熱電轉換型太陽能熱發電系統的製作方法

2023-12-10 08:15:32 2

專利名稱：熱電轉換型太陽能熱發電系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及到太能利用技術領域，尤其是一種新型熱電轉換型太陽能熱發電 系統，屬於太陽能利用領域。
背景技術：
近年來，隨著能源，環境和經濟可持續發展的「tri-lemma」問題的日益凸顯，對可 再生能源的重要利用方式-太陽能的利用受到越來越多的關注。太陽能的熱利用是太陽能 利用中一種最直接，最原始和最重要的方式，特別是在當前光伏發電成本高的形式下，發展 太陽能熱發電技術具有重要的意義。相對於太陽電池來說，太陽能熱發電相具有成本低，全 光譜利用，高溫，輻射，惡劣環境下性能穩定發電的特點。從而被認為是實現大功率發電、替 代常規能源的最經濟發電手段之一。太陽能熱發電是利用聚光集熱器將太陽輻射能轉換成熱能並通過熱力循環持續 發電的技術。大規模的太陽能熱發電站在發達國家已經進入商業化運行階段，我國在此領 域的起步較晚，十一五期間有較大資金投入用於開發一些關鍵技術。目前太陽能熱發電系 統有塔式系統、碟式系統和槽式系統三類。這些發電方式首先將太陽光聚光，再完成光熱 轉換，之後一般需要循環工質的傳熱，產生蒸汽推動蒸汽輪機的發電。常見的熱循環工質有熔融鹽，油，水(汽)等。工作介質的循環，儲存和熱交換到 發電的過程很長，需要龐大複雜的管路和機械系統，維護費用很高。

實用新型內容本實用新型的目的在於解決上述傳統熱發電系統的傳熱和發電系統部分運行成 本高、需要專人維護、熱利用率低等問題，用半導體熱電單元取代傳統熱發電系統中的熱力 循環部分，提供一種集傳熱、存儲、熱交換和發電為一體的元件、無須龐大的機械系統及機 械式的維護、無運動件的熱電轉換型太陽能發電系統。該系統具有能源回收周期短、發電成 本低，小型高效，節能減排效果好的特點為實現以上目的，本實用新型採取了以下的技術方案一種熱電轉換型太陽能熱 發電系統，包括有太陽光聚光接收模塊，在該太陽光聚光接收模塊的下底面上設有太陽跟 蹤模塊，其特徵在於還包括有用於吸收太陽光並將太陽光轉換為熱能的光熱轉換模塊，在 該光熱轉換模塊下設有半導體熱溫差發電模塊，還包括與所述半導體熱溫差發電模塊連接 的複合式冷卻模塊。熱電材料是一種利用固體內部載流子運動實現熱能和電能直接相互轉換的半導 體材料。它可以將任何形式的熱能轉換成電能，無需複雜的機械系統和運動元件。與目前 熱電廠或核電廠中進行的熱與電之間轉換的相比，具有設備結構緊湊、性能可靠、運行時無 噪聲、無磨損、無洩漏、移動靈活，能源回收周期短，發電功率密度大等優點。在所述光熱轉換模塊上方還設置有廢熱源供應模塊，該廢熱源供應模塊包括密封 保溫絕緣容器、熱電偶以及用於控制該熱電偶的傳感器控制開關，所述熱電偶設置在密封保溫絕緣容器的側面上，在熱電偶的旁側設有廢熱源入口，與廢熱源入口相對的密封保溫 絕緣容器另一側上設有廢熱源出口。密封保溫絕緣容器的上部設有透射太陽光的透光玻 璃，下部為半導體熱電單元的上端。該廢熱源供應模塊同時還具有相應的熱源通路；太陽能以外的熱源的提供可以增 大溫差，提高半導體熱溫差發電模塊的發電效率和保證整個發電系統穩定提供電力輸出， 該熱源介質是高溫廢氣或50 100度工業廢水。所述光熱轉換模塊為塗敷在所述半導體熱溫差發電模塊表面的太陽光選擇吸收 塗層。