CN112421989B - 一种基于辐射制冷-温室效应的温差发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于辐射制冷‑温室效应的温差发电装置，属于辐射制冷温差发电技术领域。该装置包括红外透明风罩、冷端(8‑13μm波段高发射率发射器)、温差发电片、导热铝块、热端(导热铝翅片和大棚)及隔热反射外壳，冷端、温差发电片、导热铝块和热端依次相连，温差发电片利用冷热端的温差输出电能。本装置有效解决了野外设备用电能耗大、不连续、存在污染等问题，具有全天发电、独立供电、零能耗、使用寿命长等优点，可为不便集中供电的小型LED灯、野外照明设备、野外监控设备等供电，其设计思路契合国家节能减排和可持续发展的理念，具有广阔应用前景。

Description

一种基于辐射制冷-温室效应的温差发电装置
技术领域
本发明涉及辐射制冷温差发电技术领域，特别是指一种基于辐射制冷-温室效应的温差发电装置。
背景技术
据统计，目前我国野外设备、偏远地区的供电方式有铅酸电池、220V移动电源和户外光伏储能式电源等，其中铅酸电池能量占比低、制造过程容易污染环境；而移动电源容量大、携带方便，可用设备范围广，但是设备长期使用充电不方便、价格昂贵、损耗较大；户外光伏储能式电源无枯竭危险、安全可靠、不受资源分布地域的限制，但只能在白天发电，夜晚不能使用、成本较高。因此，急需发明一种使用范围广、独立供电、能耗低、无排放的发电系统。
辐射制冷温差发电技术，通过对发射器材料表面进行微纳加工以调控其光谱辐射特性，使其在8-13μm大气窗口波段范围内发射率大幅增加并强化其与外太空之间的辐射换热量，使得面对天空的表面温度低于环境温度并作为冷端，另一表面利用温室效应使其温度高于环境温度并作为热端，利用两端存在的温差进行发电。目前的辐射制冷温差发电装置，存在温差小、电压低等问题，通过对发射器进行设计加工，提高发射器的发射率，降低冷端温度，再利用温室效应提高热端温度，增大冷热端温差，从而提升发电电压。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种基于辐射制冷-温室效应的温差发电装置。
该装置包括红外透明风罩、冷端、温差发电片、导热铝块、热端及隔热反射外壳，冷端、温差发电片、导热铝块和热端依次相连，温差发电片分别和冷热端相连，利用塞贝克效应依靠温差输出电能，其中，冷端包括位于隔热反射外壳内的发射器，热端包括位于大棚内的导热铝翅片，热反射外壳上部覆盖红外透明风罩。
红外透明风罩由低密度聚乙烯制成。
冷端发射器采用辐射制冷材料制成，发射器下方为温差发电片，二者通过导热硅脂固定。
温差发电片根据塞贝克效应制成，温差发电片与输出电极相连，通过电极输出电流电压，达到供电目的。
温差发电片与导热铝块通过导热硅脂相接触，导热铝块下方为装置热端，热端采用铝盘，加装导热铝翅片散热器，使温差发电片下端与热端温度趋近。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明具有结构简单可拆卸、操作方便、运行连续稳定、寿命长、无间断、零能耗的优点。可以广泛应用于小型LED灯、野外监控等的供电，或在荒漠地带作为小型的野外充电站。同时本发电装置可与太阳能电池板、储电装置等配合使用，从而更加稳定、高效。
附图说明
图1为本发明基于辐射制冷-温室效应的温差发电装置的结构爆炸图；
图2为本发明基于辐射制冷-温室效应的温差发电装置的剖面图；
图3为本发明辐射制冷材料的孔洞剖面图；
图4为本发明装置的温差发电原理图。
其中：1-红外透明风罩，2-发射器，3-温差发电片，4-导热铝块，5-隔热反射外壳，6-导热铝翅片，7-大棚，8-冷端，9-热端。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种基于辐射制冷-温室效应的温差发电装置。
如图1、图2所示，该装置包括红外透明风罩1、冷端8、温差发电片3、导热铝块4、热端9及隔热反射外壳5，冷端8、温差发电片3、导热铝块4和热端9依次相连，温差发电片3依靠冷热端温差输出电能，其中，冷端8包括发射器2，发射器2位于热反射外壳5内，热端9包括导热铝翅片6，导热铝翅片6位于大棚7内，热反射外壳5上部覆盖红外透明风罩1。
该装置采用自制空气孔阵列发射器，上覆减少热对流的红外透明风罩，透过大气窗口向太空辐射热量，使冷端维持低于环境的温度；热端棚内因温室效应温度略高于环境温度，铝翅片位于热端棚内，高效吸收因温室效应积累的热量，使温差发电片下端略高于环境温度；温差发电片利用冷热端存在的温差进行发电。装置外壳采用多层隔热反射结构，有效抑制环境对冷端的辐射和对流。太空不间断吸收冷端热量，使冷热端温差稳定，为负载端全天供电。
辐射制冷原理为：通过在密闭区域覆盖具有增强效应的红外辐射材料，将该区域的热量以热辐射的形式释放到低温的外太空。地球大气层可以吸收、散射和发射电磁波，在天空明净的情况下，地球大气层对波长8-13μm范围内的电磁波具有很好的透射性。辐射制冷材料就是在该波段范围内具有极高发射率的光学材料，通过发射更多该波段范围内能量并散发到外太空。另一方面，被制冷的物体还会通过其他途径从外部输入热量，因此辐射制冷材料还需要在太阳光主要能量分布光谱范围内具有尽量高的反射率，以提高辐射制冷的效果。
