CN108258936A - 基于相变传热的温差发电系统及发电方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于相变传热的温差发电系统及发电方法，属于传热领域。其特征在于：包括热源、导热板、温差发电元件、带散热翅片的导热块以及装有液体工质的液体箱。本发明提出一种基于相变传热的发电系统及发电方法，温差发电元件冷端与液体箱之间设置散热翅片，一方面尽可能增加与液体工质之间的换热面积，从而高效快速地带走热量以保持温差发电元件冷端较低的温度；另一方面液体工质通过散热翅片形成的密集槽道时避免了过快的流速无法有效带走热量的问题，且避免了液体工质形成局部自循环带来换热效果的恶化。本发明提出在负压环境下工作，基于相变传热的原理，利用液体工质的显热和潜热传热能力，从而显著延长有效发电时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于相变传热的温差发电系统及发电方法，属于传热领域。
背景技术
温差发电技术的关键之处在于冷源的设计，而水冷的散热方式，作为温差发电元件冷端的散热方式，被广泛应用于温差发电产品中。尤其是空间狭小有限且通风较差的较为封闭的恶劣环境，水冷的散热方式才能有效带走温差发电元件冷端的热量从而保持相对稳定的温差。但是对于较为封闭的环境，外接泵驱动的外接水源的水冷散热方式也不太可取，且泵自身也是耗能的动部件，一方面需要提供电量，另一方面寿命有限且需要定期维护。此前针对空间有限且较为密闭的恶劣环境，提出了基于热虹吸原理的冷源设计方法，使得温差发电元件冷端采用液体工质的闭式循环。这种闭式循环的冷源设计方法，与外接泵驱动的外接水源的散热方式相比，缺点在于温差发电时间有限，当有限的液体工质温度趋于平衡时，散热效果就会变差，发电能力就会变差。另外当液体工质流经温差发电元件冷端时是否快速有效地带走热量，使得冷端的温度长时间保持较低的温度，需要在结构上进行设计。如何在狭小且密闭的空间中，实现有限的液体工质尽可能有效地带走热量使得温差发电元件冷热端有效温差保持尽可能较久的时间，是一个值得研究的方向。为此，本发明提出一种基于相变传热的温差发电系统及发电方法。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于相变传热的温差发电系统及发电方法。
该基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：该温差发电系统依次包括热源、导热板、温差发电元件、导热块；上述导热板的厚度大于1mm，小于5mm；上述导热块的厚度d的取值范围为1≤d≤40mm；将上述导热块与温差发电元件接触的面称为接触面；当1≤d≤10mm时, 导热块上与接触面相反的面上布置有装散热翅片；当10＜d≤40mm时, 导热块上除接触面之外的面均布置有散热翅片；该温差发电系统还包括液体箱,上述导热块上的部分散热翅片或全部散热翅片嵌入液体箱中形成连续的密集槽道；嵌入液体箱中的散热翅片端部与对应液体箱壁之间布置有非封闭式挡板；液体箱中装有液体工质，但不完全装满；液体箱开设有注水口。
所述一种基于相变传热的温差发电系统的发电方法，其特征在于包括以下过程：上述液体箱中在常压或者负压环境工作，负压时注水口又用于抽真空；上述导热板一端紧贴热源吸收热量，温差发电元件的一端紧贴导热板的另一端，吸收导热板传递的热量形成热端，温差发电元件的另一端作为冷端，紧贴导热块的一端，将自热端传递过来的热量散给导热块；导热块的部分散热翅片或全部散热翅片嵌入液体箱；导热块通过嵌入液体箱中的散热翅片将热量传递给液体箱中的液体工质；液体箱中的处于散热翅片所形成的密集槽道内的液体工质由于吸收散热翅片传递过来的热量而升温形成热流体经密集槽道排向液体箱的上部，而液体箱下部的相对较冷的液体工质从非封闭式挡板与液体箱侧壁之间的缺口流经非封闭式挡板与液体箱底部形成的通道补充进入散热翅片所形成的密集槽道内，继续吸收散热翅片传递过来的热量，由此液体箱中的液体工质形成自循环；在负压情况下，当液体工质吸收散热翅片的热量升温达到蒸发温度时，热流体以热蒸汽的状态排向液体箱的顶部，在液体工质液面处冷凝成液态，伴随着相变过程，而液体箱下部冷态的液体工质继续补充去吸收热量，依然形成液体工质的自循环；若有一部分散热翅片暴露于环境空气中，则通过这部分散热翅片进行自然对流散热，将热量传递给周围的空气。
上述的基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：上述散热翅片的长度h的极限值为加热时散热翅片端部刚好不出现气泡时的长度值。在极限长度下的散热翅片与液体工质之间接触换热的面积最大，增强换热效果。
