CN110429866A - 一种浅表地热温差发电装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种浅表地热温差发电装置，涉及电源技术领域。该浅表地热温差发电装置通过第一导热板和第二导热板分别将热量传导至温差发电组件两端，以使温差发电组件之间产生温度差，进而通过温差发电，实现发电量稳定、持续供电能力强、经济性好以及适用范围广的技术效果。

Description

一种浅表地热温差发电装置

技术领域

本申请涉及电源技术领域，具体而言，涉及一种浅表地热温差发电装置。

背景技术

目前，在一些较偏远或供电难以到达的地方，如森林防火感应传感器，以及国防上需用的感应传感方面的设备，其供电装置主要采用是光伏供电装置或电池供电装置。然而在实践中发现，采用光伏供电装置进行供电时，在夜晚或天气状况不好的情况下，其发电量会大幅下降，进而导致用电设备运行不稳定，持续工作能力差；采用电池供电装置进行供电时，需要设置大容量的蓄电池，且使用一段时间之后需要进行电池的更换，经济性能差。可见，现有的供电装置发电量不稳定，持续供电能力差，经济性差，适用范围小。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种浅表地热温差发电装置，用以发电量稳定、持续供电能力强、经济性好以及适用范围广的技术效果。

本申请实施例提供了一种浅表地热温差发电装置，所述浅表地热温差发电装置包括导热组件、第一导热板、第二导热板以及温差发电组件，其中，

所述导热组件一端与所述第一导热板相连接，另一端与所述温差发电组件一端相连接；所述导热组件用于将所述第一导热板的热量传导至所述温差发电组件的一端；

所述第一导热板用于吸收或散发热量；

所述第二导热板与所述温差发电组件另一端相连接，用于散发或吸收热量；

所述温差发电组件用于根据所述导热组件和所述第二导热板之间的热量差进行温差发电。

在上述实现过程中，通过第一导热板和第二导热板分别将热量传导至温差发电组件两端，以使温差发电组件之间产生温度差，进而通过温差发电，实现发电量稳定、持续供电能力强、经济性好以及适用范围广的技术效果。

进一步地，所述导热组件包括导热腔，所述导热腔中填充有导热材料。

在上述实现过程中，导热组件包括导热腔，导热腔内部填充有导热材料，从而保证了快速准确地将第一导热板的热量传导至温差发电组件一端，提升温差发电效率。

进一步地，所述导热材料为石墨、铝合金材料、有机油中的任意一种或者多种。

在上述实现过程中，导热材料的填充能够实现导热组件在传导热量时的热量消耗，给温差发电组件提供更高的温差。

进一步地，所述导热组件还包括真空腔，所述真空腔套设于所述导热腔的外部，用于隔热。

在上述实现过程中，导热组件还包括真空腔，该真空腔设置于导热腔的外部，用于将导热腔的热量与外部隔离，进而减少导热组件在传导热量时的热量消耗，给温差发电组件提供更高的温差。

进一步地，所述温差发电组件设置于所述导热腔内部的端口处，一端与导热腔中填充的导热材料连接，另一端与所述第二导热板连接。

在上述实现过程中，温差发电组件具体设置于所述导热腔内部的端口处，能够直接接受导热腔传导的热量，减少热量的损耗。

进一步地，所述导热腔和所述真空腔均呈圆柱体，且所述真空腔与所述导热腔同轴设置。

在上述实现过程中，真空腔与导热腔同轴设置，使得真空腔将导热腔与外界隔离，进一步减少传导热量过程中的热量损耗。

进一步地，所述第一导热板和所述第二导热板皆呈饼状，且所述第一导热板和所述第二导热板的面积均大于所述真空腔的横截面面积。

在上述实现过程中，导热板的面积大于真空腔的横截面面积，以保证体现第一导热板和第二导热板吸收或者发散热量的效率。

进一步地，所述第一导热板的材料为金属合金材料；

所述第二导热板的材料为聚乙烯材料、聚四氟乙烯材料。

在上述实现过程中，第一导热板采用金属合金材料、聚乙烯材料或者聚四氟乙烯材料，有利于提升使用寿命以及减少其温度的变化幅度。

进一步地，所述浅表地热温差发电装置还包括电能输出组件，其中，

所述电能输出组件一端与所述温差发电组件相连接，另一端直接与用电装置连接，用于将所述温差发电组件产生的电能传输至用电装置。

在上述实现过程中，温差发电组件可以直接通过电能输出组件将电能传输至用电设备，不需要外接储能设备。

进一步地，所述导热组件的长度为100厘米～160厘米。

在上述实现过程中，导热组件长度适中，能够利用浅表与地面的温差，即可满足不同气候都有电量的输出。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例一提供的一种浅表地热温差发电装置的结构示意图；

