CN102751917A

CN102751917A - 一种基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统

Info

Publication number: CN102751917A
Application number: CN2012102707376A
Authority: CN
Inventors: 苟小龙; 欧强; 肖恒
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-08-01
Also published as: CN102751917B

Abstract

本发明公开一种基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统，包括太阳能聚光器、蓄热装置、温差发电组件和蓄电及控制设备；其中，蓄热装置的盘管两端分别与热端流道的液态金属进口和液态金属出口之间设有连通管路，使之形成回路；连通盘管与热端流道的液态金属进口的连通管路上设有温控阀；连通盘管与热端流道的液态金属出口的连通管路上设有电磁泵；所述温控阀和电磁泵通过信号与电能传输线与蓄电及控制设备相连；温差发电模块通过蓄电导线与蓄电及控制设备相连；蓄电及控制设备还设有向外输出电能的导线。本发明有效地解决了现有技术输出电能不稳定、温差热能利用效率不高等问题，使发电模块尽可能工作在最佳工况附近。

Description

一种基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统

技术领域

本发明涉及一种利用太阳能的半导体温差发电装置，尤其涉及一种基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统，属于新能源技术应用领域。

背景技术

1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属（或半导体）所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，这即是热电效应，也称作“塞贝克效应（Seebeck effect）”。他针对众多材料的比较研究后，为日后的温差电研究打下了基础。在1885年，瑞利（Rayleigh）研究了利用温差电现象发电的可能性，直至德国的阿特克希（Altenkirch）所提出的温差发电原理：较好的热电材料必须具有较大的Seebeck系数，从而保证明显的热电效应，同时具有较小的热导率，使热量能保持在接头附近，另外，还要求电阻较小，使产生的焦耳热量小。

作为利用该原理进行发电的半导体温差发电器，其具有热源、半导体热电器件、绝缘保温层、散热部件与强度部件几个部分。利用太阳能作为热源主要是用反射式镜面收集太阳辐射，并经过凹面镜聚集到与温差电器件紧贴的集热器上成为热端与冷端形成温度差来进行发电。半导体热电器件是基于半导体热电材料的塞贝克效应（Seebeck effect），可以将热能直接转换为电能的功能器件。其中，热源和半导体热电器件是组成发电器的主要部件。热源在工业和民用领域，主要选用工业余热、汽车废热、生活余热、海洋热能、太阳能和地热能等低品位温差热能。

但是，半导体温差发电技术在节能减排领域的废（余）热低品位温差热能利用方面，由于其系统性能受工况波动影响较大，温差发电装置转换出的电能往往不能直接供给负载使用，而且发电模块常常工作在低效率工况下，温差热能不能高效地利用，当热源温度过低时，其输出电能甚至不能被蓄积。例如CN200910097076.X公开的“一种太阳能温差发电装置”,由太阳能集热器、温差电池、冷却管路和散热系统组成,其中,冷却管路和贴于其表面的温差电池置于太阳能集热器的内部,散热系统和冷却管路相连。同时,温差电池的冷端与冷却管路的外表面接触,温差电池的热端与太阳能集热器的内表面接触。又如CN 201010271173.9公开的“一种太阳能温差发电装置”,其包括太阳能集热器和温差发电模块,所述太阳能集热器通过升温装置与温差发电模块连接,升温装置与太阳能集热器、温差发电模块之间通过导管连接。均存在发电模块常常工作在低效率工况下，温差热能不能高效地利用，当热源温度过低时，其输出电能甚至不能被蓄积的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是克服现有温差热能利用效率不高，以及当热源温度过低时，其输出电能不能被蓄积的缺点，提供一种输出电能稳定、温差热能利用效率高的基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统。

