CN103532439B - 一种对偶型温差发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种对偶型的温差发电装置，能够根据环境温度的变化自动实现两套对偶型的发电装置之间的相互切换，时刻保证本装置处于发电状态，可以为各种低功耗的用电设备供电。该装置由电能的产生装置和系统控制板两部分组成；电能的产生装置实现温度检测、热能的收集以及热电能量的转换；系统控制板实现对电能的产生装置进行控制，系统控制板包括系统控制器、切换装置、稳压部件、储能部件；电能的产生装置包括导热介质、集热部件、温差发电片、固定支撑部件、散热部件、温度传感器1、温度传感器2。

Description

一种对偶型温差发电装置

技术领域

本发明涉及一种对偶型温差发电装置，属于电学中的电力的发电、变电或配电领域。

背景技术

温差发电又叫热电发电，是一种绿色环保的发电方式，其基本原理为塞贝克效应。温差发电技术是一种利用热能直接进行发电的技术，与传统的发电方式相比，具有结构简单、坚固耐用、无运动部件、工作时无噪声、无废弃物排放、使用寿命长、可靠性高等一系列的优点，是一种环境友好型的发电方式。利用温差发电技术可以将太阳能、地热能、工业余热废热等各种低品位热能转化成电能，正是由于温差发电具有上述优点，使得其在航空、军事等领域得到了广泛应用。温差发电技术是一种固态能量转换方式，能够直接将热能转化为电能。

现在已经有多种类型的温差发电装置。杨宝才在其专利《太阳能温差发电装置》中提出了一种利用温差模块产生电能的温差发电装置，该系统由太阳能集热器、储热箱、热管散热器、蓄冷箱以及温差发电模块组成，可以利用自然界的昼夜温差和阴晴温差进行发电；冯平、王维俊等人在《一种温差太阳能发电墙》中设计了一种可以利用室外的热空气和室内的冷空气之间的温差进行发电的装置；而陈湘龙、尹水娥等人在《一种利用冬夏窗户温差的发电蓄电系统》中提出了一种通过嵌入到玻璃内部的温差发电单元利用室内外的温差进行发电和蓄电的系统。

发明内容

本发明设计了一种对偶型的温差发电装置，能够根据环境温度的变化自动实现两套对偶型的发电装置之间的相互切换，时刻保证本装置处于发电状态，可以为各种低功耗的用电设备供电。

一种对偶型的温差发电装置，由电能的产生装置和系统控制板两部分组成；电能的产生装置实现温度检测、热能的收集以及热电能量的转换；系统控制板实现对电能的产生装置进行控制，系统控制板包括系统控制器、切换装置、稳压部件、储能部件；

切换装置负责对两套处于对偶状态的温差发电器实现导通与关断的控制；

稳压部件负责对温差发电装置所产生的脉动的输出电压进行控制，使之成为稳定可用的电压；

储能部件负责对温差发电装置产生的能量进行存储；

系统控制器负责对控制板上的切换装置、稳压部件和储能部件的工作状态进行控制，根据温度传感器的检测结果，系统控制器输出相应的脉冲信号控制切换装置的状态，以控制两套对偶型的温差发电装置的接通和关断。

所述的电能的产生装置包括导热介质、集热部件、温差发电片、固定支撑部件、散热部件、温度传感器1、温度传感器2；

在电能的产生装置中，集热部件与隔热保温层之间采用胶粘的方式进行连接，集热部件与温差发电片通过导热介质进行连接，温差发电片通过导热介质与散热部件相连接，散热部件则与固定支撑部件之间通过胶粘的方式进行连接，温度传感器1、温度传感器2分别粘贴在两套对偶的温差发电装置的集热部件上，温度传感器1、温度传感器2的引脚通过导线与系统控制板上的相应接口连接；

集热部件负责收集包括太阳辐射热能在内的各种热能并通过导热硅脂将热能传递给温差发电片的热端；

温差发电片负责将集热部件收集到的热能转化为电能；

隔热保温层负责保证温差发电片的热端温度，阻止集热板所吸收的热量从温差发电片以外的地方散失，达到将热源与散热部分进行有效的隔热；

散热部件负责将温差发电片冷端的热量通过热传导、热对流和热辐射的方式散发出去，降低温差发电片冷端温度；

导热介质负责保证集热板与温差发电片、温差发电片与散热部件之间的热导率足够大，以便于热量的快速流动；

温度传感器1、温度传感器2负责检测对偶型的温差发电装置所处环境的温度情况。

所述的温差发电片采用将P型和N型两种不同类型的热电材料的一端相连形成一个PN结，并使之一端处于高温状态，另一端则为低温状态，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，使得空穴和电子向低温端扩散，产生电动势，因此热电材料通过冷热两端的温度差就实现了将热能直接转化成电能的过程。

