CN111371343B - 一种温差发电装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种温差发电装置，包括支架、温差发电器、辐射装置及第一吸热器，辐射装置适于与温差发电器的第一侧壁传递热量，第一吸热器适于与温差发电器的第二侧壁传递热量，温差发电器、辐射装置、第一吸热器设置于所支架上，第一吸热器深入地面，适于吸收地下的热量。本公开提供的方案不仅无需太阳能，晚上也能供电，而且地热给第一吸热器提供了足够的热能，扩大了辐射装置与第一吸热器之间的温差，有效地增大了发电量。

Description

一种温差发电装置

技术领域

本公开涉及发电技术领域，尤其涉及一种温差发电装置。

背景技术

当今社会，电力因为其清洁高效、易储存、易传输等优良特性已经成为最为主要的能源形式。主要的发电方式包括：核能发电、太阳能发电，风能发电，水利发电，火力发电等。以上发电方式通常需要较大的发电设备及生产场所，生产的电能需要并入电网后集中分配给各级单位使用，适合于城镇等人口密集区域集中供电使用。

对于人烟稀少的贫困地区，建立电网用电的工程量大，而且远距离的传输致使输送电能的过程中损耗过高，增加了输送成本。致使不少边远的贫困地区仍然无电网触及，形成了电网著名的“最后一公里问题”。太阳能发电、风能发电能够小型化供电，从一定程度上解决边远地区供电，但是这两种发电方式受环境影响较大，并不能保障连续的供电。如太阳能发电，其器件仅仅在阳光充足的白天发电，在冬季、阴雨连绵的春季、晚上等迫切需要用电取暖、照明的情境下却无法正常供电。目前通常使用配置储存电能的装置，弥补太阳能发电的缺陷，但太阳能发电的发电量小，存储效率低等，难以满足24小时的电能使用需求，更难以满足长时间无阳光照射的冬季及春季的用电需求。

发明内容

为了解决为解决远离电网地区的夜间用电问题，或者远离电网地区的临时用电问题，本公开提出一种利用辐射降温和地热形成的温差发电的夜间发电方法及装置。本公开采用以下方案实现：

一种温差发电装置，包括支架、温差发电器、辐射装置及第一吸热器，所述辐射装置适于与所述温差发电器的第一侧壁传递热量，所述第一吸热器适于与所述温差发电器的第二侧壁传递热量，所述温差发电器、辐射装置、第一吸热器设置于所支架上，所述第一吸热器深入地面，适于吸收地下的热量。

进一步地，所述辐射装置包括辐射收束器及主动制冷膜，所述主动制冷膜适于与所述温差发电器的第一侧壁传递热量，所述辐射收束器包括上部开口及小于所述上部开口的下部开口，所述下部开口与所述主动制冷膜抵接。

进一步地，所述主动制冷膜适于发出8-14um的辐射。

进一步地，所述主动制冷膜为黑体材料。

进一步地，所述辐射收束器由金属制成或所述收束器的内表面镀有金属层。

进一步地，还包括对流隔绝罩，所述支架为隔热支架，所述隔热支架中部设置有具有安装槽的隔层，所述温差发电装置嵌于所述安装槽内，所述隔层及温差发电装置将所述支架隔断为上腔体及下腔体，所述主动制冷膜设置于所述上腔体。

进一步地，所述对流隔绝罩设置于所述上腔体的开口，与所述中部隔层、所述温差发电装置、所述支架的内壁围设并形成真空腔。

进一步地，所述对流隔绝罩的材料包括硒化锌。

进一步地，还包括第二吸热器，所述第二吸热器适于与所述温差发电器的第二侧壁传递热量，所述第二吸热器的末端位于地面之上，所述第二吸热器适于与空气进行热交换。

进一步地，还包括第一导热块及第二导热块，所述第一导热块与所述温差发电器的第一侧壁、辐射装置抵接；所述第二导热块与所述温差发电器的第二侧壁、第一吸热器、第二吸热器抵接。

