CN101882902A - 半导体温差发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体温差发电装置，包括半导体发电元件和散热片，还包括一根或一根以上的第一热管，第一热管的蒸发面与半导体发电元件的冷端面直接或间接贴合，第一热管的冷凝面设置有散热片。本发明的半导体温差发电装置能够提高发电效率，而且结构简单，无需配置复杂设备及额外的主动传热方法，并具有无噪声、无震动、运行寿命长和可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种发电技术，特别是一种半导体温差发电装置。
背景技术
众所周知，现代社会所使用的一次能源中，相当大的一部分会在其运送、储存、变换及利用过程中作为废热被排掉。这些废热通常达到一次能源总量的2/3。由于大部分废热温度较低，即属于低品位热，分散且无法集中，现有的技术很难再利用而不得不被扔掉。
如何充分有效地利用这些庞大的废热资源，不仅有着不言而喻的巨大经济价值，而且由于可以减轻对环境污染的负荷，因而还具有巨大的社会效益。
利用固体半导体材料的Seeback效应(热电偶效应)进行余热(废热)发电是近几年在日本、美国、欧洲及俄罗斯等国进行积极开发和研究的新技术。和太阳能光伏发电相比，由于不受昼夜，天气条件及占用空间等因素的限制，只要有余热，就能发电利用。
现有的半导体温差发电装置如中国专利号为200720047891.1，实用新型名称为一种半导体温差发电装置的实用新型专利，通常是将半导体发电元件的热端面通过导热管与热源相连，冷端面通过散热片冷却，由于受到传热的限制，无法有效地收集、输运及散发热量，造成其发电效率非常低下。或如中国专利号为200520118366.5，名称为太阳能热管温差发电装置的实用新型专利，温差发电片一面紧贴于伸出太阳能采集真空管的热管部分，另一面被固定于一个具有外保温层的水箱外壳，即冷端面通过水箱散热装置散热，以提高发电效率，由于在冷端面需要设置水箱、风扇等设施，不但成本高，而且不利于普遍适用。
一般来说，热源与半导体发电元件的热端面之间以及半导体发电元件的冷端面与冷源(如空气、水)之间的热传输越有效或者说传热热阻越小，半导体发电元件的冷热端面的温度差就越大，则发电效率越高。而且，为实现半导体发电元件的有效净发电量的最大化，最好不要使用额外的主动传热方式(如使用风扇或者泵等)来达到冷热端面温差最大化，而如何实现这种目的，高效被动式热吸收、热输运及散热技术缺一不可。
发明内容
本发明针对现有的半导体温差发电装置不能有效地收集、输运及散发热量，发电效率低下的问题，提供一种新型半导体温差发电装置，能够不需额外的主动方式有效收集热量，在热量传输给半导体片发电元件的热端面后，将半导体片发电元件的冷端面的热量快速有效地散发出去，从而提高发电效率，而且结构简单，无需配置复杂设备及额外的主动传热方法，并具有无噪声、无震动、运行寿命长和可靠性高的优点。
本发明的技术方案如下：
一种半导体温差发电装置，包括半导体发电元件和散热片，其特征在于，还包括一根或一根以上的第一热管，所述第一热管的蒸发面与半导体发电元件的冷端面直接或间接贴合，第一热管的冷凝面设置有散热片。
所述半导体发电元件额定功率与所述散热片的散热表面积比率为30W/m2～150W/m2；所述散热片与环境相比温升小于20℃，散热片自然散热功率为所述半导体发电元件额定功率的1～3倍。
所述半导体发电元件额定功率与所述散热片的散热表面积比率为60W/m2～100W/m2；散热片自然散热功率为所述半导体发电元件额定功率的1.5～2倍。
还包括第二热管，所述第二热管的蒸发面与热源相连接，第二热管的冷凝面与半导体发电元件的热端面直接或间接贴合。
与所述第二热管的蒸发面相连接的热源为余热源和/或废热源；或所述第二热管的蒸发面通过贴合一热收集用换热器收集热源的热量，所述热源为低热流密度热源，所述低热流密度热源为太阳能热源或发动机尾气废热源或其它排气废热源。