所述的固定支撑部件包括隔热保温层、泡沫浮垫、支撑板，负责对整个电能产生装置进行固定和支撑。

本发明的有益效果：

1、本发明采用了对偶型的温差发电模式，并可以实现两套发电装置的自动切换，可以有效利用所处环境中的温度差进行发电，并辅以稳压及储能装置对产生的能量进行有效的存储及变换。

2、本发电装置本身结构较为简单，且在工艺上易于实现，适用范围广泛。

附图说明

图1是对偶型温差发电装置的原理示意图，其中图中的标记号意义如下：

1-导热硅脂，2-集热部件，3-温差发电片，4-隔热保温层，5-泡沫浮垫，6-支撑板，7-散热部件，8-温度传感器1，9-温度传感器2；

图2是对偶型温差发电系统工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的温差发电部分作进一步说明，本对偶型温差发电装置中各个部分的选材如下所示：

本发明装置包括了两个处于对偶型的温差发电单元，可以根据环境温度条件的变化通过两套发电装置之间的切换时刻使温差发电系统的热端与冷端之间存在温差，使系统时刻处于发电状态，从而使得本装置可以应用于各种存在温度差的场合。

（1）集热部件

集热板可由各种金属或非金属材料制造，用于吸收入射的太阳辐射能以及其他热源的热能，并将收集到的热量传递给温差发电片的热端。集热板应尽量满足充分吸收各个热源的辐射且减少自身热辐射损失的要求，所以需要要使集热板的表面具有选择性。以太阳辐射为例，通过对太阳辐射和集热板热辐射研究发现，太阳辐射波长大于3微米的部分不到2%，而集热板的热辐射波长小于3微米的不到1%，两者的光谱范围重叠很少，因此加涂选择性涂层能够显著地提高吸热量。

根据制备工艺来分类，选择性涂层一般可分为电镀涂层、涂料涂层、真空镀膜涂层和电化学转化涂层四类。

由于涂料涂层制备工艺简单，实施方便，吸热效率高，使用寿命长，成本低廉等优点，因此本发明选用涂料涂层。

针对集热板的制作材料，表格1中列出了常用固体材料的导热系数，通过查阅相关材料文献可知，纯铜的导热系数很高，但是比较容易在水、氧气和二氧化碳的作用下发生化学反应，不宜运用在潮湿的环境中，并且相同体积的材料中铜的质量较大；铜的合金类材料导热系数明显减小；纯铝硬度不够，加工起来比较困难；而铝合金硬度适中，密度小，导热系数较大，并且有一定的耐腐蚀性，可以应用于各种环境中，满足本发明中对集热材料的要求。

表格1：常用固体材料导热系数

材料	导热系数W/(m·℃)	材料	导热系数W/(m·℃)
				纯铁	80	青铜	32-153
纯铝	237	铸铁	42-90
				纯铜	398	铝合金1050	209
钢	36-54	铝合金1070	226
				不锈钢	17	铝合金6061	155
黄铜	70-183	铝合金6063	201

经过对上述各种金属及金属合金材料的比较，决定选用热导率较高且具有一定刚度的铝合金1070材料作为集热板的基本材料，并在面板上涂上选择性吸收涂料，两者结合起来组成装置的集热部件。

（2）隔热保温层

为了保证温差发电片的热端温度，阻止集热板所吸收的热量从温差发电片以外的地方散失，将集热板的非工作面的热损失降到最小，，并实现热源与散热部分的有效隔热，这就需要隔热部件的热导系数要尽可能的小，且越小越好。在表面积确定的情况下，隔热层的厚度要越大越好。但是由于发电装置的体积的限制，使得隔热层的厚度受到限制，因此需要通过选择高性能的隔热材料来保证隔热效果。

对隔热材料而言，导热率是首要考虑的性能参数，除此之外，根据各种潜在的工作环境的特点，还需要考虑以下几个方面的因素：（1）吸水性与吸湿性；（2）热稳定性；（3）线膨胀系数；（4）导温系数；（5）化学性能等。

目前，保温隔热材料一般分为硬质类和软质类两大类。硬质类多为无机材料；软质类可分为有机材料和无机材料两种。硬质类保温隔热材料多适用于固体形态的场合，而软质类保温隔热材料则可适用于各种场合。表格2给出了几种常规的隔热保温材料的相关参数。

