CN115765526A - 一种基于光谱调节的全天候温差发电装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光谱调节的全天候温差发电装置及其制备方法，涉及使用可再生能源的热电发电技术领域，辐射制冷装置背光倾斜设置于支架顶部；辐射制冷装置包括辐射制冷薄膜、镀银金属层以及由亚克力板和透明聚乙烯薄膜层构成的第一密封空腔；辐射制冷薄膜附着在镀银金属层上表面构成辐射制冷器；太阳能吸收装置向阳倾斜设置于支架顶部；太阳能吸收装置包括炭黑金属层和气凝胶层以及由二氧化硅层和亚克力板构成的第二密封空腔；炭黑金属层下表面与气凝胶层构成温差腔室；在辐射制冷装置与太阳能吸收装置之间设置有温差发电组件来进行热量交换；该发电装置充分利用太阳能与辐射制冷，不耗费其他能源，可以全天运行。
Description
技术领域
本发明涉及使用可再生能源的热电发电技术领域，具体涉及一种基于光谱调节的全天候温差发电装置及其制备方法。
背景技术
随着人类社会发展，环境问题越来越突出，节能减排越来越重要。太阳能作为清洁能源，具有总量丰富，分布广泛，环保绿色等特点，是取代化石燃料，实现节能减排的重要能源，但是太阳能具有时间上的不稳定性，无法夜间利用。
大气中的水蒸气、甲烷、二氧化碳以及尘埃等在中红外辐射波段与电磁波会产生相互作用，包括强烈的吸收、反射和散射，从而一定程度上阻碍了地球表面的热辐射向低温外太空逃逸。然而，在某些特殊波段内，比如8-13μm波段，大气层对电磁波具有很高的透过率，所以这些波段通常被称为“大气窗口”波段。宇宙空间的温度接近绝对零度，代表了大量的可再生热力学资源，同时也表现为最终的散热器。与其他制冷方式相比，辐射制冷不消耗能量，通过辐射的方式将热量直接散失到外太空。
温差发电技术是基于塞贝克效应(Seebeck效应)将热能直接转换为电能的技术，具有无机械转动装置、工作时无噪音、无污染等优点，塞贝克效应是指由于两种不同电导体或半导体的温度差引起两种物质之间的电势差的热电现象。温差发电技术是一种利用高、低温热源之间的温差，使半导体产生直流电压，利用塞贝尔效应将热能直接转换为电能的技术。为此提出一种基于光谱调节的全天候温差发电装置及其制备方法以解决以上问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于光谱调节的温差发电装置及其制备方法，通过对可见光和“大气窗口”进行光谱调节，冷端由辐射制冷技术提供冷量，热端对太阳能进行吸收提供热量进而产生温差，从而使温差发电片产生电动势，解决现有技术中存在的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于光谱调节的全天候温差发电装置，包括：
支架，放置于地面上；
辐射制冷装置，倾斜设置于所述支架上一侧，所述辐射制冷装置包括：
第一密封空腔，底端连接于所述支架，其顶端连接有温差发电组件，所述第一密封空腔顶层设置有透明聚乙烯薄膜层；
镀银金属层，设置于所述第一密封空腔内，且与所述透明聚乙烯薄膜层平行不接触；所述镀银金属层上端与所述温差发电组件相接触；所述镀银金属层的上表面附着有辐射制冷薄膜；
太阳能吸收装置，倾斜设置于所述支架上另一侧；所述太阳能吸收装置包括：
第二密封空腔，底端连接于所述支架，其顶端与所述温差发电组件相连接，所述第二密封空腔顶层设置有二氧化硅层；
炭黑金属层，设置于所述第二密封空腔内，且与所述二氧化硅层平行且互不接触，所述炭黑金属层上端与所述温差发电组件相接触。
进一步地，还包括：
亚克力板，分别与聚乙烯薄膜和二氧化硅构成所述第一密封空腔与第二密封空腔
气凝胶层，设置于所述第二密封空腔的底层上。
进一步地，基于一种基于光谱调节的全天候温差发电装置的制备方法，包括以下步骤：
辐射制冷装置背光倾斜25-35°设置于支架顶部；辐射制冷装置包括辐射制冷薄膜、镀银金属层以及由亚克力板和透明聚乙烯薄膜层构成的第一密封空腔；
辐射制冷薄膜附着在镀银金属层上表面构成辐射制冷器；辐射制冷器上表面与透明聚乙烯薄膜层之间构成空气层，辐射制冷器下表面与亚克力板构成的密封空腔之间同样构成空气层，其中透明聚乙烯层一侧直面天空；
