CN108369033B - 将热能直接转化成电能的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模块，该模块能集成在太阳能收集器中，并且所述模块能够将热能直接转化成电能。所述模块基于特殊的离子液体的热电效应，所述离子液体在通道中在电隔离且热隔离的层的内部中流动。在所述通道的上侧和下侧上存在由导电和导热的材料制成的电极，所述电极与在通道内部中的离子液体接触。如果在所述通道的上侧和下侧之间存在温差，则产生电压，该电压能够在所述电极上获取。所述通道具有例如几微米直至几毫米的横截面。所述通道紧密地设置在模块中并且不仅能够串联联接而且可以并联联接。如果将这些模块联合成一个收集器，则同样能够将这些模块相互串联联接或者并联联接。本发明不仅描述了单独的模块而且描述了模块的布置结构、亦即用于直接从热能获得电能的收集器。不仅所述模块而且所述收集器都能与现有的光伏模块和光伏收集器组合。该设计也能够直接集成到现有的光伏模块和光伏收集器中，这导致能量输出的提高。在特殊的情况下，也能够由如在这里所描述的模块制成用于电子器件的部件，例如传感器或者类似物。在本发明中描述的设计能够用于制造用于从热能直接获得电能的不同的收集器。在这里所描述的模块或收集器可以是用于获得能量的不同系统的部件。
Description
本发明涉及一种模块，该模块能集成在太阳能收集器中，并且所述模块能够将热能直接转化成电能。所述模块基于特殊的离子液体的热电效应，所述离子液体在通道中在电隔离且热隔离的层的内部中流动。在所述通道的上侧和下侧上存在由导电和导热的材料制成的电极，所述电极与在通道内部中的离子液体接触。如果在所述通道的上侧和下侧之间存在温差，则产生电压，该电压能够在所述电极上获取。所述通道具有例如几微米直至几毫米的横截面。所述通道紧密地设置在模块中并且不仅能够串联联接而且可以并联联接。如果将这些模块联合成一个收集器，则同样能够将这些模块相互串联联接或者并联联接。按照本发明的结构也可以与光伏模块组合或者直接集成到光伏模块中，这导致能量输出的提高。在特殊的情况下，也可以由这样的模块制成用于电子器件的部件，例如传感器或者类似物。
热电效应在大约200年前被约翰塞贝克发现，因此热电效应也被称为塞贝克效应。热电效应引起电流并且当将两个不同的电导体接触并且加热其中一个电导体时出现电流。
现在，商业上可获得一系列使用热电效应的模块。这些模块经常是所谓的热电发生器(TEG)的组件并且经常使用半导体。这些模块的以及进而当前可获得的热电发生器的较大的缺点是如下事实，即，所述模块和热电发生器要求在热的一侧和冷的一侧之间存在相对高的温差，以便得到显著的能量输出。此外，制造这种模块和热电发生器是非常耗费的，这导致相对高的价格。
多年以来已知的是，不仅金属导体和半导体具有热电效应，而且一些特殊的所谓的离子液体也具有热电效应。离子液体基本上是熔点低于100℃的盐熔体。为了避免将低温与"熔体"一词相联系，盐熔体通常被称为离子液体。离子液体包括阳离子和阴离子，例如：
根据所选择的阳离子/阴离子组合，离子液体的物理特性和化学特性是非常不同的。然而，所有离子液体根据定义均具有以下特性：
-离子液体仅由离子组成；
-离子液体低于100℃时是液态的；
-离子液体在其热学的分解点之下不蒸发；
-离子液体不能燃烧；
-离子液体导电。
离子液体数十年以来是已知的。离子液体为了在电化学中用作液态电解质而发展。然而，研究的主题最初仅是氯化铝基的对水和空气敏感的熔体。随着空气稳定的并且水解不敏感的离子液体比如氟硼酸盐熔体的发现才在1992年实现突破。自20世纪90年代末以来，也以不断增长的变型范围在商业上生产离子液体。
在专业文献中，有越来越多的公开文献描述一些离子液体中的热电效应。因此，例如Theodore J.Abraham,Douglas R.MacFarlanea和Jennifer M.Pringleb在他们的出自能量环境Sci.,2013,6,2639-2645的出版物"High Seebeck coefficient redox ionicliquid electrolytes for thermal energy harvesting"中研究一些离子液体的所谓的塞贝克系数。
