CN111917337B - 一种利用热化学反应的温差发电装置 - Google Patents

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Abstract

一种利用热化学反应的温差发电装置，属于废热流体余热回收利用技术领域，它利用半导体塞贝克效应将废热流体的热能转化为电能，同时利用热化学储能物质的热化学反应实现沿程温度的改变，进而减小半导体热电模块热端温度沿流体流动方向的温度梯度，将其维持在热电材料最优工作温度域附近，实现热电材料与工作温度间的高效匹配，提高系统能效，本发明通过将热化学储能和半导体温差发电技术进行有机结合，可提高热电转换系统能效。

Description

一种利用热化学反应的温差发电装置
技术领域
本发明属于高温废热流体余热回收利用技术领域，特别涉及一种利用热化学反应的温差发电装置。
背景技术
温差发电是一种利用高低温热源之间的温差来产生电能的绿色环保发电方式。半导体温差发电器具有无噪音，无污染，无磨损，小巧轻便，使用寿命长等优点，将之应用于余热能回收利用技术时展现了很好的发展前景。但由于现有温差发电系统的热电转换效率较低，尚未能实现大规模的商业化应用。其中，热电材料性能与热电器结构的低效匹配是导致效率低的重要原因之一。
一般将热电材料的优值系数(ZT值)作为评价其热电性能的重要参数，ZT值越大，热电性能越好。但热电材料ZT值具有较强的温度依存性，只有当工作在最优温度域时才能获得较高的ZT值，当温度发生偏离时，热电材料将无法保证工作性能的高效性发挥。对于高温废气余热热电转换系统，当流体流经温差发电器时，随着热能的利用，整个热电系统高温端在沿程方向上的温度不断降低，形成了很大的温度梯度，这将使得热电模块热端温度无法保持在热电材料最优工作域范围，进而导致较低的热电转换效率。因此，针对高温余热能热源，如何使得余热流体流经温差发电器过程中，热电模块始终维持在最优工作温度范围内，以保证热电材料的高性能发挥，进而实现半导体温差发电器的高效转换，是要解决的重要问题。现有热电技术中均采用常规矩形或正多面体等截面平板或圆筒结构的尾气换热通道，很少考虑流体流动方向上温度梯度的影响，即便考虑也只是从改善热电材料性能进而去适应温度梯度的角度，受限于热电材料技术的发展。本设计则充分考虑废气余热温差发电系统的温度梯度特征，并基于换热传热机理从减少热电器沿程温度梯度的角度，来实现热电性能的有效提高。
发明内容
本发明提供了一种利用热化学反应的温差发电装置，它利用塞贝克效应将热能转化成电能，实现余热能回收储存在储能装置中，并创新性地将热化学储能应用到热电转换过程，解决了高温流体沿程方向上大的温度梯度与热电材料温度依存性之间不匹配的问题。本发明通过将热化学储能和半导体温差发电技术进行有机结合，可大大提高热电转换系统能效。
利用热化学储能的温差发电器具有可以维持热电模块热端温度基本恒定在热电材料最优热端温度附近的优点，可实现热电材料与温差发电器结构的优化匹配，保证半导体温差发电器的高效性。
本发明采用如下的技术方案：
一种利用热化学反应的温差发电装置，包括U型废热流体通道、冷却水通道、半导体热电模块、流体流向控制阀、吸热反应器、放热反应器和蓄电器，其特征在于：
所述U型废热流体通道包括热流体入口段通道和热流体出口段通道，所述吸热反应器设置在U型废热流体通道的热流体入口段通道，所述放热反应器设置在U型废热流体通道的热流体出口段通道；
所述冷却水通道设置在U型废热流体通道的两侧通道即热流体入口段通道和热流体出口段通道的中间部位；
多个半导体热电模块分上下两层排列设置，上层的多个半导体热电模块依次排列设置在热流体入口段通道和冷却水通道之间，下层的多个半导体热电模块依次排列设置在冷却水通道和热流体出口段通道之间；
