CN110336489B - 一种天然气减压站用小功率蓄热式半导体发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气减压站用小功率蓄热式半导体发电装置，属于天然气管道减压站内的供电设备领域。该装置包括燃烧器、烟道、半导体发电芯片、热管散热器和直流转化器；燃烧器用于连接外部天然气管道内的燃气燃烧，燃烧的高温烟气向烟道传热，半导体发电芯片在烟道外壁上吸热并通过热管散热器散热形成温差进行发电，半导体发电芯片输出的直流电由直流转化器进行管理并储存在蓄电池中。该发电装置能合理利用天然气资源给当地供电，结构简单、可靠性高、易于安装及维修、使用寿命长。

Description

一种天然气减压站用小功率蓄热式半导体发电装置

技术领域

本发明属于天然气管道减压站内的供电设备领域，涉及火焰燃烧热利用、固固相变材料相变蓄热、半导体发电芯片、热管散热器、直流电管理，更具体地，涉及一种天然气减压站用小功率蓄热式半导体发电装置。

背景技术

天然气目前属于我国重要能源之一，随其消耗量的增加，天然气管道的的分布也越来越多。其中减压站是管道分配系统中的关键设备，主要用于监控气体流量，防止分配系统中的压力过高。减压站内的功率需求在50-100W。为了解决减压站的用电问题，需要在减压站内装配能够提供稳定电量的发电机。现在减压站内大多使用柴油发电机组，但柴油发电机需要定期添加燃料并进行维护，增加了运行成本。

目前有使用催化燃烧热进行热电发电的技术，但是催化燃烧所用的催化金属属于稀有金属，价格昂贵，且使用的技术门槛较高，很难普及使用。此外，燃烧器的功率不宜过高，因为大功率燃烧器工作状态不稳定且会有大量漏热，从而降低装置的热电转化效率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种天然气减压站用小功率蓄热式半导体发电装置，其目的在于，通过半导体发电装置的结构设计，引入天然气资源，从而能够将天然气直接进行燃烧，利用燃烧热进行发电，从而简化天然气管道减压站内的供电，获得一种能实现稳定电量输出的减压站用半导体发电装置，由此解决现有技术需要定期添加燃料，以及热转化效率低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种天然气减压站用小功率蓄热式半导体发电装置，包括烟道、燃烧器、半导体发电芯片、热管散热器、导线、直流转化器以及蓄电池，其中：

所述烟道包括烟道蓄热层、烟道导热层和烟道端盖；烟道蓄热层设于烟道导热层围成的空间内；烟道蓄热层的外壁与烟道导热层的内壁接触，烟道端盖与烟道蓄热层和烟道导热层的上部连接固定，烟道端盖设有烟气出口，；

所述燃烧器设于所述烟道蓄热层围成的空间内部，且设有通向外部的燃气接口；

所述热管散热器包括蒸发端基底、热管和散热翅片；热管的蒸发端焊接在蒸发端基底内，热管的冷凝端与散热翅片焊接；

多个所述半导体发电芯片与多个所述热管散热器一一对应安装；各所述半导体发电芯片的热端分别与烟道导热层的外壁连接固定，各所述半导体发电芯片的冷端分别与对应的热管散热器的蒸发端基底连接固定；

导线将所有半导体发电芯片串联连接；所述直流转化器的输入端与导线连接，输出端与蓄电池连接。

进一步地，所述燃烧器包括燃烧器头部、引射器和燃气管道接口；燃烧器头部位于所述烟道蓄热层围成的空间内部，燃烧器头部连接引射器，引射器用于与外部的燃气管道接口相连；燃烧器头部侧面设有排火口。

进一步地，所述烟道为直筒型，所述烟道蓄热层的侧壁内部装填固固相变材料；烟道蓄热层和烟道导热层之间的连接界面涂有导热硅脂。

进一步地，所述固固相变材料的熔点不高于半导体发电芯片的最高工作温度。

进一步地，在固固相变材料中添加膨胀石墨作为形核剂形成复合相变材料，以增加相变材料的导热系数并减小过冷度。

进一步地，所述半导体发电芯片选用低温热电材料，半导体发电芯片与烟道导热层、散热器蒸发端基底之间均涂有导热硅脂，并通过PPS材质的塑料螺钉进行紧固以减小接触热阻和减少漏热。

进一步地，蒸发端基底材料为铜。

进一步地，半导体发电芯片输出的直流电通过直流转化器进行稳压及最大功率追踪的直流电管理，然后储存在蓄电池中。

进一步地，半导体发电芯片为m×n个，分为m层从上至下布置于烟道导热层外壁面上；每一层设有n个，沿烟道导热层外壁面周向均匀分布；沿烟道导热层外壁面呈正n边型。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明中所述燃烧器能够直接取用管道内的天然气进行热电转化，借助于天然气可持续供气的特点，不需要定期的添加发电原料，且消耗的天然气与管道内的天然气相比微乎其微，成本低廉，无需特殊催化剂。

2.本发明中所述半导体发电芯片使用低温型半导体发电芯片，降低了装置工作温度，从而提高装置的稳定性和降低了装置了散热要求，从而可以使用所述热管散热器进行自然对流散热以减少电量消耗。

