CN201781448U - 一种薄膜温差发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及物理电源技术领域，公开了一种薄膜温差发电装置，包括下支撑片，还包括设置在所述下支撑片上的多个单体薄膜温差电池，所述多个单体薄膜温差电池采用串联和/或并联方式连接在一起，并在所述下支撑片上还设置有连接多个单体薄膜温差电池的公共电极引出端。本实用新型的薄膜温差发电装置，不但能在低温差条件下提供足够高的电压，且作为非消耗性物理电池，其寿命也相当长；且其耗材少，制作成本较低，有效减低了材料热导率，增加热电转换效率，符合工业生产的需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及物理电源技术领域，尤其涉及的是一种中小型薄膜温差发电装置。
背景技术
温差电池就是利用温度差异制成的电池，由于塞贝克效应，使热能直接转化为电能的装置。温差电池的工作原理是，将两种不同的金属或两种不同类型的热电转换材料P型和N型半导体的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温。由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差，从而产生电压输出。
当今全球常规化石能源的大量使用已经造成愈演愈烈的能源危机和气候变暖问题，迫切需要积极推进和提倡使用洁净的可再生能源。温差发电是适用于范围很广的绿色环保型能源，其利用热电材料的热电效应将热能和电能直接相互耦合、相互转换，实现发电，具有无噪声、无有害物质排放、可靠性高、寿命长等一系列优点，其在余热废热发电和移动分散式热源利用等方面有难以取代的作用。但是基于热电材料本身的特性，其制造成本高，转换效率低，限制了温差发电机组的大规模使用。
常规的单级温差电池组件是由若干对温差电偶对串联构成。温差电元件呈矩形截面。现有的结构中铜制导流片连接P、N型元件，用高纯氧化铝陶瓷片在冷面和热面与外界耦合。目前，温差电池的制备主要是将热电材料线切割成片，再焊接，形成温差电池。
制作微型温差电池的方法中，主要有两类，一类方法是：在同一个基片上涂敷感光胶，通过两次光刻的方法在感光胶上先后形成P型和N型微区，之后又先后在P型和N型微区内沉积P型和N型温差电材料。这种制造方法难度大，特别是在连接温差电单体的导电层制造工序中，需要把基片与其上已沉积好的温差电单体整个剥离；另一类方法是：P型温差电单体基片和N型温差电单体基片分开独立制造，使得在微型薄膜温差电池的制造过程中，连接P型和N型温差电单体的导电层的制造在基片与温差电单体不剥离的条件下就可以进行。
利用上述方法制造温差电池的工艺复杂，都有连接P型和N型温差电单体的焊接过程，温差电池的性能也受到了限制。且现有技术中温差电池受制备工艺限制，单体化输出功率无法达到大规模实用要求。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
实用新型内容
鉴于上述现有技术的不足，本实用新型的目的是，提供一种薄膜温差发电装置，它不但能在低温差条件下提供足够高的电压，且作为非消耗性物理电池，其寿命也相当长。
本实用新型的技术方案如下：
一种薄膜温差发电装置，包括下支撑片，其中，还包括设置在所述下支撑片上的多个单体薄膜温差电池，所述多个单体薄膜温差电池采用串联和/或并联方式连接在一起，并在所述下支撑片上还设置有连接多个单体薄膜温差电池的公共电极引出端。
所述的薄膜温差发电装置，其中，在所述下支撑片上设置有多个凹型固定槽，所述多个单体薄膜温差电池固定在所述凹型固定槽上。
所述的薄膜温差发电装置，其中，所述多个凹型固定槽以n*m组互相对齐的方式分别设置在所述下支撑片的垂直方向和水平方向上。
所述的薄膜温差发电装置，其中，在垂直方向的n个凹型固定槽之间设置有放置导电金属的导流槽，所述导电金属的输入端与所述单体薄膜温差电池连接，输出端与所述公共电极引出端连接。
所述的薄膜温差发电装置，其中，所述单体薄膜温差电池包括绝缘基片，所述绝缘基片的右面镀有P型热电材料薄膜层，所述绝缘基片的左面镀有N型热电材料薄膜层，所述绝缘基片侧面中的一面镀有P型和N型材料薄膜成为P型热电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层的连接端，所述P型热电材料薄膜层和所述N型热电材料薄膜层分别引出单体电极。
所述的薄膜温差发电装置，其中，在所述连接端上还设置有一层金属连接层。
本实用新型所提供的薄膜温差发电装置，可以根据输出功率要求来组装各个单体薄膜温差电池，并具有如下有益效果：
1、本实用新型的薄膜温差发电装置，不但能在低温差条件下提供足够高的电压，且作为非消耗性物理电池，其寿命也相当长；且其耗材少，制作成本较低，有效减低了材料热导率，增加热电转换效率，符合工业生产的需求。
