CN112542963A - 一种温差发电器及发电模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种温差发电器，包括若干依次连接设置的温差发电模块；温差发电模块包括：相对设置的上绝缘导热板和下绝缘导热板，与上绝缘导热板导热连接的上导电金属板，下绝缘导热板导热连接的下导电金属板，以及交替且呈间隔设置的第一热电单元和第二热电单元，第一热电单元和第二热电单元的极性相反；第一热电单元和第二热电单元上下间隔设置在上导电金属板和下导电金属板之间；上导电金属板及下导电金属板分别向对向延伸设置有导流臂；上导电金属板的导流臂和下导电金属板的导流臂交替连接在第一热电单元外侧，第一热电单元和第二热电单元之间，以及第二热电单元外侧；相邻温差发电模块之间相邻的上导电金属板或下导电金属板呈一体化设置。

Description

一种温差发电器及发电模块

技术领域

本发明涉及热电器件技术领域，具体为一种温差发电器及发电模块。

背景技术

由于能源危机以及环境污染，绿色可再生能源受到越来越多的研究和关注。基于塞贝克效应的温差发电器(TEG)可将热能直接转换成电能，且因其具有紧凑、可靠、环保和无活动部件等优点被广泛应用在太阳能热电联产、废弃能量回收、可穿戴电子设备、微型设备以及太空设备中。

目前国内外对温差发电器的研究基本都是在传统的π型电偶臂结构下进行的。采用的π型电偶臂，热量由上绝缘导热板经过导电金属与热电材料传至下绝缘导热板，其传递方向垂直于上、下绝缘导热板。该种结构存在的一个问题是在实际应用中，其绝缘导热板与外界之间的换热面积是一定的，这就导致热电材料与导电金属之间的换热面积存在一个限值，因此其温差发电器的能量转换效率低，功率密度小，灵活性差。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种温差发电器及发电模块，结构简单，设计合理，能够在一定高度范围内提高能量转换效率、功率密度以及设计灵活性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种温差发电模块，包括：

相对设置的上绝缘导热板和下绝缘导热板，

与上绝缘导热板导热连接的上导电金属板，

下绝缘导热板导热连接的下导电金属板，

以及交替且呈间隔设置的第一热电单元和第二热电单元，第一热电单元和第二热电单元的极性相反；

所述的第一热电单元和第二热电单元上下间隔设置在上导电金属板和下导电金属板之间；

所述上导电金属板及下导电金属板分别向对向延伸设置有导流臂；上导电金属板的导流臂和下导电金属板的导流臂交替连接在第一热电单元外侧，第一热电单元和第二热电单元之间，以及第二热电单元外侧。

优选的，所述上绝缘导热板及下绝缘导热板采用陶瓷材料制成。

优选的，所述上导电金属板及下导电金属板采用纯铜材料制成。

优选的，所述第一热电单元和第二热电单元分别采用Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、PbTe和CoSb₃中的一种基材料制成。

优选的，所述第一热电单元和第二热电单元沿导流臂延伸方向分段设置有若干相同极性的单体，单体之间呈间隙设置。

优选的，所述第一热电单元和第二热电单元沿导流臂延伸方向分段设置有若干相反极性的单体，相反极性的单体交替且呈间隙设置；第一热电单元和第二热电单元两侧分别设置有依次连接单体的过渡导电金属板，用于形成蛇形的电流和热流通路。

优选的，所述上导电金属板与上绝缘导热板，以及与第一热电单元或第二热电单元之间焊接连接；所述下导电金属板与下绝缘导热板，以及与第一热电单元或第二热电单元之间焊接连接。

进一步，焊接的焊料层采用Sn-Ag无铅合金或Sn-Zn无铅合金材料。

一种温差发电器，包括若干依次连接设置的如上任意一项所述的温差发电模块；

相邻温差发电模块之间相邻的上导电金属板或下导电金属板呈一体化设置。

优选的，所述上导电金属板及下导电金属板设置在第一热电单元或第二热电单元外侧的导流臂呈L形设置；上导电金属板及下导电金属板设置在第一热电单元和第二热电单元之间的导流臂呈T形设置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在导电金属板上对向延伸设置导热臂，通过导热臂的高度变化改变热电材料与导电金属之间的换热面积；实现热量由两侧向中间流动，由于两种半导体材料的特性，由此可产生水平方向的电流并与外部负载构成回路。通过改变上、下导电金属板的结构将原来热量上下传递的方向改变为水平传递，结构简单紧凑，灵活性高，具有能量转换效率高、功率密度高以及设计灵活性高等优点。

