CN113890416A - 一种环境温差发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境温差发电装置，属于热能利用和节能技术领域。本发明包括：热交换模块、温差发电模块、导热模块、储热模块、电源管理模块和储能模块；热交换模块置于外部环境中；温差发电模块包括若干个基于热电材料制作而成的温差发电片，一端与热交换模块连接，另一端与导热模块连接，储热模块与导热模块连接，储热模块与外部环境间温度隔绝；温差发电模块的两端存在温差时，输出电能，经过电源管理模块后，储存于储能模块中；储能模块存储温差发电模块输出的电能，并且给负载供电。本发明仅仅依靠昼夜温差、环境温差的波动变化就可以发电，不需要额外的热源。
Description
技术领域
本发明属于热能利用和节能技术领域，具体涉及一种环境温差发电装置。
背景技术
温差发电原理是基于热电效应，即塞贝克效应(Seebeck effect)，由热电材料制作而成的温差发电模块，可以用于发电。温差发电模块由不同导体或半导体组成回路，当回路两端有温度差时，在回路中将会有一个电势差存在，在回路中会产生电流，这就是赛贝克效应。温差发电模块的输出电压＝塞贝克系数×温差。
温差发电装置的核心部件是温差发电模块，利用热电效应可以把热能转换成电能，具有无噪声、寿命长、工作稳定可靠、轻便等特点，可利用各种热源发电，包括固、液、气态燃料、太阳能、核能、人体发热、以及各种设备的废热、余热等，为用电设备和装置提供电力，适用于航天、军事、勘探、便携设备、无源传感器等领域。
温差发电装置要能够发电，必须有温差，所以现有的温差发电装置在实际应用中都需要依靠特定的热源才能发电，比如发动机余热、锅炉、太阳能热水器等。在没有任何热源的环境中，由于无法使温差发电模块的两端产生持续、长久、足够大的温差，从而不能输出足够大的电能，现有的温差发电装置将没有用武之地。
发明内容
本发明目的是提供针对上述问题，本发明设计出了一种不依靠任何热源，只依靠自然环境中的温差进行发电的温差发电装置。
具体地说，本发明提供了一种环境温差发电装置，包括：热交换模块、温差发电模块、导热模块、储热模块、电源管理模块和储能模块；
所述热交换模块置于环境温差发电装置外部环境中，所述温差发电模块包括若干个基于热电材料制作而成的温差发电片，所述温差发电模块的一端与所述热交换模块连接，另一端与导热模块连接，所述储热模块与所述导热模块连接，所述储热模块与外部环境间温度隔绝；
所述温差发电模块的连接热交换模块的一端与连接导热模块的另一端之间存在温差时，输出电能，经过电源管理模块整流、升压、稳压、存储和电能分配后，储存于储能模块中；所述储能模块存储温差发电模块输出的电能，并且给负载供电。
进一步的，所述储热模块由储热箱、储热介质、保温层组成；所述储热介质密封在储热箱中，所述储热箱用保温层包覆，所述导热模块与储热介质连接。
进一步的，所述保温层外部还设置有储热模块外壳。
进一步的，所述储热介质是液体或固体。
进一步的，所述储热模块包括储热箱壳体和储热模块外壳，所述储热箱壳体与储热模块外壳之间为真空状态，所述导热模块与储热箱壳体连接。
进一步的，所述导热模块与温差发电模块接触的那一面平整，面积记为S导热，温差发电模块的面积记为S发电片，S导热：S发电片取值范围为1:1～5:1。
进一步的，所述导热模块与储热模块连接的部分为是多齿翘片结构。
进一步的，所述导热模块为圆柱凸台，导热模块与温差发电模块连接面的直径为L1，与储热模块连接面的直径为L2，L1：L2取值范围为1:0.3～1:3。
进一步的，所述热交换模块为多齿翘片结构；翘片高度为10～100mm；热交换模块的底板面积与与之接触的温差发电模块的温差发电片面积的比值取值范围为1:1～20:1。
