CN110912460B - 全天候温差发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同时使用太阳热能和外太空冷能的全天候温差发电装置。本发明的装置充分利用白天太阳能升温，晚上辐射降温，在全天24小时中形成稳定温差，并利用热电材料的温差发电效应不间断发电，该发电装置充分利用太阳冷与太空冷能，不耗费其他能源，清洁无污染，且不受时间限制。

Description

全天候温差发电装置
技术领域
本发明涉及使用可再生能源的热电发电领域，具体为一种同时使用太阳能热能和太空冷能的全天候温差发电装置。
背景技术
大量化石能源的消耗利用产生的温室气体排放，为人类未来发展埋下隐患。新的可再生能源问题仍然亟待解决。
一方面，目前作为替代化石能源的潮汐能、太阳能、风能、热能、水能、机械能已具有可再生、可持续的特点。但因为这些自然能源在地球上不均匀的时间和空间分布，故仍面临使用局限性问题，例如风能资源主要分布在沿海和高海拔地区，受风力资源的影响很大。生物质能获取途径广泛，但储存较为困难，提高了成本投入，太阳能资源无法24小时使用。
温差发电技术是将热能直接转换为电能的技术，具有无机械转动装置、工作时无噪音、无污染等优点，因而得到广泛的关注。但现有的温差发电装置在不同程度上都有所不足，例如，太阳能温差发电装置在晚上不可用，且温差小，发电量小；冷热水温差发电装置、南极温差发电装置都需要人造能源，最终消耗的仍是现有不可再生能源；利用风能温差发电装置、旋转温差发电装置、水面温差发电装置根源上都是利用太阳能加热水温，利用风能、水流带动冷水箱散热，受到地域、天气的限制；利用汽车余热等废热温差发电装置，虽然可以利用废热，但对于热电发电装置也存在空间限制。
外太空温度约为3k，是一种巨大的无耗能冷资源，而太阳能亦是一种取之不尽的热资源，合理利用这两种能源，利用热能与冷能的温差发电，将使得发电装置工作不受时间、空间限制，无污染物排放。
采用SiO2、SiC、BaSO4等无机粒子掺杂的PE膜可以利用辐射颗粒在大气窗口8～13微米处有较高的辐射率，且其他波段辐射率较低的特点，不断向大气中辐射净热量，使膜片自身温度不断降低，可与外界产生温差。但由于白天太阳照射热量显著增加，降温效果不明显，无法产生稳定有效的温差，无法应用于温差发电。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种全天候温差发电装置，能够在不使用任何自然或人造能源的情况下，在无太阳光条件下利用介质通过大气窗口辐射降温形成温差，在有阳光的条件下利用太阳能升温和介质辐射降温形成温差，一天24小时随时随地连续输出电能，突破了时间空间的限制。
为完成上述目的，本发明提供的全天候温差发电装置，其特征在于：包括辐射降温装置、导电导热装置和热电片；
所述辐射降温装置包括辐射膜和由气凝胶制成的气凝胶室；所述辐射膜水平置于气凝胶室中且与气凝胶室构成一个温差腔室；所述辐射膜与气凝胶室内壁不接触，辐射膜的两端分别与热电片接触；
所述辐射膜由纳米无机辐射颗粒涂覆压制在金属箔上制成；还包括PE膜，所述气凝胶室的上表面由PE膜覆盖形成封闭腔室；
所述热电片包括多组P型热电片和N型热电片；
所述导电导热装置由2组金属箔电极和导电线构成，所述2组金属箔电极和导电线分别装置于气凝胶室的两侧；所述每侧的金属箔电极大部分与外部环境接触，起到散热和导电作用，所述每侧的金属箔电极一端在气凝胶室外与P型热电片或N型热电片连接，所述每侧的金属箔电极另一端与同侧的导电线连接；所述一侧的导电线连接同侧的P型热电片和同侧的金属箔电极构成发电装置一输出端，所述另一侧的导电线连接N型热电片和金属箔电极构成发电装置另一输出端；所述多组P型热电片和N型热电片串联或并联或混联形成电回路；每两组P型热电片和N型热电片在气凝胶室内部的一侧端部通过辐射膜的金属箔连通，每两组P型热电片和N型热电片的另一侧均与辐射膜上的纳米无机辐射颗粒层连通；
