一種基於碳材料蒸發發電的熱電轉換裝置的製作方法

2023-05-26 06:30:41 1

本發明屬於能源技術領域，更具體地，涉及一種基於碳材料蒸發發電的熱電轉換裝置。

背景技術：

人類日益增長的能源需求和地球化石能源儲備的相對短缺對人們提出了更加高效利用現有能源資源的要求。餘熱利用是提高現有能源效率的一個重要手段。無論是化石燃料利用過程還是地球環境本身都會產生大量的低品位熱量，這部分熱量總量巨大卻因為難以利用而白白浪費掉。熱電技術是對這部分低品位熱能進行再回收利用的一個重要途徑。

現有熱電技術主要是基於半導體固體材料熱電效應，基於半導體熱電效應的熱電技術的幾個突出問題包括價格昂貴、熱電塞貝克(Seebeck)係數低(約200μV/K)、發電效率低；其中，熱電塞貝克係數是指單位溫差下產生的電壓值。因此現有的基於半導體熱電效應的熱電技術在工業上的應用較為狹窄，只在汽車室內空調、太空衛星及偏遠海島燈塔供能等方面有應用。若要擴大熱電技術在餘熱利用領域的應用範圍，關鍵在於降低熱電技術成本，提高Seebeck係數及發電效率。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基於碳材料蒸發發電的熱電轉換裝置，其目的在於利用冷源與熱源之間的溫差控制蒸氣壓力從而產生蒸發感應電壓，實現高效溫差發電的目的。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基於碳材料蒸發發電的熱電轉換裝置，包括殼體、絕熱層、導水結構、循環工質、蒸發 發電層和電極；

其中，殼體為筒狀且上下兩端密封的密閉腔體結構；上密封結構作為冷端用於接觸外部冷源；下密封結構作為熱端用於接觸外部熱源；絕熱層包裹在殼體的外壁以防止漏熱；液態循環工質與蒸發發電層均設於密閉腔體內，蒸發發電層豎直設置，液態循環工質與蒸發發電層接觸；蒸發發電層的上下兩端均設有電極，蒸發發電層下端的電極與所述密閉腔體的底面熱端之間存在間距；

其中，蒸發發電層是指一層由碳基納米顆粒堆積形成的多孔層；當液態循環工質從蒸發發電層表面蒸發離開，在碳基納米顆粒內部感應產生電勢，從而可對外輸出電能；

其中，導水結構位於密閉腔體內，用於引導冷凝後的循環工質回流至熱端；當該熱電轉換裝置的冷端和熱端存在一定溫差時，密閉腔體內部形成固定循環工質蒸氣壓差，促使液態循環工質源源不斷的從蒸發發電層表面蒸發，並在冷端凝結，進而在蒸發發電層產生穩定的感應電勢，由此可對外輸出電功，實現將熱能轉化為電能的目的；可通過在電極上連接導線，將產生的電能輸出。

優選的，導水結構為倒錐形導水臺，倒錐形導水臺的一端嵌入密閉腔體的頂端，另一端與蒸發發電層的上端之間存在間距；由此，導水結構與上密封結構合二為一，倒錐形導水臺的頂端就是密閉腔體的頂端；倒錐形導水臺的底端與蒸發發電層上端之間存在的間距確保冷端不會因與發電層接觸而漏熱，而僅用來冷凝循環工質蒸氣；蒸發發電層部分浸沒於液態循環工質內，位於蒸發發電層下端的電極完全浸沒在循環工質內；循環工質蒸發，在冷端冷凝後在重力作用下落至熱端，循環利用；

優選的，該裝置的蒸發發電層附著於密閉腔體的側壁，蒸發發電層上端與冷端保持距離，蒸發發電層下端及設置於其下端的電極浸沒在液態循環工質內。

優選地，該裝置還包括至少一個採用絕緣材料製成的蒸發發電層支架，其下端固定在殼體的底面上且浸沒在液態循環工質內，上端懸空，該蒸發發電層支架與密閉腔體的側壁保持距離；蒸發發電層安裝在蒸發發電層支架上，蒸發發電層的下端及設置於其下端的電極浸沒在液態循環工質內，且蒸發發電層整體與密閉腔體之間存在間距；由此，安裝在蒸發發電層支架上的蒸發發電層整體與密閉腔體相互獨立，便於蒸發發電層的拆卸與更換。

優選的，蒸發發電層支架採用片狀或筒狀結構。

優選的，導水結構為密閉腔體內壁整體覆蓋的一層絕緣多孔材料層；液態循環工質吸附於所述絕緣多孔材料層內；多孔結構的蒸發發電層附著於絕緣多孔材料層上，與絕緣多孔材料層緊密接觸；蒸發發電層具有將絕緣多孔材料層內的液態循環工質抽吸至蒸發發電層內部的作用；

