基于冻土膨胀的发电单元及发电系统

1.本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种基于冻土膨胀的发电单元及发电系统。

背景技术：

2.浅层地热能资源是蕴藏在浅层岩土体、地下水、地表水中的地热资源，是一种新型的优质清洁能源，具有可再生、分布广、储量大、清洁环保、经济实惠、安全性高、可用性强的特点，具有广阔的开发利用前景。
3.我国寒区分布广泛，冻土面积为417.4
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104km2，占我国陆地面积的 43.5％。主要分布于青藏高原地区，新疆天山地区，东三省和内蒙古中东部地区。随着六大经济走廊的建设，寒区资源开发的力度将大大增加。而冻土区电力短缺始终是一个阻挠阻碍发展，影响民生的重要因素。
4.针对上述问题，本发明提出一种基于冻土膨胀，利用浅层地热能的发电系统，有效解决冻土地区冬季用电短缺问题。

技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于冻土膨胀的发电单元及发电系统，有效解决冻土地区冬季用电短缺的问题，发电成本低且清洁环保。
6.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
7.一种基于冻土膨胀的发电单元，设置于冻土中，包括压电盒，压电盒包含分别由刚性材料制成的上部开口的第一矩形筒体和第一活塞，第一活塞上端设置有压板，下端设置有水平的第一活塞底面；第一活塞下端设置在所述第一矩形筒体内并可沿所述第一矩形筒体的轴向上下移动；第一矩形筒体内部在第一活塞底面和第一矩形筒体底面之间还设置有水平的第一弹性隔膜；第一活塞底面和第一弹性隔膜之间形成第一封闭腔，第一弹性隔膜和第一矩形筒体底面之间形成第二封闭腔；第一封闭腔内设置有防冻液，防冻液内设置有多组压电陶瓷电机，压电陶瓷电机的正极和负极分别设有伸出所述第一封闭腔外的导线；第二封闭腔内设置有可压缩气体。
8.优选的，第一封闭腔对应的第一矩形筒体侧壁上设置有第一管道，第一管道上设置有阀门，第一管道与阀门的一端连接，还包括设置于冻土中的储能罐；储能罐包含分别由刚性材料制成的上部开口的第二矩形筒体和第二活塞；第二活塞上端设置有压板，下端设置有水平的第二活塞底面；第二活塞下端设置在所述第二矩形筒体内，并可沿上述第二矩形筒体的轴向上下移动；第二矩形筒体内部在第二活塞底面和第二矩形筒体底面之间还设置有水平的第二弹性隔膜；第二活塞底面和第二弹性隔膜之间形成第三封闭腔，第二弹性隔膜和第二矩形筒体底面之间形成第四封闭腔；第三封闭腔设置有可压缩气体，第四封闭腔设置有防冻液；第四封闭腔还设置有第二管道；第二管道与上述阀门的另一端连通连通。
9.优选的，每个发电单元包括一个压电盒和多个与所述压电盒连接的储能罐。
10.一种基于冻土膨胀的发电系统，包括多组上述发电单元、地源热泵、地热调度站和换热管道，多组发电单元与储电站并联连接；地热调度站包含水箱；多组发电单元的导线并联连接；地源热泵与水箱连接，换热管道从水箱的热水出口出发，呈s形依次绕过每个发电单元后连接至水箱的回水入口。
11.优选的，刚性材料为不锈钢。
12.优选的，基于冻土膨胀的发电系统还包括储电站，多组发电单元的导线与储电站电连接。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
14.本发明以冻土膨胀为驱动力，以压电陶瓷受压发电为实现手段，成本低且清洁环保。本发明利用寒区分布广泛的季节性冻土，有效解决冻土地区冬季用电短缺的问题。
附图说明
15.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
16.图1为发电单元的结构示意图；
17.图2为包含储能罐的发电单元的结构示意图；
18.图3为压电盒与储能罐连接示意图；
19.图4为基于冻土膨胀的浅层地热发电系统的结构示意图；
20.附图标记为：1.第一矩形筒体，2.第一活塞，3.弹性隔膜，4.第一封闭腔， 5.第二封闭腔，6.压电陶瓷电机，7.阀门，8.第二矩形筒体，9.第二活塞，10. 第二弹性薄膜，11.第三封闭腔，12.第四封闭腔，13.压电盒，14.储能罐，15. 发电单元，16.储电站，17.地源热泵，18.换热管道，19.地热调度站。
具体实施方式
21.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
