CN103227589B - 通过热交换的温差发电方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过热交换的温差发电方法，高、低温端的工作物质为流体，两个流体之间相互热交换：在高温端放置温差电池接头，在低温端放置温差电池接头；高温与低温端之间热交换，高温从高温端流向低温端；低温从低温端流向高温端，高低温流体相而对流。一种通过热交换的温差发电方法的装置，装置包括：铁体、铜体、第1温差接头、热流进口、冷热流出口、冷流进口、冷流热端出口、第1通道、第2通道；一种通过热交换的温差发电方法的装置，装置包括：第3通道、第4通道、N型半导体、绝缘支撑体、P型半导体、第2温差接头、第1出口、第1进口、第2进口、第2出口；该发明是一种全新的温差发电方式，在温差电池中引入热交换器，同时回收在低温端放出的热能；高温物质可以被冷却，同时低温物质可以被加热，实现了热交换器的功能的同时还可以发电。

Description

通过热交换的温差发电方法及装置

技术领域

本发明涉及一种温差电池发电方法及装置，尤其是一种通过热交换的温差发电方法及装置。

背景技术

1821年，赛贝克发现，把两种不同的金属导体接成闭合电路时，如果把它的两个接点分别置于温度不同的两个环境中，则电路中就会有电流产生。这一现象称为塞贝克效应，这样的电路叫做温差电偶，这种情况下产生电流的电动势叫做温差电动势。例如，铁与铜的冷接头为1℃，热接头处为100℃，则有5.2mV的温差电动势产生。目前市场上的温差电池是单纯的利用温差来发电的，也就是通过温差电池连接高温和低温两端。于物质可以的传导热，由高温向低温传导的热能就白白浪费了来自高温的热能。

在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热 电流。

塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于金属的电子溢出功和有效 电子密度这两个基本因素。

半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。

原理

产生Seebeck效应的机理，对于半导体和金属是不相同的。

(1)半导体的Seebeck效应

产生Seebeck效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷(热端有负电荷，冷端有正电荷)，同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。自然，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端(Seebeck系数为正)，相反，n型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端(Seebeck系数为负)，因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。

可见，在有温度差的半导体中，即存在电场，因此这时半导体的能带是倾斜的，并且其中的Fermi能级也是倾斜的；两端Fermi能级的差就等于温差电动势。

实际上，影响Seebeck效应的因素还有两个：

第一个因素是载流子的能量和速度。因为热端和冷端的载流子能量不同，这实际上就反映了半导体Fermi能级在两端存在差异，因此这种作用也会对温差电动势造成影响——增强Seebeck效应。

第二个因素是声子。因为热端的声子数多于冷端，则声子也将要从高温端向低温端扩散，并在扩散过程中可与载流子碰撞、把能量传递给载流子，从而加速了载流子的运动——声子牵引，这种作用会增加载流子在冷端的积累、增强Seebeck效应。

半导体的Seebeck效应较显著。一般，半导体的Seebeck系数为数百mV/K，这要比金属的高得多。

(2)金属的Seebeck效应

因为金属的载流子浓度和Fermi能级的位置基本上都不随温度而变化，所以金属的Seebeck效应必然很小，一般Seebeck系数为0～10mV/K。.

虽然金属的Seebeck效应很小，但是在一定条件下还是可观的；实际上，利用金属Seebeck效应来检测高温的金属热电偶就是一种常用的元件。

产生金属Seebeck效应的机理较为复杂，可从两个方面来分析：

①电子从热端向冷端的扩散。然而这里的扩散不是浓度梯度(因为金属中的电子浓度与温度无关)所引起的，而是热端的电子具有更高的能量和速度所造成的。显然，如果这种作用是主要的，则这样产生的Seebeck效应的系数应该为负。

②电子自由程的影响。因为金属中虽然存在许多自由电子，但对导电有贡献的却主要是Fermi能级附近2kT范围内的所谓传导电子。而这些电子的平均自由程与遭受散射(声子散射、杂质和缺陷散射)的状况和能态密度随能量的变化情况有关。

