隧道式餘熱回收半導體溫差發電方法及裝置的製作方法
2023-06-02 23:08:21 1
專利名稱：隧道式餘熱回收半導體溫差發電方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是隧道式餘熱回收半導體溫差發電方法及裝置，是以熱電 轉換為核心技術，以工業餘熱回收發電為目標的新能源開發應用技術領域。
背景技術：
我國是耗能大國，工業餘熱數量巨大，不論是固態、氣態、液態均有大 量工業餘熱有待回收，因而對企業生產過程中的這些餘熱進行回收利用對於 節能增效有著非常大的社會、經濟效益。目前我國普遍應用的餘熱回收裝置 大多數隻針對氣態與液態餘熱，對於固態餘熱尚無回收(幹熄焦除外)。本 發明就是針對這部分固態餘熱的回收利用。
發明內容
本發明提供的是一種回收、利用固態餘熱發電的裝置，旨在對工業企業 生產過程中的移動固態產品餘熱進行回收並發電。解決移動固態產品主要以 輻射形式向周圍環境散熱，而以往的餘熱回收裝置都不適合回收這種形式的 餘熱問題。
本發明的技術解決方案隧道式餘熱回收半導體溫差發電方法，其特徵 是散發餘熱的移動熱源運行經過隧道式集熱器，由隧道式集熱器接收其輻射 出的熱量，並將收集到的熱量傳遞到半導體溫差發電模塊熱面；散熱器布置 在半導體溫差發電模塊冷麵一側，散熱器將冷麵冷卻到一個比熱面低很多的 溫度，從而在半導體溫差發電模塊的兩端面產生一個較大的溫度差，半導體溫差發電模塊將溫度差直接轉換成電勢差，通過穩壓電路以及交直流轉化 後，作為電源使用，隧道式集熱器與散熱器的材料選擇導熱係數較大的金屬 鋁板，鋁板為長方形，與移動熱源動方向平行布置，兩端以螺栓緊固在半圓 形支架上，鋁板沿半圓型支架的圓周方向排列，呈隧道形式，以便於將熱量
快速的傳遞；在散熱器中通入冷卻介質水，將散熱器中的熱量及時帶走。
隧道式餘熱回收半導體溫差發電裝置，其結構是包括半導體溫差發電 模塊，隧道式集熱器，散熱器；其中半導體溫差發電模塊夾在隧道式集熱器 與散熱器中間，隧道式集熱器緊貼於半導體溫差發電模塊下方的熱面，隧道 式集熱器在整個裝置的最下方，散熱器緊貼於半導體溫差發電模塊上方的冷 面，隧道式集熱器、散熱器以螺栓緊固在一半
圓型支架上，並將半導體溫差發電模塊緊密地夾在隧道式集熱器和散熱器中 間。相互貼合，以便儘可能減小接觸熱阻，提高熱傳遞的效率。
隧道式餘熱回收半導體溫差發電方法，其特徵是散發餘熱的移動熱源運 行經過隧道式集熱器，由隧道式集熱器接收其輻射出的熱量，並將收集到的 熱量傳遞到半導體溫差發電模塊熱面；散熱器布置在半導體溫差發電模塊冷 面一側，散熱器將冷麵冷卻到一個比熱面低很多的溫度，從而在半導體溫差 發電模塊的兩端面產生一個較大的溫度差，半導體溫差發電模塊將溫度差直 接轉換成電勢差，通過穩壓電路以及交直流轉化後，作為電源使用，隧道式 集熱器與散熱器的材料選擇導熱係數較大的金屬鋁板，鋁板為長方形，與移 動熱源動方向平行布置，兩端以螺栓緊固在半圓形支架上，鋁板沿半圓型支 架的圓周方向排列，呈隧道形式，以便於將熱量快速的傳遞；在散熱器中通 入冷卻介質水，將散熱器中的熱量及時帶走。本發明的優點可將餘熱直接轉換成電能，無需按傳統的方式先將熱能 轉換成機械能，再將機械能轉換成電能的複雜過程，從而提高了熱電轉換效 率，和發電機的可靠性和使用壽命；與其他形式的餘熱回收裝置相比，本發 明是一種全固態能量轉換方式，具有在發電過程中無噪音、無磨損、無介質 洩漏、體積小、重量輕、移動方便、使用壽命長；本發明裝置結構簡單，便 於加工，且利用工業餘熱發電，可降低企業能耗，符合國家產業政策，易於 推廣應用。
