CN102510244B - 具有功能梯度热电臂的环形阵列温差发电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有功能梯度热电臂的环形阵列温差发电器。包括高温端热交换器、低温端热交换器、两个套筒、多个P型热电臂、与P型热电臂个数相同的N型热电臂；高温端热交换器的圆筒内中部开有翅片，圆筒外开有传热臂；低温端热交换器的圆筒内中部开有冷却臂；套筒套在高温端热交换器的圆筒外；高温端热交换器的传热臂的另一侧套有低温端热交换器，低温端热交换器与套筒接触；冷却臂和相邻的传热臂间均安装有一对热电偶，每对热电偶与冷却臂和传热臂之间分别装有导流片；用连接导流片依次将P型热电臂和N型热电臂串联连接。本发明利用工业余热、机动车尾气余热、太阳热能和人体温差等热能进行发电，产生的电能可以直接作为工作电源。
Description
技术领域
本发明涉及一种温差发电器，尤其是涉及一种具有功能梯度热电臂的环形阵列温差发电器。
背景技术
温差发电是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种发电技术，将P型和N型两种不同类型的热电材料一端相连形成一个PN结，并置于高温状态，另一端形成低温，则由于热激发作用，P（N）型材料高温端空穴（电子）浓度高于低温端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势，此时热电材料就通过高低温端之间的温度差完成了将高温端输入的热量直接转化为电能的过程。如果将多个PN结构成的热电偶串联起来，就可以得到高电压，形成温差发电器。
温差发电技术的研究始于20世纪40年代，美国能源部的空间与防御动力系统办公室曾称温差发电是“被证明为性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的动力技术”。该技术是一种全固态能量转换方式，无需化学反应，因而在发电过程中具有无噪音、无磨损、无介质泄露、移动方便、体积小、质量轻、使用寿命长等优点。温差发电在航空、军事等领域得到了广泛的应用，美国和前苏联先后研制了数千个放射性同位素或者核反应堆温差发电器 ，用作空间、海洋装置的电源。随着能源危机的加速，发达国家都更加重视温差电技术在各个领域的研究，而且取得了长足的进展。国内温差发电方面的研究，主要集中在发电器理论和热电材料制备方面，但是在温差发电器的综合设计和应用方面的研究还很欠缺，因此设计出应用于不同的场合的高性能温差发电器具有非常现实的意义。目前，针对具有功能梯度的环形阵列温差发电器的研究报道很少见。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有功能梯度热电臂的环形阵列温差发电器，能利用工业余热、机动车尾气余热、太阳热能和人体温差等热能进行发电；另外，该发电器的热电臂具有功能梯度结构，可以工作在较大的温差范围内，提高了能源的利用率。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括高温端热交换器、低温端热交换器、两个套筒、多个P型热电臂、与P型热电臂个数相同的N型热电臂和四个密封圈；高温端热交换器：其圆筒内中部开有多个与两端对称等分分布的翅片，与翅片相对的圆筒外开有多个等分分布的传热臂，未开有翅片的圆筒外两端分别开有等分分布的固定用螺纹孔，圆筒两端面分别开有等分分布的连接用螺纹孔；低温端热交换器：其圆筒内中部开有多个与两端对称等分分布的冷却臂，在每个冷却臂上均开有轴向第一冷却水孔，圆筒端面分别开有连接用第一通孔；高温端热交换器的传热臂的一侧从内至外分别安装第一密封圈和第二密封圈，第一套筒套在高温端热交换器的