太陽光選擇吸收塗層可以將太陽光高效充分地轉換成熱能，其材料可以是低溫也可 以是中高溫材料，由本徵吸收型，半導體吸收-反射金屬串列型，表面微不平型，電解質-金 屬幹涉疊層型，電解質-金屬複合型等類別塗層中的至少一種材料提供，但不限於所列材 料類別。所述太陽光選擇吸收塗層材料為Ni-Al2O3或Cr-Cr2O3或TiNOx塗層體系。所述半導體熱溫差發電模塊包括半導體熱電單元、充放電控制器、蓄電池組和負 載，半導體熱電單元的上端與保溫絕熱容器連接，半導體熱電單元的下端連接有冷端絕緣 導熱板，並在其周圍填充有保溫絕緣層；半導體熱電單元由N型半導體和P型半導體串聯構 成，在所述N型半導體與P型半導體的上下端均與金屬導體電極連接；半導體熱電單元依次 連接充放電控制器、蓄電池組形成一串聯迴路，負載與半導體熱電單元並聯。由P型和N型 半導體串聯構成的迴路中若兩個接頭處存在溫度梯度，高溫端空穴和電子濃度較低溫端 高，在載流子濃度梯度的驅動下，空穴和電子向低溫端擴散，從而在高、低溫端形成電勢差， 當迴路接通時會有電流輸出。將多對這種半導體單元連接起來組成模塊就可以獲得不同數 值的功率和電壓。一對PN結的工作電壓為V= α (T1-T2),其中α為賽貝爾係數，它由材
料屬性決定，Ι\、Τ2為熱、冷端溫度；工作電流為r2)，R、r為負載電阻和溫差發電
R + r
單元內阻。可以對半導體熱電單元進行不同的連接組成模塊，從而得到所需要的電壓。溫 度差越大，輸出電流越大。所述半導體熱電單元的功率輸出密度為0.3W/cm2以上，其材料可以由以下材料 提供碲金屬合金類=Bi2Te3, PbTe, AgSbTe2/GeTe, Bi2Te3/Sb2Te3，金屬氧化物類=NaCoO4, CaCoO3, SrTi03/SrTi03:Nb，含矽類化合物SiGe，FeSi2, Ba8Si46, Mg2Si, MnSi1.73，銻金屬合金 類:ZnSb, Zn4Sb3, CoSb30所述太陽光聚光接收模塊包括聚光透鏡和與該聚光透鏡連接的支撐框架。聚光倍 數從10 500倍。所述聚光透鏡為平板菲涅爾透鏡或球面透鏡，所述複合式冷卻模塊包括循環冷卻 介質和設置在半導體熱電單元下表面的熱沉，當循環介質為冷媒時，在所述熱沉內貫穿有 多個循環冷卻介質管路，該循環冷卻介質管路一端通過循環冷卻介質出口連接到冷卻介質 儲箱，另一端連接到循環冷卻介質進口 ；當循環介質為冷卻風時，在所述熱沉內設有多個進 風口，所述進風口一端連接到循環冷卻介質進口，另一端的出風口通過循環冷卻介質出口 連接到冷卻介質儲箱。冷卻介質可以是水，風或其它循環製冷劑中的一種；當採用水冷方式 時可以提供日常生活所需的熱水。所述太陽跟蹤模塊包括跟蹤控制裝置和跟蹤支架，所述跟蹤控制裝置設置在太陽
4光聚光接收模塊下方，由跟蹤支架支撐連接。太陽跟蹤模塊可以是一維或三維跟蹤方式中 的任意一種，保證太陽光的垂直入射和單位面積上獲得最大熱流密度。本實用新型的作用和創新點在於本實用新型提供一種可再生能源與常規能源復 合的發電系統。小規模和大規模電力都可以提供。可以應用於家庭，住宅小區，工廠和日常 生產生活中需要電能的地方。創新點(1)光熱轉換模塊與半導體熱電單元模塊的有效結 合；(2)太陽能與廢熱能的有效結合。與現有太陽能發電技術相比，具有如下優點(1)用半導體熱電單元取代傳統太陽能熱發電系統中的熱力循環、儲能和發電系 統，無需配套系統，實現系統的高效和小型化、低投資、低維護成本。(2)可再生能源與常規能源複合的發電系統與太陽電池對比具有小面積大功率、 穩定輸出電力的潛能。