图2为本申请实施例二提供的一种浅表地热温差发电装置的结构示意图；

图3为本申请实施例二提供的一种浅表地热温差发电装置的原理示意图；

图4为本申请实施例二提供的一种温差发电组件的结构示意图。

图标：10-导热组件；11-导热腔；12-真空腔；20-第一导热板；30-第二导热板；40-温差发电组件；41-第一温度端；42-第二温度端；43-N型半导体；44-P型半导体；45-负极；46-正极。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例1

请参看图1，图1为本申请实施例提供了一种浅表地热温差发电装置的结构示意图。浅表地热温差发电装置包括导热组件10、第一导热板20、第二导热板30以及温差发电组件40。

其中，导热组件10一端与第一导热板20相连接，另一端与温差发电组件40一端相连接；导热组件10用于将第一导热板20的热量传导至温差发电组件40的一端。

第一导热板20用于吸收或散发热量。

第二导热板30与温差发电组件40另一端相连接，用于散发或吸收热量。

本申请实施例中，在实际使用中，将第一导热板20设于地面上以及第二导热板30设于地面下进行使用，当地面温度高于地下温度，第一导热板20做集热作用，第二导热板30做散热作用；地面温度低于地下温度时，第二导热板30做集热作用，而第一导热板20则做散热作用。因此，浅表地热温差发电装置可以同时满足不同环境条件下形成温差的作用。

温差发电组件40用于根据导热组件10和第二导热板30之间的热量差进行温差发电。

可见，实施图1所描述的浅表地热温差发电装置，通过第一导热板20和第二导热板30分别将热量传导至温差发电组件40两端，以使温差发电组件40之间产生温度差，进而通过温差发电，实现发电量稳定、持续供电能力强、经济性好以及适用范围广的技术效果。

实施例2

请参看图2，图2为本申请实施例提供的一种浅表地热温差发电装置的结构示意图。图2所描述的浅表地热温差发电装置是根据图1所描述的浅表地热温差发电装置进行改进得到的。如图2所示，导热组件10包括导热腔11，导热腔11中填充有导热材料。

本申请实施例中，导热材料为石墨、铝合金材料、有机油中的任意一种或者多种，对此本申请实施例不做限定。导热腔11通过填充的导热材料进行传热，在使用中，可以充注液体来传热，也可直接用实心或空心的铜棒或铝合金棒来传热，都能够减少导热腔11在传递热量时的损耗。

本申请实施例中，导热材料为热导率很大的材料，能够保证温差发电组件40放于装置的底部能保证温差发电组件40的两端温差最大，进而保证浅表地热温差发电装置有稳定的输出，不需要外接电池装置进行电能的存储。

作为一种可选的实施方式，导热腔11中填充的导热材料可以为导热系数很大的石墨。当导热组件10的长度为150厘米时，则对应150厘米的石墨传递热量的损耗小于1℃，所以即使不同季节变换，温差发电组件40上下两面存在的温差都足够保证发电。地面温度高于地下土壤温度时，热量可以很快地从地面经石墨传递至温差发电组件40上作为热端；当地下土壤温度高于地面温度时，石墨又可以快速地把温差发电组件40上的热量导出至第一导热片作为冷端，始终保证温差发电组件40两端存在一个最大温差。

本申请实施例中，浅表地热温差发电装置在多种天气状况下均可发电，不管是地面温度高于地下温度，还是地面温度低于地下温度，该浅表地热温差发电装置不用调转方向，由于浅表地热温差发电装置设置有第一导热板20和第二导热板30，同时其设置的温差发电组件40能够自动调整冷热端，保证了在将浅表地热温差发电装置设置好之后，不管季节、天气变化，均可以稳定输出电能，使用寿命长，免维护等优点。

导热组件10还包括真空腔12，真空腔12套设于导热腔11的外部，用于隔热。

本申请实施例中，在实际使用中，以夏天为例，浅表土壤的温度是逐步往下散热，为保持温差发电组件40两端的最大温度差，应让导热组件10传输的热量最大限度不被土壤散发掉，直接到达温差发电组件40两端，因此需要设置真空腔12，用于隔热。

