CN102158139A

CN102158139A - 水面太阳辐射热能发电装置

Info

Publication number: CN102158139A
Application number: CN2011100584199A
Authority: CN
Inventors: 杨拥民; 钱彦岭; 卓清琪; 李磊; 杜凯; 王磊
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2011-08-17

Abstract

本发明公开了一种水面太阳辐射热能发电装置，包括一浮体，浮体上设有上下贯通的通孔，通孔上设有半导体温差发电器件，半导体温差发电器件的上面覆盖有集热板，半导体温差发电器件的背面设有散热部件，一透明球罩固定在浮体上将集热板罩住，还包括与半导体温差发电器件连接的电源管理电路。本发明具有如下特点：一是安全无污染；二是可靠性高，不需要后期维护，其能量转化过程没有磨损、震动和噪声；三是电装置结构紧凑，体积小，重量轻，携带、安装、使用方便；四是利用低温差发电，使用的范围较广，实现传感器节点长期有效的工作。

Description

水面太阳辐射热能发电装置

技术领域

本发明属于太阳能发电装置，具体涉及一种水面太阳辐射热能发电装置。

背景技术

海洋、河流经济是当今世界经济不可忽视的重要组成部分，也是可持续发展战略的前沿阵地。开发海洋、河流资源，发展海洋、河流经济已成为国民经济的重要支柱。但是海洋、河流经济在带来巨大效益的同时，也产生了一系列的问题，比如海洋、河流环境污染日益严重，生态环境日趋恶劣。保护好海洋、河流生态环境，是关系到我国可持续发展的战略问题。随着传感器技术的发展，将大量由低成本、低功耗、多功能的微型传感器元件组成的传感器节点，散布在一定的水域，协同工作，构成一个分布式传感器网络，可以对一定水域的水文、交通、生态环境等进行有效的监测。但由于所处环境恶劣，分布区域广阔，分布式传感器网络面临着能量供应的难题。

目前的传感器节点一般通过电池（标准AAA或AA电池）进行供电，通常它们携带能量有限，这样就使得传感器节点的使用寿命受制于电池的能量。在目前的技术水平下，电池容量很难有大幅度的提高，而且传感器节点一般使用在人无法接近的恶劣甚至危险的环境中（如战争环境），更换电池的做法一般是不现实的，因此无线传感器网络节点的能源问题成为了延长分布式传感器网络使用寿命核心问题。尽管可以通过研究各种优化的路由通信协议，减少传感器节点耗能，延长网络的生命周期等。显然，仅仅通过降低自身能量消耗是不能够长久维持传感器节点的正常工作的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水面太阳辐射热能发电装置，以利用太阳辐射热能发电满足水面低功耗无线传感器节点的能源需求，实现传感器节点长期有效的工作。

本发明目的通过以下技术方案实现：

水面太阳辐射热能发电装置，包括一浮体，浮体上设有上下贯通的通孔，通孔上设有半导体温差发电器件，半导体温差发电器件的上面覆盖有集热板，半导体温差发电器件的背面设有散热部件，一透明球罩固定在浮体上将集热板罩住，还包括与半导体温差发电器件连接的电源管理电路。

进一步的技术方案是：

所述浮体的表面上设有支撑板，支撑板位于半导体温差发电器件与浮体之间，在半导体温差发电器件周围的支撑板和集热板之间设有隔热保温层。

所述散热部件为肋片，或者由肋片和固定在肋片上的热管组成，其中热管与半导体温差发电器件的背面接触。

本发明中的太阳辐射热能集热部件，其能够从太阳辐射中收集到较多的能量，而自身的热损失又很小；半导体温差发电器件（Thermoelectric Generator，简称TEG），其将热能直接转换为电能；隔热保温层，其阻止集热板所吸收的热量从TEG以外的地方散失，将集热板的非工作面的热损失降低到最小限度，使TEG热端面的温度尽可能的提高；散热部件，其把TEG冷端的热量及时散发到环境中去，避免热量在TEG冷端堆积，以维持冷热端之间的温度差；电源管理电路，其将低温差下TEG产生的几百毫伏输出电压，转化为可以满足电子电路工作要求的电压，并将从环境采集的能量储存于超级电容当中。