实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统，其特征在于，包括：

太阳能聚光器，为聚焦式结构，用于收集太阳能并向蓄热装置传递热能；

蓄热装置，主要由灌注液态金属的盘管以及设于盘管外的蓄热材料构成，用于收集热能；

温差发电组件，主要由热端流道、温差发电模块和散热器构成；所述热端流道为矩形槽道结构，其外壁为温差发电模块；温差发电模块的外部设散热器；热端流道的上下两端分别设有液态金属进口和液态金属出口；温差发电组件用于将热能转换为电能；

蓄电及控制设备，主要由蓄电装置及启停控制装置组成；蓄电装置用于储存温差发电组件发出的电能，启停控制装置控制温控阀和电磁泵的接通和断开；

其中，蓄热装置的盘管两端分别与热端流道的液态金属进口和液态金属出口之间设有连通管路，使之形成回路；连通盘管与热端流道的液态金属进口的连通管路上设有温控阀；连通盘管与热端流道的液态金属出口的连通管路上设有电磁泵；所述温控阀和电磁泵通过信号与电能传输线与蓄电及控制设备的相连；温差发电组件通过蓄电导线与蓄电及控制设备相连；蓄电及控制设备还设有向外部设备供电的输出导线。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明将液态金属用于温差发电，由于液态金属的沸点一般很高，工作范围广，所以能够适应太阳能聚集产生的高温，为温差发电模块提供热能；通过控制其循环流动来控制温差发电器的工作状态，通过温控阀和电磁泵的开关来控制太阳能蓄热热源向发电模块热端传递热流的通断，从而使发电模块尽可能工作在最佳工况，以提高系统的能量转换效率，并使输出电能较为稳定；

（2）由于本发明在整个运行过程中，蓄热材料都在不停地吸收太阳能，所以，即使在液态金属循环回路断开，温差发电模块未发电时，也不会造成热能的浪费。整个装置长期运行后的时间平均能量利用效率将显著高于没有液态金属热开关的同类设备。本发明装置特殊的设计也将提高同类系统适应工况波动的能力。

（3）利用电磁泵驱动的液态金属为温差发电模块提供热能，具有传热能力强，驱动功率小的特点；通过蓄电及控制设备来对温控阀和电磁泵的工作状态进行控制，使温差发电模块只在一个预设的温度范围之内发电，保证了电能输出的稳定性，并且可以实现相对较高的系统能量利用效率。

（4）温差发电组件通过蓄电导线与蓄电及控制设备相连，保证温差发电组件发出的电能可以蓄积。

附图说明

图1为一种基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统的结构示意图；

图2为一种基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统中温差发电组件结构示意图。

1－太阳能聚光器支架，2－太阳能聚光器，3－阳光能量，4－蓄热装置支架，5－蓄热装置，6－液态金属，7－蓄热材料，8－盘管，9－温控阀，10－电磁泵、11－温差发电组件，12－发电部分支架，13－信号与电能传输线，14－蓄电导线，15－输出导线，16－蓄电及控制设备，17－液态金属进口，18－温差发电模块，19－散热器，20－液态金属出口，21－热端流道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

参见图1～2，一种基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统，包括：

太阳能聚光器2，为聚焦式结构，用于收集太阳能并向蓄热装置5传递热能；

蓄热装置5，主要由灌注液态金属6的盘管8以及设于盘管外的蓄热材料7构成，用于收集热能；

温差发电组件11，主要由热端流道21、温差发电模块18和散热器19构成；所述热端流道21为矩形槽道结构，其外壁为温差发电模块18；温差发电模块18的外部设散热器19；热端流道21的上下两端分别设有液态金属进口17和液态金属出口20；温差发电组件11用于将热能转换为电能；

蓄电及控制设备16，由蓄电装置及启停控制装置构成；用于储存温差发电组件11发出的电能，并由启停控制装置控制温控阀9和电磁泵10的接通和断开；

其中，蓄热装置5的盘管8两端分别与热端流道21的液态金属进口17和液态金属出口20之间设有连通管路，使之形成回路；连通盘管8与热端流道21的液态金属进口17的连通管路上设有温控阀9；连通盘管8与热端流道21的液态金属出口20的连通管路上设有电磁泵10；所述温控阀9和电磁泵10通过信号与电能传输线13与蓄电及控制设备16相连；温差发电组件11通过蓄电导线14与蓄电及控制设备16相连；蓄电及控制设备16还设有向外部设备供电的输出导线15。

