CN112777573A - 基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统及其制作方法 - Google Patents

基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统及其制作方法，所述太阳能温差电池系统包括集热平台、导热铜管、散热模块、温差电池模块和太阳能电池，其中：所述导热铜管的中段位于集热平台的空槽内；所述太阳能电池固定在集热平台正上方的凹槽位置；所述导热铜管的两端弯曲成近90°在集热平台下方作为支撑；所述温差电池模块的热端面固定在导热铜管两端的侧面；所述散热模块固定在温差电池模块的冷端面处。本发明制备的太阳能温差电池系统提升了太阳能电池的发电效率以及寿命，方法工艺简单易行，所用设备简单、廉价，实验以及测试过程方便。

Description

基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统及 其制作方法
技术领域
本发明属于太阳能温差发电领域，涉及一种太阳能温差发电系统及其制作方法，具体涉及一种由氮化硼气凝胶和碲化铋复合而成的热电单元所组合而成的太阳能温差电池系统及其制作方法。
背景技术
出了新的挑战。同时，航天器中太阳能电池受到太阳能照射的辐射近80%都浪费成无用的热能，热度的聚集造成了太阳能PV板面温度升高，出现变黄、开裂等现象，减少电池使用寿命，电池输出功率下降。采用太阳能温差混合发电系统对太阳能电池进行补偿是解决上述问题的有效途径。基于塞贝克效应制作的温差电池的发电效率对材料ZT值要求很高，传统材料的电导率与热导率难以调和，是寻找高ZT值热电材料的一大困难，所以人们越来越多地去尝试制备复合晶体，试图利用复合晶体的不同结构优化热电性能，例如各种填充性Skutterudite化合物等。碲化铋是目前发现的最适合温差发电的材料，而怎么进一步提升碲化铋材料的ZT值成为当前研究的重点。氮化硼气凝胶作为一种新型的纳米材料，具有化学性质稳定、尺寸微小、独特的多孔结构、比表面积大，导热率低等优点，氮化硼气凝胶与碲化铋材料结合能够有效的降低碲化铋材料的热导率，提升其热电优值。
发明内容
为了解决太阳能发电效率低，寿命短等问题，本发明提供了一种基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统及其制作方法。本发明制备的太阳能温差电池系统提升了太阳能电池的发电效率以及寿命，方法工艺简单易行，所用设备简单、廉价，实验以及测试过程方便。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统，包括集热平台、导热铜管、散热模块、温差电池模块和太阳能电池，其中：
所述集热平台的正上方设置有凹槽，集热平台的横向两侧面设置有空槽；
所述导热铜管的中段位于集热平台的空槽内；
所述太阳能电池固定在集热平台正上方的凹槽位置；
所述导热铜管的两端弯曲成近90°在集热平台下方作为支撑；
所述温差电池模块包括导电铜片、P型温差单元晶块和N型温差单元晶块，导电铜片等间距排列在冷热面上，每个导电铜片上放置一对P型和N型温差单元晶块，相邻铜片上不同类型的晶块用导电铜片连接，导电铜片与晶块间使用导电银浆连接；
所述P型温差单元晶块由P型碲化铋和氮化硼气凝胶制成；
所述N型温差单元晶块由N型碲化铋和氮化硼气凝胶制成；
所述温差电池模块的热端面固定在导热铜管两端的侧面；
所述散热模块固定在温差电池模块的冷端面处。
一种上述太阳能温差电池系统的制作方法，包括如下步骤：
步骤一、制备P型温差单元晶块
（1）称取P型碲化铋粉末和氮化硼气凝胶粉末进行球磨处理，得到P型碲化铋和氮化硼气凝胶的复合热电材料；
（2）将P型碲化铋和氮化硼气凝胶的复合热电材料进行热压处理，并对热压后的块体进行切割和研磨处理，得到P型温差单元晶块；
本步骤中，P型碲化铋和氮化硼的摩尔比为3~9:10（如：3:10、6:10、9:10）；
本步骤中，球磨处理前对球磨罐进行抽真空注入高纯氮气，隔绝外界环境污染；
本步骤中，球磨转速为200 rpm/min，球磨时间为12~24小时；
本步骤中，P型碲化铋和氮化硼气凝胶的混合热电材料的粒子直径为650nm~1440nm；
