CN103078558B - 基于夹心平板阵列型的温差发电器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于夹心平板阵列型的温差发电器。包括4块相同的温差发电模块、冷却板、4块保护板、并联电路、外箱左侧板、外箱右侧板、外箱上侧板、外箱下侧板、冷却水管、气罩和通气管；该箱体由外箱左侧板、外箱右侧板、外箱上侧板和外箱下侧板组合而成，箱体的两端面分别连接气罩和通气管；4块温差发电模块分别过保护板的两端嵌入外箱左、右侧板之间的槽中；用并联电路连接构成输出电路；冷却水管通过前后气罩两侧通水孔与外箱左、右侧板相应的冷却通道相连；前后气罩的同一侧接冷却水管进水，另一侧接冷却水管出水。本发明能适应不同孔径大小的尾气管，具有良好的热量收集和冷却能力，能够有效地对汽车尾气中包含的能量进行收集。

Description

基于夹心平板阵列型的温差发电器

技术领域

本发明涉及一种温差发电器，尤其涉及一种基于夹心平板阵列型的温差发电器。

背景技术

全球目前约有9亿辆汽车，其中绝大部分是普通的燃油内燃机汽车，而燃油在发动机中燃烧产生的热量并未全部转化为动能，除去冷却水带走的热量和摩擦等损失外，还有大部分的能量以尾气余热的形式排放到大气中去，对于汽车发动机一般汽车尾气余热占40%～45%。考虑到尾气中酸性氧化物的露点腐蚀问题，则排放温度不得低于180℃，因此，所排出的还可利用的废气热量约为燃烧总量的16%。若能将此余热回收利用，对于提高汽车燃油经济性，减少温室气体的排放是很有帮助的。

采用温差发电技术可以有效解决上述问题。温差发电技术是利用半导体材料的塞贝克效应，将热能转换为电能的技术。通过在热端和冷端之间布置热电偶，使N型和P型热电臂构成一个串联电路，该电路两端即会产生开路电压。将热电偶进行一定形式的串联和并联，就可以得到较高的开路电压，用于汽车蓄电池的充电或直接利用。

中国发明专利CN201010282948.2公布了一种圆筒式温差发电器。包括八边形排气管、套筒、温差发电器组件、冷却水套；八边形排气管主体部分的每个侧面上布置有温差发电组件和绝热层；每个侧面上的温差发电片采用串联连接，不同的侧面之间采用并联连接。该发明的缺点是：（1）该专利中温差发电片在同一侧面上采用了串联连接，由于在沿着尾气通道的方向上温度场是非均匀的，即后面部分的温差发电片产生的电压小于前面部分的电压，这样的电路在热电转换效率上会大大降低；（2）由于所有的温差发电片都是布置于温差发电器外侧，这将导致尾气的热量利用率降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于夹心平板阵列型的温差发电器，是通过温差热电偶的合理阵列型布置和多温差发电模块的平行排列夹心设计，来达到对汽车尾气能量的有效利用，其具有结构紧凑、发电功率稳定和适应多管径的尾气管的特点。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括4块结构相同的温差发电模块、冷却板、4块保护板、并联电路、外箱左侧板、外箱右侧板、外箱上侧板、外箱下侧板、冷却水管、两个气罩和两根通气管；该箱体由外箱左侧板、外箱右侧板、外箱上侧板和外箱下侧板组合而成，箱体的两端面分别连接气罩，两气罩外分别连接通气管；第1块温差发电模块贴在外箱上侧板和第1块保护板之间；第2块温差发电模块贴在第2块保护板和冷却板之间；第3块温差发电模块贴在冷却板和第3块保护板之间；第4块温差发电模块贴在第4块保护板和外箱下侧板之间；第1-4块保护板的两端从上到下分别嵌入外箱左侧板和外箱右侧板之间的槽中；左右两条并联电路连接导线将4块温差发电模块的接头连在一起，构成输出电路的两端；在第1块温差发电模块上面贴外箱上侧板，在第4块温差发电模块下面贴外箱下侧板，并在左右两条并联电路连接导线两侧贴装外箱左侧板和外箱右侧板形成温差发电器的主体；冷却水管通过前后气罩两侧通水孔与外箱左侧板，外箱右侧板相应的通水孔相连，外箱左侧板，外箱右侧板内部具有冷却通道，该通道分别和外箱上侧板、外箱下侧板、冷却板的冷却通道相连；前后气罩的同一侧接冷却水管进水，前后气罩的另一侧接冷却水管出水。

所述4块结构相同的温差发电模块，均包括两块隔热板，个数相等的N型热电臂、P型热电臂和铜导片；1个N型热电臂和1个P型热电臂，通过铜导片连接起来，构成1对温差热电偶，6对温差热电偶通过串联方式用铜导片连接形成一个温差发电单元，每个温差发电单元都有一对接头，6个温差发电单元在横向上并排放置构成1个温差发电模块主体，温差热电偶嵌入隔热板槽中固定，成为1个完整的温差发电模块。

