專利名稱：一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器的制作方法
技術領域：
本發明涉及利用大氣浮力飛行的浮空探測器，特別是涉及一種利用大氣溫度梯度進行熱力發電的浮空探測器。
背景技術：
浮空探測器通過在體內填充大量輕質氣體(如氫氣、氦氣等)產生浮力，從而實現在大氣中飛行。氣球和飛艇等浮空探測器在100多年前就已經得到應用，并成為地球大氣探測的一種重要手段。除地球之外，宇宙中存在大量具有大氣的行星和衛星。僅太陽系中，目前已知具有較為稠密大氣的星體就有金星、火星、木星、土星、天王星、海王星等行星，以及土星最大的衛星土衛六。上述天體中，除木星、土星、天王星和海王星等巨行星主要由氫、氦等輕質氣體元素構成外，其余星體均與地球類似，具有固體表面，上面覆蓋著大氣層。由于浮空探測器懸浮在大氣中，不僅可在具有固體表面的星球上運行，也可在類木行星等沒有固體表面的星球上運行。它可彌補著陸器、漫步車等陸基探測器等探測活動范圍小，受地形地貌條件限制，以及軌道探測器數據分辨率低、受云層遮擋、機動性差等不足，具有覆蓋范圍大、駐空時間長、靈活機動、能源消耗少、振動及電磁噪聲小等優點，是在星球大氣層內開展科學探測的理想飛行器。浮空探測器等深空探測器需解決的首要因素之一是能源的持續獲取。探測器通過自身攜帶的蓄電池，僅能供應數小時的電能。隨著離太陽的距離越遠，太陽能發電的效率越低，甚至不可能；而且，即使像金星等距離太陽較近的星球，由于自旋周期長，夜晚可長達數百天，以及云層遮擋等因素的影響，采用太陽能難以解決探測器的持續供電問題。同位素核電源體積小、壽命長，在深空探測器得到普遍應用。但由于其發電功率小(數瓦 數百瓦)、價格昂貴、發射時面臨核安全等風險，應用范圍有限。
發明內容
本發明的目的是為了克服現有技術的缺陷，提供一種利用地球、金星、火星等星球表面大氣自然形成的溫度梯度進行熱力發電的浮空探測器，以實現長期持續的電力供應，可擺脫對太陽能的依賴，實現晝夜能量供應，大大提高浮空探測器的探測能力。為實現上述目的，本發明提供一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器，包括氣囊和位于氣囊下部的熱力發電系統；其中，熱力發電系統上部外沿與氣囊密封連接，包括集液環、儲液器、單向閥門、換熱器、過熱管、渦輪膨脹機、發電機和設備載荷艙；儲液器位于熱力發電系統的底部，包括同軸的中心長空心圓柱結構和下部扁空心圓柱結構，集液環緊密設置在儲液器中心長空心圓柱結構的外側，集液環頂部均勻設置若干個單向閥門，換熱器布置在儲液器下部扁空心圓柱結構的外部，儲液器下部扁空心圓柱結構外沿均勻開有若干個通向儲液器上部空心圓柱結構空腔的過熱管，儲液器頂部設置有渦輪膨脹機，發電機設置在與渦輪膨脹機上部并與其同軸聯動，儲液器底部為設備載荷艙，設備載荷艙內設有電源管理裝置和蓄電池，通過電纜將發電機、電源管理裝置和蓄電池連通。
所述熱力發電系統上部外沿通過懸掛裝置和補片與氣囊密封連接。所述集液環頂部均勻設置4個單向閥門。所述儲液器下部扁空心圓柱結構外沿均勻開有3個通向儲液器上部空心圓柱結構空腔的過熱管。所述渦輪膨脹機入口設置有控制閥。所述換熱器外表面安裝有翅片，用于強化與大氣的對流換熱。所述氣囊可采用單氣囊單工質、雙氣囊雙工質或單氣囊雙工質等方案。本發明與現有技術相比的有益效果是:(I)本發明提出的一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器，可在大氣溫度梯度和浮空探測器的垂直運動共同作用下，形成等效的熱力循環，可從大氣儲存的能量中產生電能；例如:若攜帶Ikg的水，換熱器熱功率為lkW，熱電轉換效率5%，則可在一個垂直振蕩周期內可連續38分鐘提供50W電能。