2、采用单体薄膜温差电池复合形式，通过简单设计固定连接，可满足不同客户要求的需求，可提高产品的利用率。
3、同时适用于民用或军用，制作方法简单，不受焊接等技术工艺限制。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种单体薄膜温差电池结构示意图；
图2是本实用新型实施例提供的另一种单体薄膜温差电池结构示意图；
图3是本实用新型组装前下支撑片的发电装置模板结构示意图；
图4是本实用新型薄膜温差发电装置去除上支撑片的俯视图；
图5是本实用新型实施例的薄膜温差发电装置立体结构示意图；
图6是本实用新型实施例的薄膜温差发电装置右视图。
具体实施方式
本实用新型提供一种薄膜温差发电装置，为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型所提供的薄膜温差发电装置，如图4所示，包括下支撑片110，还包括设置在所述下支撑片110上的多个单体薄膜温差电池120，所述多个单体薄膜温差电池120可以根据输出功率要求来采用串联和/或并联方式连接在一起，并在所述下支撑片110上还设置有连接多个单体薄膜温差电池120的公共电极引出端140。
进一步地实施例，本实用新型所提供的薄膜温差发电装置，如图5所示，还包括一与所述下支撑片110相互平行的上支撑片150，所述多个单体薄膜温差电池120夹持固定在所述上支撑片110和所述下支撑片150之间，如图6所示。所述上、下支撑片都为绝缘导热片。本实用新型中的单体薄膜温差电池都为单体薄膜温差电池。所述上支撑片150通过绝缘粘合剂层(图中未标出)固定在各单体薄膜温差电池120上。
如图3所示，在所述下支撑片110上设置有多个凹型固定槽111，所述多个凹型固定槽以n*m组互相对齐的方式分别设置在所述下支撑片110的垂直方向和水平方向上，所述凹型固定槽的个数及排列方式可以根据具体的输出功率的要求来灵活设置。如图3中的，垂直方向上的凹型固定槽n＝8，即8个构成一组，共m组，图3中为m＝4组。所述多个单体薄膜温差电池120固定在所述凹型固定槽上111上，如图4所示。
进一步地，如图3所示，在垂直方向的n个凹型固定槽111之间设置有可放置导电金属的导流槽112，所述导电金属的输入端与所述单体薄膜温差电池的单体电极121和122连接，输出端与所述公共电极引出端130连接。当然所述各个单体薄膜温差电池120之间的连接也可以直接采用导线连接。
本实用新型的薄膜温差发电装置在制作时，主要包括以下步骤：
1)单体薄膜温差电池的制造；
2)根据输出功率要求制造发电装置模板；
3)电池的封装。
具体为：所述的单体薄膜温差电池，如图1和图2所示，包括绝缘基片125，所述绝缘基片125的右面镀有P型热电材料薄膜层123，所述绝缘基片125的左面镀有N型热电材料薄膜层124，当绝缘基片侧面为弧度形状时，其侧面一面镀有P型和N型材料薄膜则可成为P型热电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层的连接端，如图2所示；当绝缘基片侧面有较大的折角时，可在一面同时镀有P型和N型材料薄膜的侧面再镀制一层金属连接层126作为连接端，如图1所示。所述P型热电材料层和所述N型材料薄膜层分别引出单体电极121和122。
采用两片相互平行的绝缘导热片或表面镀制绝缘膜的导热片作为支撑片，如图5和图6所示，包括上支撑片150和下支撑片110，在两片支撑片110和150之间制备电池串并联模板，如图3所示，将制备好的单体薄膜温差电池交替排列固定于支撑片上，如图4所示，并(通过焊接或接触式连接等方式)实现每个单体薄膜温差电池的串并联连接，并引出公共电极引出端130，并在本实用新型薄膜温差发电装置的四周涂敷具有良好性能的绝缘材料，即在所述薄膜温差发电装置表面设置绝缘层。则完成了本实用新型发电装置的封装。
以下结合附图及具体的应用实施例对本实用新型做进一步说明。
参照图5，本实用新型的薄膜温差发电装置是由封装在发电装置模板(如图3)内的m组并联温差电池模块组成的，每个温差电池模块是由n个依次紧挨放置的单体薄膜温差电池120串联组成的，如图5所示，两个导热绝缘支撑片：分别为上支撑片150和下支撑片110。其中，下支撑片110可以固定单体薄膜温差电池并在各个单体薄膜温差电池模块间的设置导流槽112。
图5所示的实施例制作中，在下支撑片110上切割好固定槽或采用导热粘结剂将单体薄膜温差电池120固定于下支撑片110上。如图3所示，同时，在支撑片上切割有导流槽112(通过导线焊接方式连接则不需要)，导流槽112内放置有作为导电材料的导电金属。可通过激光焊接方式，将导电金属与单体薄膜温差电池120的单体电极端121和122依次形成连接，实现单体薄膜温差电池通过导流槽连接。
实现单体薄膜温差电池间的连接后，引出公共电极引出端130，将所述上支撑片150通过绝缘粘合剂层固定在各单体薄膜温差电池120上。并在发电装置四周涂敷具有良好性能的绝缘材料形成绝缘层，完成发电装置的封装，最后形成如图5示的发电装置。
