CN106602932A - 一种圆柱体热源温差发电装置 - Google Patents

一种圆柱体热源温差发电装置 Download PDF

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王乐乐
何仁
樊文渊
丁浩
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Abstract

本发明公开能量回收技术领域中的一种圆柱体热源温差发电装置，包括多个P型半导体、N型半导体、热端导电片和冷端导电片，由一个P型半导体、一个热端导电片、一个N型半导体和一个冷端导电片首尾相串联组成一个PN结，所有的PN结首尾相接组成一个半导体链，半导体链沿圆柱体的热源外壁的轴向来回排布，所有的热端导电片与热源外壁固定连接，所有的冷端导电片与散热器内表面相连接，将热源外壁直接作为温差发电模块的热端基板，当热源工作向外散发热量时，因为温差发电模块的热端就是外壁，没有多余的热量传导过程，所以热端温度较高，升温较快，提高了热传导的效率，使温差发电效率更高。

Description

一种圆柱体热源温差发电装置
技术领域
本发明涉及能量回收技术领域，特别涉及一种温差发电装置，可以回收利用废热能量进行发电。
背景技术
在汽车行驶过程中，大量的能量都浪费掉了，其中最主要的能量浪费形式是以热量的方式耗散到空气中，包括汽车发动机余热通过排气管排出、减振器将振动能量以热量形式耗散到空气中等，对这些废热能量进行有效的回收利用可以改善汽车的能量利用效率。能量回收的方法也比较多。相较于其它的能量回收方式，温差发电式能量回收装置对车辆部件原有结构改动较小，对内部结构更是没有改动，同时具有无污染、无噪声、质量轻、寿命长等优点，因此实施起来比较方便。
现有的温差发电模块都是平板形状，当平板形状应用在排气管、减振器等圆柱形热源上时，存在接触面积小、无法直接应用的问题。中国专利申请号为20120540568.3的文献中提出了一种具有自然冷端的外置式阵列型温差发电器单体，使用过程中根据热源的结构尺寸确定温差发电器单体的数量，所有温差发电器单体像链条一样连成封闭环，再根据单体使用要求将这多个温差发电单体的电极串联或并联，通过增加发电器单体的个数来增加热源外壁与温差发电单元的接触面积，虽然有一定的作用，但是效果不明显。
对于热源是圆柱状的温差发电装置，改进措施大多集中在通过设法增大热源与温差发电模块的接触率来提高发电效率。无论是改变发电模块的大小来尽可能适应圆柱形热源，还是通过改变热源的外部形态以便于安装温差发电模块的装置，对于热量通过热源外壁、外壁与温差发电模块热端接触缝隙、最后到热端基板的传导过程没有改变，热量的传导与收集效率较低，整个温差发电装置的发电效率也不理想。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种适用于圆柱体热源的温差发电装置，在不改变热源外部原有结构的基础上利用温差发电原理与相关装置实现能量的回收利用，提高热量的传导与收集效率。
本发明为解决技术问题采用的技术方案是：包括多个P型半导体、N型半导体、热端导电片和冷端导电片，由一个P型半导体、一个热端导电片、一个N型半导体和一个冷端导电片首尾相串联组成一个PN结，所有的PN结首尾相接组成一个半导体链，半导体链沿圆柱体的热源外壁的轴向来回排布，所有的热端导电片与热源外壁固定连接，所有的冷端导电片与散热器内表面相连接。
位于热源外壁轴向两端处的PN结中的冷端导电片是端部冷端导电片，该端部冷端导电片与热源外壁的中心轴相垂直，与端部冷端导电片首尾相连接的是分布于轴向两列的一个P型半导体和一个N型半导体。
本发明的优点在于：
1、本发明中的热源外壁在原有功能作用的基础上，同时起到温差发电模块热端导热基板的作用，将热源外壁直接作为温差发电模块的热端基板，解决了平板形温差发电模块与圆柱体热源外壁无法有效贴合的问题。当热源工作向外散发热量时，因为温差发电模块的热端就是外壁，没有多余的热量传导过程，所以热端温度较高，升温较快，减少了热量传导的过程，提高了热传导的效率，使温差发电效率更高。
2、本发明中的温差发电模块冷端自带散热片，热量流失较快，可以有效加快冷端散热和有效降低冷端温度，保证了温差发电模块冷热两端的温差，使发电模块能够有效的工作。
附图说明
图1是本发明一种圆柱体热源温差发电装置的外部结构示意图；
图2是图1所示装置的内部结构示意图；
图3是图2所示装置中两端PN结连接结构放大的俯视示意图；
图4是图2所示装置中散热器结构示意图；
图中：1—圆柱体热源温差发电装置，2—热源外壁，3—橡胶密封圈，4—端部冷端导电片，5—热端导电片，6—散热器，7—PN结，8—冷端导电片，9—P型半导体，10—N型半导体，11—导线连接点，12—过线口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步阐述本发明，应理解下述具体实施方式仅用于本发明但不用于限制本发明的范围。需要说明的是，为了便于展现装置结构，图示尺寸与实际装置尺寸并不相同，也不成比例。
如图1和图2所示，本发明圆柱体热源温差发电装置1安装在一个圆柱体的热源外壁2上，包括多个P型半导体9、N型半导体10、热端导电片5和冷端导电片8，多个P型半导体9和N型半导体10通过多个冷端导电片8和热端导电片5串接形成一个半导体链，半导体链中的P型半导体9、N型半导体10间隔交错连接，冷端导电片8和热端导电片5间隔交错连接。半导体链中相邻的一个P型半导体9和一个N型半导体10之间连接一个冷端导电片8或一个热端导电片5，半导体链中相邻的一个冷端导电片8和一个热端导电片5之间连接一个P型半导体9或一个N型半导体10。由一个P型半导体9、一个热端导电片5、一个N型半导体10和一个冷端导电片8首尾相串联组成一个PN结7，所有的PN结7首尾相接组成半导体链。
半导体链沿圆柱体的热源外壁2的轴向来回排布，并且所有的热端导电片5与热源外壁2固定连接，所有的冷端导电片8与散热器6内表面相连接。冷端导电片8和散热器6之间利用绝缘导热胶连接。半导体链中的P型半导体9、N型半导体10相互平行，并且均与热源外壁2的切向相垂直。
P型半导体9和N型半导体10都是长方体柱状结构，外形尺寸相同。P型半导体9和N型半导体10的轴向横截面都是正方形。轴向相邻的两列半导体链之间的间距等于P型半导体9和N型半导体10的轴向横截面正方形的边长。P型半导体9和N型半导体10的内端为热端且均连接热端导电片5，外端为冷端且均连接冷端导电片。与内端热端相连接的热端导电片5利用绝缘导热胶黏贴在圆柱体的热源外壁2上。
参见图2和图3，位于热源外壁2轴向两端处的PN结7中的冷端导电片8是端部冷端导电片4，该端部冷端导电片4与热源外壁2的中心轴相垂直，该端部冷端导电片4的首尾之间的方向与热源外壁2的切线方向一致，与该端部冷端导电片4首尾相连接的是分布于轴向两列的一个P型半导体9和一个N型半导体10。利用端部冷端导电片4将轴向平行的半导体链连接成一条完整的半导体链，使圆柱体的热源外壁2密布PN结7，形成半导体温差发电矩阵，该半导体温差发电矩阵整体为圆柱状，内壁为热端导电片5，外壁由冷端导电片8和端部冷端导电片4组成。
热端导电片5与热源外壁2的接合面是圆弧形，P型半导体9、N型半导体10、端部冷端导电片4、冷端导电片8以及散热器6的相互接合面也都是圆弧形，且圆弧形的圆心与热源外壁2的中心重合。贴合时保证热端导电片5与热源外壁2以及端部冷端导电片4、冷端导电片8与散热器6之间是绝缘的。
参见图2和图4，散热器6为两个半圆柱壳体拼接形成的圆筒形，套在半导体链的外部。热源外壁2与散热器6轴向两端之间的间隙用橡胶密封圈3进行密封固定，可以起到保温与防尘的作用。散热器6外部散热片的排布方式可以根实际情况作出改变，尽量保证散热片间的缝隙与外部风向相同。
参见图 2，半导体链的两端连接导线11，在热源外壁2一端的橡胶密封圈3上开设过线口12，导线11通过导线的过线口12与外部电路相连。
当热源外壁2向外散发热量时，因为温差发电模块的热端就是热源外壁2，没有多余的热量传导过程，所以热端温度较高。而冷端导电片8自带散热片，热量流失较快，能有效降低冷端温度。温差发电装置因为冷热端的温差作用发电，当冷端、热端的温差达到预定范围时，基于半导体的塞贝克效应，热能被转化为电能，电能通过PN结7的链条两端的导线11将电流导出，经过处理后用于其它用电部件供电或储存在电源内。

