CN107681925A - 一种两级温差发电的余热利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两级温差发电的余热利用装置，包含了热源、半导体温差发电片、液流型热电化学电池系统。液流型热电化学电池系统由电解液、电极、散热器、水泵组成。半导体温差发电片热侧与热源接触，冷侧与电解液接触，在温差下进行一级发电。电解液在水泵作用下流经半导体温差发电片表面与散热器，分别形成高温、低温电解液。电极在高低温电解液中形成热电化学电池，在电解液温差下进行二级发电。本发明将两种温差发电技术联合使用，充分发挥了热电化学电池具有流动性与工作温区较低低的特性，同时实现了对半导体温差发电片的冷侧冷却和余能的二次利用，提高了半导体温差发电片的发电功率与余热的总体利用率。

Description

一种两级温差发电的余热利用装置

技术领域

本发明涉及一种余热回收装置，尤其涉及一种两级温差发电的余热利用装置。

背景技术

半导体温差发电作为一种热电直接转换的技术，在余热回收利用领域得到了广泛的研究与应用。但由于半导体温差发电片本身厚度较小，在实际应用中，难以获得足够的温差。为了使冷端温度下降，通常采用精心设计的冷端换热面，使用强制风冷、水冷、热管等散热方式，其中水冷方式成本较低，效果也比较明显，在实际使用中较为常见。然而，水冷方式导致部分热量通过高温冷却水被耗散。为了进一步利用冷却水中的能量，余热的梯级利用是一种有效的解决思路。但梯级利用通常意味着要增加新的余热利用装置，增加了系统复杂性与体积，对系统可靠性与维修便利性提出了挑战，同时在一些有限空间的工业领域(如车用领域)无法使用。

热电化学电池是一种液体型的热电直接转换技术，通过电化学方式，将施加在电解液中的温差转化为电极上的电势差。热电化学电池的原理示意图如附图2所示，对铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液中，插入两根惰性电极，分别对两电极侧的电解液进行加热与制冷，即在电极上形成电势差，电子在外电路中流动，离子在电解液中移动，形成电流回路。具体原理为电极反应存在温度效应，对于同一电解液和电极，温度会影响电极反应的平衡，在不同的温度下，形成的电极电势不同，因此当两组电极与电解液存在温差时，就会产生电势差。由于电解液具有高温挥发显著或沸腾的特性，因此该技术仅用于溶液沸点以下的环境。另外，电解液拥有流动性，对各种复杂形状的热源表面有非常好的适应性，另外也可对电解液进行强制对流等操作。但热电化学电池存在一定问题，尤其是目前较低的输出功率阻碍着它的规模化运用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种两级温差发电的余热利用装置。

本发明采用如下方案：

一种两级温差发电的余热利用装置包含热源、半导体温差发电片和液流型热电化学电池系统，所述的液流型热电化学电池系统包括热端电解液区、冷端电解液区、电极、散热器、水泵；

所述的半导体温差发电片热侧与热源接触，冷侧与液流型热电化学电池系统中的热端电解液区接触；热端电解液区、散热器、冷端电解液区和水泵顺次循环连接形成回路，电解液在回路中循环流动；所述的电极有两个，分别位于热端电解液区、冷端电解液区内。

热源与电解液为半导体温差发电片提供温差，进行一级发电。电解液在水泵作用下循环于系统中，首先流经半导体温差发电片表面，吸收从表面传导出的热量，温度提升形成高温电解液，然后经散热器散热降温后，形成低温电解液。电极为容纳高温电解液与低温电解液的容器壁。处在高温电解液与低温电解液中的电极，由于电解液的温差，产生电势差，进行二级发电。两级发电的电能全部存储于储能装置中。

优选的，所述的电解液为铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液。

优选的，所述的电解液的背景溶液为氯化钾溶液。

优选的，所述的电极为石墨电极。

优选的，所述的热源包括热源管道、储热介质、储热槽壳体，热源管道设置在储热槽壳体内或与储热槽壳体接触，所述的储热槽壳体内填充储热介质；所述的储热槽壳体至少一个侧面设计为平板结构，所述的半导体温差发电片热侧与所述的储热槽壳体的平板结构侧面接触。

优选的，所述的热源为热管，半导体温差发电片围绕热管呈多边形布置，半导体温差发电片之间以绝热填充物填充。

优选的，所述的电极为热端电解液区、冷端电解液区的一侧容器壁；所述的电极的外层添加保护层。

优选的，所述的热端电解液区、冷端电解液区或电极的至少一个表面设有翅片。

与现有的技术方案对比，本发明具有的有益效果是：它利用了热电化学电池电解液的流动性，对半导体温差发电片冷侧进行了水冷，增加了半导体温差发电片的发电功率。于此同时利用热电化学电池，在几乎不增加新部件的前提下，解决了冷却液中的余热利用问题。梯级利用很好的解决了热电化学电池单独使用时遇到的功率不足问题，整个系统联合了两种温差发电模式，可以获得比单独使用任何一种技术都更大的功率，使得该技术具有更大的应用前景。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是热电化学电池原理示意图；

