CN102739115A

CN102739115A - 一种利用建筑物内外环境温差的发电系统

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Publication number: CN102739115A
Application number: CN2012101919230A
Authority: CN
Inventors: 周涛; 苏子威; 邹文重; 刘梦影; 李精精
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2012-06-11
Publication date: 2012-10-17

Abstract

本发明公开了属于热能利用和节能技术领域的一种利用建筑物内外环境温差的发电系统。在建筑物外安装热管换热器，在建筑物内安装半导体温差发电模块，热传导器件与半导体温差发电模块的散热面固定在一起构成半导体温差电池；半导体温差电池的输出与升压稳压器、连接蓄电池和家庭用电设备。本发明利用家居房屋内部与外界环境所产生的温差，驱动半导体温差电池发电，并作为辅助电源广泛应用于家庭用电设备。该系统具有无机械移动、无噪音、无污染、无磨损、使用寿命长等优点；对于新能源开发具有重要的实际意义。

Description

一种利用建筑物内外环境温差的发电系统

技术领域

本发明属于热能利用和节能技术领域，特别涉及一种利用建筑物内外环境温差的发电系统。

背景技术

工业文明以来，人类极大地推动了科技文明的发展，创造了巨大的物质财富。但是，一系列全球资源短缺、环境问题不仅严重地制约社会经济的进步发展，而且对人类的继续生存构成了严重威胁。众所周知，自然界中存在的常规能源，包括石油、天然气和煤炭的数量是十分有限的。而且这些能源取用都己经对地球的生态环境造成了很大的破坏，引起了很多棘手的问题。比如目前运行的火力发电厂的废气排放，以及汽车尾气里的二氧化碳的持续排放等，引起了日趋严重的温室效应；工农业生产及交通运输的燃烧废弃物氧化硫、氧化氮等酸性气体转化为酸雨；发生严重事故时，核电站发生的核辐射、核泄漏也给人类带来了巨大的灾难，许多国家都在重新评价核电发展问题。

因此，解决环境和能源缺口问题己经成为21世纪人类面临的严重问题。中国处在持续发展的关键阶段，开发新能源和充分利用低品位能源、废能源具有重大意义。同时，通过节能可以节约大量燃料，对于降低我国在二氧化碳，二氧化硫和氮氧化物的排放都具有直接的影响。我国在各种工业过程中存在大量的热能浪费现象，因此发展各种环境友好的节能技术，是十分重要的。

在对低品位热源合理利用中，温差发电是一种新型的发电方式，具有清洁，无噪音污染，无有害物质排放，高效，寿命长，坚固耐用，可靠性高，简单稳定等一系列优点，符合绿色环保要求，对国民经济的可持续发展具有重要的战略意义。

温差发电技术的研究最早开始于20世纪40年代。借于其显著的优点，温差发电在航空、军事等领域得到广泛的应用，美国、前苏联先后研发了数千个放射性同位素或核反应堆温差发电器用作空间、海洋装置的电源。随着化石能源的日趋枯竭，美国、日本、欧盟等发达国家更加重视温差发电技术在民用领域的研究，并取得了一定的进展。1988年美国生产了一种燃烧式温差发电器，可使用多种军用燃油，一次装载后能实现连续发电；2003年黎巴嫩大学的学者利用该国的一种做饭用的火炉外壁的高温与环境的温差来发电。但直接利用利用建筑物内外环境温差设计的家用发电系统却并未涉及。

我国在半导体温差发电的研究方面具有一定的实力，许多研究人员都致力于如何利用低品位热源的研究，各自都取得了一些成果，如利用汽车尾气的固体吸附式空调器，又如利用太阳能的热水器-制冷空调复合机，但是利用热电效应直接把低品位的热能转换为电能的研究在国内却很少提及。国内在温差电的应用方面仍处于起步阶段，因此本发明利用温差直接发电有着非常现实的意义。

发明内容

本发明的目的提供了一种利用建筑物内外环境温差的发电系统，其特征在于，利用建筑物内外环境温差的发电系统是在建筑物外安装热管换热器7，在建筑物内安装半导体发电模块6，热传导器件8与半导体发电模块6的散热面固定在一起构成半导体温差电池；半导体温差电池的输出与升压稳压器9的输入连接、升压稳压器9的输出分别连接蓄电池10和家庭用电设备11。