其它引用文献以基于离子液体的热电发生器为主题。不过，其中描述的构造主要是用于确定物理值的测量构造，但较少适于作为用于技术上获得能量的元件，例如由今日材料：汇编2(2015)680–689的出版物“Ionic Liquid-based Thermoelectric GeneratorLinks between Liquid Data and Generator Characteristics”公开的元件。在2014年在电子材料学报，DOI:10.1007/s11664-014-3126-1中出版的公开文献"Development ofFlexible Micro-Thermo-electrochemical Generators Based on Ionic Liquids"中描述了一种构造，在该构造中使用两种不同的离子液体。利用这两种液体来填充小的相互串联联接的小罐。因此，如该构造被描述那样，其具有如下缺点，即，该构造会非常难制成并且由于每个小罐内的离子液体的量少而可能仅能获得小的功率。
将在太阳能设备中的热电发生器与市售的模块进行组合的想法是文献中已知的并且也是多个专利申请的主题。在缺乏替代品的情况下，在所有现有的专利权中使用基于金属或半导体的传统模块。这样的热电发生器模块需要相对高的温差，以便得到显著的能量输出，然而显著的能量输出在实践中很难利用太阳能模块实现。
例如公开文献DE102006033816A1描述了一种系统，该系统包括太阳能热学模块和热电发生器。按照该发明，利用太阳能模块加热液体，该液体被泵入到集成有热电发生器的换热器中。
申请DE102008008652A1描述了一种所谓的热电蓄电池。在该构造中，多个热电发生器与一个太阳能热收集器接触。按照说明书，该蓄电池特别是设置用于以有效的方式使用具有连续变化的温度的焓流以用于获得电能，所述焓流在太阳能热学设备的循环电路中产生。
在DE102008009979A1中描述了热电发生器模块的布置结构，所述热电发生器模块安装在太阳能收集器的下侧上。通过由太阳能收集器产生的温差，热电发生器产生电能。
在WO002013183074A1中描述的发明中，多个热电发生器模块组合成一个单元。所需的温差通过如下方式产生，即，仅模块的上侧在玻璃罩下遭受太阳光辐射，由此产生电能。
基于所述现有技术，本发明的任务在于，描述一种系统，该系统基于离子液体的热电效应，并且该系统形成用于获得电能用的模块的基础，所述模块可以在工业上批量生产。基于该系统的结构可以要么构造为将热量直接转化成电能的独立模块，要么作为现有的光伏模块的一部分来提升该光伏模块的电能生产率。
本发明的系统基于离子液体的热电效应并且能够将热能直接转化成电能，所述系统具有组合式光伏和热伏模块，
其中，所述系统具有一个或多个组合式光伏和热伏模块，
其中，在组合式光伏和热伏模块的内部中存在平行延伸的通道，所述通道直接集成到组合式光伏和热伏模块中，其中，所述通道填充有离子液体，并且构建或设置为，使得形成至少一个组合式光伏和热伏模块，其中，
所述组合式光伏和热伏模块具有电隔离且热隔离的层，在所述电隔离且热隔离的层中引入平行延伸的通道，所述通道填充有离子液体，
在所述电隔离且热隔离的层的上侧和下侧上存在至少各一个导电且导热的层，所述导电且导热的层与通道内部中的离子液体热接触且电接触，
在所述电隔离且热隔离的层的上侧和下侧上的所述导电且导热的层用作电极，只要在上方的和下方的导电且导热的层之间存在温差，就能够在所述电极上获取电压。
本发明的基本思想在于，由电隔离和热隔离的材料制成载体，所述载体具有一排平行延伸的通道。这些通道被一种或两种不同的合适的离子液体填充。每个通道的上侧和下侧都由导热且导电的材料例如金属封闭，所述材料与来自通道的离子液体直接接触。如果在有关的通道的上侧和下侧之间存在温差，则产生电压，该电压可以在导电的上侧和下侧上获取。通道的横截面的几何形状由使用的制造工艺确定并且不仅可以是圆形的、正方形的、长方形的、三角形的而且可以具有其它形状。
对于特定的离子液体来说，在通道的上侧和下侧之间的温差仅几十摄氏度时，就可以对每个通道测得在两位数mV的值的范围内的电压。如果希望实现较高的电压，则必须将各通道串联联接。如果所有通道以相同的离子液体填充，则各通道的连接必须通过导电的外部连接元件进行。必须这样选择连接元件的性质，使得连接元件在通道的上侧和下侧之间不形成热桥。