所述多组P型热电片和N型热电片的材料均分别由Bi2Te3、Sb2Te3和导电聚苯胺混合后涂覆在基体片上制成；所述基体片由绝缘材料制成。
作为优选方案，所述金属箔电极为铜箔电极，所述导电线为铜导电线；所述热电片两端分别与铜箔电极和辐射膜相连；在辐射膜的两侧分别连接两组P型热电片和N型热电片，所述P型热电片和N型热电片串联使用并通过铜导电线组成一个电流回路。
进一步地，所述辐射膜由辐射颗粒粉末通过丝网印刷在一块铝箔上制成：
所述辐射颗粒采用SiC和SiO2混合物，分别将1gSiC和SiO2粉末和3.6mL乙醇混合均匀后通过150目丝网印制在铝箔上，然后在90℃下干燥2-5min；在干燥后的铝箔与辐射颗粒涂层上盖上一层PTFE薄板后在15MPa，80℃条件下热压20-30min；待冷却后去除PTFE板，在铝箔上即形成一层辐射颗粒薄膜，铝箔与辐射颗粒薄膜即构成辐射膜。
更进一步地，所述热电片由热电材料、牛皮纸、热电粉末粘合剂混合制备而成：
所述热电材料为Bi2Te3和Sb2Te3，所述热电材料粉末粘合剂为导电聚氨酯；所述Bi2Te3：PU的混合质量比为5:1-5:3，所述Sb2Te3：PU的混合质量为6:1-5:2；所述热电材料、牛皮纸和热电粉末粘合剂混合均匀后通过丝网印刷工艺印刷在牛皮纸的表面上，然后在10-20MP的压力、340-360K温度下热压20-30分钟，使热电材料在牛皮纸基材上固化成膜即得到热电片。
更进一步地，所述热电片尺寸为2.0×0.5cm2，热电片间距0.2cm；辐射膜的尺寸为5.0×5.0cm2；气凝胶室的整体厚度为1.0cm。
更进一步地，所述纳米无机辐射颗粒为SiC和SiO2、BaSO4中的一种或几种混合物；所述金属箔材料为铝、铜、金或银中任一种；所述绝缘材料为牛皮纸片、纸板、树脂片或陶瓷片中任一种；所述金属箔电极和导电线材料为铝、铜、金或银中任一种。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明装置充分利用白天太阳能升温，晚上辐射降温，在全天24小时中形成稳定温差，并利用热电材料的温差发电效应不间断发电，该发电装置充分利用太阳冷与太空冷能，不耗费其他能源，清洁无污染，且不受时间限制。
附图说明
图1为实施例1的发电装置俯视结构示意图；
图2为实施例1的发电装置正视结构示意图；
图3为实施例2的发电装置俯视结构示意图；
图4为实施例2的发电装置正视结构示意图；
图5是在太阳辐射下SiC粒子的吸收光谱；
图6是在热辐射下SiC粒子的吸收光谱；
图7是本发明热电发电装置白天温差与发电效果；
图8是本发明热电发电装置晚上温差与发电效果。
图中：1、辐射膜；2气凝胶室；3、PE膜；4、P型热电片；5、N型热电片；6、金属箔电极； 7、导电线。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
本实施例中的辐射降温装置由辐射膜1、气凝胶室2组成。辐射膜1与气凝胶构成一腔室，辐射膜1与气凝胶室2内壁不接触，只与热电片接触。
本实施例中，辐射膜1是由碳化硅粉末通过丝网印刷在一块铝箔上制成。
本实施例中辐射膜辐射颗粒分别采用SiC和SiO2。分别将1gSiC和SiO2粉末和3.6mL乙醇混合均匀后通过150目丝网印制在铝箔上，然后在90℃下干燥2-5min；在干燥后的铝箔与辐射颗粒涂层上盖上一层PTFE薄板后在15MPa，80℃条件下热压20-30min。待冷却后去除PTFE板，在铝箔上即形成一层辐射颗粒薄膜，铝箔与辐射颗粒薄膜构成辐射膜。
由于SiC、SiO2在太阳辐射中具有高透射率，吸收的太阳能极少，同时在9.8μm附近的波长处具有很高的热发射率，而该波长的热辐射发出的大部分热量可以通过大气窗口有效地传递到外部空间，因此可以有效地将热量散发到外部空间，并将其温度降低到环境温度以下。
本实施例中热电片分为P型热电片4和N型热电片5。每两组P型热电片和N型热电片在气凝胶室内部的端部采用铜箔片连通一侧，另一侧均和气凝胶室2内的辐射膜1相连。
