CN108599622B - 一种吸收太阳能的温差发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种吸收太阳能的温差发电装置，半导体温差发电片组件包括上绝缘导热板Ⅰ、半导体热电器件、下绝缘导热板Ⅱ，三者由上至下依次布置，碳纳米颗粒薄膜附着在上绝缘导热板Ⅰ的上表面，冷却系统附着在下绝缘导热板Ⅱ的下表面，半导体温差发电片组件的周围设有绝热层。该装置结构简单，体积小，当太阳作为热源射到碳纳米颗粒薄膜上时，由于其粗糙微表面和不同粒径的碳纳米颗粒，太阳光几乎全部被碳纳米颗粒薄膜吸收，散热器在半导体温差发电片组件的下表面快速散失热量形成冷端。基于塞贝克效应的半导体温差发电片在其冷、热两端形成温度差后，就会产生温差电动势，稳定输出电能，而且投入成本低，使用寿命长且产电稳定。

Description

一种吸收太阳能的温差发电装置
技术领域
本发明涉及一种发电装置，特别是一种吸收太阳能的温差发电装置。
背景技术
太阳能作为一种绿色可再生能源，具有储量丰富、清洁环保、分布广泛等特点，是理想的化石燃料替代能源，已经被广泛应用到各个领域当中。温差发电技术是一项基于塞贝克效应(Seebeck效应)的固态能量转换技术，具有结构简单、可靠性高等特点。
塞贝克效应(Seebeck效应)又被称为第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差引起两种物质之间的电势差的热电现象。实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于两种金属的电子溢出功不同及两种金属中电子浓度不同造成的。塞贝克效应电势差的计算公式：
Figure GDA0002369729640000011
其中，SA与SB分别为两种材料的塞贝克系数。如果SA与SB不随温度的变化而变化，上式可以表示成如下形式：
V＝(SB-SA)(T2-T1)
随着半导体技术的发展，半导体温差发电正在被广泛应用于各种电力系统当中。利用太阳能进行半导体温差发电，都需要聚光装置和集热器。其主要通过菲涅尔透镜等聚光装置将能量密度较低的太阳光聚集起来，集热器将光能转换成热能在半导体温差发电片的一端形成热端，与冷端形成温度差使半导体温差发电片产生电动势。
目前，此类聚光装置和集热器能量的传递过程比较复杂，需要加热流体工质之后再将热量传递给半导体温差发电片，能量损失较大，且投入成本较高，同时传统的聚光装置体积大、结构复杂，使用时不但占用空间，且安装不够方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种吸收太阳能的温差发电装置，该装置不仅提高光吸收率，投入成本低，而且结构简单，体积小，同时该装置使用寿命长，可以保证稳定的产电量。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种吸收太阳能的温差发电装置，包括碳纳米颗粒薄膜、半导体温差发电片组件、冷却系统；半导体温差发电片组件包括上绝缘导热板Ⅰ、半导体热电器件、下绝缘导热板Ⅱ，三者由上至下依次布置，所述半导体热电器件由一组或一组以上的PN型半导体串联而成，每组PN型半导体的联结端与上绝缘导热板Ⅰ接触，每组PN型半导体的非结端与下绝缘导热板Ⅱ接触，碳纳米颗粒薄膜附着在上绝缘导热板Ⅰ的上表面，冷却系统附着在下绝缘导热板Ⅱ的下表面，所述半导体温差发电片组件的周围设有绝热层；负载连接在半导体热电器件的两端，所述碳纳米颗粒薄膜包括碳纳米颗粒和纸，所述碳纳米颗粒与纸的重量比为1：7，所述碳纳米颗粒的粒径为20～500nm，碳纳米颗粒在纸上的沉积浓度为7～9g m-2。