Claims (7)

1.一种圆柱体热源温差发电装置，其特征是：包括多个P型半导体（9）、N型半导体（10）、热端导电片（5）和冷端导电片（8），由一个P型半导体（9）、一个热端导电片（5）、一个N型半导体（10）和一个冷端导电片（8）首尾相串联组成一个PN结（7），所有的PN结（7）首尾相接组成一个半导体链，半导体链沿圆柱体的热源外壁（2）的轴向来回排布，所有的热端导电片（5）与热源外壁（2）固定连接，所有的冷端导电片（8）与散热器（6）内表面相连接。
2.根据权利1所述一种圆柱体热源温差发电装置，其特征是：位于热源外壁（2）轴向两端处的PN结（7）中的冷端导电片（8）是端部冷端导电片（4），该端部冷端导电片（4）与热源外壁（2）的中心轴相垂直，与端部冷端导电片（4）首尾相连接的是分布于轴向两列的一个P型半导体（9）和一个N型半导体（10）。
3.根据权利2所述一种圆柱体热源温差发电装置，其特征是：热端导电片（5）与热源外壁（2）的接合面是圆弧形，P型半导体（9）、N型半导体（10）、端部冷端导电片（4）、冷端导电片（8）以及散热器（6）的相互接合面也都是圆弧形，圆弧形的圆心与热源外壁（2）的中心重合。
4.根据权利1所述一种圆柱体热源温差发电装置，其特征是：P型半导体（9）和N型半导体（10）外形尺寸相同，都是长方体柱状结构且相互平行，均与热源外壁（2）相垂直，P型半导体（9）和N型半导体（10）的轴向横截面都是正方形，轴向相邻的两列半导体链之间的间距等于正方形的边长。
5.根据权利1所述一种圆柱体热源温差发电装置，其特征是：热端导电片（5）用绝缘导热胶黏贴在热源外壁（2）上，冷端导电片（8）和散热器（6）之间用绝缘导热胶连接。
6.根据权利1所述一种圆柱体热源温差发电装置，其特征是：散热器（6）为圆筒形，套在半导体链的外部，热源外壁（2）与散热器的轴向两端之间的间隙用橡胶密封圈（3）密封固定。
7.根据权利6所述一种圆柱体热源温差发电装置，其特征是：热源外壁（2）一端的橡胶密封圈（3）上设有过线口（12），半导体链的两端连接导线（11），导线（11）通过导线的过线口（12）与外部电路相连。
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