上述的基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：上述导热块与散热翅片为一体化结构，以避免两者之间接触热阻的存在。
上述的基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：上述液体箱的底部及周围可安装散热翅片，尽可能将热量散给周围空气，以延长液体工质达到平衡温度的时间，从而增加发电时间的持久性。
上述的基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：上述导热块为圆台型，其接触面为圆面，圆台一圈均布置有散热翅片。当水源充足时，导热块所有方向的散热翅片均可散热给液体工质（见附图2）。
上述的基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：上述液体工质是水，或导热油，或乙醇等工质，视热源温度而定。
上述的基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：上述温差发电元件是半导体温差发电片或半导体制冷片成品，或半导体发电堆，或半导体制冷电堆，或PN结与印刷电路的集成品。
本发明提出一种基于相变传热的发电系统及发电方法，在热源与温差发电元件之间设置导热板用于导热缓冲，使得热源的温度波动对温差发电元件的影响得到缓冲，且使得温差发电元件热端各处的温度较为均匀。另外在工程上便于固定。其厚度不宜过厚，否则热阻过大影响热量的传递，不能快速在温差发电元件冷热端建立温差进行发电。当热源温度较高，而温差发电元件热端温度因考虑寿命问题不宜过高时，可适当加厚导热板以人为增加热阻以满足要求；当液体箱体积受限时，可使用较厚的导热块，一方面以自然对流的散热方式散热给周围空气，另一方面散热给液体工质，此时液体工质不是承担所有的热负荷，达到平衡温度的时间会有所延长，达到增加有效发电时间的目的。当水源充足时，导热块所有方向的散热翅片均可散热给液体工质（见附图2）；或者为减小冷端热阻，可减小导热块的厚度，通过一面散热翅片散热给液体工质（见附图3）。当水源有限，液体箱体积受限时，可将导热块做成异形，仅一端面的散热翅片与液体箱中的液体工质换热，其他端面的散热翅片通过自然对流散热的方式将热量散给周围环境（见附图4），这种异形的导热块的传热效果更佳，使得温差发电元件冷端的热量快速传递到散热翅片并散给环境和液体工质。
上述温差发电元件冷端与液体箱之间设置散热翅片，一方面最大程度地增加与液体工质之间的换热面积，从而高效快速地带走热量以保持温差发电元件冷端较低的温度；另一方面散热翅片形成的密集槽道使得液体工质的流速得以控制，以避免过快的流速无法有效带走热量并避免液体工质的局部自循环的形成恶化换热效果。另外，在导热块其他端面设置散热翅片与周围环境进行自然对流散热，从而减轻液体工质承担的热负荷，保证了有效发电时间的持久性。本发明提出在负压环境下工作，基于相变传热的原理，不仅仅利用液体工质温度增加的显热传热能力，更是利用了液体工质的潜热传热能力以承担更多的热负荷，且潜热量远大于显热量，因此从最大程度上延长了液体工质温度达到平衡温度的时间。实验证明，所提出的基于相变传热的发电系统及发电方法显著延长了有效发电时间。当热源不受限于在上方时，所提出的一种基于相变传热的发电系统及发电方法仍然适用（见附图5）。
附图说明
图1是一种基于相变传热的温差发电系统示意图；
图2是一种基于相变传热的温差发电系统示意图（多端面水冷散热）；
图3是一种基于相变传热的温差发电系统示意图（一端面水冷散热）；
图4是一种基于相变传热的温差发电系统示意图（异形导热块）；
图5是一种基于相变传热的温差发电系统示意图（热源不受限与上方）。
图中标号名称：1热源，2导热板，3温差发电元件，4 导热块，5散热翅片，6 非封闭式挡板，7液体工质，8液体箱，9注水口。
具体实施方式
下面结合图1对一种基于相变传热的温差发电系统运行过程作详细说明。
一种基于相变传热的温差发电系统通过以下方式进行工作：上述液体箱中在常压或者负压环境工作，负压时注水口又用于抽真空；上述导热板一端紧贴热源吸收热量，温差发电元件的一端紧贴导热板的另一端，吸收导热板传递的热量形成热端，温差发电元件的另一端作为冷端，紧贴导热块的一端，将自热端传递过来的热量散给导热块；导热块的部分散热翅片或全部散热翅片嵌入液体箱；导热块通过嵌入液体箱中的散热翅片将热量传递给液体箱中的液体工质；液体箱中的处于散热翅片所形成的密集槽道内的液体工质由于吸收散热翅片传递过来的热量而升温形成热流体经密集槽道排向液体箱的上部，而液体箱下部的相对较冷的液体工质从非封闭式挡板与液体箱侧壁之间的缺口流经非封闭式挡板与液体箱底部形成的通道补充进入散热翅片所形成的密集槽道内，继续吸收散热翅片传递过来的热量，由此液体箱中的液体工质形成自循环；在负压情况下，当液体工质吸收散热翅片的热量升温达到蒸发温度时，热流体以热蒸汽的状态排向液体箱的顶部，在液体工质液面处冷凝成液态，伴随着相变过程，而液体箱下部冷态的液体工质继续补充去吸收热量，依然形成液体工质的自循环；若有一部分散热翅片暴露于环境空气中，则通过这部分散热翅片进行自然对流散热，将热量传递给周围的空气。