如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而增大的话，那么热端的电子将由于一方面具有较大的能量，另一方面又具有较大的平均自由程，则热端电子向冷端的输运则是主要的过程，从而将产生Seebeck系数为负的Seebeck效应；金属Al、Mg、Pd、Pt等即如此。

相反，如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而减小的话，那么热端的电子虽然具有较大的能量，但是它们的平均自由程却很小，因此电子的输运将主要是从冷端向热端的输运，从而将产生Seebeck系数为正的Seebeck效应；金属Cu、Au、Li等即如此。

塞贝克效应电势差的计算公式

$V={\∫}_{T_1}^{T_2}(S_B\left(T\right)\·-S_A\left(T\right))\mathrm{dT}$

计算公式

SA与SB分别为两种材料的塞贝克系数。如果SA与SB不随温度的变化而变化，上式即可表示成如下形式：

V＝(SB-SA)(T2-T1)

塞贝克后来还对一些金属材料做出了测量，并对35种金属排成一个序列(即Bi-Ni-Co-Pd-U-Cu-Mn-Ti-Hg-Pb-Sn-Cr-Mo-Rb-Ir-Au-Ag-Zn-W-Cd-Fe-As-Sb-Te-......)，并指出，当序列中的任意两种金属构成闭合回路时，电流将从排序较前的金属经热接头流向排序较后的金属。

应用

塞贝克效应发现之后，人们就为它找到了应用场所。利用塞贝克效应，可制成温差电偶(thermocoupie，即热电偶)来测量温度。只要选用适当的金属作热电偶材料，就可轻易测量到从-180℃到+2000℃的温度，如此宽泛的测量范围，令酒精或水银温度计望尘莫及。现在，通过采用铂和铂合金制作的热电偶温度计，甚至可以测量高达+2800℃的温度！

热电偶的两种不同金属线焊接在一起后形成两个结点，环路电压VOUT为热结点结电

压与冷结点(参考结点)结电压之差。因为VH和VC是由两个结的温度差产生的，也就是说VOUT是温差的函数。比例因数α对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。

测量仪器

国内热点材料测量起步较晚，但发展较快，目前seebeck系数测量系统主要以自制和进口仪器为主。主要国际厂商为日本ULBAC-RIKO与德国linseis，日本ULBAC-RIKO进入中国市场较早，早期用户采用日本产品较多，但其并没有在中国设立售后服务。后期德国linseis进入中国市场，逐渐占据seebeck系数测量仪主导地位，并获得用户认可，随后在中国北京及上海设立了linseis技术服务中心。另各研究机构也有一些自行搭建的赛贝克系数测量系统，可惜未能规模商业化，北京科技大学也与国内企业合作搭建了seebeck系数测量系统。

热电现象三种紧密相连的效应

温差电效应是由于不同种类固体的相互接触而发生的热电现象。它主要有三种效应：塞贝克(Seebeck)效应、佩尔捷(Peltier)效应与汤姆孙(Thomson)效应。

(1)塞贝克效应若将导体(或半导体)A和B的两端相互紧密接触组成环路，若在两联接处保持不同温度T1与T2，则在环路中将由于温度差而产生温差电动势。在环路中流过的电流称为温差电流，这种由两种物理性质均匀的导体(或半导体)组成的上述装置称为温差电偶(或热电偶)，这是法国科学家塞贝克1821年发现的。后来发现，温差电动势还有如下两个基本性质：①中间温度规律，即温差电动势仅与两结点温度有关，与两结点之间导线的温度无关。②中间金属规律，即由A、B导体接触形成的温差电动势与两结点间是否接入第三种金属C无关。只要两结点温度T1、T2相等，则两结点间的温差电动势也相等。正是由于①、②这两点性质，温差电现象如今才会被广泛应用。

(2)佩尔捷效应1834年佩尔捷发现，电流通过不同金属的结点时，在结点处有吸放热量QP的现象。吸热还是放热由电流方向确定，Qp称为佩尔捷热。其产生的速率与所通过的电流强度成正比，即

