CN105811808B - 一种时域温差供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种时域温差供电系统,包括温差发电芯片、储温体以及供电端;所述温差发电芯片包括第一面和第二面;所述温差发电芯片第一面紧贴所述储温体;所述储温体含有高比热容物质;所述温差发电芯片将产生的电能输出至所述供电端;所述储温体的热源为环境介质。环境介质温差的变化,使得温差发电芯片一面的温度处于不断变化之中,储温体使得温差发电芯片另一面的温度变化相对滞后,由此实现利用环境介质温度使得温差发电芯片工作的目的。

Description

一种时域温差供电系统
技术领域
本发明涉及发电系统的技术领域,特别涉及一种利用时域温差使得温差发电芯片实现对负载等供电的系统。
背景技术
公开号为CN105048874A的专利文献指出:为了满足人类生活的需要,越来越多的传感器需要被安放在人迹罕至或者环境恶劣的地区,这些地区恶劣的环境决定了人们无法使用化学电池为无线传感器节点供电,因为在这些地区更换化学电池往往是一件不太可能的事情,所以该文献公开了一种结构简单其能够利用温差发电的微型温差发电器。
除此之外,还有大量的利用温差发电装置进行微能量采集的技术,如公开号为CN102291058A、CN101610052、CN103520898A、CN103595299A等文献均对温差发电技术的应用场合进行了扩充。
目前,温差发电装置主要是利用装置的两个热交换表面同一时刻的温度差来转换成电能,然后或者储存起来或者直接加以利用。
但是,这种方案只适用于发电装置的两个表面在同一时刻具有的温度差才能够被利用来转化成电能,现有技术中,一般都是发电装置一面需要外接额外的加热/制冷装置来获得恒温(或接近恒温)的热源或者冷源,以实现和另一面持续保持温差,来达到发电的目的。
对于我们日常经常碰到的时间跨度上的温度差,现有技术并未给出利用的解决方案,比如利用大自然赋予的昼夜温差等(我们简称为时域温差)。这种时域温差是非常普遍的,是发电装置周围环境温度的变化引起的,或者如果能够巧妙地加以利用将会对我们日常的生产生活带来极大的便利性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无需额外人工热源,主要靠环境介质温度的变化来实现温差发电芯片供电的系统。
为了解决上述技术问题,本发明中披露了一种时域温差供电系统,本发明的技术方案是这样实施的:
一种时域温差供电系统,包括温差发电芯片、储温体以及供电端;所述温差发电芯片包括第一面和第二面;所述温差发电芯片第一面紧贴所述储温体;所述储温体含有高比热容物质;所述温差发电芯片将产生的电能输出至所述供电端;所述储温体的热源为环境介质。
优选地,所述时域温差供电系统还包括极性转换电路;所述极性转换电路包括双极性输入端以及单极性输出端;所述温差发电芯片将其产生的电能通过极性转换电路输出到所述供电端;所述温差发电芯片的输出端与所述双极性输入端电性连接;所述单极性输出端与所述供电端电性连接。
优选地,所述极性转换电路为无极性升压电路。
优选地,所述时域温差供电系统还包括与所述温差发电芯片第二面紧贴的散热件。
优选地,所述储温体为储温箱;所述储温箱紧贴所述温差发电芯片;所述储温箱内装有高比热容液体,所述高比热容液体为水、防冻液、冷却液、油中的一种或多种。
优选地,所述储温箱包括导温层;所述导温层一面紧贴所述温差发电芯片,另一面设置有若干伸入所述高比热容液体内的导热件。
优选地,所述导热件包括连接于所述导温层的导热片,以及设置于所述导热片表面的导热翅。
优选地,所述储温箱还包括与所述导温层外侧下沿连接的箱体侧壁;所述箱体侧壁顶端设置有下凹槽;所述导温层外侧下沿设置有位置与所述下凹槽相对应的上凹槽;所述下凹槽以及所述上凹槽之间设置有密封垫;所述上凹槽内设置有上凸刺;所述上凸刺插入所述密封垫内。
优选地,所述散热件包括散热底层以及设置于所述散热底层上的散热条;所述散热件表面的颜色为深色;所述储温箱表面的颜色为浅色;所述温差发电芯片与所述散热底层、所述储温箱的接触面间分别设置有导热硅脂、导热粉或散热金粉中的至少一种高导热介质。
优选地,所述温差发电芯片为多片,所述多片温差发电芯片集中紧贴所述储温箱的一面或者多面。
