CN116877367A - 基于热释电效应的发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及热能利用技术领域，提供一种基于热释电效应的发电系统，包括热声发动机和密封管道，热声发动机和密封管道中均填充有可相变工质，可相变工质能够随温度变化在液态与气态之间转换，热声发动机的两端通过密封管道相连接，以形成环形回路结构，热声发动机内设置有发电单元，热声发动机驱动可相变工质产生自激振荡使可相变工质作为传热工质与发电单元的热释电材料换热，以使发电单元产生电流；本发明采用能够在液态与气态之间转换的可相变工质，能够在较小的冷热端温差下实现起振，进而降低所需驱动热源温度，以扩大其对低品位热源的适用性，整个系统无需机械运动部件，提高了可靠性，有利于延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及热能利用技术领域，尤其涉及一种基于热释电效应的发电系统。
背景技术
热释电效应是晶体的一种自然物理效应，是指当晶体受热或冷却后，由于温度的变化而导致自发式极化强度变化，从而在晶体某一方向产生表面极化电荷的现象。当dT/dt＝0时，即温度不随时间发生变化，则晶体的自发极化强度就不会发生改变，同时也就不会有热释电电流的产生；而当温度升高时，即dT/dt>0，则晶体的自发极化强度会减小，这时如果将外电路用导线连接，那么电路中会有热释电电流产生，当温度逐渐升高并达到平衡时，晶体的自发极化强度也将不再发生变化；反之，当温度降低时，即dT/dt<0，则晶体的自发极化强度会增大，在外电路中也相应地会有热释电电流的产生，直到达到新的平衡。利用热释电材料的热释电效应，通过对其进行间断式加热或冷却，就能产生热释电电流。热释电效应的产生主要是当热释电材料的温度处在其居里温度附近的温区之间。
依据此原理已经研发出新型热释电发电机，但已有的热释电发电机大都靠环境中的温度波动或机械装置的温度波动来驱动，前者温度变化速率慢，后者结构复杂，大多包含有驱动传热流体往复运动机械泵或者阀门开关机构，这在一定程度上会降低系统的可靠性，同时也会降低系统的运行周期寿命，都限制了热释电发电机的应用。
发明内容
本发明提供一种基于热释电效应的发电系统，用以解决现有技术中热释电发电机温度变化速率慢，结构复杂的问题。
本发明提供一种基于热释电效应的发电系统，包括热声发动机和密封管道，所述热声发动机和所述密封管道中均填充有可相变工质，所述可相变工质能够随温度变化在液态与气态之间转换，所述热声发动机的两端通过所述密封管道相连接，以形成环形回路结构，所述热声发动机内设置有发电单元，所述热声发动机驱动所述可相变工质产生自激振荡使所述可相变工质作为传热工质与所述发电单元的热释电材料换热，以使所述发电单元产生电流。
根据本发明提供的基于热释电效应的发电系统，所述热声发动机包括加热器和冷却器，所述发电单元包括热释电材料板叠，所述可相变工质在振荡状态下的气液分界面位于所述热释电材料板叠中，所述冷却器设置在所述热释电材料板叠的第一端，所述加热器设置在所述热释电材料板叠的第二端，所述冷却器与所述加热器通过所述密封管道相连接。
根据本发明提供的基于热释电效应的发电系统，所述热释电材料板叠包括层叠设置的多个热释电板，相邻两个所述热释电板之间的缝隙形成工质通道，所述工质通道的宽度为0.1mm～1mm。
根据本发明提供的基于热释电效应的发电系统，所述外接负载通过导线与所述热释电材料板叠中的热释电材料相连接，形成闭合回路。
根据本发明提供的基于热释电效应的发电系统，所述密封管道包括相连接的气相谐振管和液相谐振管，所述加热器与所述气相谐振管连接，所述冷却器与所述液相谐振管连接；且所述液相谐振管、所述冷却器、所述热释电材料板叠、所述加热器和所述气相谐振管顺次连接形成环形回路结构。
根据本发明提供的基于热释电效应的发电系统，还包括暂存管和气库，所述暂存管与所述液相谐振管连通，所述暂存管中填充有可相变工质；所述暂存管远离所述液相谐振管的一端与所述气库连接。
根据本发明提供的基于热释电效应的发电系统，所述热释电材料层的材质包括单晶材料、高分子有机聚合物及复合材料、聚偏二氟乙烯、金属氧化物陶瓷及薄膜材料。
