CN110635720A - 无外接冷源的小空间自供电温差发电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种无外接冷源的小空间自供电温差发电系统及方法，属于燃气灶具技术领域。包括灶具（1）的面板（11）、底盘（12），温差发电装置（2），储能模块（3）以及电子脉冲点火器（4）。上述灶具（1）包括面板（11）、炉灶本体及其底盘（12）、调节风门、点火开关；上述温差发电装置（2）包括导热块（21）、温差发电元件（22）、散热器（23）储液箱（25）；上述储能模块（3）由升压模块（31）、超级电容器（321）、稳压模块（33）组成;本发明提高了灶具热能利用率以及实现自供电运行，杜绝干电池的使用，其中无外界动力辅助的被动式冷却系统确保了温差发电装置长期稳定运行，从而提高灶具使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种无外接冷源的小空间自供电温差发电系统及方法，特别是涉及一种燃气灶具内部的温差发电结构及其配套的充放电储能电路设计，属于燃气灶具技术领域与电子电工领域。
背景技术
燃气灶的点火方式有电子脉冲点火和压电陶瓷点火两种，前者的点火命中率较高，一般能达到100%，嵌入式灶采用的是电子脉冲点火方式，并按国家规定（GB16410-2007）安装有熄火保护装置，使得灶具能在意外熄火时及时切断气源，避免燃气泄漏造成危险。嵌入式灶的熄火保护和脉冲电火花的用电部件都集成在电子脉冲点火器内，需要干电池来驱动，故灶具在使用一段时间后就需要更换电池，废旧电池不合理回收会存在污染环境的风险，而且某些嵌入式灶的拆装难度较大，用户很难独立更换电池。因此本文提出可以利用温差发电技术将灶具燃烧时的部分余热转化为电能取代干电池为电子脉冲点火器供电，以达到节能环保的目的。
相比于传统的发电方式，温差发电具有性能可靠、无噪音污染、无运动部件、维修少，可在极端恶劣环境下长时间工作等优点。但是也存在不可忽视的缺陷，在发电过程中温差能利用的最大困难是温差太小，能量密度太低。所以温差能转换电能的关键是强化传热技术。温差发电虽然有人已经提出了用在燃气灶具上了，但是没有很好的设计冷端被动式散热，还没有人提出过将热虹吸原理应用到燃气灶具的温差发电冷端散热上去。
为了让电子脉冲点火器能在灶具熄火，即温差发电元件不输出电能的状态下工作，必须要有储能模块存储温差发电装置有热量输入产生的电能。但现在少有设计完善，并且成本低廉的充放电储能电路搭配燃气灶具的温差发电与内部用电部件使用。
综上所述，本发明提出一种无外接冷源的小空间自供电温差发电系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于为了克服上述现有技术的不足，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种无外接冷源的小空间自供电温差发电系统，依次包括灶具，温差发电装置，储能模块以及电子脉冲点火器；灶具包括面板、底盘、炉头、点火开关等；温差发电装置包括导热块、温差发电元件、散热器、储液箱；储能模块由升压模块、超级电容器、稳压模块组成。
进一步地，所述导热块紧贴某个炉灶的底盘的高温表面,温差发电元件的热端与导热块紧密贴合，温差发电元件的冷端与散热器紧密接触；散热器的后表面设置有肋片，肋片的作用是增加散热面积，强化散热器表面的对流换热；散热器的后表面与储液箱前表面紧贴密封，确保灶具长期运行时冷却工质不会泄露，肋片通过前表面的开口伸进储液箱内部，与其中的冷却工质直接接触，将热量暂时储存在工质中。储液箱内设置有隔板，隔板由一块水平底板和至少两块竖直侧板组成，水平底板的高度与散热器肋片底部持平，水平底板与储液箱底部表面之间形成冷通道，引导较冷工质流动，使工质能流入散热器的肋片区域；竖直侧板将散热器的肋片区域包覆，但不接触肋片，因为隔板接触到肋片时散热器与工质接触的面积将会减少，影响换热效果；竖直侧板包覆的区域形成热通道，引导流过肋片的工质进入储液箱上部区域。
进一步地，所述储能模块由升压模块、超级电容器、稳压模块组成; 上述升压模块的电压输入端用导线连接温差发电元件，电压输出端用导线连接超级电容器的正负极，其正负极再与稳压模块的电压输入端连接，稳压模块的电压输出端与电子脉冲点火器用导线连接。
进一步地，上述散热器的肋片结构为矩形肋片，或者针状肋，或者斜肋，增加肋片的目的是增加散热器与液体工质之间的换热面积，从而加强自然对流换热。
进一步地，上述散热器的肋片覆盖的面积占散热器后表面的比例大于80%，肋高与肋厚之比大于5，这样的比例有助于形成较为合理的肋间距，使热通道中的流体工质不易在肋片区域形成流动死区。
