CN220234501U - 一种月球半导体温差发电机组及发电系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及温差发电技术领域，更具体而言，涉及一种月球半导体温差发电机组及发电系统。包括相变材料层、上层热伏发电芯片和下层热伏发电芯片，相变材料层包括相变材料PCM‑1、相变材料PCM‑2和相变材料PCM‑3，相变材料PCM‑1和相变材料PCM‑2分别安装设置在上层热伏发电芯片的上部和下部，下层热伏发电芯片安装设置在相变材料PCM‑2的底部，相变材料PCM‑3安装设置在下层热伏发电芯片的下部。本装置的结构相对简单，充分利用了月球浅层土壤与月球表面的温差，可以大幅度提高发电效率和单位月球表面面积的发电功率，热伏发电系统基本上可以免维护，并且具有设备成本和运行成本低的优势。本实用新型主要应用于月球半导体温差发电方面。

Description

一种月球半导体温差发电机组及发电系统

技术领域

本实用新型涉及温差发电技术领域，更具体而言，涉及一种月球半导体温差发电机组及发电系统。

背景技术

目前，我国的深空探测工程如火如荼，尤其是月球探测项目。对于探测月球来说，如何在月球上连续稳定发电是现阶段的一个关键技术挑战，也是一个国际性难题。

现有技术中提出利用月壤浅层地温与月球表面温度的温差，采用热管和热电直接转换方法，为月球表面的设施进行供电。但是，现有的一些月球发电装置只能在白天或者晚上进行单向发电，发电不连续。另外一些可以连续发电的技术却存在系统复杂、成本很高以及难以安装的问题和挑战。因此，现有月球半导体温差发电技术还有待进一步改进和大幅度完善。

尽管月球表面适合于采用半导体温差发电技术发电，但是，一个月中月球的昼夜时间各长达14.75天。可以看出，在不采用储能电池的情况下，仅仅依靠太阳能发电，在这样漫长的夜晚无法实现连续供电。如果采用储能电池，一方面成本将大幅度攀升，另外一方面，将庞大、笨重的储能电池运送到月球也是一项高难度的挑战。更加重要的一点是：现有太阳能电池板的极限测试温度为80度左右，难以承受127℃的高温以及-183℃的低温。以上种种困难，无疑会影响月球探测工程的高效实施以及大规模推广应用。

公开号为CN108649838A的中国专利中提供了一种月壤源温差发电装置，是利用月球浅层土壤与月球表面的温差，采用单层热管和单层热伏发电芯片，但这种方法仍然存在短时间不能发电的问题；公开号为CN111509117A的中国专利中提供了一种月球表面用热电转换装置，是在利用月球浅层土壤与月球表面的温差的同时，采用双层热管和单层热伏发电芯片，这种方法有可能解决连续发电的问题，但是，采用双层或者双级热管导致发电系统复杂化、成本大幅度增加，并且所用热管为普通热管，传热效率有待提升。

实用新型内容

为克服上述现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种月球半导体温差发电机组及发电系统。该发电装置利用单层多根双头金属热管和双层多块热伏发电芯片进行发电。该装置利用可再生的太阳能，不需要燃烧化石燃料或其他有限资源。还可以结合储能系统来存储多余的能量，以便在低温差期间使用。

为解决上述技术问题，本实用新型采取的技术方案为：

一种月球半导体温差发电机组，包括相变材料层、上层热伏发电芯片和下层热伏发电芯片，所述相变材料层包括相变材料PCM-1、相变材料PCM-2和相变材料PCM-3，所述相变材料PCM-1和相变材料PCM-2分别安装设置在所述上层热伏发电芯片的上部和下部，所述下层热伏发电芯片安装设置在所述相变材料PCM-2的底部，所述相变材料PCM-3安装设置在下层热伏发电芯片的下部。

所述相变材料PCM-3底部设置有双头热管。

所述双头热管采用双头金属热管，所述双头金属热管的顶部置于所述相变材料PCM-3的内部。

所述双头金属热管的底端设置有金属吸热翅片。

所述相变材料PCM-3放置于具有保温功能的容器中，所述双头金属热管垂直于相变材料PCM-3的底面设置。

所述相变材料PCM-2放置于具有保温功能的容器中，容器的侧面安装设置有金属散热翅片。

所述相变材料PCM-1放置于具有保温功能的容器中，容器顶部固定设置有真空层。

一种发电系统，包括控制器、逆变器和月球半导体温差发电机组，所述月球半导体温差发电机组中的上层热伏发电芯片和下层热伏发电芯片均通过输电线路与控制器连接，所述逆变器与控制器电性连接，所述逆变器连接有集输电网，逆变器与集输电网之间的线路上设置有电流表。

所述控制器内设置有整流器，所述整流器连接有直流负载，所述逆变器与集输电网之间的线路上连接有交流负载和储能系统。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：

