CN113315416A - 一种可模块组装的全天候持续发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可模块组装的全天候持续发电装置,包括模块化组装连接的辐射致冷器件、光热转换器件、热电转换器件和导热基底,所述热电转换器件设置于导热基底上,所述辐射致冷器件和光热转换器件分别与热电转换器件热传递连接。与现有技术相比,该发电装置不受时间和地域的限制,白天可利用光热转换器件,辐射致冷器件之间的温差发电,晚上可利用辐射致冷器件和地球表面环境温度发电,并且器件结构、尺寸可设计,可依据环境特点进行模块化组装,实现能量的利用最大化。
Description
技术领域
本发明属于能源转换与应用技术领域,尤其是涉及一种可模块组装的全天候持续发电装置。
背景技术
开发清洁能源以降低对化石燃料的依赖是解决能源短缺,减少污染物排放问题的有效途径之一。太阳能是地球分布最广泛的能量,利用光电(光伏电池)、光热电效应(光热材料+热电器件)可将太阳能中的光能部分转换为电能,是获取清洁能源的有效途径。如专利申请CN110086418A公开一种光伏发电装置、专利申请CN110274326A公开一种日间辐射制冷器及其制备方法、专利申请CN111486069A公开一种用于太阳能辅助海洋温差发电系统的能量管理装置等。但这些现有技术只能利用太阳能中的可见光部分,而且会受限于光照条件,在无光照时(如夜晚)难以工作,面临着长久持续供电的困境。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可模块组装的全天候持续发电装置,利用辐射致冷效应-光热转换效应在热电转换器件两端构筑温差以实现持续发电,无时间、地域或环境条件限制。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种可模块组装的全天候持续发电装置,包括模块化组装连接的辐射致冷器件、光热转换器件、热电转换器件和导热基底,所述热电转换器件设置于导热基底上,所述辐射致冷器件和光热转换器件分别与热电转换器件热传递连接。
进一步地,所述光热转换器件贴附于热电转换器件上表面,所述辐射致冷器件贴附于导热基底上表面,并围设于热电转换器件周围。
进一步地,所述辐射致冷器件贴附于热电转换器件上表面,所述光热转换器件贴附于导热基底上表面,并围设于热电转换器件周围。
进一步地,所述辐射致冷器件的上表面面积:光热转换器件的上表面面积:热电转换器件的上表面面积=(1~1000):(1~1000):(1~1000)。
进一步地,该全天候持续发电装置还包括用于容纳所述辐射致冷器件、光热转换器件、热电转换器件和导热基底的真空腔体。
进一步地,所述导热基底通过隔热支架设置于真空腔体内。
进一步地,该全天候持续发电装置通过导热棒安装于环境中。
进一步地,所述辐射致冷器件包括红外辐射层、反射层和导热层。
进一步地,所述红外辐射层优选自然辐射体、薄膜基辐射体、纳米颗粒基辐射体或光子辐射体,所述反射层优选金属或金属氧化物,所述导热层优选硅片或铜片。
进一步地,所述光热转换器件包括光热转换层和导热层。
进一步地,所述光热转换层的材料优选碳基材料、金属基材料、聚合物基材料、金属硫氧基材料中的一种或多种,光热转换层的结构优选金属-陶瓷结构、金属-半导体结构、多层薄膜干涉结构或结构化表面。所述导热基底优选硅片或铜片。
进一步地,所述光热转换器件使用的太阳光波段包括紫外光、可见光和近红外光波段。
进一步地,所述热电转换器件采用块体热电器件或MEMS热电器件。
进一步地,所述热电转换器件优选平面型结构或垂直型结构。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1、本装置为具有辐射致冷器件、光热转换器件和热电转换器件的发电装置,可利用太阳光中的能量,太空的超低温环境和地球表面环境温度在热电转换器件两端构筑温差,不受时间和地域的限制,白天可利用光热转换器件,辐射致冷器件之间的温差发电,晚上可利用辐射致冷器件和地球表面环境温度发电,实现全天候发电
2、光热转换器件可以利用太阳光全波段(包括能量占比较大的红外波段),现有太阳能发电只能在白天阳光充足的时候进行,而本发明装置白天黑夜都能发电,具有持续性。