22.参考图1，为本发明的发电单元的结构示意图。一种基于冻土膨胀的发电单元，设置于冻土中，包括压电盒，压电盒包含分别由刚性材料制成的上部开口的第一矩形筒体1和第一活塞2，第一活塞2上端设置有压板，下端设置有水平的第一活塞底面；第一活塞2下端设置在第一矩形筒体1内并可沿第一矩形筒体1的轴向上下移动；第一矩形筒体1内部在第一活塞底面和第一矩形筒体1底面之间还设置有水平的第一弹性隔膜3；第一活塞底面和第一弹性隔膜3 之间形成第一封闭腔4，第一弹性隔膜3和第一矩形筒体1底面之间形成第二封闭腔5；第一封闭腔内4设置有防冻液，防冻液内设置有多组压电陶瓷电机6，压电陶瓷电机6的正极和负极分别设有伸出上述第一封闭腔4外的导线；第二封闭腔5内设置有可压缩气体。其中，第一矩形筒体1和第一活塞2由不锈钢制成。
23.将压电盒埋置于冻土中，当冻土土体温度低于0℃时，冻土体积膨胀挤压压电盒，第一活塞2向下移动，第一封闭腔4内压力增大，防冻液中的多组压电陶瓷电机6受压发电，将一部分压力转化为电能，电流由导线输出；第一封闭腔4内压力通过第一弹性隔膜3传递至第二封闭腔5，第二封闭腔5内的可压缩气体受压体积减小，当第一封闭腔与第二封闭腔的压力平衡时，压电陶瓷电机停止发电，完成第一阶段发电。
24.进一步的，基于冻土膨胀的发电单元第一封闭腔4对应的第一矩形筒体1 侧壁上设置有第一管道，第一管道上设置有阀门7，第一管道与阀门(7)的一端连接，还包括设置于冻土中的储能罐。参考图2，为包含储能罐的发电单元的结构示意图。
25.储能罐包含分别由刚性材料制成的上部开口的第二矩形筒体8和第二活塞9；第二活塞9上端设置有压板，下端设置有水平的第二活塞底面；第二活塞9下端设置在第二矩形筒体8内，并可沿第二矩形筒体8的轴向上下移动；第二矩形筒体8内部在第二活塞底面和第二矩形筒体8底面之间还设置有水平的第二弹性隔膜10；第二活塞底面和第二弹性隔膜10之间形成第三封闭腔11，第二弹性隔膜和第二矩形筒体8底面之间形成第四封闭腔12；第三封闭腔设置有可压缩气体，第四封闭腔设置有防冻液；第四封闭腔12还设置有第二管道；第二管道与所述阀门7的另一端连通。其中，第二矩形筒体8和第二活塞9由不锈钢制成。
26.压电盒与储能罐埋置于冻土中，当冻土土体温度低于0℃时，冻土体积膨胀挤压压电盒及储能罐，此时第一活塞2和第二活塞9向下运动，第一封闭腔4 内压力增大，防冻液中的多组压电陶瓷电机6受压发电，将一部分压力转化为电能，电流由导线输出，第一封闭腔4内压力通过第一弹性隔膜3传递至第二封闭腔5，第二封闭腔5内的可压缩气体受压体积减小；第三封闭腔11内压力增大，第三封闭腔内的可压缩气体受压体积减小；第三封闭腔内压力通过第二弹性隔膜10传递至第四封闭腔12。
27.当第一封闭腔4与第二封闭腔5的压力平衡时，压电陶瓷电机6停止发电，完成第一阶段发电。因第一封闭腔4内部分压力转化为电能输出，此时第四封闭腔12内压力高于第一封闭腔，打开阀门7，阀门7由设置在地表上的plc开关控制；第四封闭腔12与第一封闭腔4连通，第四封闭腔内的压力通过防冻液传递至第一封闭腔，压电陶瓷电机6再次受压发电；当四个封闭腔内压力达到平衡时，压电陶瓷电机6停止发电，完成第二阶段发电，此时发电单元无电能输出。
28.进一步的，每个发电单元的压电盒可连接多个储能罐，用于增大发电量，压电盒与多个储能罐连接示意图如图3所示。
29.参考图4，为基于冻土膨胀的浅层地热发电系统结构示意图。一种基于冻土膨胀的发电系统，包括多组上述的发电单元15、地源热泵17、换热管道18 和地热调度站19，地热调度站19包含水箱；多组发电单元15的导线并联连接；地源热泵17与水箱连接，换热管道18从水箱的热水出口出发，呈s形依次绕过每个发电单元后连接至水箱的回水入口。地源热泵17是一种利用浅层地热资源的高效节能空调设备，以浅层地热作为热泵供热的热源进行供热。
30.冻土土体温度低于0℃时，冻土体积膨胀，发电单元15受压发电；当发电单元15完成第一阶段发电和第二阶段发电后，开启地源热泵17，地源热泵17 收集的浅层热能并通入地热调度站19，换热管道18从地热调度站19水箱的热水出口出发，呈s形依次绕过每个发电单元15后连接至水箱的回水入口，加热每个发电单元15周围的冻土；当土体温度达到0℃以上时，土体消融收缩，施加在压电盒和储能罐的冻土膨胀力消失，每个发电单元15的第二封闭腔5和第三封闭腔11内的可压缩气体恢复原体积，四个封闭腔恢复初始状态，关闭阀门17，一次发电结束。之后关闭地源热泵17，土体温度逐渐降低，当土体温度低于0℃时，开始下一次的发电循环。多个阀门17由设置在地表上的plc开关控制。
31.进一步的，本发明的基于冻土膨胀的浅层地热发电系统还包括储电站16，多组发电单元的导线与储电站的正负极电连接，用于储存电能。
32.本发明以冻土膨胀为驱动力，以压电陶瓷受压发电为实现手段，成本低且清洁环保。本发明利用寒区分布广泛的季节性冻土，有效解决冻土地区冬季用电短缺的问题。
33.虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：