圖1為本實用新型系統示意圖；圖2為菲涅爾透鏡聚焦以及光熱轉換系統結構圖；圖3為球面透鏡聚焦以及光熱轉換系統結構圖；圖4為水冷卻複合式散熱系統結構圖；圖5為風冷卻複合式散熱系統結構圖。附圖標記說明1-聚光透鏡，2-支撐框架，3-跟蹤控制裝置，4-充放電控制器， 5-蓄電池組，6-負載，7-冷卻介質儲箱，8-循環冷卻介質進口，9-循環冷卻介質出口， 10"跟蹤支架，11-半導體熱電單元，12-絕緣保溫層，13-熱電偶，14-傳感器控制開關， 15-廢熱源入口，16-廢熱源出口，17-透光玻璃，18-N型半導體，19-P型半導體，20-太陽光 選擇吸收塗層，21-金屬導體電極，22-冷端絕緣導熱層，23-密封保溫絕緣容器，24-球面透 鏡，25-熱沉，26-循環冷卻介質管路，27-進風口，28-出風口。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型的內容做進一步詳細說明。[0028]實施例一請參閱圖1所示，一種熱電轉換型太陽能熱發電系統，包括有太陽光聚光接收模 塊，在該太陽光聚光接收模塊的下底面上設有太陽跟蹤模塊，還包括有用於吸收太陽光並 將太陽光轉換為熱能的光熱轉換模塊，在該光熱轉換模塊下設有半導體熱溫差發電模塊， 還包括與所述半導體熱溫差發電模塊連接的複合式冷卻模塊。其各個模塊的結構具體闡述如下太陽光聚光接收模塊包括聚光透鏡1和與該聚光透鏡1連接的支撐框架2。太陽跟蹤模塊包括跟蹤控制裝置3和跟蹤支架10，跟蹤控制裝置3設置在太陽光 聚光接收模塊下方，由跟蹤支架10製成連接。光熱轉換模塊為塗敷在半導體熱溫差發電模塊表面的太陽光選擇吸收塗層20。該 太陽光選擇吸收塗層20材料可為Ni-Al203、Cr-Cr203、TiNOx塗層體系中的一種。在光熱轉換模塊(即太陽光選擇吸收塗層20)上還設置有廢熱源供應模塊，該廢熱源供應模塊包括密封保溫絕緣容器23、熱電偶13以及用於控制該熱電偶19的傳感器控 制開關14，密封保溫絕緣容器23的外層設有絕緣保溫層12，熱電偶13設置在密封保溫絕 緣容器23的側面上，在熱電偶13的旁側設有廢熱源入口 15，與廢熱源入口 15相對的密封 保溫絕緣容器23另一側上設有廢熱源出口 16 ；密封保溫絕緣容器23的上部為透光玻璃 17，下部為半導體熱電單元11的上端。請參閱圖2或圖3所示，半導體熱溫差發電模塊包括半導體熱電單元11、充放電 控制器4、蓄電池組5和負載6，半導體熱電單元11的上端與保溫絕熱容器23連接，半導 體熱電單元11的下端連接有冷端絕緣導熱板22，並在其周圍填充有保溫絕緣層12 ；半導 體熱電單元11由N型半導體18和P型半導體19串聯構成，在N型半導體18與P型半導 體19的上下端均與金屬導體電極21連接；半導體熱電單元11依次連接充放電控制器4、 蓄電池組5形成一串聯迴路，負載6與半導體熱電單元11並聯。高輸出功率密度(0. 3W/ cm2以上)的半導體熱電單元的材料可以由以下材料提供碲金屬合金類Bi2Te3，PbTe, AgSbTe2/GeTe, BiJe3ZSb2Tii3,金屬氧化物類NaCo04，CaCoO3, SrTi03/SrTi03:Nb，含矽類化 合物=SiGe, FeSi2, Ba8Si46, Mg2Si, MnSi^3,銻金屬合金類=ZnSb, Zn4Sb3, CoSb3，但不限於所 列材料類別。