其中Π12称佩尔捷系数，其大小等于在结点上每通过单位电流时所吸放的热量。电流通过两种不同金属构成的结点时会吸放热的原因是在结点处集结了一个佩尔捷电动热，佩尔捷热正是这电动势对电流做正功或负功时所吸放的热量。考虑到不同的金属具有不同的电子浓度和费米能EF，两金属接触后在结点处要引起不等量的电子扩散，致使在结点处两金属间建立了电场，因而建立了电势差(当然，上述解释仅考虑了产生温差电现象的某一方面因素，实际情况要复杂得多)。由此可见，佩尔捷电动势应是温度的函数，不同结的佩尔捷电动势对温度的依赖关系也可不同。上述观点也能用来解释当电流反向时，两结对佩尔捷热的吸放应倒过来，因而是可逆的。一般金属结的佩尔捷电势为μV量级，而半导体结可比它大数个量级。

(3)汤姆孙效应1856年W·汤姆孙(即开尔文)用热力学分析了塞贝克效应和佩尔捷效应后预言还应有第三种温差电现象存在。后来有人从实验上发现，如果在存在有温度梯度的均匀导体中通过电流时，导体中除了产生不可逆的焦耳热外，还要吸收或放出一定的热量，这一现象定名为汤姆孙效应，所吸放的热量称为汤姆孙热。汤姆孙热与佩尔捷热的区别是，前者是沿导体(或半导体)作分布式吸放热，后者在结点上吸放热。汤姆孙热也是可逆的，但测量汤姆孙热比测量佩尔捷热困难得多，因为要把汤姆孙热与焦耳热区分开来较为困难。

(4)温差发电器温差电现象主要应用在温度测量、温差发电器与温差电制冷三方面。

温差发电是利用塞贝克效应把热能转化为电能。当一对温差电偶的两结处于不同温度时，热电偶两端的温差电动势就可作为电源。常用的是半导体温差热电偶；这是一个由一组半导体温差电偶经串联和并联制成的直流发电装置。每个热电偶由一N型半导体和一P型半导体串联而成，两者联接着的一端和高温热源接触，而N型和P型半导体的非结端通过导线均与低温热源接触，由于热端与冷端间有温度差存在，使P的冷端有负电荷积累而成为发电器的阴极；N的冷端有正电荷积累而成为阳极。若与外电路相联就有电流流过。这种发电器效率不大，为了能得到较大的功率输出，实用上常把很多对温差电偶串、并联成温差电堆。

(5)温差电制冷器根据佩尔捷效应，若在温差电材料组成的电路中接入一电源，则一个结点会放出热量，另一结点会吸收热量。若放热结点保持一定温度，另一结点会开始冷却，从而产生制冷效果。半导体温差电制冷器也是由一系列半导体温差电偶串、并联而成。温差电制冷由于体积十分小，没有可动部分(因而没有噪音)，运行安全故障少，并且可以调节电流来正确控制温度。它可应用于潜艇、精密仪器的恒温槽、小型仪器的降温。

目前的温差发电技术的市场和技术发展方向为提升温差材料的品质因数，甚至往薄膜化方向发展，但是其中根本问题还没有解决，就是绝大部分热能因为温差材料的热传导和温差接头在低温端放热等导致的热能损失。

市场上的温差电池是单纯的利用温差来发电的，也就是通过温差电池连接高温和低温两端，物质可以的传导热，由高温向低温传导的热能就白白浪费了来自高温的热能。

换热器(亦称为热交换器或热交换设备)是用来使热量从热流体传递到冷流体，以满足规定的工艺要求的装置，是对流传热及热传导的一种工业应用。换热器可以按不同的方式分类。按其操作过程可分为间壁式、混合式、蓄热式(或称回热式)三大类；按其表面的紧凑程度可分为紧凑式和非紧凑式两类。

发明内容

本发明的目的是提供一种全新的温差发电方式，将热交换器的概念引入现有的温差电池里面，就可以实现高温端对低温的热阻趋向于无穷大，同时回收在低温端放出的热能。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

这种通过热交换的温差发电方法，通过令高温端对低温的热阻趋向于无穷大，同时回收在低温端放出的热能，这样的温差发电的效率不再决定于温差材料的品质因数；

高、低温端的工作物质为流体，两个流体之间相互热交换：在高温端放置温差电池接头，在低温端放置温差电池接头；高温与低温端之间热交换，高温从高温端流向低温端；低温从低温端流向高温端，高低温流体相而对流。