所述半导体发电模块的结构是：在一对P型半导体和N型半导体两端焊接导电体铜3，使P型半导体和N型半导体串联构成单个N-P半导体电池4，由M个N-P半导体电池4串联组成半导体发电模块6，在半导体发电模块6两端的导电体铜3表面涂覆一层绝缘导热层硅脂2，冷端铝板1和热端铝板1-1分置于半导体发电模块6两端绝缘导热层硅脂2的最外层，用紧固螺栓5将冷端铝板1和热端铝板1-1压紧固定，构成半导体发电模块的冷端和热端，然后半导体发电模块的冷端和热端分别与热管换热器7和热传导器件8连接组成半导体温差电池。

所述热管换热器7和热传导器件8承担着热源与冷源的吸放热任务；夏秋季时，热管换热器7在室外接受太阳辐射和空气对流换热，并将热量迅速高效地传导至半导体发电模块的热端铝板上；热传导器件8在室内利用常温水或空气进行自然对流冷却，将半导体发电模块冷端的铝板温度降低在室内温度以下或保持在室内温度；半导体发电模块在温差的作用下，生成直流电；直流电被导入升压稳压电路模块后，输出稳定的高压电流，从而维持家庭用电器运行；春冬季时，室外为冷源，室内可利用地暖、炉子、暖气或火炕这些热源，使系统继续运行。

所述热管换热器和热传导器件均由热管或超导材料制造。

所述M个N-P半导体电池中M为100-1000的正整数。

本发明的有益效果是利用塞贝克效应，优化设计了半导体温差电池；利用建筑物内外环境温差的发电，产生直流电，并将直流电直接用于家庭电器；或先用蓄电池把电储存起来，再用于它用。本发明充分利用低品位热能，可节约常规燃料，保护环境。该装置简单易行，无需化学反应且无机械移动部分，具有清洁，无噪音污染，无有害物质排放，寿命长，坚固耐用，可靠性高，简单稳定，价格便宜等一系列特点。与目前常用方法相比，该系统可随季节互调吸、放热装置；实现低成本，相对高效率温差发电；易于推广，市场前景美好。

附图说明

图1为利用建筑物内外环境温差的发电系统示意图。

图2 为半导体温差发电基本原理示意图。

图3为一种半导体温差电池优化设计图。

具体实施方式

本发明提供一种利用建筑物内外环境温差的发电系统。下面结合附图予以说明。

图1是利用建筑物内外环境温差的发电系统图。系统由半导体发电模块6、热管换热器7、热传导器件8、升压稳压器9、蓄电池10以及家庭用电设备11构成。图中，在建筑物外安装热管换热器7，在建筑物内安装半导体发电模块6，热传导器件8与半导体发电模块6的散热面固定在一起构成半导体温差电池；半导体温差电池的输出与升压稳压器9的输入连接、升压稳压器9的输出分别连接蓄电池10和家庭用电设备11。

图3所示为一种半导体温差电池优化设计图。图中所示半导体发电模块的结构是：在一对P型半导体和N型半导体两端焊接导电体铜3，使P型半导体和N型半导体串联构成单个N-P半导体电池4，由M个N-P半导体电池4串联组成半导体发电模块6，在半导体发电模块6两端的导电体铜3表面涂覆一层绝缘导热层硅脂2，冷端铝板1和热端铝板1-1分置于半导体发电模块6两端绝缘导热层硅脂2的最外层，用紧固螺栓5将冷端铝板1和热端铝板1-1压紧固定，构成半导体发电模块的冷端和热端，然后半导体发电模块的冷端和热端分别与热管换热器7和热传导器件8连接组成半导体温差电池。

所述由热管或超导材料制造的热管换热器7和热传导器件8承担着热源与冷源的吸放热任务；夏秋季时，热管换热器7在室外接受太阳辐射和空气对流换热，并将热量迅速高效地传导至半导体发电模块的热端铝板上；热传导器件8在室内利用常温水或空气进行自然对流冷却，将半导体发电模块冷端的铝板温度降低在室内温度以下或保持在室内温度，半导体发电模块在温差的作用下，生成直流电（如图2所示的半导体温差发电基本原理），为提高直流电品质，被导入升压稳压器9，从而输出稳定高压电能；此时电能便可用于蓄电池10以及家庭用电设备11，如发光二极管，锂电池，电动车蓄电池，电脑，电风扇等等；春冬季时，室外为冷源，室内可利用地暖、炉子、暖气或火炕这些热源，使系统继续运行。