本实施例中热电片由热电材料、牛皮纸、热电粉末粘合剂组成。其中热电材料为Bi2Te3和Sb2Te3，的热电材料粉末粘合剂为导电聚氨酯(PU)。其中Bi2Te3：PU的混合质量比为5:1到5:3，Sb2Te3：PU的混合质量为6:1到5:2。混合均匀后通过丝网印刷工艺印刷在牛皮纸的表面上。然后在10-20MP的压力、340-360K温度下热压20-30分钟，使热电材料在牛皮纸基材上固化成膜。
的热电片两端分别与铜箔电极和辐射降温膜相连。本实施例中在降温膜两侧连接P型和N型热电片各两组，P型和N型热电片按附图1所示串联。使用铜导电线组成一个电流回路。
每片热电片尺寸为2.0×0.5cm2，热电片间距0.2cm。辐射膜的尺寸为5.0×5.0cm2。气凝胶室整体厚度为1.0cm。
采用本实施例中的发电装置于2019.8.17日在山西长治测得的温差与发电情况对比如图4、5所示。
采用SiC辐射颗粒的发电装置白天产生平均电压分别为14.6mV，全天平均电压为8.3mV，最大输出功率达17nW；采用SiO2辐射颗粒的发电装置全天平均电压分别为2.2mV，最大输出功率达1nW。
实施例2：
本实施例与实施例1主结构大同小异，相同之处不在赘述，不同之处：本实施例中在降温膜两侧连接P型和N型热电片各两组，P型和N型热电片按照N-P-P-N顺序布置，将P型和N型热电片按附图2所示并联。
本实施例中辐射降温装置由辐射膜1、气凝胶室2组成。辐射膜1与气凝胶构成一腔室，辐射膜1与气凝胶室2内壁不接触，只与热电片接触。
本实施例中，辐射膜1是由碳化硅粉末通过丝网印刷在一块铝箔上制成。
本实施例中辐射膜辐射颗粒分别采用SiC和SiO2。分别将1gSiC和SiO2粉末和3.6mL乙醇混合均匀后通过150目丝网印制在铝箔上，然后在90℃下干燥2-5min；在干燥后的铝箔与辐射颗粒涂层上盖上一层PTFE薄板后在15MPa，80℃条件下热压20-30min。待冷却后去除PTFE板，在铝箔上即形成一层辐射颗粒薄膜，铝箔与辐射颗粒薄膜构成辐射膜。
由于SiC、SiO2在太阳辐射中具有高透射率，吸收的太阳能极少，同时在9.8μm附近的波长处具有很高的热发射率，而该波长的热辐射发出的大部分热量可以通过大气窗口有效地传递到外部空间，因此可以有效地将热量散发到外部空间，并将其温度降低到环境温度以下。
本实施例中热电片分为P型热电片4和N型热电片5。每两组P型热电片和N型热电片在气凝胶室内部的端部采用铜箔片连通一侧，另一侧均和气凝胶室2内的辐射膜1相连。
本实施例中热电片由热电材料、牛皮纸、热电粉末粘合剂组成。其中热电材料为Bi2Te3和Sb2Te3，热电材料粉末粘合剂为导电聚氨酯(PU)。其中Bi2Te3：PU的混合质量比为5:1到5:3，Sb2Te3：PU的混合质量为6:1到5:2。混合均匀后通过丝网印刷工艺印刷在牛皮纸的表面上。然后在10-20MP的压力、340-360K温度下热压20-30分钟，使热电材料在牛皮纸基材上固化成膜。
热电片两端分别与铜箔电极和辐射降温膜相连。本实施例中在降温膜两侧连接P型和N型热电片各两组，P型和N型热电片按附图2所示并联。使用铜导电线组成一个电流回路。
每片热电片尺寸为2.0×0.5cm2，热电片间距0.2cm。辐射膜的尺寸为5.0×5.0cm2。气凝胶室整体厚度为1.0cm。
采用SiC辐射颗粒的发电装置白天产生平均电压分别为7.3mV，全天平均电压为4.2mV，最大输出功率达16.9nW；采用SiO2辐射颗粒的发电装置全天平均电压分别为1.2mV，最大输出功率达1nW。

Claims (7)

1.一种全天候温差发电装置，其特征在于：包括辐射降温装置、导电导热装置和热电片；
所述辐射降温装置包括辐射膜(1)和由气凝胶制成的气凝胶室(2)；所述辐射膜(1)水平置于气凝胶室(2)中且与气凝胶室(2)构成一个温差腔室；所述辐射膜(1)与气凝胶室(2)内壁不接触，辐射膜(1)的两端分别与热电片接触；
所述辐射膜(1)由纳米无机辐射颗粒涂覆压制在金属箔上制成；还包括PE膜(3)，所述气凝胶室(2)的上表面由PE膜(3)覆盖形成封闭腔室；