一种通过热交换的温差发电方法的装置，装置包括：铁体、铜体、第1温差接头、热流进口、冷热流出口、冷流进口、冷流热端出口、旁边板、第1通道、第2通道；

该装置的两边相对内设有铁体，中部的上下相对内设有铜体，铁体与铜体之间固定安装有第1通道、第2通道，第1通道、第2通道的下端和上端的铁体与铜体相交的位置分别设有第1温差接头；热流进口设于装置的前壁，热流进口与第1通道固定连通，第1通道与设于装置顶面的冷热流出口固定连通；冷流进口设于装置的后壁，冷流进口与第2通道固定连通，第2通道通过冷流热端出口与第1通道固定连通。

第1通道、第2通道和冷流热端出口均呈长方体状。

一种通过热交换的温差发电方法的装置，装置包括：第3通道、第4通道、N型半导体、绝缘支撑体、P型半导体、第2温差接头、第1出口、第1进口、旁边盖板、第2进口、第2出口；

该装置的两边相对内设有N型半导体，中部内设有P型半导体，N型半导体与P型半导体之间固定安装有第3通道、第4通道，第3通道、第4通道的下端和上端的N型半导体与P型半导体相交的位置分别设有第2温差接头；第2进口设于装置的底壁，第2进口与第3通道固定连通，第3通道与设于装置顶面的第1出口固定连通；第1进口设于装置的顶面，第1进口与第4通道固定连通，第4通道与设于装置底壁的第2出口固定连通；

第3通道、第4通道均呈长方体状。

本发明的有益效果：

该发明是一种全新的温差发电方式，在温差电池中引入热交换器，实现高温端对低温的热阻趋向于无穷大，同时回收在低温端放出的热能；高温物质可以被冷却，同时低温物质可以被加热，实现了热交换器的功能的同时还可以发电。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是本发明第一种具体实施方式的主视结构示意图。

图2是本发明第一种具体实施方式的俯视结构示意图。

图3是本发明第一种具体实施方式的左视结构示意图。

图4是本发明第一种具体实施方式的A-A剖面结构示意图。

图5是本发明第二种具体实施方式的主视结构示意图。

图6是本发明第二种具体实施方式的俯视结构示意图。

图7是本发明第二种具体实施方式的左视结构示意图。

图8是本发明第二种具体实施方式的A-A剖面结构示意图。

具体实施方式

根据图1-图8所示，本发明主要包括：铁体1、铜体2、第1温差接头3、热流进口4、冷热流出口5、冷流进口6、冷流热端出口7、旁边板8、第1通道9、第2通道10、第3通道11、第4通道12、N型半导体20、绝缘支撑体21、P型半导体22、第2温差接头23、第1出口24、第1进口25、旁边盖板26、第2进口27、第2出口28。

通过热交换的温差发电方法，通过令高温端对低温的热阻趋向于无穷大，同时回收在低温端放出的热能，这样的温差发电的效率不再决定于温差材料的品质因数；

高、低温端的工作物质为流体，两个流体之间相互热交换：在高温端放置温差电池接头，在低温端放置温差电池接头；高温与低温端之间热交换，高温从高温端流向低温端；低温从低温端流向高温端，高低温流体相而对流。

一种通过热交换的温差发电方法的装置，装置包括：铁体1、铜体2、第1温差接头3、热流进口4、冷热流出口5、冷流进口6、冷流热端出口7、旁边板8、第1通道9、第2通道10；

该装置的两边相对内设有铁体1，中部的上下相对内设有铜体2，铁体1与铜体2之间固定安装有第1通道9、第2通道10，第1通道9、第2通道10的下端和上端的铁体1与铜体2相交的位置分别设有第1温差接头3；热流进口4设于装置的前壁，热流进口4与第1通道9固定连通，第1通道9与设于装置顶面的冷热流出口5固定连通；冷流进口6设于装置的后壁，冷流进口6与第2通道10固定连通，第2通道10通过冷流热端出口7与第1通道9固定连通。

第1通道9、第2通道10和冷流热端出口7均呈长方体状。

另一种通过热交换的温差发电方法的装置，装置包括：第3通道11、第4通道12、N型半导体20、绝缘支撑体21、P型半导体22、第2温差接头23、第1出口24、第1进口25、旁边盖板26、第2进口27、第2出口28；