本步骤中，P型碲化铋和氮化硼气凝胶的混合热电材料具有较低热导率，其热导系数仅为0.067W/m·K；
本步骤中，热压处理的压力为0.5~6Mpa，温度为300~350℃，时间为1~2h；
步骤二、制备N型温差单元晶块
（1）称取N型碲化铋粉末和氮化硼气凝胶粉末进行球磨处理，得到N型碲化铋和氮化硼气凝胶的复合热电材料；
（2）将N型碲化铋和氮化硼气凝胶的复合热电材料进行热压处理，并对热压后的块体进行切割和研磨处理，得到N型温差单元晶块；
本步骤中，N型碲化铋和氮化硼的摩尔比为3~9:10（如：3:10、6:10、9:10）；
本步骤中，球磨处理前对球磨罐进行抽真空注入高纯氮气，隔绝外界环境污染；
本步骤中，球磨转速为200 rpm/min，球磨时间为12~24小时；
本步骤中，N型碲化铋和氮化硼气凝胶的混合热电材料的粒子直径为650nm~1440nm；
本步骤中，N型碲化铋和氮化硼气凝胶的混合热电材料具有较低热导率，其热导系数仅为0.067W/m·K；
本步骤中，热压处理的压力为0.5~6Mpa，温度为300~350℃，时间为1~2h；
步骤三、制备温差电池模块
使用氧化铝陶瓷板作为温差电池的冷热面，使用导电铜片、导电银浆、耐高温绝缘导热胶将P型温差单元晶块和N型温差单元晶块连接起来固定在氧化铝陶瓷板上，组成温差电池模块；
本步骤中，导电铜片等间距排列在涂覆了一层绝缘耐高温导热胶的氧化铝陶瓷板上，导电铜片共排列6行，每行放置5列导电铜片；在每个导电铜片上放置一对P型和N型温差单元晶块，相邻铜片上不同类型的晶块用导电铜片连接，导电铜片与晶块间使用导电银浆连接；
本步骤中，温差电池模块的间隙使用氮化硼气凝胶进行填充；
步骤四、制备太阳能温差电池系统
将导热铜管放置在集热平台的空槽处并将两端弯曲，使用热压机将导热铜管与集热平台接触的表面以及导热铜管接近两端的地方压平，使用导热硅脂将温差电池模块和太阳能电池固定到集热平台相应的位置，再制成太阳能温差电池系统。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明制备的碲化铋和氮化硼气凝胶纳米复合单元晶块具有超低的热导率和相对较高的功率因子，使用氮化硼气凝胶填充其内部空间可进一步阻止冷热端热传输，扩大冷热端温差，以提高温差电池输出功率。
2、本发明的方法工艺简单易行，所用设备均为实验室现有仪器设备，实验过程较为方便，制作的太阳能温差发电系统在太阳能温差发电领域具有广泛前景。
附图说明
图1为基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统的设计图，1-太阳能电池，2-集热平台，3-导热铜管，4-温差电池，5-散热模块；
图2为基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统的实物图；
图3为实施例1制备的碲化铋和氮化硼气凝胶混合粉末球磨后的SEM图；
图4为实施例1制备的碲化铋和氮化硼气凝胶混合粉末球磨后的EDS图；
图5为实施例1热压得到的碲化铋和氮化硼气凝胶混合热电材料的块体；
图6为实施例1制备的氮化硼气凝胶以及复合热电材料的热导率图；
图7为实施例1制备的温差单元电池模块；
图8为实施例1制备的集热平台和热管的组装图；
图9为实施例1制作的太阳能温差电池系统；
图10为实施例1制作的太阳能温差电池系统的功率测试结果图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
本实施例中，太阳能温差电池发电系统的制作方法如下：
步骤一：用电子天平分别称取30g的P型碲化铋粉末和N型碲化铋粉末放入两个球磨罐中，称取两份3g的氮化硼气凝胶粉末分别放入上述粉末中，BN：Bi2Te3的摩尔比为10：6。对球磨罐进行抽真空，然后注入高纯氮气，将球磨罐置于卧式行星球磨机内连续球磨12个小时，球磨机转速为200 rpm/min，使碲化铋和氮化硼粉末的纳米粒子尺度缩小以及充分混合两种粉末，得到P型和N型两种碲化铋和氮化硼气凝胶的复合热电材料。
步骤二：将步骤一得到的两种碲化铋和氮化硼气凝胶的复合热电材料分别放入热压模具中，在热压机压力为3MPa、温度为350℃的条件下热压1h。热压结束后取下模具，对热压后得到的块体进行切割和研磨处理，得到1.4mm×1.4mm×1.7mm的温差单元晶块。
