內冷式溫差發電熱電裝置的製作方法

2023-06-13 20:25:11 1

專利名稱：內冷式溫差發電熱電裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種溫差發電熱電裝置，特別是一種能置於熱源內部的內冷式溫差發電熱電裝置。
背景技術：
熱電材料是一種通過材料內部載流子運動實現熱能和電能相互直接轉換的功能材料。當一塊熱電材料的兩端存在溫差時，將形成一個電勢差。將一定數量的p型熱電材料和n型熱電材料串聯起來，可以製成溫差電池。當溫差電池兩側存在溫度差時，電池的輸出端將有電壓，當電池連接負載並導通時，就有電能輸出。溫差電池輸出電能的大小，除了與材料本身的性能、p-n對的串聯數量和負載特性有關以外，還與兩端的溫差有關，溫差越大，則輸出功率也越高。
用熱電材料製造的溫差電池具有無機械運動部件、無汙染、無噪聲、免維護、長壽命、高可靠性等突出優點。採用不同特性的熱電材料製造的溫差電池可以適用於不同的溫度範圍，從而可滿足不同熱源特性的應用需求。例如利用放射性同位素熱源的高溫型溫差電池已經在深層空間太空飛行器、免維護海洋燈塔等領域得到應用；以礦物或植物燃料燃燒熱作為熱源的中高溫型溫差電池可以作為移動電源和小型輔助電源應用於野外作業和邊遠地區；以餘熱廢熱作為熱源的中低溫型溫差電池，可以應用於石油輸送管道陰極保護電源和廢熱發電。
工業生產過程中產生的餘熱廢熱是應當予以充分利用的綠色能源。但對於低品位工業餘熱廢熱，採用常規的汽輪機發電機技術的發電效率非常低，在經濟上是不可行的，而溫差發電技術在這方面將有廣闊的發展前景。
如前所述，溫差電池發電時需要在電池兩側保持足夠大的溫差以獲得足夠大的輸出電能。也就是說，溫差電池的一側(熱電材料的熱端)要與熱源直接接觸以達到儘可能高的溫度，另一側(熱電材料的冷端)需要冷卻以保持儘可能低的溫度。目前採用的冷端冷卻技術主要有強制冷卻和自然冷卻兩種方案。前者採用風機或水泵在冷端鼓風或通循環冷卻水，其優點是冷卻效果好，缺點是冷卻過程本身要耗費電能。後者採用輔助散熱片與環境之間自然對流冷卻，其優點是不需要額外的冷卻動力，缺點是冷卻效果差，溫差電池兩端的溫差小，輸出電能少。特別是冶金、建材、化工、電力等重要行業的餘熱廢熱主要存在於厚壁隔熱管道(如煙囪、熱交換室等)中。將溫差電池安裝在管道外壁則不能獲得高的熱端溫度；安裝在管道內部則不能實現冷端的自然冷卻。而將溫差電池安裝在管壁中，則一方面需要對排熱管道進行停工改造，另一方面溫差電池的強度也不足以取代承重管壁。
實用新型內容針對現有技術中存在的不足之處，本實用新型提供一種結構簡單、無需動力源就能進行循環冷卻，從而能提高輸出電量值的利用餘熱進行發電的內冷式溫差發電熱電裝置。
本實用新型為達到以上目的，是通過這樣的技術方案來實現的提供一種內冷式溫差發電熱電裝置，包括內冷卻溫差發電主體部分和外循環冷卻輔助部分，內冷卻溫差發電主體部分包括與電源輸出線相連的溫差電池，內冷卻溫差發電主體部分還包括內含冷卻液的冷卻腔，溫差電池與冷卻腔的外表面固定相連；外循環冷卻輔助部分包括內含冷卻液的蓄水池、進水管和出水管，進水管的一端與蓄水池的底部相連通、另一端與冷卻腔的底部相連通，出水管的進口與冷卻腔的頂部相連通，出水管的出口與蓄水池的頂部相連通。
作為本實用新型的內冷式溫差發電熱電裝置的一種改進溫差電池的冷端均與冷卻腔的外表面相接觸，蓄水池內冷卻液的最高水平面高於溫差電池的最高點。