温差发电组件40设置于导热腔11内部的端口处，一端与导热腔11中填充的导热材料连接，另一端与第二导热板30连接。

本申请实施例中，温差发电组件40的原理是通过塞贝克效应Seebeck，由于两种不同半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。浅表地热温差发电装置能够为温差发电组件40的两端始终保持有温差，并且在温差较小情况下依然能够输出电能。

本申请实施例中，温差发电组件40可以为粉末冶金工艺制作的温差发电片。请参阅图4，图4为本申请实施例提供的一种温差发电组件的结构示意图。如图4所示，该温差发电组件40包括第一温度端41、第二温度端42、N型半导体43、P型半导体44、负极45以及正极46。其中，第一温度端41可以与导热腔11中填充的导热材料连接，第二温度端42与第二导热板30连接。当地面温度高于地下温度，温差发电片的上端为热端，地面温度低于地下温度时，温差发电片的上端为冷端，无论环境怎么变换，浅表地热温差发电装置都可以持续输出电能。

导热腔11和真空腔12均呈圆柱体，且真空腔12与导热腔11同轴设置。

第一导热板20和第二导热板30皆呈饼状，且第一导热板20和第二导热板30的面积均大于真空腔12的横截面面积。

本申请实施例中，第一导热板20和第二导热板30皆呈饼状，可以为方形饼状，也可以为圆形饼状，对此本申请实施例不作限定。

本申请实施例中，根据热力学第二定律，克劳修斯表述：热量可以自发地从温度高的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从温度低的物体传递到温度高的物体。而根据克劳修斯不等式(即)可知，在热力学循环中，系统热的变化及温度之间的关系。若是在可逆过程中，则上式中的等号成立；小于符号则是对应不可逆过程。请参阅图3，图3为本申请实施例,提供的一种浅表地热温差发电装置的原理示意图，如图3所示，当地面温度高于地下时，热量通过第一导热板20到达导热腔11，作为供给温差发电组件40的热端，冷端为第二导热板30传递的地下土壤的温度。通过计算A点与B点、B点与C点、C点与D点、D点与E点的传热情况，进而可以计算出C与D点的最佳交换面。计算情况如下：设A点至B点的热传导速度为k₁，B点至C点的热传导速度为k₂，C点至D点的热传导速度为k₃，D点至E点的热传导速度为k₄；A点温度与B点温度的温度差为△T1≈0K，B点温度与C点温度的温度差为△T2＜1K，C点温度与D点温度的温度差为△T3≥5K，D点温度与E点温度的温度差为△T4≈0K，其中，K为开尔文温度。则可以得知：其中λ₁为铝合金板的热导率，λ₁＝180W/(m·K)，h₁＝0.003m时，k₁＝60000W/(m²·K)，同理，其中λ₁为石墨块的热导率，λ₂＝1000W/(m·K)，h₂＝1.5m时，k₂＝667W/(m²·K)，其中λ₃为温差发电组件40的热导率，λ₃＝0.8W/(m·K)，h₁＝0.003m时，k₃＝266W/(m²·K)，其中λ₄为塑料PE板的热导率，λ₁＝0.3W/(m·K)，h₁＝0.05m时，k₁＝6W/(m²·K)。所以可以得出，60000W/(m²·K)>667W/(m²·K)＝k₁>k₂，667W/(m²·K)>266W/(m²·K)＝k₂>k₃，266W/(m²·K)>6W/(m²·K)＝k₃>k₄。k₄远小于其他材料的k值，因此当第二导热板30为塑料PE板时，其的面积大于真空腔12的横截面面积，能够保证温差发电组件40接触塑料PE板的面温度变化尽可能的小，以维持温差发电组件40稳定地输出电能，进而免去了电池储电设计。

本申请实施例中，通过传热计算，浅表地热温差发电装置能够保证了不间断的电源输出。其第二导热板30和导热组件10埋在地下，利用地表空气温度和地下温度的温差发电，故天气变化对本发电装置的影响很小，且隐蔽性较高。导热组件10可以使用铝合金型材，表面经过防腐处理，可以实现长时间使用，免维护。

本申请实施例中，第一导热板20的材料为金属合金材料等，吸热和散热较快；第二导热板30的材料为聚乙烯材料、聚四氟乙烯材料等，对此本申请实施例不做限定。第二导热板30的材料选用聚乙烯材料、聚四氟乙烯材料等，耐腐蚀，不易分解，进而能够有效提升使用寿命。