进一步，碳纳米颗粒薄膜通过导热硅酯附着在上绝缘导热板Ⅰ的上表面，冷却系统通过导热硅酯附着在下绝缘导热板Ⅱ的下表面；导热硅脂的使用工作温度为-50℃～200℃。
进一步，所述冷却系统包括一个热沉，所述热沉为铝合金型材散热片。
进一步，所述绝热层由二氧化硅气凝胶毡组成，孔隙率为80％～90％，密度为3～250kg m-3，导热系数为0.013～0.025W m-1k-1，厚度为4～6mm。
进一步，所述碳纳米颗粒薄膜由以下步骤制得：
A、首先将废弃的木头在炭化炉中进行真空碳化处理，将真空碳化处理后的材料在球磨机进行研磨，研磨0.5～6h，得到粒径为20～500nm的碳纳米颗粒；
B、然后将步骤A中制备的碳纳米颗粒加入到去离子水中在超声分散仪中进行超声分散，分散时间为1～2h，得到均匀的混合液；
C、通过物理气相法，将步骤B得到的混合液转移到纸的表面，待薄膜自然风干，测量碳纳米颗粒在纸上的沉积浓度，当沉积浓度达到7～9g m-2时，即制成碳纳米颗粒薄膜。
进一步，所述碳纳米颗粒薄膜的制备步骤B中，碳纳米颗粒的浓度为0.5％。
进一步，所述碳纳米颗粒薄膜的制备步骤C中，纸的组份含量为：55％纤维素和45％聚酯纤维，纸的重量为56～58g m-3。
本发明与现有技术相比：碳纳米颗粒薄膜将太阳光几乎全部吸收(吸收率达到98％)，并将其转换成热能，半导体温差发电片组件的上表面形成热端；热沉将半导体温差发电片组件下表面传来的热量通过其肋片快速散去，使下表面保持在较低的温度，形成冷端；由于热端与冷端形成温度差，使半导体温差发电片组件产生电动势，半导体温差发电片组件即可持续输出电流。
本发明是在不进行聚光的条件下利用不同粒径的碳纳米颗粒高效吸收太阳能并转化成热能形成热端、冷却系统形成冷端和半导体温差发电片组件的塞贝克效应(Seebeck效应)的发电装置，其主要有以下优点：
(1)本发明所述的碳纳米颗粒是利用废弃木质生物质经过简单的工艺过程生产的，绿色环保、变废为宝。
(2)碳纳米颗粒薄膜的粗糙微表面以及碳纳米颗粒的不同粒径，可以实现对可见光和近红外光的高效吸收(吸收率达到98％)，且具有易制备、体积小、厚度薄、易安装、光吸收率高等特点。
(3)本发明能在不聚光的情况下，直接将太阳能高效转换成热能并传递给半导体温差发电片组件，结构简单、成本低、效率高。
(4)本装置清洁无污染、制作简单、使用寿命长且产电稳定。通过串、并联的连接方式提高发电功率，同时可作为补充能源用于各种联合发电的系统。
附图说明
图1为本发明的结构示意图，
图2为不同浓度的碳纳米颗粒薄膜对可见光至近红外光的吸收光谱图，
图3为附着不同浓度的碳纳米颗粒薄膜的半导体温差发电片组件的电压对照图，
其中，1、上绝缘导热板Ⅰ，2、下绝缘导热板Ⅱ，3、数据采集仪，4、碳纳米颗粒薄膜，5、绝热层，6、半导体热电器件，7、冷却系统，8、负载。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种吸收太阳能的温差发电装置，包括碳纳米颗粒薄膜4、半导体温差发电片组件、冷却系统7；半导体温差发电片组件包括上绝缘导热板Ⅰ1、半导体热电器件6、下绝缘导热板Ⅱ2，三者由上至下依次布置，所述半导体热电器件6由一组或一组以上的PN型半导体串联而成，每组PN型半导体的联结端与上绝缘导热板Ⅰ1接触，每组PN型半导体的非结端与下绝缘导热板Ⅱ2接触，
