CN207098971U - 一种半导体温差发电系统 - Google Patents

Abstract

一种半导体温差发电系统，由以下部分组成：菲涅尔聚光装置、热接收金属板、半导体温差电转换模组、导热热管和冷却水槽。菲涅尔聚光装置由多块长方形镀银玻璃拼接成柱面结构构成；在柱面的轴心位置平行于柱面安放热接收金属板、半导体温差电转换模组、导热热管和冷却水槽的集成体，集成体各组件之间的界面涂覆石墨烯以减少界面热阻；半导体温差发电转换模组由多块半导体温差发电器件组成；冷却水槽上设有一冷水进口和一热水出口，一方面提高冷却效率，加大温差发电器件的两端温差进而增加热电转换效率，另一方面可产生热水以供它用。本发电系统受天气气候、风沙等影响较小，无需太阳光跟踪系统，适用于市政、个人家庭和野外作业供电等领域。

Description

一种半导体温差发电系统

本发明是利用菲涅尔聚光装置、热接收金属板、半导体温差电转换模组、导热热管和冷却水槽制备而成的一种半导体温差发电系统。菲涅尔聚光装置由多块长方形镀银玻璃拼接成柱面结构构成；在柱面的轴心位置安放热接收金属板、半导体温差电转换模组、导热热管和冷却水槽的集成体，集成体各组件之间的界面涂覆石墨烯以减少界面热阻；半导体温差电转换模组由多块温差发电器件组成；冷却水槽上设有一冷水进口和一热水出口，一方面提高冷却效率，加大温差电器件的两端温差进而增加热电转换效率，另一方面可产生热水以供它用。本发电系统相比于光伏发电系统受天气气候、风沙等影响较小，同时在没有太阳光跟踪系统的情况下发电效率波动不大，适用于航天航空、个人家庭和野外作业供电等领域。

技术领域

本发明涉及一种系统集成设计方法，尤其是一种半导体温差电发电系统的设计方法，确切的说是一种太阳能聚光系统/温差电能量转换模组/热管/水槽水冷系统等多组件通过热力学模型设计而集成的半导体温差电发电系统的设计方法。

背景技术

温差发电技术是一种绿色环保发电方式，它可以把太阳能、地热能、海洋热能和工业废热等低品位能源转化为电能。半导体温差发电技术的主要优点是能量转换过程中无运动部件、体积小、可移动携带、无污染等，缺点是温差小、能量密度低和转化效率地等。国内在半导体温差发电方面的研究起步较晚，主要集中在理论和热电材料制备方面的研究。陈金灿课题组于上世纪80 年代开始对温差发电器的基础理论进行研究，对温差发电器的性能进行优化分析，得到了很多有意义的成果；贾阳等建立了温差发电器的热电耦合分析模型。同期美国完成了500W‐1000W 的军用温差发电器，日本开发了固体废物焚烧炉的温差发电技术，BSST 和BMW 的科学家和工程技术人员开发的汽车温差发电器已于2013 年投入使用。

太阳能是人类可直接利用的清洁能源之一。在寻找新能源的探索中，太阳能无疑是目前最好的选择。温差发电开辟了利用太阳能的一个新途径。太阳能温差发电技术是先通过集热器将太阳能转换为热能，再利用塞贝克效应(温差电效应)将热能转换为电能。传统的太阳能热发电方式都用发电机或蒸汽轮机作原动机，噪声很大，并普遍造成环境的变迁与污染。此外，这些带运动部件的系统都包含了一定的维护工作量和必须的运行维护费用，只有在发电容量较大的场合才能获得良好的技术指标。无运动部件、无噪声且不需要维护的温差发电技术则能够大大简化太阳能发电系统的结构，并可以根据负荷灵活调整温差发电模块的数量，满足对中、小发电量的要求。2004 年泰国学者研究了一种太阳能温差发电屋顶的结构，他在屋顶设置了热电转换器件，利用铜板吸收太阳能辐射热使热电转换器件的热端温度升高，与环境之间形成温差，进行发电。近年，武汉理工大学张清杰教授同日本科学家新野正之合，提出了将基于高效热电材料的太阳能热电转换技术与基于光伏电池材料的太阳能光电转换技术进行集成复合的太阳能热电、光电复合发电技术的新的科学构想，得到我国NSFC 和日本JST 重大国际合作研究项目的支持，研制出了具有中日双方各50％知识产权的国际上第一台太阳能热电、光电复合发电的实验系统并试验成功，开辟了太阳能全光谱 (200～3000nm)直接高效发电技术的新途径。但是，因受限于温差电器件的低效率、大温差和高能量密度热源实现难度，导致半导体温差发电系统开发应用进展缓慢，本发明旨在上述两方面提出相关创新设计，以实现半导体温差发电系统广泛应用。