複合式冷卻模塊包括循環冷卻介質和設置在半導體熱電單元11下表面的熱沉 25，請結合參閱圖4所示，當循環介質為冷媒時，在熱沉25內貫穿有多個循環冷卻介質管路 26，該循環冷卻介質管路沈一端通過循環冷卻介質出口 9連接到冷卻介質儲箱7，另一端連 接到循環冷卻介質進口 8 ；請結合參閱圖5所示，當循環介質為冷卻風時，在熱沉25內設有 多個進風口 27，進風口 27 —端連接到循環冷卻介質進口 8，另一端的出風口 28通過循環冷 卻介質出口 9連接到冷卻介質儲箱7。請再參閱圖2所示，上述聚光透鏡1為安裝在支撐框架2上的平板菲涅爾透鏡，整 個系統由太陽跟蹤模塊包括跟蹤控制裝置3進行三維跟蹤太陽，經過聚光倍數為10倍的平 板菲涅爾透鏡的太陽光匯聚到Ni-Al2O3太陽光選擇吸收塗層20上，Ni-Al2O3光熱轉換塗層 轉換的熱量傳到半導體熱電單元11上，半導體熱電單元11的材料為碲金屬合金類(碲化 鉍=Bi2Te3)。廢熱源供應熱量和太陽能轉化的熱量加在半導體熱電單元11的上方，在半導 體熱電單元11的另一端進行循環水冷卻，兩端產生溫差，從而得到電流，然後與充放電控 制器4、蓄電池組5和負載6組成系統迴路。循環冷卻介質管路是交叉排布的，從而更有利 於半導體熱電單元冷端的散熱，而且還能夠為用戶提供生活所需的熱水。廢熱源的供應是 從火力發電廠引一路抽汽作為輔助熱源。實施例二 請參閱圖3所示，聚光透鏡1採用安裝在支撐框架2上聚光倍數為500倍的球面 透鏡對，整個系統由太陽跟蹤模塊包括跟蹤控制裝置3進行三維跟蹤太陽；經過聚光倍數 為500倍的球面透鏡M的太陽光匯聚到TiNOx太陽光選擇吸收塗層20上，TiNOx光熱轉換 塗層轉換的熱量傳到半導體熱電單元11上，熱電單元的材料為金屬氧化物類(NaCoO4)。廢 熱源供應熱量和太陽能轉化的熱量加在半導體熱電單元11的上方，在半導體熱電單元11 的另一端進行冷卻風冷，兩端產生溫差，從而得到電流，然後與充放電控制器4、蓄電池組5 和負載6組成系統迴路。廢熱源的供應是從附近工廠提供的50-100度的工業廢水作為輔 助熱源。[0040] 上列詳細說明是針對本實用新型可行實施例的具體說明，該實施例並非用以限制 本實用新型的專利範圍，凡未脫離本實用新型所為的等效實施或變更，均應包含於本案的 專利範圍中。
權利要求1.一種熱電轉換型太陽能熱發電系統，包括有太陽光聚光接收模塊，在該太陽光聚光 接收模塊的下底面上設有太陽跟蹤模塊，其特徵在於還包括有用於吸收太陽光並將太陽 光轉換為熱能的光熱轉換模塊，在該光熱轉換模塊下設有半導體熱溫差發電模塊，還包括 與所述半導體熱溫差發電模塊連接的複合式冷卻模塊。
2.如權利要求1所述的熱電轉換型太陽能熱發電系統，其特徵在於在所述光熱轉換 模塊上方還設置有廢熱源供應模塊，該廢熱源供應模塊包括密封保溫絕緣容器、熱電 偶(13)以及用於控制該熱電偶(19)的傳感器控制開關(14)，所述熱電偶(13)設置在密封 保溫絕緣容器03)的側面上，在熱電偶(13)的旁側設有廢熱源入口(15)，與廢熱源入口 (15)相對的密封保溫絕緣容器另一側上設有廢熱源出口(16)，所述密封保溫絕緣容 器的上部設有透射太陽光的透光玻璃(17)。
3.如權利要求1所述的熱電轉換型太陽能熱發電系統，其特徵在於所述光熱轉換模 塊為塗敷在所述半導體熱溫差發電模塊表面的太陽光選擇吸收塗層OO)。