(2)本發明提出的一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器采用與大氣垂直熱力結構相匹配的、易于汽液相變的工質作為浮空探測器的浮力氣體，利用自身物理機制產生高度方向上的自持振蕩，利用不同高度的大氣溫度差發電，不需額外電力輔助，可自主啟動、自主運行，安全性好、可靠性高。(3)利用本發明中的高效率的渦輪膨脹機發電裝置，可把大氣中的低品位熱能轉換為電能，使浮空探測器可便捷地從周圍環境中獲取能源。(4)利用本發明中的渦輪發電機和蓄電池聯合供電方式，可實現在整個循環周期內為攜帶的電子設備連續供電。
圖1為本發明的一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器實施例示意圖。圖2為圖1的A向視圖。圖3為本發明的一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器在低空蒸發膨脹狀態的實施例示意4為本發明的一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器在高空冷凝收縮狀態的實施例示意中，1-氣囊，2-集液環，3-儲液器，4-單向閥門，5-換熱器，6_過熱管，7_渦輪膨脹機，8-發電機，9-電纜，10-電源管理裝置，11-蓄電池，12-設備載荷艙。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行進一步描述。由于星球表面大氣受到地表和太陽輻射的長期綜合作用，會在一定區域范圍內形成穩定的隨高度降低的溫度梯度，同時，在星球引力作用下，大氣壓力會產生隨高度降低(例如地球對流層大氣溫度會按照6.50C /km的速率降低，大氣壓力和密度也會近似按指數規律降低)。本發明提出利用星球大氣系統的垂直溫度梯度和重力作用，利用浮空探測器內部工質的汽液相變造成的浮力變化使浮空探測器產生垂直振蕩運動，把大氣作為取之不竭的能量庫，從大氣層低處吸取熱量，在大氣層高處排出熱量，形成等效的熱力循環作用，并采用渦輪機等熱電轉換裝置，把熱能轉換為機械能并最終轉換為電能，從而為儀器設備供電。采用這種熱能發電的方式，可為浮空飛行器，特別是深空探測浮空飛行器提供長期持續的電力供應，擺脫對太陽能的依賴，實現晝夜能量供應，大大提高浮空探測器的探測能力。
基于上述發明思路，一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器如圖1所示，包括氣囊I和位于氣囊I下部的熱力發電系統；其中，熱力發電系統上部外沿通過懸掛裝置和補片與氣囊I密封連接，包括集液環2、儲液器3、單向閥門4、換熱器5、過熱管6、渦輪膨脹機
7、發電機8和設備載荷艙12 ;氣囊I位于頂部，容納汽化的工質并產生浮力，實現在大氣中飛行；儲液器3位于熱力發電系統的底部，包括同軸的中心長空心圓柱結構和下部扁空心圓柱結構，用于接收集液環2收集的氣囊I表面冷卻液體；集液環2緊密設置在儲液器3中心長空心圓柱結構的外側，用于在高空低溫環境下收集氣囊I表面冷卻的液體；集液環2頂部均勻設置4個單向閥門4，保障液體可從氣囊I流入集液環2，并避免汽化后的汽態工質從集液環2回流到氣囊I ;換熱器5布置在儲液器3下部扁空心圓柱結構的外部，換熱器5外表面安裝有翅片，用于實現與外界環境的充分換熱，在低空溫度較高的大氣加熱作用下，內部的液態工質受熱蒸發，并按照一定的汽化率轉變為汽態工質；儲液器3下部扁空心圓柱結構外沿均勻開有3個通向儲液器3中心空心圓柱結構空腔的過熱管6，通過與外界熱交換，把汽態工質由換熱器5外側導出到儲液器3上部空腔，并沿管道上升，在上升過程中被外界大氣進一步加熱，形成過熱氣體；儲液器3頂部設置有渦輪膨脹機7，用于汽態工質膨脹做功，將工質的熱能轉換為機械動能，匯集到儲液器3上部空間的汽態工質，流過渦輪膨脹機7中