所述多个半导体热电模块两端分别串联和/或并联连接至所述蓄电器两端，利用废热流体和冷却水之间的温差来实现余热热电回收；
所述流体流向控制阀位于U型废热流体通道进口或出口处。
当热流体从所述U型废热流体通道上侧通道流进时，所述U型废热流体通道的上侧部分为热流体入口段通道，下侧部分为热流体出口段通道，所述吸热反应器设置在U型废热流体通道上侧的热流体入口段通道，所述放热反应器设置在U型废热流体通道下侧的热流体出口段通道。
流经U型废热流体通道中的废热流体为半导体热电模块的热源；
通入冷却水通道中的循环冷却水为半导体热电模块的冷源。
所述吸热反应器和放热反应器均采用热化学反应器的形式，将吸热化学物质置于U型废热流体通道的上侧入口段吸热反应器内部，将放热化学物质置于U型废热流体通道的下侧出口段放热反应器内部，废热流体经过吸热反应器的吸热反应和放热反应器的放热反应，废热流体在温差发电装置中沿流体流动方向温度梯度减小。
废热流体沿程的温度波动性减小，半导体热电模块热电材料工作在优值系数ZT值的正常工作温度域，其中ZT＝S2σT/K，ZT是材料的热电优值，S为塞贝克系数，σ为电导率，K为热导率，T为温度。
所述温差发电装置包括喷管控制阀、微型喷管和微细连通管，所述微型喷管位于冷却水通道与U型废热流体通道中间段之间，由微细连通管连接冷却水通道和微型喷管，所述喷管控制阀位于所述微型喷管和冷却水通道之间的微细连通管上，控制所述微型喷管通断工作状态；
当喷管控制阀开通时，将冷却水经微细连通管流入微型喷管，以水雾状喷射进废热流体通道。
吸热反应器中吸热化学物质与放热反应器中放热化学物质之间能够发生可逆反应，随着反应进行，当吸热化学物质全部转化为放热化学物质时，放热化学物质全部转化为吸热化学物质。
反应器中的化学物质根据废气温度进行选择，当采用Ca(OH)2/CaO+H2O热化学反应储能体系时：吸热反应器中化学储能物质为Ca(OH)2，放热反应器中化学储能物质为CaO；废热流体流经U型废热流体通道，首先流经吸热反应器中内置的化学储能物质Ca(OH)2，发生反应Ca(OH)2→CaO+H2O，流体被吸热后温度降低；之后废热流体流经放热反应器中内置的化学储能物质CaO，发生反应CaO+H2O→Ca(OH)2，流体吸热后温度升高；当Ca(OH)2全部转化为CaO，同时CaO也全部转化为Ca(OH)2，废热流体沿程的温度波动性减小，半导体热电模块热电材料在优值系数ZT值的正常工作温度域工作。
所述流体流向控制阀改变热流体在所述U型废热流体通道中流动的方向。
吸热反应器和放热反应器采用多孔颗粒块结构充满整个热流体通道截面，废气从孔隙流过与化学物质实现充分接触，配比吸热化学物质和放热化学物质的质量，使化学反应物实现全部转换，吸热化学物质转变为放热化学物质，同时，放热化学物质转变为吸热化学物质，利用流体流向控制阀调换废热流体的进出口，通过反转流体方向对储能物质实现重复利用。
与现有技术性相比，本发明具有的优点和效果如下：
本发明可以将废热流体余热能进行回收，利用废热流体与冷却水间的温差完成热电转换，同时利用热化学储能物质的热化学反应实现沿程温度的改变，进而减小半导体热电模块热端温度沿流体流动方向的温度梯度，将其基本维持在热电材料最优温度域附近，实现热电材料与工作温度间的高效匹配，从而实现提高系统能效的目的。
附图说明
图1是基于热化学反应的温差发电一般性装置；
图2是利用
Figure BDA0002560621110000041
热化学储能的第1工作阶段工作原理图；
图3是利用
Figure BDA0002560621110000042
热化学储能的第2工作阶段工作原理图。
