CN101764547A

CN101764547A - 液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置

Info

Publication number: CN101764547A
Application number: CN200910119614A
Authority: CN
Inventors: 刘静; 邓月光
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2029-03-23
Also published as: CN101764547B

Abstract

本发明的利用液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，包括：级联式半导体温差发电模块、位于模块一侧的液体金属散热器；液体金属散热器包括：直接与发电模块低温端接触的导热平片；安装在一电磁泵基底内槽道内的电磁泵；电磁泵由平放在电磁泵基底上下表面上的一对永磁片和安装在电磁泵基底内的槽道相对的两壁上的一对电极片组成，该对电极片平面与所述该对永磁片平面垂直；电极片引线与电池电连接，相连通的导热平片内的空心流道，电磁泵基底内的槽道以及肋片式散热器的散热基底内的空心流道内装有流动的液体金属；本发电装置是一种无运动部件的自维持、自适应型高效低品位热发电装置，结构简单，可靠性高，维护方便，且噪音较低；节能并环保。

Description

液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置

技术领域

本发明涉及一种温差发电装置，特别涉及一种利用液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置。

背景技术

当前，由于能源短缺，低品位能源如工厂余热、汽车尾气余热等，以及可再生能源如太阳能、风能等的利用，受到了前所未有的重视。然而，此方面还存在诸多技术障碍制约其推向大规模实际应用，其中最关键的环节之一是必须发展效率高、经济、自给自足的能源产生体系。

受余热作用或太阳能的照射，物体会在受热面和背热面之间产生对应的温度梯度；如能高效地利用这部分免费的温度梯度来产生电力，则是十分有意义的事。此方面，半导体热电元件是一种很有前景的电力产生装置，这类技术相对成熟，结构简单轻便，事实上很早就发挥了作用，并一直延续至今。然而，温差发电技术却长期被忽视，原因主要是效率较低、产率不高等。通常，半导体热电元件两侧不易维持特定的温度梯度，也就是说，即使受到很高热流的作用，若半导体热电片两侧不采取合理的散热，很难达到理想的发电温度水平和温度差。针对这一问题，传统的空气冷却或液体冷却在实现这一目标时显得不是很方便。

为此，本发明提供一种利用液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置。一方面通过增加半导体热电片的级数来尽可能充分吸收外界热量并提升热电装置总体的温差，另一方面则通过引入高效的液体金属冷却来确保这一稳定温差，由此实现高效率的低品位热能发电。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置；由于其电能来自温差电池产生的电能，因而该发电装置属于一种自维持型温差发电装置。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，其由级联式半导体温差发电模块66和液体金属散热器组成；

所述级联式半导体温差发电模块66为由1到100级半导体温差发电片串联或并联组成的半导体温差发电模块；

所述液体金属散热装置包括：

一个直接与所述级联式半导体温差发电模块66低温端表面相接触的导热平片1；

一个电磁泵和一个肋片式散热器；

所述导热平片1内设有第一中空流道，该第一中空流道两端端口分别安装第一连接管道3；

所述电磁泵包括：

-泵体13；所述泵体13内部设有一对第二中空流道；每一所述第二中空流道的两端分别为中空流道入口和中空流道出口；每一所述第二中空流道的一相对的壁面上分别嵌装有片状电极片11；所述一对第二中空流道内的片状电极11的正负极方向相反；

分别嵌装于所述泵体13上表面和表面上的片状磁体10；所述片状磁体10覆盖所述一对第二中空流道；

所述片状磁体10大平面与所述片状电极11大平面相互垂直；

所述片状电极片11的电极引线9由设于所述第二中空流道壁面上的小孔引出，并与外置的电池6相连；

所述肋片式散热器包括：

一个散热基片2和安装于所述散热基片2上下表面上的散热肋片5；

所述散热基片2内部设有第三中空流道，所述第三中空流道的两端端口分别安装第二连接管道33；

所述导热平片1的第一空心流道通过第一连通管道3与所述电磁泵的泵体13内的第二空心流道入口相连通；所述电磁泵的泵体13内的第二空心流道出口通过第二连通管道33与所述肋片式散热器的散热基片2内的第三空心流道相连通；所述相连通的第一空心流道、第二空心流道和第三空心流道内装有循环流动的液体金属8。