的流道并膨脹做功，驅動渦輪膨脹機7高速旋轉，膨脹后的汽態工質由渦輪膨脹機7出口排出至氣囊I內；發電機8設置在與渦輪膨脹機7上部并與其同軸聯動，用于將渦輪膨脹機7動旋轉動能通過電磁作用轉換為電能；儲液器3底部為設備載荷艙12，設備載荷艙12內設有電源管理裝置10和蓄電池11，通過電纜9將發電機8、電源管理裝置10和蓄電池11連通，電源管理裝置10根據要求將發電機8發出的電能輸送給儀器設備或通過蓄電池11存儲，蓄電池11用于將發電機8產生的電能儲存，并通過電源管理裝置10，輸送給浮空探測器攜帶的儀器設備使用。渦輪膨脹機7入口設置有控制閥，控制汽態工質向渦輪膨脹機7的流量，可實現發電功率以及浮力調節。控制閥完全關閉時，汽態工質無法流入氣囊1，氣囊I浮力不再變化，可在其它手段的配合下實現高度調節與控制。根據應用需求的不同，氣囊I可采用單氣囊單工質，雙氣囊雙工質、或單氣囊雙工質等方案。浮空探測器可采用氣球或飛艇的形式。上述浮空探測器在低空蒸發膨脹狀態的工作過程如圖3所示:當浮空探測器下降到一定高度后，在低空熱空氣的加熱作用下，儲液器3底部的液態工質蒸發，產生高壓汽態工質，并驅動渦輪膨脹機7做功，排出的低壓汽態工質進入上部氣囊I ;隨著工質汽化量的增加，更多的汽態工質進入氣囊1，氣囊I體積不斷膨脹，達到充滿狀態；同時，浮空探測器的總浮力也不斷增加，當總浮力超過總重時，浮空探測器將克服重力的影響，高度不再下降并逐步上升。上述浮空探測器在高空冷凝收縮狀態的工作過程如圖4所示:當浮空探測器上升到一定高度后，在高空冷空氣的冷卻作用下，汽態工質冷凝，形成液態工質；液態工質在重力場作用下沿氣囊I內表面向下流動，并在氣囊I下端的收縮口流入集液環2，并最終匯集到儲液器3中；隨著工質液化量的增加，更多的汽態工質冷凝為液態工質，并流出氣囊1，氣囊I體積不斷收縮；同時，浮空探測器的總浮力也不斷降低，當總浮力低于總重時，浮空探測器將無法克服重力的影響，高度不再上升并逐步下降。熱力發電系統運行方式如圖1、圖2所示:由于大氣壓力和溫度隨高度降低逐漸升高，當浮空探測器飛行高度降低到一定程度時，外界大氣的壓力與溫度滿足內部液態工質的蒸發條件；在外界大氣環境的加熱作用，已冷凝集聚在浮空探測器底部儲液器3和換熱器5處的液態工質受熱蒸發，按照一定的汽化率轉變為汽態；汽態工質由換熱器5外側的過熱管6流出，并沿管道上升，在上升過程中被外界大氣進一步加熱，形成過熱汽態工質；過熱管6出口的汽態工質排出匯集到儲液器3的上部空間；儲液器3的上部空間中的汽態工質在壓力驅動下，流過其上部的渦輪膨脹機7 ;汽態工質在渦輪膨脹機7的流道中膨脹做功，壓力降低，并以一定的速度從渦輪膨脹機7出口排出，進入氣囊I內部的封閉空間；汽態工質在渦輪膨脹機7中膨脹做功，驅動渦輪膨脹機7高速旋轉；與渦輪膨脹機7同軸聯動的發電機8轉子在渦輪膨脹機7的驅動下轉動，通過電磁作用，將機械能轉換為電能；發出的電能通過電纜9傳輸到電源管理裝置10，由電源管理裝置10根據要求將電能輸送給儀器設備或通過蓄電池11存儲。膨脹降壓后的汽態工質由渦輪膨脹機7出口進入浮空探測器上部的氣囊1，為浮空探測器提供更多的浮力；當工質汽化到一定數量后，浮空探測器處于凈浮力狀態，浮力超過重力，使浮空探測器停止下降，開始上升周期。在浮空探測器處于上升周期時，由于大氣壓力和溫度隨高度降低逐漸降低，當浮空探測器飛行高度升高到一定程度時，外界大氣的壓力與溫度滿足內部汽態工質的冷凝條件；氣囊I內部的汽態工質在外界大氣的冷卻下，逐漸液化；液化的工質在重力場的作用下，通過在集液環2上部入口處的單向閥4流入環狀集液環2 ;液體在集液環2內自上向下沿壁面流動，進一步受外界大氣冷卻，處于過冷狀態，并通過下部圓孔流入底部換熱器5和中心儲液器3中；在此過程中發電系統不發電。隨著工質液化量的增加，氣囊I內汽態工質不斷減少，浮空探測器浮力逐漸降低，處于凈重力狀態，浮空探測器產生向下運動，飛行高度逐漸降低，開始下一個下降周期。以上所述，僅為本發明的實施例之一，但并不限制本發明的范圍。依據本發明權利要求所做的等效變化及修改，仍屬于本發明的范圍，故都應視為本發明的進一步實施例。例如，除本發明實施例列出的單氣囊浮空探測器方式之外，也可采用多氣囊方式，即汽液相變氣囊和浮升氣囊的組合方式；既可采用氣球形式，也可采用飛艇形式。因此，采用其它氣囊方式的浮空探測器，也是本發明的有效變化及修改。
