CN107248824A - 一种层叠式的热能电能转换模组及其发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种层叠式的热能电能转换模组及其发电装置。一种层叠式的热能电能转换模组包括冷端、热端，以及连接至冷端的冷端导热层和连接至热端的热端导热层；所述的冷端导热层和热端导热层均多于一层，且彼此对置地进行部分交替层叠；每层所述的冷端导热层和热端导热层的层叠处之间设置半导体热电元件，所述的半导体热电元件的一面接触所述的冷端导热层，另一面接触所述的热端导热层；所述的半导体热电元件的引出端连接电路。提供了一种发电制冷功率大，可多联组合成超大机组，体积小功率密度大，生产安装成本低，冷端和热端不受距离限制的层叠式的热能电能转换模组及其发电装置，为温差发电制冷在工业、生活中的应用创造了可行的技术支持。

Description

一种层叠式的热能电能转换模组及其发电装置

技术领域

本发明尤其涉及一种层叠式的热能电能转换模组及其发电装置。

背景技术

近几十年来，利用热电发电技术（也称温差发电技术）进行发电，已经成为国际范围内的一个研究热点。

温差发电技术是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的。温差发电的原理是将P型和N型两种不同类型的热电材料(P型是富空穴材料，N型是富电子材料)相连形成一个热电偶对，一端置于高温状态，另一端置于低温，则由于热激发作用，P(N)型材料高温端空穴(电子)浓度高于低温端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就通过高低温端间的温差完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的过程。单独的一个PN热电偶对，可形成的电动势很小，而如果将很多PN热电偶对串联起来，就可以得到足够高的电压，成为一个温差发电器。温差发电器在工作过程中,高温端从热源吸收热量,低温端借助散热器将装置高温端的热量不断扩散,同时将热能转化成电能。反之，对热电偶对通电，就会形成一端热一端冷，供人们生产生活需要。

然而，目前的温差发电技术虽然是研究热点，但是温差发电技术因转化效率极低，“吸热”、“放热”相当大的量，才能输出很少的电能，所以仍旧处在非常边缘化的地位，无法应用和普及。温差发电技术的关键是温差能的转换效率，温差发电片的转换效率不高于14%，更重要的是，温差发电片无法直接使用，单片功率小，大多只能用于几w的小功率场合发电。目前通过复杂结构进行串并联，无法做到较大功率，无法集成大规模使用，且成本很高，整体转换效率不高于5%-8%。温差发电技术往往采用单片温差发电片，温差发电片的两个面分别走冷水和热水，因为发电效率低，受结构限制难以制造大功率温差发电机组，和大功率制冷机组，加热散热的传热受距离结构限制等问题，使得温差发电及制冷的实际应用得不到很好的发挥。

为了提高发电效率，公告号为CN 105006996 A的中国发明专利《一种相变抑制传热温差发电器件》，公开了 “一种相变抑制传热温差发电器件及其制造方法，相变抑制传热温差发电器件包括至少一个温差电单体 ；所述温差电单体包括一P 型温差电元件、一 N型温差电元件、一相变抑制散热板及一相变抑制集热板。本发明的相变抑制传热温差发电器件在热路上减少了陶瓷片热阻及其与电极界面的接触热阻，有利于建立温差，相变抑制传热板既是电极又是热面和冷面的热交换器，不存在界面热阻，大大提高了温差发电器的热-电转换效率 ；将若干单体组合起来，可获得较大的输出电压和输出电功率。”然而该专利只能应用于相变抑制传热领域，其结构只能将温差电单体独立排布，再进行串联或者并联，事实上仍然无法做到大规模发电，或者在需达到大规模发电时仍然要采用非常复杂的结构和连接方式。从另一个角度来说，该器件因为结构特性，生产成本非常昂贵，一台生产设备在800万以上。