采用相变材料充当均热板，这样，无需采用专门的均热板，相变材料在储能的同时可以起到均热板的作用，既实现了储能，又达到了均热或者将温度均匀化的目的；真空层的设置，既不影响白天让太阳照射加热相变材料，又可以在夜晚月球表面温度很低时起到一定的保温作用，从而增加温差比较大时的时间，大幅度延长有效发电的时间；金属散热翅片的设置，大幅度提高在夜晚低温时低温传导的速度，从而有效提高发电功率和效率；相变材料PCM的高效储热能、储冷能的功能，提高了热伏发电系统的发电功率和发电效率；双头金属热管的设计，能有效吸收和传递从土壤中吸收的热能；金属吸热翅片扩大金属吸热管的吸热面积，提高从土壤中吸收热能的效率，并且提高热电池在土壤中的稳定性。本装置的结构相对简单，充分利用了月球土壤浅层温度与月球表面的温差，可以大幅度提高发电效率和单位月球表面面积的发电功率，热伏发电系统基本上可以免维护、设备成本和运行成本低。

附图说明

图1为本实用新型温差发电装置结构示意图；

图2为本实用新型温差发电装置内部结构示意图；

图3为本实用新型输电示意图；

图4为本实用新型发电系统示意图；

图中：1为真空层、2A为相变材料PCM-1、2B为相变材料PCM-2、2C为相变材料PCM-3、3A为上层热伏发电芯片、3B为下层热伏发电芯片、4为输电线路、5为金属散热翅片、6为双头金属热管、7为金属吸热翅片、9为控制器、10为逆变器、11为电流表、12为交流负载、13为集输电网、14为地表土壤、15为整流器、16为直流负载、17为储能系统。

实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是，本实用新型还可以采用其他不同于此描述的方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1至图3所示，一种月球半导体温差发电机组，包括相变材料层、上层热伏发电芯片3A和下层热伏发电芯片3B，每一层的多个发电芯片的电性连接可以采用串联，以防止相互充电的发生。上层热伏发电芯片3A和下层热伏发电芯片3B可以采用串并联，采用并联时需要加装二极管类器件防止由于每一层的电压不同可能造成相互充电问题的发生。相变材料层包括相变材料PCM-1 2A、相变材料PCM-2 2B和相变材料PCM-3 2C。相变材料PCM-12A和相变材料PCM-2 2B分别安装设置在上层热伏发电芯片3A的上部和下部，装有相变材料PCM-2 2B的金属容器的面积小于装有相变材料PCM-1 2A的金属容器的面积，这样，可以避免白天太阳光照射到装有相变材料PCM-2 2B的金属容器，从而避免相变材料PCM-2 2B的温度升高。装有相变材料PCM-3 2C的金属容器的面积和装有相变材料PCM-3 2C的金属容器的面积相等。下层热伏发电芯片3B安装设置在相变材料PCM-2 2B的底部，相变材料PCM-3 2C安装设置在下层热伏发电芯片3B的下部。相变材料PCM-1 2A和相变材料PCM-3 2C都是可以高效储存热能的相变材料，相变材料PCM-2 2B是可以高效储存冷能的相变材料，相变材料在储能的同时可以起到均热板的作用，既实现了储能，又达到了均热或者将温度均匀化的目的。利用相变材料PCM-2 2B与相变材料PCM-1 2A、相变材料PCM-3 2C之间的温差，分别通过上层热伏发电芯片3A和下层热伏发电芯片3B进行发电。

优选的，相变材料PCM-3 2C底部设置有双头热管。双头热管在相变材料PCM-3 2C底部排布设置两列。

优选的，双头热管采用双头金属热管6，双头金属热管6的顶部置于相变材料PCM-32C的内部，双头金属热管6的底部插入地表土壤14的浅层中，通过双头金属热管6能有效吸收土壤中的热能，将土壤中的热量传导至相变材料PCM-3 2C中。

优选的，双头金属热管6的底端设置有金属吸热翅片7。金属吸热翅片7扩大金属吸热管6的吸热面积，提高从土壤中吸收热能的效率，并且提高热电池在土壤中的稳定性。

优选的，相变材料PCM-3 2C放置于具有保温功能的容器中，双头金属热管6垂直于相变材料PCM-3 2C的底面设置。

优选的，相变材料PCM-2 2B放置于具有保温功能的容器中，容器的侧面安装设置有金属散热翅片5。金属散热翅片5能够通过现有控制系统实现翅片的开启或关闭，金属吸热翅片关闭时暴露在外的一侧面上涂有隔热、反射材料，金属散热翅片5大幅度提高在夜晚低温时低温传导的速度，使相变材料PCM-2 2B保持低温状态，从而维持较大的温差，有效提高发电功率和效率。

