CN206481096U - 利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，涉及移动电源技术领域。本实用新型提出的基于温差发电原理、利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，包括：冷源模块、热源模块以及温差发电模块和稳压输出模块。其中，在冷源模块中采用弯曲状的阵列微槽换热器作为该电源的冷源端直接和自然冷源进行接触，结合热源端的均温板，能够迅速在温差发电模块上完成冷热交换，从而高效地产生稳定的持续电能。

Description

利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源

技术领域

本实用新型涉及移动电源技术领域，尤其涉及一种利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源。

背景技术

随着经济社会信息科技的飞速发展，各种电子产品越来越丰富，人们对其依赖程度也越来越高。作为电子产品电源的电池，一旦耗尽电量，就必须更换电池或利用充电器接在家用电源插座上进行充电。对于便携式电子产品，尤其是一些经常使用的随身电子产品，对充电的要求非常高，所以，这就需要移动便携式电源。然而，在一些特殊情况下，例如在野外活动、部队行军生存作战或海上岛屿作业等长时间在户外的活动，即使是移动便携是电源，亦会发生电量不足甚至耗尽的情况，而携带大量备用电池甚至备用移动电源会直接增加随身携带物品的重量，另一方面，野外环境恶劣，电子设备使用频繁，仍然会很轻易的耗尽电量，从而造成通讯中断，极大地影响户外工作。

为了免受使用家用电源插座充电的限制、长期稳定地获得电能，目前主要是将太阳能电池应用在电子产品或其他便携式电源上，以接收太阳光进行充电，但在夜间或阴雨天时则无法使用；还有一种使用半导体发电应用在热电系统上，但其冷端使用风机，在电源不足的情况下，驱动风机不仅需要电，而且风机的增加会占用额外的空间，尤其是出行过程中，给便携式电子装置的使用也带来了不便。

在野外，可再生能源分布广泛，在野外环境下轻松易得，例如作为可再生能源的生物质燃料(例如沼气、木柴、枯草等)以及自然冷源(例如溪水、湖水、土壤、空气等)。若以温差发电原理为基础，以燃烧生物质燃料作为热源，以风能或自然水源等作为自然冷源设计一个野外便携式温差发电装置，既可以不受电源插座充电的限制，又不需要使用外加泵且满足随时随地持续的进行充电的情况。这需要找到一种合适的材料和及其相应的结构作为野外便携式温差发电电源的冷源端，以便于和自然冷源，直接接触，并能高效、稳定的产生电能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

现有的移动电源不能满足既不受电源插座充电的限制，又不需要使用外加泵且能够保证电子产品在野外持续的进行充电的情况。而利用温差发电，即便是可以利用生物质燃料作为热源，但缺乏相应的装置冷源端，以直接接触自然冷源。为了克服这种情况不足，本实用新型提出一种利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，可直接利用自然冷源进行温差发电。

(二)技术方案

为实现上述目的，本实用新型提出了一种野外便携式电源，包括：自上而下依次是热源模块、温差发电模块、稳压输出模块，热源模块用于接收外部热量，温差发电模块用于接收热源模块的热量以形成温差产生电能，稳压输出模块用于接收温差发电模块的电能并将电能输出和存储，其中，还包括冷源模块位于温差发电模块和稳压输出模块之间，冷源模块包括多块阵列微槽换热器，用于与自然冷源直接接触，以进行微细尺度换热以在温差发电模块上配合热源模块产生温差。

阵列微槽换热器是一体式的薄板结构，包括内段和外段两部分，内段位于电源内部与温差发电模块相接触；外段位于电源外部，用于与自然冷源直接接触。阵列微槽换热器是一弧形弯曲结构。

阵列微槽换热器是矩形薄板，长度和宽度分别是50mm至400mm，厚度是1mm至5mm。

阵列微槽换热器内部具有多条相互平行的封闭毛细微槽道。

毛细微槽道的宽度和深度是0.02mm至3mm，相邻毛细微槽道之间的距离是0.02mm至3mm。

封闭毛细微槽道的内部填充有液态工质，用于在毛细微槽道内完成薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的复合相变高强度强化换热。