进一步的，所述环境温差发电装置还包括聚热模块，所述聚热模块安装在热交换模块的上方，包括聚光镜和支架；所述聚光镜安装固定在支架上，将外部环境的太阳光聚焦在热交换模块上的一个区域或一点上；聚光镜的尺寸比热交换模块的尺寸大；支架与所述储热模块固定连接。
本发明的环境温差发电装置的有益效果如下：
本发明提供的环境温差发电装置，将温差发电模块的一端与环境接触，并且与环境进行热交换，与环境的温度同步；将温差发电模块的另一端与储热模块连接，利用储热介质的储热功能，温度基本保持稳定或者温度的变化非常缓慢；从而在温差发电模块的两端建立起了有效的温差而发电，仅仅依靠昼夜温差、环境温差的波动变化就可以发电，不需要额外的热源，达到利用环境温差发电的目的。
虽然环境温差比较小，变化也比较缓慢，但本发明的温差发电装置通过对聚热模块、储热模块、热交换模块、导热模块、温差发电模块等传热结构的优化设计，提高温差发电模块的热端、冷端的温差，以及提高热的利用效率，提高了温差发电装置的发电效率。
本发明的温差发电装置通过电源管理模块的电路优化设计，不管温差发电片的热端、冷端如何转换，两个方向的电流都可以使用，提高了温差发电装置的发电效率。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的储热模块和聚热模块结构示意图。
图3是本发明实施例的圆柱凸台形状导热模块结构示意图。
图4是本发明实施例的结构示意图(无聚热模块)。
图5是本发明实施例4的多齿翅片导热模块结构示意图。
附图中标识：1-聚热模块，101-聚光镜，102-支架，2-热交换模块，3-温差发电模块，4-导热模块，5-储热模块，501-储热箱，502-储热介质、503-保温层，504-储热箱壳体，505-储热模块外壳，6-电源管理模块，7-储能模块。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
本发明的一个实施例，为一种环境温差发电装置，如图1所示。包括：聚热模块1、热交换模块2、温差发电模块3、导热模块4、储热模块5、电源管理模块6、储能模块7。其中，储热模块5与导热模块4连接，导热模块4与温差发电模块3连接，温差发电模块3与热交换模块2连接，温差发电模块3输出的电能经过电源管理模块6，储存于储能模块7中。
热交换模块2置于环境温差发电装置所在的外部环境中，温差发电模块3包括若干个基于热电材料制作而成的温差发电片，温差发电模块3的一端与热交换模块2连接，另一端与具有高导热系数的导热模块4连接，储热模块5与导热模块4连接，储热模块5与外部环境间温度隔绝；
温差发电模块3的连接热交换模块2的一端与连接导热模块4的另一端之间存在温差时，输出电能，经过电源管理模块6整流、升压、稳压、存储和电能分配后，储存于储能模块7中；储能模块7存储温差发电模块3输出的电能，并且给负载供电。
储热模块5由储热箱501、储热介质502、保温层503组成，如图2所示。储热介质502存放在储热箱501中，密封严密防止储热介质502泄露，然后储热箱501的壳体(储热箱壳体504)外用保温层503包覆。优选地，保温层503外部还有一层储热模块外壳505，可以增加保温效果、增加环境温差发电装置的结构强度和耐用强度。
储热箱501是存放储热介质502的容器，除了具有足够的结构强度外，必须具有防腐蚀、耐酸碱的功能。因此储热箱501的壳体(储热箱壳体504)材质可以是不锈钢、铝合金、铜、耐高温塑料等，优选不锈钢、铝合金。
储热介质502的功能就是吸收周围环境的热能并储存起来，因此储热介质502必须具有较高的热熔以及较高的导热系数。储热介质502可以是液体，比如水、氯化钙水溶液、氯化钠水溶液，储热介质502也可以是固体物质，比如硫酸钠水合盐、氯化钙三水醋酸钠、石蜡、石蜡-膨胀石墨复合材料等。
