CN101562415B - 发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电装置，包括集热器，具有通孔或者异形截面，用于收集热能；散热器，用于散热；发电芯片，具有热端和冷端，热端接合集热器，冷端接合散热器，利用冷端和热端之间的温度差产生电能。发电芯片包括：冷端陶瓷基板，与散热器相接合；第一导流条，接合在冷端陶瓷基板上；半导体材料粒子，一端与第一导流条相接设；第二导流条，半导体材料粒子的另一端与第二导流条的一面相接设，第二导流条的另一面接合集热器。本发明发电装置的散热器可以高效的将热量传递至发电芯片的热端，利用发电芯片的热端与冷端形成的温度差产生电能，既方便又经济且形成冷、热温差大，发电效率高、输出功率大，使用寿命长。

Description

发电装置

技术领域

本发明涉及一种发电装置，尤其是一种利用半导体温差发电的发电装置。 

背景技术

半导体温差发电技术，是利用在半导体发电芯片两端形成的温差，以及半导体芯片发电材料的赛贝克(seebeck)效应，从而产生电能。 

半导体发电芯片具有冷端和热端，冷热两端的温差越大，半导体发电芯片产生的电能就越多。 

由于发电装置的集热器与发电芯片的热端接合，因此希望集热器和热源的接触部分面积大、集热多为宜，所以在集热器上设计了些翅或增大与热源接合部分的面积。但同时造成集热量相对较重，热容量增加，集热器温升较慢，半导体发电芯片冷、热两端温差形成过程缓慢，导致该发电系统发电量较小且发电量增长速度较慢。造成半导体发电装置的发电效率低，输出功率小，而且热应力释放不充分，导致使用寿命短。 

发明内容

本发明的目的是针对现有的发电装置的缺陷，提供一种发电装置，发电效率高，输出功率大，而且使用寿命长。 

为实现上述目的，本发明提供了一种发电装置，包括： 

集热器，具有通孔或者异形截面，用于收集热能； 

散热器，用于散热； 

发电芯片，具有热端和冷端，所述热端接合所述集热器，所述冷端接合 所述散热器，利用冷端和热端之间的温度差产生电能。 

还包括：导热器，与所述集热器相连接，用于将热源的热量传导至所述集热器。所述通孔位于所述集热器的内部，并且该通孔的开口部位于所述集热器不与所述导热器相连接的侧面上，所述集热器通过除所述通孔以外的本体部分将所述导热器传导来的所述热源的热量传导至所述热端。所述导热器为内含气/液或固/液两相工质的热管；所述导热器的材质为金属。电风扇，与所述发电芯片电连接，用于强化所述散热器的散热，电风扇强化换热带来的发电量增加部分大于其自身耗电即有实际意义。所述发电芯片包括：冷端陶瓷基板，与所述散热器相接合；第一导流条，接合在所述冷端陶瓷基板上；半导体材料粒子，一端与所述第一导流条相接设；第二导流条，所述半导体材料粒子的另一端与所述第二导流条的一面相接设，所述第二导流条的另一面接合所述集热器。所述半导体材料粒子的一端通过焊接层与所述第一导流条接设，所述半导体材料粒子的另一端通过焊接层与所述第二导流条接设。所述发电芯片还包括：热端陶瓷基板，所述第二导流条接合在所述热端陶瓷基板上，并且所述第二导流条的另一面通过所述热端陶瓷基板接合所述集热器。所述热端陶瓷基板的面积小于所述冷端陶瓷基板的面积。所述热端陶瓷基板为数块。还包括：热缓冲层，所述集热器通过热缓冲层接合所述发电芯片的热端，用于减小所述发电芯片热端的温度波动。所述热缓冲层为石墨垫片或导热硅胶片。 

本发明发电装置的发电芯片的热端吸收集热器的热量，可以是利用废热热能，例如燃料燃烧过程中产生的余热；集热器可以高效的将热量传递至发电芯片的热端，利用发电芯片的热端与冷端形成的温度差产生电能，既方便又经济且形成冷、热温差大，发电效率高、输出功率大，使用寿命长。 

附图说明

图1为本发明发电装置实施例1的结构示意图； 

图2A为本发明发电装置实施例1集热器的结构示意图之一； 

图2B为本发明发电装置实施例1集热器的结构示意图之二； 

图2C为本发明发电装置实施例1集热器的结构示意图之三； 

图2D为本发明发电装置实施例1集热器的结构示意图之四； 

图2E为本发明发电装置实施例1集热器的结构示意图之五； 

图2F为本发明发电装置实施例1集热器的结构示意图之六； 

图3为本发明发电装置实施例2的结构示意图； 

图4A为本发明发电装置实施例3集热器的结构示意图之一； 

图4B为本发明发电装置实施例3集热器的结构示意图之二； 

图4C为本发明发电装置实施例3集热器的结构示意图之三； 

图4D为本发明发电装置实施例3集热器的结构示意图之四； 

图4E为本发明发电装置实施例3集热器的结构示意图之五； 

图4F为本发明发电装置实施例3集热器的结构示意图之六； 

图4G为本发明发电装置实施例3集热器的结构示意图之七； 

图5为本发明发电装置实施例4的结构示意图； 

图6为本发明发电装置的发电芯片实施例1的结构示意图； 

图7为本发明发电装置的发电芯片实施例2的结构示意图； 

图8为本发明发电装置的发电芯片实施例3的结构示意图。 

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 

如图1所示，为本发明发电装置实施例1的结构示意图，本实施例的发电装置包括：集热器1、散热器2和发电芯片3，发电芯片3，具有热端31和冷端32，热端31接合集热器1，冷端32接合散热器2。 

