CN104811092B - 一种利用液体热电效应进行发电的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用液体热电效应进行发电的系统，它由高温循环回路、液体热电发电系统和低温循环回路组成；高温循环回路上设有热交换器，工厂或环境中的低温热能在热交换器内与热循环工质进行热交换，低温循环回路中设有冷凝器，低温循环工质在冷凝器中进行冷却；当离子交换膜为阴离子交换膜时，高温循环回路和低温循环回路分别经过液体热电发电单元的正负极。本发明对热能温度要求较低，只要液体热电发电单元两端存在温差就可以正常运行，在电厂和工厂余热以及海水低温热能的回收利用方面具有巨大前景，另外本发明对热能利用效率较高，成本较低，并且对环境极为友好。

Description

一种利用液体热电效应进行发电的系统

技术领域

本发明涉及一种温差发电系统，尤其涉及一种利用液体热电效应收集电厂和工厂余热以及海水温差热能进行发电的系统。

背景技术

能源是人类发展的重要物质基础。随着科技的进步和人们生活水平的不断提高，当今世界主要依存的化石能源正在不断耗尽，能源危机正一步步地向人类逼近。同时，大量化石燃料的使用还造成了全球环境的污染和生态环境的破坏。因此，开发更加先进的能源转换方式来提高能源利用效率和大力开发清洁的可再生能源已成为当务之急。

在我们生活的环境中存在大量的能量，其中低温热能的回收利用占据着非常重要的位置。如热电厂、冶金、各种制造厂等几乎每天都在向大气中排放大量的低温废热，浪费了很大一部分的能量，同时，还造成力极为严重的生态污染。另外，太阳时时刻刻都在向地球辐射巨大的能量，其中很大一部分被占据地球面积约72％的海洋以热能的形式吸收，造成表层海水与深海之间存在一定温差，但是受于海水温差发电技术的限制，这部分能量目前还难以大规模利用。

热电技术可以直接将温差转化为电能，与传统发电方式相比具有很多的优势，如结构简单，无需转动部件，发电过程中不会产生噪声污染。热电发电系统无需任何工质，在发电工程中可以实现真正的零排放，对环境十分友好。最重要的是热电装置在低温差下也可以正常运行，并且不受尺度的影响，工作性能极为稳定，在低温热量回收利用方面具有巨大的应用前景，目前已经在汽车尾气余热回收、太阳能热发电等方面得到一定的应用。但是由于目前热电效率较低，加上高性能热电材料制造困难，价格昂贵，热电技术大规模应用还有待更先进的技术突破。高性能的热电材料要求材料具有比较优越的导电性能和较低的导热性能，防止热量的耗散。目前热电方面的研究主要是基于固体热电材料的研究，提高材料的热电效率主要有两种方法：一是在低导热系数材料的基础上提高热电功率因子；二是在高导电系数材料的基础上降低材料的导热系数。而在液体热电方面的研究，目前还处于几乎空白状态，主要原因是：在固体中，温度梯度会驱动带负电的电子朝一个方向移动，单种电荷的移动会形成电能；而在液体中，温度梯度会驱动阴阳离子朝同一个方向移动，由于温度引起的阴阳离子运动速度几乎一致，因此无法形成净电荷的移动，几乎没有电能输出。如果采用技术手段将液体中的阴阳离子分隔开，就能大大的提高液体的热电效率，加上液体较低的导热系数，便可以利用液体的热电特性来实现低温发电。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种利用液体热电效应进行发电的系统。该系统利用电厂、工厂等排放的余热或者海洋中的低温热能来驱动液体中的离子流动进行发电，并利用离子交换膜分离阴阳离子提高液体热电效率，从而达到高效液体热电发电的效果。

本发明所采用的技术方案如下：

一种利用液体热电效应进行发电的系统，它由高温循环回路、液体热电发电系统和低温循环回路组成；高温循环回路上设有热交换器，工厂或环境中的低温热能在热交换器内与热循环工质进行热交换，低温循环回路中设有冷凝器，低温循环工质在冷凝器中进行冷却；