储热模块5的保温层503可以是聚氨酯泡沫材料、聚苯板、酚醛泡沫、玻璃棉、岩棉等，目的是使储热介质502的温度保持稳定。储热模块5的保温方法除了用保温材料外，还可以用真空方法，即储热箱壳体504与储热模块外壳505之间的空间经过处理后，变成真空状态，隔绝热的传导。实验证明真空保温效果更理想。
导热模块4用于连接温差发电模块3与储热介质502，是温差发电模块3与储热介质502之间的传热通道。导热模块4的导热系数越高越好。所以，导热模块4的材质一般是金属，比如钢、铝、铜，优选铝或者铜。
同时，导热模块4的结构、尺寸对传热有很大的影响，需要根据温差发电模块3的尺寸、热流量来设计。导热模块4的形状可以是圆柱体、长方体，或者组合结构。导热模块4的结构主要分为两部分，一部分与温差发电模块3接触，另一部分与储热介质502接触。
与温差发电模块3接触的那一部分的导热模块4一般是长方体、正方体、圆柱体，导热模块4与温差发电模块3接触的那一面要平整，面积记为S导热，温差发电模块3的面积记为S发电片，S导热：S发电片取值范围为1:1～5:1。理论上该比值越大越好，但是到达一定程度后，即使再增加尺寸，发电性能提高效果有限，另外，考虑产品尺寸的要求，产品的实际设计中也不是越大越好。经实验，优选地，S导热：S发电片取值范围为1.2:1～2:1，可以达到最佳发电性能。
与储热介质502接触的那一部分的导热模块4一般是长方体、正方体、圆柱体，更优选的是多齿翘片结构，翅片可以是圆柱体结构，也可以是正方体结构。导热模块4的多齿翘片结构使导热模块4与储热介质502的接触面积增加，从而提高传热效率。
图3是一种圆柱凸台形状导热模块4的结构示意图，与温差发电模块3接触的那一面的直径为L1，与储热介质502接触的那一面的直径为L2，L1：L2取值范围为1:0.3～1:3，优选L1：L2取值范围为1:0.5～1:1.5。
热交换模块2可以是铝散热器、铜散热器、热管散热器中的一种。根据热流量的大小，选择合适的热交换模块2的结构、尺寸、材质。热交换模块2一般是多齿翘片结构，翘片可以是长条长方体形状，也可以是长条圆柱体形状，翘片的尺寸、数量根据热流量的大小来设计。热交换模块2的翘片高度一般是10～100mm，优选15～30mm。热交换模块2的底板面积与与之接触的温差发电模块3的温差发电片面积的比值取值范围为1:1～20:1，优选地，为5:1～10:1，可以达到最大的温差和发电效能。热交换模块2既可以散热，也可以吸热。当环境温度低于储热介质502的温度时，热交换模块2的功能是散热。而当环境温度高于储热介质2的温度时，热交换模块2的功能是吸热。优选的，热交换模块2采用黑色的阳极氧化铝散热片，同时具有较好的散热和吸热性能。
聚热模块1由聚光镜101、支架102组成，安装在热交换模块2的上方，如图2所示。聚光镜101的作用是把太阳光聚焦在热交换模块2上的一个区域或一点上，从而提高热交换模块2的温度，进而提高温差发电模块3的输出电能。聚光镜101的尺寸要比热交换模块2的尺寸大，聚光镜101的尺寸越大，就可以聚集越多的热量，具体尺寸要根据温差发电装置地总体尺寸要求来设计。支架102的作用是安装固定聚光镜101，并与下面的储热模块5固定在一起，具体而言与储热模块外壳505固定连在一起。
带有聚热模块1的温差发电装置主要是应用于无遮挡、有太阳光的场合。如果没有太阳光，比如树林中、室内等，可以不用聚热模块1，如图4所示。