液態循環工質在蒸氣壓梯度的作用下從蒸發發電層的表面蒸發，帶走熱量的同時在蒸發發電層的上、下端產生感應電勢並輸出電能，實現將熱能轉化為電能的目的；所述液態循環工質蒸發形成的循環工質蒸氣在冷端冷凝後在絕緣多孔材料的毛細作用下導回熱端，循環利用。

優選的，液態循環工質採用極性溶液。

優選的，液態循環工質採用水；採用水做循環工質時，在提高熱電轉換效率上具有很好的效果。

優選的，密閉腔體內為常壓環境或真空環境；在真空環境下，密保腔體形成熱管，傳熱效率更好，循環工質的蒸發速率更高。

優選的，蒸發發電層材料採用碳黑納米顆粒多孔結構。

優選的，蒸發發電層材料採用碳納米管、石墨烯或富勒烯。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發明提供的熱電轉換裝置，利用熱源與冷源之間的溫差，實現 蒸發發電，具有蒸發電壓大且對蒸氣壓力敏感的特點，可通過控制熱源與冷源之間的溫差變化達到控制蒸發發電電壓的目的；

(2)本發明提供的熱電轉換裝置，其液態循環工質可循環使用，且可根據熱負荷自動調節蒸發速率從而實現自適應；

(3)本發明的優選方案提供的熱電轉換裝置，與現有技術相比，僅通過純水和碳基納米顆粒材料即可實現高性能的熱電轉換，具有成本低廉的特點；

(4)本發明提供的熱電轉換裝置，採用密閉結構；在本發明提供的優選方案裡，密閉腔體在真空環境下形成熱管，結合熱管技術和基於碳材料的蒸發發電技術，將熱能轉化為電能，具有結構簡單，穩定可靠的特點，並且極大程度的提高了熱點電轉換的Seebeck係數；在密閉腔體抽真空的條件下,本發明提供的熱電轉換裝置的Seebeck係數比半導體熱電材料的Seebeck係數高出三個數量級。

附圖說明

圖1為本發明實施例1提供的一種基於碳材料蒸發發電的熱電轉換裝置的剖面圖；

圖2為本發明實施例2提供的一種基於碳材料蒸發發電的熱電轉換裝置的剖面圖；

圖3為本發明實施例3提供的一種基於碳材料蒸發發電的熱電轉換裝置的剖面圖；

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1-熱源、2-殼體、3-絕熱層、4-冷源、5-密閉腔體、6-液態循環工質、7-蒸發發電層、81-第一電極、82-第二電極、91-第一導線、92-第二導線、10-倒錐形導水臺、11-蒸發發電層支架、12-絕緣多孔材料層。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖 及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

實施例1

實施例1提供的一種基於碳材料蒸發發電的熱電轉換裝置的剖面圖如圖1所示，包括殼體2、絕熱層3、倒錐形導水臺10、循環工質6、蒸發發電層7、第一電極81、第二電極82、第一導線91和第二導線92；

殼體2為筒狀結構，殼體2與倒錐形導水臺10、下密封結構一起構成密閉腔體5；倒錐形導水臺10嵌在殼體2上端，倒錐形導水臺10的頂端就是密閉腔體5的頂端，作為冷端；密閉腔體5的底端作為熱端；倒錐形導水臺10的底端與蒸發發電層7和循環工質6均保持距離；絕熱層3包裹在殼體2的外壁的中間部分；密閉腔體5內盛有液態循環工質6，蒸發發電層7部分浸入循環工質6中；第一電極81設置在蒸發發電層7的上端面，第二電極82設置在蒸發發電層7的下端面，完全浸沒在液態循環工質6內且與密閉腔體底面之間存在間距；第一導線91連接第一電極81，第二導線92連接第二電極82；兩根導線均從殼體側壁上的導線孔穿過殼體2，導線孔採用密閉材料密封，使得腔體保持密閉；其中，電極可採用碳基材料，避免電化學反應的發生；

應用於蒸發發電時，熱源1緊貼於密閉腔體5下端的熱端，冷源4緊貼密閉腔體5上端的熱端；液態循環工質6蒸發，環工質蒸氣在冷端冷凝後在重力作用下落至熱端，循環利用。

以下結合實施例1提供的熱電轉換裝置的工作原理進一步闡述：殼體2的熱端緊貼外部熱源1，冷端緊貼外部冷源4；熱端與冷端之間存在溫差，由此在密閉腔體內部形成下高上低的蒸氣壓梯度；密閉腔體5內盛有循環工質6，液態循環工質6吸收熱源1的熱量，溫度升高；多孔結構的蒸發發 電層7將液態循環工質6自動抽吸至蒸發發電層7的內部；由於密閉腔體內存在蒸氣壓梯度，循環工質6在蒸氣壓梯度的作用下從蒸發發電層7的表面蒸發，帶走熱量的同時在蒸發發電層的上、下端產生感應電勢並輸出電能，將熱能轉化為電能，電能通過電極經由導線導出；