应用实施例1：
本实施例中，使用超高真空离子束溅射镀膜机，制备单体薄膜温差电池的P型和N型材料薄膜层。选用塞贝克系数分别为P型和N型的Sb2Te3和Bi2Te3半导体化合物，采用复合靶形式，分别将Sb/Te和Bi/Te复合靶固定在可转动选择溅射靶的靶位上。
选择普通钠钙玻璃作为绝缘基片，使用有机溶剂对基片进行超声波清洗，然后放入镀膜室内夹具上；夹具可对基片进行翻转和遮挡，绝缘基片有一侧面裸露，其它侧面遮挡住，并使基片有一定的倾斜角度。如图1和2所示，先在绝缘基片125的一面和裸露的侧面上镀制Sb2Te3薄膜层形成P型热电材料薄膜层123，厚度为500nm。调整靶材和翻转基片，再在绝缘基片125的另一面和已经镀制了Sb2Te3的侧面镀制Bi2Te3薄膜层形成N型热电材料薄膜层124，厚度为500nm。
如果选择绝缘基片125为具有较大折角的侧面时，如图1示，则需要在同时镀制有Sb2Te3薄膜层和Bi2Te3薄膜层的侧面再镀制备一层金属连接层126。如选择绝缘基片125为曲面，则可省去此工艺，如图2所示。
得到绝缘基片125上一面上镀制Sb2Te3薄膜层和另一面上镀制Bi2Te3薄膜层的结构后，分别从两膜层123和124引出单体电极121和122，就制备完成了如图1或2所示的单体薄膜温差电池。
如图3所示，在绝缘导热的下支撑片110上通过切割方式，在垂直方向和水平方向制备n*m组互相对齐的凹型固定槽111，用于固定单体薄膜温差电池；垂直方向的n个固定槽111间同时制备有一个可放置良好导电金属的导流槽112；水平方向的m组凹型固定槽并联后引出公共电极引出端130。
并将制备好的单体薄膜温差电池120(本实施例为单体薄膜温差电池)放置于凹型固定槽111，每个单体薄膜温差电池120引出单体电极端对准导流槽处，在导流槽处灌注导电胶，加压、加热，待导电胶冷却后完成了单体薄膜温差电池间的依次连接(或放入金属条，通过高能激光溶解与电池引出电极端接触的金属条，形成焊接连接)。
在完成焊接后，将上端支撑片通过绝缘粘合剂固定在各单体薄膜温差电池上，引出发电装置公共电极引出端130，并在发电装置四周涂敷具有良好性能的绝缘材料并在内部通入干燥气体，即实现了本实用新型薄膜温差发电装置的封装。
应用实施例2：
单体薄膜温差电池的P型和N型热电材料薄膜层(123和124)的制备与实施例1相同，所不同的是采用凹型模具方式先独立制造凹型固定槽和导流槽，再利用导热粘合剂将独立制造的凹型固定槽和导流槽直接固定于下支撑片上；凹型固定槽和导流槽制造材料可选用绝缘材料，当选择普通金属材料，则在制作完成后在其表面镀制一层绝缘层。
综上所述，本实用新型实施例的薄膜温差发电装置，可以根据输出功率要求来组装各个单体薄膜温差电池，并具有如下有益效果：
1、本实用新型的薄膜温差发电装置，不但能在低温差条件下提供足够高的电压，且作为非消耗性物理电池，其寿命也相当长；且其耗材少，制作成本较低，有效减低了材料热导率，增加热电转换效率，符合工业生产的需求。
2、采用单体薄膜温差电池复合形式，通过简单设计固定连接，可满足不同客户要求的需求，可提高产品的利用率。
3、同时适用于民用或军用，制作方法简单，不受焊接等技术工艺限制。
应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种薄膜温差发电装置，包括下支撑片，其特征在于，还包括设置在所述下支撑片上的多个单体薄膜温差电池，所述多个单体薄膜温差电池采用串联和/或并联方式连接在一起，并在所述下支撑片上还设置有连接多个单体薄膜温差电池的公共电极引出端。
2.根据权利要求1所述的薄膜温差发电装置，其特征在于，在所述下支撑片上设置有多个凹型固定槽，所述多个单体薄膜温差电池固定在所述凹型固定槽上。
3.根据权利要求2所述的薄膜温差发电装置，其特征在于，所述多个凹型固定槽以n*m组互相对齐的方式分别设置在所述下支撑片的垂直方向和水平方向上。
4.根据权利要求3所述的薄膜温差发电装置，其特征在于，在垂直方向的n个凹型固定槽之间设置有放置导电金属的导流槽，所述导电金属的输入端与所述单体薄膜温差电池连接，输出端与所述公共电极引出端连接。
5.根据权利要求1-4任一所述的薄膜温差发电装置，其特征在于，所述单体薄膜温差电池包括绝缘基片，所述绝缘基片的右面镀有P型热电材料薄膜层，所述绝缘基片的左面镀有N型热电材料薄膜层，所述绝缘基片侧面中的一面镀有P型和N型材料薄膜成为P型热电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层的连接端，所述P型热电材料薄膜层和所述N型热电材料薄膜层分别引出单体电极。
6.根据权利要求5所述的薄膜温差发电装置，其特征在于，在所述连接端上还设置有一层金属连接层。
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