CN109945699B - 一种并联式换热结构及热伏发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联式换热结构及热伏发电装置，并联式换热结构包括两个以上并联的换热单元，所述换热单元包括若干并联的热端热沉，以及若干并联的冷端热沉；所述热端热沉与所述冷端热沉交替排列。本发明解决了换热单元的集成问题，而且并联连接结构简单、紧凑，能够轻易实现多个换热单元互联，形成更大功率的热伏发电系统；本发明的换热结构对换热工质造成的流动阻力损失小，各换热单元冷热端工质进出口温差小，整体热电转换效率可达7.3%，比串联或串并联的换热结构的热电转换效率更高。

Description

一种并联式换热结构及热伏发电装置

技术领域

本发明涉及热伏发电技术领域，尤其涉及一种并联式换热结构及热伏发电装置。

背景技术

热电材料是一种基于热电效应（塞贝克效应、帕尔帖效应和汤姆逊效应）将热能和电能直接相互转换的功能材料，基于塞贝克效应，可将热电材料制成热伏发电系统，将热能直接转化为电能，进而用于工业余热回收以及放射性同位素和地热等热源发电。利用热电材料制成的热伏发电系统具有结构简单、体积小、无运动部件、寿命长、安全、环保等优点，目前还没有一种大规模集成方案的换热装置来满足实际应用需求。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种并联式换热结构及热伏发电装置，旨在解决现有的换热装置无法大规模集成及换热效率不高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种并联式换热结构，包括两个以上并联的换热单元，所述换热单元包括若干并联的热端热沉，以及若干并联的冷端热沉；所述热端热沉与所述冷端热沉交替排列。

所述的并联式换热结构，其中，还包括与所述换热单元通过连接管连接的热液体进口集管、热液体出口集管、冷液体进口集管和冷液体出口集管；

热液体依次流经所述热液体进口集管、所述热端热沉，以及所述热液体出口集管；冷液体依次流经所述冷液体进口集管、所述冷端热沉，以及所述冷液体出口集管。

所述的并联式换热结构，其中，所述换热单元还包括4个热沉联箱，其中2个热沉联箱用于连通所述热端热沉；另外2个热沉联箱用于连通所述冷端热沉。

所述的并联式换热结构，其中，用于连通所述热端热沉的2个热沉联箱设置在所述换热单元的第一对角线的两个角上；用于连通所述冷端热沉的2个热沉联箱设置在所述换热单元的第二对角线的两个角上。

所述的并联式换热结构，其中，所述热端热沉与所述冷端热沉的内部设置有若干用于分流液体的肋条，相邻所述肋条之间构成分流槽。

所述的并联式换热结构，其中，所述肋条长度不同，排列方式为：朝向液体流出的一端平齐，朝向流体流入的一端，按照由长至短的顺序排列，最长的靠近流体流入口。

所述的并联式换热结构，其中，每条换热通道中，连接所述热端热沉与所述热液体进口集管的第一连接管长度不同，沿着液体在所述热液体进口集管的流向，第一连接管的长度依次增大；

和/或每条换热通道中，连接所述冷端热沉与所述冷液体进口集管的第二连接管长度不同，沿着液体在所述冷液体进口集管的流向，第二连接管的长度依次增大。

所述的并联式换热结构，其中，所述第一连接管与所述热液体进口集管为非垂直连接，使热液体从所述热液体进口集管分流至所述第一连接管中时，拐角为钝角；

和/或所述第二连接管与所述冷液体进口集管为非垂直连接，使冷液体从所述冷液体进口集管分流至所述第二连接管中时，拐角为钝角。

所述的并联式换热结构，其中，所述热液体进口集管与所述冷液体出口集管设置在同侧；所述热液体出口集管与所述冷液体进口集管设置在同侧，使热液体的流向和冷液体的流向相反。

一种热伏发电装置，包括如上所述的并联式换热结构，以及集成于所述并联式换热结构中的热电模块，所述热电模块根据所述热端热沉以及所述冷端热沉的温度差进行发电。

有益效果：本发明提供了一种如上所述的并联式换热结构，通过将所有换热单元分别并联在冷液体集管之间和热液体集管之间，解决了换热单元的集成问题，而且并联连接结构简单、紧凑，能够轻易实现多个换热单元互联，形成更大功率的热伏发电系统；本发明的换热结构对换热工质造成的流动阻力损失小，各换热单元冷热端工质进出口温差小，整体热电转换效率可达7.3%，比串联或串并联的换热结构的热电转换效率更高。

