本發明涉及海底能源利用技術領域，更具體地說，涉及一種海底熱液溫差發電裝置。
背景技術：
海洋深處蘊藏著巨大的海底水熱活動熱能，據估計，全球大洋貢獻的總熱通量3.2×1012W中，有1/3是通過水熱活動實現的。最明顯的水熱活動是在洋中脊發生的熱液噴口，噴發的流體溫度可以達到400℃，而周圍的海水溫度接近0℃。開展這種溫差熱能的有效利用研究，為諸如水下機器人等深海探測、作業裝備就近供應能量，具有十分顯著的科學與技術進步意義。
目前，研發的發電裝置大多基于塞貝克效應，即利用兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差來產生電流，產生電量比較微弱，不足以大量有效地利用深海底熱液溫差能。
綜上所述，如何提供一種海底熱液溫差發電裝置，以實現大量有效地利用深海底熱液溫差能，是目前本領域技術人員亟待解決的技術問題。
技術實現要素：
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種海底熱液溫差發電裝置，以實現大量有效地利用深海底熱液溫差能。
為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
一種海底熱液溫差發電裝置，包括：
用于將液態工質加熱為過熱蒸汽的蒸發器；
用于將機械能轉化為電能的發電機；
利用所述過熱蒸汽膨脹做功驅動所述發電機發電的膨脹機，所述膨脹機與所述發電機的輸入端連接，所述膨脹機的進口與所述蒸發器的出口連通；
用于驅動工質循環的循環泵，所述循環泵的出口與所述蒸發器的進口連通；
用于將膨脹做功后的工質乏汽冷凝為液態的冷凝器，所述冷凝器的進口與所述膨脹機的出口連通，所述冷凝器的出口與所述循環泵的進口連通。
優選的，上述海底熱液溫差發電裝置還包括用于將所述發電機發出的交流電轉換為直流電并管理電源的電能變換模塊，所述電能變換模塊的輸入端與所述發電機的輸出端連接。
優選的，上述海底熱液溫差發電裝置還包括與所述電能變換模塊的輸出端連接的水密電纜接頭。
優選的，上述海底熱液溫差發電裝置還包括外罩于所述蒸發器的第一護框。
優選的，上述海底熱液溫差發電裝置還包括外罩于所述冷凝器的第二護框。
優選的，上述海底熱液溫差發電裝置還包括連接在所述第一護框與所述第二護框之間的耐壓筒體，所述膨脹機、所述發電機、所述循環泵、所述電能變換模塊均位于所述耐壓筒體內。
優選的，上述海底熱液溫差發電裝置中，所述海底熱液溫差發電裝置的循環工質為甲苯。
優選的，上述海底熱液溫差發電裝置中，所述蒸發器為螺旋管蒸發器；所述冷凝器為螺旋管冷凝器。
優選的，上述海底熱液溫差發電裝置中，所述膨脹機為多級軸流透平膨脹機。
從上述的技術方案可以看出，本發明提供的海底熱液溫差發電裝置包括用于將液態工質加熱為過熱蒸汽的蒸發器；用于將機械能轉化為電能的發電機；利用過熱蒸汽膨脹做功驅動發電機發電的膨脹機，膨脹機與發電機的輸入端連接，膨脹機的進口與蒸發器的出口連通；用于驅動工質循環的循環泵，循環泵的出口與蒸發器的進口連通；用于將膨脹做功后的工質乏汽冷凝為液態的冷凝器，冷凝器的進口與膨脹機的出口連通，冷凝器的出口與循環泵的進口連通。
應用時，將海底熱液溫差發電裝置的蒸發器放置在海底熱液噴口上，將冷凝器放置在冰冷的海底上；工作過程中，由冷凝器流出的冷卻后的液態工質，經循環泵加壓進入蒸發器，然后吸收海底熱液噴口的熱液區域的高溫熱量后成為高溫高壓的過熱蒸汽，接著進入膨脹機膨脹向外做功驅動發電機發電；做功后膨脹機出口為低溫低壓的乏汽，其進入冷凝器進一步冷卻為液態的工質；而發電機發出的高頻交流電可經過處理后向深海探測、作業裝備提供充電電源。
由于本發明以熱液為熱源，以附近海水為冷源，采用閉式熱力循環驅動膨脹做功的方式向深海探測、作業裝備提供電能，所以能夠大量有效地利用深海底熱液溫差能。
此外，本發明利用循環泵實現工質的閉式熱力循環，更能適應深海應用，工作可靠性高。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是本發明實施例提供的海底熱液溫差發電裝置的結構示意圖。
具體實施方式
本發明實施例提供了一種海底熱液溫差發電裝置，實現了大量有效地利用深海底熱液溫差能。
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