集热器1用于收集热能，可以是废热热能，例如燃料(燃气、煤、油等)燃烧过程中产生的余热，然后与发电芯片3的热端31进行热交换，提高发电芯片3的热端31的温度；再如图1所示，集热器1的内部具有通孔11，因为集热器1内具有通孔11，所以可以在不减小和发电芯片3的热端31的接触面积及不影响热量在集热器热传导的基础上，减少集热器1的质量，由此减少 了集热器1的热容量，从而可以在吸收同样热量的情况下，比现有技术快速而高效的提高集热器1的温度，集热器1再与发电芯片3的热端31进行热交换，提高发电芯片3的热端31的温度；由此形成并增大发电芯片3热端31和冷端32的温度差，使得半导体发电芯片3产生电能。 

集热器1至少有一面为平面，用于接合发电芯片3的热端31，散热器2至少有一面为平面，用来接合发电芯片3的冷端32，并且散热器2的材质可以是金属，例如铝或铜等，目的是为了便于散热。 

如图2A-图2F所示，为本发明发电装置实施例1集热器的结构示意图，集热器1可以是各种形状，通孔11也可以是各种形状，因为集热器1利用开具通孔11，从而减少质量减少热容量使集热器温升速度加快且节省了材料，因此可以高效率的向发电芯片3热端传递热量，提高发电芯片3热端31的温度，高效的扩大发电芯片3的热端31和冷端32之间的温度差，从而提高发电芯片3的发电效率且降低了集热器成本。 

如图3所示，为本发明发电装置实施例2的结构示意图，本实施例2的发电装置比实施例1中的发电装置增加了一个导热器4，与集热器1相连接，导热器可以为内含气/液或固/液两相工质的热管，其材质可以为金属。导热器4可以与热源连接，这样就可以将热源的热量迅速的传导至集热器1。提高集热器1的温度，经过与发电芯片3的热端31的热交换，提高发电芯片3热端31的温度，从而增加发电芯片3热端31和冷端32之间的温度差，这样也就提高了发电芯片3的发电效率，并实现远离热源的发电方式。 

再如图3所示，本实施例的发电装置比实施例1中的发电装置还增加了一个电风扇6，放置在散热器2的后面，与发电芯片3电连接，利用发电芯片3产生的电能驱动，产生风力吹动散热器2，增加空气的对流，更加方便的带走散热器2的热量，进一步降低散热器2的温度，从而增加发热芯片3热端31和冷端32之间的温度差，这样也就提高了发电芯片3的发电效率。 

如图4A-图4G所示，为本发明发电装置实施例3的集热器的结构示意图， 本实施例的集热器与实施例1的集热器相比，集热器1内没有通孔，而是具有异形的截面12，这样也可以增加吸收周围热量的能力，因此可以高效率的向发电芯片热端传递热量，提高发电芯片热端的温度，高效的扩大发电芯片的热端和冷端之间的温度差，从而提高发电芯片的发电效率。 

如图5所示，为本发明发电装置实施例4的结构示意图，本实施例的发电装置比上述实施例中的发电装置增加了一个热缓冲层5，集热器1通过热缓冲层5接合发电芯片3的热端31，用于减小发电芯片3热端31的温度波动。 

在发电芯片3热端31与集热器1的接合平面之间增加的热缓冲层5的目的是，为了防止过大的温度波动给发电芯片3造成损坏，同时为保证在发电芯片3热端31与集热器1接合平面之间同时接合多个发电芯片3情况下，由于发电芯片3厚度不一致造成每片发电芯片3热端31与集热器1平面接合度不一致，影响发电输出。 

热缓冲层5可以是石墨垫片或导热硅胶片等。 

在发电芯片3热端31与集热器1之间不设置热缓冲层5的时候，因为发电芯片3热端31与集热器1直接接合，因此集热器1的温度波动会迅速的传递至发电芯片3的热端31，所以热电转换效率会高一点。但是当发电芯片3的温度波动过大的时候，易造成发电芯片3的损坏，所以在发电芯片3热端31与集热器1之间设置热缓冲层5，减小发电芯片3热端31的温度波动，同时进行热应力释放，保护发电芯片3，延长了发电芯片3的使用寿命。 