实用新型内容

为解决现有半导体温差电器件的低效率和大温差、高能量密度热源实现难等问题，本发明在于提供一种既具备良好热电性能的热电模组，同时又可实现大温差和高能量密度的半导体温差发电系统，以克服现有技术的不足。

实现本发明目的的技术方案是：一种半导体温差发电系统，包括步骤如下：

步骤1 根据需要实现的电功率设计制备菲涅尔聚光系统；

步骤2 热接收金属板设计制备；

步骤3 选择半导体温差发电器件设计热电模组；

步骤4 微热管阵列设计和选择；

步骤5 冷却水槽设计和制备。

作为本发明的进一步改进，所述步骤1 中，所述的菲涅尔聚光系统由多片长方形镀银平板玻璃拼接成微弧柱面结构，镜面垂直入射反射率大于95％，其聚焦比为5‐10，聚光成本低，无需跟踪系统，获得的高温区宽度更大。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2 中，所述的热接收金属板的热导率大于230W.m^-1K^-1，热容量大于90J.Kg^-1K^-1，金属板的受光面为经酸蚀的粗糙表面以利于光吸收，热交换面为粗糙度Ra < 0.4μm的光滑面。

作为本发明的进一步改进，所述步骤3 中，所述的温差发电器件及热电模组为多个温差发电器件安装在同一平面内、电学串联而成，温差发电器件之间由热导率κ＜0.02W.m^-1K^-1的保温材料无缝隙隔开，各温差发电器件器件的热电优值系数大于2.5x10^-3K^-1。

作为本发明的进一步改进，所述步骤4 中，所述的微热管阵列为外形薄板状、内部布置有多根独立运行的微热管的金属体，每个微热管阵列内部有十多个以上独立运行的微热管。

作为本发明的进一步改进，所述步骤5 中，所述的冷却水槽是由热导率大于230W.m^-1K^-1的金属材料制成的长方体结构，内部为栅状叠层结构，冷却水槽上设有一冷水进口和一热水出口。

作为本发明的进一步改进，所述步骤2 到步骤5 中的各组件之间通过均匀涂覆石墨烯形成优良的热接触。

本发明中，菲涅尔聚光镜是由分立的平板玻璃银镜组合而成，结构的设计和选择参数宽泛，可设计性能范围宽，可适合于各种可能的光热应用实例，组件易于生产、成本低廉；热接收金属板、温差电器件、微热管阵列和冷却水槽之间的界面连接为热的良好接触，界面间的热阻小于0.05K/W；发电系统采用模块组装，所有组件安装、维修方便。

本发明所述方法及工艺的有益效果是：

1、组合结构的菲涅尔聚光镜制备工艺简单，性能调节范围宽，聚光区域可选择性便利，聚光效率高，成本低廉。

2、发电系统由多模块组成，组装、移动方便，特别适用于野外作业、地质勘探等临时用电场合。

3、无需太阳光跟踪系统，镜场安置在地面，表面清洁方便。

4、该发电系统基本不受天气影响，发电效率主要决定于发电模组的效率，聚光系统的光热转换效率波动较小。

另外，本发明所述方法还适用于280℃以下的低品位废热的回收发电，仅需把发电系统中的组件二的热吸收金属面直接接收相关废热，无需组件一的菲涅尔聚光系统。该发明还可应用于化工、电厂以及家庭的各种低品位废热回收发电。