根据本发明提供的基于热释电效应的发电系统，所述可相变工质为四氟丙烯。
根据本发明提供的基于热释电效应的发电系统，所述液相谐振管为U形管，所述U形管的两端分别与所述冷却器和气相谐振管连接，所述U形管的底端与所述暂存管连接。
根据本发明提供的基于热释电效应的发电系统，所述气相谐振管为U形管，所述U形管的两端分别与所述加热器和液相谐振管连接。
本发明提供的基于热释电效应的发电系统，采用能够在液态与气态之间转换的可相变工质，借助热声发动机驱动可相变工质产生自激振荡，从而使可相变工质作为传热工质与发电单元内的热释电材料进行热交换，利用热释电效应在发电单元中产生电流；通过采用可相变工质，能够在较小的冷热端温差下实现起振，通过气液相变过程增强热能-机械能之间的转换过程，进而降低所需驱动热源温度，以扩大其对低品位热源的适用性，整个系统无需机械运动部件，结构简单，并提高了可靠性，有利于延长使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于热释电效应的发电系统的结构示意图。
附图标记：
1、加热器；2、冷却器；3、热释电材料板叠；4、外接负载；5、暂存管；6、气库；7、气相谐振管；8、液相谐振管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1描述本发明的实施例中提供的一种基于热释电效应的发电系统。
本实施例提供的一种基于热释电效应的发电系统，包括热声发动机和密封管道，所述热声发动机和所述密封管道中均填充有可相变工质，所述可相变工质能够随温度变化在液态与气态之间转换，所述热声发动机的两端通过所述密封管道相连接，以形成环形回路结构，所述热声发动机内设置有发电单元，所述热声发动机驱动所述可相变工质产生自激振荡使所述可相变工质作为传热工质与所述发电单元的热释电材料换热，以使所述发电单元产生电流。
通过上述方案可知，与现有技术相比，本发明将热声发动机的两端通过密封管道相连接，形成环形回路结构，并在密封管道和热声发动机内填充可相变工质，与传统热声转换相比，这种包含相变的热声转换所需的温差要低很多，从而使系统能利用低品位热源驱动，可相变工质能够在较小的冷热端温差下实现起振，同时提高了单位体积工质做功能力，利用热声发动机驱动可相变工质中的气态工质产生自激振荡，使气态工质或者液态工质作为传热工质与热释电材料进行热交换，利用热释电效应在热释电材料中产生电流。
需要说明的是，可相变工质应当具备的性质是：沸点较低、饱和压力较高、粘滞系数较小、普朗特数较低和化学性质稳定等，可选择水、乙醇、丙醇、丙二醇和四氟丙烯，1,1,1,2-四氟乙烷、二氟氯乙烷、1,1,1-三氟乙烷、二氟甲烷、1,1-二氟乙烷、正丁烷、异丁烷、正己烷、正己烷、丙烷、庚烷、辛烷、壬烷、癸烷或丙烯等。
上述的冷却器2可以采用水冷、风冷或辐射致冷等方式实现冷却。
进一步地，热声发动机包括加热器1和冷却器2，发电单元包括热释电材料板叠3，可相变工质在振荡状态下的气液分界面位于热释电材料板叠3中，冷却器2设置在热释电材料板叠3的第一端，加热器1设置在热释电材料板叠3的第二端，冷却器2与加热器1通过密封管道相连接。
如此设置，基于热声效应，当通过加热器1和冷却器2输入和输出热量时，热释电材料板叠3内部内会建立起温度梯度，当该温度梯度超过起振临界值，系统内的气液两相工质就会发生振荡，由于振荡的作用，液相会进入加热器1的区域使液体蒸发为气体，把液体部分向下推挤；气相会进入冷却器2的区域使气体冷凝为液体，使液面上升，液面上升后再次接触到加热器1，进入下一循环过程；通过气液两相工质往复运动并与热释电材料进行热交换，利用热释电效应在热释电材料中产生电流。
如图1所示，密封管道包括相连接的气相谐振管7和液相谐振管8，加热器1与气相谐振管7连接，冷却器2与液相谐振管8连接；且液相谐振管8、冷却器2、热释电材料板叠3、加热器1和气相谐振管7顺次连接形成环形回路结构。在一些具体地实施例中，液相谐振管8为U形管，U形管的两端分别与冷却器2和气相谐振管7连接，U形管的底端与暂存管5连接。气相谐振管7为U形管，U形管的两端分别与加热器1和液相谐振管8连接。