进一步地，所述隔板为绝热保温材料，材料的导热系数范围是0～0.3 W/m•K。温差发电元件是半导体温差发电片或半导体制冷片，或半导体发电堆，或半导体制冷电堆，或PN结与印刷电路的集成品。
进一步地，所述液体箱中工质是水或者石蜡。液体箱的工质充液量为占整个液体箱内部容积的70～100%，或者工质的灌装液位的高度要超过散热器的肋片区域。内部不满液时抽一定真空，形成微负压环境，可以降低工质的沸点，产生气泡破坏翅片壁面处的热边面层，增加翅片湿表面上的平均对流换热系数，进一步降低散热器总热阻，强化自然对流散热。
进一步地，所述的储能元件为超级电容器，或为可充电的镍氢电池或者锂电池，储能元件的作用是储存温差发电元件间歇运行时产生的电能。当储能元件采用的是镍氢电池或者锂电池时，升压模块用镍氢电池或者锂电池的充电模块替代。
进一步地，所述的无外接冷源的小空间自供电温差发电系统的方法，其特征在于包括以下过程：温差发电装置的热端导热块紧贴在某个炉灶的底盘高温表面上，吸收燃气燃烧的部分余热，温差发电元件利用其中很小的一部分热量进行温差发电，其余热量在冷端通过散热器传递给被动式散热系统的储液箱中的工质。肋片式散热器将热量散失到工质中，翅片区域附近工质中形成温差从而建立密度梯度，使较热的液体产生浮力转移到储液箱上部，散热器翅片区域由于有液体离开，新鲜较冷的液体会通过由隔板分隔出来的通道补充给翅片区域，然后流过散热器的微通道翅片区域。同时，通过翅片区域的液体被新鲜进入的较冷液体所取代，热量被热流体带走，较冷液体由水箱底部通道以外的区域提供，最终建立热虹吸流动循环，成为准热管被动式散热系统。
进一步地，所述温差发电元件的输出端接入直流升压模块，该模块能将低压的输入电压以较高的稳定电压输出。在电子脉冲点火器的输入端接入直流稳压模块，该模块能以稳定的额定电压输出给电子脉冲点火器。升压模块、超级电容器以及稳压模块组成一个储能模块用以储存灶具点火工作时温差发电装置产生的电能，储存的电能能够一直供给电子脉冲点火器使用，使其一直处于待机状态。
附图说明
图1是本专利的整体结构示意图；
图2是储液箱与隔板结构示意图；
图3是散热器结构示意图；
图4是以超级电容器为储能元件的电路示意图；
图5是以镍氢电池为储能元件的电路示意图；
图6是以锂电池为储能元件的电路示意图。
图中标号名称：1-灶具、11-面板、12-底盘，2-温差发电装置，21-导热块，22-温差发电元件，23-散热器，24-隔板，25-储液箱，3-储能模块，31-升压模块，321-超级电容器，322-镍氢电池，323-锂电池，33-稳压模块，4-电子脉冲点火器。
具体实施方法
下面结合附图对本专利进一步说明。
如图1和2所示，一种无外接冷源的小空间自供电温差发电系统及方法通过以下方式进行温差发电：温差发电装置可以把灶具燃烧的部分余热转化为直流电，直接供给电子脉冲点火器使用。导热块和肋片式散热器夹紧一片温差发电元件，导热块紧贴发电元件的热端，散热器作为冷端。来自灶具的热量首先通过导热块传递给温差发电元件，发电元件利用其中很小的一部分热量进行温差发电，其余热量在冷端通过散热器传递给储液箱中的工质。肋片式散热器将冷端的热量散失到储液箱中，热通道内的液体中形成温差从而建立密度梯度，使较热的液体产生浮力转移到储液箱上部，热通道的下部区域由于有液体离开，新鲜的水会通过冷通道补充给下部区域，然后流过散热器的微通道翅片区域。同时，通过热通道离开翅片区域的液体被新鲜进入的较冷液体所取代，热量被热流体带走，较冷液体由储液箱热通道以外的区域提供，最终建立热虹吸流动循环，成为准热管被动式散热系统。储液箱内的液体工质比热容较大，故必须在一段时间内吸收大量的热量来使冷通道内的给水温度有明显增大，在这一阶段中，冷端的热量可以快速传递给水箱中的工质流体，储液箱可以看成是一个蓄热器，在此期间温差发电元件两端可以维持在较高的温差。然而，随着灶具持续工作，工质温度必然会持续升高，此时系统会通过与外部空气之间进行自然对流散热，从而耗散部分或全部由冷端提供的热量，此时的储液箱可以看成是一个单相热虹吸热管，来传导来自发电片冷端的热量。储液箱作为一个重力泵、蓄热器和热量传递媒介，每隔一定时间为温差发电元件提供短时高效散热。
如图3所示，散热器与储液箱中液体接触的那一面设置矩形肋片，肋片覆盖的面积占肋片所在表面的比例要大于80%，肋高与肋厚之比要大于5。
如图4所示，一种无外接冷源的小空间自供电温差发电系统及方法通过以下方式进行电能的储存（以超级电容器为储能元件）：温差发电元件所产生的电能首先储存在超级电容器中，然后持续给电子脉冲点火器供电使其一直处于待机状态。
如图5所示，一种无外接冷源的小空间自供电温差发电系统及方法通过以下方式进行电能的储存（以镍氢电池为储能元件）：温差发电元件所产生的电能首先储存在镍氢电池中，然后持续给电子脉冲点火器供电使其一直处于待机状态。