冷源模块的阵列微槽换热器下方有一可移动平板嵌在电源装置的下方，其抽出之后的延伸长度与阵列微槽换热器外部段的长度一致，用于保护所述的阵列微槽换热器。

热源模块包括：均温板和蓄热装置，均温板用于和热源直接接触并将吸收的热量传递到蓄热装置，蓄热装置用于存储热量。均温板包括钨铜板。蓄热装置包括相变蓄热材料。

温差发电模块包括：发电装置，发电装置包括半导体芯片组，半导体芯片组位于热源模块和冷源模块之间，用于形成温差产生电能。

半导体芯片组由多个半导体芯片相互串联接入电路。

稳压输出模块包括：稳压装置和蓄电装置，稳压装置用于接收温差发电模块的电能并将电能稳定输入到蓄电装置，蓄电装置用于电能的存储及对外输出。

自然冷源具有一定势能，能够与阵列微槽换热器进行强化换热。

(三)有益效果

本实用新型提出的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，采用弯曲状的阵列微槽换热器作为电源冷源端直接和自然冷源进行接触，结合热源端均温板的设计，能够迅速换成冷热交换，高效地产生稳定的持续电能。基于此结构的野外便携式电源，高效节能、环保且稳定，另外结构组成简单、操作方便、可以满足重量轻，体积小等携带方便的优势，具有非常好的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型提出的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源的模块功能示意图；

图2本实用新型提出的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源的具体实施例1的基本结构组成示意图；

图3是本实用新型提出的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源的具体实施例1的阵列微槽换热器的平面剖面示意图。

图4是本实用新型提出的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源的具体实施例1的阵列微槽换热器的侧视结构示意图；

图5是本实用新型提出的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源的具体实施例1的温差发电模块中半导体芯片组的电路连接示意图；

图6是本实用新型提出的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源的具体实施例2的基本结构组成示意图。

其中，

A是热源模块，B是冷源模块，C是温差发电模块，D是稳压输出模块，1是自然冷源，2是阵列微槽换热器，3是蓄电装置，4是发电装置，5是生物质燃料，6是均温板，7是蓄热装置，8是稳压装置，9是电源外壳，10稳压输出外壳，11把手，12可移动平板，13毛细微槽道。

具体实施方式

在野外，可再生能源分布广泛，在野外环境下轻松易得，例如作为可再生能源的生物质燃料(例如沼气、木柴、枯草等)以及自然冷源(例如溪水、湖水、土壤、空气等)。本实用新型以半导体温差发电为基本原理，通过均温板吸收生物质燃料燃烧释放的热量，利用阵列微槽换热器与自然冷源直接接触，由于阵列微槽换热器具有良好的导热性能，其中具备填充了液态工质的毛细微槽道，液态工质在受热时在槽道内发生薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的微细尺度的复合相变高强度强化换热现象，从而使得位于阵列微槽换热器内部段和蓄热装置之间的半导体芯片产生温差，达到高效、持续发电的目的。当自然冷源具有势能，例如野外所提供的冷源为溪水时，溪水具有较高的势能，当其势能转化为动能并与阵列微槽换热器进行换热时，换热系数明显比静止状态下水的换热系数大，从而能够与阵列微槽换热器强化换热，达到显著提高温差发电效率的作用。

本实用新型提供出的阵列微槽换热器是一种无外加功耗、散热比表面积大、散热热流密度高及散热总能力大的微细结构，其内部具有许多封闭的毛细微槽道，将常温下易挥发的液态工质填充进入毛细微槽道，接触到冷源之后，微槽道内的液态工质会进行高强度的微细尺度蒸发和沸腾复合相变换热过程，即微细尺度换热过程。另外，由于相变换热具有等温的特点，使得与冷源直接接触的阵列微槽换热器表面温度较低且均匀，为半导体温差发电装置的低温端提供持续可靠的冷源。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例1，并参照附图，对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1本实用新型提出的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源的模块功能示意图，包括：热源模块A、冷源模块B、温差发电模块C和稳压输出模块D；