圆筒外，压在第二密封圈上定位；高温端热交换器的传热臂的另一侧套有低温端热交换器，第一密封圈和第二密封圈嵌入并贴在冷却臂一端面上，低温端热交换器与第一套筒接触；冷却臂和相邻的传热臂间均安装有一对热电偶，每对热电偶均由P型热电臂和N型热电臂串接，每对热电偶与冷却臂和传热臂之间分别装有导流片；在高温端热交换器、热电偶和低温端热交换器之间安装有隔热材料定位；将第三密封圈安装在热电偶外侧，用连接导流片依次将P型热电臂和N型热电臂串联连接，再把第四密封圈套在第三密封圈外；将第二套筒套在高温端热交换器外，并与低温端热交换器另一侧接触；依次通过第一套筒的第二通孔、低温端热交换器的第一通孔和第二套筒的第四通孔连接；冷却水管分别安装在第一套筒和第二套筒的冷却水孔上。
所述的每个P型热电臂和每个N型热电臂都具有功能梯度结构，每个热电臂均由三段不同的热电材料构成，沿着温度梯度方向依次是高温段热电材料、中温段热电材料和低温段热电材料。
本发明具有的有益效果是：
1）该发电器能利用工业余热、机动车尾气余热、太阳热能和人体温差等
热能进行发电，产生的电能可以直接作为工作电源，具有节能环保的作用；
2）该发电器的热电臂具有功能梯度结构，可以工作在较大的温差范围内，提高了能源的利用率；
3）将温差发电器设计为圆筒形状，可以方便地安装在具有圆筒结构热源的一段或者外侧，也可以将若干个温差发电器串联或者并联连接，提高发电量，而且安装容易；
4）温差发电器内的热电臂为阵列结构，能够充分利用热量，提高发电器的输出功率和工作效率，应用前景十分广泛。
附图说明
图1是本发明的正面装配结构图。
图2是本发明的反面装配结构图。
图3是本发明的反面除去第一套筒的内部装配结构图。
图4是本发明的正面除去第二套筒的内部装配结构图。
图5是本发明的正面除去第二密封圈的内部装配结构图。
图6是本发明的正面除去第一密封圈的内部装配结构图。
图7是本发明的高温端热交换器结构图。
图8是本发明的低温端热交换器结构图。
图9是本发明的第一套筒结构图。
图10是本发明的第二套筒结构图。
图11是本发明的P（N）型热电臂结构图。
图12是本发明的第一密封圈结构图。
图中：1.高温端热交换器，2.低温端热交换器，3.第二套筒，4.输出电极，5.冷却水管，6.螺栓，7.螺钉，8.第一套筒，9.螺母，10.第二、四密封圈，11.连接导流片，12.第一、三密封圈，13.P型热电臂，14.N型热电臂，15.导流片，16.第一层隔热材料，17.第二层隔热材料，18.第三层隔热材料，19.传热臂，20.固定用螺纹孔，21.连接用螺纹孔，22.翅片，23.冷却臂，24.第一冷却水孔，25.第一通孔，26.第二冷却水孔，27.第二通孔，28.第三通孔，29.第三冷却水孔，30.第四通孔，31.第五通孔，32.输出电极孔，33.高温段热电材料，34.中温段热电材料，35.低温段热电材料，36.第四冷却水孔，37.长方孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1至图12所示，本发明包括高温端热交换器1、低温端热交换器2、第一套筒8、第二套筒3、多个P型热电臂13、与P型热电臂13个数相同的N型热电臂14、第一密封圈12、第二密封圈10、第三密封圈12和第四密封圈10；如图7，高温端热交换器1的圆筒内中部开有多个与两端对称等分分布的翅片22，与翅片22相对的圆筒外开有多个等分分布的传热臂19，未开有翅片22的圆筒外两端分别开有等分分布的固定用螺纹孔20，圆筒两端面分别开有等分分布的连接用螺纹孔21；如图8，低温端热交换器2的圆筒内中部开有多个与两端对称等分分布的冷却臂23，在每个冷却臂23上均开有轴向第一冷却水孔24，圆筒端面分别开有连接用第一通孔25；如图3，高