进一步地，所述第一吸热器、第二吸热器为栅型吸热片。

利用碳纳米薄膜对环境温度的吸热以及依靠辐射降温膜产生温差，并利用温差发电器产生的电势是非常弱小的。本公开的温差发电装置，采用辐射装置、温差发电器及第一吸热器连接的结构，同时通过将第一吸热器延伸进入地面进行吸热，不仅无需太阳能也能供电，而且地热给第一吸热器提供了足够的热能，扩大了辐射装置与第一吸热器之间的温差，有效地增大了发电量。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开温差发电装置结构示意图；

图2是图1的辐射收束器的两个具体实施例；

图3是图2的辐射收束器的工作原理图。

1、温差发电装置；11、支架；12、辐射收束器；13、主动制冷膜；14、温差发电器；151、第一导热块；152、第二导热块；161、第一吸热器；162、第二吸热器；17、对流隔绝罩；18、真空腔；2、地面；3、负载。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。本公开的方案主要采用了塞贝克效应(Seebeck effect)及大气窗口进行发电：

塞贝克效应又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或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。塞贝克效应的成因可以简单解释为在温度梯度下导体内的载流子从热端向冷端运动，并在冷端堆积，从而在材料内部形成电势差，同时在该电势差作用下产生一个反向电荷流，当热运动的电荷流与内部电场达到动态平衡时，半导体两端形成稳定的温差电动势。半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。塞贝克效应电势差的计算公式：

S_A与S_B分别为两种材料的塞贝克系数。如果S_A与S_B不随温度的变化而变化，上式即可表示成如下形式：

V＝(S_B-S_A)(T₂-T₁)

有上述两个公式可见，对于基于塞贝克效应的温差发电机，温差越大，产生的电势也就越大。

自发降温是一种基于物体本征热辐射的无需能量输入降温方式。一切温度处于绝对零度以上的物体，由于化学键，原子，电子等带电粒子的本征振动，会自发的向外辐射电磁波。在室温下，物体的热辐射主要集中于8-14um的“大气窗口”波段，处于该波段的热辐射能够以很小的损失下进入外太空，而外太空的温度只有3K，是一个巨大且极低温度的冷源。物体通过电磁波的形式实现了与外太空的“亲密连接”，实现了热量从高温物体向低温物体的传输，并且在此过程中，不需要任何外部能量的消耗。

地面在白天接受太阳辐射，储存热量，地面温度升高。由于地面的成分是土壤，砂石等，比热容均高于空气，故而在夜晚，地面降温会比空气降温更加缓慢，地面温度高于大气温度。地面会储存更多的热量。传统的温差发电机的冷源和热源分别为环境温度和其他温度高于环境温度的物体(即，冷源主要是环境)。然而，本公开的冷源却是自发降温器，热源变成了环境。利用弥散在空气中热量进行的发电。

根据以上研究，本公开提供一种温差发电装置1(附图1)，该温差发电装置1主要包括支架11、温差发电器14、辐射装置及第一吸热器161。所述辐射装置适于与所述温差发电器14的第一侧壁传递热量，所述第一吸热器161适于与所述温差发电器14的第二侧壁传递热量。

所述支架11为隔热支架，隔热支架中部设置有具有安装槽的隔层，所述温差发电装置1嵌于所述安装槽内。由此，所述隔层及温差发电装置1将所述支架11隔断为上腔体及下腔体，该隔层同样是由隔热材料制造而成，可以保证温差发器的两个侧面具有最大的温差。温差发电器利用这些温差进行发电，然后温差发电器再外接负载3，负载3就可以工作了。