所述肋片式散热器的肋片上方、下方或上下方设置有风扇7，所述风扇7为1-10枚；所述风扇7与电池6电连接。

所述电池6为半导体温差电池或光电池。

所述电池6数目为1到10个，其中一部分电池输出端与所述风扇的输入端相连。

所述的片状电极11为铜、石墨或不锈钢材质的电极片，所述片状磁体10为0.01～3特斯拉磁强的永磁体片。

所述电池6厚度为10nm-10cm，长度及宽度均为1cm-1m之间。

所述的液体金属为镓、钠、钾、水银、镓铟锡合金或钠钾合金。

所述肋片式散热器的散热基片2为不锈钢、金刚石、铜、塑料、有机玻璃或聚合物材质的基片。

所述第一空心流道、第二空心流道和第三空心流道的纵截面形状均为矩形、正方形、三角形或多边形，其长度为1毫米-100厘米。

迄今，国内外尚无通过液体金属冷却实现半导体温差发电的尝试，而多级半导体温差发电的引入也增大了电能输出，该装置在许多工业领域有重要应用价值。

本发明充分利用了级联温差发电模块无运动部件的特点及液体金属的高效散热的优势，突破了传统温差发电器产电量低、热管理系统复杂等不利，由此可确保实现高效的低品位热能的利用。以往，温差发电器低温端采用传统散热方式很难达到所需的工作温度，本发明引入的液体金属强化冷却可以灵活地实现所需的散热强度。

本发明所提供的液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置的工作原理是这样实现的，采用温差电池或光电池为电磁泵工作提供电力，继而通过电磁泵驱动中空流道内的液体金属流动，从而持续不断地将级联式半导体温差发电模块的冷端热量迅速传输走；散热器的电能来源于余热或太阳能，因而使得该发电装置是一种自维持型装置；本发明中由于工作流体是液体金属，功耗低，因而易于采用电磁驱动，这种驱动流体流动时对供电的要求是采用小电压、大电流，而这恰恰为温差电池或光电池提供了一个极好的用武之地；由于温差电池或光电池、电磁泵部件等的体积可作得很小，因此冷却装置的结构相当紧凑，不会占据本发明液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置较多的空间，可根据不同发电模块的散热需求制做成各种微型或稍大一些尺寸的散热器。

当然，本发明中，若在液体金属内添加磁性颗粒材料形成磁流体，还可借助磁流体易于通过温差驱动的特性来实现自维持运行，此时只需设计好液体金属流道的受热面即可，即使造成的流体速度不高，但由于是金属流体，其热量传输能力也是很显著的。

总之，本发明没有机械运动部件，相对其它发电方式而言，这种发电装置显得相当简便、可靠，这使得本发明提供的温差发电模块具备优良的工作性能。

本发明的关键之处在于充分结合了级联温差发电及引入超强的液体金属冷却热管理方式，从而使得可方便地实现级联式半导体温差发电模块的最佳工作温度及冷热端温差；本发明的发电装置所需能源全部来自低品位热能，因而是一种自维持、自适应型高效发电装置。这种集成方式，一改传统温差发电技术中热源主要来自燃烧，而低温端很难被冷却到工作温度的不利，从而可使低品位热能发电成为比较现实的技术。

附图说明

附图1为本发明的液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置的结构示意图；

附图2为图1的横截面示意图；

附图3为导热平片或肋片式散热器内流道的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明专利：

附图1为本发明的液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置的结构示意图；附图2为图1的横截面示意图；附图3为导热平片或肋片式散热器内流道的结构示意图；由图可知，本发明的液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，其由级联式半导体温差发电模块66和液体金属散热器组成；

所述液体金属散热装置包括：

一个电磁泵和一个肋片式散热器；

所述电磁泵包括：

一泵体13；所述泵体13内部设有一对第二中空流道；每一所述第二中空流道的两端分别为中空流道入口和中空流道出口；每一所述第二中空流道的一相对的壁面上分别嵌装有片状电极片11；所述一对第二中空流道内的片状电极11的正负极方向相反；

所述片状磁体10大平面与所述片状电极11大平面相互垂直；

所述肋片式散热器包括：

所述电池6为半导体温差电池或光电池。

所述电池6厚度为10nm-10cm，长度及宽度均为1cm-1m之间。

本发明为一种结合了低品位半导体热能发电及引入液体金属冷却的利用液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，所用的级联式半导体温差发电模块66可从市场购买基本元件和材料后，按既定程序加工组装(属于已有技术)，该级联式半导体温差发电模块的发电膜层中，可由1到100级半导体温差发电片串联或并联组成的半导体温差发电模块；