3.本发明中所述烟道内使用固固相变材料蓄热，能够进行周期性工作以减少装置漏热，且熔点不高于半导体发电芯片的最高工作温度，对于低温型半导体发电芯片而言，能够保证热端温度不超过500K，从而保证低温型半导体发电芯片能够在其适合的温度区间300K-500K内正常工作。

4.本发明中半导体发电芯片输出的直流电通过直流转化器进行稳压及最大功率追踪的直流电管理，然后供给用电设备，能够实现在稳压的前提下向用电设备输出最大功率。

5.本发明的半导体发电装置结构简单，运行时性能稳定、易于安装及维护、使用寿命长。合理取用当地资源实现自供电。

附图说明

图1为本发明优选实施例的发电装置剖面图；

图2为本发明优选实施例的发电装置俯视图；

图3为本发明优选实施例的半导体发电芯片中单对热电臂原理示意图；

图4为本发明优选实施例的直流转化器控制流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-半导体发电芯片，2-烟道导热层，3-烟道蓄热层，4-导线，5-蓄电池，6-直流转化器，7-燃烧器头部，8-引射器，9-燃气管道接口，10-蒸发端基底，11-热管，12-散热翅片，13-烟道端盖。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明优选实施例的发电装置由燃烧器、烟道、半导体发电芯片1、热管散热器、直流转化器6构成，用电设备为蓄电池5，用于向蓄电池5充电(当然，也可以是其他的用电设备，只要发电装置输出的电压与用电设备所需电压范围吻合即可)。所述燃烧器由燃烧器头部7、引射器8及天然气管道接口9组成；其中燃烧器头部7的侧面均匀分布出火口，其中引射器8将管道接口9喷出的天然气与环境中空气混合。

所述烟道由烟道蓄热层3、烟道导热层2和烟道端盖13组成；优选地，其中烟道蓄热层3内使用三羟甲基乙烷(PG)与膨胀石墨形成的复合相变材料，三羟甲基乙烷的相变温度为84℃，三羟甲基乙烷的熔点为199℃-203℃。

烟道导热层2的形状为八边形的圆柱，外壁放置8列半导体发电芯片1和热管散热器，其俯视图如图2所示；烟道端盖13主要的作用是挡住上升的高温烟气使其回流与烟道内壁充分换热并将烟气从中间的小孔排除。优选地，本实施例中所述半导体发电芯片1的型号为：TEG1-127-1.4-1.6-250，该型号的发电芯片内部有127对热电臂，其最高工作温度为250℃；半导体发电芯片1的冷热两面均匀涂有导热硅脂并使用PPS材质的塑料螺钉固定在热管散热器与烟道外壁之间。优选地，本实施例取m＝4，n＝8，即半导体发电芯片1共有4×8＝32个。

针对热电材料，Bi-Te热电材料作为低温热电材料，其适合的温度范围为300K-500K；Pb-Te热电材料作为中温热电材料，其适合的温度范围为500K-900K；Si-Ge热电材料作为高温热电材料，其适合的温度区间为900K-1200K。

所述热管散热器由蒸发端基底10，热管11，散热翅片12组成；其中蒸发端基底10使用铜材减小散热热阻，其中热管11选用带有吸液芯的热管，其中散热翅片12使用铝材。直流转化器6选用Sepic电路作为调节电路，该电路允许输出电压大于、小于或者等于输入电压，其好处有输入输出的同极性和输入输出的隔离。蓄电池5储存的电量一部分给打火器供电，另外的供减压站中的其他设备使用。

优选的，所述固固相变材料使用相变潜热较高的有机材料，并使用添加膨胀石墨作为形核剂形成复合相变材料以增大导热系数。使用温度反馈控制使固固相变材料能够周期性工作，能够使半导体发电芯片1在合适的温度区间内工作并提高装置热利用率。

优选的，所述半导体发电芯片使用低温热电材料Bi₂Te₃，半导体发电芯片与烟道壁面、热管散热器之间都均匀涂有导热硅脂，并通过塑料螺钉紧固，减小接触热阻及减少漏热。

优选的，所述热管散热器的热管蒸发端基底选用铜材料以减小散热热阻，热管冷凝端选用铝翅片均匀分布散热。

优选的，所述直流转换器使用单片机通过反馈调节控制Sepic电路的占空比，在实现在稳压的前提下向蓄电池输出最大功率。

下面介绍本发明的工作原理：

半导体发电芯片1所基于的半导体发电技术，其基本原理是热电材料的塞贝克效应。如图3所示，热电臂的基本结构及工作原理如下：处在温差环境中的两种具有不同载流子密度的半导体材料(P型和N型)相互接触时，接触面上的电子从高浓度向低浓度扩散，且电子的扩散速率与接触区的温度差成正比。因此只要保持两接触导体间的温差，电子就能持续扩散，两个端点之间就会形成稳定的电压。