所述第二热管为圆热管；还包括一种管板式热交换器，所述板管式热交换器为侧面具有贴合平面的通管，所述通管内径与圆热管的冷凝段的外径相匹配，所述板管式热交换器的贴合平面与半导体发电元件的热端面直接贴合。
所述第一热管为圆热管；还包括一种管板式热交换器，所述板管式热交换器为侧面具有贴合平面的通管，所述通管内径与圆热管的蒸发段的外径相匹配，所述板管式热交换器的贴合平面与半导体发电元件的冷端面直接贴合。
所述第二热管和第一热管均为平板热管，即第一平板热管和第二平板热管。
所述第一平板热管和第二平板热管均为金属材料经过挤压成型的两个及以上并排排列的通孔阵列平板结构形成的热管。
所述各通孔均形成独立的热管。
所述第一平板热管和第二平板热管内均设置有具有强化传热作用的若干微翅片，所述微翅片的大小和结构适合于与平板热管的内壁形成沿平板热管长度方向走向的毛细微槽。
第一热管和/或第二热管的热输运能力在温度-40℃～250℃范围内大于等于半导体发电元件的额定功率的1.2倍。
所述第一热管与第二热管均承受10～100大气压的内压及大于1大气压的外压，第一热管与第二热管在与半导体发电元件贴合处的表观热流密度均大于10W/cm2。
所述半导体发电元件的冷端面和热端面均涂有导热硅脂。
本发明的技术效果如下：
本发明涉及的半导体温差发电装置，通过设置一根或多根第一热管，并将其蒸发面与半导体发电元件的冷端面直接或间接贴合，第一热管的冷凝面设置有散热片，故第一热管可以将半导体发电元件运行时冷端面产生的热量经散热片及时散发至周围环境中，以提高半导体发电元件的冷端面和热端面之间的温差，从而提高其发电效率。由于热管的热传输量大，并能够达到高速度的热传导的效果，故热管自身具有很强的热输运能力，此处设置第一热管能够将半导体发电元件运行时冷端面产生的热量迅速转移，此外，为将该热量及时快速地散发至周围环境中，第一热管的冷凝面上是可以设置较多的散热片的，在第一热管上的冷凝面上的散热片的数量可以根据需要设置。该装置结构简单，无需配置复杂设备及额外的主动传热方法，解决了现有的半导体温差发电装置由于受到传热的限制，不能有效地收集、输运及散发热量，造成的发电效率低下的问题，能够不用额外配置风扇或者泵等主动方式有效收集热量，本发明的该装置结构简单，无旋转机械运行、无噪声、无震动、无污染、运行寿命长、可靠性高。
还设置第二热管，并将第二热管的蒸发面与热源相连接，冷凝面与半导体发电元件的热端面直接或间接贴合，故第二热管可以将热源的热量快速传递到半导体发电元件的热端面，同时第一热管将半导体发电元件运行时冷端面产生的热量经散热片及时散发至周围环境中，第一热管和第二热管共同配合工作，能够更加迅速地提高半导体发电元件的冷端面和热端面之间的温差，从而进一步提高整体发电效率。
与第二热管的蒸发面相连接的热源为余热源和/或废热源，能够将工业生产中排出的温度较低的大量余热和废热进行回收利用，节约能源，在不另外消耗能源的前提下，半导体发电元件利用余热、废热进行温差发电，这不但使企业的经济效益增加，而且减少了余热、废热对环境的污染。
附图说明
图1为本发明的半导体温差发电装置的优选实施例一的结构示意图。
图2为图1的侧面视图。
图3、图4和图5分别为本发明的半导体温差发电装置的优选实施例二的正面、侧面和背面结构示意图。
图6为本发明的半导体温差发电装置的优选实施例三的结构示意图。
图7为本发明的半导体温差发电装置的优选实施例四的结构示意图。
图8为本发明的半导体温差发电装置的优选实施例五的结构示意图。
图9为本发明的半导体温差发电装置的优选实施例六的结构示意图。
图中各标号列示如下：
1-第一平板热管；2-半导体发电元件；3-第二平板热管；4-散热片；5-余热、废热源；6-螺栓；7-板管式热交换器；8-热收集用换热器；9-低热流密度热源；10-通管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明。