热源模块A包括：均温板6、蓄热装置7；均温板6可以直接作为电源外壳9的一部分，其下方是蓄热装置7。可再生能源生物质燃料5(木屑、木柴、枯枝、树叶等)燃烧获得的热量经过均温板6，由蓄热装置7接收到均温板6吸收的热量并储存起来，蓄热装置7内部填充有蓄热材料；

冷源模块B包括：阵列微槽换热器2；阵列微槽换热器2内段上表面和温差发电模块C发电装置4的半导体芯片组直接接触。下表面固定在稳压输出模块D的上表面。自然冷源1(溪水、湖水、土壤、空气等)直接与阵列微槽换热器2的曲形外段进行接触，并促使阵列微槽换热器2进行冷却换热；阵列微槽换热器2根据需要由5个单块微槽换热器平行装配，其外部段的曲形弧度可以调控，也可没有弧度，即弧度为0。

温差发电模块C包括：发电装置4，发电装置4内部包括5个半导体芯片，其通过串联方式连接并排在一起，该种半导体芯片具备受到冷热温差后产生电子-空穴位移的特性，其上方是蓄热装置7，下方是阵列微槽换热器2，当其吸收蓄热装置7的热量，又与接触冷源的阵列微槽换热器2进行冷热交换时，就会在半导体芯片上产生温差，继而产生电流。

稳压输出模块D包括：稳压装置8和蓄电装置3，稳压装置2和蓄电装置8并排水平放置在稳压输出外壳10内部，稳压输出外壳10上方是阵列微槽换热器2，下方是可移动平板12。稳压装置8包括一稳压输出电路，用于连接温差发电模块C中的发电装置4，其将发电装置4产生的电能，稳定输入到蓄电装置3中存储起来，当外界用电时，可由蓄电装置3上的USB对外接口对外持续供电。

为了进一步将本实用新型所提出的野外便携式电源的技术方案予以清晰、明确的说明，根据上述内容，结合附图2、附图3、附图4、附图5、附图6对本实用新型所述的具体实施例1做进一步的说明。

如图2本实用新型提出的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源的具体实施例的基本结构组成示意图。一方面，热源模块A由均温板6、蓄热装置7构成。可再生能源生物质燃料5(沼气、木屑、木柴、枯枝、树叶等)直接在均温板6上燃烧，燃烧获得的热量经过均温板6，传给蓄热装置7储存起来，蓄热装置7和均温板6之间同过螺丝连接；生物质燃料5燃烧温度一般可达到700℃～800℃，预计可产生15～21×10⁶J/kg的燃烧热；均温板6使用耐高温钨铜板，耐温可达900℃以上，蓄热装置7采用相变蓄热材料，主要为高温熔盐或其盐类混合物。相变蓄热材料利用了潜热蓄热方式，蓄热密度可达到200kJ/kg以上，蓄、放热过程近似等温，过程容易控制。

冷源模块B由阵列微槽换热器2构成，自然冷源1(溪水、湖水、土壤、空气等)直接与阵列微槽换热器2进行冷却换热。使用阵列微槽换热器2时，将可移动平板12收起来，并用内六角螺纹固定，将阵列微槽换热器2的外部段直接置于自然冷源1中，为电源装置提供持续的冷源，当阵列微槽换热器2置于冷水中时，水冷换热的自然对流为200～1000W/m².K，其产生的温差相当大，有利于达到快速冷热交换的效果。尤其当水源具有一定势能时，水流流经阵列微槽换热器2时具有较高的动能，水流与阵列微槽换热器2的换热变成强制水冷，换热系数可达1000～15000W/m².K。