表格2：常规隔热保温材料相关参数

通过查阅各种资料得知，反射隔热保温涂料ZS-211为骨白色浆体，是集隔热保温、防水、防火、防腐、绝缘于一体的新型太空节能反射隔热保温涂料。绝热等级达到R-30.1，热反射率为90%，热导率为0.04（W/K·m），隔热抑制效率可达90％左右。反射隔热保温涂料ZS-211隔热保温效果要明显优于其它的隔热保温材料，因此选用反射隔热保温涂料ZS-211作为隔热部件的主体材料。

（3）散热部件

为了确保热端与冷端的温度差，需要散热部件的热导系数越大越好，散热面积越大散热效果越显著。根据工作环境的不同，选择相应的散热方式，例如当在有水环境中使用时，可以利用水冷散热，而在其他环境中则可以利用空气自然对流等方式进行散热。

目前常用的散热片材质是铜和铝合金，二者各有优劣。铜的导热性好，但价格较为昂贵，加工难度较高，重量过大，热容量比较小，而且容易氧化。而纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜要差一些。

综合各种因素考虑，本发明中选用铝合金作为散热片的制作材料。

（4）温差发电片

由于优值系数的大小直接决定了温差发电材料的发电效果，因此为了获得最大的发电功率和热电转换效率，需要选用优值系数较高的温差发电材料，通过查阅资料发现，Bi₂Te₃/Sb₂Te₃是目前优值系数ZT值最高的热电材料，优值系数约为1，因此，这种材料既是低温区间（<200℃）上最好的制冷材料，也是最好的发电材料。对于应用时热端温度低于150℃的低温余热发电，目前一般直接采用Bi₂Te₃材料制成的半导体制冷器件作为发电器件，因此本发明选择商用制冷器件TEC112706T200作为对偶型温差发电装置的发电片，TEC112706T200的性能参数如表格3所示：

表格3：TEC112706T200性能参数

（5）固定、支撑部件

本发明采用泡沫浮垫和木板作为固定支撑整个系统的部件。

（6）导热介质

为了增加温差发电片与散热部件之间的热导率，减小它们之间的内阻，需要使用导热介质将其连接起来。

目前常用的导热介质有导热银胶、导热硅胶和导热硅脂三类。其中导热硅脂和导热硅胶成本较低，品种较多。一般来说导热硅脂会好于导热硅胶；而导热银胶的导热效果明显优于导热硅脂和导热硅胶，但导热银胶的成本很高，只能用于关键部件。经查阅资料发现，导热硅脂T-50A导热性能相当于普通导热硅脂的两倍，因此选用T-50A作为本发明的导热介质。

（7）温度传感器

由于本发明需要实现两套对偶型的温差发电装置的切换，因此需要使用两个温度传感器来检测发电装置的两端的温度情况，并根据测得的温度来确定启用哪一套温差发电装置。

由于本发明中对温度的检测精度要求不高，同时为了节约成本，故选择DS18B22这种价格较低、精度不高的温度传感器，DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。DS1822省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2℃，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是一款经济型的产品。

上述部件选型完成后，既可以按照附图1中所示的连接方式将各个部件连接起来，具体连接方式如下：

集热部件2与隔热保温层4以及泡沫浮垫5直接连接，并与温差发电片3通过导热硅脂1进行连接，而隔热保温层4和泡沫浮垫5直接与支撑板6相连，温差发电片3通过导热硅脂1与散热部件7相连接，散热部件7则与隔热保温层4、泡沫浮垫5以及支撑板6进行连接。

下面再结合附图2对本发明中涉及到的稳压，存储及控制部分作进一步说明。

（1）系统控制器

切换控制器的主要作用是根据两个温度传感器的检测结果，决定启用哪一套温差发电装置，由于DS18B22的测量结果直接以数字形式输出，因此需要采用一款数字控制器来接收测量结果。

由于系统还需要进行稳压部分的控制，并且为了节约成本，选用一款具有片内AD采样功能的控制芯片，由于ARM架构的微处理器不仅性价比较高，而且对底层库函数进行了封装，很适合二次开发，因此选用了一款意法半导体公司的STM32F103微处理器作为核心控制芯片，搭建一个基于STM32F103C8T6的最小控制系统作为整个对偶型温差发电系统的控制器。

（2）切换装置

本发明中采用一个双刀继电器作为两套温差发电装置的切换部件，系统控制器通过控制Relay1和Relay2管脚的高低电平来实现温差发电装置1或温差装置2的接通与关断。