进一步地，还包括暂存管5，暂存管5与液相谐振管8连通，暂存管5中填充有可相变工质；还包括气库6，暂存管5远离液相谐振管8的一端与气库6连接，气库6是用于供较大容积的部件，可以是球体、正方体等形状。如此设置，通过将暂存管5与气库6作为调相单元接到液相谐振管8，构成了封闭式系统，保证热释电材料板叠3处为行波相位。
本实施例中，在工作状态下，热声发动机和密封管道均竖直放置，液相谐振管8位于底部，气相谐振管7位于顶部，冷却器2、热释电材料板叠3和加热器1位于侧部，暂存管5和气库6的主体均竖直设置，暂存管5底部连通液相谐振管8的底端。可相变工质在工作状态下，液态工质填充于液相谐振管8和暂存管5中，且液相谐振管8左侧的可相变工质液面高度应当位于热释电材料板叠3之中。
在一个具体地实施例中，热释电材料板叠3包括层叠设置的多个热释电板，热释电板的板面方向平行于往复运动可相变工质的流动方向，相邻两个热释电板之间的缝隙形成供气体或者流体穿过的工质通道，工质通道的宽度为0.1mm～1mm，每个热释电板均包括热释电材料层。
例如，热释电材料板叠3的材质可以为单晶材料，如硫酸三甘肽，也可以为高分子有机聚合物及复合材料，如聚氟乙烯，聚偏二氟乙烯)等，也可以为金属氧化物陶瓷及薄膜材料，如ZnO、BaTiO3等；热释电材料板叠3具备热功转换和热释电发电的双重功能，使用时，热释电材料板叠3内会建立起超过起振临界值的温度梯度，因此系统内的气液两相工质会发生振荡，由于振荡的作用，液相会进入加热器1的区域使液体蒸发为气体，并会把液体部分向下推挤；当气相向下进入冷却器2的区域，会使气体冷凝为液体，使液面上升，液面上升后再次接触到加热器1，如此循环；与传统热声转换相比，包含相变的热声转换所需的温差要低很多，从而使该系统能利用低品位热源驱动。
当系统发生振荡后，气液分界面在热释电材料板叠3内振荡，液面下降时，热释电材料板叠3与气体(高温)进行热量交换吸收热量温度升高，产生正向电流，反之当液面上升时，热释电材料板叠3与液体(低温)进行热量交换释放热量温度降低产生反向电流；根据热释电效应可知，在温度升高的过程中，热释电材料板叠3的自发极化强度随之减小，热释电材料板叠3中会产生正向电流；在温度降低的过程中，热释电材料板叠3的自发极化强度随之增加，热释电材料板叠3中会产生反向电流；如此往复，即可产生交变电流；从而利用热释电材料的热释电效应，通过对热释电材料板叠3进行间断式加热或冷却，就能产生热释电电流，液相工质大得多的热容将有利于提升热释电材料的温度变化率，促进热释电效应的发生，进而实现更大的电流输出。
本实施例中，还包括外接负载4，外接负载4通过导线与热释电材料板叠3中的热释电材料相连接，形成闭合回路。通过导线将外接负载4与热释电材料板叠3连接，形成闭合回路，即可对产生的电流进行利用，例如，可以使用两根导线分别连接热释电材料板叠3的正极与负极，两根导线的另一端分别与外接负载4的正极与负极相连；其中，外接负载4可以是耗电元器件，如电阻、发光元器件，也可以是储能元器件，如电容、蓄电池。
在一个具体地实施例中，可相变工质采用四氟丙烯(R1234yf)，平均压力为1MPa，沸点约为39℃，冷端温度是20℃，热端温度约为70℃；在使用前，首先需将整个封闭式基于热释电效应的发电系统连接至真空泵，通过抽真空清除系统中的空气，之后向抽真空后的系统内注入可相变工质，由于需要使系统中的可相变工质处于气液两相的初始状态，可采用恒温水箱供给的低温循环水对系统内的气相工质进行冷却，使之冷凝为液体，且保证气液分界面处于热释电材料板叠3之间。