太阳能吸收装置向阳倾斜25-35°设置于支架顶部；太阳能吸收装置包括炭黑金属层和气凝胶层以及由二氧化硅层和亚克力板构成的第二密封空腔；
炭黑金属层下表面与气凝胶层构成温差腔室，炭黑金属层上表面与二氧化硅层之间构成空气层，其中二氧化硅层一侧直面天空，通过温差腔室来吸收太阳能；
在辐射制冷装置与太阳能吸收装置之间设置有温差发电组件，将镀银金属层上端和炭黑金属层上端分别与温差发电组件的两侧相接触来进行热量交换。
进一步地，所述温差发电组件包括负载、两个导热板、铜箔电极、两个绝热层和多组P型热电片和N型热电片；每个所述绝热层的两端分别与每个所述导热板的一端相连接，所述多组P型热电片和N型热电片串并联后通过所述铜箔电极与所述导热板相连接，在其中一端的所述铜箔电极两侧电连接有所述负载。
进一步地，所述辐射制冷薄膜层由200μm厚PDMS膜(辐射制冷薄膜)构成，辐射制冷薄膜上方的透明聚乙烯薄膜厚度为12.5μm，导热率为0.42W/mk，镀银金属涂层厚度为150nm，镀银金属种类以Al为基底。
进一步地，所述气凝胶层厚度为1.5cm。
进一步地，所述第一密封空腔与第二密封空腔采用的亚克力板的厚度均为2mm。
进一步地，所述炭黑金属以铜为基底，其厚度为0.5cm，
进一步地，所述二氧化硅厚度为3mm。
进一步地，所述热电片的尺寸为3.0×0.8cm2，其间距为0.3cm。
本发明提供了一种基于光谱调节的全天候温差发电装置，具备以下有益效果：
(1)本发明的装置热端充分利用太阳能升温，冷端利用辐射制冷降温，形成温差，并利用热电材料的温差发电效应不间断发电，该发电装置充分利用太阳能与辐射制冷，不耗费其他能源，清洁无污染，且可以全天运行。
(2)与现有技术相比本发明通过调节可见光和“大气窗口”波段的辐射，在装置两侧产生温差，是一种新的发电方式。
(3)发明充分利用不同材料的光谱特性，使其充分利用太阳能和太空中的低温产生可观的温差，在不产生任何机械运动和使用其它能源的情况下进行发电。
(4)装置整体较为简单，成本低，绿色无污染。
附图说明
图1是本发明本发明剖视图；
图2是本发明温差发电组件结构图。
图中：1-炭黑金属，2-镀银金属，3-辐射膜，4-亚克力板，5-二氧化硅，6-透明聚乙烯，7-气凝胶，8-温差发电组件，9-负载，10-导热板，11-铜箔电极，12-绝热层，13-支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1-2所示，基于光谱调节的温差发电装置，包括基于辐射冷却的冷端，基于太阳能吸收的热端，蓄电池以及导电导热装置和温差发电组件。
基于辐射制冷的冷端包括辐射制冷薄膜、镀银导热金属以及由绝热材料和透明聚乙烯薄膜构成的隔热密封空腔。
辐射制冷薄膜通过附着在镀银金属上表面构成辐射制冷器；辐射制冷器与密封空腔上下表面不接触且平行；辐射制冷薄膜上表面与透明聚乙烯薄膜之间为空气层；镀银金属下表面与绝热材料构成的密封空腔之间也是空气层，镀银金属上端与导热导电装置相接触，冷端整体背光倾斜25-35°。
基于太阳能吸收的热端包括炭黑金属和气溶胶构成温差腔室以及由二氧化硅和绝热材料构成的密封空腔构成；炭黑金属与密封空腔上表面不接触且平行；炭黑金属上表面与二氧化硅之间为空气层；炭黑金属下表面与气凝胶构成温差腔室，炭黑金属上端与导热导电装置相接触，热端整体向阳倾斜25-35°；冷端与热端整体密封绝热，而不仅仅是底部，亚克力板在热端与二氧化硅层构成一个隔热密闭空间也可以理解成“隔热外壳”，在冷端与聚乙烯构成一个隔热密闭空间，热端铜底部与与气凝胶构成温差腔室，在“隔热外壳”内部又构建了一个隔热更好的密封空间，目的是储存白天吸收的热量；炭黑金属吸收，温差腔室储存，温差腔室在铜板下方无法直接吸收阳光。
温差发电组件由多组P型热电片和N型热电片串并联而成。
导电导热装置在冷端和热端与温差发电组件连接处分别单独存在，由导热硅脂外包裹绝热橡胶构成。
辐射制冷薄膜由200μm厚PDMS膜构成，辐射制冷薄膜上方的透明聚乙烯薄膜厚度为12.5μm，导热率为0.42W/mk，镀银金属涂层厚度为150nm，镀银金属种类以Al为基底。
气凝胶腔室整体厚度为1.5cm，冷热端绝热材料均为2mm厚度亚克力板。炭黑金属以铜为基底，厚度为0.5cm，二氧化硅厚度为3mm。