其中，如图3本实用新型提出的利用可再生能源的野外便携式电源的具体实施例的阵列微槽换热器的平面剖面示意图，阵列微槽换热器2的外部结构形式为一矩形，长度和宽度分别为50-400mm范围内，厚度为1-5mm范围内。内部有达百条毛细微槽道13，每条毛细微槽道13的宽度和深度均在0.02-3mm范围内，微槽道间距在0.02-3mm范围内。本实用新型所使用的单块阵列微槽换热器2的外部结构尺寸为60×350×3mm，单块阵列微槽换热器2内腔按阵列方式设置有多个毛细微槽。液体工质由于自身的毛细压力梯度在槽道内形成薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的微细尺度的复合相变高强度强化换热。其中，液体工质为乙醚，亦可为其他在常温常压下具有低沸点的液体，充分保证工质与自然冷源1发生相变换热。

如图4本实用新型提出的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源的具体实施例的阵列微槽换热器的侧视结构示意图，阵列微槽换热器2一端通过光滑弧度弯曲，弯曲后的微槽换热器的水平部分和竖直部分的角度大于90°，竖直部分延伸的长度不超过其水平段以下壳体9的垂直距离，不妨碍该便携式电源装置的使用即可。阵列微槽换热器2的此类结构形式一方面弯曲的部分在使用时可提供辅助性支撑作用，另一方面也方便液体工质沿微细槽道的流动、汽化和冷凝。

该野外便携式电源还包括一电源外壳9，用于将热源模块A、冷源模块B、温差发电模块C、稳压输出模块D整合并固定在一起，其中稳压输出模块被固定在稳压输出外壳内，以隔离外界干扰，并且具有绝缘效果。电源外壳9的外侧设置一把手11，使得电源整体易于携带或方便使用。另外，在电源外壳9的下边缘内部增加了可移动平板12，其位于稳压装置8和蓄电装置3的下方，并直接嵌在壳体上，可移动平板12在使用便携式电源时，可以将其收进壳体，并通过内六角螺纹固定；不使用时，将平板打开，延伸的长度刚好与阵列微槽换热器2外部段长度一致，以确保使其通过把手11提起来时，不会使阵列微槽换热器2意外折断或剐蹭，提高了便携性。可移动平板在收、放使用时，通过预留的内六角螺纹固定，使用时内六角螺丝通过内六角扳手与螺纹连接。整个便携式电源装置的外形尺寸是320×250×200mm，其中，高度为200mm，水平表面尺寸为300×250mm。由于本实用新型所使用的单块阵列微槽换热器2的外部结构尺寸为60×350×3mm，根据整个便携式电源装置的水平表面尺寸，所以本实用新型提供的单个微槽换热器的个数为5个，组成阵列微槽换热器2。阵列微槽换热器2的水平段一面通过导热硅脂、导热胶或石墨纸粘贴在温差发电模块C下方，另一面通过螺纹连接固定在预设的外壳隔断上，隔断下方放置蓄电装置3和稳压装置8，稳压装置8通过电路一端和温差发电模块C连接，另一端和蓄电装置3连接。

温差发电模块C如附图5所示包括5个相互串联的半导体芯片。由于现在市面上的半导体芯片连续工作的最高温度为250℃，蓄热装置7根据生物质燃料5和半导体芯片的耐温温度值控制其输出，使半导体芯片运行，并通过稳压装置8获得高效稳定的电源输出。经计算，经过蓄热装置7后的热源温度与经过阵列微槽换热器2后的冷源温度的极限温差约为200℃。每个半导体芯片约提供5V的开路电压，这样，理论上温差发电模块C能提供25V的开路电压。值得注意的是，温差发电模块C可根据实际需要增减半导体芯片的串联个数。

最后，通过稳压装置8获得高效稳定的电源输出根据实际需求，可直接为所需的小型便携式电子装置(包括通讯设备和照明器件等)提供连续可靠的直流电源；或者通过蓄电装置3储存起来，等需要的时候再利用。同时，蓄电装置3配有USB接口，方便各种电子设备的转换使用。

为对本实用新型所提出的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源做更进一步准确、清晰的描述，本实用新型提出了具体实施例2如下：

如图6是本实用新型提出的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源的具体实施例2的阵列微槽换热器的侧视结构示意图，与具体实施例1相比，所述的电源组成部分与具体实施例1一致，包括：热源模块A、冷源模块B、温差发电模块C和稳压输出模块D，主要区别在于将整个装置竖直安置，即：