实施本发明的有益效果是:
1、环境介质温差的变化,使得温差发电芯片一面的温度处于不断变化之中,储温体使得温差发电芯片另一面的温度变化相对滞后,由此实现利用环境介质温度使得温差发电芯片工作的目的;
2、散热装置外表设计为深色系,增强了换热效果,储温箱外表设计为浅色系,降低了吸热效率,使得温差发电芯片在露天环境下,两面的温差更明显;
3、储温箱内导热件的设置使得储温箱温度的分布更为平均,使得和导温层接触的温差发电芯片的接触面能与另一面持续保持较大的温差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种实施例中温差发电芯片、储温箱和散热件的结构示意图;
图2为图1中温差发电芯片的第一面以及第二面结构示意图;
图3为一种实施例中保温箱的密封结构示意图;
图4为一种实施例中导热片以及导热翅的结构示意图;
图5为一种实施例中上凹槽和下凹槽的结构示意图;
图6为一种实施例中,在图5的基础上,上凸刺、下凸刺以及密封垫的结构示意图;
图7为另一种实施例中,在图5的基础上,上凸刺以及密封垫的结构示意图;
图8为一种实施例中,多片温差发电芯片贴在储温箱表面的结构示意图;
图9为“对日均15摄氏度,昼夜温差为8摄氏度,温差发电芯片第一面和第二面温度变化情况”进行模拟的示意图;
图10为图9中温差绝对值变化的示意图;
图11为一种实施例的无极性升压电路图;
图12为又一种实施例的无极性升压电路图。
在上述附图中,各图号标记分别表示:
1-温差发电芯片,11-温差发电芯片第一面,12-温差发电芯片第二面,
2-储温箱,21-高比热容物质,
22-导温层,221-上凹槽,222-上凸刺,
23-导热件,231-导热片,232-导热翅,
24-箱体侧壁,241-下凹槽,242-下凸刺,
25-密封垫,26-螺丝,
3-散热件,31散热底层,32-散热条。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种时域温差供电系统,结合图1、图2,包括温差发电芯片1、储温体以及供电端;所述温差发电芯片包括第一面11和第二面12;所述温差发电芯片第一面11紧贴所述储温体;所述储温体含有高比热容物质21;所述温差发电芯片1将产生的电能输出至所述供电端;所述储温体的热源为环境介质。
与现有技术不同的一个技术点是,本发明时域温差供电系统的温差发电芯片两个表面(11,12)的温差的产生均是源于环境温度变化的结果,即温差发电芯片1不需要人为干预来提供额外的热源/冷源来使其第一面11和第二面12产生温差而达到发电的目的。在这里,本领域技术人员可以将“环境”理解为室外的自然环境,也可以理解为室内的环境。即意味着温差发电芯片1以及储温体可以设置在室外也可以设置在室内;当然,设置在室外一般会有较大的昼夜温差,这是一种较好的实施方式。
“环境介质”主要指空气,当然也包括因为天气的变化而使得环境介质中包括水蒸汽、雪以及雨等其他常见的物质。
本领域技术人员可以理解的是,温差发电芯片1既可以是一块常见的半导体温差发电芯片,也可以是可以利用温差产生电势差的模块等;本系统的温差发电芯片1既可以采用一片,也可以是多片的组合。
在形状和构造上,“储温体”既可以是一体成型的固体(如一高比热容的板块),也可以是密封/非密封的箱体,或者是一个固体块里密封有液体、气体等其他的形态。
高比热容物质21,是指其比热容要高于空气的常见物质,本领域技术人员可以根据本系统所在当地情况选择,在最低气温在零点以上的地区,比如华南地区等,高比热容物质可以考虑选择水;对于其它地区,如东北等地,气温在某个季节会达到零度以下,高比热容物质则应考虑使用防冻液、油等凝固点较低的物质,这些储温物质应用于时域温差供电系统,是本发明的创新点之一。高比热容物质21可以是一种成分也可以是多种成分的混合物。当然,储温体内也可以同时含有高比热容物质21以及部分低热容物质。
本领域技术人员可以理解的是,温差发电芯片1与储温体的接触面,既可以是平面也可以是曲面,既可以是完全接触,也可以是不充分接触;温差发电芯片1可以和储温体一个面接触,也可以和储温体多个面接触(此时一般是多个温差发电芯片1贴在储温体的多个表面上)。储温体由于存有高比热容物质21,使得温差发电芯片1与储温体接触的接触面的温差变化速率比温差发电芯片的另一面要低(储温体内温度变化相对于外界环境存在一定的时间滞后性),由此使得温差发电芯片第一面11和第二面12在同一时刻具备温差,而实现发电。