导热平片1与级联式半导体温差发电模块66低温端表面直接相接触，导热平片1的第一中空流道内的液体金属8将级联式半导体温差发电模块66低温端表面产生的热量带到肋片式散热器，之后再从其表面的肋片5上通过自然对流和辐射换热方式散走；

肋片式散热器的特点在于，用促使液体金属8流动的电磁泵作驱动动力，电磁泵电能来自电池6；肋片式散热器表面的肋片5形式可多样化，肋片上端可设置风扇7以强化空气对流；肋片式散热器的散热基片2由高导热金属如铝、铜、金或银等材料做成，所述第一连接管道3和第二连接管道33可由上述金属或塑料等做成；液体金属被封装在第一空心流道、第二空心流道和第三空心流道内，可实现稳定而可靠的循环流动；

制作电磁泵时，可在电磁泵泵体13内预先制作出一对第二中空流道(其横截面形状为矩形、正方形、三角形或圆形；为圆形时，其外径可在10纳米到10厘米，长度可在1毫米到100厘米，并在第二中空流道相对的两壁上固定一对片状电极11，之后在第二中空流道两侧的壁面上钻出半径在0.01mm～1mm的小孔，将一对片状电极11的引线12沿此两孔分别穿入第二中空流道，之后密封该两侧小孔；再从市场上购置一对磁场强度在0.01～2特斯拉范围的片状磁体10，其厚度约0.1～5mm，半径在0.1～5cm之间，将其沿垂直于片状电极11大平面的方向布置在泵体13的上下表面(见图2)；于是，当片状电极11接通光电池6时，其与片状磁体10的联合作用就会推动第二中空流道内的液体金属流动，从而实现热量输运的功能；

如图2所示，一对第二中空流道内的片状电极11的正负极布置方向应相反，以便在通电时电磁驱动的力量是加和关系，而不是相互抵消；这样的设置相当于在整个流道上的多对片状电极11相当于增加了多个分布式驱动泵，因而液体金属流体驱动力更强。本发明中的中空流道可通过机加工或其他成熟技术制作，之后与连通管道连接，但在一端留有开口，以便将熔化后的低熔点金属或其合金(呈液体状态)沿此开口注入管道和循环通路中，待整个流道内充好液体金属后，将上述开口予以封装，即形成内部循环通道为密闭的高效散热机构，将其贴附于待散热的热离子发电模块低温端，即可实现热量的高效传输。根据需要，连通管道可由金属或塑料等制成，其长短可根据需要加以调整，整个散热结构的尺寸可根据需要制作。所述的肋片散热器中采用的流动工质即液体金属除采用最常见的镓外，也可采用其合金如比例在铟化镓、钠钾，甚至是水银等。

本发明的电磁泵，其能量来源于电池6，当电磁泵工作时，可在中空流道内造成一定驱动力，于是，在其作用下，循环通道内的液体金属即由导热平片1流动到肋片式散热器，并在那里将热量排放出去；液体金属放出热量后，再通过电磁泵的驱动回流到导热平片1，继续完成新的热量输运。

本发明中对于毫、微米级的微孔和中空流道可通过现有技术加工出；目前的技术已使得加工由多个水力学直径在10nm到10μm3之间的微管道成为可能。这些中空流道可制作在硅、金属或其它合适材料的薄片上。这些技术保证了本发明的实施。比如，制作肋片式散热器的第三中空流道时，若所要求的中空流道尺寸较小(如在数十微米量级)，则需采用一些微/纳米加工技术如LIGA技术、激光打孔等在肋片式散热器的散热基片(可为金属如铝或半导体硅等)上按一定管道方式加工出。若中空流道较大(如毫米到厘米量级)，则采用常规方法如机加工或电加工即可作出。整个制造工艺并不复杂。

为达到较好的散热效果，一般用作本发明的液体金属或其合金应满足如下要求：无毒，对所接触材料不起腐蚀及化学作用，在高温下不发生化学反应；便于获取；具有一定的热稳定性；比热、热导率和热扩散率要高，因而在传递一定的热量时，可使流量小，传热迅速。工质应与结构材料相容，所选工质应不能造成对散热器系统部件产生腐蚀和锈化等影响使用寿命的不利因素，此外，工质还应具有较大的熔化潜热和较小的粘性系数。