步骤三：使用20mm×30mm×0.6mm尺寸的氧化铝陶瓷板作为温差电池的冷热面，将尺寸为4mm×1.6mm×0.3mm的小铜片等间距排列在涂覆了一层绝缘导热胶的氧化铝陶瓷板上，共排列6行，每行放置5列铜片。每个小铜片上放置一对（P型和N型）单元晶块，晶块的尺寸为1.4mm×1.4mm×1.7mm，相邻铜片上不同类型的晶块也用铜片连接，铜片与晶块间使用导电银浆连接，在器件的空隙间使用导热系数为0.02W/m·k的氮化硼气凝胶进行填充，填充率为50%，并对整个温差电池模块进行封装。
步骤四：定制一个49mm×35mm×4mm的铝合金长方体平台，在正上方留出40mm×35mm×3mm大小的凹槽。将导热铜管放置在集热平台的空槽处，使用热压机将导热铜管与集热平台接触的表面以及导热铜管接近两端的地方压平，用于放置温差电池模块，并且将铜管弯曲成近90°的弧状。接着将太阳能电池与温差电池模块通过导热硅脂固定在器件相应的位置，最终将器件暴露在空气中的部位用隔热棉封装起来（如图1和图2所示）。
图3为本实施例制备的碲化铋和氮化硼气凝胶混合粉末球磨后的SEM图；从图中可以看出，粒子的直径在0.65~1.44μm之间，材料得到了充分研磨。
图4为本实施例制备的碲化铋和氮化硼气凝胶混合粉末球磨后的EDS图，其中B和N原子分别占了化合物源自总数的22%左右。
图5为本实施例热压得到的碲化铋和氮化硼气凝胶混合热电材料的块体。
图6为本实施例制备的复合温差材料的热导率图，从图中可知复合材料具有相当低的热导率。
图7为本实施例制备的温差单元电池模块，其中共使用29对单元温差晶块（P型和N型单元晶块各29个）。
图8为本实施例制备的集热平台和热管的组装图，图9为本实施例1制作的太阳能温差电池系统实物图，图10为太阳能温差电池系统的功率测试结果。通过结果可以计算出，此太阳能温差电池的输出功率可达274.36mW，光转换效率可以达到34.3%。
对比例1：
本对比例与实施例1不同的是：步骤一中球磨的时间分别为6h、12h、18h、24h。其它步骤与实施例1相同。
经过本对比例制备的碲化铋和氮化硼气凝胶混合材料发现，当球磨的时间为12h时，在扫描电子显微镜（SEM）下可以观察到最小的粒子直径，粒子结构没有发生团簇现象。
对比例2：
本对比例与实施例1不同的是：步骤二中材料热压机的压力分别设定为0.5Mpa、3Mpa、6Mpa。其它步骤与实施例1相同。
经过本对比例制备的碲化铋和氮化硼气凝胶混合材料发现，热压机的压力为0.5Mpa时，热压出的混合材料块体致密度不高，比较松散，容易破碎，热压机的压力为3Mpa时，热压出的混合材料的块体致密度良好，不易破碎，适合后续的研磨切割，而当热压机的压力为6Mpa时，材料的致密度虽然良好，但材料与石墨模具之间容易粘连，不易脱模，取下块体时块体容易发生碎裂。
对比例3：
本对比例与实施例1不同的是：步骤三中将小铜片分别布置4行、6行、8行，其它步骤与实施例1相同。
经过本对比例制备的温差电池模块发现，粒子排列为4行×5例时，温差电池模块的发电功率过小，空间利用不充分，粒子排列为6行×5列时，电池发电功率良好，空间利用度良好，而当粒子排列为8行×5列时，电池发电功率并没有得到明显提高，因为粒子排列过密，影响了温差电池的散热，导致电池两端温差过低，并且过于拥挤的排列不利于电池的封装。
对比例4：
本对比例与实施例1不同的是：步骤三中温差电池单元晶块的间隙分别为不用氮化硼气凝胶填充，填充50%体积的氮化硼气凝胶以及填充100%体积的气凝胶，其它步骤与实施例1相同。
经过本对比例制备的温差电池模块发现，当对温差电池间隙不填充氮化硼气凝胶时，电池的发电功率最小，当对电池空隙填充50%体积的氮化硼气凝胶时，温差电池的发电功率得到较大提高，当对电池空隙填充100%体积的氮化硼气凝胶时，温差电池的发电功率得到了略微提高。
对比例5：
本对比例与实施例1不同的是：步骤四中太阳能温差电池系统暴露在空气中的部分，分别为不处理和用隔热棉封装处理，其它步骤与实施例1相同。
经过本对比例制备的太阳能温差电池系统发现，对暴露在空气中的部分不作处理时，一部分热量散播到了空气空而没有被有效使用，降低了发电总功率。而进行封装处理后的系统，温差电池模块的发电功率得到了有效提升。

Claims (8)