附圖l是本發明的系統結構示意圖。附圖2是半導體熱電效應原理圖。 附圖3是溫差發電模塊功能原理圖。
圖中的1是半導體溫差發電模塊、2是隧道式集熱器、3是散熱器。4 是移動熱源、5是低溫導體、6是吸收熱量(冷端)、7是P&N型半導體、8 是電絕緣體、9是導電體、IO是釋放熱量(熱端)、ll是高溫導體。
具體實施例方式
對照附圖l，其結構包括半導體溫差發電模塊l，隧道式集熱器2，散熱 器3。其中半導體溫差發電模塊1夾在隧道式集熱器2與散熱器3中間，隧 道式集熱器2緊貼於半導體溫差發電模塊1下方的熱面，散熱器3緊貼於半 導體溫差發電模塊1上方的冷麵，半導體溫差發電模塊l，隧道式集熱器2， 散熱器3以機械緊固的方式緊密貼合，以便儘可能減小接觸熱阻，提高熱傳 遞的效率。半導體溫差發電模塊緊密地夾在隧道式集熱器和散熱器中間。
所述的半導體溫差發電模塊l，由多塊半導體發電晶片組成，每塊晶片 由多個半導體PN結串聯而成(參見圖3)，其發電原理是基於貝塞爾效應，半導體材料中的電子在溫度差的驅動下會從高溫端流向低溫端，從而 形成電勢差。
所述的隧道式集熱器2，是收集熱能的模塊，設在整個裝置的最下方， 最接近高溫熱源，材料選擇導熱係數較大的金屬鋁。鋁板為長方形，與移動 熱源運動方向平行布置，兩端以螺栓緊固在半圓形支架上，鋁板沿半圓型支 架的圓周方向排列，呈隧道形式。工作時接收移動熱源輻射出來的熱量，再 以熱傳導方式將熱量傳遞給半導體發電模塊。集熱器採用隧道式的形狀，是 為了儘可能多的收集高溫產品輻射出的熱量，且便於高溫產品運行通過。
所述的散熱器3，是將半導體模塊冷麵的熱量散發出去的模塊，布置在 半導體溫差發電模塊的上方，同樣選擇鋁錠，長方形，與移動熱源運行方向
平行布置，在鋁錠中間開方形通道，兩端接水管，工作時通入冷卻水， 依靠冷卻水的流動以傳導和對流換熱方式帶走熱量。
隧道式餘熱回收半導體溫差發電方法，將散發餘熱的熱源運行經過隧
道式集熱器2，隧道式集熱器2接收其輻射出的熱量，並將收集到的熱量傳 遞到半導體溫差發電模塊熱面，而散熱器3布置在半導體發電模塊1冷麵一 側，散熱器會將冷麵冷卻到比熱面低得多的一個溫度，從而在半導體溫差發 電模塊1的兩端面產生一個較大的溫度差，在貝塞爾效應的驅使下，半導體 溫差發電模塊l內的電子從高溫端流向低溫端，在冷端形成電勢差，經過穩 壓整流以及交直流轉換之後，可接負載作為電源用。
對鋼鐵企業生產過程中的高溫鋼錠的餘熱進行回收，是本裝置應用的一 個具體實施例子。從連鑄機中出來的高溫鋼錠，它的溫度可高達IOOO'C以 上，在緩慢運行進入下一工序之前，有大量的熱量主要以輻射的方式散發到環境中。將本裝置放置於運行中的高溫鋼錠軌道上，高溫鋼錠在運行中向周 圍環境散發出熱量，位於鋼錠上方的隧道式集熱器吸收這些熱量後，將它傳 遞給半導體溫差發電模塊的熱面。半導體溫差發電模塊的熱面會將熱量傳遞 到冷麵，冷麵將熱量傳遞給散熱器，散熱器中通入的冷源會通過流動將這些 熱量帶走，使冷麵保持一個相對較低的溫度，這樣在半導體溫差發電模塊的 兩個端面就形成了一個較大的溫差。由於貝塞爾效應，半導體模塊就會產生 電勢差。通過電路將此電勢差輸出即可作為電源。