所述温差热电臂的材料为碲化铅，碲化铅是一种适用于500℃-600℃的温差热电材料；在碲化铅中掺杂I^-离子形成N型热电臂，掺杂Na⁺离子形成P型热电臂。所述保护板的材料为氮化硼。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1）本发明的温差热电偶在构成温差发电模块时采用阵列式，即沿着热气流通道的方向，在横向串联，在纵向并联。串联部分每个温差热电偶都处于相近的温度区间，可以使温差热电偶的内阻接近，产生的电压也接近。温差发电单元在纵向并联，既可以防止单个热电偶对流经电流的最大值的限制，又可以增大流经负载的电流。

2）本发明的温差发电模块在温差发电器内部采用平行排列布置，在本发明中，第二块温差发电模块和第三块温差发电模块的中间是一块冷却板，三者共同形成一块夹心。利用夹心平板布置可以增加与热源接触的有效面积，提高对尾气热量的利用率。

   3）本发明的通气管，可以做成多种管径形式，如周长38mm形式（1.0排量）、45mm形式（1.4排量）或51mm形式（2.0排量）。通气管与气罩通过法兰盘连接，可以适应不同直径的尾气管。

附图说明

图1是本发明的总装配结构斜视示意图。

图2是本发明的去掉外箱右侧板的斜视示意图。

图3是本发明的装配结构侧面示意图。

图4是本发明的热电偶装配结构示意图。

图5 是本发明的温差发电模块装配结构斜视示意图。

图6 是本发明的温差发电模块装配结构右视示意图。

图7是本发明的外箱上侧板结构示意图。

图8是本发明的外箱左侧板结构示意图。

图9是本发明的外箱气罩结构示意图。

图10是本发明的通气管结构斜视示意图。

图中：1.通气管，2.气罩，3.外箱左侧板，4.外箱右侧板，5.冷却水管，6.外箱上侧板，7.外箱下侧板，8.温差发电模块，9.冷却板，10.保护板，11.并联电路连接导线，12.温差热电偶，13.铜导片，14.隔热板，15.导线槽，16.法兰盘，17.温差发电单元，18.N型热电臂，19.P型热电臂，20.外箱左侧板凹槽，21.外箱上侧板冷却通道，22.外箱左侧板冷却通道，23.外箱左侧板端面进出水孔，24.外箱上侧板螺纹孔，25外箱左侧板螺纹孔，26气罩螺纹孔

具体实施方式

下面结合附图和实施过程对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，本发明包括4块结构相同的温差发电模块8、冷却板9、4块保护板10、并联电路11、外箱左侧板3、外箱右侧板4、外箱上侧板6、外箱下侧板7、冷却水管5、两个气罩2和两根通气管1；

如图2、图3、图6所示，该箱体由外箱左侧板3、外箱右侧板4、外箱上侧板6和外箱下侧板7组合而成，箱体的两端面分别连接气罩2，两气罩外分别连接通气管1；第1块温差发电模块贴在外箱上侧板6和第1块保护板10之间；第2块温差发电模块贴在第2块保护板10和冷却板9之间；第3块温差发电模块贴在冷却板9和第3块保护板10之间；第4块温差发电模块贴在第4块保护板和外箱下侧板7之间；第1-4块保护板的两端从上到下分别嵌入外箱左侧板3和外箱右侧板4之间的槽中；保护板10是氮化硼材料制成，具有高导热性和良好的绝缘性，主要是为了避免热电材料被尾气所腐蚀。同时由于保护板10是嵌入外箱左侧板凹槽20和外箱右侧板凹槽中，可以起到固定温差发电模块8的作用。左右两条并联电路连接导线11将4块温差发电模块8的接头连在一起，构成输出电路的两端；在第1块温差发电模块上面贴外箱上侧板6，在第4块温差发电模块下面贴外箱下侧板，并在左右两条并联电路连接导线11两侧贴装外箱左侧板3和外箱右侧板4形成温差发电器的主体。外箱的左侧板3、外箱的右侧板4中有为并联电路连接导线11通道设计的导线槽15，适合并联电路连接导线11的布置。温差发电器内共有两条热气流通道，为四个温差发电模块提供热量。

如图1、图2、图9所示，外箱的上侧板6、外箱下侧板7和、外箱左侧板3、外箱右侧板4通过螺钉和前后气罩2相连，外箱上侧板螺纹孔24、外箱左侧板螺纹孔25和气罩螺纹孔26的孔径一致。前后气罩2通过法兰盘16与前后通气管1相连，法兰盘16之间加石棉垫，在连接紧密的同时防止热量的泄露，构成具有通气功能的温差发电器。通气管1的直径可变，以适应不同口径的汽车尾气管。

如图1、图7、图8、图9所示，冷却水管5通过前后气罩2两侧通水孔与外箱左侧板3、外箱右侧板4相应的通水孔相连，外箱左侧板3、外箱右侧板4内部具有冷却通道，该通道分别和外箱上侧板6、外箱下侧板7、冷却板9的冷却通道相连。前后气罩的同一侧接冷却水管进水，前后气罩的另一侧接冷却水管出水的方式对温差发电模块的其中一个面进行冷却。外箱左侧板端面进出水孔23以及外箱上侧板冷却通道21、外箱左侧板冷却通道22、冷却板9的孔径是一致的。外箱左侧板3和外箱右侧板4结构相同；外箱上侧板6和外箱下侧板7结构相同。