所述热电片包括多组P型热电片(4)和N型热电片(5)；
所述导电导热装置由2组金属箔电极(6)和导电线(7)构成，所述2组金属箔电极(6)和导电线(7)分别装置于气凝胶室(2)的两侧；所述每侧的金属箔电极(6)大部分与外部环境接触，起到散热和导电作用，所述每侧的金属箔电极(6)一端在气凝胶室(2)外与P型热电片(4)或N型热电片(5)连接，所述每侧的金属箔电极(6)另一端与同侧的导电线(7)连接；所述一侧的导电线(7)连接同侧的P型热电片(4)和同侧的金属箔电极(6)构成发电装置一输出端，所述另一侧的导电线(7)连接N型热电片(5)和金属箔电极(6)构成发电装置另一输出端；所述多组P型热电片(4)和N型热电片(5)串联或并联或混联形成电回路；每两组P型热电片(4)和N型热电片(5)在气凝胶室(2)内部的一侧端部通过辐射膜(1)的金属箔连通，每两组P型热电片(4)和N型热电片(5)的另一侧均与辐射膜(1)上的纳米无机辐射颗粒层连通；
所述多组P型热电片(4)和N型热电片(5)的材料均分别由Bi2Te3、Sb2Te3和导电聚苯胺混合后涂覆在基体片上制成；所述基体片由绝缘材料制成。
2.根据权利要求1所述的全天候温差发电装置，其特征在于：所述金属箔电极(6)为铜箔电极，所述导电线(7)为铜导电线；所述热电片两端分别与铜箔电极和辐射膜(1)相连；在辐射膜(1)的两侧分别连接两组P型热电片(4)和N型热电片(5)，所述P型热电片(4)和N型热电片(5)串联使用并通过铜导电线组成一个电流回路。
3.根据权利要求1或2所述的全天候温差发电装置，其特征在于：所述辐射膜(1)由辐射颗粒粉末通过丝网印刷在一块铝箔上制成：
所述辐射颗粒采用SiC和SiO2混合物，分别将1g SiC和SiO2粉末和3.6mL乙醇混合均匀后通过150目丝网印制在铝箔上，然后在90℃下干燥2-5min；在干燥后的铝箔与辐射颗粒涂层上盖上一层PTFE薄板后在15MPa，80℃条件下热压20-30min；待冷却后去除PTFE板，在铝箔上即形成一层辐射颗粒薄膜，铝箔与辐射颗粒薄膜即构成辐射膜(1)。
4.根据权利要求1或2所述的全天候温差发电装置，其特征在于：所述热电片由热电材料、牛皮纸、热电粉末粘合剂混合制备而成：
所述热电材料为Bi2Te3和Sb2Te3，所述热电材料粉末粘合剂为导电聚氨酯；所述Bi2Te3：PU的混合质量比为5:1-5:3，所述Sb2Te3：PU的混合质量为6:1-5:2；所述热电材料、牛皮纸和热电粉末粘合剂混合均匀后通过丝网印刷工艺印刷在牛皮纸的表面上，然后在10-20MP的压力、340-360K温度下热压20-30分钟，使热电材料在牛皮纸基材上固化成膜即得到热电片。
5.根据权利要求3所述的全天候温差发电装置，其特征在于：所述热电片由热电材料、牛皮纸、热电粉末粘合剂混合制备而成：
所述热电材料为Bi2Te3和Sb2Te3，所述热电材料粉末粘合剂为导电聚氨酯；所述Bi2Te3：PU的混合质量比为5:1-5:3，所述Sb2Te3：PU的混合质量为6:1-5:2；所述热电材料、牛皮纸和热电粉末粘合剂混合均匀后通过丝网印刷工艺印刷在牛皮纸的表面上，然后在10-20MP的压力、340-360K温度下热压20-30分钟，使热电材料在牛皮纸基材上固化成膜即得到热电片。
6.根据权利要求5所述的全天候温差发电装置，其特征在于：所述热电片尺寸为2.0×0.5cm2，热电片间距0.2cm；辐射膜(1)的尺寸为5.0×5.0cm2；气凝胶室(2)的整体厚度为1.0cm。
7.根据权利要求1或2所述的全天候温差发电装置，其特征在于：所述纳米无机辐射颗粒为SiC和SiO2、BaSO4中的一种或几种混合物；所述金属箔材料为铝、铜、金或银中任一种；所述绝缘材料为牛皮纸片、纸板、树脂片或陶瓷片中任一种；所述金属箔电极(6)和导电线(7)材料为铝、铜、金或银中任一种。
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