工作时，通过加热器1和冷却器2的作用，使热释电材料板叠3两端之间产生温差，并在热释电材料板叠3内会建立起超过起振临界值的温度梯度，气液两相工质会发生振荡，由于振荡的作用，液相会进入加热器1的区域使液体蒸发为气体，把液体部分向下推挤；气相会进入冷却器2的区域使气体冷凝为液体，使液面上升，液面上升后再次接触到加热器1，进入下一循环过程；与传统热声转换相比，这种包含相变的热声转换所需的温差要低很多，从而使系统能利用低品位热源驱动。当系统发生振荡后，气液分界面在热释电材料板叠3内振荡，液面下降时，热释电材料板叠3与气体(高温)进行热量交换吸收热量温度升高，热释电材料的自发极化强度随之减小，外接电路中会有热释电电流的产生；反之当液面上升时，热释电材料板叠3与液体(低温)进行热量交换释放热量温度降低，热释电材料的自发化强度随之增加，外接电路中会有反向的热释电电流的产生。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本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本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于热释电效应的发电系统，其特征在于，包括热声发动机和密封管道，所述热声发动机和所述密封管道中均填充有可相变工质，所述可相变工质能够随温度变化在液态与气态之间转换，所述热声发动机的两端通过所述密封管道相连接，以形成环形回路结构，所述热声发动机内设置有发电单元，所述热声发动机驱动所述可相变工质产生自激振荡使所述可相变工质作为传热工质与所述发电单元的热释电材料换热，以使所述发电单元产生电流。
2.根据权利要求1所述的基于热释电效应的发电系统，其特征在于，所述热声发动机包括加热器(1)和冷却器(2)，所述发电单元包括热释电材料板叠(3)，所述可相变工质在振荡状态下的气液分界面位于所述热释电材料板叠(3)中，所述冷却器(2)设置在所述热释电材料板叠(3)的第一端，所述加热器(1)设置在所述热释电材料板叠(3)的第二端，所述冷却器(2)与所述加热器(1)通过所述密封管道相连接。
3.根据权利要求2所述的基于热释电效应的发电系统，其特征在于，所述热释电材料板叠(3)包括层叠设置的多个热释电板，相邻两个所述热释电板之间的缝隙形成工质通道，所述工质通道的宽度为0.1mm～1mm。
4.根据权利要求2所述的基于热释电效应的发电系统，其特征在于，还包括外接负载(4)，所述外接负载(4)通过导线与所述热释电材料板叠(3)中的热释电材料相连接，形成闭合回路。
5.根据权利要求2所述的基于热释电效应的发电系统，其特征在于，所述密封管道包括相连接的气相谐振管(7)和液相谐振管(8)，所述加热器(1)与所述气相谐振管(7)连接，所述冷却器(2)与所述液相谐振管(8)连接；且所述液相谐振管(8)、所述冷却器(2)、所述热释电材料板叠(3)、所述加热器(1)和所述气相谐振管(7)顺次连接形成环形回路结构。
6.根据权利要求5所述的基于热释电效应的发电系统，其特征在于，还包括暂存管(5)和气库(6)，所述暂存管(5)与所述液相谐振管(8)连通，所述暂存管(5)中填充有可相变工质；所述暂存管(5)远离所述液相谐振管(8)的一端与所述气库(6)连接。
7.根据权利要求1所述的基于热释电效应的发电系统，其特征在于，所述热释电材料层的材质包括单晶材料、高分子有机聚合物及复合材料、聚偏二氟乙烯、金属氧化物陶瓷及薄膜材料。
8.根据权利要求1所述的基于热释电效应的发电系统，其特征在于，所述可相变工质为四氟丙烯。
9.根据权利要求6所述的基于热释电效应的发电系统，其特征在于，所述液相谐振管(8)为U形管，所述U形管的两端分别与所述冷却器(2)和气相谐振管(7)连接，所述U形管的底端与所述暂存管(5)连接。
10.根据权利要求5所述的基于热释电效应的发电系统，其特征在于，所述气相谐振管(7)为U形管，所述U形管的两端分别与所述加热器(1)和液相谐振管(8)连接。
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| CN202311073786.5A CN116877367A (zh) | 2023-08-24 | 2023-08-24 | 基于热释电效应的发电系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311073786.5A CN116877367A (zh) | 2023-08-24 | 2023-08-24 | 基于热释电效应的发电系统 |
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