所述的半导体温差发电器（TEG）是利用已经商业化的制冷器件作为发电装置的温差发电器，其位于集热板与散热部件之间，上端面紧贴集热板，下端面紧贴散热部件，外侧环绕着隔热部件。

所述的透明球罩和集热板组成太阳辐射热能集热部件，透明球罩为半球形，起到密封和形成温室效应的作用，集热板上涂太阳能选择性吸收材料。

所述的隔热保温层由隔热保温材料、热反射材料、太空绝热瓷层等组成，能够对集热板与散热部件进行有效的热隔绝。

本发明具有如下特点：一是安全无污染，制作半导体温差发电器（TEG）所用的热电材料对环境无污染，且TEG中无气态或液态介质存在，能量转化过程无污染物排出，属于环境友好型能源；二是可靠性高，不需要后期维护，TEG不含运动部件，其能量转化过程没有磨损、震动和噪声，属于静态能量转换，且整个发电装置不需要附加驱动、传动系统，不含机械运动部件，因此发电装置的可靠性很高，不需要后期维护保养，基本上可以做到投放后不用管理；三是电装置结构紧凑，体积小，重量轻，携带、安装、使用方便；四是利用低温差发电，使用范围大，通过电源管理单元的处理，降低了对TEG冷热端温度差的要求，即使存在较小温差时也能有效地将热能转化为电能，可使用的范围较广。本发明能够从环境中捕获能量，为无线传感器节点提供源源不断的能量，将从根本上解决现有技术必须依靠电池的问题，实现传感器节点长期有效的工作。

以下结合附图详细说明本发明的实施方式。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的另一种结构示意图。

图3是本发明中散热部件的结构示意图。

图4是本发明的电源管理电路组成框图。

图5是本发明的电源管理电路图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明的水面太阳辐射热能发电装置，包括一泡沫浮体3，浮体3上设有上下贯通的通孔7，通孔7上设有半导体温差发电器（TEG）4，半导体温差发电器件4的上面覆盖紧贴有集热板5，半导体温差发电器件4的背面设有紧贴的散热部件6，散热部件6为肋片，一透明半球罩1固定在浮体3上将集热板5罩住，还包括设在浮体3上的与半导体温差发电器件4连接的电源管理电路2。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1不同的是在所述浮体3的表面上设有支撑板8，支撑板8位于半导体温差发电器件（TEG）4与浮体3之间，TEG通过支撑板铝板10固定在支撑板8上，在半导体温差发电器件4周围的支撑板8和集热板5之间设有隔热保温层9，透明半球罩1固定在支撑板8上。

实施例3

如图3所示，本实施例中的散热部件6由肋片601和固定在肋片601上的热管602组成，两者通过焊接形式连接为一体，其中热管602与半导体温差发电器件4的背面接触。

水面太阳辐射热能发电装置，利用温差发电器件能够实现热能到电能的转换，其特点是，将发电装置放于水面上，太阳辐射透过透明半球罩1，被集热板5所吸收，集热板5将吸收的热量传到紧贴的半导体温差发电器（TEG）4热端，使得TEG4热端温度升高，而TEG4冷端的热量则通过散热部件6散失到水中，使得TEG4冷端维持在较低温度上，这样TEG4的冷热端便形成了温度差，通过TEG4的温差电效应，将热能转换为电能，再通过电源管理电路2对输出电能进行处理，并将电能储存于超级电容中。另外隔热保温层9用于阻止集热板5所吸收的热量从TEG4以外的地方散失，从而保证TEG4热端温度，其与散热部件6一起保证了TEG4冷热端的温度差；泡沫浮体3使得发电装置能够稳定浮于水面上；支撑板8和TEG的支撑板铝板10用于支撑和连接发电装置的各个部件。