图1为本发明的半导体温差发电装置的优选实施例一的结构示意图，图2为其侧面视图，包括第一平板热管1、半导体发电元件2、第二平板热管3、散热片4和余热、废热源5，第二平板热管3的蒸发面与余热、废热源5相连接，第二平板热管3的冷凝面与半导体发电元件2的热端面紧密贴合；第一平板热管1的蒸发面与半导体发电元件2的冷端面紧密贴合，第一平板热管1的冷凝面设置有散热片4。散热片4为薄铝板结构，通过胀接、焊接或者直接贴合的方式与第一平板热管1紧密连接(或过盈配合)；在半导体发电元件2的冷端面和热端面均涂有一薄层导热硅脂，在半导体发电元件2的周围附加一层保温材料；为使得第二平板热管3的冷凝面和第一平板热管1的蒸发面与半导体发电元件2更好地实现紧密贴合，第二平板热管3和第一平板热管1之间可以通过螺栓6固定。
其中，平板热管(包括第一平板热管1和第二平板热管3)可以经挤压或者冲压或者焊接或者烧结而成。例如，平板热管可以是金属材料经过挤压成型的两个及以上并排排列的通孔阵列平板结构形成的热管，优选地各通孔均形成独立的热管，在平板热管内设置有具有强化传热作用的若干微翅片，可以设置微翅片的大小和结构适合于与平板热管的内壁形成沿平板热管长度方向走向的毛细微槽，该结构一方面可以增大热交换面积，另一方面可以提供毛细驱动力，毛细驱动力可以促使蒸发面内部的蒸气更快速地流向冷凝面内部，同时也促使冷凝的液体沿平板热管的内壁快速回流至蒸发面内部，因此可以显著提高平板热管的换热效率。此外，该平板热管还可以是采用铝质管材焊接成的平板热管，在其框架内设置有内翅片，所述内翅片位于框架的上下端面之间，该内翅片将框架的内部空间分隔成若干孔状通道，框架内部为真空结构，并灌装有氨水或者其它液体工质，成整体平板热管；也可以将平板热管替换为其它热管，如多数平行的非圆形热管。
本发明涉及的半导体温差发电装置中可以设置一根或一根以上的第一热管，当第一热管为多根时，所有第一热管的蒸发面均与半导体发电元件2的冷端面贴合，如图3、图4和图5所示的本发明的半导体温差发电装置的优选实施例二的正面、侧面和背面结构示意图，图3中未标出第二平板热管3，该实施例中包括两根第一平板热管1，这两根第一平板热管1的蒸发面均与半导体发电元件2的冷端面贴合，且这两根第一平板热管1的冷凝面全部都设置有散热片4，多个散热片4进行半导体发电元件2的冷端面的散热，能够将半导体发电元件2运行时冷端面产生的热量迅速转移。
在本发明涉及的半导体温差发电装置中，半导体发电元件的冷端面直接或间接贴合第一热管的蒸发面，半导体发电元件的热端面直接或间接贴合第二热管的冷凝面，此处的半导体发电元件的冷热端面与两个热管的贴合方式有直接贴合和间接贴合两种：当第一热管和第二热管均为平板热管时，可与半导体发电元件直接贴合，即上述实施例一和实施例二所述情况；当第一热管和/或第二热管采用圆热管时，可采用间接贴合的方式，此时通过一种管板式热交换器来实现，该板管式热交换器为侧面具有贴合平面的通管。当第二热管为圆热管时，该第二热管的冷凝段插入到板管式热交换器的通管内(通管内径与圆热管的冷凝段的外径相匹配)，板管式热交换器的贴合平面与半导体发电元件的热端面直接贴合；当第一热管为圆热管时，该第一热管的蒸发段插入到板管式热交换器的通管内(通管内径与圆热管的蒸发段的外径相匹配)，板管式热交换器的贴合平面与半导体发电元件的冷端面直接贴合。如图6和图7所示的实施例三和实施例四的结构示意图中，板管式热交换器7为侧面具有贴合平面的通管结构，标示10所示的即为通管，图6所示的板管式热交换器7与贴合平面相对的另一表面具有与通管10外表面相配合的曲面结构，图7所示的板管式热交换器7中贴合平面以外的其它表面均为平面。通管10内径与第二热管(圆热管)的冷凝段的外径相匹配，第二热管通过板管式热交换器7的贴合平面与半导体发电元件2的热端面直接贴合，通过具有贴合平面的板管式热交换器的设置，能够增加圆热管与半导体发电元件的接触面积，提高热交换效率，可快速提高半导体发电元件的冷端面和热端面之间的温差，从而提高其发电效率。此外，在图6和图7所示的实施例中，通管10内也可以不设置第二热管，而是直接接通工业生产中排出的余热源或废热源或其它热源，由板管式热交换器7将热源的热量直接换热至半导体发电元件2的热端面。