附图说明

图1为本发明的一种并联式换热结构的较佳实施例图。

图2为本发明的换热单元的结构图。

图3为本发明的冷、热端热沉的较佳实施例的内部结构图。

图4为本发明中液体集管与连接管非垂直连接的实施例图。

图5为热液体进口集管与第一连接管的连接设置示意图。

图6为本发明的对比实验中，并联的换热结构的冷、热端温度曲线图。

图7为本发明的对比实验中，串并联的换热结构其中一条串联通道中第二个换热单元的冷、热端温度曲线图。

图8为本发明的对比实验中，串并联的换热结构其中一条串联通道中第三个换热单元的冷、热端温度曲线图。

具体实施方式

本发明提供了一种并联式换热结构及热伏发电装置，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

本发明提供了一种并联式换热结构的较佳实施例，如图1所示，包括两个以上并联的换热单元1，所述换热单元1如图2所示，包括若干并联的热端热沉11，以及若干并联的冷端热沉12；所述热端热沉11与所述冷端热沉12交替排列，其中，“冷/热端热沉”具体可以是具有中空腔体的散热片结构。

具体地，可以设置4根液体集管：热液体进口集管2、热液体出口集管3、冷液体进口集管4和冷液体出口集管5，热液体依次流经所述热液体进口集管2、所述热端热沉11，以及所述热液体出口集管3；冷液体依次流经所述冷液体进口集管4、所述冷端热沉12，以及所述冷液体出口集管5。冷热液体分别流经冷端热沉12和热端热沉11时发生换热。为了保证充分的换热时间，4根集管可以制成一端开口、另一端封闭的结构。

优选的，如图1所示，所述热液体进口集管2与所述冷液体出口集管5设置在同侧；所述热液体出口集管3与所述冷液体进口集管4设置在同侧，使热液体的流向和冷液体的流向相反，确保冷端热沉、热端热沉之间逆流式换热，换热效率高且换热均匀。

图2给出了一种紧凑的换热单元1的实施例的结构，可以采用热沉联箱13分别将热端热沉11和冷端热沉12进行并联。具体的，设置4个热沉联箱13，其中2个热沉联箱13用于连通所述热端热沉11；另外2个热沉联箱13用于连通所述冷端热沉12，所述热沉联箱13上还设置有连接液体导管的孔。为了方便集成装配，避免连接处相互干扰，用于连通所述热端热沉11的2个热沉联箱13设置在所述换热单元1的第一对角线的两个角上；用于连通所述冷端热沉12的2个热沉联箱13设置在所述换热单元1的第二对角线的两个角上。热沉联箱13分别与冷、热端热沉可以通过焊接形成一体，每个冷、热端热沉的进口面积，以及进口伸入到热沉联箱13的长度可以不同，通过调节进口面积大小以及伸入的长度，可以对热沉联箱13中流入各个热沉的流量进行调配，实现更加精确的热流量分配。本技术方案不仅结构紧凑，而且解决了热端热沉11、冷端热沉12的并联和集成问题，并能对热流量进行调控。避免了冷、热端热沉安装位置造成的相互干扰，简化了4根集管与换热单元之间的连接和安装。

进一步地，还可以在热沉（包括热端热沉11和冷端热沉12）的内部设置肋条L，如图3所示，相邻所述肋条L之间构成分流槽，能够对液体进行分流。如果肋片L等长，会造成左边（靠近流体进口处）流量多余右边流量，因此，优选的所述肋条L的长度不同，排列方式为：朝向液体流出的一端平齐，朝向流体流入的一端，按照由长至短的顺序排列，最长的靠近流体流入口，这样可以确保热流量均匀。

优选方案中，4根集管的末端是封闭的，流动滞止作用会引起静压升高，导致该位置附近的发电单元会分配更多流量，从而引起流量分配不均。因此，本发明可以将每个换热单元1的热端热沉11与所述热液体进口集管2之间通过不同长度的第一连接管（6A、6B、6C、……）进行连接，所述第一连接管的排列方式为：沿着液体在所述热液体进口集管的流向，第一连接管的长度依次增大，如图4、图5所示，沿着液体的流向，通过依次增加连接管的长度，增加一定的流动阻力，可以降低靠近热液体进口集管2末端附近换热单元的流量，即通过调节各第一连接管的长度，可以调整由热液体进口集管2向各个换热单元1的流量分配。

进一步优选的，所述第一连接管与所述热液体进口集管2为非垂直连接，使热液体从所述热液体进口集管分流至所述第一连接管中时，拐角（θ）为钝角，可以使液体流动更加平顺，降低流动阻力。同理，冷端热沉12与所述冷液体进口集管5之间也可以通过不同长度的第二连接管进行连接，具体连接方式可以按照前述方法进行设置，本发明不再赘述。

本发明还提供了一种热伏发电装置，包括如上所述的并联式换热结构，以及集成于所述并联式换热结构中的热电模块7，如图2所示，所述热电模块7根据所述热端热沉以及所述冷端热沉的温度差进行发电。具体的，可以在热端热沉以及冷端热沉之间设置热电材料，例如，选取性能系数ZT（优值系数）值较大的PeTe材料，热电材料根据温度差产生电能。本发明的热伏发电装置具有液体阻力小、内部流量分配和换热均匀的特点，可以最大限度提升热电转换效率。