如图4、图5、图6所示，所述4块结构相同的温差发电模块8，均包括两块隔热板14，个数相等的N型热电臂18、P型热电臂19和铜导片13；1个N型热电臂18和1个P型热电臂19，通过铜导片13连接起来，构成1对温差热电偶12，6对温差热电偶12通过串联方式用铜导片13连接形成一个温差发电单元17，每个温差发电单元17都有一对接头，6个温差发电单元17在横向上并排放置构成1个温差发电模块8主体，温差热电偶12嵌入隔热板14槽中固定，成为1个完整的温差发电模块8。该温差发电模块8具有在一定的温差条件下形成开路电压的能力。隔热板14的材料可以是玻璃棉、绝缘绝热塑料。

如图1、图10所示，其中前端的通气管1为进气管，尾端的通气管1为出气管，其气体类型可为汽车尾气或其他高温废气。

如图4所示，所述N型热电臂18、P型热电臂19的材料为碲化铅（PbTe），碲化铅是一种适用于500℃-600℃的温差热电材料；在碲化铅中掺杂I^-离子形成N型热电臂，掺杂Na⁺离子形成P型热电臂。

如图6所示，温差发电模块8表面都覆盖了一块保护板10。该保护板10的材料为氮化硼BN，具有良好的导热性和绝缘性，既能将尾气中的能量有效地传导至热电偶表面，又能保证不同回路的热电偶之间不会有短路发生。

本发明的工作过程是：

该夹心平板阵列型温差发电器通过通气管与汽车尾气管连接，尾气通过气罩后进入上下两个通道。尾气中的热量通过保护板与温差发电模块的一个面作用，温差发电模块的另一个侧面和冷却板或同样具有冷却能力的外箱上下侧板接触，由此在温差发电模块两端形成温差，由温差发电模块产生电压。温差发电模块产生的电压经过并联输出，通过引线接出于外箱气罩前侧，可用作照明、给蓄电池充电等。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于夹心平板阵列型的温差发电器，其特征在于：包括4块结构相同的温差发电模块（8）、冷却板（9）、4块保护板（10）、左右两条并联电路连接导线（11）、外箱左侧板（3）、外箱右侧板（4）、外箱上侧板（6）、外箱下侧板（7）、冷却水管（5）、两个气罩（2）和两根通气管（1）；箱体由外箱左侧板（3）、外箱右侧板（4）、外箱上侧板（6）和外箱下侧板（7）组合而成，箱体的两端面分别连接气罩（2），两气罩外分别连接通气管（1）；第1块温差发电模块贴在外箱上侧板和第1块保护板之间；第2块温差发电模块贴在第2块保护板和冷却板之间；第3块温差发电模块贴在冷却板和第3块保护板之间；第4块温差发电模块贴在第4块保护板和外箱下侧板（7）之间；第1-4块保护板的两端从上到下分别嵌入外箱左侧板（3）和外箱右侧板（4）之间的槽中；左右两条并联电路连接导线（11）将4块温差发电模块（8）的接头连在一起，构成输出电路的两端；在第1块温差发电模块上面贴外箱上侧板（6），在第4块温差发电模块下面贴外箱下侧板，并在左右两条并联电路连接导线（11）两侧贴装外箱左侧板和外箱右侧板形成温差发电器的主体；冷却水管（5）通过前后气罩两侧通水孔与外箱左侧板（3），外箱右侧板（4）相应的通水孔相连，外箱左侧板（3），外箱右侧板（4）内部具有冷却通道，该通道分别和外箱上侧板（6）、外箱下侧板（7）、冷却板的冷却通道相连；前后气罩的同一侧接冷却水管进水，前后气罩的另一侧接冷却水管出水；

所述4块结构相同的温差发电模块（8），均包括两块隔热板（14），个数相等的N型热电臂（18）、P型热电臂（19）和铜导片（13）；1个N型热电臂（18）和1个P型热电臂（19），通过铜导片（13）连接起来，构成1对温差热电偶（12），6对温差热电偶（12）通过串联方式用铜导片连接形成一个温差发电单元（17），每个温差发电单元都有一对接头，6个温差发电单元在横向上并排放置构成1个温差发电模块（8）主体，温差热电偶（12）嵌入隔热板（14）槽中固定，成为1个完整的温差发电模块（8）。

2.根据权利要求1所述的一种基于夹心平板阵列型的温差发电器，其特征在于：所述热电臂的材料为碲化铅，碲化铅是一种适用于500℃-600℃的温差热电材料；在碲化铅中掺杂I^-离子形成N型热电臂，掺杂Na⁺离子形成P型热电臂。

3.根据权利要求1所述的一种基于夹心平板阵列型的温差发电器，其特征在于：所述保护板的材料为氮化硼。