由於殼體2外壁的中間部分包裹有絕熱層3，蒸發產生的循環工質蒸氣通過密閉腔體中間部分到達密閉腔體5的上端，經由冷源4釋放熱量後，重新凝結成液態循環工質；凝結而成的液態循環工質通過倒錐形導水臺10聚集到倒錐形導水臺的底端，滴回密閉腔體下端，實現工質循環；由此，該裝置可持續不斷地在溫差作用下發電。

實施例2

實施例2提供的一種基於碳材料蒸發發電的熱電轉換裝置的剖面圖如圖2所示；包括殼體2、絕熱層3、倒錐形導水臺10、循環工質6、蒸發發電層7、第一電極81、第二電極82、第一導線91、第二導線92和蒸發發電層支架11；

殼體2為筒狀結構，殼體2與倒錐形導水臺10、下密封結構一起構成密閉腔體5；倒錐形導水臺10嵌在殼體2上端，倒錐形導水臺10的頂端就是密閉腔體5的頂端，作為冷端；密閉腔體5的底端作為熱端；倒錐形導水臺10的底端與蒸發發電層7和循環工質6均保持距離；絕熱層3包裹在殼體2的外壁的中間部分；液態循環工質6盛在密閉腔體5內；蒸發發電層7附著於蒸發發電層支架11；蒸發發電層支架11採用片狀或筒狀；蒸發發電層支架11整體與密閉腔體5的內壁之間存在間距且其下端插在密閉腔體5的底面上，上端懸空；蒸發發電層7附著在蒸發發電層支架11上，蒸發發電層7的下端浸沒在液態循環工質6內；第一電極81覆蓋在蒸發發電層7的上端；第二電極82覆蓋在蒸發發電層7的下端，完全浸沒在循環工質6內且與熱端之間存在間隙；第一導線91連接第一電極81，第二導線92連接第二電極82；兩根導線均從側壁上的導線孔穿過殼體2，導線孔採 用密閉材料密封，使得腔體保持密閉；在實施例2中，蒸發發電層7整體與密閉腔體5的內壁保持間距，由此，蒸發發電層7與殼體2相互獨立，便於蒸發發電層的拆卸與更換。

實施例3

實施例3提供的一種基於碳材料蒸發發電的熱電轉換裝置的剖面圖如圖3所示；包括殼體2、絕熱層3、絕緣多孔材料層12、循環工質6、蒸發發電層7、第一電極81、第二電極82、第一導線91和第二導線92；

殼體2為筒狀結構，與上密封結構、下密封結構一起構成密閉腔體5；密閉腔體的頂端作為冷端用於接觸外部冷源，密閉腔體的底端作為熱端用於接觸外部熱源；密閉腔體5內壁整體填充有一層絕緣多孔材料，絕緣多孔材料層12形成了導水結構；液態循環工質6吸附於在絕緣多孔材料層12內；多孔結構的蒸發發電層7附著於絕緣多孔材料層12上，與絕緣多孔材料層12緊密接觸；與液態循環工質6緊密接觸；第一電極81覆蓋在蒸發發電層7的上端，第二電極82覆蓋在蒸發發電層7的下端；第一導線91連接第一電極81，第二導線92連接第二電極82；兩根導線均從側壁上的導線孔穿過殼體2，導線孔採用密閉材料密封，使得腔體5保持密閉；

實施例3中，當裝置的冷端和熱端之間存在溫差時，液態循環工質6從蒸發發電層7蒸發，在蒸發發電層產生穩定的感應電勢，對外輸出電功，由此將熱能轉化為電能；並且，循環工質蒸氣在密閉腔體5上端冷凝成液態，經由絕緣多孔材料層12的毛細作用抽吸回密閉腔體5的下端，實現工質循環；絕緣多孔材料層12的抽吸力大小可自動與該熱電轉換裝置的熱負荷匹配，有利於該熱電轉換裝置長時間穩定運行，且該熱電轉換裝置可任意方向放置。

以上實施例提供的基於碳材料蒸發發電的熱電轉換裝置的密閉腔體可在常壓下運行，也可抽真空後運行；該熱電轉換裝置的熱電性能取決於所選蒸發發電層材料、液態循環工質的種類以及密閉腔體內部環境的壓力。

對實施例1提供的基於碳材料蒸發發電的熱電發電裝置性能進行測試；具體的，以碳黑顆粒膜為蒸發發電層，水為液態循環工質，常壓密閉腔體環境下，該裝置的Seebeck係數為26mV/K，比半導體熱電材料Seebeck係數高兩個數量級；真空密閉腔體環境下該裝置的Seebeck係數為201mV/K,比半導體熱電材料Seebeck係數高三個數量級。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。