專利名稱：內(nèi)冷式溫差發(fā)電熱電裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種溫差發(fā)電熱電裝置，特別是一種能置于熱源內(nèi)部的內(nèi)冷式溫差發(fā)電熱電裝置。
背景技術：
熱電材料是一種通過材料內(nèi)部載流子運動實現(xiàn)熱能和電能相互直接轉(zhuǎn)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(shù)量的p型熱電材料和n型熱電材料串聯(lián)起來，可以制成溫差電池。當溫差電池兩側(cè)存在溫度差時，電池的輸出端將有電壓，當電池連接負載并導通時，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(lián)數(shù)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。
用熱電材料制造的溫差電池具有無機械運動部件、無污染、無噪聲、免維護、長壽命、高可靠性等突出優(yōu)點。采用不同特性的熱電材料制造的溫差電池可以適用于不同的溫度范圍，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(jīng)在深層空間航天器、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于野外作業(yè)和邊遠地區(qū)；以余熱廢熱作為熱源的中低溫型溫差電池，可以應用于石油輸送管道陰極保護電源和廢熱發(fā)電。
工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的余熱廢熱是應當予以充分利用的綠色能源。但對于低品位工業(yè)余熱廢熱，采用常規(guī)的汽輪機發(fā)電機技術的發(fā)電效率非常低，在經(jīng)濟上是不可行的，而溫差發(fā)電技術在這方面將有廣闊的發(fā)展前景。
如前所述，溫差電池發(fā)電時需要在電池兩側(cè)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(cè)(熱電材料的熱端)要與熱源直接接觸以達到盡可能高的溫度，另一側(cè)(熱電材料的冷端)需要冷卻以保持盡可能低的溫度。目前采用的冷端冷卻技術主要有強制冷卻和自然冷卻兩種方案。前者采用風機或水泵在冷端鼓風或通循環(huán)冷卻水，其優(yōu)點是冷卻效果好，缺點是冷卻過程本身要耗費電能。后者采用輔助散熱片與環(huán)境之間自然對流冷卻，其優(yōu)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(yè)的余熱廢熱主要存在于厚壁隔熱管道(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(nèi)部則不能實現(xiàn)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(nèi)容針對現(xiàn)有技術中存在的不足之處，本實用新型提供一種結(jié)構(gòu)簡單、無需動力源就能進行循環(huán)冷卻，從而能提高輸出電量值的利用余熱進行發(fā)電的內(nèi)冷式溫差發(fā)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(xiàn)的提供一種內(nèi)冷式溫差發(fā)電熱電裝置，包括內(nèi)冷卻溫差發(fā)電主體部分和外循環(huán)冷卻輔助部分，內(nèi)冷卻溫差發(fā)電主體部分包括與電源輸出線相連的溫差電池，內(nèi)冷卻溫差發(fā)電主體部分還包括內(nèi)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(huán)冷卻輔助部分包括內(nèi)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(nèi)冷式溫差發(fā)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(nèi)冷卻液的最高水平面高于溫差電池的最高點。
作為本實用新型的內(nèi)冷式溫差發(fā)電熱電裝置的進一步改進出水管的出口通過冷卻塔后與蓄水池的頂部相連通。
作為本實用新型的內(nèi)冷式溫差發(fā)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(nèi)冷式溫差發(fā)電熱電裝置，實際使用時，如圖2所示，將內(nèi)冷卻溫差發(fā)電主體部分置于熱源內(nèi)部，外循環(huán)冷卻輔助部分置于熱源的外部。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(jīng)出水管、冷卻塔返回蓄水池；同時蓄水池中的冷水經(jīng)進水管補充到冷卻腔內(nèi)，從而實現(xiàn)對置于熱源內(nèi)部的溫差電池冷端的連續(xù)冷卻。上述的冷卻水循環(huán)過程，不需要水泵驅(qū)動進行強制循環(huán)，即實現(xiàn)了所述的無動力水循環(huán)。由于其無需消耗電能來驅(qū)動水泵，從而能增大整個發(fā)電裝置的總能量輸出；且由于取消了水泵這個零部件，整個裝置的結(jié)構(gòu)也更簡單。