半導體溫差發電模塊1是本裝置的核心部件，它可將溫度差轉換成電 勢差即將熱能轉換成電能。它的工作原理是基於半導體材料的貝塞爾效應 見圖2，在P (N)型半導體中，高溫端的空穴(電子)濃度比低溫端 大，在這種濃度梯度的驅動下，空穴(電子)由於熱擴散作用，會從 高溫端向低溫端擴散，從而形成一種電勢差。將P型和N型半導體的熱端相 連，則在冷端可得到一個電壓，這樣一個PN結就可以利用高溫熱源與低溫
熱源之間的溫差將熱能直接轉變為電能。
對照圖3，圖中出示了半導體溫差發電模塊的原理圖，溫度差使得每一 對PN結中產生電勢差，將很多對PN結串聯起來，就可得到足夠高的電壓， 成為一個溫差發電機。
權利要求
1、隧道式餘熱回收半導體溫差發電方法，隧道式餘熱回收半導體溫差發電方法，其特徵是散發餘熱的移動熱源運行經過隧道式集熱器，由隧道式集熱器接收其輻射出的熱量，並將收集到的熱量傳遞到半導體溫差發電模塊熱面；散熱器布置在半導體溫差發電模塊冷麵一側，散熱器將冷麵冷卻到一個比熱面低很多的溫度，從而在半導體溫差發電模塊的兩端面產生一個較大的溫度差，半導體溫差發電模塊將溫度差直接轉換成電勢差，通過穩壓電路以及交直流轉化後，作為電源使用，隧道式集熱器與散熱器的材料選擇導熱係數較大的金屬鋁板，鋁板為長方形，與移動熱源動方向平行布置，兩端以螺栓緊固在半圓形支架上，鋁板沿半圓型支架的圓周方向排列，呈隧道形式，以便於將熱量快速的傳遞；在散熱器中通入冷卻介質水，將散熱器中的熱量及時帶走。
2、隧道式餘熱回收半導體溫差發電裝置，其特徵是包括半導體溫差發 電模塊，隧道式集熱器，散熱器；其中半導體溫差發電模塊夾在隧道式集熱 器與散熱器中間，隧道式集熱器緊貼於半導體溫差發電模塊下方的熱面，隧 道式集熱器在整個裝置的最下方，散熱器緊貼於半導體溫差發電模塊上方的 冷麵，隧道式集熱器、散熱器以螺栓緊固在一半圓型支架上，並將半導體溫 差發電模塊緊密地夾在隧道式集熱器和散熱器中間。
全文摘要
本發明是隧道式餘熱回收半導體溫差發電方法及裝置，其發電方法是散發餘熱的移動熱源運行經過隧道式集熱器，由隧道式集熱器接收其輻射出的熱量，並將收集到的熱量傳遞到半導體溫差發電模塊熱面；散熱器布置在半導體溫差發電模塊冷麵一側，散熱器將冷麵冷卻到一個比熱面低很多的溫度，從而在半導體溫差發電模塊的兩端面產生一個較大的溫度差，半導體溫差發電模塊將溫度差直接轉換成電勢差，通過穩壓電路以及交直流轉化後，作為電源使用，其裝置是包括半導體溫差發電模塊，隧道式集熱器，散熱器；優點是可將回收餘熱熱能直接轉換成電能，使發電過程無噪音、無磨損、無介質洩漏，並且使發電機具有體積小、重量輕、移動方便、免維護，使用壽命長等。
文檔編號H02N11/00GK101316083SQ200810124210
公開日2008年12月3日 申請日期2008年7月3日 優先權日2008年7月3日
發明者正 周 申請人:無錫明惠通科技有限公司