图中各个标号表示的意义为：1-U型废热流体通道，2-冷却水通道，3-半导体热电模块，4-流体流向控制阀，5-吸热反应器，6-放热反应器，7-蓄电器，8-微型喷管，9-喷管控制阀。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
热化学储能的温差发电器装置具体工作原理在于：在废热流体通道内合适的位置处放置两种热化学反应器，分别为吸热反应器和放热反应器，吸热反应器置于通道入口段，内置化学物质用于发生吸热反应，放热反应器置于通道出口段，用于发生放热反应。当流体先流经吸热反应器时，由于内置化学物质A在高温下发生吸热反应，可实现流体温度进一步降低；随后，流体流动过程中随热能被温差发电器不断吸收，流体温度也在不断降低，当降低至一定值时，流经放热反应器，此处内置化学物质B发生放热反应，实现流体温度一定程度的提升。由此，原本高温流体在沿程流动过程中存在着较大的温度梯度，当流经吸热反应器和放热反应器后，流体沿程的温度波动性会大大减弱。当热流体与热电模块进行传热换热后，便可大大缓解热电材料在流体沿程流动方向上的温度梯度，由此可保证热电材料工作在高ZT值最优温度域附近，实现热电材料的高性能发挥，从而使半导体温差发电器效率提高。
本申请公开了利用热化学反应的温差发电装置。
第一实施例：
热化学反应的温差发电装置结构侧面图如图1所示，主要包括U型废热流体通道1，冷却水通道2，半导体热电模块3，吸热反应器5，放热反应器6，流体流向控制阀4、蓄电器7、微型喷管8和喷管控制阀9。
U型废热流体通道包括热流体入口段通道和热流体出口段通道，吸热反应器设置在U型废热流体通道的热流体入口段通道，放热反应器设置在U型废热流体通道的热流体出口段通道；
冷却水通道设置在U型废热流体通道的两侧通道即热流体入口段通道和热流体出口段通道的中间部位；
多个半导体热电模块分上下两层排列设置，上层的多个半导体热电模块依次排列设置在热流体入口段通道和冷却水通道之间，下层的多个半导体热电模块依次排列设置在冷却水通道和热流体出口段通道之间；
多个半导体热电模块两端分别串联和/或并联连接至蓄电器两端，利用废热流体和冷却水之间的温差来实现余热热电回收；
流体流向控制阀位于U型废热流体通道进口或出口处。
微型喷管位于冷却水通道与U型废热流体通道中间段之间，由微细连通管连接冷却水通道和微型喷管，喷管控制阀位于微型喷管和冷却水通道之间的微细连通管上，控制微型喷管通断工作状态；
当喷管控制阀开通时，将冷却水经微细连通管流入微型喷管，以水雾状喷射进废热流体通道。
温差发电装置运用U型废热流体通道中热源和冷却水通道中冷源的温差发电，利用半导体塞贝克效应将热能转化为电能。
废热流体沿程的温度波动性减小，半导体热电模块热电材料工作在优值系数ZT值的正常工作温度域，其中ZT＝S2σT/K，ZT是材料的热电优值，S为塞贝克系数，σ为电导率，K为热导率，T为温度。
废热流体流经U型废热流体通道1，汽车自带的循环冷却水流经冷却水通道2，分别向半导体热电模块3提供热源和冷源。
废热流体先流经入口段的吸热反应器5，内置化学物质A在高温下发生吸热反应，部分转化为B，并一般会放出水蒸气；之后，废热流体流经出口段的放热反应器6，内置化学物质B遇水蒸气发生放热反应，部分转化为A，其中水蒸气由吸热反应生成物和喷管装置共同保证，此为温差发电器的第一工作阶段。
在工作过程中，入口段的吸热反应吸收热源的部分热量，使原本的废热流体温度有所降低；出口段的放热反应放出热量，补充了流动过程中减少的热量，使流体温度又有所上升。由此，热电材料在流体流动方向上较大的温度梯度得到了缓解，保证了热电材料的高性能工作范围，进而提高了半导体温差发电器的效率。
本发明提供的半导体热电模块位于U型废热流体通道1和冷却水通道2之间，其工作原理为：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。