所涉及的半导体温差电池中半导体材料选为Bi₂Te₃，其塞贝克系数α=530μv/k，取500μv/k。我国北方夏天平均气温为38℃，室内温度保持在26℃，通过热管换热器7、热传导器件8高效传热，可使冷端铝板和热端铝板1温差达12℃。蓄电池10选择最常用的放电电压为12V蓄电池，其最佳充电电压为14.5V-15V，所以为了将输出电压维持在14.5V-15V，采用4.5 V低启动电压的升压稳压器件DC/DC 转换器LTM4605。经计算，温差电池中共需要750对半导体热电偶形成的热电堆，考虑补偿，在实际中应用800对。

所涉及的直流电产生的半导体发电模块6、热管换热器7和热传导器件8，是由800对半导体热电偶形成的热电堆。其制造方案如下：a.温差电材料Bi₂Te₃及其合金材料的切割方向，应使温差电偶的长度方向沿材料的生长方向，从而保证温差电偶处于优值最大的方向。b.本发明中温差电偶臂尺寸较小，采用线切割或电火花切割可在很大程度上减小材料的损伤和切割损耗。

所涉及的半导体温差电池6需要安全、可靠、稳定运行，本发明在制造温差电池时采用以下方案：a.从电偶结构的改善上考虑，以尽量消除热胀冷缩产生的机械应力，本发明的改善方法有：①在导电体片3的中间部分开一缺口或弯曲成弧形，从而使连接片具有一定的收缩性，从而减小作用在P-N电臂上的机械应力；②在P-N电臂上加一层过渡层，这种过渡层要求有足够的塑性和较低的电阻，通常用锡或锡合金。涂加过渡层之后再与导电体片3钎焊成整体。为了小增加电阻，要求过渡层厚度小超过0.3 mm；③金属化陶瓷片硬度大，极易造成P-N电臂折断。所以设计采用有一定柔性而又能起支撑作用的绝缘导热硅脂2。b.为了在一定程度上提高热电堆的接头导电和导热特性，在冷端铝板和热端铝板1、绝缘导热层硅脂2、导电体铜3、P型N型半导体4各接触面间应选择接触性能较好的过渡焊料。c.除了过渡焊料外，还需要适当的工艺—焊接前，最好对各焊接表面进行化学清洗(腐蚀法)，焊接时则需要选择适当的焊接温度和时间。

Claims

1.一种利用建筑物内外环境温差的发电系统，其特征在于，利用建筑物内外环境温差的发电系统是在建筑物外安装热管换热器（7），在建筑物内安装半导体温差发电模块（6），热传导器件（8）与半导体温差发电模块（6）的散热面固定在一起构成半导体温差电池；半导体温差电池的输出与升压稳压器（9）的输入连接、升压稳压器（9）的输出分别连接蓄电池（10）和家庭用电设备（11）。

2.根据权利要求1所述利用建筑物内外环境温差的发电系统，其特征在于，所述半导体温差发电模块的结构是：在一对P型半导体和N型半导体两端焊接导电体铜（3），使P型半导体和N型半导体串联构成单个N-P半导体电池（4），由M个N-P半导体电池（4）串联组成半导体温差发电模块（6），在半导体温差发电模块（6）两端的导电体铜（3）表面涂覆一层绝缘导热层硅脂（2），冷端铝板（1）和热端铝板（1-1）分置于半导体发电模块（6）两端绝缘导热层硅脂（2）的最外层，用紧固螺栓（5）将冷端铝板（1）和热端铝板（1-1）压紧固定，构成半导体温差发电模块的冷端和热端，然后半导体温差发电模块的冷端和热端分别与热管换热器（7）和热传导器件（8）连接组成半导体温差电池。

3.根据权利要求1所述利用建筑物内外环境温差的发电系统，其特征在于，所述热管换热器（7）和热传导器件（8）承担着热源与冷源的吸放热任务；夏秋季时，热管换热器（7）在室外接受太阳辐射和空气对流换热，并将热量迅速高效地传导至半导体温差发电模块的热端铝板上；热传导器件（8）在室内利用常温水或空气进行自然对流冷却，将半导体温差发电模块冷端的铝板温度降低在室内温度以下或保持在室内温度，半导体温差发电模块在冷热源的作用下，温差发电模块生成直流电，导入升压稳压电路模块后，输出稳定高压电能，维持发电系统运行；春冬季时，室外为冷源，室内可利用地暖、炉子、暖气或火炕这些热源，使系统继续运行。

4.根据权利要求1所述利用建筑物内外环境温差的发电系统，其特征在于，所述热管换热器和热传导器件均由热管或超导材料制造。

5.根据权利要求1所述利用建筑物内外环境温差的发电系统，其特征在于，所述M个N-P半导体热电偶中M为100-1000的正整数。