CN203911806U - 一种黄沙集热式半导体温差发电系统 - Google Patents

Abstract

一种黄沙集热式半导体温差发电系统主要有三大部分组成：形成高温的黄沙集热部分、形成低温的液体冷却部分、利用温差进行发电的发电模块部分。形成高温的黄沙集热部分主要有隔热板（2）、精选黄沙（3）、塑料薄膜（4）、支撑架（7）组成；形成低温的液体冷却部分主要有液体冷却池（14）、冷却液（9）、冷却液注入口（1）、冷却液排出口（8）组成；利用温差进行发电的发电模块部分主要有高温端导热固定材料（5）、低温端导热固定材料（10）、导电体（11）、导电体（13）、P型半导体热电材料（15）、N型半导体热电材料（12）、正极接线端子（16）、负极接线端子（6）相互连接组成。本发电系统极大的降低了投资成本，充分利用自然能量，而且相比其他发电方式，具有无污染，寿命长，稳定性好,可靠性高的特点。随着半导体材料的不断发展，它将会成为一款更加普遍和有效的新型能源系统。

Description

一种黄沙集热式半导体温差发电系统

技术领域

本实用新型涉及一种黄沙集热式半导体温差发电系统，属于新能源领域。 

技术背景

随着社会的高度发展，能源短缺和环保问题成为21世纪人们面临的重大问题。人们不断探索和发展新型，绿色能源。温差发电技术是在上世纪中期随着半导体热电转换材料的发现不断发展起来的新型发电方式。此技术是以塞贝克效应为原理的利用固体材料进行能量转化的新技术。具有无污染，可靠性好，稳定性高，寿命长等特点。随着半导体材料的不断发展，今年来温差发电在国内外得到不错的发展。80年代初期，美国完成了军用500~1000w温差发电机的研制，并在80年代末正式列入部队武装。日本TYK公司研制的用于垃圾焚烧热的温差发电装置，也已成熟，很好的解决了城市固体废物的处理问题。2003年6月10日和7月7日，美国发射的“勇气”号和“机遇”号火星探测器上也相继运用了放射性同位素温差发电器。在日本，利用汽车尾气进行发电的小型温差发电机已经量产，功率可达100w，可节省燃油5%。在国内，探月二期工程论证会上，专家论证了采用同位素温差发电器提供电能的可行性。由中南大学能源科学与工程学院设计的铝电解槽侧壁余热利用的温差发电装置也测试成功。可以看出，温差发电在国内发展还不成熟，只在高端领域有所进展，而在工业和民用中利用很少。但是，现有的发电模块，为了保证有效的产电温差，都是借助光学，化学，以及人造热源提供温度。如此一来，整个装置只起到一个能量转化的作用，此设计旨在利用黄沙吸热强这一自然现象，在已有半导体热电材料的基础上充分利用自然资源进行发电，投资成本低，可进行小功率发电，将这一技术推向工业和民用。随着半导体材料的不断发展，此技术可以不断进行改进，使未来进行大规模，大功率，高效率温差发电成为可能。 

实用新型内容

沙子吸热效率很高，但是散热也快，这样天然的自然资源具有很好的利用价值，我们从这一现象出发，依据赛贝克效应，利用固体装置转化此热量，将太阳能产生的热量转化成为人类有用的电能。 

温差发电器是基于塞贝克效应原理的一种热电转化装置，可直接将热能转化为电能且没有机械运动。塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于两种金属中的电子溢出功不同及两种金属中电子浓度不同造成的。基于塞贝克效应的温差发电原理为： P型和N型两种不同的半导体热电材料串联，形成一个热电转换模块，并构成有效回路，由绝缘导热的陶瓷片将半导体热电材料固定。当半导体两端产生稳定温差时，在热激发作用下，空穴和电子在载流子浓度梯度的驱动下从高温端向低温端扩散，回路中形成电势差△V,也就是温差电动势。△V=a_s（T₁-T₂） ，其中a_s为热电转换材料的塞贝克系数。将电路经过交流直流转化，稳压变压模块后接入储电设备或者负载，或者电路中直接接入负载使用。 

在温差发电的原理确定的条件下，产生电能的最主要因素是如何获得这一温差，现有温差发电模块大多数采用废热利用或者同位素化学方法产生温差，本实用新型的创新之处就是，利用沙漠中的黄沙因含有丰富的二氧化硅而具有很强的吸热作用这一现象，利用黄沙超强的集热作用，将这样自然界普遍存在的巨大能量转化成生活中必须的电能。 

一种黄沙集热式半导体温差发电系统主要有三大部分组成：形成高温的黄沙集热部分、形成低温的液体冷却部分、利用温差进行发电的发电模块部分。形成高温的黄沙集热部分主 

要有隔热板（2）、精选黄沙（3）、塑料薄膜（4）、支撑架（7）组成；形成低温的液体冷却部分主要有液体冷却池（14）、冷却液（9）、冷却液注入口（1）、冷却液排出口（8）组成；利用温差进行发电的发电模块部分主要有高温端导热固定材料（5）、低温端导热固定材料（10）、导电体（11）、导电体（13）、P型半导体热电材料（15）、N型半导体热电材料（12）、正极接线端子（16）、负极接线端子（6）相互连接组成。