发明内容

本发明的目的是解决上述背景技术中存在的问题，提供了一种简单有效的解决途径。具体地提供一种发电制冷功率大，可多联组合成超大机组，体积小功率密度大，生产安装成本低，冷端和热端不受距离限制的层叠式的热能电能转换模组及其发电装置，为温差发电制冷在工业、生活中的应用创造了可行的技术支持。

本发明采用了以下技术方案：

本发明一种层叠式的热能电能转换模组，包括冷端、热端，以及连接至冷端的冷端导热层和连接至热端的热端导热层；所述的冷端导热层和热端导热层均多于一层，且彼此对置地进行部分交替层叠；每层所述的冷端导热层和热端导热层的层叠处之间设置半导体热电元件，所述的半导体热电元件的一面接触所述的冷端导热层，另一面接触所述的热端导热层；所述的半导体热电元件的引出端连接电路。

作为优选，所述的半导体热电元件之间平行设置。

作为优选，所述的半导体热电元件、冷端导热层和热端导热层之间均通过导热粘性材料粘合。所述的导热粘性材料更具体来说是导热胶。

作为优选，所述的冷端导热层或/和热端导热层为导热板。效率低，铜，石墨丝，双面双向的，没有方向的，把冷往下倒 ，冷端可以在下面。

作为优选，所述的导热板采用导热材料制成。更具体地来说，考虑降低成本的情况下，所述的导热板的导热材料可以采用铜等价格较低的材料，考虑导热性能好的情况下，所述的导热板的导热材料可以采用石墨丝等导热性能较好的材料。传统的冷端导热层或/和热端导热层需采用上端面为热，下端面为冷，而采用本优选方案的导热板，可以实现双面任意置换冷端方向导热，没有方向要求，易于在海洋温差发电等技术中使用。

作为优选，所述的导热板为设有传输通道的均温板。设有传输通道的均温板转换效率高，所述的传输管道通过液体或气体介质快速传输热能，再向所述的传输通道周围扩散。

作为优选，所述的冷端导热层或/和热端导热层为介质导流装置。介质导流装置成本较低。

作为优选，所述的介质导流装置设有具有一定形状的封闭管道，所述封闭管道用于传输传热介质。

一种层叠式的热能电能转换模组的发电装置，所述的一种层叠式的热能电能转换模组的连接电路相互稳压并联，或共用一极并联，或直接串联。一般电池并联正极和正极一起，负极和负极在一起。共用一极并联是指，若当正极在一起时负极不在一起，而是仍独立，或者当负极在一起时，正极不在一起仍独立，好处是不用稳压。

本发明的有益效果是：

本发明冷端和热端独立设置且相互分离，互不干扰和影响。本发明可以根据发电功率需求任意选择叠加的半导体热电元件数量、面积，不存在最大功率的限制。冷端导热层和热端导热层采用导热性能良好的材料，几乎无需经过其他中间结构，界面热阻较小，导热效率高，减少了热量散失，提高了热电转换效率和输出功率。所述的冷端导热层和热端导热层的形状、面积、长度、宽度均可任意设置，可完全适用于冷端和热端相距较远，或者空间狭窄的情况，能够快速均温不受距离限制。

本发明结构化繁为简，制造工艺和安装工艺极其简单，结构科学合理，提高了空间和材料利用率，大大降低了原材料消耗和成本。

本发明解决目前温差发电技术能量转化效率极低的关键问题，使温差转换效率等同于发电片本身的转化效率，其结构紧凑性高，在低成本和占用较小空间的情况下就可以获得较大的发电功率，是温差发电技术的一次革命性突破。