所述辐射装置设置于所述上腔体，通常为辐射降温薄膜。辐射降温薄膜可以反射太阳光，同时能够产生8-14um的辐射，辐射能够顺利通过大气窗口进入外太空，进而降低了辐射降温薄膜的温度。然而由于安装的需要，辐射降温薄膜通常需要设置于槽型结构内，这使得辐射降温薄膜的红外辐射角度受到了局限，制约了降温的性能。参见附图1，本公开优选的实施方案中，所述辐射装置包括辐射收束器12及主动制冷膜13，所述主动制冷膜13能够直接接触所述温差发电器14的第一侧壁，以便于传递热量。当然所述主动制冷膜13也能够通过第一导热块151与所述温差发电器14进行热交换，增加第一导热块151，能够更好地收集温差发电器14的热量，同时增加了安装的灵活性，所述辐射装置能够与温差发电器14以任意位置布置。同理，所述主动制冷膜13适于发出8-14um的辐射以便主动降低其温度。由于本公开的温差发电装置1主要在夜间使用，并且第一吸热器可以获得足够的热量，进入加大与主动制冷膜13的温差，因此不需要考虑充分利用太阳能或对太阳的波段进行反射，以便降低主动制冷膜13的温度。从而所述主动制冷膜13可采用全波段黑体材料，提高辐射的散发能力，使能量在夜间近可能多的辐射至外太空，从而使温差最大化，达到最大化主动制冷的效果。在优选的实施方案中，所述黑体材料包括但不限于碳纳米材料，碳黑，硅片，黑漆喷涂的金属等。

参见附图2，所述辐射收束器12的形状为上下开口的棱台，所述辐射收束器12的较小的下部开口与所述主动制冷膜13抵接，较大的上部开口朝向所述支架11上腔体的开口。辐射收束器12适于将红外辐射发散至外部环境中。由于主动制冷薄膜的辐射在2π的立体角内都有不可忽视的红外辐射，这些红外辐射的辐射量正相关于主动制冷的降温。辐射收束器12的内表面由金属反射层构成的，可以将原本立体角很大的难以到达大气窗口的红外辐射，再次反射收束进入一个集中的立体角中，从而达到辐射收束，增强降温的效果。参见附图3，所述主动制冷膜13对外散发红外辐射，部分红外辐射直接进入了外部空间，部分红外辐射向上腔体内壁面的方向散射。在安装辐射收束器12后，辐射收束器12将该部分散射的辐射再次反射至上腔体的开口，进入外部环境中。辐射收束器12包括但不限于圆棱台，方棱台，多变棱台(附图2)。所述辐射收束器12的棱台由金属(银，铝，铜等)薄层制成，或者由其他材料制成棱台面后在内表面上镀金属(银，铝，铜等)膜，使其内表面能够对红外波段辐射具有很高的反射率。

主动制冷膜13在对外散发红外辐射的时候，能够主动降低其表面温度，但是主动制冷膜13仍然是与外界环境接触，存在着热传导及热对流现象。热传导是介质内无宏观运动时的传热现象，其在固体、液体和气体中均可发生，而流体即使处于静止状态，其中也会由于温度梯度所造成的密度差而产生自然对流。因此，在流体中热对流与热传导同时发生。空气属于流体中的一种，上腔体中的气体不断地与所述主动制冷膜13、辐射收束器12表面接触，并通过对流及热传导将环境中的热量传递给主动制冷膜13、辐射收束器12，从而降低了主动制冷膜13的辐射降温作用。由此，本公开优选的实施方案中，所述温差发电装置1还包括对流隔绝罩17。所述对流隔绝罩17设置于所述上腔体的开口处，将所述辐射装置封闭于第一腔体中，即隔绝了上腔体内部空气与所述温差发电装置1外部环境的空气对流，从而降低了由于气体对流而致使的辐射装置温度增加。同时，并对支架11的上腔体进行抽真空处理，形成真空腔18，进一步压制由于热传导而产生的寄生热。同时在增加对流隔绝罩17时，需要考虑对流隔绝罩17对热辐射的影响，要保障红外波段的辐射能够顺利通过对流隔绝罩17，本公开的对流隔绝罩17主要制造材料为硒化锌，硒化锌具有对红外波段高透过的特性，所以并不会影响辐射制冷的性能。

