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CN103078560A - 半导体温差发电系统 - Google Patents

半导体温差发电系统 Download PDF

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CN103078560A CN2013100102015A CN201310010201A CN103078560A CN 103078560 A CN103078560 A CN 103078560A CN 2013100102015 A CN2013100102015 A CN 2013100102015A CN 201310010201 A CN201310010201 A CN 201310010201A CN 103078560 A CN103078560 A CN 103078560A
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张星
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Tianjin University
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Abstract

本发明公开了一种半导体温差发电系统，包括相变传热结构和温差发电模块；所述相变传热结构由蒸发段和冷凝段组成，蒸发段的管路中充有根据热电材料最佳工作温度选用该温度范围内吸热量大、有用能损失小的工质；具有高温、中温和低温相变传热结构；所述温差发电模块亦选用与蒸发段相应的具有不同最佳工作温度的热电材料；热电材料热端紧贴冷凝段表面，热电材料冷端紧贴冷却通道壁面。本发明增大了相变传热结构在整个传热过程中的使用范围，减小了热源与发电器之间的温差，提高了系统的能量利用率，主要为汽车的电力系统提供电能。

Description

半导体温差发电系统
技术领域
本发明是关于半导体发电装置的，特别涉及一种将废弃汽车尾气的热能加以回收利用，将换热系统与温差发电系统相结合的半导体温差发电系统。
背景技术
温差发电技术是利用半导体材料的塞贝克效应，直接将热能转换成电能的技术。随着社会经济对能源需求的增多，能源的短缺、浪费和环境污染日益严重。半导体发电装置具有无震动，无噪音，结构紧凑，绿色环保且使用寿命长等特点，体积可大可小，且效率基本不受体积影响。利用其回收各种余热，可以减少余热直接排放到环境中造成的污染和浪费。因此，该类技术已引起越来越多的重视。在航空、军事等领域得到广泛应用。目前，随着汽车数量的增加，传统化石能源的消耗迅速增加，由此而来的环境和能源问题日益凸显，温差发电技术既能减少资源浪费又能产生电能供汽车本身使用，被认为是利用汽车废热的有效途径。
但是温差发电装置在实际应用中效率还很低，主要原因是半导体材料本身的限制和热量传递过程中温差较大引起的有用能损失。每种半导体材料都有其最佳工作温度，而作为热源的汽车尾气在发电过程中温度变化很大。有日本学者为此提出梯度热电材料的概念，把适用于不同温度区域的热电材料通过复合成梯度材料，使单一热电材料在对应的温度区域内保持最高的热电转换效率。理论计算表明这种方法确实提高了材料的转换率。在此基础上，还有人提出在尾气通道和半导体温差发电材料之间增设相变换热结构，利用相变换热热阻小，传热能力高的特点减少热源与发电器之间的温差，进一步提高整个系统的能量利用效率。但这种方法中只采用单一工质，热量传递受到工质工作温度范围的限制，对于作为热源的温度不断变化的汽车尾气，工质有效工作区域很窄，即：若选用较高相变温度的工质，当尾气温度低于工质相变温度时，低温部分不能进行相变换热，而选用相变温度较低的工质又会对高温部分造成热量的浪费，因此这种方法对整个系统效率的改善效果并不明显。
发明内容
本发明的目的，是克服现有技术的相变换热结构采用单一工质、热量传递受到工质工作温度范围的限制、使得整个系统效率较低的缺点，利用具有不同相变换热温度的相变换热工质的相变换热，扩大相变传热结构在整个传热过程中的使用范围，以达到减小传热过程中热量损失，提高能量利用率的目的，提供一种通过在尾气通道与热电材料高温热源之间增加相应的相变换热单元，并以具有不同最佳工作温度的热电材料作为热电转换材料的以汽车尾气作为高温热源的半导体温差发电系统。
本发明通过如下技术方案予以实现。
一种半导体温差发电系统，包括相变传热结构和温差发电模块，其特征在于，所述相变传热结构由高温蒸发段1-1、高温冷凝段2-1组成高温相变传热结构，由中温蒸发段1-2、中温冷凝段2-2组成中温相变传热结构，由低温蒸发段1-3、低温冷凝段2-3组成低温相变传热结构，每一组相变传热结构为一个封闭的循环系统；