所述液体热电发电系统由一个或多个液体热电发电单元组成，每个液体热电发电单元由负极、工作腔、离子交换膜、工作腔、正极组成，所述工作腔内充满电解质溶液；

当离子交换膜为阴离子交换膜时，高温循环回路经过液体热电发电单元的正极，低温循环回路经过液体热电发电单元的负极；当离子交换膜为阳离子交换膜时，高温循环回路经过液体热电发电单元的负极，低温循环回路经过液体热电发电单元的正极。

当液体热电发电系统由多个液体热电发电单元组成时，多个液体热电发电单元之间可以并联或串联。

并联时，如图1所示，液体热电发电单元交替放置正负极，中间通道交替通过热循环工质和冷循环工质，液体热电发电单元在温差的作用下产生电能通过正负电极对外输出。

液体热电发电单元由正极、负极组成的电极对可以和工作腔内的电解质溶液的离子进行反应，当发电单元正负极存在一定温差的时候，靠近热端的电解质溶液中的离子运动速度远大于靠近冷端的离子运动速度，离子运动速度的差异会形成一个从热端指向冷端的热泳力，驱动电解质中的离子从热端向冷端运动，工作腔中的离子交换膜可以阻止某种电荷的离子通过(如阴离子交换膜只允许阴离子透过)，从而会在两个工作腔中形成单种电荷的离子聚集区，电极对会在离子聚集区内发生强烈的电极反应，从而产生电能输出。

系统工作时，液体热电发电单元的工作腔内充满电解质溶液。

离子交换膜可以是微纳米膜，也可以是微纳米颗粒的堆积体。

低温循环回路中的冷凝器可以为普通水冷冷凝器，也可以是空冷冷凝器。

所述液体热电发电单元的正极可以是氯化银电极，负极为银电极，电解质溶液为氯化钠溶液。

与传统的技术相比，本发明的优越性在于：

(1)利用离子交换膜将正负离子分离来提高液体的热电效率，并利用电厂，工厂或环境中各种低温热能作为动力驱动电解质溶液中的离子运动来实现发电。

(2)系统对热能温度要求较低，只要高温和低温回路工质存在温差系统便可以正常运行，系统运行过程中不消耗高品位的能量，并且零排放。

(3)液体比固体热电材料导热系数小，可以大大减少热量耗散，而高浓度离子溶液具有良好的导电性，可以提高热电效率。

(4)液体热电发电单元依靠离子的移动来发电，工作腔内电解质溶液不发生流动，大大减少了流动损失，从而提高效率。

(5)本系统结构简单，发电单元部分利用便宜的液体热电来代替了昂贵的固体热电材料，大大降低了成本，另外本系统无转动部件，不会产生噪声污染。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中：1－低温热能、2－换热器、3-高温循环回路、4－低温循环回路、5－冷凝器、6－发电系统负极、7－液体热电发电单元、8－发电系统正极。

图2为液体热电发电单元的结构示意图。

其中：9－发电单元负极、10－工作腔、11-离子交换膜、12－电解质溶液、13－发电单元正极。

图3为发电单元电压与温差关系曲线图。

图4为发电单元电流与温差关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例。

参见图1，一种液体热电发电系统，它包括换热器2，高温循环回路3，低温循环回路4，高温循环回路3和低温循环回路4中的热冷工质分别流经液体热电发电单元7的正负极，低温热能1在换热器2内与高温循环回路3进行热交换，从而保持热工质处于高温，低温循环回路4中的冷工质通过冷凝器5进行冷却，多个液体热电发电单元7相互并联，产生的电能通过发电系统负极6和发电系统正极7对外输出。

