CN101316083A - 隧道式余热回收半导体温差发电方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是隧道式余热回收半导体温差发电方法及装置，其发电方法是散发余热的移动热源运行经过隧道式集热器，由隧道式集热器接收其辐射出的热量，并将收集到的热量传递到半导体温差发电模块热面；散热器布置在半导体温差发电模块冷面一侧，散热器将冷面冷却到一个比热面低很多的温度，从而在半导体温差发电模块的两端面产生一个较大的温度差，半导体温差发电模块将温度差直接转换成电势差，通过稳压电路以及交直流转化后，作为电源使用，其装置是包括半导体温差发电模块，隧道式集热器，散热器；优点是可将回收余热热能直接转换成电能，使发电过程无噪音、无磨损、无介质泄漏，并且使发电机具有体积小、重量轻、移动方便、免维护，使用寿命长等。
Description
技术领域
本发明涉及的是隧道式余热回收半导体温差发电方法及装置，是以热电转换为核心技术，以工业余热回收发电为目标的新能源开发应用技术领域。
背景技术
我国是耗能大国，工业余热数量巨大，不论是固态、气态、液态均有大量工业余热有待回收，因而对企业生产过程中的这些余热进行回收利用对于节能增效有着非常大的社会、经济效益。目前我国普遍应用的余热回收装置大多数只针对气态与液态余热，对于固态余热尚无回收(干熄焦除外)。本发明就是针对这部分固态余热的回收利用。
发明内容
本发明提供的是一种回收、利用固态余热发电的装置，旨在对工业企业生产过程中的移动固态产品余热进行回收并发电。解决移动固态产品主要以辐射形式向周围环境散热，而以往的余热回收装置都不适合回收这种形式的余热问题。
本发明的技术解决方案：隧道式余热回收半导体温差发电方法，其特征是散发余热的移动热源运行经过隧道式集热器，由隧道式集热器接收其辐射出的热量，并将收集到的热量传递到半导体温差发电模块热面；散热器布置在半导体温差发电模块冷面一侧，散热器将冷面冷却到一个比热面低很多的温度，从而在半导体温差发电模块的两端面产生一个较大的温度差，半导体温差发电模块将温度差直接转换成电势差，通过稳压电路以及交直流转化后，作为电源使用，隧道式集热器与散热器的材料选择导热系数较大的金属铝板，铝板为长方形，与移动热源动方向平行布置，两端以螺栓紧固在半圆形支架上，铝板沿半圆型支架的圆周方向排列，呈隧道形式，以便于将热量快速的传递；在散热器中通入冷却介质水，将散热器中的热量及时带走。
隧道式余热回收半导体温差发电装置，其结构是包括半导体温差发电模块，隧道式集热器，散热器；其中半导体温差发电模块夹在隧道式集热器与散热器中间，隧道式集热器紧贴于半导体温差发电模块下方的热面，隧道式集热器在整个装置的最下方，散热器紧贴于半导体温差发电模块上方的冷面，隧道式集热器、散热器以螺栓紧固在一半圆型支架上，并将半导体温差发电模块紧密地夹在隧道式集热器和散热器中间。相互贴合，以便尽可能减小接触热阻，提高热传递的效率。
隧道式余热回收半导体温差发电方法，其特征是散发余热的移动热源运行经过隧道式集热器，由隧道式集热器接收其辐射出的热量，并将收集到的热量传递到半导体温差发电模块热面；散热器布置在半导体温差发电模块冷面一侧，散热器将冷面冷却到一个比热面低很多的温度，从而在半导体温差发电模块的两端面产生一个较大的温度差，半导体温差发电模块将温度差直接转换成电势差，通过稳压电路以及交直流转化后，作为电源使用，隧道式集热器与散热器的材料选择导热系数较大的金属铝板，铝板为长方形，与移动热源动方向平行布置，两端以螺栓紧固在半圆形支架上，铝板沿半圆型支架的圆周方向排列，呈隧道形式，以便于将热量快速的传递；在散热器中通入冷却介质水，将散热器中的热量及时带走。
本发明的优点：可将余热直接转换成电能，无需按传统的方式先将热能转换成机械能，再将机械能转换成电能的复杂过程，从而提高了热电转换效率，和发电机的可靠性和使用寿命；与其他形式的余热回收装置相比，本发明是一种全固态能量转换方式，具有在发电过程中无噪音、无磨损、无介质泄漏、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长；本发明装置结构简单，便于加工，且利用工业余热发电，可降低企业能耗，符合国家产业政策，易于推广应用。
附图说明
附图1是本发明的系统结构示意图。附图2是半导体热电效应原理图。
附图3是温差发电模块功能原理图。
图中的1是半导体温差发电模块、2是隧道式集热器、3是散热器。4是移动热源、5是低温导体、6是吸收热量(冷端)、7是P&N型半导体、8是电绝缘体、9是导电体、10是释放热量(热端)、11是高温导体。
具体实施方式