将第二平板热管3的蒸发面与余热、废热源5相连接，余热、废热源5的热量以热传导的方式进入第二平板热管3的蒸发面，蒸发面内部的液体工质(一般采用氨水或其它液体工质)受热后变为蒸气进入冷凝面内部，进入冷凝面内部的蒸气以导热的方式将热量传递给半导体发电元件2的热端面，然后蒸气凝结为液体后返回至蒸发面内部，如此周而复始，余热、废热源5的热量被源源不断传至半导体发电元件2的热端面。半导体发电元件2在工作时，其冷端面产生的热量以导热的方式进入第一平板热管1的蒸发面，蒸发面内部的液体工质受热后以蒸汽的形式进入冷凝面内部，并在冷凝面将热量散失至散热片4后凝结为液体返回至蒸发面内部。如此不断循环，半导体发电元件2的冷端面产生的热量将被散热片4不断的带至周围环境中。一般半导体发电元件的制热系数COP约为1～2，其热端面的发热功率是其额定功率的1～2倍；采用平板热管与半导体发电元件贴合，平板热管具有很好的热收集能力，可以通过贴合平面快速收集半导体发电元件冷热端面的热量，并优选设置第一平板热管1和第二平板热管3的热输运能力在温度-40℃～250℃范围内不低于半导体发电元件的额定功率的1.2倍(优选为1.5倍)，当第一平板热管为一根以上时，此处所指的热输运能力为所有第一平板热管的热输运能力和，第一平板热管1和第二平板热管3的热输运能力与自身管径、结构及工质等因素有关，两热管可使用非水工质及较高冰点的工质，且两热管需承受10～100大气压(优选50～100大气压)的内压及1大气压以上的外压，第一热管与第二热管在与半导体发电元件贴合处的表观热流密度均大于10W/cm2(优选大于20W/cm2)。因此半导体发电元件2的冷端面和热端面之间能够保持较大的温差，从而提高了其发电效率。散热片通过空气自然散热，该实施例中，半导体发电元件额定功率与该散热片的散热表面积比率为30W/m2～150W/m2，优选为60W/m2～100W/m2，如当选定的半导体发电元件额定功率为15W时，散热片的散热表面积可选为0.3m2，第一平板热管1和第二平板热管3的热输运能力均为20W；当选定的半导体发电元件额定功率为45W时，散热片的散热表面积可选为0.75m2，第一平板热管1和第二平板热管3的热输运能力均为70W。
本发明的半导体温差发电装置在不增加能源消耗的前提下，利用余热和废热进行发电，既有利于环保，又可增加企业经济效益。在前面所述实施例中，第二热管的蒸发面直接与余热、废热源相连接，当热源为太阳能热源、发动机尾气废热源及其它排气废热源等较低热流密度热源时，由于这种热源的热流密度小，若第二热管的蒸发面直接与其接触，第二热管只能将蒸发面与热源接触到的部分的热量收集过来，而周围的热量却没有收集到，造成热量浪费，故此时可将第二热管的蒸发面与一热收集用换热器直接贴合，通过该热收集用换热器来收集较低热流密度热源的热量，这种热收集用换热器通常为散热片形状，如图8所示的本发明的半导体温差发电装置的优选实施例五的结构示意图，将第二平板热管3的蒸发面与热收集用换热器8直接贴合，低热流密度热源9的热量通过热收集用换热器8收集，并换热至第二平板热管3的蒸发面，热收集用换热器8能够将热源的大部分热量进行收集，提高了热源热量的利用率，将较低热流密度的废热源或余热源充分回收利用，节约能源，并进一步减少了余热、废热对环境的污染。
在图1所示的本发明的半导体温差发电装置的优选实施例一的结构示意图中，第一平板热管1、半导体发电元件2和第二平板热管3均为竖直放置，此外，这几个部件还可以水平放置或者整体倾斜一定角度放置，如图9所示的本发明的半导体温差发电装置的优选实施例六的结构示意图。