参见图2，液体热电发电系统的液体热电发电单元，它包括发电单元负极9，工作腔10，发电单元正极13，工作腔10中充满电解质溶液12，离子交换膜11将工作腔分成两个部分，当高温循环回路3和低温循环回路4的热冷工质流经液体热电发电单元7的两端的时候，工作腔10中的电解质溶液12会形成一个温度梯度，这会造成热端电解质溶液中的离子的运动速度远大于冷端离子的运动速度，离子运动速度的差异会形成一个从热端指向冷端的热泳力，驱动电解质中的离子从热端向冷端运动，离子交换膜11对电解质中的正负离子具有选择性，会将正负离子分隔在两个工作腔中，发电单元正极13和发电单元负极9和在两个工作腔中与正负离子发生反应保持离子浓度恒定，并且产生电能对外输出。

工作时，高温循环回路3通过换热器2将低温热能源源不断的输出到液体热电发电单元7，液体热电发电单元7再将热能转换成电能输出，发电单元两端温差大小决定了输出电能的大小，但其运行不受温度的影响，即使是在低温的情况下，只要存在温差，系统就能发电，因此在低温热能的利用方面具有巨大的优越性。

实施例1

参见图1，采用单个液体热电发电单元，发电单元中所述的离子交换膜为直径25mm的氧化铝纳米多孔膜，孔径为100nm，高度60μm，孔隙率约为60％，发电单元负极为银电极，发电单元正极为氯化银电极，电解质溶液为10^-4mol/L的氯化钠溶液，低温循环回路工质为冰水混合物，高温循环回路的工质为水。热循环水流经发电单元正极(氯化银电极)一侧，冷的冰水流经发电单元负极(银电极)一侧，其他部分的结构特征与图1相同。由于氧化铝纳米多孔膜为阴离子交换膜，只允许阴离子(氯离子)通过，系统运行时，会在负极(银电极)附近形成氯离子^-聚集区，在正极(氯化银电极)附近形成钠离子聚集区，银电极上发生反应：Ag+Cl^-→AgCl+e^-，氯化银电极上发生反应：AgCl+e^-→Ag+Cl^-。通过计算可以得到，系统的输出电压和输出电流随着高温工质温度的增加而增大。当热工质的温度为100℃的时候，系统的输出电压和电流分别为12mV和27μA，参见图3和图4。

实施例2

参见图1，采用单个液体热电发电单元，发电单元中所述的离子交换膜为直径25mm的阳极氧化铝纳米多孔膜，孔径为100nm，高度60μm，孔隙率约为60％，电极为标准的银-氯化银电极对，电解质溶液为10^-2mol/L的氯化钾溶液，低温循环回路工质为冰水混合物，高温循环回路的工质为60℃的热水，其他部分的结构特征与图1相同。等系统工作稳定后，检测到其输出电流为27.8μA。

Claims (5)

1.一种利用液体热电效应进行发电的系统，其特征在于，由高温循环回路、液体热电发电系统和低温循环回路组成；高温循环回路上设有热交换器，工厂或环境中的低温热能在热交换器内与热循环工质进行热交换，低温循环回路中设有冷凝器，低温循环工质在冷凝器中进行冷却；

所述液体热电发电系统由一个或多个液体热电发电单元组成，每个液体热电发电单元由负极、工作腔、离子交换膜、工作腔、正极组成，所述工作腔内充满电解质溶液；

当离子交换膜为阴离子交换膜时，高温循环回路经过液体热电发电单元的正极，低温循环回路经过液体热电发电单元的负极；当离子交换膜为阳离子交换膜时，高温循环回路经过液体热电发电单元的负极，低温循环回路经过液体热电发电单元的正极。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，多个液体热电发电单元之间并联或串联。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，离子交换膜是微纳米膜，或微纳米颗粒的堆积体。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，低温循环回路中的冷凝为普通水冷冷凝器，或空冷冷凝器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述液体热电发电单元的正极是氯化银电极，负极为银电极，电解质溶液为氯化钠溶液。