下面以具体实例来说明本发明的并联结构相比串并联结构，效率更高。实验条件：以9个发电单元（图2所示的结构整体）为例，第一种连接方式按照图1进行并联连接，形成9条通道，第二种连接方式，进行串并联连接，形成3条通道，每条通道串联3个发电单元。热电材料采用PeTe（ZT值约为1.5）。每个换热通道尺寸取56cm×3mm,分别以20℃的冷水和150℃的热水为温差发电的冷、热工质，冷热水流速均为1m/s。

根据热电转换效率公式（其中/>为热端温度，/>为冷端温度），当采取并联温差发电装置时，各个温差发电单元的冷、热端温度如图6所示，可计算出并联温差发电装置的最大热电转换效率为7.3%。当采取串并联温差发电装置时，串联的3个发电单元冷、热端温度分别如图6、图7、图8所示，根据热电转换效率公式可计算出各个发电单元的最大转换效率分别为7.3%、6.4%、5.5%。因此串并联温差发电装置的平均最大热电转换效率为6.4%。因此，本发明的并联结构的换热及发电装置，热电转换效率更高。

综上所述，本发明提供了一种并联式换热结构及热伏发电装置，本换热结构不仅解决了换热单元的集成问题，而且并联连接结构简单、紧凑，能够轻易实现多个换热单元互联，形成更大功率的热伏发电系统；本发明的换热结构对换热工质造成的流动阻力损失小，各换热单元冷热端工质进出口温差小，整体热电转换效率比串联或串并联的换热结构的热电转换效率更高。本发明还进一步对换热单元的具体结构进行了改进，通过热沉联箱对冷、热端热沉进行并联，巧妙地设置了冷、热端热沉的结构，使冷热端工质能够充分接触换热，还通过调整连接管的长度及连接角度来优化冷热端工质的流量分配。基于上述并联式换热结构，本发明还提供了相应的热伏发电装置，本装置具有液体阻力小、内部流量分配和换热均匀的特点，可以最大限度提升热电转换效率。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种并联式换热结构，其特征在于，包括两个以上并联的换热单元，所述换热单元包括若干并联的热端热沉，以及若干并联的冷端热沉；所述热端热沉与所述冷端热沉交替排列；所述换热单元通过连接管连接的热液体进口集管、热液体出口集管、冷液体进口集管和冷液体出口集管；热液体依次流经所述热液体进口集管、所述热端热沉，以及所述热液体出口集管；冷液体依次流经所述冷液体进口集管、所述冷端热沉，以及所述冷液体出口集管；所述热端热沉与所述冷端热沉的内部设置有若干用于分流液体的肋条，相邻所述肋条之间构成分流槽；所述肋条长度不同，排列方式为：朝向液体流出的一端平齐，朝向流体流入的一端，按照由长至短的顺序排列，最长的靠近流体流入口；所述热端热沉与所述热液体进口集管之间通过若干不同长度的第一连接管进行连接，所述第一连接管的排列方式为：沿着热液体在所述热液体进口集管的流向的方向上，多个所述第一连接管的长度依次增大；所述热端热沉和所述冷端热沉设置为具有中空腔体的散热片；所述换热单元还包括4个热沉联箱，其中2个热沉联箱用于连通所述热端热沉；另外2个热沉联箱用于连通所述冷端热沉；用于连通所述热端热沉的2个热沉联箱设置在所述换热单元的第一对角线的两个角上；用于连通所述冷端热沉的2个热沉联箱设置在所述换热单元的第二对角线的两个角上。

2.根据权利要求1所述的并联式换热结构，其特征在于，沿着液体在所述热液体进口集管的流向；和/或每条换热通道中，连接所述冷端热沉与所述冷液体进口集管的第二连接管长度不同，沿着液体在所述冷液体进口集管的流向，第二连接管的长度依次增大。

3.根据权利要求2所述的并联式换热结构，其特征在于，所述第一连接管与所述热液体进口集管为非垂直连接，使热液体从所述热液体进口集管分流至所述第一连接管中时，拐角为钝角；

和/或所述第二连接管与所述冷液体进口集管为非垂直连接，使冷液体从所述冷液体进口集管分流至所述第二连接管中时，拐角为钝角。

4.根据权利要求1-3任一所述的并联式换热结构，其特征在于，所述热液体进口集管与所述冷液体出口集管设置在同侧；所述热液体出口集管与所述冷液体进口集管设置在同侧，使热液体的流向和冷液体的流向相反。

5.一种热伏发电装置，其特征在于，包括权利要求1-4任一所述的并联式换热结构，以及集成于所述并联式换热结构中的热电模块，所述热电模块根据所述热端热沉以及所述冷端热沉的温度差进行发电。