一種利用建築物內外環境溫差的發電系統的製作方法

2023-05-08 20:14:21

專利名稱：一種利用建築物內外環境溫差的發電系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於熱能利用和節能技術領域，特別涉及ー種利用建築物內外環境溫差的發電系統。
背景技術：
エ業文明以來，人類極大地推動了科技文明的發展，創造了巨大的物質財富。但是，一系列全球資源短缺、環境問題不僅嚴重地制約社會經濟的進步發展，而且對人類的繼續生存構成了嚴重威脅。眾所周知，自然界中存在的常規能源，包括石油、天然氣和煤炭的數量是十分有限的。而且這些能源取用都己經對地球的生態環境造成了很大的破壞，引起了很多棘手的問題。比如目前運行的火力發電廠的廢氣排放，以及汽車尾氣裡的ニ氧化碳的持續排放等，引起了日趨嚴重的溫室效應；エ農業生產及交通運輸的燃燒廢棄物氧化硫、氧化氮等酸性氣體轉化為酸雨；發生嚴重事故時，核電站發生的核輻射、核洩漏也給人類帶 來了巨大的災難，許多國家都在重新評價核電發展問題。因此，解決環境和能源缺ロ問題己經成為21世紀人類面臨的嚴重問題。中國處在持續發展的關鍵階段，開發新能源和充分利用低品位能源、廢能源具有重大意義。同時，通過節能可以節約大量燃料，對於降低我國在ニ氧化碳，ニ氧化硫和氮氧化物的排放都具有直接的影響。我國在各種エ業過程中存在大量的熱能浪費現象，因此發展各種環境友好的節能技術，是十分重要的。在對低品位熱源合理利用中，溫差發電是ー種新型的發電方式，具有清潔，無噪音汙染，無有害物質排放，高效，壽命長，堅固耐用，可靠性高，簡單穩定等一系列優點，符合綠色環保要求，對國民經濟的可持續發展具有重要的戰略意義。溫差發電技術的研究最早開始於20世紀40年代。借於其顯著的優點，溫差發電在航空、軍事等領域得到廣泛的應用，美國、前蘇聯先後研發了數千個放射性同位素或核反應堆溫差發電器用作空間、海洋裝置的電源。隨著化石能源的日趨枯竭，美國、日本、歐盟等發達國家更加重視溫差發電技術在民用領域的研究，並取得了一定的進展。1988年美國生產了ー種燃燒式溫差發電器，可使用多種軍用燃油，一次裝載後能實現連續發電；2003年黎巴嫩大學的學者利用該國的一種做飯用的火爐外壁的高溫與環境的溫差來發電。但直接利用利用建築物內外環境溫差設計的家用發電系統卻並未涉及。我國在半導體溫差發電的研究方面具有一定的實力，許多研究人員都致カ於如何利用低品位熱源的研究，各自都取得了ー些成果，如利用汽車尾氣的固體吸附式空調器，又如利用太陽能的熱水器-製冷空調複合機，但是利用熱電效應直接把低品位的熱能轉換為電能的研究在國內卻很少提及。國內在溫差電的應用方面仍處於起步階段，因此本發明利用溫差直接發電有著非常現實的意義。

發明內容
本發明的目的提供了ー種利用建築物內外環境溫差的發電系統，其特徵在於，利用建築物內外環境溫差的發電系統是在建築物外安裝熱管換熱器7，在建築物內安裝半導體發電模塊6，熱傳導器件8與半導體發電模塊6的散熱面固定在一起構成半導體溫差電池；半導體溫差電池的輸出與升壓穩壓器9的輸入連接、升壓穩壓器9的輸出分別連接蓄電池10和家庭用電設備11。所述半導體發電模塊的結構是在ー對P型半導體和N型半導體兩端焊接導電體銅3，使P型半導體和N型半導體串聯構成單個N-P半導體電池4，由M個N-P半導體電池4串聯組成半導體發電模塊6，在半導體發電模塊6兩端的導電體銅3表面塗覆ー層絕緣導熱層矽脂2，冷端鋁板I和熱端鋁板1-1分置於半導體發電模塊6兩端絕緣導熱層矽脂2的最外層，用緊固螺栓5將冷端鋁板I和熱端鋁板1-1壓緊固定，構成半導體發電模塊的冷端和熱端，然後半導體發電模塊的冷端和熱端分別與熱管換熱器7和熱傳導器件8連接組成半導體溫差電池。所述熱管換熱器7和熱傳導器件8承擔著熱源與冷源的吸放熱任務；夏秋季吋，熱管換熱器7在室外接受太陽輻射和空氣對流換熱，並將熱量迅速高效地傳導至半導體發電 模塊的熱端鋁板上；熱傳導器件8在室內利用常溫水或空氣進行自然對流冷卻，將半導體發電模塊冷端的鋁板溫度降低在室內溫度以下或保持在室內溫度；半導體發電模塊在溫差的作用下，生成直流電；直流電被導入升壓穩壓電路模塊後，輸出穩定的高壓電流，從而維持家庭用電器運行；春冬季時，室外為冷源，室內可利用地暖、爐子、暖氣或火炕這些熱源，使系統繼續運行。