附图说明

图1是本发明一种层叠式的热能电能转换模组的结构图。

图2 是本发明一种层叠式的热能电能转换模组的结构原理图。

图3是本发明一种层叠式的热能电能转换模组的发电装置的第一种结构图。

图4是本发明一种层叠式的热能电能转换模组的发电装置的第二种结构图。

1、冷端，11、冷端进水口，12、冷端出水口，2、热端，21、热端进水口，22、热端出水口，3、冷端导热层，4、热端导热层，5、半导体热电元件。

具体实施方式

以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1-3示，本发明包括冷端1、热端2，以及连接至冷端1的冷端导热层3和连接至热端2的热端导热层4；所述的冷端导热层3和热端导热层4均多于一层，且彼此对置地进行部分交替层叠；每层所述的冷端导热层3和热端导热层4的层叠处之间设置半导体热电元件5，所述的半导体热电元件5的一面接触所述的冷端导热层3，另一面接触所述的热端导热层4；所述的半导体热电元件5的引出端连接电路。所述的半导体热电元件5之间平行设置。所述的半导体热电元件5、冷端导热层3和热端导热层4之间均通过导热粘性材料粘合。所述的冷端导热层3或热端导热层4为导热板。所述的冷端导热层3或热端导热层4为介质导流装置。所述的介质导流装置设有用于传输传热介质的导热结构。所述的水流导向装置设有具有一定形状的封闭管道，所述封闭管道用于传输传热介质。所述的一种层叠式的热能电能转换模组的连接电路相互串联或并联。

从本发明所述的一种层叠式的热能电能转换模组看，所述的热端导热层4和冷端导热层3分别设置于半导体热电元件5的两侧，所述的热端导热层4和冷端导热层3通过半导体热电元件5相互隔离。任一热端导热层4的上表面接触上一层半导体热电元件5的下表面，下表面接触下一层半导体热电元件5的上表面，尽可能地对材料和空间进行了利用，所述的半导体热电元件5在电路中的连接方式包括并联或串联等形式。

更进一步地，所述的半导体热电元件5为温差发电片。

更具体地来说，如图1所示，所述的热端进水口21和热端出水口22的水流方向A，冷端进水口11和冷端出水口12的水流方向B，A和B为同一顺时针或逆时针方向。利于提高导热效率。

以下通过具体实施方式实施例1-4展开阐述，用以对本发明的技术特征进行更清楚的说明，包括但不限于以下形式：

实施例1，如图3所示，以所述的冷端导热层3和热端导热层4为导热板为例，所述的冷端1包括箱体，以及设于箱体两侧的冷端进水口11和冷端出水口12，所述的热端2包括箱体，以及设于箱体两侧的热端进水口21和热端出水口22；所述的多层冷端导热层3的一端设于所述的冷端1的箱体中，所述的多层热端导热层4的一端设于所述的热端2的箱体中。所述的热端2箱体由热端进水口21进水，热端出水口22出水，均匀将热能传导至所述的热端导热层4。所述的冷端1箱体由冷端进水口11进水，冷端出水口12出水，均匀将热能传导至所述的热端导热层4。

实施例2，如图4所示，将实施例1的箱体替换成包裹在每层冷端导热层3和热端导热层4外的壳体。每层包裹所述的冷端导热层3的壳体分别连接冷端进水口11和冷端出水口12，所述的冷端进水口11之间通过管道相连，所述的冷端出水口12之间通过管道相连，每层包裹所述的热端导热层3的壳体分别连接热端进水口21和热端出水口22，所述的热端进水口11之间通过管道相连，所述的热端出水口12之间通过管道相连。

实施例3，作为一种实施例，本发明作为一种层叠式的热能转换为电能的发电模组，所述的热端2产生高温，并通过所述的热端导热层4快速均温，将热能传达至半导体热电元件5的一表面，此时，所述的冷端1产生相对较低温度，并通过所述的冷端导热层3快速均温传达至半导体热电元件5的另一表面。

将一个所述的半导体热电元件5、一层所述的冷端导热层3和一层热端导热层4从整体中拆分为一个单元的视角看：所述的半导体热电元件5的一面接触热端导热层4置于高温状态、另一面接触冷端导热层3形成低温，则由于热激发作用，从而在半导体热电元件5本身形成电动势，通过高低温端间的温差将高温端输入的热能转化成电能，输出至所述的电路。