圖1是本實用新型的內(nèi)冷式溫差發(fā)電熱電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的使用狀態(tài)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(nèi)冷式溫差發(fā)電熱電裝置，包括內(nèi)冷卻溫差發(fā)電主體部分和外循環(huán)冷卻輔助部分。內(nèi)冷卻溫差發(fā)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(nèi)充滿冷卻液。溫差電池所用的熱電材料，根據(jù)使用溫度的不同分別采用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分布于冷卻腔1的兩側(cè)，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盡可能的獲得足夠的低溫。外循環(huán)冷卻輔助部分包括內(nèi)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位于蓄水池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出來后，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(nèi)部。必須保證在任何工作狀態(tài)下，蓄水池7內(nèi)冷卻液的最高水平面8高于溫差電池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(nèi)冷式溫差發(fā)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，置于熱源100的內(nèi)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置于熱源100的外部，即外界環(huán)境中。熱源100內(nèi)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(nèi)的冷卻液吸收溫差電池2的冷端11的熱量，受熱后膨脹上升，經(jīng)出水管4的自然冷卻、冷卻塔6的進一步冷卻后流回蓄水池7。同時蓄水池7內(nèi)的冷卻后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(xiàn)對置于熱源100內(nèi)部的溫差電池2的冷端11的連續(xù)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(nèi)部安裝一個耗電省的小水泵。
實施例1、當熱源100內(nèi)的溫度達到200℃時，溫差電池2采用Bi2Te3基熱電材料，測得出口5的水溫為85℃，蓄水池7內(nèi)的水溫為46℃，最大輸出功率為913W/m2。
實施例2、當熱源100內(nèi)的溫度達到750℃時，溫差電池2采用FeSi2基熱電材料，測得出口5的水溫為87℃，蓄水池7內(nèi)的水溫為46℃，最大輸出功率為3.25kW/m2。
實施例3、當熱源100內(nèi)的溫度達到1000℃時，溫差電池2采用SiGe基熱電材料，測得出口5的水溫為90℃，蓄水池7內(nèi)的水溫為50℃，最大輸出功率為22.1kW/m2。
最后，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，本實用新型不限于以上實施例，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(nèi)容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種內(nèi)冷式溫差發(fā)電熱電裝置，包括內(nèi)冷卻溫差發(fā)電主體部分和外循環(huán)冷卻輔助部分，所述內(nèi)冷卻溫差發(fā)電主體部分包括與電源輸出線(3)相連的溫差電池(2)，其特征是所述內(nèi)冷卻溫差發(fā)電主體部分還包括內(nèi)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(huán)冷卻輔助部分包括內(nèi)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(jù)權利要求1所述的內(nèi)冷式溫差發(fā)電熱電裝置，其特征是所述溫差電池(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(nèi)冷卻液的最高水平面(8)高于溫差電池(2)的最高點(10)。
3.根據(jù)權利要求2所述的內(nèi)冷式溫差發(fā)電熱電裝置，其特征是所述出水管(4)的出口(5)通過冷卻塔(6)后與蓄水池(7)的頂部相連通。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的內(nèi)冷式溫差發(fā)電熱電裝置，其特征是所述進水管(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(nèi)冷式溫差發(fā)電熱電裝置，包括內(nèi)冷卻溫差發(fā)電主體部分和外循環(huán)冷卻輔助部分，內(nèi)冷卻溫差發(fā)電主體部分包括與電源輸出線(3)相連的溫差電池(2)、內(nèi)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(huán)冷卻輔助部分包括內(nèi)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(nèi)冷式溫差發(fā)電熱電裝置，結(jié)構(gòu)簡單、無需動力源就能進行循環(huán)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(yōu)先權日2005年10月17日
發(fā)明者倪華良, 趙新兵, 朱鐵軍, 曹高劭, 涂江平 申請人:浙江大學