本发明具有很多优点，首先，首次结合了半导体级联温差发电及引入超强的液体金属冷却，从而将半导体温差发电器高温端提升到了其最佳工作高温，且充分低利用了外界热源的热流，并在高、低温两端保持了合适的温差，由此实现了高效率的电能输出；本发明一改传统温差发电技术中热能利用率低，而低温端很难被冷却到合适工作温度的不利，且所提供的发电部件所有能源全部来自低品位热能，因而整套结构是一种自维持、自适应型高效发电装置。这种集成方式，使得半导体温差发电成为比较现实的技术。整个散热器内液体金属的循环过程是封闭的，不会对环境造成影响，因而具有明显的环保性；具有在节能、发展清洁能源乃至建立分布式发电等方面有重要意义。

本发明提供的液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，运行中除液体金属及风扇外，无任何其他运动部件，因而较之现有的风能发电、太阳热蒸汽能发电，整套装置的结构更简单，可靠性更高，维护方便，且噪音较低。

本发明可方便地实现高效的低品位热能发电。以实施例1为例，使用本发明的

本发明的液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，只需将发电模块置于热源如工厂余热排除口、汽车尾喷管等温度较高的地方，即可实现电力输出，从而满足各方面的电力需求。当然，在无自然热源的情况下，也可通过在半导体温差发电模块中心设置燃料如各种常规燃料(石油、天然气、生物质等)提供热源，即可连续地提供电能输出。一般有阳光的情况下，根据用户使用当地的太阳能特点，调整好太阳能光电池及阳光聚焦器的相对位置；于是，随着太阳能的作用，半导体温差发电模块的热端温度开始上升，同时冷端温度也随之升高；与此同时，温差电池或光电池6开始输出电能，当其输出足够大的电流，该电流输送到电磁泵的片状电极11上，即可驱动流道内的液体金属8流动，由此，基于液体金属8的流动，即可将半导体温差发电模块冷端产生的热量由导热平片1基底传输到肋片式散热器并排走，从而使级联式半导体温差发电模块66两端维持在一个合适的工作温度水平和温差，于是整套装置即可持续稳定地输出电能。

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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。比如，这里提供的温差发电模块形状不必一定采用平板结构，也可采用圆柱结构，此时冷却可从圆柱外表面实施，也可从圆柱中心通过液体金属的流动实现，或按更多流道类型实现冷却；当然，该发电模块也不限于半导体温差发电，其他类似温差发电器件如碱金属温差发电模块甚至是不同温差发电方式的组合，如半导体温差发电与碱金属热电池、太阳能光电池、热离子发电模块等的组合均可采用本发明实现。

Claims

1.一种液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，其由级联式半导体温差发电模块66和液体金属散热器组成；

所述液体金属散热装置包括：

一个电磁泵和一个肋片式散热器；

所述电磁泵包括：

所述片状磁体10大平面与所述片状电极11大平面相互垂直；

所述肋片式散热器包括：

2.按权利要求1所述的利用液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，其特征在于，所述肋片式散热器的肋片上方、下方或上下方设置有风扇7，所述风扇7为1-10枚；所述风扇7与电池6电连接。

3.按权利要求1所述的利用液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，其特征在于，所述电池6为半导体温差电池或光电池。

4.按权利要求3所述的利用液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，其特征在于，所述电池6数目为1到10个，其中一部分电池的输出端与所述风扇的输入端相连。

5.按权利要求1所述的利用液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，其特征在于，所述的片状电极11为铜、石墨或不锈钢材质的电极片，所述片状磁体10为0.01～3特斯拉磁强的永磁体片。

6.按权利要求4所述的利用液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，其特征在于，所述电池6厚度为10nm-10cm，长度及宽度均为1cm-1m之间。

7.按权利要求1所述的利用液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，其特征在于，所述的液体金属为镓、钠、钾、水银、镓铟锡合金或钠钾合金。

8.按权利要求1所述的利用液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，其特征在于，所述肋片式散热器的散热基片2为不锈钢、金刚石、铜、塑料、有机玻璃或聚合物材质的基片。

9.按权利要求1所述的利用液态金属冷却的级联式半导体温差发电装置，其特征在于，所述第一空心流道、第二空心流道和第三空心流道的纵截面形状均为矩形、正方形、三角形或多边形，其长度为1毫米-100厘米。