温差发电模块3包括若干基于热电材料制作而成的温差发电片。热电材料可以是碲化铋、碲化铅等，优选的，采用碲化铋基温差发电片。碲化铋基温差发电片工作温度最高达300℃，是常温、中低温环境下较好的选择。温差发电模块3的功能是利用冷端、热端的温差(即温差发电模块3与热交换模块2接触的一面、温差发电模块3与导热模块4接触的一面间的温差)进行发电。根据负载的功率需求，温差发电模块3可以采用多片串联、或并联，或串联并联组合的方式，以调整输出电压、电流的大小，以满足实际应用要求。温差发电模块3的尺寸可以选择现有市场中常用的尺寸，如25×25mm、30×30mm、40×40mm、50×50mm，也可以根据实际需求，定制其他尺寸的温差发电模块3。
温差发电模块3是微电源，输出的电压、功率往往比较低，不能直接给负载供电，需要经过升压、存储、稳压等管理，才可以稳定供电。这就需要电源管理模块6。电源管理模块6包括整流电路、升压电路、稳压电路、充电放电电路等，分别用于对温差发电模块3的输出电能进行整流、升压、稳压、存储和电能分配。电源管理模块6的重要部分是管理器或主控芯片，常用的主控芯片可以是LTC3108、LTC3109芯片。根据温差发电模块3输出电压、功率的大小，选择合适的电源管理模块6。
储能模块7用于存储温差发电模块3输出的电能，并且给负载供电。储能模块7可以是磷酸铁锂电池、聚合物电池、三元锂电池，也可以是电容、铅酸电池。
温差发电装置的工作原理是利用温差发电片两端的温差进行发电。温差发电装置输出电能的大小主要与温差发电模块3的热端、冷端的温差有关，输出电压与温差是正比的关系，温差越大输出电压越高。所以温差发电装置的聚热模块1、热交换模块2、导热模块4、储热模块5、温差发电模块3需要匹配优化设计，包括对各个部件进行选型、结构设计、选择合适的尺寸比例，使温差发电模块3的热端、冷端的温差达到最优值。
本温差发电装置是利用环境温差发电的，温差形成只是依靠昼夜温差、环境温差的波动变化，不需要额外的热源。
白天时，随着气温的上升，环境温度高于热交换模块2，此时热交换模块2的功能是吸热，从环境中吸取热量，或者有阳光时，在阳光的照射下，热交换模块2从阳光中吸取热量，温度不断上升。温差发电模块3与热交换模块2接触的一面温度也不断的上升，形成热端。由于此时储热介质502温度比较低，因此导热模块4的温度也比较低，温差发电模块3与导热模块4接触的一面的温度与导热模块4的温度基本一致，处于较低的温度，形成冷端。因此温差发电模块3的热端、冷端形成较大温差，从而输出电能。
当晚上或者下雨等原因引起气温下降时，环境温度低于热交换模块2的温度，此时热交换模块2的功能是散热，会不断地向空气中散发热量导致热交换模块2温度下降，温差发电模块3与热交换模块2接触的一面的温度同时下降。随着环境温度的不断下降，当环境温度低于储热介质502的温度时，温差发电模块3与热交换模块2接触的一面的温度也低于储热介质502的温度，从而形成冷端。温差发电模块3与导热模块4接触的一面形成热端。此时温差发电模块3的热端、冷端也存在温差，从而输出电能，只是电流的方向与前述的电流方向相反。随着温差发电模块3两边的温差不同，电流方向也会相应改变。
本发明的特点与优势：
(1)温差发电装置只有在有温差时才能输出电能，普通的温差发电装置必须放在热源上才能发电。而本发明的温差发电装置利用储热介质的储热功能，仅仅依靠昼夜温差、环境温差的波动变化就可以发电，不需要额外的热源。
(2)本发明的温差发电装置通过电源管理模块6的电路优化设计，不管温差发电片的热端、冷端如何转换，两个方向的电流都可以使用。
(3)本发明的温差发电装置通过聚热模块1、储热模块5、热交换模块2、导热模块4、温差发电模块3等的匹配设计，对传热结构进行优化，提高温差发电模块3的热端、冷端的温差，提高了温差发电装置的发电效率。
实施例1
本发明的一个实施例，为一种环境温差发电装置。