附图说明

图1 为发电系统构架图，其中1 为菲涅尔反射镜组件，2 为热接收金属板、半导体温差电转换模组、导热热管和冷却水槽的集成体；

图2 为菲涅尔反射镜聚光原理图；

图3 为聚光镜结构俯视图；

图4 为组件2 结构示意图，图中3 为热接收金属板，4 为半导体发电模组，5 为微热管阵列模块，6 为冷却水槽。

具体实施方式

实施例1

一种半导体温差发电系统，包括下列组件及构架：

1）选择10 块3mx0.2m 的镀银玻璃平板沿宽度方向拼接成曲率为0.33m^-1的微弧柱面菲涅尔反射镜；

2）将1）所述反射镜水平放置在地面支架上，凹口向上；

3）选择尺寸为3mx0.2mx0.1m 的热吸收金属板，金属板热接收面为酸蚀的粗糙面，热传输面为Ra =0.3μm 的光滑面；

4）2x3 排列方式由6 片温差发电器件组成一个发电模组，每个发电模组输出电功率70W，整个发电系统由14 个上述模组组成，共输出电功率980W；

5）选择0.2mx0.2mx0.05m 的微热管模块14 个，微热管模块热导率为2000W.m^-1.K^-1；

6）选择0.2mx3mx0.2m 的长方体冷却水槽；

7）按图1 的构架安装发电系统。

上述发电系统适合于野营和家庭供电、供水。

实施例2

一种半导体温差发电系统，包括下列组件及构架：

1）选择10 块2mx0.2m 的镀银玻璃平板沿宽度方向拼接成曲率为0.35m^-1的微弧柱面菲涅尔反射镜；

2）将1）所述反射镜水平放置在地面支架上，凹口向上；

3）选择尺寸为2mx0.2mx0.1m 的热吸收金属板，金属板热接收面为酸蚀的粗糙面，热传输面为Ra =0.3μm 的光滑面；

4） 2x3 排列方式由6 片温差发电器件组成一个发电模组，每个发电模组输出电功率70W，整个发电系统由10 个上述模组组成，共输出电功率700W；

5）选择0.2mx0.2mx0.05m 的微热管模块10 个，微热管模块热导率为2000W.m^-1.K^-1；

6）选择0.2mx2mx0.2m 的长方体冷却水槽；

7）按图1 的构架安装发电系统。

上述发电系统适合于野营和家庭供电、供热水。

Claims (6)

1.一种半导体温差发电系统，其特征在于，其包括：

菲涅尔聚光装置；

热接收金属板；

半导体温差电转换模组；

导热热管；

冷却水槽；

半导体温差发电系统，其由菲涅尔聚光板反射太阳光并汇聚到其焦带上，由热接收金属板把光能转变为热能，所述的半导体温差发电转换模组一面与热接收金属板形成良好的热接触，另一面与所述的导热热管相连，导热热管与所述的冷却水槽相连，各组件的接触界面均匀涂覆石墨烯。

2.根据权利要求1所述的半导体温差发电系统，其特征在于，所述的菲涅尔聚光装置由多块长方形镀银玻璃拼接成柱面结构构成，银层对太阳光的反射率大于95％，其聚焦比为5-10。

3.根据权利要求1所述的半导体温差发电系统，其特征在于，所述的热接收金属板热导率大于230W.m^-1K^-1，热容量大于90J.Kg^-1.K^-1，金属板的一面为经酸蚀的粗糙表面以利于光吸收，另一面为粗糙度Ra < 0.4μm的光滑面。

4.根据权利要求1所述的半导体温差发电系统，其特征在于，所述的半导体温差电转换模组由多个半导体温差发电器件安装在同一平面内、电学串联而成，各半导体温差发电器件直接由热导率κ＜0.02 W.m^-1K^-1的保温材料无缝隙隔开，半导体温差发电器件的热电优值系数大于2.5x10^-3K^-1。

5.根据权利要求1所述的半导体温差发电系统，其特征在于，所述的导热热管为微热管阵列，外形为薄板状、内部布置有多根独立运行的微热管的金属体，每个微热管阵列内部有十多个以上独立运行的微热管。

6.根据权利要求1所述的半导体温差发电系统，其特征在于，所述的冷却水槽由热导率大于230W.m^-1K^-1的金属材料制成的长方体结构，内部为栅状叠层结构，冷却水槽上设有一冷水进口和一热水出口。