储温体与温差发电芯片1的接触方式可以采用粘接,也可以采用一体成型,也可以是可拆卸接触,在此不作特别限制。
温差发电芯片1输出的电能可以直接输给负载(如传感器)来使用或者输给蓄电池来将电能存储起来。“供电端”是指直接向负载或蓄电装置提供电能的端口,温差发电芯片与供电端的连接方式可以是直接的也可以是间接的。
图9模拟了日均15摄氏度,昼夜温差为8摄氏度,温差发电芯片第一面11和第二面12受环境介质(空气)温度变化的情况。图10显示出图9中温差曲线的绝对值的情况。图9的三条曲线分别显示出:
(1)温差发电芯片不与储温体接触的一面(第二面12),其自身温度随环境温度变化而变化的情况;
(2)温差发电芯片与储温体接触的一面(第一面11),其自身温度由于受到储温体高比热容的影响,随环境温度变化而变化的情况;
(3)温差发电芯片两面(11,12)温度差的绝对值,随环境温度变化而变化的情况。可以看出,由于储温体的温度变化存在时间滞后,使得温差可以长时间存在并被利用。
基于上述原理,在一些户外环境下,温差发电芯片两面(11,12)的温度差在一个昼夜周期内,会存在正温差和负温差的情况,温差发电芯片1输出的电流极性也会有正反之分。为全天候利用温差发电芯片发出的电能,在一个优选实施例中,所述时域温差供电系统还包括极性转换电路;所述极性转换电路包括双极性输入端以及单极性输出端;所述温差发电芯片1将其产生的电能通过极性转换电路输出到所述供电端;所述温差发电芯片1的输出端与所述双极性输入端电性连接;所述单极性输出端与所述供电端电性连接。
本领域技术人员可以理解的是,极性转换电路可以采用现成的电路结构,该电路只需要满足:能将温差发电芯片1输出的电流在任何时候都统一转换为单极性再对外输出。
考虑到温差发电芯片1两端输出的电压较低,不能匹配一些负载的工作电压,在一个优选实施例中,所述极性转换电路为无极性升压电路。无极性升压电路可以采用现有的技术,也可以采用如图11、图12所示的电路结构(该电路中的芯片型号为LTC3109)。
温差发电芯片的第二面12可以直接和环境介质(如空气)接触,也可以通过其他导热物质间接与环境介质进行热交换。在一个优选实施例中,如图1所示,所述时域温差供电系统还包括与所述温差发电芯片第二面12紧贴的散热件3。该散热件3包含高导热率材料,使得温差发电芯片第二面12与环境介质热交换的速率得到提升。散热件3可以采用常见的温差发电技术里的散热装置的结构,也可以是这些结构作出的其他变形,由于不属于本发明主要创新点,在此不作特别限制。图1提供的散热件的结构仅供参考,不排除可以采用其他的结构。
在一个优选实施例中,所述储温体包括一储温箱2;所述储温箱2紧贴所述温差发电芯片1;所述储温箱2内装有高比热容液体(即高比热容物质21),所述高比热容液体为水、防冻液、冷却液、油中的一种或多种。需指出的是,本实施例仅列出一部分高比热容液体,对此进行简单的替换,而采用其他液体物质也将落入本发明的保护范围。该设计使得本系统在寒冷地区也可以适用,当然意味着也可以在其他场合下使用。储温箱2的结构可以是图1、图3或图4所示的形态,当然也可以是其他的形态。另外,储温箱2除了与温差发电芯片1有接触的部分,其他箱体部分可以采用保温层的设计(即箱体本身可由保温材料做成,或者以保温材料作为所述箱体部分的内层、夹层或者外层),这样可以更好地阻隔储温箱2本身与外界的热交换。
在一个优选实施例中,如图1所示,所述储温箱2包括导温层22;所述导温层22一面紧贴所述温差发电芯片1,另一面设置有若干伸入所述高比热容液体内的导热件23。导热件23的存在,使得储温箱2温度的分布更为平均,使得和导温层22接触的温差发电芯片1的接触面能与温差发电芯片的第二面12持续保持较大的温差。
在一个优选实施例中,如图3或图4所示,所述导热件23包括连接于所述导温层22的导热片231,以及设置于所述导热片231表面的导热翅232。导热翅232进一步提高了导温层22和储温箱2内高比热容物质21的热交换效率,其数量不作特别限制。