本申请实施例中，选用热传导速度很慢的材料做第二导热板30，能够使得第二导热板30的温度变化很小，进而保证温差发电组件40两端的温差稳定，保证电量的稳定输出。

该浅表地热温差发电装置还包括电能输出组件，其中，电能输出组件一端与温差发电组件40相连接，另一端直接与用电装置连接，用于将温差发电组件40产生的电能传输至用电装置。

本申请实施例中，该电能输出组件包括电线、变压装置、保险装置等，对此本申请实施例不作限定。

本申请实施例中，如图4所示，其负极45和正极46均与电能输出组件连接。

本申请实施例中，导热组件10的长度为100厘米～160厘米，对此本申请实施例不做限定。最优的，导热组件10的长度为150厘米，能够实现发电量稳定、持续供电能力强、经济性好以及适用范围广的技术效果。

本申请实施例中，浅表地热温差发电装置的核心是利用温差发电组件40的塞贝克效应，即温差发电组件40两端存在温差时，即可输出电量。该浅表地热温差发电装置在阴雨天气或夜晚都在正常发电，且安装时是埋在地表下，具有较好的隐蔽性，放置深度浅，只需要100厘米～160厘米(150厘米最优)的深度即可稳定输出电能，工程简单，方便安装，成本低。

本申请实施例中，第一导热板20的高度为0.2厘米～0.5厘米，第二导热板30的高度为0.4厘米～0.6厘米，对此本申请实施例不作限定。

本申请实施例中，第一导热板20和第二导热板30的直径皆为20厘米～40厘米，对此本申请实施例不作限定。

可见，实施图2所描述的浅表地热温差发电装置，通过第一导热板20和第二导热板30分别将热量传导至温差发电组件40两端，以使温差发电组件40之间产生温度差，进而通过温差发电，实现发电量稳定、持续供电能力强、经济性好以及适用范围广的技术效果。

应理解，说明书通篇中提到的“本实施例中”、“本申请实施例”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“本实施例中”、“本申请实施例”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

在本申请的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种浅表地热温差发电装置，其特征在于，所述浅表地热温差发电装置包括导热组件、第一导热板、第二导热板以及温差发电组件，其中，

所述导热组件一端与所述第一导热板相连接，另一端与所述温差发电组件一端相连接；所述导热组件用于将所述第一导热板的热量传导至所述温差发电组件的一端；

所述第一导热板用于吸收或散发热量；

所述第二导热板与所述温差发电组件另一端相连接，用于散发或吸收热量；

所述温差发电组件用于根据所述导热组件和所述第二导热板之间的热量差进行温差发电。

2.根据权利要求1所述的浅表地热温差发电装置，其特征在于，所述导热组件包括导热腔，所述导热腔中填充有导热材料。

3.根据权利要求2所述的浅表地热温差发电装置，其特征在于，所述导热材料为石墨、铝合金材料、有机油中的任意一种或者多种。

4.根据权利要求2所述的浅表地热温差发电装置，其特征在于，所述导热组件还包括真空腔，所述真空腔套设于所述导热腔的外部，用于隔热。

5.根据权利要求3所述的浅表地热温差发电装置，其特征在于，所述温差发电组件设置于所述导热腔内部的端口处，一端与导热腔中填充的导热材料连接，另一端与所述第二导热板连接。

6.根据权利要求4所述的浅表地热温差发电装置，其特征在于，所述导热腔和所述真空腔均呈圆柱体，且所述真空腔与所述导热腔同轴设置。

7.根据权利要求4所述的浅表地热温差发电装置，其特征在于，所述第一导热板和所述第二导热板皆呈饼状，且所述第一导热板和所述第二导热板的面积均大于所述真空腔的横截面面积。

8.根据权利要求1所述的浅表地热温差发电装置，其特征在于，所述第一导热板的材料为金属合金材料；

所述第二导热板的材料为聚乙烯材料、聚四氟乙烯材料。

9.根据权利要求1所述的浅表地热温差发电装置，其特征在于，所述浅表地热温差发电装置还包括电能输出组件，其中，

所述电能输出组件一端与所述温差发电组件相连接，另一端直接与用电装置连接，用于将所述温差发电组件产生的电能传输至用电装置。

10.根据权利要求1所述的浅表地热温差发电装置，其特征在于，所述导热组件的长度为100厘米～160厘米。