1.一种基于冻土膨胀的发电单元，设置于冻土中，其特征在于，包括压电盒，所述压电盒包含分别由刚性材料制成的上部开口的第一矩形筒体(1)和第一活塞(2)，所述第一活塞(2)上端设置有压板，下端设置有水平的第一活塞底面；所述第一活塞(2)下端设置在所述第一矩形筒体(1)内并可沿所述第一矩形筒体(1)的轴向上下移动；第一矩形筒体(1)内部在第一活塞底面和第一矩形筒体(1)底面之间还设置有水平的第一弹性隔膜(3)；第一活塞底面和第一弹性隔膜(3)之间形成第一封闭腔(4)，第一弹性隔膜(3)和第一矩形筒体(1)底面之间形成第二封闭腔(5)；所述第一封闭腔内(4)设置有防冻液，所述防冻液内设置有多组压电陶瓷电机(6)，所述压电陶瓷电机(6)的正极和负极分别设有伸出所述第一封闭腔外的导线；所述第二封闭腔(5)内设置有可压缩气体。2.根据权利要求1所述的基于冻土膨胀的发电单元，其特征在于，所述第一封闭腔(4)对应的第一矩形筒体(1)侧壁上设置有第一管道，第一管道上设置有阀门(7)，第一管道与阀门(7)的一端连接，还包括设置于冻土中的储能罐；所述储能罐包含分别由刚性材料制成的上部开口的第二矩形筒体(8)和第二活塞(9)；所述第二活塞(9)上端设置有压板，下端设置有水平的第二活塞底面；第二活塞(9)下端设置在所述第二矩形筒体(8)内，并可沿所述第二矩形筒体(8)的轴向上下移动；第二矩形筒体(8)内部在第二活塞底面和第二矩形筒体(8)底面之间还设置有水平的第二弹性隔膜(10)；第二活塞底面和第二弹性隔膜(10)之间形成第三封闭腔(11)，第二弹性隔膜和第二矩形筒体(8)底面之间形成第四封闭腔(12)；所述第三封闭腔设置有可压缩气体，所述第四封闭腔设置有防冻液；第四封闭腔(12)还设置有第二管道；所述第二管道与所述阀门(7)的另一端连通。3.根据权利要求2所述的基于冻土膨胀的发电单元，其特征在于，每个发电单元包括一个压电盒(13)和多个与所述压电盒连接的储能罐(14)。4.一种基于冻土膨胀的发电系统，其特征在于，包括多组权利要求1至3所述的发电单元(15)、地源热泵(17)、换热管道(18)和地热调度站(19)，所述地热调度站(19)包含水箱；所述多组发电单元的导线并联连接；所述地源热泵(17)与所述水箱连接，所述换热管道(18)从水箱的热水出口出发，呈s形依次绕过每个发电单元后连接至水箱的回水入口。5.根据权利要求1或2所述的基于冻土膨胀的发电单元，其特征在于，所述刚性材料为不锈钢。6.根据权利要求4所述的冻土膨胀的发电系统，其特征在于，还包括储电站(16)，所述多组发电单元(15)的导线与所述储电站(16)电连接。

技术总结

本发明涉及发电技术领域，公开了一种基于冻土膨胀的发电单元及发电系统。本发明的发电单元的压电盒，包含上部开口的第一矩形筒体和第一活塞；第一活塞下端设置在第一矩形筒体内并可沿第一矩形筒体的轴向上下移动；第一矩形筒体内部还设置有水平的第一弹性隔膜；第一活塞底面和第一弹性隔膜之间形成第一封闭腔，第一弹性隔膜和第一矩形筒体底面之间形成第二封闭腔；第一封闭腔内设置有多组压电陶瓷电机；一种基于冻土膨胀的发电系统，包括多组上述发电单元、储电站、地源热泵和换热管道。本发明以冻土膨胀为驱动力，以压电陶瓷受压发电为实现手段，成本低且清洁环保。本发明利用寒区分布广泛的季节性冻土，有效解决冻土地区冬季用电短缺的问题。用电短缺的问题。用电短缺的问题。