图3是一种管式两级温差发电装置的截面示意图；

图4是一种平板式两级温差发电装置储热槽的俯视示意图；

图5是平板式两级温差发电装置冷却板槽道示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步介绍。

参见附图，图1为本发明系统结构示意图，图2是热电化学电池原理示意图，图3、图4、图5是本发明具体应用时可采用的两种参考设计的示意图，分别为管式和平板式。

如图1所示，一种两级温差发电的余热利用装置，包含热源1、半导体温差发电片2、液流型热电化学电池系统，其特征在于半导体温差发电片2热侧与热源1接触，冷侧与液流型热电化学电池系统中的高温电解液3接触。热源1与高温电解液3为半导体温差发电片提供温差，进行一级发电。液流型热电化学电池系统包含高温电解液3、低温电解液4、电极5、散热器6、水泵7，电解液在水泵作用下循环于系统中，首先流经半导体温差发电片2表面，吸收从表面传导出的热量，温度提升形成高温电解液3，然后经散热器6散热降温后，形成低温电解液4。电极5为容纳高温电解液3与低温电解液4的容器壁。处在高温电解液3与低温电解液4中的电极，由于电解液的温差，产生电势差，进行二级发电。两级发电的电能全部存储于电池8中。

图2为热电化学电池的基本原理示意图。热电化学电池可采用的电解液配方种类繁多，理论上任意氧化还原反应都可被用于制作热电化学电池。本发明推荐使用铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液作为电解液，铁氰根与亚铁氰根的反应式见图2。该反应具有较大的温度系数，达到了1.4mV/K，同时该溶质为常见的化学品，具有较高的性价比。为了提高溶液的导电性，以氯化钾溶液作为该电解液的背景溶液。采用的惰性电极选择石墨，因其具有良好的导电性，易加工成型，强度高，并且成本较低，适应工业规模化生产制造。

图3是一种管式两级温差发电装置的截面示意图。由于工业余热通常以高温废气废水流经管道的形式出现。因此，本发明可设计成直接包覆于管道的管式结构。该设计包含热源1、内管道9、半导体温差发电片2、中管道10、绝热填充物11、电解液2、电极5、保护层12，其特征为半导体温差发电片2围绕内管道呈多边形布置，夹于内管道9于中管道10之间，半导体温差发电片2之间以绝热填充物11填充，中管道外为电解液2与电极5，最外层为保护层12。由于半导体温差发电片2为硬质薄板状结构，难以直接贴合圆柱型管道，因此采用多边形包覆的方式。半导体温差发电片2之间的绝热填充物可以防止热量耗散。电极5为石墨管道，为了防止其损坏或漏电，在最外层需要添加保护层12。在实际应用中，为了提高换热速率，内管道9、中管道10与电极5的表面均采取特殊处理，如增加翅片等。

图4、图5为一种平板式两级温差发电装置的结构示意图。由于管式结构半导体温差发电片直接接触热源，在热源波动性很强时，半导体温差发电片难以持续以高效率运行，而热源极限温度超过半导体温差发电的工作范围时，还会对半导体的寿命产生较大的损害。为了解决上述问题，需要在热源与半导体温差发电片之间增加热缓冲物，如储热物质等。图4为一种平板式两级温差发电装置储热槽的俯视示意图，包含了热源管道14、储热介质15、储热槽壳体13，其特征为，储热槽壳体13容纳储热介质15，热源管道14在储热介质中蛇形布置。该设计使得波动热源的热量首先转移至储热介质15中，储热介质15作为热源，再向半导体温差发电片提供热量。为了提高换热接触面，热源管道14设计成蛇形布置。由于储热槽为平板结构，无法像管式设计一样延伸，在有限空间下，半导体温差发电与电解液换热的结构应设计成带槽道的冷却板，以增大换热面积与电极面积，如图5。

Claims (8)

1.一种两级温差发电的余热利用装置，其特征在于包含热源(1)、半导体温差发电片(2)和液流型热电化学电池系统，所述的液流型热电化学电池系统包括热端电解液区(3)、冷端电解液区(4)、电极(5)、散热器(6)、水泵(7)；

所述的半导体温差发电片(2)热侧与热源(1)接触，冷侧与液流型热电化学电池系统中的热端电解液区(3)接触；热端电解液区(3)、散热器(6)、冷端电解液区(4)和水泵(7)顺次循环连接形成回路，电解液在回路中循环流动；所述的电极(5)有两个，分别位于热端电解液区(3)、冷端电解液区(4)内。

2.如权利要求1所述的两级温差发电的余热利用装置，其特征在于所述的电解液为铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液。

3.如权利要求2所述的两级温差发电的余热利用装置，其特征在于所述的电解液的背景溶液为氯化钾溶液。

4.如权利要求1所述的两级温差发电的余热利用装置，其特征在于所述的电极为石墨电极。

5.如权利要求1所述的两级温差发电的余热利用装置，其特征在于所述的热源(1)包括热源管道(14)、储热介质(15)、储热槽壳体(13)，热源管道(14)设置在储热槽壳体(13)内或与储热槽壳体接触，所述的储热槽壳体内填充储热介质(15)；所述的储热槽壳体(13)至少一个侧面设计为平板结构，所述的半导体温差发电片(2)热侧与所述的储热槽壳体的平板结构侧面接触。

6.如权利要求1所述的两级温差发电的余热利用装置，其特征在于所述的热源(1)为热管，半导体温差发电片(2)围绕热管呈多边形布置，半导体温差发电片(2)之间以绝热填充物(11)填充。

7.如权利要求1所述的两级温差发电的余热利用装置，其特征在于所述的电极(5)为热端电解液区(3)、冷端电解液区(4)的一侧容器壁；所述的电极(5)的外层添加保护层。

8.如权利要求1所述的两级温差发电的余热利用装置，其特征在于所述的热端电解液区(3)、冷端电解液区(4)或电极(5)的至少一个表面设有翅片。