CN208539803U - 空间半导体温差发电装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种空间半导体温差发电装置，包括：集热单元、空间辐冷器、热电转换组件、控制模块；所述的集热单元，用于收集太阳能或舱体废热，作为热源；所述的空间辐冷器，用于将热量通过热辐射的方式辐射至宇宙黑冷空间，作为冷源；所述热电转换组件，利用热源和冷源的温差实现热能到电能的转换；所述的控制模块，用于监测冷、热端温度，控制热电转换组件工作模式的切换。本实用新型结构紧凑，制造成本低、低振动、低噪音且维护周期长，既能在理想工况下连续稳定供电，又能应对供热不足的非理想工况，是一种前景广阔的空间发电技术。
Description
技术领域
本实用新型涉及发电领域，具体涉及一种空间半导体温差发电装置。
背景技术
半导体温差发电技术是一种能够将热能转化为电能的绿色环保发电技术。它可以合理利用各类低品位热能，如太阳能、地热能、电子器件废热等，具有清洁、无噪音、无排放、稳定等优点，尤其适合空间应用。
光伏发电系统在空间发电领域应用广泛，但面临光电转换效率低和能量利用形式单一（仅能利用光能）的问题，难以形成高效的发电系统。随着半导体材料技术的不断发展，热电转换性能正在不断提高。此外，空间中同时存在的冷、热源利用成本低，便于建立温差。因此，温差发电技术有望凭借其高转化效率与灵活的能量利用形式在空间发电领域替代目前广泛应用的光伏发电技术。
目前，温差发电技术的空间应用已经得到了实现，以各种放射性同位素为热源的温差发电技术已趋于成熟，但同时放射性同位素热源也导致了空间电力系统的高成本和高风险。
近年来，有人提出了适用于空间发电的昼夜温差发电系统，（如CN102307030）采用蓄冷、蓄热的方法将宇宙空间中不同时间下的温差转换到同一时间进行利用，其结构除集冷、集热装置外，还包含蓄冷、蓄热系统及多个工质循环回路，系统复杂程度较高，维护相对困难。
目前温差发电技术研究中，常以热源侧供热充分为假设，以最大化输出功率为设计目标，却很少考虑到热源侧供热不足的情况。在实际应用中，尤其是外层空间的极端工作环境下，温差发电系统的集热效果波动较大。而传统的温差发电装置在系统供能不足、无法维持冷、热端温差的非理想工况下，热电转换效率明显下降，输出功率大大降低。
实用新型内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的是针对空间这一独特的应用背景，提出一种以温差发电元件为核心的发电系统，既能在理想工况下连续稳定供电，又能应对系统供热不足的非理想工况，有效降低空间发电成本，提高发电系统效率与稳定性。
为实现以上目的，本实用新型提供了一种空间半导体温差发电装置，包括：集热单元、空间辐冷器、热电转换组件、控制模块；
所述的集热单元，用于收集太阳能或舱体废热，作为热源；
所述的空间辐冷器，用于将热量通过热辐射的方式辐射至宇宙黑冷空间，作为冷源；
所述热电转换组件，利用热源和冷源的温差实现热能到电能的转换；
所述的控制模块，用于监测冷、热端温度，控制热电转换组件工作模式的切换。
所述集热单元与热电转换组件热端平面之间、所述的空间辐冷器与热电转换组件冷端平面之间，直接连接，或者引入肋片结构将热源和冷源分别与所述的热电转换单元两侧相连，强化换热，并提供支撑与固定。
所述肋片结构通过插接的形式实现连接，所述肋片结构形式包括等截面、变截面直肋。
所述的集热单元包括聚光型太阳能集热装置、非聚光型的太阳能集热装置、或者余热回收装置。
所述的集热单元采用太阳能集热板，连接日光追踪装置，用于及时调整太阳能集热板朝向。
所述的空间辐冷器包括方锥型，W型、L型或V型辐冷器。
所述的空间辐冷器为方锥型，包括辐冷器冷块，辐冷器一级辐射板，辐冷器二级辐射板、地球屏。
所述热电转换组件包括导热基板、热电转换单元，所述的热电转换单元包括隔热层、温差发电件，隔热层、温差发电件均匀排布在两侧导热基板之间。
所述的控制模块包括感温元件、控制单元，冷、热端得感温元件伸入导热基板中进行测温，并与控制单元相连。
所述的控制单元，依据感温元件所收集温度信号，通过改变阵列中温差发电件的接入数量在不同工作模式间进行切换。
本实用新型的有益效果：热电半导体温差发电技术本身具有无污染、结构紧凑、无噪声、低振动、免维护等优点。本实用新型能够有效利用空间中的冷、热源，既能在理想工况下连续稳定供电，又能应对系统供热不足的非理想工况，其能量转化特性与装置结构特性都符合空间飞行器的应用需求。最后，本实用新型简明可靠，尤其适用于免维护的极端环境。