所述的一种黄沙集热式半导体温差发电系统，其特征是：形成高温的黄沙集热部分又分以下组成： 

1) 取沙漠中二氧化硅含量高的黄沙进行筛选，以黄沙为集热介质;

 2) 隔热板上的开孔要与发电模块部分的高温端导热固定材料（5）的几何形状一致，呈长方形或者正方形，并且发电模块的上端与孔紧密配合安装；

3)在隔热板上铺设一层隔热材料，聚氨酯发泡板（PU/PIR），导热系数0.02~0.035 W/(K·m)；或者气凝胶毡，导热系数0.018W/(K·m)，可将其制成硬性板状材料；使上端集热部分的热量向下转移;

4) 精选黄沙（3）的铺设要保持有发电模块高温端导热固定材料（5）的方向上沙子厚度为15-25mm；

5) 薄膜的铺设要保证有发电模块高温端导热固定材料的方向上，薄膜形成凸龚，无发电模块的方向上成凹槽，并且薄膜要保持完好无损，四周边缘处密封；

所述的一种黄沙集热式半导体温差发电系统，其特征是：其形成低温的液体冷却部分有以下几部分构成：

1) 液体冷却池（14）与外界有隔热的作用，保持低温；

 2) 液体注入口（1）和液体排出口（8）畅通，保证液体的循环速度恒定，使冷却液的温度不超过5℃；冷却液采用自来水或者温度低的工业废水；

所述的一种黄沙集热式半导体温差发电系统，其特征是：利用温差进行发电的发电模块部分有以下组成部分：

1) 将P型半导体温差热电材料，N型半导体温差热电材料，依次用导电性好的导电体交替串联，P型半导体和N型半导体与导电体连接部分采用焊接或者软性导电材料连接，保证充分接触、电路导通，并且接触面积要大；

2) 取导热性能好并且绝缘的陶瓷材料，将连接固定好的半导体材料和导电体采用螺钉固定或者耐高温胶水固定的方式固定陶瓷缘材料上，上下两块导热陶瓷材料将热电材料固定成一个集成模块；每个模块产生测量值相近的电流和电压；每个模块采用相同数量、相同规格的导电体和半导体材料；

3) 绝缘材料水平放置时，导电体片是横向水平固定在绝缘材料上的；而半导体材料是垂直并且N型和P型交替排列的；半导体片状材料的排列距离保持30-50mm；

4) 按照发电模块或单元的布置情况，将A、B、C串联后，再将列与列并列。

附图说明

图1：基于塞贝克效应的半导体温差发电原理图。 

图2：温差发电系统布置示意图。 

图3：温差发电模块或单元布置示意图。 

图4：温差发电系统电能利用宏观示意图。 

图中：1、冷却液注入口；2、隔热板；3、精选黄沙；4、塑料薄膜；5、高温端导热固定材料；6、负极接线端子；7、支撑架；8、冷却液排出口；9、冷却液；10、低温端导热固定材料；11、导电体；12、N型半导体热电材料；13、导电体；14液体冷却池；15、P型半导体热电材料；16、正极接线端子。 

具体实施方案

一，建立一定尺寸的冷却池（14），或者起到冷却作用的冷却液槽或冷却液管，冷却装置分别开冷却液注入口（1）和冷却液排放口（8），保证冷却液的正常循环。 

二，取P型半导体热电材料（15）和N型半导体热电材料（12），通过导电体（11和13）交替串联。导电体和半导体的接触部分采用焊接或者耐高温导电胶结，保证良好的导电性。将半导体和金属片用两块玻璃或者陶瓷制的导热固定材料（5和10）固定成一个模块或者单元。其中：半导体温差发电片为矩形片状，直立放置。导电体通常采用铜片等导电系数较高的材料。各自数量可根据蓄水池的大小和固定材料的尺寸大小确定，一般情况下，连接20-100片半导体热电材料，固定成一个单元。 

三，取隔热板（2），在隔热板上开与导热固定材料（5）形状尺寸一致的孔，并将（二）中设计的发电模块紧密固定到孔洞中，并将固定模块上表面露出，然后将整个隔热板用支撑架（7）支撑后放入蓄水池中。其中：每块隔热板上固定有若干个发电模块或单元，将一行或一列发电模块串联起来形成回路，再将行与行或者列与列串联好的模块并联，使电能大功率输出，输出的电能经过变压、稳压设备的处理后，接入负载或者储电设备。 

四，在隔热板上铺设聚氨酯发泡板（PU/PIR），导热系数0.02~0.035 W/(K·m)；或者气凝胶毡，导热系数0.018W/(K·m)的绝热材料，起到更好的隔绝热交换和热传递的作用。绝热材料的开孔和隔热板的开孔保持一致，然后在绝热材料上均匀铺撒干燥的黄沙，使有发电模块高温端导热固定材料（5）的部分沙子厚度为15-25mm，其他部分可以略薄，形成凹槽。将沙子铺设完毕后在沙子上覆盖塑料薄膜。其中薄膜的作用有两个：其一，下雨可以防止沙子变湿。其二，可以起到升温和保温作用。使发电系统高温端达到更高的温度，高温持续时间更长，有利于形成较大温差，对发电有利。 