所述熱管換熱器和熱傳導器件均由熱管或超導材料製造。所述M個N-P半導體電池中M為100-1000的正整數。本發明的有益效果是利用塞貝克效應，優化設計了半導體溫差電池；利用建築物內外環境溫差的發電，產生直流電，並將直流電直接用於家庭電器；或先用蓄電池把電儲存起來，再用於它用。本發明充分利用低品位熱能，可節約常規燃料，保護環境。該裝置簡單易行，無需化學反應且無機械移動部分，具有清潔，無噪音汙染，無有害物質排放，壽命長，堅固耐用，可靠性高，簡單穩定，價格便宜等一系列特點。與目前常用方法相比，該系統可隨季節互調吸、放熱裝置；實現低成本，相對高效率溫差發電；易於推廣，市場前景美好。


圖I為利用建築物內外環境溫差的發電系統示意圖。圖2為半導體溫差發電基本原理示意圖。圖3為ー種半導體溫差電池優化設計圖。
具體實施例方式本發明提供ー種利用建築物內外環境溫差的發電系統。下面結合附圖予以說明。圖I是利用建築物內外環境溫差的發電系統圖。系統由半導體發電模塊6、熱管換熱器7、熱傳導器件8、升壓穩壓器9、蓄電池10以及家庭用電設備11構成。圖中，在建築物外安裝熱管換熱器7，在建築物內安裝半導體發電模塊6，熱傳導器件8與半導體發電模塊6的散熱面固定在一起構成半導體溫差電池；半導體溫差電池的輸出與升壓穩壓器9的輸入連接、升壓穩壓器9的輸出分別連接蓄電池10和家庭用電設備11。
圖3所示為ー種半導體溫差電池優化設計圖。圖中所示半導體發電模塊的結構是在ー對P型半導體和N型半導體兩端焊接導電體銅3，使P型半導體和N型半導體串聯構成單個N-P半導體電池4，由M個N-P半導體電池4串聯組成半導體發電模塊6，在半導體發電模塊6兩端的導電體銅3表面塗覆ー層絕緣導熱層矽脂2，冷端鋁板I和熱端鋁板1-1分置於半導體發電模塊6兩端絕緣導熱層矽脂2的最外層，用緊固螺栓5將冷端鋁板I和熱端鋁板1-1壓緊固定，構成半導體發電模塊的冷端和熱端，然後半導體發電模塊的冷端和熱端分別與熱管換熱器7和熱傳導器件8連接組成半導體溫差電池。所述由熱管或超導材料製造的熱管換熱器7和熱傳導器件8承擔著熱源與冷源的吸放熱任務；夏秋季時，熱管換熱器7在室外接受太陽輻射和空氣對流換熱，並將熱量迅速高效地傳導至半導體發電模塊的熱端鋁板上；熱傳導器件8在室內利用常溫水或空氣進行自然對流冷卻，將半導體發電模塊冷端的鋁板溫度降低在室內溫度以下或保持在室內溫度，半導體發電模塊在溫差的作用下，生成直流電(如圖2所示的半導體溫差發電基本原理)，為提高直流電品質，被導入升壓穩壓器9，從而輸出穩定高壓電能；此時電能便可用於 蓄電池10以及家庭用電設備11，如發光二極體，鋰電池，電動車蓄電池，電腦，電風扇等等；春冬季時，室外為冷源，室內可利用地暖、爐子、暖氣或火炕這些熱源，使系統繼續運行。所涉及的半導體溫差電池中半導體材料選為Bi2Te3，其塞貝克係數α=530μν/k，取500μνΛ。我國北方夏天平均氣溫為38°C，室內溫度保持在26°C，通過熱管換熱器7、熱傳導器件8高效傳熱，可使冷端鋁板和熱端鋁板I溫差達12°C。蓄電池10選擇最常用的放電電壓為12V蓄電池，其最佳充電電壓為14. 5V-15V，所以為了將輸出電壓維持在14. 5V-15V，採用4.5 V低啟動電壓的升壓穩壓器件DC/DC轉換器LTM4605。經計算，溫差電池中共需要750對半導體熱電偶形成的熱電堆，考慮補償，在實際中應用800對。所涉及的直流電產生的半導體發電模塊6、熱管換熱器7和熱傳導器件8，是由800對半導體熱電偶形成的熱電堆。其製造方案如下a.溫差電材料Bi2Te3及其合金材料的切割方向，應使溫差電偶的長度方向沿材料的生長方向，從而保證溫差電偶處於優值最大的方向。b.本發明中溫差電偶臂尺寸較小，採用線切割或電火花切割可在很大程度上減小材料的損傷和切割損耗。