实施例4，作为一种实施例，本发明作为一种层叠式的电能转换为热能的模组，所述的电路输出电能至所述的半导体热电元件5，使所述的半导体热电元件5的一个面产生高温，并通过所述的热端导热层4快速均温，将热能传达至热端2；另一个面产生相对低温，此时并通过所述的热端导热层4快速均温传达至冷端1。从而实现控制冷端1和热端2的温度。

实施例5，一种层叠式的热能电能转换模组的发电装置，如图3所示，作为一种实施例，所述的半导体热电元件5呈板状，且每层半导体热电元件5之间相互平行。但根据其原理来说，只要求冷端导热层3、半导体热电元件5、热端导热层4、半导体热电元件5依次夹层，并不对其形状和其他排列规则做出限定。

实施例6，作为一种实施例，所述的导热层为介质导流装置，采用水流供热或散冷。

除了发明述的热端2的供热方式除了水供热以外，还包括直接燃烧加热，热风加热，或地热加热等。为了环保，还可以利用地热水、地热气或者工业排放的废热水、废热气，采用绿色环保的能源或者回收再利用能源进行发电，具有较高的发电效率，且组装应用灵活，适用范围广。冷端1的散热方式也有很多种，在本实施例1中亦仅是其中一种水冷方式，还可以是风冷，冰层散热等。

在其他的拓展形式上，本发明可以通过装置的设计，可以将直的传热结构设计成弯曲的以适应不同加热散热方式的需要。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围，这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种层叠式的热能电能转换模组，其特征在于：包括冷端（1）、热端（2），以及连接至冷端（1）的冷端导热层（3）和连接至热端（2）的热端导热层（4）；所述的冷端导热层（3）和热端导热层（4）均多于一层，且彼此对置地进行部分交替层叠；每层所述的冷端导热层（3）和热端导热层（4）的层叠处之间设置半导体热电元件，所述的半导体热电元件的一面接触所述的冷端导热层（3），另一面接触所述的热端导热层（4）；所述的半导体热电元件（5）的引出端连接电路。

2.根据权利要求1所述的一种层叠式的热能电能转换模组，其特征在于：所述的半导体热电元件（5）之间平行设置。

3.根据权利要求1所述的一种层叠式的热能电能转换模组，其特征在于：所述的半导体热电元件（5）、冷端导热层（3）和热端导热层（4）之间均通过导热粘性材料粘合。

4.根据权利要求1或2所述的一种层叠式的热能电能转换模组，其特征在于：所述的冷端导热层（3）或/和热端导热层（4）为导热板。

5.根据权利要求4所述的一种层叠式的热能电能转换模组，其特征在于：所述的导热板采用导热材料制成。

6.根据权利要求4所述的一种层叠式的热能电能转换模组，其特征在于：所述的导热板为设有传输通道的均温板。

7.根据权利要求1或2所述的一种层叠式的热能电能转换模组，其特征在于：所述的冷端导热层（3）或/和热端导热层（4）为介质导流装置。

8.根据权利要求7所述的一种层叠式的热能电能转换模组，其特征在于：所述的介质导流装置设有具有一定形状的封闭管道，所述封闭管道用于传输传热介质。

9.根据权利要求1所述的一种层叠式的热能电能转换模组，其特征在于：所述的冷端（1）包括箱体，以及设于箱体两侧的冷端进水口（11）和冷端出水口（12），所述的热端（2）包括箱体，以及设于箱体两侧的热端进水口（21）和热端出水口（22）；所述的多层冷端（1）导热层的一端设于所述的冷端（1）的箱体中，所述的多层热端导热层（4）的一端设于所述的热端（2）的箱体中。

10.一种层叠式的热能电能转换模组的发电装置，其特征在于：如权利要求1所述的一种层叠式的热能电能转换模组的连接电路相互稳压并联，或共用一极并联，或直接串联直接串联。