一种太阳能与地热联合作用的热机发电装置
技术领域
本发明涉及热机发电领域，具体是一种太阳能与地热联合作用的热机发电装置。
背景技术
热机发电是一种偏远地区常用的小功率独立发电设备，用于电网不太好铺设的位置。
太阳能是一种常用的热机高温热源，但不稳定，在夜间也无法进行发电作业，只能储存白天的发电电能并节约使用。
混合动力的热机装置中，CN201110161363.X公开了一个较为小巧且使用尚能获得满足的热机，但是，传统热机以及CN201110161363.X中，热机常常会使用类似于汽油发动机的冲程式活塞曲柄转子，这类结构的单个做功周期较长，从而做功效率受到制约，而且，在CN201110161363.X中，需要使用外界添入冷却水作为热机的第二热源（冷源），使用后的冷却水无法二次使用，所以，该热机的使用条件苛刻，需要在存在大量天然水资源的场合使用，例如河流附近，除太阳能外，混合能源的第二个能源常常是燃料类热源，需要定期补充，属于不可再生资源，所以，热机的使用仍然受到诸多条件限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能与地热联合作用的热机发电装置，以解决现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种太阳能与地热联合作用的热机发电装置，包括发电机、主轴、发电转子、太阳能发电组件和地热发电组件，主轴端部连接发电机，主轴上设置两个发电转子，两个发电转子分别连接在太阳能发电组件和地热发电组件中，发电转子与主轴的连接通过超越离合器连接。发电转子包括转子和转子壳，转子壳两端分别连接太阳能发电组件或地热发电组件的工质循环管路，转子位于转子壳内并由工质推动直接旋转。
太阳能和地热都被用来进行发电，相互弥补时间上的交错，太阳能在白天时进行发电，地热在温差大的夜间进行发电，从而充分利用换热能量作为热机的热源，发电转子直连两个发电组件，不再需要例如曲柄连杆式的转换，使用发电组件的工质直接驱动转子旋转，过程高效，主轴只从发电转子上获得能量，而不应给出能量，即，力的传动方向应当是单向的，所以，让两个发电转子与主轴使用超越离合器进行传动，当白天时，太阳能发电组件进行发电并驱动与太阳能发电组件相连接的发电转子旋转时，与地热发电组件所连接的发电转子时几乎不从地热发电组件上获得能量并进行旋转的，此时，其速度很小，不再传递旋转力矩往主轴，或者，主轴可以设计为超低的额定转速，使用齿轮组将主轴的速度与发电机所需要的速度匹配起来，此时，即使两个发电转子的转速较低，也都能往主轴上传递能量，不过，此时主要的做功转子因为速度较低，可能做功效率不高，而且，主轴一端的齿轮箱可能也存在功率损失，所以，主轴的较低设计转速应是太阳能和地热发电功率相差不大情况下使用的。
进一步的，转子为若干个沿主轴轴向依次设置的叶片转子，叶片转子外径等于转子壳内径。
多个叶片的叶片转子设置方式，可以从流过的气体介质上获得能量，将气体工质的流速能量截取下来用来发电，叶片转子的外径直接紧邻转子壳内壁，防止少量的气体工质从边缘直接流走而不做功。
进一步的，太阳能发电组件包括储液池、中间罐、气化井和缓冲罐，储液池、中间罐、气化井和缓冲罐依次通过管路连接起来，储液池的顶部还通过管路连接至转子壳的底部侧面，缓冲罐还通过管路连接至转子壳的顶部侧面，中间罐分别与储液池、气化井的管路上设有交替启闭的自动通断阀，中间罐与储液池相连的管路高于与气化井相连接的管路，高度差使得凝液自然地流动过去，储液池埋于土壤内，气化井包括井筒、加热棒和太阳能板，井筒的筒壁分别连接中间罐和缓冲罐，太阳能板置于地表并朝向正午太阳方向，太阳能板背后连接加热棒一端，加热棒另一端深入井筒内并直至井筒筒底，储液池、中间罐、气化井、缓冲罐和与太阳能发电组件相连接的转子壳形成封闭流动回路，回路内充有常压沸点高于三十五摄氏度的液体作为太阳能发电组件工质。