所涉及的半導體溫差電池6需要安全、可靠、穩定運行，本發明在製造溫差電池時採用以下方案a.從電偶結構的改善上考慮，以儘量消除熱脹冷縮產生的機械應力，本發明的改善方法有①在導電體片3的中間部分開ー缺ロ或彎曲成弧形，從而使連接片具有一定的收縮性，從而減小作用在P-N電臂上的機械應カ在P-N電臂上加ー層過渡層，這種過渡層要求有足夠的塑性和較低的電阻，通常用錫或錫合金。塗加過渡層之後再與導電體片3釺焊成整體。為了小增加電阻，要求過渡層厚度小超過O. 3 mm;③金屬化陶瓷片硬度大，極易造成P-N電臂折斷。所以設計採用有一定柔性而又能起支撐作用的絕緣導熱矽脂2。b.為了在一定程度上提高熱電堆的接頭導電和導熱特性，在冷端鋁板和熱端鋁板I、絕緣導熱層矽脂2、導電體銅3、P型N型半導體4各接觸面間應選擇接觸性能較好的過渡焊料。c.除了過渡焊料外，還需要適當的エ藝ー焊接前，最好對各焊接表面進行化學清洗(腐蝕法)，焊接時則需要選擇適當的焊接溫度和時間。
權利要求
1.一種利用建築物內外環境溫差的發電系統，其特徵在於，利用建築物內外環境溫差的發電系統是在建築物外安裝熱管換熱器(7)，在建築物內安裝半導體溫差發電模塊(6)，熱傳導器件(8)與半導體溫差發電模塊(6)的散熱面固定在一起構成半導體溫差電池；半導體溫差電池的輸出與升壓穩壓器(9)的輸入連接、升壓穩壓器(9)的輸出分別連接蓄電池(10 )和家庭用電設備(11)。
2.根據權利要求I所述利用建築物內外環境溫差的發電系統，其特徵在於，所述半導體溫差發電模塊的結構是在一對P型半導體和N型半導體兩端焊接導電體銅(3)，使P型半導體和N型半導體串聯構成單個N-P半導體電池(4)，由M個N-P半導體電池(4)串聯組成半導體溫差發電模塊(6)，在半導體溫差發電模塊(6)兩端的導電體銅(3)表面塗覆一層絕緣導熱層矽脂(2 )，冷端鋁板(I)和熱端鋁板(1-1)分置於半導體發電模塊(6 )兩端絕緣導熱層矽脂(2)的最外層，用緊固螺栓(5)將冷端鋁板(I)和熱端鋁板(1-1)壓緊固定，構成半導體溫差發電模塊的冷端和熱端，然後半導體溫差發電模塊的冷端和熱端分別與熱管換熱器(7)和熱傳導器件(8)連接組成半導體溫差電池。
3.根據權利要求I所述利用建築物內外環境溫差的發電系統，其特徵在於，所述熱管換熱器(7)和熱傳導器件(8)承擔著熱源與冷源的吸放熱任務；夏秋季時，熱管換熱器(7)在室外接受太陽輻射和空氣對流換熱，並將熱量迅速高效地傳導至半導體溫差發電模塊的熱端鋁板上；熱傳導器件(8)在室內利用常溫水或空氣進行自然對流冷卻，將半導體溫差發電模塊冷端的鋁板溫度降低在室內溫度以下或保持在室內溫度，半導體溫差發電模塊在冷熱源的作用下，溫差發電模塊生成直流電，導入升壓穩壓電路模塊後，輸出穩定高壓電能，維持發電系統運行；春冬季時，室外為冷源，室內可利用地暖、爐子、暖氣或火炕這些熱源，使系統繼續運行。
4.根據權利要求I所述利用建築物內外環境溫差的發電系統，其特徵在於，所述熱管換熱器和熱傳導器件均由熱管或超導材料製造。
5.根據權利要求I所述利用建築物內外環境溫差的發電系統，其特徵在於，所述M個N-P半導體熱電偶中M為100-1000的正整數。
全文摘要
本發明公開了屬於熱能利用和節能技術領域的一種利用建築物內外環境溫差的發電系統。在建築物外安裝熱管換熱器，在建築物內安裝半導體溫差發電模塊，熱傳導器件與半導體溫差發電模塊的散熱面固定在一起構成半導體溫差電池；半導體溫差電池的輸出與升壓穩壓器、連接蓄電池和家庭用電設備。本發明利用家居房屋內部與外界環境所產生的溫差，驅動半導體溫差電池發電，並作為輔助電源廣泛應用於家庭用電設備。該系統具有無機械移動、無噪音、無汙染、無磨損、使用壽命長等優點；對於新能源開發具有重要的實際意義。
文檔編號H02N11/00GK102739115SQ20121019192
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月11日 優先權日2012年6月11日
發明者劉夢影, 周濤, 李精精, 蘇子威, 鄒文重 申請人:華北電力大學