4.如權利要求3所述的熱電轉換型太陽能熱發電系統，其特徵在於所述太陽光選擇 吸收塗層OO)材料為Ni-Al2O3或Cr-Cr2O3或TiNOx塗層體系。
5.如權利要求1所述的熱電轉換型太陽能熱發電系統，其特徵在於所述半導體熱溫 差發電模塊包括半導體熱電單元(11)、充放電控制器G)、蓄電池組( 和負載(6)，半導 體熱電單元(11)的上端與保溫絕熱容器連接，半導體熱電單元(11)的下端連接有冷 端絕緣導熱板(22)，並在其周圍填充有保溫絕緣層(12)；半導體熱電單元(11)由N型半導 體(18)和P型半導體(19)串聯構成，在所述N型半導體(18)與P型半導體(19)的上下 端均與金屬導體電極連接；半導體熱電單元(11)依次連接充放電控制器G)、蓄電池 組(5)形成一串聯迴路，負載(6)與半導體熱電單元(11)並聯。
6.如權利要求5所述的熱電轉換型太陽能熱發電系統，其特徵在於所述半導體熱電 單元(11)的功率輸出密度為0. 3ff/cm2以上，其材料可以由以下材料提供=Bi2Te3, PbTe, AgSbTe2/GeTe, Bi2Te3/Sb2Te3 NaCoO4, CaCoO3, SrTiO3/SrTiO3Nb, SiGe，FeSi2, Ba8Si46, Mg2Si, MnSi1 73，ZnSb, Zn4Sb3, CoSb30
7.如權利要求1所述的熱電轉換型太陽能熱發電系統，其特徵在於所述太陽光聚光 接收模塊包括聚光透鏡(1)和與該聚光透鏡(1)連接的支撐框架O)。
8.如權利要求7所述的熱電轉換型太陽能熱發電系統，其特徵在於所述聚光透鏡(1) 為平板菲涅爾透鏡或球面透鏡，所述複合式冷卻模塊包括循環冷卻介質和設置在半導體熱 電單元(11)下表面的熱沉(25)，當循環介質為冷媒時，在所述熱沉0 內貫穿有多個循環 冷卻介質管路(26)，該循環冷卻介質管路06) —端通過循環冷卻介質出口(9)連接到冷卻 介質儲箱(7)，另一端連接到循環冷卻介質進口(8)；當循環介質為冷卻風時，在所述熱沉 (25)內設有多個進風口(27)，所述進風口 (XT) 一端連接到循環冷卻介質進口(8)，另一端 的出風口 08)通過循環冷卻介質出口(9)連接到冷卻介質儲箱(7)。
9.如權利要求1所述的熱電轉換型太陽能熱發電系統，其特徵在於所述太陽跟蹤模 塊包括跟蹤控制裝置( 和跟蹤支架(10)，所述跟蹤控制裝置( 設置在太陽光聚光接收 模塊下方，由跟蹤支架(10)支撐連接。
專利摘要本實用新型公開了一種熱電轉換型太陽能熱發電系統，包括有太陽光聚光接收模塊，在該太陽光聚光接收模塊的下底面上設有太陽跟蹤模塊，還包括有用於吸收太陽光並將太陽光轉換為熱能的光熱轉換模塊，在該光熱轉換模塊下設有半導體熱溫差發電模塊，還包括與所述半導體熱溫差發電模塊連接的複合式冷卻模塊。用半導體熱電單元取代傳統太陽能熱發電系統中的熱力循環、儲能和發電系統，實現系統的高效和小型化。採用低倍聚光跟蹤和複合廢熱供應模塊，減小佔地面積有效提高溫度差和發電效率。該系統與太陽能熱發電對比具有小型化、低投資、低維護成本的特點。與太陽電池對比具有小面積大功率、穩定輸出可能，引入太陽能以外的熱源保證穩定電流提供。
文檔編號H01L35/28GK201869133SQ20102010716
公開日2011年6月15日 申請日期2010年1月29日 優先權日2010年1月29日
發明者徐剛, 朱豔青, 種村榮, 苗蕾 申請人:中國科學院廣州能源研究所