附图说明

图1为本发明实施例1所述温差发电器的示意图；

图2为本发明实施例1所述温差发电器中温差发电模块示意图；

图3a为工况1下两种温差发电模块的最大输出功率及功率密度随热电材料高度变化的曲线；

图3b为工况2下两种温差发电模块的最大输出功率及功率密度随热电材料高度变化的曲线；

图4a为工况1下两种温差发电模块的最大效率随热电材料高度变化的曲线；

图4b为工况2下两种温差发电模块的最大效率随热电材料高度变化的曲线；

图5为本发明实施例2所述温差发电器中温差发电模块的示意图；

图6为本发明实施例3所述温差发电器中温差发电模块的示意图；

图7为本发明实施例4所述温差发电器及其温差发电模块的示意图；

图中：上绝缘导热板1、下绝缘导热板2、上导电金属板3、下导电金属板4、P型热电单元5、N型热电单元6、过渡导电金属板7。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

实施例1

如图1及图2所示，本发明提供了一种温差发电器和相应的温差发电模块，温差发电器包括若干依次连接设置的温差发电模块，本优选实例中温差发电模块沿水平方向延展；该模块包括上绝缘导热板1、下绝缘导热板2、上导电金属板3、下导电金属板4、作为第一热电单元的P型热电单元5和作为第二热电单元的N型热电单元6。P型和N型热电材料属性差异，极性相反，外部热源分布相同的情况下，两种材料产生的温差电动势方向相反。

其中，所述上导电金属板3及下导电金属板4分别与对应的导热臂形成T形结构，上导电金属板3及下导电金属板4分别与所述上绝缘导热板1及下绝缘导热板2相连接；

所述P型热电单元5及N型热电单元6与所述上、下导电金属板3、4上的导热臂在水平方向上相连接。由于两种半导体材料的特性，由此可产生水平方向的电流并与外部负载构成回路，而温差发电器本身的吸热方向和放热方向依然为上下方向。

其中，所述上绝缘导热板1及下绝缘导热板2采用陶瓷材料制成。

其中，所述上导电金属板3及下导电金属板4采用纯铜材料，两导电金属之间无接触，沿水平延展方向交替排列，且所述上导电金属板3仅与所述上绝缘导热板1相连接，所述下导电金属板4仅与所述下绝缘导热板2相连接。

其中，所述P型热电单元5及所述N型热电单元6选自Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、PbTe、CoSb₃等基材料；上导电金属板3、所述下导电金属板4与所述上绝缘导热板1、所述下绝缘导热板2以及所述P型热电单元5及N型热电单元6之间的连接方式采用焊接，且焊料层采用Sn-Ag无铅合金或Sn-Zn无铅合金材料。

当上、下绝缘导热板1、2存在一定的温差时，本优选实例在进行温差发电，上绝缘导热板1吸热，下绝缘导热板2放热，热量传递方向经由导电金属和导热臂传递后从竖直方向变为水平方向，由于P型及N型热电单元5、6的差异，所产生的电流方向为水平方向。

对于传统以及本发明所述的温差发电器，已在相同的工况下进行了两种工况下的测试，两种温差发电模块的最大输出功率及功率密度随热电材料高度变化的曲线如图3a和图3b所示，最大效率随热电材料高度变化的曲线如图4a和图4b所示。其中两种温差发电模块热电材料在竖直方向上的高度在0.1-2mm内变化，与高度垂直的截面面积保持为1mm²不发生变化。

图3a及图4a所采用的工况1为热源、冷源温度分别为350K和300K，热源、冷源与温差发电模块热端及冷端的对流换热系数为100W/m²K；图3b及图4b所采用的工况2为热源、冷源温度分别为400K和300K，热源、冷源与温差发电模块热端及冷端的对流换热系数为1000W/m²K。

对于图3a所示工况1，在热电材料高度变化范围内，温差发电器的最大输出功率能够更快地达到其峰值，并且在高度增加至1mm之前，其功率密度远大于同等尺寸下的传统温差发电模块。特别地，温差发电器的最大输出功率为0.46mW,对应的功率密度为1.15mW/mm³,此时传统温差发电模块对应的最大输出功率及功率密度分别为0.28mW及0.7mW/mm³。此时温差发电器的性能相比传统温差发电模块提升了约64％。同样的趋势亦出现在工况2下。

对于图4a所示工况1，当热电材料高度小于1mm时，温差发电器的效率远大于传统温差发电模块的效率。

在图3b和图4b所示的工况2下，与工况1的情况相同，温差发电器的效率远大于传统温差发电模块的效率。

以上分析可知，温差发电器的能够在更紧凑的结构中实现更高的能量转换效率及功率输出。

实施例2

如图5所示，本实施例中的温差发电器和相应的温差发电模块的结构与原理与实施例1相同，本实施例不再赘述。

不同之处在于，考虑到实际应用中可能存在上、下导电金属板4沿其高度方向存在较大温差的情况，为了充分利用此温度的变化，在本实施例中第一热电单元和第二热电单元沿导流臂延伸方向分段设置有若干相同极性的单体，单体之间呈间隙设置；如图5所示，以作为第一热电单元的两个P型热电单元5和作为第二热电单元的两个N型热电单元6为例；具体的沿上、下导电金属板3、4采用n对不同材料性质的P型及N型热电单元5、6，本实施例取n＝2，其中两种P(N)型热电材料在沿上、下导电金属板4高度方向存在一定的间隙，电流和热流通路与实施例1相同。