1.一种基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统，其特征在于所述太阳能温差电池系统包括集热平台、导热铜管、散热模块、温差电池模块和太阳能电池，其中：
所述集热平台的正上方设置有凹槽，集热平台的横向两侧面设置有空槽；
所述导热铜管的中段位于集热平台的空槽内；
所述太阳能电池固定在集热平台正上方的凹槽位置；
所述导热铜管的两端弯曲成近90°在集热平台下方作为支撑；
所述温差电池模块包括导电铜片、P型温差单元晶块和N型温差单元晶块，导电铜片等间距排列在冷热面上，每个导电铜片上放置一对P型和N型温差单元晶块，相邻铜片上不同类型的晶块用导电铜片连接，导电铜片与晶块间使用导电银浆连接；
所述P型温差单元晶块由P型碲化铋和氮化硼气凝胶制成；
所述N型温差单元晶块由N型碲化铋和氮化硼气凝胶制成；
所述温差电池模块的热端面固定在导热铜管两端的侧面；
所述散热模块固定在温差电池模块的冷端面处。
2.根据权利要求1所述的基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统，其特征在于所述集热平台为铝合金长方体平台。
3.根据权利要求1所述的基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统，其特征在于所述导电铜片共排列6行，每行放置5列导电铜片。
4.根据权利要求1所述的基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统，其特征在于所述冷热面为氧化铝陶瓷板。
5.一种权利要求1-4任一项所述基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统的制作方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
步骤一、制备P型温差单元晶块
（1）称取P型碲化铋粉末和氮化硼气凝胶粉末进行球磨处理，得到P型碲化铋和氮化硼气凝胶的复合热电材料，其中：P型碲化铋和氮化硼的摩尔比为3~9:10；
（2）将P型碲化铋和氮化硼气凝胶的复合热电材料进行热压处理，并对热压后的块体进行切割和研磨处理，得到P型温差单元晶块；
步骤二、制备N型温差单元晶块
（1）称取N型碲化铋粉末和氮化硼气凝胶粉末进行球磨处理，得到N型碲化铋和氮化硼气凝胶的复合热电材料，其中：N型碲化铋和氮化硼的摩尔比为3~9:10；
（2）将N型碲化铋和氮化硼气凝胶的复合热电材料进行热压处理，并对热压后的块体进行切割和研磨处理，得到N型温差单元晶块；
步骤三、制备温差电池模块
使用导电铜片、导电银浆、耐高温绝缘导热胶将P型温差单元晶块和N型温差单元晶块连接起来固定在冷热面上，组成温差电池模块；
步骤四、制备太阳能温差电池系统
将导热铜管放置在集热平台的空槽处并将两端弯曲，使用热压机将导热铜管与集热平台接触的表面以及导热铜管接近两端的地方压平，使用导热硅脂将温差电池模块和太阳能电池固定到集热平台相应的位置，再制成太阳能温差电池系统。
6.根据权利要求5所述的基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统的制作方法，其特征在于所述步骤一中，球磨转速为200 rpm/min，球磨时间为12~24小时；P型碲化铋和氮化硼气凝胶的混合热电材料的粒子直径为650nm~1440nm；热压处理的压力为0.5~6Mpa，温度为300~350℃，时间为1~2h。
7.根据权利要求5所述的基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统的制作方法，其特征在于所述步骤二中，球磨转速为200 rpm/min，球磨时间为12~24小时；N型碲化铋和氮化硼气凝胶的混合热电材料的粒子直径为650nm~1440nm；热压处理的压力为0.5~6Mpa，温度为300~350℃，时间为1~2h。
8.根据权利要求5所述的基于氮化硼和碲化铋纳米复合材料的太阳能温差电池系统的制作方法，其特征在于所述步骤三中，温差电池模块的间隙使用氮化硼气凝胶进行填充。
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