该装置的两边相对内设有N型半导体20，中部内设有P型半导体22，N型半导体20与P型半导体22之间固定安装有第3通道11、第4通道12，第3通道11、第4通道12的下端和上端的N型半导体20与P型半导体22相交的位置分别设有第2温差接头23；第2进口27设于装置的底壁，第2进口27与第3通道11固定连通，第3通道11与设于装置顶面的第1出口24固定连通；第1进口25设于装置的顶面，第1进口25与第4通道12固定连通，第4通道12与设于装置底壁的第2出口28固定连通；

第3通道11、第4通道12均呈长方体状。

工作原理：

第一种具体实施方式：

高温流体从热流进口4流入，然后从冷热流出口5流出(加热冷流)。

低温流体从冷流进口6流入，再流向冷流热端出口7(冷却热流)，然后从冷热流出口5流出(加入热流)。

冷热流出口5中的冷流与冷流进口6通过铜之间的热传导来换热，冷流进口6被加热到一定程度后，再从冷流热端出口7流出(吸收低温端的热量)，然后再从冷热流出口5流出。这样就实现了两个温差接头的温度差异。

流速应缓慢，使得流体之间的热交换充分。

这样使得高铜和铁之间形成温差电池。从旁边可以引出电压(从铁体1引出)。

使用铜和铁作为温差材料，或者其它温差材料都可以实现。

第二种具体实施方式：

高温流体从第2进口27流向第1出口24，通过P型半导体22与冷流第1进口25流向第2出口28进行热交换，即高温流体温度降低，低温流体温度升高，电压从N型半导体20引出。

两个流体的流速应缓慢，使得两个流体之间热交换充分，使得低温流体热交换充分，这样使得的两种半导体形成温差电池，同时可以热交换。

Claims (4)

1.通过热交换的温差发电的装置，其特征在于：装置包括：铁体(1)、铜体(2)、第1温差接头(3)、热流进口(4)、冷热流出口(5)、冷流进口(6)、冷流热端出口(7)、旁边板(8)、第1通道(9)、第2通道(10)；该装置的两边相对内设有铁体(1)，中部的上下相对内设有铜体(2)，铁体(1)与铜体(2)之间固定安装有第1通道(9)、第2通道(10)，第1通道(9)、第2通道(10)的下端和上端的铁体(1)与铜体(2)相交的位置分别设有第1温差接头(3)；热流进口(4)设于装置的前壁，热流进口(4)与第1通道(9)固定连通，第1通道(9)与设于装置顶面的冷热流出口(5)固定连通；冷流进口(6)设于装置的后壁，冷流进口(6)与第2通道(10)固定连通，第2通道(10)通过冷流热端出口(7)与第1通道(9)固定连通。

2.根据权利要求1所述的通过热交换的温差发电的装置，其特征在于：所述的第1通道(9)、第2通道(10)和冷流热端出口(7)均呈长方体状。

3.通过热交换的温差发电的装置，其特征在于：装置包括：第3通道(11)、第4通道(12)、N型半导体(20)、绝缘支撑体(21)、P型半导体(22)、第2温差接头(23)、第1出口(24)、第1进口(25)、旁边盖板(26)、第2进口(27)、第2出口(28)；该装置的两边相对内设有N型半导体(20)，中部内设有P型半导体(22)，N型半导体(20)与P型半导体(22)之间固定安装有第3通道(11)、第4通道(12)，第3通道(11)、第4通道(12)的下端和上端的N型半导体(20)与P型半导体(22)相交的位置分别设有第

2温差接头(23)；第2进口(27)设于装置的底壁，第2进口(27)与第3通道(11)固定连通，第3通道(11)与设于装置顶面的第1出口(24)固定连通；第1进口(25)设于装置的顶面，第1进口(25)与第4通道(12)固定连通，第4通道(12)与设于装置底壁的第2出口(28)固定连通。

4.根据权利要求3所述的通过热交换的温差发电的装置，其特征在于：所述的第3通道(11)、第4通道(12)均呈长方体状。