其中，热源模块A包括：均温板6、蓄热装置7构成；均温板6可以直接作为电源外壳9的一部分，其下方是蓄热装置7。蓄热装置7呈型，其上段是水平放置，下段紧靠电源外壳9的右壁；

温差发电模块C包括：发电装置4，发电装置4内部包括5个半导体芯片，其通过串联方式连接在一起，其结构也呈型，发电装置4的上侧和右侧是蓄热装置7，下侧和左侧是阵列微槽换热器2。

冷源模块B包括：阵列微槽换热器2；阵列微槽换热器2与蓄热装置7结构类似，其内段上表面和右表面与温差发电模块C发电装置4的半导体芯片组直接接触。内段的下表面和左表面固定在稳压输出模块D的稳压输出外壳10上。阵列微槽换热器2的外段笔直伸出电源外壳9，用于直接插入到冷源中。

稳压输出模块D包括：稳压装置8和蓄电装置3，稳压装置2位于蓄电装置8上方并与之竖直放置在稳压输出外壳10内部，稳压输出外壳10位于电源外壳9内部左下方，即阵列微槽换热器2的左下侧。

因此，阵列微槽换热器2竖直安置，其下段位于电源装置外部，可与自然冷源1直接接触。尤其当自然冷源具有一定势能时，例如溪水，当水流流经阵列微槽换热器2时具有较高的动能，水流与阵列微槽换热器2的换热变成强制水冷，换热系数显著提高。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，包括：自上而下依次是热源模块、温差发电模块、稳压输出模块，所述热源模块用于接收外部热量，所述温差发电模块用于接收热源模块的热量以形成温差产生电能，所述的稳压输出模块用于接收温差发电模块的电能并将电能输出和存储，

其特征在于，还包括冷源模块，位于所述的温差发电模块和稳压输出模块之间，所述的冷源模块包括多块阵列微槽换热器，用于与自然冷源直接接触，以进行微细尺度换热以在温差发电模块上配合热源模块产生温差。

2.根据权利要求1所述的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，其特征在于，所述阵列微槽换热器是一体式的薄板结构，包括内段和外段两部分，内段位于所述电源内部，用于与温差发电模块相接触；外段位于所述电源外部，用于与自然冷源直接接触。

3.根据权利要求2所述的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，其特征在于，所述的阵列微槽换热器是一弧形弯曲结构。

4.根据权利要求2所述的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，其特征在于，所述的阵列微槽换热器是矩形薄板，长度和宽度范围均为50mm至400mm，厚度是1mm至5mm。

5.根据权利要求2所述的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，其特征在于，所述的阵列微槽换热器内部具有多条相互平行的封闭毛细微槽道。

6.根据权利要求5所述的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，其特征在于，所述的毛细微槽道的宽度和深度范围均为0.02mm至3mm，相邻毛细微槽道之间的距离是0.02mm至3mm。

7.根据权利要求6所述的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，其特征在于，所述的封闭毛细微槽道的内部填充有液态工质，用于在毛细微槽道内进行薄液膜蒸发和厚液膜核态沸腾的复合相变高强度强化换热。

8.根据权利要求1所述的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，其特征在于，所述热源模块包括：均温板和蓄热装置，所述的均温板用于和热源直接接触并将吸收的热量传递到蓄热装置，所述的蓄热装置用于存储热量。

9.根据权利要求1所述的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，其特征在于，所述温差发电模块包括：发电装置，所述的发电装置包括半导体芯片组，所述的半导体芯片组位于所述热源模块和冷源模块之间，用于形成温差产生电能。

10.根据权利要求9所述的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，其特征在于，所述半导体芯片组由多个半导体芯片相互串联接入电路。

11.根据权利要求1所述的利用可再生能源进行微细尺度换热的野外便携式电源，其特征在于，所述的稳压输出模块包括：稳压装置和蓄电装置，所述稳压装置用于接收温差发电模块的电能并将电能稳定输入到蓄电装置，所述的蓄电装置用于电能的存储及对外输出。