附图说明
图1为本实用新型空间半导体温差发电装置结构示意图；
图2为本实用新型空间半导体温差发电装置的集热器结构示意图；
图3为本实用新型空间半导体温差发电装置的热电转换组件结构示意图；
图4为本实用新型空间半导体温差发电装置的辐冷器结构示意图；
图5为本实用新型空间半导体温差发电装置的热电转换单元与控制模块结构示意图：
图6为本实用新型空间半导体温差发电装置的控制原理图；
附图标记说明：1-集热单元，2-空间辐冷器，3-热电转换组件，4-控制模块，5-肋片结构，6-电力负载，7-稳流器，8-太阳能吸收板，9-玻璃盖板，10-反光板，11-导热基板，12-热电转换单元，13-辐冷器冷块，14-辐冷器一级辐射板，15-辐冷器二级辐射板，16-地球屏，17-隔热层，18-温差发电件，19-感温元件，20-控制单元。
具体实施方式
本实用新型涉及的空间半导体温差发电装置，在通用温差发电件的基础上安装了集热单元、空间辐冷器外，还设置有感温与控制元件，用于感应不同工况，切换发电装置的工作模式。同现有的空间发电技术相比，该装置能够同时利用空间中的冷、热源，具有结构简单、安全、清洁、高效、维护周期长等优点。下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的阐述。
附图1为本实用新型空间半导体温差发电装置的一种结构示意图，本实施例中集热单元1采用太阳能集热器，以太阳能为热源，系统冷、热端与热电转换组件3之间的连接方式采用肋片结构5进行连接。该实施例包括如图2所示的平板式太阳能集热器1，如图4所示的方锥型空间辐冷器2，如图3所示的热电转换组件3、肋片结构5，并在热电转换组件3的侧面置有控制模块4。
其工作原理为：太阳能集热器1吸收太阳辐射，将太阳能转换为热能，空间辐冷器2向空间辐射热量，冷、热端通过肋片结构5与热电转换单元11高效换热，热电转换单元11在控制模块4的控制下利用冷、热端温差发电，将热能转换为电能。
本实施例中，所述集热单元1选取如图2所示的非聚光型平板式太阳能集热器，包括太阳能吸收板8、玻璃盖板9、反光板10。太阳能吸收板8表面安装有玻璃盖板9加以保护，太阳能吸收板8背面通过外延的肋片结构5与热电转换单元12连接。反光板8从太阳能吸收板7处呈低于45°角向外延伸，用于辅助聚光并减小太阳能吸收板7向宇宙空间的辐射漏热。
实际应用中，如附图1所述空间半导体温差发电装置必须通过传动结构与日光追踪装置连接，以保证空间飞行器在轨道上运行时，平板式太阳能集热器1始终保持与日光入射角垂直，空间辐冷器3始终朝向宇宙黑冷空间。将所述发电系统与日光追踪装置连接，可维持系统冷、热端温度相对稳定，避免温差发电件17在剧烈温度变化下的损坏，延长装置使用寿命。
本实施例中，所述空间辐冷器2选取如图4所述的方锥型空间辐冷器，包括冷块13，一、二级辐射板14、15，地球屏16等部件。其中冷块13采用高导热金属材料，并加工出外延的肋片结构5与热电转换单元12相连。一级辐射板14与冷块13贴合，并与二级辐射板15相连。地球屏16安装在二级辐射板15的近地层，用于屏蔽地球或其他星体向空间辐冷器3的热辐射。除冷块13及辐射板14、15外其他部件选取绝热材料以减小舱体到冷块的漏热。
本实施例中，所述肋片结构5选用如附图3所示的等截面直肋结构，所述肋片结构5除拓展散热面积、辅助散热的功能外，还起到支撑与固定的作用。实际应用中，所选材料除具有良好导热特性外，还应当具有一定的强度，本实用新型所述温差发电装置中集热单元1、空间辐冷器2、热电转换组件3之间通过插接的肋片结构5实现装配，并在肋片配合面间辅以导热油以降低肋片结构接触热阻。
实际应用中，如附图3所示热电转换单元12，包括冷、热端导热基板11，温差发电件18及隔热层17。多个温差发电件18在导热基板11间均匀排列，板间缝隙由绝热材料填充形成隔热层17。在实际应用中，可根据不同的热电半导体材料，实际工作温差及负载侧需求对阵列中温差发电件采取不同的串、并联策略。
如附图5所示，在热电转换组件3的侧面连接有控制模块4。控制模块4包括：感温元件19和控制单元20。感温元件19同控制单元20相连，并伸入导热基板11中，控制单元20固定于于热电转换单元12侧面，与阵列中各温差发电件18通过导线连接。控制模块用于控制热电转换单元12在不同供热条件下的工作模式切换。