通过匹配化学储能物质A和化学储能物质B的量，使两者反应同步完成，当两者实现完全相互转化时，则第一工作阶段结束。之后，通过自动调控流体流向控制阀4，调换高温流体进出口，此时，流体流动方向和储能化学物质重新实现反向匹配，温差发电器开始第2工作阶段，当这个阶段反应完成时，再自动调控流体流向控制阀4，再次改变流体流向，重复第1阶段的工作过程，继而实现周而复始的工作循环，保证系统连续运行。
第二实施例：
以化学反应
Figure BDA0002560621110000061
为例说明热化学储能过程，一个工作循环可以分为2个阶段，刚开始工作时进入第1阶段，如图2所示，流体流向控制阀4正向开启，吸热反应器5中为化学储能物质A为Ca(OH)2，放热反应器6中化学储能物质B为CaO；废热流体流经U型废热流体通道1，首先流经吸热反应器5中内置的化学储能物质Ca(OH)2，Ca(OH)2在高温下发生吸热反应，开始转化为CaO，并产生一定量的水蒸气，即发生反应Ca(OH)2→CaO+H2O，流体被吸热后温度降低；之后，废热流体流经放热反应器6中内置的化学储能物质CaO，CaO遇水蒸气发生放热反应，开始转化为Ca(OH)2，即发生反应CaO+H2O→Ca(OH)2，流体吸热后温度升高；当Ca(OH)2全部转化为CaO，同时CaO也全部转化为Ca(OH)2时，此阶段结束。
此后进入第2阶段，如图3所示，流体流向控制阀4反向开启，与第1阶段相比，流体流向发生了逆转，吸热反应器5与放热反应器6位置也发生了转换；废热流体首先流经吸热反应器5中内置的化学储能物质Ca(OH)2，Ca(OH)2在高温下发生吸热反应，开始转化为CaO，并产生一定量的水蒸气，即发生反应Ca(OH)2→CaO+H2O，流体被吸热后温度降低；之后，废热流体流经放热反应器6中内置的化学储能物质CaO，CaO遇水蒸气发生放热反应，开始转化为Ca(OH)2，即发生反应CaO+H2O→Ca(OH)2，流体吸热后温度升高；当Ca(OH)2全部转化为CaO，同时CaO也全部转化为Ca(OH)2时，此阶段结束。由此，完成了一个完整的工作循环，工作循环周而复始实现系统的连续工作运行。经过热化学储能作用缓解了流体在流动方向上的大温度梯度变化，可保证热电材料工作在高性能温度范围。
吸热反应器和放热反应器采用多孔颗粒块结构充满整个热流体通道截面，废气从孔隙流过与化学物质实现充分接触，配比吸热化学物质和放热化学物质的质量，使化学反应物实现全部转换，吸热化学物质转变为放热化学物质，同时，放热化学物质转变为吸热化学物质，利用流体流向控制阀调换废热流体的进出口，通过反转流体方向对储能物质实现重复利用。
热化学反应器的热化学反应使得半导体热电模块的热端温度维持在热电材料的最优工作温度范围附近，可以实现热电材料与温差发电器结构的优化匹配，提升半导体温差发电器的高效性。U型废热流体通道1中的废热流体提供热源与冷却水通道中的汽车循环冷却水通道2提供的冷源形成温差，根据半导体温差发电机理，系统产生电能，利用蓄电器7进行储存回收，实现节能减排。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用热化学反应的温差发电装置，包括U型废热流体通道、冷却水通道、半导体热电模块、流体流向控制阀、吸热反应器、放热反应器和蓄电器，其特征在于：
所述U型废热流体通道包括热流体入口段通道和热流体出口段通道，所述吸热反应器设置在U型废热流体通道的热流体入口段通道，所述放热反应器设置在U型废热流体通道的热流体出口段通道；
所述冷却水通道设置在U型废热流体通道的两侧通道即热流体入口段通道和热流体出口段通道的中间部位；