优选的，相变材料PCM-1 2A放置于具有保温功能的容器中，容器顶部固定设置有真空层1。真空层1既可以在白天让太阳照射加热相变材料PCM-1 2A，又可以在夜晚月球表面温度很低时起到一定的保温作用，从而增加温差比较大时的时间，大幅度延长有效发电的时间。

如图4所示，一种发电系统，包括控制器9、逆变器10和月球半导体温差发电机组，月球半导体温差发电机组中的上层热伏发电芯片3A和下层热伏发电芯片3B均通过输电线路4与控制器9连接，逆变器10与控制器9电性连接，逆变器10连接有集输电网13，逆变器10与集输电网13之间的线路上设置有电流表11。可采用多个月球半导体温差发电机组组成月球热电池机组，在月球实现大规模发电目标，并为交流负载12提供稳定可靠的电能。

优选的，控制器9内设置有整流器15，可以将正负极性随温差方向变换的电能变成单一极性的电能，整流器15连接有直流负载16，逆变器10与集输电网13之间的线路上连接有交流负载12和储能系统17。月球发电系统产生的电脑可以就地用电，也可以并网或者链接储能系统17。

白天，月球表面受到太阳辐射，导致土壤温度升高。双头金属热管6的下部与土壤接触，通过金属吸热翅片7均匀地吸收土壤中的热量，并将其传导到双头金属热管6顶部的金属头中。通过双头金属热管6，热量从土壤传递到下层热伏发电芯片3B下方的相变材料PCM-3 2C中。相变材料PCM-3 2C在高温下吸收和储存热能。下层热伏发电芯片3B利用热能差异，将相应的热能转化为电能。同时，相变材料PCM-3 2C用于高效储存热能。夜晚或低温条件下，双头金属热管6的金属下部吸收少量热量，使相变材料PCM-3 2C中的热能得以释放。上层热伏发电芯片3A上方的相变材料PCM-1 2A直接吸收和储存来自太阳辐射的热能，用于供电需求。上层热伏发电芯片3A下方的相变材料PCM-2 2B借助金属散热翅片5用于高效储存冷能，从而在上层热伏发电芯片3A两侧产生温差，实现发电。

上面仅对本实用新型的较佳实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种月球半导体温差发电机组，其特征在于：包括相变材料层、上层热伏发电芯片（3A）和下层热伏发电芯片（3B），所述相变材料层包括相变材料PCM-1（2A）、相变材料PCM-2（2B）和相变材料PCM-3（2C），所述相变材料PCM-1（2A）和相变材料PCM-2（2B）分别安装设置在所述上层热伏发电芯片（3A）的上部和下部，所述下层热伏发电芯片（3B）安装设置在所述相变材料PCM-2（2B）的底部，所述相变材料PCM-3（2C）安装设置在下层热伏发电芯片（3B）的下部。

2.根据权利要求1所述的一种月球半导体温差发电机组，其特征在于：所述相变材料PCM-3（2C）底部设置有双头热管。

3.根据权利要求2所述的一种月球半导体温差发电机组，其特征在于：所述双头热管采用双头金属热管（6），所述双头金属热管（6）的顶部置于所述相变材料PCM-3（2C）的内部。

4.根据权利要求3所述的一种月球半导体温差发电机组，其特征在于：所述双头金属热管（6）的底端设置有金属吸热翅片（7）。

5.根据权利要求3所述的一种月球半导体温差发电机组，其特征在于：所述相变材料PCM-3（2C）放置于具有保温功能的容器中，所述双头金属热管（6）垂直于相变材料PCM-3（2C）的底面设置。

6.根据权利要求1所述的一种月球半导体温差发电机组，其特征在于：所述相变材料PCM-2（2B）放置于具有保温功能的容器中，容器的侧面安装设置有金属散热翅片（5）。

7.根据权利要求1所述的一种月球半导体温差发电机组，其特征在于：所述相变材料PCM-1（2A）放置于具有保温功能的容器中，容器顶部固定设置有真空层（1）。

8.一种发电系统，其特征在于：包括控制器（9）、逆变器（10）和如权利要求1-7任一项所述的月球半导体温差发电机组，所述月球半导体温差发电机组中的上层热伏发电芯片（3A）和下层热伏发电芯片（3B）均通过输电线路（4）与控制器（9）连接，所述逆变器（10）与控制器（9）电性连接，所述逆变器（10）连接有集输电网（13），逆变器（10）与集输电网（13）之间的线路上设置有电流表（11）。

9.根据权利要求8所述的一种发电系统，其特征在于：所述控制器（9）内设置有整流器（15），所述整流器（15）连接有直流负载（16），所述逆变器（10）与集输电网（13）之间的线路上连接有交流负载（12）和储能系统（17）。