3、本发明的辐射致冷器件、光热转换器件和热电转换器件可以通过模块化组装和封装处理,器件结构、尺寸可设计,实现对不同环境条件的适应,从而实现发电性能最大化。
4、传统的风力发电、水力发电、潮汐发电等是将机械能转换成电能,这种机械运转对发电装置有损耗,减小了其使用寿命。本发明利用温差发电,无需机械运动,使用稳定性高,寿命长,环保,满足不同环境的要求,且能持续发电。
5、本发明利用的能量是宇宙的超冷环境和太阳能,是取之不尽用之不竭的,并且发电过程不产生废气废水废渣,满足环保的特点。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图;
图2为本发明实施例1的俯视图;
图3为本发明实施例2的结构示意图;
图4为本发明实施例2的俯视图;
图5为本发明实施例3的结构示意图;
图6为本发明实施例4的结构示意图;
图7为本发明实施例5的结构示意图;
图8为本发明实施例6的结构示意图;
1、光热转换器件;2、热电转换器件;3、辐射致冷器件;4、导热基底;5、高透红外材料;6、高透光材料;7、真空腔体;8、隔热支架;9、导热棒;10、环境。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中,如无特别说明的原料或处理技术,则表明其均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
本发明提供一种可模块组装的全天候持续发电装置,包括模块化组装连接的辐射致冷器件、光热转换器件、热电转换器件和导热基底,热电转换器件设置于导热基底上,辐射致冷器件和光热转换器件分别与热电转换器件热传递连接。该发电装置能够利用大气窗口(8~13μm)和太空超低温环境(~4K)将辐射致冷器件降温,利用太阳光将光热转换器件升温,同时协同利用环境温度在热电转换器件两端构筑的温差,实现全天候,全周期持续发电,具有极高的环境适应性,并且不受时间,空间的限制。
辐射致冷器件具有高的可见光反射率和红外发射率,在晴朗的环境中,可反射大部分太阳光,减弱器件对太阳光的吸收,并且能通过大气窗口(8-13μm)向外太空(温度~4K)以红外辐射的形式输出能量,从而降低自身温度。
光热转换器件对太阳光波段(紫外光-可见光-近红外光)的光具有高的吸收率,可以利用材料本身的光热转换效应和特殊的微纳结构提高对光能的捕获和利用效率,从而提高自身温度。
热电转换器件具有将热量(温差)转换成电能的特性,其主要由P型材料和N型材料通过电极串联而成。热电转换器件两端温差越大,其发电能力越强。
该全天候持续发电装置可采用:光热转换器件贴附于热电转换器件上表面,辐射致冷器件贴附于导热基底上表面,并围设于热电转换器件周围,热电转换器件通过导热基底与辐射致冷器件实现热传递连接;或者辐射致冷器件贴附于热电转换器件上表面,光热转换器件贴附于导热基底上表面,并围设于热电转换器件周围,热电转换器件通过导热基底与光热转换器件实现热传递连接。辐射致冷器件的上表面面积:光热转换器件的上表面面积:热电转换器件的上表面面积=(1~1000):(1~1000):(1~1000)。
辐射致冷器件包括红外辐射层、反射层和导热层。红外辐射层优选自然辐射体、薄膜基辐射体、纳米颗粒基辐射体或光子辐射体,反射层优选金属或金属氧化物,导热层优选硅片或铜片。
光热转换器件包括光热转换层和导热层。光热转换层的材料优选碳基材料、金属基材料、聚合物基材料、金属硫氧基材料中的一种或多种,光热转换层的结构优选金属-陶瓷结构、金属-半导体结构、多层薄膜干涉结构或结构化表面,导热基底优选硅片或铜片。
热电转换器件采用块体热电器件或MEMS热电器件,其结构优选平面型结构或垂直型结构。
上述辐射致冷器件、光热转换器件、热电转换器件和导热基底也可采用一体化设计,形成一体化发电装置。
该发电装置可以暴露在空气中使用,可以在装置四周包裹保温隔热层、反射层或挡风板,也可以将装置置于真空腔体内,安装方式多样。
该装置可悬空安装、在地面安装、在水面安装,或者安装到建筑物、车辆、飞行器表面,或者安装到电脑、手机、相机等设备表面,实现发电,应用场景广泛。
实施例1