碳纳米颗粒薄膜4附着在上绝缘导热板Ⅰ1的上表面，由于碳纳米颗粒薄膜4具有粗糙的微表面和不同粒径的碳纳米颗粒，可以实现对可见光和近红外光的高效吸收，吸收率高达98％，并在碳纳米颗粒薄膜上产生热量，然后传递到半导体温差发电片的上表面。
冷却系统7附着在下绝缘导热板Ⅱ2的下表面，所述半导体温差发电片组件的周围包裹有绝热层5，负载8连接在半导体热电器件6的两端，所述碳纳米颗粒薄膜4包括碳纳米颗粒和纸，所述碳纳米颗粒与纸的重量比为1：7，所述碳纳米颗粒的粒径为20～500nm，碳纳米颗粒在纸上的沉积浓度为7～9g m-2。
数据采集仪3便携轻便，操作简单，可以实时获得热端和冷端的温度以及通过温度差在回路中产生的电流和电压。
半导体温差发电组件由碲化铋材料构成，基于塞贝克效应(Seebeck效应)。半导体热电器件6由P型半导体和N型半导体串联而成，两者联结着的一端与上绝缘导热板Ⅰ1(热端)接触，而P型和N型半导体的非结端与下绝缘导热板Ⅱ2(冷端)接触。
由于半导体温差发电组件上、下表面形成一定的温度差，使P的冷端有负电荷积累成为半导体温差发电片的阴极；而N的冷端有正电荷积累成为阳极。那么就会在回路中产生一定的电势差，即产生了电流。温度差越大，其输出的电能也就越大。
进一步，由于导热硅脂是一种高导热绝缘有机硅材料，具有优导的导热性及散热性，保证电子仪器、仪表等的电气性能的稳定；因此碳纳米颗粒薄膜4通过导热硅酯附着在上绝缘导热板Ⅰ1的上表面，冷却系统7通过导热硅酯附着在下绝缘导热板Ⅱ2的下表面；本发明导热硅脂的使用工作温度为-50℃～200℃。
导热硅脂还具有几乎永远不固化，可在-50℃～230℃的温度下长期保持使用时的脂膏状态，因此半导体温差发点片组件的上下表面涂有导热硅脂，保证了碳纳米颗粒薄膜4和冷却系统7的附着；半导体温差发电片的周围设有绝热层5，可以防止热量向四周环境散失。
进一步，所述冷却系统7包括一个热沉，所述热沉为铝合金型材散热片，其作用是使半导体温差发电片Ⅱ2下表面的热量尽快散失掉，使半导体温差发电片的下表面Ⅱ2具有尽可能低的温度。
进一步，所述绝热层5由二氧化硅气凝胶毡组成，孔隙率为80％-90％，密度为3～250kg m-3，导热系数为0.013～0.025Wm-1k-1，厚度为4～6mm。由于二氧化硅气凝胶毡质量轻、隔热效果好，导热系数低。因此，二氧化硅气凝胶毡紧密地包裹在半导体温差发电组件的周围，起到了防止热量向四周环境散失的作用。
进一步，所述碳纳米颗粒薄膜4由以下步骤制得：
A、将废弃的木头在炭化炉内进行真空碳化处理，将真空碳化处理后的材料在球磨机进行研磨，研磨0.5～6h，得到粒径为20～500nm的碳纳米颗粒；
B、将步骤A中制备的碳纳米颗粒加入到去离子水中在超声分散仪进行超声分散1～2h,得到均匀的混合液；
C、通过物理气相法，将步骤B得到的混合液转移到纸的表面，待薄膜自然风干，测量碳纳米颗粒在纸上的沉积浓度，当沉积浓度达到7～9g m-2时，即制成碳纳米颗粒薄膜(4)。
进一步，所述碳纳米颗粒薄膜4的制备步骤B中，碳纳米颗粒的浓度为0.5％。
进一步，所述碳纳米颗粒薄膜4的制备步骤C中，纸的组份含量为：55％纤维素和45％聚酯纤维，纸的重量为56～58g m-3。