Claims (8)
1.一种基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：
该温差发电系统依次包括热源（1）、导热板（2）、温差发电元件（3）、导热块（4）；上述导热板（2）的厚度大于1mm，小于5mm；上述导热块（4）的厚度d的取值范围为1≤d≤40mm；
将上述导热块（4）与温差发电元件（3）接触的面称为接触面；当1≤d≤10mm时, 导热块（4）上与接触面相反的面上布置有装散热翅片（5）；当10<d≤40mm时, 导热块（4）上除接触面之外的面均布置有散热翅片（5）；
该温差发电系统还包括液体箱（8）,上述导热块（4）上的部分散热翅片或全部散热翅片嵌入液体箱（8）中形成连续的密集槽道；
嵌入液体箱中的散热翅片端部与对应液体箱壁之间布置有非封闭式挡板（6）；液体箱（8）中装有液体工质（7），但不完全装满；液体箱（8）开设有注水口（9）。
2.根据权利要求1所述的基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：上述散热翅片（5）的长度的极限值为加热时散热翅片（5）端部刚好不出现气泡时的长度值。
3.根据权利要求1所述的基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：上述导热块（4）与散热翅片（5）为一体化结构。
4.根据权利要求1所述的基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：上述液体箱（8）的底部及周围安装有散热翅片。
5.根据权利要求1所述的基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：上述导热块（4）为圆台型，其接触面为圆面，圆台一圈均布置有散热翅片（5）。
6.根据权利要求1所述的基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：上述液体工质（7）是水，或导热油，或乙醇。
7.根据权利要求1所述的基于相变传热的温差发电系统，其特征在于：上述温差发电元件（3）是半导体温差发电片或半导体制冷片成品，或半导体发电堆，或半导体制冷电堆，或PN结与印刷电路的集成品。
8.根据权利要求1所述的基于相变传热的温差发电系统的发电方法，其特征在于包括以下过程：
上述液体箱（8）中在常压或者负压环境工作，负压时注水口（9）又用于抽真空；
上述导热板（2）一端紧贴热源（1）吸收热量，温差发电元件（3）的一端紧贴导热板（2）的另一端，吸收导热板（2）传递的热量形成热端，温差发电元件（3）的另一端作为冷端，紧贴导热块（4）的一端，将自热端传递过来的热量散给导热块（4）；
导热块（4）的部分散热翅片或全部散热翅片嵌入液体箱（8）；导热块（4）通过嵌入液体箱（8）中的散热翅片（5）将热量传递给液体箱中的液体工质（7；液体箱（8）中的处于散热翅片（5）所形成的密集槽道内的液体工质（7）由于吸收散热翅片（5）传递过来的热量而升温形成热流体经密集槽道排向液体箱（8）的上部，而液体箱（8）下部的相对较冷的液体工质（7）从非封闭式挡板（6）与液体箱（8）侧壁之间的缺口流经非封闭式挡板（6）与液体箱（8）底部形成的通道补充进入散热翅片（5）所形成的密集槽道内，继续吸收散热翅片（5）传递过来的热量，由此液体箱（8）中的液体工质（7）形成自循环；在负压情况下，当液体工质（7）吸收散热翅片（5）的热量升温达到蒸发温度时，热流体以热蒸汽的状态排向液体箱（8）的顶部，在液体工质（7）液面处冷凝成液态，伴随着相变过程，而液体箱（8）下部冷态的液体工质（7）继续补充去吸收热量，依然形成液体工质（7）的自循环；
若有一部分散热翅片（5）暴露于环境空气中，则通过这部分散热翅片（5）进行自然对流散热，将热量传递给周围的空气。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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