如图6所示，为本发明发电装置的发电芯片实施例1的结构示意图，本实施例的发电芯片包括：冷端陶瓷基板302、第一导流条312、半导体材料粒子300和第二导流条311。冷端陶瓷基板302与散热器相接合，第一导流条312的一面接合在冷端陶瓷基板302上；半导体材料粒子300的一端与第一导流条312相接设，半导体材料粒子300的另一端与第二导流条311相接设；第二导流条311接合集热器1。冷端陶瓷基板302上还连接有输出引线330。 

第一导流条312和第二导流条311将半导体材料粒子300按一定的串、 并联连接结构连接起来。为保证发电功率最大输出，半导体温差发电芯片3内部的半导体材料粒子300的高度、横截面积、串并联方式，或采用多个半导体发电芯片3的串并联结构等最终造成的半导体发电芯片3的总内阻需与负载阻值相匹配。 

发电芯片只设置一面陶瓷基板(冷端陶瓷基板)是因为，温差发电时，半导体温差发电芯片的热端和冷端之间承受较大的温差，且热端的工作温度较高，发电芯片承受的热应力较大，所以热端可以采用开放式结构。 

如图7所示，为本发明发电装置的发电芯片实施例2的结构示意图，本实施例的发电芯片除了包括发电芯片实施例1的结构外，还包括热端陶瓷基板301，第二导流条(图中未示出)的另一面接合在热端陶瓷基板301上，并且所述第二导流条通过热端陶瓷基板301接合集热器。 

并且半导体材料粒子300的一端可以通过焊接层与第一导流条312接设，半导体材料粒子300的另一端通过焊接层与第二导流条311接设。 

因为工作发电时发电芯片3冷端32温度较热端31低，因此可靠性高，因此半导体发电芯片3的引线300一般焊在发电芯片3的冷端32上。半导体发电芯片3两面的陶瓷基板大小可不同，一般冷端陶瓷基板302的面积大于热端陶瓷基板301，利于焊接外接引线300。 

如图8所示，为本发明发电装置的发电芯片实施例3的结构示意图，本实施例的发电芯片与发电芯片实施例2的区别在于，热端陶瓷基板301为多片，因为温差发电时，半导体温差发电芯片的热端和冷端之间承受较大的温差，且热端的工作温度较高，发电芯片承受的热应力较大，所以使用小面积的多片热端陶瓷基板301来释放热应力。 

本发明发电装置的发电芯片的热端吸收集热器的热量，可以是利用废热热能，例如燃料燃烧过程中产生的余热；散热器可以高效的将热量传递至发电芯片的热端，利用发电芯片的热端与冷端形成的温度差产生电能，既方便又经济且形成冷、热温差大，发电效率高、输出功率大，使用寿命长。 

因此本发明发电装置可用于燃气或烧炭烤炉，充分利用燃料燃烧烧烤过程中产生的余热及与空气自然换热的散热器之间形成的温差进行发电，有效解决了燃气烤炉系统所需的电力供应，实现节能、环保的效果。 

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。 

Claims (9)

1.一种发电装置，其特征在于包括：

集热器，具有通孔或者异形截面，用于收集热能；

散热器，用于散热；

发电芯片，具有热端和冷端，所述热端接合所述集热器，所述冷端接合所述散热器，利用冷端和热端之间的温度差产生电能；

导热器，与所述集热器相连接，用于将热源的热量传导至所述集热器；

所述通孔位于所述集热器的内部，并且该通孔的开口部位于所述集热器不与所述导热器相连接的侧面上，所述集热器通过除所述通孔以外的本体部分将所述导热器传导来的所述热源的热量传导至所述热端。

2.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于所述导热器为内含气/液或固/液两相工质的热管；所述导热器的材质为金属。

3.根据权利要求1所述的发电装置，其特征在于还包括：用于强化所述散热器的散热的电风扇，与所述发电芯片电连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的发电装置，其特征在于所述发电芯片包括：

冷端陶瓷基板，与所述散热器相接合；

第一导流条，接合在所述冷端陶瓷基板上；

半导体材料粒子，一端与所述第一导流条相接设；

第二导流条，所述半导体材料粒子的另一端与所述第二导流条的一面相接设，所述第二导流条的另一面接合所述集热器。

5.根据权利要求4所述的发电装置，其特征在于所述半导体材料粒子的一端通过焊接层与所述第一导流条接设，所述半导体材料粒子的另一端通过焊接层与所述第二导流条接设。

6.根据权利要求4所述的发电装置，其特征在于所述发电芯片还包括：热端陶瓷基板，所述第二导流条接合在所述热端陶瓷基板上，并且所述第二导流条的另一面通过所述热端陶瓷基板接合所述集热器。

7.根据权利要求6所述的发电装置，其特征在于所述热端陶瓷基板的面积小于所述冷端陶瓷基板的面积。

8.根据权利要求6或7所述的发电装置，其特征在于所述热端陶瓷基板为数块。

9.根据权利要求1、2或3所述的发电装置，其特征在于还包括：热缓冲层，所述集热器通过热缓冲层接合所述发电芯片的热端，用于减小所述发电芯片热端的温度波动；所述热缓冲层为石墨垫片或导热硅胶片。

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