在一个优选实施例中,如图5、图7所示,所述储温箱2还包括与所述导温层22外侧下沿连接的箱体侧壁24;所述箱体侧壁24顶端设置有下凹槽241;所述导温层22外侧下沿设置有位置与所述下凹槽241相对应的上凹槽221;所述下凹槽241以及所述上凹槽221之间设置有密封垫25;所述上凹槽221内设置有上凸刺222;所述上凸刺222插入所述密封垫25内。这样的设计使得储温箱2具有较好的密封性,箱体侧壁24与导温层22可以通过螺丝26连接来进行紧固(如图3所示)。密封垫25可以橡胶垫圈或紫铜垫圈等常见的接口密封垫圈。当然,在此基础上,如图6所示,下凹槽241内也可以设置下凸刺242,这样可以进一步提高储温箱2的密封度。
在一个优选实施例中,如图1所示,所述散热件3包括散热底层31以及设置于所述散热底层上的散热条32;所述散热件3表面的颜色为深色;所述储温箱2表面的颜色为浅色;所述温差发电芯片1与所述散热底层31、所述储温箱2的接触面间分别设置有导热硅脂、导热粉或散热金粉中的至少一种高导热介质。散热件3表面的颜色一般可以设置为黑色、棕色、紫色、褐色或红色等深色系,这样便于使其与外界环境进行热交换;储温箱2表面颜色一般可以设置为白色、浅灰、银色等浅色系,这样可降低储温箱2与外界交换热量的速率,特别适用于阳光较多的露天环境。
在一个优选实施例中,导温层22、导热片231、导热翅232以及散热件3均采用高导热率的材料做成,以实现快速的热交换。
在一个优选实施例中,所述温差发电芯片1为多片,所述多片温差发电芯片1集中紧贴所述储温箱2的一面或者多面(如图8所示)。这样进一步降低了储温箱2的温度变化速度,另外也提高了空间、资源利用率,使得多片温差发电芯片1可以同时依附于一个储温箱2进行工作。
上述列举的各种实施例,在不矛盾的前提下,可以相互组合实施,本领域技术人员可结合附图和上文对实施例的解释,作为对不同实施例中的技术特征进行组合的依据。
需要指出的是,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种时域温差供电系统,其特征在于:包括温差发电芯片、储温体以及供电端;
所述温差发电芯片包括第一面和第二面;
所述温差发电芯片第一面紧贴所述储温体;
所述储温体含有高比热容物质;
所述温差发电芯片将产生的电能输出至所述供电端;
所述储温体的热源为环境介质;
所述储温体为储温箱;所述储温箱紧贴所述温差发电芯片;所述储温箱内装有高比热容液体,所述高比热容液体为水、防冻液、冷却液、油中的一种或多种;
所述储温箱包括导温层;所述导温层一面紧贴所述温差发电芯片,另一面设置有若干伸入所述高比热容液体内的导热件;
所述储温箱还包括与所述导温层外侧下沿连接的箱体侧壁;
所述箱体侧壁顶端设置有下凹槽;
所述导温层外侧下沿设置有位置与所述下凹槽相对应的上凹槽;
所述下凹槽以及所述上凹槽之间设置有密封垫;
所述上凹槽内设置有上凸刺;
所述上凸刺插入所述密封垫内。
2.根据权利要求1所述的时域温差供电系统,其特征在于:
所述时域温差供电系统还包括极性转换电路;
所述极性转换电路包括双极性输入端以及单极性输出端;
所述温差发电芯片将其产生的电能通过极性转换电路输出到所述供电端;
所述温差发电芯片的输出端与所述双极性输入端电性连接;
所述单极性输出端与所述供电端电性连接。
3.根据权利要求2所述的时域温差供电系统,其特征在于:
所述极性转换电路为无极性升压电路。
4.根据权利要求3所述的时域温差供电系统,其特征在于:所述时域温差供电系统还包括与所述温差发电芯片第二面紧贴的散热件;
所述下凹槽内设置有下凸刺,所述下凸刺插入所述密封垫内。
5.根据权利要求4所述的时域温差供电系统,其特征在于:所述导热件包括连接于所述导温层的导热片,以及设置于所述导热片表面的导热翅。
6.根据权利要求5所述的时域温差供电系统,其特征在于:所述散热件包括散热底层以及设置于所述散热底层上的散热条;
所述散热件表面的颜色为深色;
所述储温箱表面的颜色为浅色;
所述温差发电芯片与所述散热底层、所述储温箱的接触面间分别设置有导热硅脂、导热粉或散热金粉中的至少一种高导热介质。
7.根据权利要求4所述的时域温差供电系统,其特征在于:所述温差发电芯片为多片,所述多片温差发电芯片集中紧贴所述储温箱的一面或者多面。
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