作為本實用新型的內冷式溫差發電熱電裝置的進一步改進出水管的出口通過冷卻塔後與蓄水池的頂部相連通。
作為本實用新型的內冷式溫差發電熱電裝置的進一步改進進水管的外表面設置保溫耐火層，冷卻腔的不與冷端相接觸的外表面設置保溫耐火層。
本實用新型的內冷式溫差發電熱電裝置，實際使用時，如圖2所示，將內冷卻溫差發電主體部分置於熱源內部，外循環冷卻輔助部分置於熱源的外部。工作過程是熱源加熱溫差電池，使溫差電池升溫，溫差電池的冷端因與冷卻腔接觸而保持較低的溫度；從而使溫差電池保持溫差，使溫差電池能輸出電能。冷卻腔中的水(即冷卻液)受熱膨脹上升，經出水管、冷卻塔返回蓄水池；同時蓄水池中的冷水經進水管補充到冷卻腔內，從而實現對置於熱源內部的溫差電池冷端的連續冷卻。上述的冷卻水循環過程，不需要水泵驅動進行強制循環，即實現了所述的無動力水循環。由於其無需消耗電能來驅動水泵，從而能增大整個發電裝置的總能量輸出；且由於取消了水泵這個零部件，整個裝置的結構也更簡單。


圖1是本實用新型的內冷式溫差發電熱電裝置的結構示意圖；圖2是圖1的使用狀態示意圖。
具體實施方式
參照上述附圖，對本實用新型的具體實施方式
進行詳細說明。圖1給出了一種內冷式溫差發電熱電裝置，包括內冷卻溫差發電主體部分和外循環冷卻輔助部分。內冷卻溫差發電主體部分由冷卻腔1、溫差電池2和電源輸出線3組成，電源輸出線3與溫差電池2相連，溫差電池2與冷卻腔1的外表面固定相連，冷卻腔1內充滿冷卻液。溫差電池所用的熱電材料，根據使用溫度的不同分別採用Bi2Te3基熱電材料、FeSi2基熱電材料或SiGe基熱電材料，其厚度均為4mm。冷卻腔1呈扁平狀，溫差電池2分布於冷卻腔1的兩側，溫差電池2的冷端11均與冷卻腔1的外表面緊密接觸，以保證溫差電池2的冷端11儘可能的獲得足夠的低溫。外循環冷卻輔助部分包括內含冷卻液的蓄水池7、以及連接蓄水池7和冷卻腔1的進水管9和出水管4，蓄水池7的頂部設有一個大開口。進水管9的一端與蓄水池7的底部相連通，另一端與冷卻腔1的底部相連通。出水管4的進口與冷卻腔1的頂部相連通，出水管4的出口5位於蓄水池7的頂部開口處的正上方，在出水管4的出口5與蓄水池7的頂部開口處之間設有冷卻塔6，即水從出口5出來後，依次通過冷卻塔6、蓄水池7的頂部開口處，進入蓄水池7的內部。必須保證在任何工作狀態下，蓄水池7內冷卻液的最高水平面8高於溫差電池2的最高點10。進水管9的外表面設置保溫耐火層，冷卻腔1的不與冷端11相接觸的外表面(即冷卻腔1外表面沒有被溫差電池2覆蓋的地方)設置保溫耐火層12。
本實用新型的內冷式溫差發電熱電裝置實際工作時，如圖2所示冷卻腔1和與其固定相連的溫差電池2，置於熱源100的內部；安裝的方式為溫差電池2的冷端11可與水平面垂直、或者平行、或者傾斜成一定的角度。蓄水池7置於熱源100的外部，即外界環境中。熱源100內的溫度一般在120℃～1000℃。
工作過程如下熱源100加熱溫差電池2，使溫差電池2升溫，溫差電池2的冷端11因與冷卻腔1接觸而保持較低的溫度；從而使溫差電池2的冷端11與熱端之間保持溫差，使溫差電池2能輸出電能。冷卻腔1內的冷卻液吸收溫差電池2的冷端11的熱量，受熱後膨脹上升，經出水管4的自然冷卻、冷卻塔6的進一步冷卻後流回蓄水池7。同時蓄水池7內的冷卻後的冷卻液不斷通過進水管9補充進入冷卻腔1，使冷卻腔1保持足夠的低溫，對溫差電池2的冷端11進行冷卻；從而實現對置於熱源100內部的溫差電池2的冷端11的連續冷卻。