太阳能发电组件的热机第一热源是太阳能，第二热源（冷源）为相对的低温土壤，太阳能将气化井内的工质加热使其气化，从而压力、体积剧增，并传递至缓冲罐内，缓冲罐和气化井内的气态高压工质只能从发电转子处流过并通往低压液态区域-储液池内，储液池由于埋于土壤内，所以，温度为土壤温度，不会很高，大大低于受过太阳能加热的工质，工质在储液池内时，受冷凝结为液态，从而在储液池内造成低压状态，低压的储液池和高压的缓冲罐所具备的压力差，让气体高速流过发电转子，推动其旋转，进行发电，由于储液池和气化井存在较大的压力差，所以，不能让其直连气化井，否则，凝液也不会自发流过去，本发明通过在这两者之间设置中间罐，中间罐分别与两者连接，并在两端设置交替通断的阀门，从而作为中间区域，让凝液得以到达气化井内，封闭回路中的工质应当选择合适沸点的溶液，使其在土壤温度下是液态，而受到太阳能加热后，能快速气化。
进一步的，储液池外表设有若干换热翅片与土壤接触，太阳能发电组件工质为戊烷。
储液池外表的换热翅片使得储液池的温度充分降低为土壤温度并成为一个温度整体，戊烷的标压沸点为三十六摄氏度，土壤温度一般是低于这一温度，而一旦脱离储液池后，低沸点的戊烷可以快速气化并占据空间体积，推动发电转子旋转。
进一步的，中间罐、气化井和缓冲罐以及与三者相连接的外表包覆有保温层。气化井至发电转子的管路上，工质都需要处与高压气态，所以，使用保温层包裹，保证太阳能的能量充分保留至发电阶段。
进一步的，地热发电组件包括空冷盘管、蓄液罐、中间筒、地热筒，空冷盘管、蓄液罐、中间筒、地热筒依次通过管路连接，空冷盘管的另一端还与转子壳的底部侧面连接，地热筒的顶部还与转子壳的顶部侧面连接，中间筒与蓄液罐、地热筒相连接的管路上分别设置交替启闭的自动通断阀，中间筒与蓄液罐相连接的位置高于其与地热筒相连接的位置；地热筒埋于土壤内，空冷盘管、蓄液罐、中间筒、地热筒连带与地热发电组件相连接的转子壳构成封闭流动回路，回路内充有常压沸点在当地冬季夜间平均气温至地热平均温度之间的液体作为地热发电组件工质。
进一步的，地热发电组件的热机第一热源是相对的高温土壤，第二热源（冷源）为低温空气，工质在凝液后流动至地热筒内被土壤温度加热继而气化，流过发电转子后，通往低温的空冷盘管，主要应用在土壤温度较高、环境温度很低的冬季夜间，用来弥补夜间时的太阳能发电功率缺失，工质例如使用二甲胺，二甲胺标压沸点是七摄氏度，对于夜间温度很低的环境，都能凝结为液态，而有地热资源的区域，土壤温度达到七摄氏度是很容易满足的。
地热筒后伸出土壤的管路以及与地热发电组件相连接的转子壳外表外表包覆保温层。与太阳能发电组件的保温层设置类似，都是在保存高压气体工质的温度能量，防止其过早地进行降温而影响做功能力。
作为另一种进一步实施方式，转子还可以为一个螺旋转子，螺旋转子的大径等于转子壳内径。
螺旋转子相比于叶片转子可以更彻底地将流动气体的速度能量转变为转子的旋转能量，螺旋转子的斜面均可以视为是一段倾斜的叶片，气体从上往下穿过转子时，由于后续的压力降低，所以，气体对于迎风面上会有一个垂直于斜面的压力，这个压力分解为主轴的轴向和螺旋叶片的切向，切向力驱动转子旋转，这个原理过程是螺旋送料器的取反使用，螺旋叶片的所有的叶片表面都从由上往下的气体流动过程获得旋转能量，从而进行旋转发电，从而获得比轴流风叶式的叶片转子具有更高效的旋转发电效率。
进一步的，发电转子还包括滚球管和滚球，滚球管设置在转子壳侧壁上，滚球管为腰圆形，滚球管穿入转子壳的一段靠近主轴的侧壁上开设直槽，螺旋叶片在轴向上的投影位于直槽内，螺旋叶片螺旋槽形状为圆弧形，滚球管内填充有滚球，滚球管的管内径等于滚球球直径，滚球球直径等于螺旋叶片螺旋槽圆弧直径，滚球在直槽处朝向螺旋叶片裸露在外并嵌入螺旋叶片螺旋槽内成啮合关系。