本公开的第一吸热器161深入地面2，适于收集土壤，砂石中的热量。当然，所述第一吸热器161也能够深入地表深处采集地下的热量。同时值得注意的时，在接近地表的空气中还弥散着残留的热量，因此，所述温差发电装置1还包括第二吸热器162，第二吸热器162的末端位于地面2之上，裸露于空气之中，用于吸收环境中的热量。为了增大第一吸热器161与第二吸热器162与环境的接触面积，以便更好地进行热传导，所述第一吸热器161与第二吸热器162采用栅型结构。而由于热源一般是均匀分布于空间之中的，第一吸热器161与第二吸热器162应当具有多个，且交替设置，以便充分吸收土壤及空气中的热量。所述第一吸热器161及所述第二吸热器162可以直接连接于所述温差发电器14的第二侧壁进行而传递，也可以通过第二导热块152件热量传递热量至温差发电器14的第二侧壁，利用第二导热块152，一方面能够对温差发电器14、第一吸热器161及第二吸热器162的安装位置进行解耦，另一方面也能够将分散的多个第一吸热器161及第二吸热器162进行连接，将第一吸热器161和第二吸热器162的热量都集中与第二导热装置中，统一输入温差发电器14，提高传递效率。所述第二导热块152、第一吸热器161、第二吸热器162都安装于所述支架11的下腔体中，以便节省空间。在另一实施方案中，所述领域技术人员考虑到充分收集环境热量的需要，可以将第一吸热器161、第二吸热器162散布于空间中，并不局限于所述支架11的下腔体，所述第一吸热器161、第二吸热器162通过第二导热装置将热量传递至所述温差发电器14即可。所述第一吸热器161、第二吸热器162优选地采用金属等导热性质良好的材料。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。

此外，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (8)

1.一种温差发电装置，包括支架、温差发电器、辐射装置及第一吸热器，所述辐射装置适于与所述温差发电器的第一侧壁传递热量，所述第一吸热器适于与所述温差发电器的第二侧壁传递热量，所述温差发电器、辐射装置、第一吸热器设置于所述支架上，其特征在于：所述第一吸热器深入地面，适于吸收地下的热量；所述辐射装置包括辐射收束器及主动制冷膜，所述主动制冷膜适于与所述温差发电器的第一侧壁传递热量，所述辐射收束器包括上部开口及小于所述上部开口的下部开口，所述下部开口与所述主动制冷膜抵接，所述辐射收束器由金属制成或所述收束器的内表面镀有金属反射层。

2.如权利要求1所述的一种温差发电装置，其特征在于：所述主动制冷膜适于发出8-14um的辐射。

3.如权利要求1所述的一种温差发电装置，其特征在于：所述主动制冷膜为黑体材料。

4.如权利要求1所述的一种温差发电装置，其特征在于：还包括对流隔绝罩，所述支架为隔热支架，所述隔热支架中部设置有具有安装槽的隔层，所述温差发电装置嵌于所述安装槽内，所述隔层及温差发电装置将所述支架隔断为上腔体及下腔体，所述主动制冷膜设置于所述上腔体。

5.如权利要求4所述的一种温差发电装置，其特征在于：所述对流隔绝罩设置于所述上腔体的开口，与所述隔层、所述温差发电装置、所述支架的内壁围设并形成真空腔。

6.如权利要求5所述的一种温差发电装置，其特征在于：所述对流隔绝罩的材料包括硒化锌。

7.如权利要求1-6任意一项所述的一种温差发电装置，其特征在于:还包括第二吸热器，所述第二吸热器适于与所述温差发电器的第二侧壁传递热量，所述第二吸热器的末端位于地面之上，所述第二吸热器适于与空气进行热交换。

8.如权利要求7所述的一种温差发电装置，其特征在于：还包括第一导热块及第二导热块，所述第一导热块与所述温差发电器的第一侧壁、辐射装置抵接；所述第二导热块与所述温差发电器的第二侧壁、第一吸热器、第二吸热器抵接。

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