多个半导体热电模块分上下两层排列设置，上层的多个半导体热电模块依次排列设置在热流体入口段通道和冷却水通道之间，下层的多个半导体热电模块依次排列设置在冷却水通道和热流体出口段通道之间；
所述多个半导体热电模块两端分别串联和/或并联连接至所述蓄电器两端，利用废热流体和冷却水之间的温差来实现余热热电回收；
所述流体流向控制阀位于U型废热流体通道进口或出口处；
所述吸热反应器和放热反应器均采用热化学反应器的形式。
2.根据权利要求1所述的一种利用热化学反应的温差发电装置，其特征在于：
当废热流体从所述U型废热流体通道上侧通道流进时，所述U型废热流体通道的上侧部分为热流体入口段通道，下侧部分为热流体出口段通道，所述吸热反应器设置在U型废热流体通道上侧的热流体入口段通道，所述放热反应器设置在U型废热流体通道下侧的热流体出口段通道。
3.根据权利要求1所述的一种利用热化学反应的温差发电装置，其特征在于：
将吸热化学物质置于U型废热流体通道的上侧入口段吸热反应器内部，将放热化学物质置于U型废热流体通道的下侧出口段放热反应器内部，废热流体经过吸热反应器的吸热反应和放热反应器的放热反应，废热流体在温差发电装置中沿流体流动方向温度梯度减小。
4.根据权利要求1所述的一种利用热化学反应的温差发电装置，其特征在于：
废热流体沿程的温度波动性减小，半导体热电模块热电材料工作在优值系数ZT值的正常工作温度域，其中ZT＝S2σT/K，ZT是材料的热电优值，S为塞贝克系数，σ为电导率，K为热导率，T为温度。
5.根据权利要求1所述的一种利用热化学反应的温差发电装置，其特征在于：
所述温差发电装置包括喷管控制阀、微型喷管和微细连通管，所述微型喷管位于冷却水通道与U型废热流体通道中间段之间，由微细连通管连接冷却水通道和微型喷管，所述喷管控制阀位于所述微型喷管和冷却水通道之间的微细连通管上，控制所述微型喷管通断工作状态；
当喷管控制阀开通时，将冷却水经微细连通管流入微型喷管，以水雾状喷射进U型废热流体通道。
6.根据权利要求1所述的一种利用热化学反应的温差发电装置，其特征在于：
吸热反应器中吸热化学物质与放热反应器中放热化学物质之间能够发生可逆反应，随着反应进行，当吸热化学物质全部转化为放热化学物质时，放热化学物质全部转化为吸热化学物质。
7.根据权利要求6所述的一种利用热化学反应的温差发电装置，其特征是：
反应器中的化学物质根据废气温度进行选择，当采用Ca(OH)2/CaO+H2O热化学反应储能体系时：吸热反应器中化学储能物质为Ca(OH)2，放热反应器中化学储能物质为CaO；废热流体流经U型废热流体通道，首先流经吸热反应器中内置的化学储能物质Ca(OH)2，发生反应Ca(OH)2→CaO+H2O，废热流体被吸热后温度降低；之后废热流体流经放热反应器中内置的化学储能物质CaO，发生反应CaO+H2O→Ca(OH)2，废热流体吸热后温度升高；当Ca(OH)2全部转化为CaO，同时CaO也全部转化为Ca(OH)2，废热流体沿程的温度波动性减小，半导体热电模块热电材料在优值系数ZT值的正常工作温度域工作。
8.根据权利要求1所述的一种利用热化学反应的温差发电装置，其特征在于：
所述流体流向控制阀改变废热流体在所述U型废热流体通道中流动的方向。
9.根据权利要求1或8所述的一种利用热化学反应的温差发电装置，其特征在于：
吸热反应器和放热反应器采用多孔颗粒块结构充满整个U型废热流体通道截面，废气从孔隙流过与化学物质实现充分接触，配比吸热化学物质和放热化学物质的质量，使化学反应物实现全部转换，吸热化学物质转变为放热化学物质，同时，放热化学物质转变为吸热化学物质，利用流体流向控制阀调换废热流体的进出口，通过反转废热流体方向对储能物质实现重复利用。
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