上述的螺旋叶片受到流体垂直于叶片表面的压力继而进行旋转是理想状态下，实际上，单一的螺旋转子因为流道是连续的，所以，由于气体工质在转子上下的压力差，会自动地沿着连续螺旋流道往下流动，大量的压力差用于沿着叶片倾斜方向，这种情况尤其发生在前后压差不大的情况下，气体流速很慢，沿着螺旋通道缓慢下流，无法驱动转子旋转，为了突出垂直于叶片表面的压力，本发明通过将螺旋通道分隔使其不再连续，气体为单导程、单导程的存在于螺旋转子螺槽内，充分从气体上获得压力势能,气体只能以与转子相匹配的速度轴向流动，存在在螺槽内时，因为上下压力差，推动螺旋转子转动，在螺旋转子低速或速度为零时，气体流动也近乎终止，从而不会有压力损失。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过双发电组件的联合设置，在更长时间范围内都能进行发电作业，充分满足偏远地区的电力使用，在太阳能充足时，太阳能发电组件作为主要做功部件，太阳能加热工质，高压气体工质在发电转子的前后存在较大的压力差，从而流过发电转子时，推动其旋转，能量传递到主轴上进行后续发电；当进入夜间后，地热发电组件作为主要做功部件，地热加热工质，使其成为高压气态，与经过空冷盘管后的液态低温工质具有较大压力差，从而在流过发电转子时，推动其旋转做功，进行发电；螺旋转子的发电转子结构，并使用滚球将螺旋转子的螺槽分隔为一个个的螺距长度，使得气体流过转子时，只能以与螺旋转子相匹配的速度流过，不能进行沿螺槽的自然流动，从而让气体在螺旋转子前后的压力差充分转换为转子的旋转能量，做功高效。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明发电转子为叶片转子时的结构示意图；
图3为本发明发电转子为螺旋转子时的结构示意图；
图4为本发明发电转子带有滚球管和滚球的结构示意图；
图5为本发明太阳能发电组件的原理示意图；
图6为本发明地热发电组件的原理示意图；
图7为本发明螺旋转子和滚球的放大示意图。
图中：1-发电机、2-主轴、3-发电转子、31-螺旋转子、32-转子壳、33-滚球管、34-滚球、37-叶片转子、4-太阳能发电组件、41-储液池、42-中间罐、43-气化井、431-井筒、432-加热棒、433-太阳能板、44-缓冲罐、5-地热发电组件、51-空冷盘管、52-蓄液罐、53-中间筒、54-地热筒、9-保温层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1所示，一种太阳能与地热联合作用的热机发电装置，包括发电机1、主轴2、发电转子3、太阳能发电组件4和地热发电组件5，主轴2端部连接发电机1，主轴2上设置两个发电转子3，两个发电转子3分别连接在太阳能发电组件4和地热发电组件5中，发电转子3与主轴2的连接通过超越离合器连接。如图2、3所示，发电转子3包括转子和转子壳32，转子壳32两端分别连接太阳能发电组件4或地热发电组件5的工质循环管路，转子位于转子壳32内并由工质推动直接旋转。
