，棘轮盘32保持不动。棘轮盘32外圈为与变速箱主动齿轮34相啮合。饮水鸟本体通过传动轴35与棘轮-齿轮箱相连接，齿轮箱的转速比根据摇摆频率和发电机工作需求确定，棘轮盘和其余齿轮表面进行抛光处理，目的是减小传动摩擦损耗，带动微型无刷发电机发电。
27.本发明的工作原理是：利用利用蒸汽压差的原理，饮水鸟本体的上部即第一容器21和鸟嘴24作为冷却端，其下部即第二容器22作为吸热端，其内的工质液体和蒸汽在冷端与热端之间循环工作，使该摆动装置不断摆动，并通过传动轴将机械能收集起来，饮水鸟本体中的第二容器22内液态工质受热后，蒸汽压变大，与第一容器21内的蒸汽压形成压差，在蒸汽压差的作用下，第二容器22内液态工质通过中间连通杆23上升至第一容器21内，使饮水鸟本体重心上移，造成饮水鸟本体作低头喝水式运动，饮水鸟头部的毛细芯吸水后，其中的水分在空气中蒸发，第一容器21内液态工质被冷却，在重力的作用下重新回落至第二容器22内，造成饮水鸟本体重新回到站立位，重新加热第二容器，从而实现饮水鸟本体循环的往复摇摆运动；通过传动轴35将摆动的机械能传给棘轮-齿轮箱，主要功能是将摇摆往复运动转换为单向旋转运动，然后通过变速齿轮组将转速增大，从而带动微型无刷发电机41旋转产生电流，经滤波整流器42处理后，将电能储存于蓄电池43内，将往复机械能转换为电能。