（3）稳压部分

本发明采用开关管稳压方式的来保证系统输出的稳定，之所以选择开关管稳压而不选择稳压芯片进行稳压一方面是因为稳压芯片对输入电压要求较为严格，并且输出电压不可调，而且效率较低，而开关管稳压则正好可以解决上述问题，首先开关管稳压是采用调节PWM脉冲信号的占空比来控制输出功率的大小，通过对输出电压的采样，结合一定的控制算法（如PID控制算法），可以使输出电压稳定在期望的水平，输出电压的灵活性较好，并且对输入电压的要求不高。

三极管和场效应管（MOSFET）均可以作为开关管使用，由于三极管是电流驱动型开关器件，而场效应管（MOSFET）是电压驱动型开关器件，其作为控制端的门极输入内阻很大，相当于开路，不会消耗太多的功率，因此为了提高系统的效率，选择采用MOSFET作为稳压控制电路的开关管。

使用MOSFET作开关管的稳压电路采用推挽型工作方式，使两个MOSFET交替导通，通过对电感的充电以及电感的放电实现电能的输出，并根据反馈情况进行调节，保证输出电压的稳定。

本发明中使用的MOSFET的具体型号为IRFP250，其能承受的峰值电压达200V，导通阻抗0.075Ω，最大导通电流可达30A，能够满足本发明装置的要求。

（4）储能部分

由于温差发电的能量产生具有不均匀性，受环境温度的影响很大，因此为了实现对脉动的微小的能量的不断蓄积，需要利用储能装置对温差发电装置产生的能量的进行存储。在本发明中选用超级电容器作为能量存储设备，主要是因为它具有充电速度快，功率密度大，安全系数高，使用寿命长，同时，超级电容器对电路结构的要求较低，理论上不需要设置特殊的充电控制电路和放电控制电路，且超级电容器的使用时间不会受到过充电、过放电的影响。

Claims (3)

1.一种对偶型的温差发电装置，由电能的产生装置和系统控制板两部分组成；其特征在于：电能的产生装置实现温度检测、热能的收集以及热电能量的转换；系统控制板实现对电能的产生装置进行控制，系统控制板包括系统控制器、切换装置、稳压部件、储能部件；

切换装置负责对两套处于对偶状态的温差发电器实现导通与关断的控制；

稳压部件负责对温差发电装置所产生的脉动的输出电压进行控制，使之成为稳定可用的电压；

储能部件负责对温差发电装置产生的能量进行存储；

系统控制器负责对控制板上的切换装置、稳压部件和储能部件的工作状态进行控制，根据温度传感器的检测结果，系统控制器输出相应的脉冲信号控制切换装置的状态，以控制两套对偶型的温差发电装置的接通和关断；

所述的电能的产生装置包括导热介质、集热部件、温差发电片、固定支撑部件、散热部件、温度传感器1、温度传感器2；

在电能的产生装置中，集热部件与隔热保温层之间采用胶粘的方式进行连接，集热部件与温差发电片通过导热介质进行连接，温差发电片通过导热介质与散热部件相连接，散热部件则与固定支撑部件之间通过胶粘的方式进行连接，温度传感器1、温度传感器2分别粘贴在两套对偶的温差发电装置的集热部件上，温度传感器1、温度传感器2的引脚通过导线与系统控制板上的相应接口连接；

集热部件负责收集包括太阳辐射热能在内的各种热能并通过导热硅脂将热能传递给温差发电片的热端；

温差发电片负责将集热部件收集到的热能转化为电能；

隔热保温层负责保证温差发电片的热端温度，阻止集热板所吸收的热量从温差发电片以外的地方散失，达到将热源与散热部分进行有效的隔热；

散热部件负责将温差发电片冷端的热量通过热传导、热对流和热辐射的方式散发出去，降低温差发电片冷端温度；

导热介质负责保证集热板与温差发电片、温差发电片与散热部件之间的热导率足够大，以便于热量的快速流动；

温度传感器1、温度传感器2负责检测对偶型的温差发电装置所处环境的温度情况。

2.如权利要求1所述的一种对偶型的温差发电装置，其特征在于：所述的温差发电片采用将P型和N型两种不同类型的热电材料的一端相连形成一个PN结，并使之一端处于高温状态，另一端则为低温状态，由于热激发作用，P型材料高温端空穴浓度高于低温端，N型材料高温端电子浓度高于低温端，使得空穴和电子向低温端扩散，产生电动势，因此热电材料通过冷热两端的温度差就实现了将热能直接转化成电能的过程。

3.如权利要求1或2所述的一种对偶型的温差发电装置，其特征在于：所述的固定支撑部件包括隔热保温层、泡沫浮垫、支撑板，负责对整个电能产生装置进行固定和支撑。