冷端与热端下方由木制支架与地面相隔。
温差发电组件外部包有绝热层，与冷热端接触的两侧有导热硅脂。
热电片尺寸为3.0×0.8cm2，热电片间距0.3cm；
如图1所示的基于光谱调节通过辐射制冷和太阳能吸收来进行温差发电的装置，包括基于辐射制冷的冷端，基于太阳能吸收的热端，蓄电池以及导电导热装置和温差发电组件。
冷端由镀银金属和PDMS膜构成的辐射冷却器进行制冷，为了减少辐射冷却器与周围环境的热损，辐射冷却器在由亚克力板和透明聚乙烯构成的密封腔内，为了减小辐射制冷器与密封空腔间的导热，辐射制冷器与密封空腔上下表面不接触且平行，密封腔四周及底部由亚克力板构成，顶部由透明聚乙烯膜直接与天空对接，上方需确保无遮挡物。
根据波长的长短，光可分为可见光、近红外、远红外、紫外线等，太阳光的主要能量集中在可见光；根据基尔霍夫定律，发射率等于吸收率，在8～13μm波段的发射吸收率较高，从而可以与外太空进行辐射换热，地表的物体与外太空的温差很大，热辐射的换热量与温度是四次方关系，从而辐射换热量也很大，聚二甲基硅氧烷在8～13μm波段的发射率高达97％从而聚二甲基硅氧烷自身温度就会很低并通过导热方式将热量下传；银具有很高的反射率可达90％以上，可见光穿过聚二甲基硅氧烷后被银层反射走了。
热端由炭黑金属和气凝胶构成的温差腔室吸收太阳能，为了减少温差腔室与周围环境的热损，温差腔室在由亚克力板和二氧化硅构成的密封腔内，为了减少炭黑金属与密封空腔间的导热，炭黑金属与密封空腔上表面不接触且平行；密封腔四周及底部由亚克力板构成，顶部由二氧化硅直接与天空对接，上方需确保无遮挡物。
黑色对所有波段的光都具备较高吸收率和发射率，所以在夜晚黑色也会起到辐射制冷的效果，为了保障热端保温效果，所以采用玻璃减少炭黑金属在红外波段的辐射散热；玻璃对可见光是透明的，但对于红外线恰恰相反；玻璃中原子的振动频率与红外线相近，二者共振中形成了一道混沌的屏障，红红外线因而无法向外逃逸；可见光可以通过玻璃照进热端密封空间内，但红外线却被困在其中，玻璃成了红外线的牢笼，炭黑金属选择铜，铜具有优良导热性能和一定储热能力。
导热硅脂是一种高导热绝缘有机硅材料，具有优异的导热性及散热性；因此，导热硅脂只存在发电组件的导热板与冷热端相连接处，为了促进与铜和铝的导热；(铜和铝)通过导热硅酯与温差发电组件两侧导热板相连接，将温差发电组件与热端和冷端的金属进行连接。
镀银金属和炭黑金属顶端通过辐射制冷组件相连接传输热量。
热电片分为P型热电片和N型热电片。多组热电片进行串并联后通过铜箔电极连接。
当阳光照射到炭黑金属表面，由于炭黑层对阳光吸收率接近于1，可以热量近乎全部吸收，吸收后的热量加热铜板以及温差腔室内的气体，由于铜板比热容较高可以进行蓄热。
由于可见光减弱辐射冷却器性能，冷端整体背光倾斜25-35°，既不影响辐射冷却器与外太空进行辐射换热也避免了太阳光对冷却器性能的干扰；同样为了提高热端吸收太阳能效率，热端向阳倾斜25-35°；倾斜度数随纬度和季节调节。
由于太阳光影响，冷端在夜间可以通过辐射制冷技术达到比白天更低的温度，可以使温差变化更大，提高发电效率；而热端由于使用绝热材料形成温差腔室和铜作为吸热材料所以具备一定蓄热能力；二者结合使得在夜间也可以进行一定发电，对冷量和热量进行充分利用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光谱调节的全天候温差发电装置，其特征在于，包括：
支架(13)，放置于地面上；
辐射制冷装置，倾斜设置于所述支架(13)上一侧，所述辐射制冷装置包括：
第一密封空腔，底端连接于所述支架(13)，其顶端连接有温差发电组件(8)，所述第一密封空腔顶层设置有透明聚乙烯薄膜层(6)；
镀银金属层(2)，设置于所述第一密封空腔内，且与所述透明聚乙烯薄膜层(6)平行不接触；所述镀银金属层(2)上端与所述温差发电组件(8)相接触；所述镀银金属层(2)的上表面附着有辐射制冷薄膜(3)；
太阳能吸收装置，倾斜设置于所述支架(13)上另一侧；所述太阳能吸收装置包括：
第二密封空腔，底端连接于所述支架(13)，其顶端与所述温差发电组件(8)相连接，所述第二密封空腔顶层设置有二氧化硅层(5)；