当每两个相邻的通道交替地以两种不同的离子液体填充时，可以简化所述结构。由实验实践已知的是，存在如下离子液体，所述离子液体例如在通道的热的上侧中在那里产生正电压并且在较冷的下侧上产生负电压。这些离子液体以下被称为“类型1离子液体”。所述离子液体例如是[HMIM][X]类型的化合物。其中，X可以是卤化物离子、比如I离子；Cl离子等。在其它离子液体时可以正好相反。如果加热所述通道的上侧，则在那里产生负电压，而阳极现在处于较冷的一侧、亦即下侧上。所述离子液体以下被称为“类型2离子液体”。这是[BMIM][BF4]类型的化合物或类似物。如果现在将传导层这样构造在通道的上侧和下侧上，使得所述传导层总是成对地并且同时在上方和下方错开地包括两个通道，则获得结构上可非常简单实现的通道串联联接。
实施例：
实例1：
单通道元件
将一个例如直径1毫米的圆形通道铣削到由电绝缘材料例如环氧树脂、绝缘浸渍纸、陶瓷或类似物制成的板上。所述板的上侧和下侧以传导的材料例如金属如铜、银等被涂层，所述上侧和下侧向上和向下封闭该通道。以一种粒子液体、例如[BMIM][BF4]填充和密封所述通道。加热所述板的上侧，同时冷却下侧，从而产生大约25℃的温差。在这种情况下，可以在板的上侧和下侧之间测得大约15mV的电压。在上侧和下侧之间的温差大约10℃时，所测得的电压还为大约5mV。
实例2：
多通道元件：具有离子液体；热伏模块
如果将多个通道如在实例1中所述那样设置在一个板上，则获得多通道元件。在图1中示意性地示出这样的结构。所述结构示出模块的如下情况，在该情况下，所有通道填充有相同的离子液体。隔离层具有所提到的平行延伸的通道。所述隔离层由不导电且不导热的或者仅略微导电且略微导热的材料、例如塑料(环氧树脂、三聚氰胺甲醛树脂、酚醛树脂等)、陶瓷、玻璃等制成。在板的上侧和下侧上存在导电和导热的层。所述导电和导热的层例如可以由金属如铜、铝、银、金等、导电且导热的塑料或类似物制成并且分成多个条。在隔离层中的通道在附图中示例性以圆形横截面示出。然而，所述通道的横截面也可以是长方形、正方形、三角形、多边形等，并且由制造工艺的预定而确定。其中一个通道的下侧总是与具有传导元件(电导体)的相邻通道的上侧连接。这样选择制成所述元件的材料和/或所述元件的性质，使得所述元件虽然具有良好的导电能力，然而具有非常差的导热能力。在实践中可以为此使用具有几毫米的相对小的横截面或者几厘米的长度的金属线。以这种方式将通道电串联联接，从而将所述通道的电压相加。在上侧和下侧存在温差时产生的电压在两个端部UB+和UB-上获取。
实例3：
多通道元件：具有两种离子液体；热伏模块
图2示出以两种不同的离子液体运行的模块的情况。隔离层具有所提到的平行延伸的通道。如在实例1和实例2中那样，所述隔离层由不导电且不导热的或者仅略微导电且略微导热的材料、例如塑料(环氧树脂、三聚氰胺甲醛树脂、酚醛树脂等)、陶瓷、玻璃等制成。在板的上侧和下侧上存在导电和导热的层。所述导电和导热的层例如可以由金属如铜、铝、银、金等、导电且导热的塑料或类似物制成并且分成多条。在此，在隔离层中的通道也在附图中示例性地以圆形横截面示出。然而，所述通道的横截面也可以是长方形、正方形、三角形、多边形等，并且由制造工艺的预定而确定。所述通道交替地以类型1或者类型2的离子液体填充(具有类型1离子液体的通道、具有类型2离子液体的通道)。基于如下事实，即，传导层的各个条总是将各两个通道相互连接，所述各两个通道以不同类型的离子液体填充，所述通道电串联联接，从而将所述通道的电压相加。在上侧和下侧存在温差时产生的电压在两个端部UB+和UB-上获取。
实例4：
组合式光伏/热伏模块
图3示例性地示出热伏模块，如其在实例3中描述的离子液体-热伏模块那样，并且所述热伏模块与光伏模块组合。也可以利用实例2的模块实现类似的结构。在此，离子液体-热伏模块被安装在光伏模块的下侧上。所述安装例如可以通过粘接、螺纹连接或者任意其它合适的连接技术进行。离子液体-热伏模块的电极和光伏模块的电极电接触，从而在UB+和UB-上获取的电压由离子液体-热伏模块的电压和光伏模块的电压组合而成。在离子液体-热伏模块和光伏模块之间的电接触可以、但不是必须直接进行。所述电接触也可以经由合适的电子构件或者电线建立。在离子液体-热伏模块的下侧上紧固有冷却器。在附图中示例性地示出由金属制成的肋片冷却器。然而，在实践中可以使用任意其它冷却元件。配设有所谓的热管的冷却元件是有利的。所述冷却元件可以将热量快速并且有效地从模块导出并且因此确保优化的冷却。所述冷却元件也可以与模块的支座组合。在每种情况下要注意的是，光伏模块和冷却器均不使离子液体-热伏模块的传导层电短路。可能情况下，在其间可安装或者涂覆具有良好导热能力的电绝缘材料(如云母、特殊的塑料或者油漆等)的箔或板。