温差发电模块3包括两片串联的TEG1-127-1.0-1.3温差发电片。热交换模块2的材质是纯铜，尺寸为100×120×20mm。导热模块4的材质是铝6063，长方体凸台形状，上部尺寸为70×35×10mm，下部尺寸为60×25×50mm。储热模块5中，储热箱501壳体(储热箱壳体504)材质是铝6061，尺寸为112×112×112mm，储热箱501内部加950g水作为储热介质502，密封严密防止储热介质502泄露，储热箱501的外部还有一层耐候性好的塑料储热模块外壳505，储热模块外壳505与储热箱501之间的空隙用聚氨酯泡沫塑料浇注作为保温层503，并且完全密封防止渗水。温差发电模块3的电源输出端(指的是温差发电模块3的电源正极、负极)与电源管理模块6连接，超级电容作为储能模块7与电源管理模块6连接，电源管理模块6预留有接线端口与负载连接。本实施例的温差发电装置放在户外，连接10欧姆的负载，晴天时24小时内输出电能820焦耳，其中一个方向的电流输出的电能达567焦耳，另一个方向的电流输出的电能是253焦耳。
实施例2
本发明的一个实施例，为一种环境温差发电装置。
温差发电模块3包括一片TEG1-127-1.4-2.5温差发电片。热交换模块2的材质是铝6063，表面阳极氧化，尺寸100×100×30mm。导热模块为圆柱凸台形状，材质是铝6063，直径L1为65mm，直径L2为50mm，长度80mm。储热模块5中，储热箱501的壳体(储热箱壳体504)材质是304不锈钢，储热箱501的外部还有一层不锈钢储热模块外壳505，储热模块外壳505与储热箱501之间的空隙为真空状态，尺寸外部直径110mm，高度210mm。储热箱501内部加800g水作为储热介质502。温差发电模块3的电源输出端与电源管理模块6连接，超级电容作为储能模块与电源管理模块6连接，电源管理模块6预留有接线端口与负载连接。本实施例的温差发电装置放在户外，连接10欧姆的负载，晴天时24小时内输出电能达462焦耳，其中一个方向的电流输出的电能是309焦耳，另一个方向的电流输出的电能是153焦耳。
实施例3
本发明的一个实施例，为一种环境温差发电装置。
温差发电模块3包括两片串联的TEG1-127-1.4-2.5温差发电片。热交换模块2的材质是铝6063，表面阳极氧化，尺寸140×140×30mm。导热模块4的材质是铝6063，长方体凸台形状，上部100×50×15mm，下部80×40×60mm。储热模块5中，储热箱501的壳体(储热箱壳体504)材质为铝6061，尺寸130×130×100mm，储热箱501内部加1250g水作为储热介质502，储热箱501的外部还有一层耐候性好的塑料储热模块外壳505，塑料储热模块外壳505与储热箱501之间的空隙用聚氨酯泡沫塑料浇注作为保温层503，并且完全密封防止渗水。温差发电模块3的电源输出端与电源管理模块6连接，电源管理模块6与锂离子电池连接，锂离子电池作为储能模块5，电源管理模块6预留有接线端口与负载连接。本实施例的温差发电装置放在户外，连接10欧姆的负载，晴天时24小时内输出电能达903焦耳，其中一个方向的电流输出的电能是635焦耳，另一个方向的电流输出的电能是268焦耳。
实施例4
本发明的一个实施例，为一种环境温差发电装置。