在本发明的半导体温差发电装置中，半导体发电元件发电所产生的是直流电，根据实际需要可直接使用或将电能存储于蓄电池中。半导体发电元件可以设置一个或多个，当设置多个半导体发电元件时，可以将各半导体发电元件的正极与正极连接、负极与负极连接；或者将一个半导体发电元件的正极连接下一半导体发电元件的负极，依次连接，即将各半导体发电元件进行并联或串联连接以形成所需要的电流与电压。该装置结构简单、便于加工和运输，安装时也非常简便，且无方向性要求，可以竖直、倾斜、水平方向安装，还具有系统运行成本低，经济效益显著的特点。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。
Claims (14)
1.一种半导体温差发电装置，包括半导体发电元件和散热片，其特征在于，还包括一根或一根以上的第一热管，所述第一热管的蒸发面与半导体发电元件的冷端面直接或间接贴合，第一热管的冷凝面设置有散热片。
2.根据权利要求1所述的半导体温差发电装置，其特征在于，所述散热片通过空气自然散热，所述半导体发电元件额定功率与所述散热片的散热表面积比率为30W/m2～150W/m2；所述散热片与环境相比温升小于20℃，散热片自然散热功率为所述半导体发电元件额定功率的1～3倍。
3.根据权利要求2所述的半导体温差发电装置，其特征在于，所述半导体发电元件额定功率与所述散热片的散热表面积比率为60W/m2～100W/m2；散热片自然散热功率为所述半导体发电元件额定功率的1.5～2倍。
4.根据权利要求1至3之一所述的半导体温差发电装置，其特征在于，还包括第二热管，所述第二热管的蒸发面与热源相连接，第二热管的冷凝面与半导体发电元件的热端面直接或间接贴合。
5.根据权利要求4所述的半导体温差发电装置，其特征在于，与所述第二热管的蒸发面相连接的热源为余热源和/或废热源；或所述第二热管的蒸发面通过贴合一热收集用换热器收集热源的热量，所述热源为低热流密度热源，所述低热流密度热源为太阳能热源或发动机尾气废热源或其它排气废热源。
6.根据权利要求4所述的半导体温差发电装置，其特征在于，所述第二热管为圆热管；还包括一种管板式热交换器，所述板管式热交换器为侧面具有贴合平面的通管，所述通管内径与圆热管的冷凝段的外径相匹配，所述板管式热交换器的贴合平面与半导体发电元件的热端面直接贴合。
7.根据权利要求1至3之一所述的半导体温差发电装置，其特征在于，所述第一热管为圆热管；还包括一种管板式热交换器，所述板管式热交换器为侧面具有贴合平面的通管，所述通管内径与圆热管的蒸发段的外径相匹配，所述板管式热交换器的贴合平面与半导体发电元件的冷端面直接贴合。
8.根据权利要求4所述的半导体温差发电装置，其特征在于，所述第二热管和第一热管均为平板热管，即第一平板热管和第二平板热管。
9.根据权利要求8所述的半导体温差发电装置，其特征在于，所述第一平板热管和第二平板热管均为金属材料经过挤压成型的两个及以上并排排列的通孔阵列平板结构形成的热管。
10.根据权利要求9所述的半导体温差发电装置，其特征在于，所述各通孔均形成独立的热管。
11.根据权利要求9所述的半导体温差发电装置，其特征在于，所述第一平板热管和第二平板热管内均设置有具有强化传热作用的若干微翅片，所述微翅片的大小和结构适合于与平板热管的内壁形成沿平板热管长度方向走向的毛细微槽。
12.根据权利要求4所述的半导体温差发电装置，其特征在于，第一热管和/或第二热管的热输运能力在温度-40℃～250℃范围内大于等于半导体发电元件的额定功率的1.2倍。
13.根据权利要求12所述的半导体温差发电装置，其特征在于，所述第一热管与第二热管均承受10～100大气压的内压及大于1大气压的外压，第一热管与第二热管在与半导体发电元件贴合处的表观热流密度均大于10W/cm2。
14.根据权利要求4所述的半导体温差发电装置，其特征在于，所述半导体发电元件的冷端面和热端面均涂有导热硅脂。
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