太阳能和地热都被用来进行发电，相互弥补时间上的交错，太阳能在白天时进行发电，地热在温差大的夜间进行发电，从而充分利用换热能量作为热机的热源，发电转子3直连两个发电组件，不再需要例如曲柄连杆式的转换，使用发电组件的工质直接驱动转子旋转，过程高效，主轴2只从发电转子3上获得能量，而不应给出能量，即，力的传动方向应当是单向的，所以，让两个发电转子3与主轴2使用超越离合器进行传动，当白天时，太阳能发电组件4进行发电并驱动与太阳能发电组件4相连接的发电转子3旋转时，与地热发电组件5所连接的发电转子3时几乎不从地热发电组件5上获得能量并进行旋转的，此时，其速度很小，不再传递旋转力矩往主轴2，或者，主轴2可以设计为超低的额定转速，使用齿轮组将主轴2的速度与发电机1所需要的速度匹配起来，此时，即使两个发电转子的转速较低，也都能往主轴2上传递能量，不过，此时主要的做功转子因为速度较低，可能做功效率不高，而且，主轴2一端的齿轮箱可能也存在功率损失，所以，主轴的较低设计转速应是太阳能和地热发电功率相差不大情况下使用的。
如图2所示，转子为若干个沿主轴2轴向依次设置的叶片转子37，叶片转子37外径等于转子壳32内径。
多个叶片的叶片转子37设置方式，可以从流过的气体介质上获得能量，将气体工质的流速能量截取下来用来发电，叶片转子37的外径直接紧邻转子壳32内壁，防止少量的气体工质从边缘直接流走而不做功。
如图5所示，太阳能发电组件4包括储液池41、中间罐42、气化井43和缓冲罐44，储液池41、中间罐42、气化井43和缓冲罐44依次通过管路连接起来，储液池41的顶部还通过管路连接至转子壳32的底部侧面，缓冲罐44还通过管路连接至转子壳32的顶部侧面，中间罐42分别与储液池41、气化井43的管路上设有交替启闭的自动通断阀，中间罐42与储液池41相连的管路高于与气化井43相连接的管路，高度差使得凝液自然地流动过去，储液池41埋于土壤内，气化井43包括井筒431、加热棒432和太阳能板433，井筒431的筒壁分别连接中间罐42和缓冲罐44，太阳能板433置于地表并朝向正午太阳方向，太阳能板433背后连接加热棒432一端，加热棒432另一端深入井筒431内并直至井筒431筒底，储液池41、中间罐42、气化井43、缓冲罐44和与太阳能发电组件4相连接的转子壳32形成封闭流动回路，回路内充有常压沸点高于三十五摄氏度的液体作为太阳能发电组件4工质。
太阳能发电组件4的热机第一热源是太阳能，第二热源（冷源）为相对的低温土壤，太阳能将气化井43内的工质加热使其气化，从而压力、体积剧增，并传递至缓冲罐44内，缓冲罐44和气化井43内的气态高压工质只能从发电转子3处流过并通往低压液态区域-储液池41内，储液池41由于埋于土壤内，所以，温度为土壤温度，不会很高，大大低于受过太阳能加热的工质，工质在储液池41内时，受冷凝结为液态，从而在储液池41内造成低压状态，低压的储液池41和高压的缓冲罐44所具备的压力差，让气体高速流过发电转子3，推动其旋转，进行发电，由于储液池41和气化井43存在较大的压力差，所以，不能让其直连气化井43，否则，凝液也不会自发流过去，本发明通过在这两者之间设置中间罐42，中间罐42分别与两者连接，并在两端设置交替通断的阀门，从而作为中间区域，让凝液得以到达气化井43内，封闭回路中的工质应当选择合适沸点的溶液，使其在土壤温度下是液态，而受到太阳能加热后，能快速气化。
如图5所示，储液池41外表设有若干换热翅片与土壤接触，太阳能发电组件4工质为戊烷。
储液池41外表的换热翅片使得储液池41的温度充分降低为土壤温度并成为一个温度整体，戊烷的标压沸点为三十六摄氏度，土壤温度一般是低于这一温度，而一旦脱离储液池41后，低沸点的戊烷可以快速气化并占据空间体积，推动发电转子旋转。
中间罐42、气化井43和缓冲罐44以及与三者相连接的外表包覆有保温层9。气化井43至发电转子3的管路上，工质都需要处与高压气态，所以，使用保温层9包裹，保证太阳能的能量充分保留至发电阶段。