請參考附圖1，本發明實施例提供的海底熱液溫差發電裝置包括用于將液態工質加熱為過熱蒸汽的蒸發器2；用于將機械能轉化為電能的發電機5；利用過熱蒸汽膨脹做功驅動發電機5發電的膨脹機4，膨脹機4與發電機5的輸入端連接，膨脹機4的進口與蒸發器2的出口連通；用于驅動工質循環的循環泵6，循環泵6的出口與蒸發器2的進口連通；用于將膨脹做功后的工質乏汽冷凝為液態的冷凝器8，冷凝器8的進口與膨脹機4的出口連通，冷凝器8的出口與循環泵6的進口連通。
應用時，將海底熱液溫差發電裝置的蒸發器2放置在海底熱液噴口上，將冷凝器8放置在冰冷的海底上；工作過程中，由冷凝器8流出的冷卻后的液態工質，經循環泵6加壓進入蒸發器2，然后吸收海底熱液噴口的熱液區域的高溫熱量后成為高溫高壓的過熱蒸汽，接著進入膨脹機4膨脹向外做功驅動發電機5發電；做功后膨脹機4出口為低溫低壓的乏汽，其進入冷凝器8進一步冷卻為液態的工質；而發電機5發出的高頻交流電可經過處理后向深海探測、作業裝備提供充電電源。
由于本發明以熱液為熱源，以附近海水為冷源，采用閉式熱力循環驅動膨脹做功的方式向深海探測、作業裝備提供電能，所以能夠大量有效地利用深海底熱液溫差能。
此外，本發明利用循環泵6實現工質的閉式熱力循環，更能適應深海應用，工作可靠性高。
優選的，海底熱液溫差發電裝置還包括用于將發電機5發出的交流電轉換為直流電并管理電源的電能變換模塊7，電能變換模塊7的輸入端與發電機5的輸出端連接。具體的，電能變換模塊7包括整流器單元、充放電管理單元和控制單元等。發電機5輸出的高頻交流電經電能變換模塊7轉換為直流電，便于向深海探測、作業裝備提供充電電源。可以理解的是，本發明也可以不設置上述電能變換模塊7，通過需要用電設備如深海探測裝備自身攜帶的變換模塊，以實現同樣的將發電機5輸出的交流電轉換為直流電的效果。
為了進一步方便使用，海底熱液溫差發電裝置還包括與電能變換模塊7的輸出端連接的水密電纜接頭10。電能變換模塊7的輸出的直流電，通過水密電纜接頭10向深海探測、作業裝備提供充電電源。本發明也可以不設置上述水密電纜接頭10，通過用電設備自身攜帶的充電接頭實現同樣的與電能變換模塊7的輸出端連接的效果。
優選的，海底熱液溫差發電裝置還包括外罩于蒸發器2的第一護框1。該第一護框1具有供海水通過的間隙，所以能夠在不影響熱交換效果的前提下，保護蒸發器2不受碰撞等損傷，延長了蒸發器2的使用壽命。上述第一護框1還可以為其他結構，如具有通水孔的外罩等，本發明在此不再一一贅述，本發明也可以不設置上述第一護框1。
進一步的技術方案中，海底熱液溫差發電裝置還包括外罩于冷凝器8的第二護框9。該第二護框9具有供海水通過的間隙，所以能夠在不影響熱交換效果的前提下，保護冷凝器8不受碰撞等損傷，延長了冷凝器8的使用壽命。此外，本發明可以由水下機器人的機械手夾持第一護框1和第二護框9將海底熱液溫差發電裝置放置在海底，便于操作。上述第二護框9還可以為其他結構，如具有通水孔的筒體等，本發明在此不再一一贅述，本發明也可以不設置上述第二護框9。
本發明一具體的實施例中，海底熱液溫差發電裝置還包括連接在第一護框1與第二護框9之間的耐壓筒體3，膨脹機4、發電機5、循環泵6、電能變換模塊7均位于耐壓筒體3內。上述耐壓筒體3能夠保護膨脹機4、發電機5、循環泵6、電能保護模塊不受外界水壓等環境影響，而且耐壓筒體3內充滿空氣，能有效減輕海底熱液溫差發電裝置的水下重量。可替換的，本發明也可以在膨脹機4、發電機5、循環泵6、電能變換模塊7各結構表面設置防護外殼。
為了進一步高效利用海底熱液區域較高的溫度差，海底熱液溫差發電裝置的循環工質為甲苯。本發明利用甲苯作為閉式熱力循環工質，甲苯在較窄的溫差范圍內有著較高的焓降，可做較高的功，適合應用于海底熱液這種中高溫熱源能量的利用。上述循環工質還可以為環己烷等較易蒸發和冷凝的介質。
優選的，蒸發器2為螺旋管蒸發器；冷凝器8為螺旋管冷凝器。螺旋管蒸發器和螺旋管冷凝器與海水的接觸面積較大，提高了換熱效率。當然，上述蒸發器2和冷凝器8還可以為蛇形盤管式、板式或翅片式等。
為了提高發電裝置的總效率，膨脹機4為多級軸流透平膨脹機，多級軸流透平膨脹機在透平進出口的膨脹比較高，可大大提高發電裝置的能量轉換效率。本實施例中，為了適應高速運動的膨脹機4以及節省空間，采用適用于透平的高轉速發電機，而且能量密度很高，大大節約了耐壓筒體3的空間。可以理解的是，本發明還可以采用活塞型或者其他類型的膨脹機。
本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。