SiO2在大部分太阳波长范围内是透明的，同时在8-13μm内也表现出强烈的声子-极化子共振响应，能够实现相对高的发射率。由此可知，SiO2本身就可以作为一种辐射制冷材料，但由于SiO2与空气之间存在阻抗失配，故不是最佳选择。而光子晶体相对于平面SiO2层的结构，所有热波长和角度的发射率都更高。SiO2光子晶体中使用空气孔和非垂直侧壁，导致折射率逐渐变化，使SiO2和空气之间存在较好的阻抗匹配。
为了进一步改善其性能，选择一个厚度为500μm双面抛光SiO2晶片，在表面通过光刻加工深度为10μm、周期为6μm的空气孔阵列，加工所得的微纳结构，下方孔洞直径为4μm，剖面图如图3所示。
热端采用加装铝翅片的铝盘，利用其换热面积大导热快的特点使得温差发电片下端温度与热端温度趋近。另外，针对白天工作环境，为尽可能地提高冷热端温差，在热端加盖可见光透明材料，以短波为主的太阳辐射通过覆盖材料进入热端，而长波红外辐射无法透过该覆盖材料从而形成温室效应，使热端温度升高。
温差发电片根据塞贝克效应制作而成。塞贝克效应是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。半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器，如图4所示为由一组半导体温差电偶经串联和并联制成的直流发电装置。实用上常把很多对温差电偶串并联成温差电堆。
该系统主要由隔热反射外壳、红外透明风罩、发射器、温差发电片、导热铝翅片及大棚六部分组成。
该系统整体由木质框架制作，外附隔热泡沫，最外层覆盖有铝化聚酯反射膜，以最大程度地减少该外壳的热辐射，并抑制白天太阳直射时的热吸收。
系统通过在密闭区域覆盖具有增强效应的红外辐射材料，将该区域的热量以热辐射的形式释放到低温的外太空。采用表面加工微纳米空气柱阵列的SiO2晶片以提高其在在8-13μm“大气窗口”波段范围内的发射率。
在系统顶部是一个由低密度聚乙烯制成的红外透明风罩，以最大程度地抑制空气和发射器之间的对流换热，维持冷端较低温度。
冷端发射器下方为温差发电片，二者通过导热硅脂固定。温差发电片根据塞贝克效应制作而成。塞贝克效应是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。半导体的温差电动势较大，可用作温差发电片。温差发电片再与输出电极相连，通过电极输出电流电压，达到供电目的。
温差发电片与热端的导热铝块通过导热硅脂相接触，导热铝块下方为装置热端，热端采用铝盘，加装导热铝翅片，利用其换热面积大导热快的特点作为吸热器使用，时刻与热端进行热交换，使得温差发电片下端与热端温度趋近。
另外，针对白天工作环境，为尽可能地提高冷热端温差，增大效率。本系统特意在热端加盖能采光吸热的覆盖材料形成温室效应。以短波辐射为主的太阳辐射通过温室采光材料进入温室后形成温室效应，使热端温度升高。从而获得冷热端更大的温差，实现更大的发电功率。
本系统涉及一种辐射制冷-温室效应的综合装置，通过采取具有良好制冷效果的冷端发射器材料，结合温室效应提高热端的温度，形成较大温差，通过温差发电片转化为电能，应用于供电设备。
本系统适用于野外供电。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于辐射制冷-温室效应的温差发电装置，其特征在于：包括红外透明风罩（1）、冷端（8）、温差发电片（3）、导热铝块（4）、热端（9）及隔热反射外壳（5），冷端（8）、温差发电片（3）、导热铝块（4）和热端（9）依次相连，温差发电片（3）利用热端（9）和冷端（8）的温差输出电能，其中，冷端（8）包括发射器（2），发射器（2）位于热反射外壳（5）内，热端（9）包括导热铝翅片（6），导热铝翅片（6）位于大棚（7）内，隔热反射外壳（5）上部覆盖红外透明风罩（1）；
所述发射器（2）为厚度为500 μm的双面抛光SiO2晶片，在双面抛光SiO2晶片表面通过光刻加工深度为10 μm、周期为6 μm的空气孔阵列，形成微纳结构；
该装置外附隔热泡沫，最外层覆盖有铝化聚酯反射膜。
2.根据权利要求1所述的基于辐射制冷-温室效应的温差发电装置，其特征在于：所述红外透明风罩（1）由低密度聚乙烯制成。
3.根据权利要求1所述的基于辐射制冷-温室效应的温差发电装置，其特征在于：所述发射器（2）采用辐射制冷材料制成，发射器（2）下方为温差发电片（3），发射器（2）和温差发电片（3）通过导热硅脂固定。
4.根据权利要求1所述的基于辐射制冷-温室效应的温差发电装置，其特征在于：所述温差发电片（3）根据塞贝克效应制成，温差发电片（3）与输出电极相连，通过电极输出电流电压，达到供电目的。
5.根据权利要求1所述的基于辐射制冷-温室效应的温差发电装置，其特征在于：所述温差发电片（3）与导热铝块（4）通过导热硅脂相接触，导热铝块（4）下方为装置热端（9），热端（9）采用铝盘，铝盘加装导热铝翅片（6）散热器，让温差发电片（3）下端与热端（9）温度趋近。
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