温端热交换器1的传热臂19的一侧从内至外分别安装第一密封圈12和第二密封圈10，第一套筒8套在高温端热交换器1的圆筒外，压在第二密封圈10上定位；如图4、图5和图6，所述的高温端热交换器1的传热臂19的另一侧套有低温端热交换器2，第一密封圈12和第二密封圈10嵌入并贴在冷却臂23一端面上，低温端热交换器2与第一套筒8接触；冷却臂23和相邻的传热臂19间均安装有一对热电偶，每对热电偶均由P型热电臂13和N型热电臂14串接，每对热电偶与冷却臂23和传热臂19之间分别装有导流片15；在高温端热交换器1、热电偶和低温端热交换器2之间安装有第一层隔热材料16、第二层隔热材料17和第三层隔热材料18定位定位；如图5，将第三密封圈12安装在热电偶外侧，用连接导流片11依次将P型热电臂13和N型热电臂14串联连接，如图4，再把第四密封圈10套在第三密封圈12外；如图1，将第二套筒3套在高温端热交换器1外，并与低温端热交换器2另一侧接触；依次通过第一套筒8的第二通孔27、低温端热交换器2的第一通孔25和第二套筒3的第四通孔30连接；冷却水管5分别安装在第一套筒8的第二冷却水孔26和第二套筒3的第三冷却水孔29上。
所述的每个P型热电臂13和每个N型热电臂14都具有功能梯度结构，每个热电臂均由三段不同的热电材料构成，沿着温度梯度方向依次是高温段热电材料33、中温段热电材料34和低温段热电材料35。各段热电材料在对应的温度区间内均能达到最佳优值系数。
所述的高温端热交换器1具有若干个传热臂19，该结构导热性能优良，能有效地传递通过高温端热交换器1的热量；在高温端热交换器1的内部圆筒中开有若干个翅片14，用来吸收更多的热量，使得余热能充分有效利用。
所述的低温端热交换器2内侧具有若干个冷却臂23，每个冷却臂23上加工有第一冷却水孔24。
本发明的具体实施过程如下：
如图7所示，高温端热交换器1的圆筒内中部开有至少两个以上的与两端对称等分分布的翅片22，与翅片22相对的圆筒外开有至少两个以上的等分分布的传热臂19，未开有翅片22的圆筒外两端先加工出平面，再在平面上分别开有等分分布的固定用螺纹孔20，圆筒两端面分别开有等分分布的连接用螺纹孔21；高温端热交换器1选用热传导性和绝缘性能优良的材料。
如图8所示，低温端热交换器2的圆筒内中部开有多个与两端对称等分分布的冷却臂23，在每个冷却臂23上开有轴向第一冷却水孔24，圆筒端面分别开有连接用第一通孔25；低温端热交换器2选用热传导性和绝缘性能优良的材料。
如图3所示，在高温端热交换器1的传热臂19的一侧从内至外分别安装第一密封圈12和第二密封圈10，第一密封圈上开有与导流片15横截面积相同的长方孔37和第四冷却水孔36，用来定位导流片15和通过冷却水；如图9所示，在第一套筒8上开有第二冷却水孔26、第二通孔27和第三通孔28，并保证第三通孔28与高温端热交换器1的固定用螺纹孔20同轴，然后将第一套筒8套在高温端热交换器1的圆筒外，压在第二密封圈10上定位；高温端热交换器1的传热臂19的另一侧套有低温端热交换器2，第一密封圈12和第二密封圈10嵌入冷却臂23上，低温端热交换器2与第一套筒8接触；第一套筒8、低温端热交换器2、第一密封圈12和第二密封圈10所有对应的通孔和冷却水孔轴向对齐；如图2所示，再用螺钉7将第一套筒8与高温端热交换器1固定。
如图11所示，通过一定的方法制造出由分段热电材料构成的具有功能梯度结构的P型热电臂13和N型热电臂14，将其串联形成热电偶。沿着温度梯度方向，热电臂的各段热电材料工作在高温到低温的最佳温度区间，达到最佳优值系数。不同类型热电臂各段材料的形状、高度、横截面积等尺寸可以通过优化设计得到，以保证在一定的温差范围内，单个热电偶能达到最大的输出功率和热电转化效率；如图6所示，在上一步基础上，先放置第一层隔热材料16，在相邻的冷却臂23间均安装有两对热电偶，每对热电偶均由P型热电臂13和N型热电臂14串接，热电偶与冷却臂23和传热臂19之间分别安装导流片15；在相邻的热电臂之间和热电臂与高温端热交换器1之间分别放置第二层隔热材料17和第三层隔热材料18。