所述的半导体温差发电器件采用已经商业化的部件。

本发明中的透明球罩1、集热板5组成集热部件是一种将太阳辐射能转变为热能，并将其传给TEG热端的换热装置。透明半球罩1的作用是让太阳辐射透过并减少吸热面的对流和辐射损失，其性能决定温室效应的强弱。透明半球罩是收集太阳辐射的窗口，其应该让太阳辐射（波长0.3~3.0

）通过，而尽量不让集热面板发出的长波辐射（波长3.0

以上）通过，形成多进少出的温室效应。集热板5可由各种金属或非金属材料制造，用于吸收入射的太阳辐射能，并将热量传递给TEG的热端。由于太阳辐射波长大于3.0的不到2%，而集热面板的热辐射波长小于3.0

的不到1%，两者的光谱范围很少重叠，为了使集热面板充分吸收太阳辐射，又能尽量减少自身热辐射损失，集热板表面涂了太阳能选择性涂料，主要成分为丙烯酸吸热涂料，使用时漆和固化剂按照5∶1比例配比混合，漆与稀释剂的比例为20∶1左右。

所述的隔热保温层9用于阻止集热板5所吸收的热量从TEG4以外的地方散失，从而保证TEG4热端温度的部件，其目的是将热源与散热部件6进行有效的隔热，将集热板5的非工作面的热损失降低到最小限度，使TEG4热端面的温度尽可能的提高。其是由隔热铝箔和反射隔热保温涂料（主要成分为纳米空心陶瓷微珠和无机聚合物溶液）组成。为了保证隔热效果要选择热导率（

）小的隔热材料，且尽可能增大隔热层的厚度。

所述的散热部件6的作用是尽可能将TEG4冷端的热量散出去，从而降低冷端的温度，与隔热保温层9一起保证TEG4工作所需的温度差。

所述的电源管理电路2，能够将低温差余热发电下的TEG（3）产生的“大”电流“小”电压输出转换为“小”电流“大”电压输出，使其满足电子电路的工作电压要求（3.3V/5V）。电源管理电路如图4所示，其主要包含：起动电路、主电路、开关电路、反馈电路及储能器件。起动电路在开始时为主电路的启动提供初始电压；主电路实现低输入电压到高输出电压的高效率转换；开关电路控制主电路开启与关闭，并通过方波的形式调节输出；反馈电路用于关闭起动电路及确保开关电路的工作，其具体电路图如图5所示。温差发电装置的TEG输出能量经由电荷泵组成的起动电路升压后储存到启动电容中；当启动电容电压达到一定值时，开始放电，此电压作为主电路中升压型DC-DC转换器的启动电压，使DC-DC转换器开始工作；DC-DC转换器启动之后，其输出电压除了给超级电容/锂电池充电外，还通过反馈电路反馈到DC-DC转换器和电荷泵，控制DC-DC转换器的开启并停止电荷泵的工作。

Claims

1.一种水面太阳辐射热能发电装置，其特征是包括一浮体，浮体上设有上下贯通的通孔，通孔上设有半导体温差发电器件，半导体温差发电器件的上面覆盖有集热板，半导体温差发电器件的背面设有散热部件，一透明球罩固定在浮体上将集热板罩住，还包括与半导体温差发电器件连接的电源管理电路。

2.如权利要求1所述的水面太阳辐射热能发电装置，其特征是所述浮体的表面上设有支撑板，支撑板位于半导体温差发电器件与浮体之间，在半导体温差发电器件周围的支撑板和集热板之间设有隔热保温层。

3.如权利要求1或2所述的水面太阳辐射热能发电装置，其特征是所述散热部件为肋片，或者由肋片和固定在肋片上的热管组成，其中热管与半导体温差发电器件的背面接触。