如图6所示，地热发电组件5包括空冷盘管51、蓄液罐52、中间筒53、地热筒54，空冷盘管51、蓄液罐52、中间筒53、地热筒54依次通过管路连接，空冷盘管51的另一端还与转子壳32的底部侧面连接，地热筒54的顶部还与转子壳32的顶部侧面连接，中间筒53与蓄液罐52、地热筒54相连接的管路上分别设置交替启闭的自动通断阀，中间筒53与蓄液罐52相连接的位置高于其与地热筒54相连接的位置；地热筒54埋于土壤内，空冷盘管51、蓄液罐52、中间筒53、地热筒54连带与地热发电组件5相连接的转子壳32构成封闭流动回路，回路内充有常压沸点在当地冬季夜间平均气温至地热平均温度之间的液体作为地热发电组件5工质。
地热发电组件5的热机第一热源是相对的高温土壤，第二热源（冷源）为低温空气，工质在凝液后流动至地热筒54内被土壤温度加热继而气化，流过发电转子3后，通往低温的空冷盘管51，主要应用在土壤温度较高、环境温度很低的冬季夜间，用来弥补夜间时的太阳能发电功率缺失，工质例如使用二甲胺，二甲胺标压沸点是7摄氏度，对于夜间温度很低的环境，都能凝结为液态，而有地热资源的区域，土壤温度达到7摄氏度是很容易满足的。
地热筒54后伸出土壤的管路以及与地热发电组件5相连接的转子壳32外表外表包覆保温层9。与太阳能发电组件4的保温层设置类似，都是在保存高压气体工质的温度能量，防止其过早地进行降温而影响做功能力。
本装置的主要运行过程是：在太阳能充足时，太阳能发电组件4作为主要做功部件，太阳能加热工质，高压气体工质在发电转子3的前后存在较大的压力差，从而流过发电转子3时，推动其旋转，能量传递到主轴2上进行后续发电；当进入夜间后，地热发电组件5作为主要做功部件，地热加热工质，使其成为高压气态，与经过空冷盘管51后的液态低温工质具有较大压力差，从而在流过发电转子时，推动其旋转做功，进行发电。
实施例二：
相比于实施例一，只有发电转子3的结构形式不同：
如图3所示，转子为一个螺旋转子31，螺旋转子31的大径等于转子壳32内径。
螺旋转子31相比于叶片转子37可以更彻底地将流动气体的速度能量转变为转子的旋转能量，螺旋转子31的斜面均可以视为是一段倾斜的叶片，气体从上往下穿过转子时，由于后续的压力降低，所以，气体对于迎风面上会有一个垂直于斜面的压力，这个压力分解为主轴2的轴向和螺旋叶片的切向，切向力驱动转子旋转，这个原理过程是螺旋送料器的取反使用，螺旋叶片的所有的叶片表面都从由上往下的气体流动过程获得旋转能量，从而进行旋转发电，从而获得比轴流风叶式的叶片转子37具有更高效的旋转发电效率。
如图4所示，发电转子3还包括滚球管33和滚球34，滚球管33设置在转子壳32侧壁上，滚球管33为腰圆形，滚球管33穿入转子壳32的一段靠近主轴2的侧壁上开设直槽，螺旋叶片31在轴向上的投影位于直槽内，螺旋叶片31螺旋槽形状为圆弧形，滚球管33内填充有滚球34，滚球管33的管内径等于滚球34球直径，滚球34球直径等于螺旋叶片31螺旋槽圆弧直径，滚球34在直槽处朝向螺旋叶片31裸露在外并嵌入螺旋叶片31螺旋槽内成啮合关系。
上述的螺旋叶片受到流体垂直于叶片表面的压力继而进行旋转是理想状态下，实际上，单一的螺旋转子因为流道是连续的，所以，由于气体工质在转子上下的压力差，会自动地沿着连续螺旋流道往下流动，大量的压力差用于沿着叶片倾斜方向，这种情况尤其发生在前后压差不大的情况下，气体流速很慢，沿着螺旋通道缓慢下流，无法驱动转子旋转，为了突出垂直于叶片表面的压力，如图4、7所示，本发明通过将螺旋通道分隔使其不再连续，气体为单导程、单导程的存在于螺旋转子31螺槽内，充分从气体上获得压力势能,气体只能以与转子相匹配的速度轴向流动，存在在螺槽内时，因为上下压力差，推动螺旋转子转动，在螺旋转子低速或速度为零时，气体流动也近乎终止，从而不会有压力损失。
本实施例的太阳能发电组件4和地热发电组件5的运行原理与实施例一相同。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