如图6所示，一种无外接冷源的小空间自供电温差发电系统及方法通过以下方式进行电能的储存（以锂电池为储能元件）：温差发电元件所产生的电能首先储存在锂电池中，然后持续给电子脉冲点火器供电使其一直处于待机状态。
Claims (8)
1.一种无外接冷源的小空间自供电温差发电系统，其特征在于：
依次包括灶具（1），温差发电装置（2），储能模块（3）以及电子脉冲点火器（4）；
上述灶具（1）包括面板（11）、炉灶本体及其底盘（12）、调节风门、点火开关；
上述温差发电装置（2）包括导热块（21）、温差发电元件（22）、散热器（23）储液箱（25）；上述导热块（21）紧贴某个炉灶的底盘（12）的高温表面,温差发电元件（22）的热端与导热块（21）紧密贴合，温差发电元件（22）的冷端与散热器（23）紧密接触；散热器（23）的后表面设置有肋片;散热器（23）的后表面与储液箱（25）前表面紧贴密封，肋片通过前表面的开口伸进储液箱（25）内部，与其中的工质直接接触;
储液箱（25）内设置有隔板(24); 隔板（24）由一块水平底板和至少两块竖直侧板组成，水平底板的高度与散热器（23）肋片底部持平，水平底板与储液箱（25）底部表面之间形成冷通道，竖直侧板将散热器（23）的肋片区域包覆,但不接触肋片, 竖直侧板包覆的区域形成热通道;上述散热器（23）、隔板（24）与储液箱（25）组成被动式散热系统;
上述储能模块（3）由升压模块（31）、超级电容器（321）、稳压模块（33）组成;上述升压模块（31）的电压输入端用导线连接温差发电元件（22），电压输出端用导线连接超级电容器（321）的正负极，其正负极再与稳压模块（33）的电压输入端连接，稳压模块（33）的电压输出端与电子脉冲点火器（4）用导线连接。
2.根据权利要求1所述的无外接冷源的小空间自供电温差发电系统，其特征在于：
上述散热器（23）的肋片结构为矩形肋片，或者针状肋，或者斜肋。
3.根据权利要求1所述的无外接冷源的小空间自供电温差发电系统，其特征在于:上述散热器（23）的肋片覆盖的面积占散热器（23）后表面的比例大于80%，肋高与肋厚之比大于5。
4.根据权利要求1所述的无外接冷源的小空间自供电温差发电系统，其特征在于：
上述隔板（24）为绝热保温材料，材料的导热系数范围是0～0.3W/m•K。
5.根据权利要求1所述的无外接冷源的小空间自供电温差发电系统，其特征在于：上述温差发电元件（22）是半导体温差发电片或半导体制冷片，或半导体发电堆，或半导体制冷电堆，或PN结与印刷电路的集成品。
6.根据权利要求1所述的无外接冷源的小空间自供电温差发电系统，其特征在于：
上述液体箱（25）中工质是水或者石蜡;液体箱（25）注入工质后抽真空形成负压环境，工质的充液量为占整个液体箱（25）内部容积的70～100%，或者工质的灌装液位的高度超过散热器（23）的肋片区域。
7.根据权利要求1所述的无外接冷源的小空间自供电温差发电系统，其特征在于：
上述储能元件为超级电容器；或为可充电的镍氢电池或者锂电池。
8.根据权利要求1～7所述的无外接冷源的小空间自供电温差发电系统的方法，其特征在于包括以下过程：
上述温差发电装置（2）的热端导热块（21）紧贴在某个炉灶的底盘（12）高温表面，吸收燃气燃烧的部分余热，温差发电元件（22）利用其中很小的一部分热量进行温差发电，其余热量在冷端通过散热器（23）传递给储液箱（25）中的工质;散热器（23）将热量快速散失到工质中，肋片区域附近工质中形成温差从而建立密度梯度，使较热的液体产生浮力通过热通道转移到储液箱（25）上部，散热器（23）肋片区域由于有液体离开，新鲜较冷的液体会通过由隔板（24）分隔出来的热通道补充给肋片区域，然后流过散热器（23）的肋片区域；同时，通过肋片区域的液体被新鲜进入的较冷液体所取代，热量被热流体带走，最终建立自然对流循环；
上述温差发电元件（22）的输出端接入直流升压模块（31），该模块能将低压的输入电压以较高的稳定电压输出；在电子脉冲点火器（4）的输入端接入直流稳压模块（33），该模块能以稳定的额定电压输出给电子脉冲点火器（4）；升压模块（31）、超级电容器（321）以及稳压模块（33）组成一个储能模块（3）用以储存灶具（1）点火工作时温差发电装置（2）产生的电能，储存的电能能够一直供给电子脉冲点火器（4）使用，使其一直处于待机状态。
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| CN114337375A (zh) * | 2021-12-22 | 2022-04-12 | 北京化工大学 | 被动散热器、温差发电装置和温差发电系统 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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