图2为浓度为0g m-2、0.5g m-2、1g m-2、2g m-2、4g m-2、8g m-2的碳纳米颗粒对可见光至近红外光的吸收光谱对照图，当太阳作为热源将太阳光射到本发明的碳纳米颗粒薄膜4上时，由于其粗糙微表面和不同粒径的碳纳米颗粒，太阳光几乎全部被碳纳米颗粒薄膜4吸收(吸收率达到98％)，吸收后的太阳光转化成热能传递给半导体温差发电片组件，使半导体温差发电片Ⅰ上表面温度快速上升，形成热端；冷却系统7在半导体温差发电片Ⅱ2的下表面快速散失热量形成冷端。基于塞贝克效应(Seebeck效应)的半导体温差发电片组件在其冷热两端形成温度差后，就会产生温差电动势，输出电能。热端和冷端形成的温度差越大，产生的电动势就越大，输出的电能也就越多。
为验证本发明的发电效果，在本发明中半导体热电器件6的一端与负载8之间连接数据采集仪3，图3是数据采集仪3测量的单位面积为4cm*4cm的半导体温差发电组件不加碳纳米颗粒薄膜、附着浓度为0.5g m-2、1g m-2、2g m-2、4g m-2、8g m-2的碳纳米颗粒薄膜的电压对照图，可以看出附着8g m-2的碳纳米颗粒薄膜的电压比不加碳纳米颗粒薄膜的发电片电压提高6倍。本发明能在不聚光的情况下，直接将太阳能高效转换成热能并传递给半导体温差发电片组件，结构简单、成本低、效率高。

Claims (4)

1.一种吸收太阳能的温差发电装置，其特征在于，包括碳纳米颗粒薄膜(4)、半导体温差发电片组件、冷却系统(7)；半导体温差发电片组件包括上绝缘导热板Ⅰ(1)、半导体热电器件(6)、下绝缘导热板Ⅱ(2)，三者由上至下依次布置，所述半导体热电器件(6)由一组或一组以上的PN型半导体串联而成，每组PN型半导体的联结端与上绝缘导热板Ⅰ(1)接触，每组PN型半导体的非结端与下绝缘导热板Ⅱ(2)接触，碳纳米颗粒薄膜(4)附着在上绝缘导热板Ⅰ(1)的上表面，冷却系统(7)附着在下绝缘导热板Ⅱ(2)的下表面，所述半导体温差发电片组件的周围设有绝热层(5)，负载(8)连接在半导体热电器件(6)的两端，所述碳纳米颗粒薄膜(4)包括碳纳米颗粒和纸，所述碳纳米颗粒与纸的重量比为1：7，所述碳纳米颗粒的粒径为20～500nm，碳纳米颗粒在纸上的沉积浓度为7～9g m-2；
所述碳纳米颗粒薄膜(4)由以下步骤制得：
A、将废弃的木头在炭化炉内进行真空碳化处理，将真空碳化处理后的材料在球磨机进行研磨，研磨0.5～6h，得到粒径为20～500nm的碳纳米颗粒；
B、将步骤A中制备的碳纳米颗粒加入到去离子水中在超声分散仪进行超声分散1～2h，得到均匀的混合液；
C、通过物理气相法，将步骤B得到的混合液转移到纸的表面，待薄膜自然风干，测量沉积浓度，当沉积浓度达到7～9g m-2时，即制成碳纳米颗粒薄膜(4)；
所述碳纳米颗粒薄膜(4)的制备步骤B中，碳纳米颗粒的浓度为0.5％；
所述碳纳米颗粒薄膜(4)的制备步骤C中，纸的组份含量为：55％纤维素和45％聚酯纤维，纸的重量为56～58g m-3。
2.根据权利要求1所述的一种吸收太阳能的温差发电装置，其特征在于，碳纳米颗粒薄膜(4)通过导热硅酯附着在半导体温差发电片Ⅰ(1)的上表面，冷却系统(7)通过导热硅酯附着在半导体温差发电片Ⅱ(6)的下表面；导热硅脂的使用工作温度为-50℃～200℃。
3.根据权利要求1所述的一种吸收太阳能的温差发电装置，其特征在于，所述冷却系统(7)包括一个热沉，所述热沉为铝合金型材散热片。
4.根据权利要求1所述的一种吸收太阳能的温差发电装置，其特征在于，所述绝热层(5)为二氧化硅气凝胶毡，孔隙率为80％～90％，密度为3～250kg m-3，导热系数为0.013～0.025Wm-1k-1，厚度为4～6mm。
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