當然，實際工作中，為了提高冷卻液的流速，也可以在進水管9的內部安裝一個耗電省的小水泵。
實施例1、當熱源100內的溫度達到200℃時，溫差電池2採用Bi2Te3基熱電材料，測得出口5的水溫為85℃，蓄水池7內的水溫為46℃，最大輸出功率為913W/m2。
實施例2、當熱源100內的溫度達到750℃時，溫差電池2採用FeSi2基熱電材料，測得出口5的水溫為87℃，蓄水池7內的水溫為46℃，最大輸出功率為3.25kW/m2。
實施例3、當熱源100內的溫度達到1000℃時，溫差電池2採用SiGe基熱電材料，測得出口5的水溫為90℃，蓄水池7內的水溫為50℃，最大輸出功率為22.1kW/m2。
最後，還需要注意的是，以上列舉的僅是本實用新型的若干個具體實施例。顯然，本實用新型不限於以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本實用新型公開的內容直接導出或聯想到的所有變形，均應認為是本實用新型的保護範圍。
權利要求1.一種內冷式溫差發電熱電裝置，包括內冷卻溫差發電主體部分和外循環冷卻輔助部分，所述內冷卻溫差發電主體部分包括與電源輸出線(3)相連的溫差電池(2)，其特徵是所述內冷卻溫差發電主體部分還包括內含冷卻液的冷卻腔(1)，所述溫差電池(2)與冷卻腔(1)的外表面固定相連；所述外循環冷卻輔助部分包括內含冷卻液的蓄水池(7)、進水管(9)和出水管(4)，所述進水管(9)的一端與蓄水池(7)的底部相連通、另一端與冷卻腔(1)的底部相連通，所述出水管(4)的進口與所述冷卻腔(1)的頂部相連通，出水管(4)的出口(5)與蓄水池(7)的頂部相連通。
2.根據權利要求1所述的內冷式溫差發電熱電裝置，其特徵是所述溫差電池(2)的冷端(11)均與冷卻腔(1)的外表面相接觸，所述蓄水池(7)內冷卻液的最高水平面(8)高於溫差電池(2)的最高點(10)。
3.根據權利要求2所述的內冷式溫差發電熱電裝置，其特徵是所述出水管(4)的出口(5)通過冷卻塔(6)後與蓄水池(7)的頂部相連通。
4.根據權利要求2或3所述的內冷式溫差發電熱電裝置，其特徵是所述進水管(9)的外表面設置保溫耐火層，所述冷卻腔(1)的不與冷端(11)相接觸的外表面設置保溫耐火層(12)。
專利摘要本實用新型公開了一種內冷式溫差發電熱電裝置，包括內冷卻溫差發電主體部分和外循環冷卻輔助部分，內冷卻溫差發電主體部分包括與電源輸出線(3)相連的溫差電池(2)、內含冷卻液的冷卻腔(1)，溫差電池(2)與冷卻腔(1)的外表面固定相連；外循環冷卻輔助部分包括內含冷卻液的蓄水池(7)、進水管(9)和出水管(4)，進水管(9)的一端與蓄水池(7)的底部相連通、另一端與冷卻腔(1)的底部相連通，出水管(4)的進口與冷卻腔(1)的頂部相連通，出水管(4)的出口(5)與蓄水池(7)的頂部相連通。本實用新型的內冷式溫差發電熱電裝置，結構簡單、無需動力源就能進行循環冷卻，從而能提高輸出電量值。
文檔編號H01L35/00GK2881966SQ200520116009
公開日2007年3月21日 申請日期2005年10月17日 優先權日2005年10月17日
發明者倪華良, 趙新兵, 朱鐵軍, 曹高劭, 塗江平 申請人:浙江大學