炭黑金属层(1)，设置于所述第二密封空腔内，且与所述二氧化硅层(5)平行且互不接触，所述炭黑金属层(1)上端与所述温差发电组件(8)相接触。
2.根据权利要求1所述的一种基于光谱调节的全天候温差发电装置，其特征在于，
所述第一密封空腔与第二密封空腔的其他侧壁和底层均设置为亚克力板(4)；
所述第二密封空腔内的底层上设置有气凝胶层(7)。
3.基于所述权利要求1所述的一种基于光谱调节的全天候温差发电装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
辐射制冷装置背光倾斜25-35°设置于支架顶部；辐射制冷装置包括辐射制冷薄膜、镀银金属层以及由亚克力板和透明聚乙烯薄膜层构成的第一密封空腔；
辐射制冷薄膜附着在镀银金属层上表面构成辐射制冷器；辐射制冷器上表面与透明聚乙烯薄膜层之间为空气层，辐射制冷器下表面与亚克力板构成的密封空腔之间同样为空气层，其中透明聚乙烯层的一侧直面天空；
太阳能吸收装置向阳倾斜25-35°设置于支架顶部；太阳能吸收装置包括炭黑金属层和气凝胶层以及由二氧化硅层和亚克力板构成的第二密封空腔；
炭黑金属层下表面与气凝胶层构成温差腔室，炭黑金属层上表面与二氧化硅层之间为空气层，其中二氧化硅层的一侧直面天空，通过炭黑金属来吸收太阳能，并通过温差腔室储存热量；
在辐射制冷装置与太阳能吸收装置之间设置有温差发电组件，将镀银金属层上端和炭黑金属层上端分别与温差发电组件的两侧相接触来进行热量交换。
4.根据权利要求3所述的一种基于光谱调节的全天候温差发电装置的制备方法，其特征在于，
所述温差发电组件(8)包括负载(9)、两个导热板(10)、铜箔电极(11)、两个绝热层(12)和多组P型热电片和N型热电片；每个所述绝热层(12)的两端分别与每个所述导热板(10)的一端相连接，所述多组P型热电片和N型热电片串并联后通过所述铜箔电极(11)与所述导热板(10)相连接，在其中一端的所述铜箔电极(11)两侧电连接有所述负载(9)。
5.根据权利要求3所述的一种基于光谱调节的全天候温差发电装置的制备方法，其特征在于，
所述辐射制冷薄膜层由200μm厚PDMS膜构成，辐射制冷薄膜上方的透明聚乙烯薄膜厚度为12.5μm，导热率为0.42W/mk。
6.根据权利要求3所述的一种基于光谱调节的全天候温差发电装置的制备方法，其特征在于，
所述气凝胶层厚度为1.5cm。
7.根据权利要求3所述的一种基于光谱调节的全天候温差发电装置的制备方法，其特征在于，
所述第一密封空腔与第二密封空腔采用的亚克力板的厚度均为2mm。
8.根据权利要求3所述的一种基于光谱调节的全天候温差发电装置的制备方法，其特征在于，
所述炭黑金属以铜为基底，铜板厚度为0.5cm；所述镀银金属以Al为基底，其涂层厚度为150nm。
9.根据权利要求3所述的一种基于光谱调节的全天候温差发电装置的制备方法，其特征在于，
所述二氧化硅层厚度为3mm。
10.根据权利要求4所述的一种基于光谱调节的全天候温差发电装置的制备方法，其特征在于，
所述热电片的尺寸为3.0×0.8cm2，其间距为0.3cm。
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|---|---|---|---|---|
| CN116191939A (zh) * | 2023-03-28 | 2023-05-30 | 浙江大学 | 一种全天候无源自供电器件及其制备方法和应用 |
Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110138277A (zh) * | 2019-05-16 | 2019-08-16 | 中国矿业大学 | 一种基于辐射制冷和高效吸收太阳能的温差发电装置 |
| CN111628706A (zh) * | 2020-05-11 | 2020-09-04 | 武汉理工大学 | 一种基于温差感应的太阳能追踪装置 |
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2022
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