權利要求
1.一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器，包括氣囊(I)和位于氣囊(I)下部的熱力發電系統，其特征在于:熱力發電系統上部外沿與氣囊(I)密封連接，包括集液環(2)、儲液器(3)、單向閥門(4)、換熱器(5)、過熱管(6)、渦輪膨脹機(7)、發電機(8)和設備載荷艙(12);儲液器(3)位于熱力發電系統的底部,包括同軸的中心長空心圓柱結構和下部扁空心圓柱結構，集液環(2)緊密設置在儲液器(3)中心長空心圓柱結構的外側，集液環(2)頂部均勻設置若干個單向閥門(4)，換熱器(5)布置在儲液器(3)下部扁空心圓柱結構的外部，儲液器(3)下部扁空心圓柱結構外沿均勻開有若干個通向儲液器(3)上部空心圓柱結構空腔的過熱管(6)，儲液器(3)頂部設置有渦輪膨脹機(7)，發電機(8)設置在與渦輪膨脹機(7 )上部并與其同軸聯動，儲液器(3 )底部為設備載荷艙(12 )，設備載荷艙(12 )內設有電源管理裝置(10)和蓄電池(11)，通過電纜(9)將發電機(8)、電源管理裝置(10)和蓄電池(11)連通。
2.如權利要求1所述的一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器，其特征在于熱力發電系統上部外沿通過懸掛裝置和補片與氣囊(I)密封連接。
3.如權利要求1所述的一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器，其特征在于集液環(2 )頂部均勻設置4個單向閥門(4 )。
4.如權利要求1所述的一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器，其特征在于儲液器(3)下部扁空心圓柱結構外沿均勻開有3個通向儲液器(3)上部空心圓柱結構空腔的過熱管(6)。
5.如權利要求1所述的一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器，其特征在于渦輪膨脹機(7 )入口設置有控制閥。
6.如權利要求1所述的一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器，其特征在于換熱器(5)外表面安裝有翅片。
7.如權利要求1所述的一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器，其特征在于氣囊(O為單氣囊單工質、雙氣囊雙工質或單氣囊雙工質。
全文摘要
本發明公開了一種利用大氣溫度梯度發電的浮空探測器，包括氣囊(1)和位于氣囊(1)下部的熱力發電系統，熱力發電系統上部外沿與氣囊(1)密封連接，包括集液環(2)、儲液器(3)、單向閥門(4)、換熱器(5)、過熱管(6)、渦輪膨脹機(7)、發電機(8)和設備載荷艙(12)。本發明可在大氣溫度梯度和浮空探測器的垂直運動共同作用下，形成等效的熱力循環，可從大氣儲存的能量中產生電能,可自主啟動、自主運行，安全性好、可靠性高。
文檔編號G01W1/08GK103176222SQ201310006239
公開日2013年6月26日 申請日期2013年1月8日 優先權日2013年1月8日
發明者姚偉, 宋堅, 范春石, 李勇 申請人:中國空間技術研究院