实例5：
具有集成的通道的组合式光伏/热伏模块
如果在制造工艺上继续一个步骤，则可以制造组合式光伏/热伏模块，在该模块中将通道直接集成到光伏模块中。这样的模块在图4中示意性地示出。虽然在这里示出以两种不同的离子液体运行的模块的情况，但是也可以按照如在实例2中描述的具有一种离子液体的多通道元件的原理实现类似的结构。于是，在这种情况下，传导层的形状这样改变，使得该传导层仅包括一个通道。于是，各个金属层也如在实例2中所示的那样可以电连接。如果按照如在实例3中描述的具有两种不同的离子液体的多通道元件的原理来构造模块，则简化了结构，因为省却了相应将传导层的上侧和下侧进行连接的附加电导体。所述结构相对于实例4中的结构的大的优点在于，具有离子液体的通道在这里直接集成到光伏模块的基体中并且确保好得多的热传递。基于热电效应在模块中产生的电能与由光电效应获得的电能相加，提高了模块的生产率。类似于在图4中示出的那样，所述结构也可以在下侧上设有冷却元件，该冷却元件同样也可以包含热管。
Claims (10)
1.基于离子液体的热电效应并且能够将热能直接转化成电能的系统，
其中，所述系统具有一个或多个组合式光伏和热伏模块，
其中，在组合式光伏和热伏模块的内部中存在平行延伸的通道，所述组合式光伏和热伏模块通过将通道直接集成到光伏模块的基体中而制成，其中，所述通道构建为，使得形成至少一个组合式光伏和热伏模块，其中，
所述组合式光伏和热伏模块具有电隔离且热隔离的层，在所述电隔离且热隔离的层中引入所述平行延伸的通道，所述通道填充有离子液体，
在所述电隔离且热隔离的层的上侧和下侧上存在至少各一个导电且导热的层，所述导电且导热的层与通道内部中的离子液体热接触且电接触，
在所述电隔离且热隔离的层的上侧和下侧上的所述导电且导热的层用作电极，只要在上方的和下方的导电且导热的层之间存在温差，就能够在所述电极上获取电压。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述电隔离且热隔离的层的内部中的平行延伸的通道具有在几微米直至几毫米范围内的直径并且具有圆形的、正方形的或三角形的横截面。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，在所述电隔离且热隔离的层的内部中的所有平行延伸的通道填充有相同的离子液体。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，在所述电隔离且热隔离的层的内部中的两个相邻的平行延伸的通道填充有两种不同的离子液体，即类型1离子液体和类型2离子液体，所述两种不同的离子液体在各个导电且导热的层中产生极性相反的电压。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统的导电且导热的层仅包括一个通道、或者同时包括多个通道，并且所述系统的导电且导热的层经由外部的导电元件在不同通道的内部中的离子液体之间建立电接触、或者所述导电且导热的层本身确保在不同通道的内部中的离子液体之间的电接触。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述通道能够电串联联接或者电并联联接，并且因此在通道的内部中的离子液体能够电串联联接或者电并联联接。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述至少一个组合式光伏和热伏模块在下侧上与冷却元件直接热接触。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述冷却元件配设有热管。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述电隔离且热隔离的层的内部中的平行延伸的通道具有在几微米直至几毫米范围内的直径并且具有多边形的横截面。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在所述电隔离且热隔离的层的内部中的平行延伸的通道具有在几微米直至几毫米范围内的直径并且具有不规则形状的横截面。
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