所述蓄热材料可选择的有AlCl₃、Na₂O₂或者LiH等；液态金属技术相对较为成熟，液态金属具有传热的高效性、沸点高、工作范围广、单相流体换热，液态金属可选择的有钠、钾或锂等；

所述蓄热装置通过安装于太阳能聚光装置上的蓄热装置支架4设于太阳能聚光装置之上，太阳能聚光装置含太阳能聚光器支架1、支设于太阳能聚光器支架的太阳能聚光器2。温差发电组件11通过支架12安装于蓄热装置的一侧。

本发明的工作原理在于：首先，阳光3通过太阳能聚光器2聚集起来，不断地向蓄热装置5里面的蓄热材料7传递热能。同时，蓄热材料7也向包裹在其内的盘管8内的液态金属6传热，使其升温；当液态金属6的温度升高到预设的“开启”温度之后，蓄电及控制设备16的启停控制装置即控制温控阀9打开和电磁泵10开始工作。这样，液态金属6就可以通过温差发电组件11的液态金属进口17进入热端流道21中。液态金属6在热端流道21中向温差发电模块18的热端传热后，再由液态金属出口20流出，从而构成了液态金属的循环回路。由于液态金属6不断地向温差发电模块18传热，将导致液态金属6的温度逐渐降低，当其降低到预设的“关闭”温度之后，蓄电及控制设备16的启停控制装置即控制温控阀9关闭和电磁泵10停止工作，从而实现液态金属循环回路的断开。温差发电模块18获得了液态金属6传来的热量之后，迅速在其两端产生温差，并将一部分热能转换为电能，由蓄电及控制设备16的蓄电池蓄积起来。散热器19则将另一部分热能传递到周围环境，从而保证温差发电模块18两端有足够的温差。

温控阀9和电磁泵10的控制都是通过信号与电能传输线13由蓄电及控制设备16的启停控制装置实现的。温控阀9由电磁阀和温度传感器组成，温度传感器采集的温度信号通过信号与电能传输线13实时地传递给蓄电及控制设备16的启停控制装置。当温度传感器采集到液态金属6的温度达到预设的“开启”温度时，由蓄电及控制设备16的启停控制装置控制电磁阀打开，同时控制电磁泵10开始工作，为温差发电模块18提供热能以发电。同理，当温度传感器采集到液态金属6的温度低于预设的“关闭”温度时，由蓄电及控制设备16的启停控制装置控制电磁阀关闭，同时控制电磁泵10停止工作，停止向温差发电模块18热端传热。如此反复，实现液态金属循环回路的通与断，从而实现液态金属热开关的效果。在整个过程中，蓄热材料都在不断地吸收并储存太阳能。

温差发电模块18发出的电能通过蓄电导线14传输给蓄电及控制设备16的蓄电装置。这些电能一部分被蓄电装置（蓄电池）蓄积起来，另一部分则为温控阀9和电磁泵10提供电量。同时，蓄电及控制设备16的蓄电装置还可以通过输出导线15为外部用电设备提供稳定的电能。

太阳能作为一种低品位能源，其能流密度常常是变化的，将其作为温差发电模块的热源时，必然会造成输出电能的波动，不利于电能的蓄积和利用。同时，其能量利用率也非常低下。当热源温度过低时，其输出电能甚至不能被蓄积，如果这时候将热能蓄积起来，就可以避免热能的浪费。本发明利用电磁泵驱动的液态金属为温差发电模块提供热能，具有传热能力强，驱动功率小的特点。由于液态金属的沸点一般很高，工作范围广，所以能够适应太阳能聚集产生的高温，为温差发电模块提供热能。通过蓄电及控制设备16的启停控制装置来对温控阀9和电磁泵10的工作状态进行控制，使温差发电模块18只在一个预设的温度范围之内发电，保证了电能输出的稳定性，并且可以实现相对较高的系统能量利用效率。