其工作原理如附图6所示，当光照充足，系统热源侧供热充分时，冷、热端基板间温差较大，感温元件19将温度信号输入控制单元20，此时，阵列中温差发电件18全部接入负载电路，满负载运行，实现输出功率最大化；当光照较弱，系统供热不足，冷、热端基板间温差难以维持在温差发电件18有效工作范围内时，在控制单元20的控制下，均匀减少接入负载电路的温差发电件数量，此时热电转换单元12热端总吸热量减小，冷、热基板间温差升高，温差发电件阵列总能耗降低而热电转化效率升高。该工作模式避免了系统冷、热端温差过低时，热电转化单元12在过低的热电转化效率下运行，在有限供热条件下实现了热电转化效率的最大化。
实际应用中，所述温差发电供电电路中应安装稳流器5。在空间应用环境中，系统冷、热端温度变化难以避免，为防止供电电路电压频繁波动，保护负载侧元件，供电电路中需接入稳流器5。
本实用新型实施技术方案能够通过简单、紧凑的结构实现了对空间太阳能的利用，除热电半导体温差发电技术自身的无污染、低噪、免维护等优点外，还能够对装置工作环境进行监测，在不同供能条件下切换不同工作模式，既能在理想工况下实现连续稳定供电，又能应对系统供热不足的非理想工况。
Claims (5)
1.一种空间半导体温差发电装置，其特征在于，包括：集热单元（1）、空间辐冷器（2）、热电转换组件（3）、控制模块（4）；
所述的集热单元（1），用于收集太阳能或舱体废热，作为热源；
所述的空间辐冷器（2），用于将热量通过热辐射的方式辐射至宇宙黑冷空间，作为冷源；
所述热电转换组件（3），利用热源和冷源的温差实现热能到电能的转换；
所述的控制模块（4），用于监测冷、热端温度，控制热电转换组件（3）工作模式的切换；
所述集热单元（1）与热电转换组件（3）热端平面之间、所述的空间辐冷器（2）与热电转换组件（3）冷端平面之间，直接连接，或者引入肋片结构（5）将热源和冷源分别与所述的热电转换单元两侧相连，强化换热，并提供支撑与固定；
所述的集热单元（1）包括聚光型太阳能集热装置、非聚光型的太阳能集热装置、或者余热回收装置；
所述的空间辐冷器（2）包括方锥型，W型、L型或V型辐冷器；
所述热电转换组件（3）包括导热基板（11）、热电转换单元（12），所述的热电转换单元（12）包括隔热层（17）、温差发电件（18），隔热层（17）、温差发电件（18）均匀排布在两侧导热基板（11）之间；
所述的控制模块（4）包括感温元件（19）、控制单元（20），冷、热端得感温元件（19）伸入导热基板（11）中进行测温，并与控制单元（20）相连。
2.根据权利要求1所述的空间半导体温差发电装置，其特征在于，所述肋片结构（5）通过插接的形式实现连接，所述肋片结构形式包括等截面、变截面直肋。
3.根据权利要求1所述的空间半导体温差发电装置，其特征在于，所述的集热单元（1）采用太阳能集热板，连接日光追踪装置，用于及时调整太阳能集热板朝向。
4.根据权利要求1所述的空间半导体温差发电装置，其特征在于，所述的空间辐冷器（2）为方锥型，包括辐冷器冷块（13），辐冷器一级辐射板（14），辐冷器二级辐射板（15）、地球屏（16）。
5.根据权利要求1所述的空间半导体温差发电装置，其特征在于，所述的控制单元（20），依据感温元件（19）所收集温度信号，通过改变阵列中温差发电件（18）的接入数量在不同工作模式间进行切换。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN111510067A (zh) * | 2019-12-17 | 2020-08-07 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种热光伏发电系统光谱测量方法 |
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2018
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Cited By (2)
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| CN111510067B (zh) * | 2019-12-17 | 2021-03-12 | 北京空间飞行器总体设计部 | 一种热光伏发电系统光谱测量方法 |
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