如图1和图2所示,本实施例提供的全天候持续发电装置中,热电转换器件2贴附在导热基底4上,热电转换器件2上表面贴附光热转换器件1,导热基底4周围贴附辐射致冷器件3,其中,辐射致冷器件3的上表面面积:光热转换器件1的上表面面积:热电转换器件2的上表面面积=4:1:1。
实施例2
如图3和图4所示,本实施例提供的全天候持续发电装置中,热电转换器件2贴附在导热基底4上,热电转换器件2上表面贴附辐射致冷器件3,导热基底4周围贴附光热转换器件1,其中辐射致冷器件3的上表面面积:光热转换器件1的上表面面积:热电转换器件2的上表面面积=1:4:1。
实施例3
如图5所示,本实施例提供的全天候持续发电装置还包括用于保温隔热的真空腔体7,如实施例1所述结构的光热转换器件1、热电转换器件2、辐射致冷器件3和导热基底4封装于该真空腔体7内。光热转换器件1对应的腔体顶端为高透光材料6,辐射致冷器件对应的腔体顶端为高透红外材料5。导热基底4通过隔热支架8安装于真空腔体7底部。本实施例中,高透光材料6为石英玻璃,高透红外材料5为聚丙烯薄膜。
实施例4
如图6所示,本实施例提供的全天候持续发电装置还包括用于保温隔热的真空腔体7,如实施例2所述结构的光热转换器件1、热电转换器件2、辐射致冷器件3和导热基底4封装于该真空腔体7内。光热转换器件1对应的腔体顶端为高透光材料6,辐射致冷器件对应的腔体顶端为高透红外材料5。导热基底4通过隔热支架8安装于真空腔体7底部。本实施例中,高透光材料6为石英玻璃,高透红外材料5为聚丙烯薄膜。
实施例5
如图7所示,如实施例1所述结构的全天候持续发电装置暴露在空气中使用,并将发电装置通过导热棒9和环境10(如地面,泥土,水面等)连接。
实施例6
如图8所示,如实施例2所述结构的全天候持续发电装置暴露在空气中使用,并将发电装置通过导热棒9和环境10(如地面,泥土,水面等)连接。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解,本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此,凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案,皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种可模块组装的全天候持续发电装置,其特征在于,包括模块化组装连接的辐射致冷器件、光热转换器件、热电转换器件和导热基底,所述热电转换器件设置于导热基底上,所述辐射致冷器件和光热转换器件分别与热电转换器件热传递连接。
2.根据权利要求1所述的可模块组装的全天候持续发电装置,其特征在于,所述光热转换器件贴附于热电转换器件上表面,所述辐射致冷器件贴附于导热基底上表面,并围设于热电转换器件周围。
3.根据权利要求1所述的可模块组装的全天候持续发电装置,其特征在于,所述辐射致冷器件贴附于热电转换器件上表面,所述光热转换器件贴附于导热基底上表面,并围设于热电转换器件周围。
4.根据权利要求1所述的可模块组装的全天候持续发电装置,其特征在于,所述辐射致冷器件的上表面面积:光热转换器件的上表面面积:热电转换器件的上表面面积=(1~1000):(1~1000):(1~1000)。
5.根据权利要求1所述的可模块组装的全天候持续发电装置,其特征在于,还包括用于容纳所述辐射致冷器件、光热转换器件、热电转换器件和导热基底的真空腔体。
6.根据权利要求5所述的可模块组装的全天候持续发电装置,其特征在于,所述导热基底通过隔热支架设置于真空腔体内。
7.根据权利要求1所述的可模块组装的全天候持续发电装置,其特征在于,该全天候持续发电装置通过导热棒安装于环境中。
8.根据权利要求1所述的可模块组装的全天候持续发电装置,其特征在于,所述辐射致冷器件包括红外辐射层、反射层和导热层。
9.根据权利要求1所述的可模块组装的全天候持续发电装置,其特征在于,所述光热转换器件包括光热转换层和导热层。
10.根据权利要求1所述的可模块组装的全天候持续发电装置,其特征在于,所述热电转换器件采用块体热电器件或MEMS热电器件。
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