五，沙子上铺设薄膜，在一个特定的方向上，有发电模块高温端导热固定材料的直线上，保持铺设薄膜后成龚，无发电模块的相邻方向上成凹槽，并且薄膜要保持完好无损，四周边缘处密封。这样刮风时塑料薄膜不会被毁坏，下雨后不会淋湿黄沙并且雨水可以从铺设的凹槽顺利排出。薄膜可以用普通薄膜，或者吸热较强的黑色薄膜，也可以用处理过的更加吸热的涂层薄膜，让薄膜起到更好的升温和保温作用。 

六，将蓄水池中注入温度低于5℃的自来水或者温度很低的工业废水，不断地保证冷却液体的持续循环来降低发电设备低温端的温度。 

七，当天气晴朗，沙子受光照之后迅速升温，由于覆盖薄膜的作用，沙子温度会到达80℃甚至更高，并且保持每天6-8小时的高温，实验证明在温差达到60℃，就会有3-5v电流产生。 

本实用新型的有益效果： 

有效的利用了沙漠中黄沙具有很强的吸热作用这一自然现象，并利用这一天然能源。有效的将太阳能产生的热量间接的转变为半导体温差发电装置的高温端，使之形成产电温差；为了使高温端的温度更高，高温持续时间更久，并且保证不受雨水的影响，在沙子上覆盖塑料薄膜，这一方法从一定程度上节约了整个发电系统的投入成本；整个发电系统，除了温差发电片需要从一定的厂家订购以外，其他部分全部为生活中常见的物件，容易购买和加工组装。整个发电系统是基于赛贝克效应具体应用的一种方法和模式的创新。

Claims (3)

1.一种黄沙集热式半导体温差发电系统主要有三大部分组成：形成高温的黄沙集热部分、形成低温的液体冷却部分、利用温差进行发电的发电模块部分；

形成高温的黄沙集热部分主要有隔热板（2）、精选黄沙（3）、塑料薄膜（4）、支撑架（7）组成；形成低温的液体冷却部分主要有液体冷却池（14）、冷却液（9）、冷却液注入口（1）、冷却液排出口（8）组成；利用温差进行发电的发电模块部分主要有高温端导热固定材料（5）、低温端导热固定材料（10）、导电体（11）、导电体（13）、P型半导体热电材料（15）、N型半导体热电材料（12）、正极接线端子（16）、负极接线端子（6）相互连接组成。

2.根据权利要求1所述的一种黄沙集热式半导体温差发电系统，其特征是：形成高温的黄沙集热部分又分以下组成：

1) 取沙漠中二氧化硅含量高的黄沙进行筛选,以黄沙为集热介质;

 2) 隔热板上的开孔要与发电模块部分的高温端导热固定材料（5）的几何形状一致，呈长方形或者正方形，并且发电模块的上端与孔紧密配合安装；

3)在隔热板上铺设一层隔热材料，聚氨酯发泡板（PU/PIR），导热系数0.02~0.035 W/(K·m)；或者气凝胶毡，导热系数0.018W/(K·m)，可将其制成硬性板状材料；使上端集热部分的热量向下转移;

4) 精选黄沙（3）的铺设要保持有发电模块高温端导热固定材料（5）的方向上沙子厚度为15-25mm；

5) 薄膜的铺设要保证有发电模块高温端导热固定材料的方向上，薄膜形成凸龚，无发电模块的方向上成凹槽，并且薄膜要保持完好无损，四周边缘处密封。

3.根据权利要求1所述的一种黄沙集热式半导体温差发电系统，其特征是：其形成低温的液体冷却部分有以下几部分构成：

1) 液体冷却池（14）与外界有隔热的作用，保持低温；

     2) 液体注入口（1）和液体排出口（8）畅通，保证液体的循环速度恒定，使冷却液的温度不超过5℃；冷却液采用自来水或者温度低的工业废水；

4, 根据权利要求1所述的一种黄沙集热式半导体温差发电系统，其特征是：利用温差进行发电的发电模块部分有以下组成部分：

1) 将P型半导体温差热电材料，N型半导体温差热电材料，依次用导电性好的导电体交替串联，P型半导体和N型半导体与导电体连接部分采用焊接或者软性导电材料连接，保证充分接触、电路导通，并且接触面积要大；

2) 取导热性能好并且绝缘的陶瓷材料，将连接固定好的半导体材料和导电体采用螺钉固定或者耐高温胶水固定的方式固定陶瓷缘材料上，上下两块导热陶瓷材料将热电材料固定成一个集成模块；每个模块产生测量值相近的电流和电压；每个模块采用相同数量、相同规格的导电体和半导体材料；

3) 绝缘材料水平放置时，导电体片是横向水平固定在绝缘材料上的；而半导体材料是垂直并且N型和P型交替排列的；半导体片状材料的排列距离保持30-50mm；

4) 按照发电模块或单元的布置情况，将A、B、C串联后，再将列与列并列。