实施例3

如图6所示，本实施例中的温差发电器和相应的温差发电模块的结构与原理与实施例1相同，本实施例不再赘述。

不同之处在于，考虑到实际应用中可能存在上、下导电金属板4沿其高度方向存在较大温差的情况，为了充分利用此温度的变化，在本实施例中第一热电单元和第二热电单元沿导流臂延伸方向分段设置有若干相反极性的单体，单体之间呈间隙设置；如图6所示，以作为第一热电单元的两个P型热电单元5和一个N型热电单元6，作为第二热电单元的两个N型热电单元6和一个P型热电单元5为例，具体的沿上、下导电金属3、4之间采用m(m＝2x+1,x＝1,2······)对不同材料性质的P型及N型热电单元5、6，本实施例取m＝3，其中两种P(N)型热电材料在沿上、下导电金属板3、4高度方向及水平方向上均是交替布置，且在沿上、下导电金属板3、4高度方向存在一定的间隙。

特别地，本实施例在上、下导电金属板3、4与部分P型及N型热电单元5、6之间增加了过渡导电金属板7，其中过渡导电金属板7与上、下导电金属板3、4之间选择性的设有一定的绝缘层以保证电流的流向为N1→P1→N3→外部负载→P3→N2→P2→N1。

本优选实例中，也可以是如实施例2和实施例3所述两种分段方式相结合的综合分段方式，原理相同，不再赘述。

实施例4

如图7所示，本实施例中的温差发电器和相应的温差发电模块的结构与原理与实施例1相同，本实施例不再赘述。

不同之处在于，为了使温差发电模块可应用在某些特定的场合，本实施例的中各个部件的形状改为适配圆环状的圆弧状。特别地，实施例2以及实施例3中的同时具有多组热电材料的设计也可应用在本实施例中。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种温差发电模块，其特征在于，包括：

相对设置的上绝缘导热板(1)和下绝缘导热板(2)，

与上绝缘导热板(1)导热连接的上导电金属板(3)，

下绝缘导热板(2)导热连接的下导电金属板(4)，

以及交替且呈间隔设置的第一热电单元和第二热电单元，第一热电单元和第二热电单元的极性相反；

所述的第一热电单元和第二热电单元上下间隔设置在上导电金属板(3)和下导电金属板(4)之间；

所述上导电金属板(3)及下导电金属板(4)分别向对向延伸设置有导流臂；上导电金属板(3)的导流臂和下导电金属板(4)的导流臂交替连接在第一热电单元外侧，第一热电单元和第二热电单元之间，以及第二热电单元外侧。

2.如权利要求1所述的温差发电模块，其特征在于，所述上绝缘导热板(1)及下绝缘导热板(2)采用陶瓷材料制成。

3.如权利要求1所述的温差发电模块，其特征在于，所述上导电金属板(3)及下导电金属板(4)采用纯铜材料制成。

4.如权利要求1所述的温差发电模块，其特征在于，所述第一热电单元和第二热电单元分别采用Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、PbTe和CoSb₃中的一种基材料制成。

5.如权利要求1所述的温差发电模块，其特征在于，所述第一热电单元和第二热电单元沿导流臂延伸方向分段设置有若干相同极性的单体，单体之间呈间隙设置。

6.如权利要求1所述的温差发电模块，其特征在于，所述第一热电单元和第二热电单元沿导流臂延伸方向分段设置有若干相反极性的单体，相反极性的单体交替且呈间隙设置；第一热电单元和第二热电单元两侧分别设置有依次连接单体的过渡导电金属板(7)，用于形成蛇形的电流和热流通路。

7.如权利要求1所述的温差发电模块，其特征在于，所述上导电金属板(3)与上绝缘导热板(1)，以及与第一热电单元或第二热电单元之间焊接连接；所述下导电金属板(4)与下绝缘导热板(2)，以及与第一热电单元或第二热电单元之间焊接连接。

8.如权利要求7所述的温差发电模块，其特征在于，焊接的焊料层采用Sn-Ag无铅合金或Sn-Zn无铅合金材料。

9.一种温差发电器，其特征在于，包括若干依次连接设置的如权利要求1-8任意一项所述的温差发电模块；

相邻温差发电模块之间相邻的上导电金属板(3)或下导电金属板(4)呈一体化设置。

10.如权利要求9所述的温差发电器，其特征在于，所述上导电金属板(3)及下导电金属板(4)设置在第一热电单元或第二热电单元外侧的导流臂呈L形设置；上导电金属板(3)及下导电金属板(4)设置在第一热电单元和第二热电单元之间的导流臂呈T形设置。

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