温差发电模块包括4片并联的TEG1-127-1.0-1.3温差发电片。聚热模块1的聚光镜101采用菲涅尔透镜，尺寸为120×120mm。热交换模块2的材质是铝6063，表面阳极氧化，黑色，尺寸为60×60×10mm。导热模块4是多齿翅片结构，如图5所示，材质是铝6063，上部正方体，尺寸70×70×10mm，下部多齿结构的圆柱翅片直径5mm，高度50mm。储热模块5中，储热箱501的壳体(储热箱壳体504)材质是铝6061，尺寸112×112×112mm，储热箱501内部加950g水作为储热介质502，储热箱501的外部还有一层耐候性好的塑料储热模块外壳505，储热模块外壳505与储热箱501之间的空隙用聚氨酯泡沫塑料浇注作为保温层503，并且完全密封防止渗水。温差发电模块3的电源输出端与电源管理模块6连接，储能模块7为磷酸铁锂电池并且与电源管理模块6连接，电源管理模块6预留有接线端口与负载连接。本实施例的温差发电装置放在户外，连接10欧姆的负载，晴天时24小时内输出电能达2250焦耳，其中一个方向的电流输出的电能是1778焦耳，另一个方向的电流输出的电能是472焦耳。
本发明的温差发电装置是利用环境温差发电，可以给各种户外设备提供电源，包括温度监控系统、森林防火系统等。只要有温差，温差发电片就可以发电。而白天、晚上永远都存在温差，因此本发明的装置可以持续不间断地提供电能。不仅仅昼夜温差，其他场合的环境只要有温度波动，本装置就可以发电给传感器供电，基本上不受气候的影响。本发电装置解决了传感器的供电问题，是一种较好的替代方案。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (10)
1.一种环境温差发电装置，其特征在于，包括：热交换模块、温差发电模块、导热模块、储热模块、电源管理模块和储能模块；
所述热交换模块置于环境温差发电装置外部环境中，所述温差发电模块包括若干个基于热电材料制作而成的温差发电片，所述温差发电模块的一端与所述热交换模块连接，另一端与导热模块连接，所述储热模块与所述导热模块连接，所述储热模块与外部环境间温度隔绝；
所述温差发电模块的连接热交换模块的一端与连接导热模块的另一端之间存在温差时，输出电能，经过电源管理模块整流、升压、稳压、存储和电能分配后，储存于储能模块中；所述储能模块存储温差发电模块输出的电能，并且给负载供电。
2.根据权利要求1所述的环境温差发电装置，其特征在于，所述储热模块由储热箱、储热介质、保温层组成；所述储热介质密封在储热箱中，所述储热箱用保温层包覆，所述导热模块与储热介质连接。
3.根据权利要求2所述的环境温差发电装置，其特征在于，所述保温层外部还设置有储热模块外壳。
4.根据权利要求2所述的环境温差发电装置，其特征在于，所述储热介质是液体或固体。
5.根据权利要求1所述的环境温差发电装置，其特征在于，所述储热模块包括储热箱壳体和储热模块外壳，所述储热箱壳体与储热模块外壳之间为真空状态，所述导热模块与储热箱壳体连接。
6.根据权利要求1所述的环境温差发电装置，其特征在于，所述导热模块与温差发电模块接触的那一面平整，面积记为S导热，温差发电模块的面积记为S发电片，S导热：S发电片取值范围为1:1～5:1。
7.根据权利要求1所述的环境温差发电装置，其特征在于，所述导热模块与储热模块连接的部分为是多齿翘片结构。
8.根据权利要求1所述的环境温差发电装置，其特征在于，所述导热模块为圆柱凸台，导热模块与温差发电模块连接面的直径为L1，与储热模块连接面的直径为L2，L1：L2取值范围为1:0.3～1:3。
9.根据权利要求1所述的环境温差发电装置，其特征在于，所述热交换模块为多齿翘片结构；翘片高度为10～100mm；热交换模块的底板面积与与之接触的温差发电模块的温差发电片面积的比值取值范围为1:1～20:1。
10.根据权利要求1所述的环境温差发电装置，其特征在于，还包括聚热模块，所述聚热模块安装在热交换模块的上方，包括聚光镜和支架；所述聚光镜安装固定在支架上，将外部环境的太阳光聚焦在热交换模块上的一个区域或一点上；聚光镜的尺寸比热交换模块的尺寸大；支架与所述储热模块固定连接。
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