如图5所示，将第三密封圈12安装在热电偶外侧，让导流片15均通过密封圈的长方孔37，用连接导流片11依次将P型热电臂13和N型热电臂14串联连接，再把第四密封圈10套在第三密封圈12外；如图1所示，将第二套筒3套在高温端热交换器1外，并与低温端热交换器2另一侧接触，输出电极4可以通过第二套筒的输出电极孔32；用螺栓6和螺母9依次通过第一套筒8的第二通孔27、低温端热交换器2的第一通孔25和第二套筒3的第四通孔30进行连接；最后用螺钉7通过第二套筒3的第五通孔31和高温端热交换器1连接。
如图1所示，冷却水管5分别安装在第一套筒8和第二套筒3的冷却水孔上；外界的冷却水通过冷却水管5，对温差发电器进行冷却。
如图1所示，热流体进入高温端热交换器1的圆筒中，热量通过翅片22传递给传热臂19；此时具有高温的传热臂19将热量通过P型热电臂13和N型热电臂14向低温端传导，低温端热交换器2通过冷却臂23中的冷却水进行散热，形成温度差；由于材料的热电效应，由P型热电臂13和N型热电臂14构成的热电偶中便产生了电流；由于热电臂采用环形阵列结构，并且进行串联，即可以产生更多的温差电流；最后用导线与输出电极连接，将产生的电流输出，可以储存在蓄电池中，或者直接作为工作电路的电源。
Claims (2)
1.一种具有功能梯度热电臂的环形阵列温差发电器，其特征在于：包括高温端热交换器（1）、低温端热交换器（2）、两个套筒（8，3）、多个P型热电臂、与P型热电臂个数相同的N型热电臂和四个密封圈；高温端热交换器（1）：其圆筒内中部开有多个与两端对称等分分布的翅片，与翅片相对的圆筒外开有多个等分分布的传热臂，未开有翅片的圆筒外两端分别开有等分分布的固定用螺纹孔，圆筒两端面分别开有等分分布的连接用螺纹孔；低温端热交换器（2）：其圆筒内中部开有多个与两端对称等分分布的冷却臂，在每个冷却臂上均开有轴向第一冷却水孔，圆筒端面分别开有连接用第一通孔；高温端热交换器（1）的传热臂的一侧从内至外分别安装第一密封圈和第二密封圈，第一套筒（8）套在高温端热交换器（1）的圆筒外，压在第二密封圈上定位；高温端热交换器（1）的传热臂的另一侧套有低温端热交换器（2），第一密封圈和第二密封圈嵌入并贴在冷却臂（23）一端面上，低温端热交换器（2）与第一套筒（8）接触；冷却臂（23）和相邻的传热臂间均安装有一对热电偶，每对热电偶均由P型热电臂和N型热电臂串接，每对热电偶与冷却臂和传热臂之间分别装有导流片；在高温端热交换器（1）、热电偶和低温端热交换器（2）之间安装有隔热材料定位；将第三密封圈安装在热电偶外侧，用连接导流片依次将P型热电臂和N型热电臂串联连接，再把第四密封圈套在第三密封圈外；将第二套筒（3）套在高温端热交换器（1）外，并与低温端热交换器（2）另一侧接触；依次通过第一套筒（8）的第二通孔（27）、低温端热交换器（2）的第一通孔（25）和第二套筒（3）的第四通孔（30）连接；冷却水管（5）分别安装在第一套筒（8）和第二套筒（3）的冷却水孔上。
2.根据权利要求1所述的一种具有功能梯度热电臂的环形阵列温差发电器，其特征在于：所述的每个P型热电臂和每个N型热电臂都具有功能梯度结构，每个热电臂均由三段不同的热电材料构成，沿着温度梯度方向依次是高温段热电材料（33）、中温段热电材料（34）和低温段热电材料（35）。
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