燃气从管道接口9中出来经过引射器8与空气进行预混，预混后的燃气从燃烧器头部7的出火口中喷出。打火器由蓄电池5供电，燃气在烟道中燃烧并向烟道内壁传热，热量一部分储存在烟道蓄热层3，另一部分热量通过烟道导热层2传导到半导体发电芯片1的热端。通过温度反馈控制，使烟道蓄热层3中的温度达到200℃时，燃烧器停止工作；当烟道蓄热层3中的温度低于80℃时，燃烧器打火工作。当半导体发电芯片1的冷端通过热管散热器进行散热，从而在半导体发电芯片1上形成温差，所有的半导体发电芯片进行串联。半导体发电芯片输出的直流电通过直流转化器6进行稳压及最大功率追踪的直流电管理，储存在蓄电池5中。

要实现稳压及最大功率追踪，需要对输出电压和输出电流进行闭环控制，本实施例基于SEPIC(single ended primary inductor converter，单端初级电感式转换器)实现，SEPIC是一种允许输出电压大于、小于或者等于输入电压的DCDC变换器，输出电压由主控开关(三极管或MOS管)的占空比控制。如图4所示，设V0和I0为初始的输出电压和输出电流，P0＝V0*I0，δ0为初始占空比，占空比调节量为△δ，初始调节占空比之后，测量V1和I1，得到P1＝V1*I1；然后，先判断V1是否在稳压范围内，若是，则将P1与P0比较，若否，则判断V1是偏高还是偏低，然后根据上述判断结果的不同，再次调节占空比，如此重复直到找到最大输出功率Pmax；在实现最大输出功率控制之前须要进行稳压控制，蓄电池5若使用单节锂电池，须将输出电压稳定在3.7V～4.2V范围内。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种天然气减压站用小功率蓄热式半导体发电装置，其特征在于，包括烟道、燃烧器、半导体发电芯片(1)、热管散热器、导线(4)以及直流转化器(6)，其中：

所述烟道包括烟道蓄热层(3)、烟道导热层(2)和烟道端盖(13)；烟道蓄热层(3)设于烟道导热层(2)围成的空间内；烟道蓄热层(3)的外壁与烟道导热层(2)的内壁接触，烟道端盖(13)与烟道蓄热层(3)和烟道导热层(2)的上部连接固定，烟道端盖(13)设有烟气出口；所述烟道为直筒型，所述烟道蓄热层(3)的侧壁内部装填固固相变材料；烟道蓄热层(3)和烟道导热层(2)之间的连接界面涂有导热硅脂；

所述燃烧器设于所述烟道蓄热层(3)围成的空间内部，且设有通向外部的燃气接口；所述燃烧器包括燃烧器头部(7)、引射器(8)和燃气管道接口(9)；燃烧器头部(7)位于所述烟道蓄热层(3)围成的空间内部，燃烧器头部(7)连接引射器(8)，引射器(8)用于与外部的燃气管道接口(9)相连；燃烧器头部(7)侧面设有排火口；

所述热管散热器包括蒸发端基底(10)、热管(11)和散热翅片(12)；热管(11)的蒸发端焊接在蒸发端基底(10)内，热管(11)的冷凝端与散热翅片(12)焊接；

多个所述半导体发电芯片(1)与多个所述热管散热器一一对应安装；各所述半导体发电芯片(1)的热端分别与烟道导热层(2)的外壁连接固定，各所述半导体发电芯片(1)的冷端分别与对应的热管散热器的蒸发端基底(10)连接固定；

导线(4)将所有半导体发电芯片(1)串联连接；所述直流转化器(6)的输入端与导线(4)连接，输出端用于连接用电设备。

2.根据权利要求1所述的一种天然气减压站用小功率蓄热式半导体发电装置，其特征在于：所述固固相变材料的熔点不高于半导体发电芯片(1)的最高工作温度。

3.根据权利要求1或2所述的一种天然气减压站用小功率蓄热式半导体发电装置，其特征在于：在固固相变材料中添加膨胀石墨作为形核剂形成复合相变材料，以增加相变材料的导热系数并减小过冷度。

4.根据权利要求1所述的一种天然气减压站用小功率蓄热式半导体发电装置，其特征在于：所述半导体发电芯片(1)选用低温热电材料，半导体发电芯片(1)与烟道导热层(2)、散热器蒸发端基底(10)之间均涂有导热硅脂，并通过PPS材质的塑料螺钉进行紧固以减小接触热阻和减少漏热。

5.根据权利要求1所述的一种天然气减压站用小功率蓄热式半导体发电装置，其特征在于：蒸发端基底(10)材料为铜。

6.根据权利要求1所述的一种天然气减压站用小功率蓄热式半导体发电装置，其特征在于：半导体发电芯片(1)输出的直流电通过直流转化器(6)进行稳压及最大功率追踪的直流电管理，然后供给用电设备。

7.根据权利要求1所述的一种天然气减压站用小功率蓄热式半导体发电装置，其特征在于：半导体发电芯片(1)为m×n个，分为m层从上至下布置于烟道导热层(2)外壁面上；每一层设有n个，沿烟道导热层(2)外壁面周向均匀分布；沿烟道导热层(2)外壁面呈正n边型。

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