对照附图1，其结构包括半导体温差发电模块1，隧道式集热器2，散热器3。其中半导体温差发电模块1夹在隧道式集热器2与散热器3中间，隧道式集热器2紧贴于半导体温差发电模块1下方的热面，散热器3紧贴于半导体温差发电模块1上方的冷面，半导体温差发电模块1，隧道式集热器2，散热器3以机械紧固的方式紧密贴合，以便尽可能减小接触热阻，提高热传递的效率。半导体温差发电模块紧密地夹在隧道式集热器和散热器中间。
所述的半导体温差发电模块1，由多块半导体发电芯片组成，每块芯片由多个半导体PN结串联而成(参见图3)，其发电原理是基于贝塞尔效应，
半导体材料中的电子在温度差的驱动下会从高温端流向低温端，从而形成电势差。
所述的隧道式集热器2，是收集热能的模块，设在整个装置的最下方，最接近高温热源，材料选择导热系数较大的金属铝。铝板为长方形，与移动热源运动方向平行布置，两端以螺栓紧固在半圆形支架上，铝板沿半圆型支架的圆周方向排列，呈隧道形式。工作时接收移动热源辐射出来的热量，再以热传导方式将热量传递给半导体发电模块。集热器采用隧道式的形状，是为了尽可能多的收集高温产品辐射出的热量，且便于高温产品运行通过。
所述的散热器3，是将半导体模块冷面的热量散发出去的模块，布置在半导体温差发电模块的上方，同样选择铝锭，长方形，与移动热源运行方向
平行布置，在铝锭中间开方形通道，两端接水管，工作时通入冷却水，依靠冷却水的流动以传导和对流换热方式带走热量。
隧道式余热回收半导体温差发电方法，将散发余热的热源运行经过隧道式集热器2，隧道式集热器2接收其辐射出的热量，并将收集到的热量传递到半导体温差发电模块热面，而散热器3布置在半导体发电模块1冷面一侧，散热器会将冷面冷却到比热面低得多的一个温度，从而在半导体温差发电模块1的两端面产生一个较大的温度差，在贝塞尔效应的驱使下，半导体温差发电模块1内的电子从高温端流向低温端，在冷端形成电势差，经过稳压整流以及交直流转换之后，可接负载作为电源用。
对钢铁企业生产过程中的高温钢锭的余热进行回收，是本装置应用的一个具体实施例子。从连铸机中出来的高温钢锭，它的温度可高达1000℃以上，在缓慢运行进入下一工序之前，有大量的热量主要以辐射的方式散发到环境中。将本装置放置于运行中的高温钢锭轨道上，高温钢锭在运行中向周围环境散发出热量，位于钢锭上方的隧道式集热器吸收这些热量后，将它传递给半导体温差发电模块的热面。半导体温差发电模块的热面会将热量传递到冷面，冷面将热量传递给散热器，散热器中通入的冷源会通过流动将这些热量带走，使冷面保持一个相对较低的温度，这样在半导体温差发电模块的两个端面就形成了一个较大的温差。由于贝塞尔效应，半导体模块就会产生电势差。通过电路将此电势差输出即可作为电源。
半导体温差发电模块1是本装置的核心部件，它可将温度差转换成电势差即将热能转换成电能。它的工作原理是基于半导体材料的贝塞尔效应：
见图2，在P(N)型半导体中，高温端的空穴(电子)浓度比低温端
大，在这种浓度梯度的驱动下，空穴(电子)由于热扩散作用，会从高温端向低温端扩散，从而形成一种电势差。将P型和N型半导体的热端相连，则在冷端可得到一个电压，这样一个PN结就可以利用高温热源与低温热源之间的温差将热能直接转变为电能。
对照图3，图中出示了半导体温差发电模块的原理图，温度差使得每一对PN结中产生电势差，将很多对PN结串联起来，就可得到足够高的电压，成为一个温差发电机。
Claims (2)
1、隧道式余热回收半导体温差发电方法，隧道式余热回收半导体温差发电方法，其特征是散发余热的移动热源运行经过隧道式集热器，由隧道式集热器接收其辐射出的热量，并将收集到的热量传递到半导体温差发电模块热面；散热器布置在半导体温差发电模块冷面一侧，散热器将冷面冷却到一个比热面低很多的温度，从而在半导体温差发电模块的两端面产生一个较大的温度差，半导体温差发电模块将温度差直接转换成电势差，通过稳压电路以及交直流转化后，作为电源使用，隧道式集热器与散热器的材料选择导热系数较大的金属铝板，铝板为长方形，与移动热源动方向平行布置，两端以螺栓紧固在半圆形支架上，铝板沿半圆型支架的圆周方向排列，呈隧道形式，以便于将热量快速的传递；在散热器中通入冷却介质水，将散热器中的热量及时带走。
2、隧道式余热回收半导体温差发电装置，其特征是包括半导体温差发电模块，隧道式集热器，散热器；其中半导体温差发电模块夹在隧道式集热器与散热器中间，隧道式集热器紧贴于半导体温差发电模块下方的热面，隧道式集热器在整个装置的最下方，散热器紧贴于半导体温差发电模块上方的冷面，隧道式集热器、散热器以螺栓紧固在一半圆型支架上，并将半导体温差发电模块紧密地夹在隧道式集热器和散热器中间。
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