当液态金属6的温度升高到预设的“开启”温度时液态金属循环回路连通，温差发电模块18开始发电，并将输出电能传输到蓄电及控制设备16的蓄电装置中。当液态金属6的温度下降到预设的“关闭”温度时液态金属循环回路断开，温差发电模块18停止发电。但是，不管液态金属循环回路连通与否，蓄热装置5中的蓄热材料7都在不间断地吸收太阳能，以备液态金属6的升温，并实现循环回路的再次连通和温差发电模块18的热电转换，使液态金属热开关能够正常运行。预设的“开启”和“关闭”温度可根据温差发电模块的自身性能进行设定，以适应不同温差发电模块的要求，使其工作在最佳工况附近。

由于本发明在整个运行过程中，蓄热材料都在不停地吸收太阳能，所以，即使在液态金属循环回路断开，温差发电模块未发电时，也不会造成热能的浪费。整个装置长期运行后的时间平均能量利用效率将显著高于没有液态金属热开关的同类设备。本发明装置特殊的设计也将提高同类系统适应工况波动的能力。

为了简明，本说明书省略了对公知技术的描述。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统，其特征在于，包括：

太阳能聚光器（2），为聚焦式结构，用于收集太阳能并向蓄热装置（5）传递热能；

蓄热装置（5），主要由灌注液态金属（6）的盘管（8）以及设于盘管外的蓄热材料（7）构成，用于收集热能；

温差发电组件（11），主要由热端流道（21）、温差发电模块（18）和散热器（19）构成；所述热端流道（21）为矩形槽道结构，其外壁为温差发电模块（18）；温差发电模块（18）的外部设散热器（19）；热端流道（21）的上下两端分别设有液态金属进口（17）和液态金属出口（20）；温差发电组件（11）用于将热能转换为电能；

蓄电及控制设备（16），主要由蓄电装置及启停控制装置组成；蓄电装置用于储存温差发电组件（11）发出的电能，启停控制装置控制温控阀（9）和电磁泵（10）的接通和断开；

其中，蓄热装置（5）的盘管（8）两端分别与热端流道（21）的液态金属进口（17）和液态金属出口（20）之间设有连通管路，使之形成回路；连通盘管（8）与热端流道（21）的液态金属进口（17）的连通管路上设有温控阀（9）；连通盘管（8）与热端流道（21）的液态金属出口（20）的连通管路上设有电磁泵（10）；所述温控阀（9）和电磁泵（10）通过信号与电能传输线（13）与蓄电及控制设备（16）相连；温差发电组件（11）通过蓄电导线（14）与蓄电及控制设备（16）相连；蓄电及控制设备（16）还设有向外部设备供电的输出导线（15）。

2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统，其特征在于，所述液态金属采用钠、钾或锂等。

3.根据权利要求1所述的一种基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统，其特征在于，所述蓄热材料采用AlCl₃、Na₂O₂或者LiH等。

4.根据权利要求1所述的一种基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统，其特征在于，所述蓄热装置通过支架安装于太阳能聚光装置的聚光处。

5.根据权利要求1所述的一种基于液态金属热开关的太阳能温差发电系统，其特征在于，所述温控阀（9）由电磁阀和温度传感器组成，温度传感器采集的温度信号通过信号与电能传输线（13）实时地传递给蓄电及控制设备（16）的启停控制装置；当温度传感器采集到液态金属（6）的温度达到预设的“开启”温度时，由启停控制装置控制电磁阀打开，同时控制电磁泵（10）开始工作，为温差发电模块（18）提供热能以发电。