所述温差发电模块由高温热电材料热端3-1、高温热电材料4-1和高温热电材料冷端5-1组成高温发电模块，由中温热电材料热端3-2、中温热电材料4-2、中温热电材料冷端5-2组成中温发电模块，由低温热电材料热端3-3、低温热电材料4-3、低温热电材料冷端5-3组成低温发电模块；
所述高温蒸发段1-1、中温蒸发段1-2和低温蒸发段1-3按照尾气温度由高到低依次放置在尾气通道6中；所述高温热电材料热端3-1、中温热电材料热端3-2、低温热电材料热端3-3和高温热电材料4-1、中温热电材料4-2、低温热电材料4-3及热电材料冷端5组成的高温、中温和低温温差发电模块分别设置在对应的高温冷凝段2-1、中温冷凝段2-2或者低温冷凝段2-3之间，热电材料冷端的外部设置有冷却通道9；所述高温、中温和低温温差发电模块每两块与一个冷却通道为一组，每个冷凝段之间设置有两组；
所述高温相变传热结构与高温热电材料的工作温度通常在400～500℃，选用正常沸点在此区间中且汽化潜热较高的工质，壳体材料选用不锈钢板，高温热电材料选用此温度区间中优值系数高的热电材料；
所述中温相变传热结构与中温热电材料的工作温度通常在250～400℃，选用正常沸点在此温度区间中且汽化潜热较高的工质，壳体采用铝、不锈钢或碳钢材料，中温热电材料选择此温度区间中优值系数高的热电材料；
所述低温相变传热结构与低温热电材料的工作温度通常在250℃以下，采用正常沸点在此区间中且汽化潜热较高的工质，壳体材料选用铜或者内壁经过处理的碳钢，低温热电材料为此区间中优值系数高的热电材料。
所述相变传热结构也可以由两组高温和低温相变传热结构组成，或者由多组相应温度的相变传热结构组成；所述温差发电模块与相变传热结构相适应，也可以由两组高温和低温发电模块组成，或者由多组相应温度的温差发电模块组成。
所述冷却通道9既可以采用水冷方式也可以采用空气冷却的方式。
所述高温相变工质为钠、钾、锂、银、铯或者铷，高温热电材料为SiGe、CoSb3、CeFe3RuSb12、氧化物型热电材料、方钴矿型热电材料或者Half-Heusler化合物热电材料。
所述中温相变工质为萘、联苯、导热姆-A、导热姆-E或者汞，中温热电材料为PbTe、TAGS或者AlPdMn。
所述低温相变工质为己烷、丙酮、乙醇、甲醇、甲苯或者经化学处理后的水，低温热电材料为Bi2Te3、Sb2Te3、金属合金固溶体材料或者BiSbTe。
本发明的有益效果，是通过在相变传热结构中使用相变温度不同的工质，利用其在特定温度范围内可达成吸热量大而有用能损失小的特点，将热量从高温排气传递至半导体发电器的热端，增大了相变传热结构在整个传热过程中的使用范围；通过对半导体温差发电系统的优化，进一步减小热源与发电器之间的温差，提高了系统的能量利用率；同时，将转化成的电能储存在汽车蓄电池内，为汽车的电力系统提供电能，节约了能源。
附图说明
图1是具有高中低温3种相变传热结构和高中低温3种发电模块的半导体温差发电系统结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是高温相变传热结构和高温发电模块相组合的立体结构示意图；
图4是具有高温低温2种相变传热结构和高温低温2种发电模块的半导体温差发电系统结构示意图；
图5是图4的俯视图。
本发明的附图标记如下：
1-1————高温蒸发段            2-1————高温冷凝段
1-2————中温蒸发段            2-2————中温冷凝段
1-3————低温蒸发段            2-3————低温冷凝段
3-1————高温热电材料热端      3-2————中温热电材料热端
3-3————低温热电材料热端      4-1————高温热电材料
4-2————中温热电材料          4-3————低温热电材料
5-1————高温热电材料冷端      5-2————中温热电材料冷端
5-3————低温热电材料冷端      6————尾气通道
7————尾气通道进口            8————尾气通道出口
9————冷却通道                10————冷却水进口
11————冷却水出口
具体实施方式
目前，汽车燃料燃烧所释放的能量只有34%-38%（柴油机）或25%-28%（汽油机）被有效利用，其他能量均以热能的形式排放到环境中，其中仅燃烧后废气带走的热量就占进入发动机中的燃料燃烧所产生热量的30%-45%,并且废气温度高达600～800℃，温差发电装置就是用来回收这部分热量并用于发电。为了提高废气余热回收的效率，减小尾气与发电器之间的温差，采用在尾气和发电器之间使用相变传热结构，但汽车尾气在排放过程中温度逐渐降低且跨度很大，因此选用单一工质难以兼顾尽量提高发电器热端的吸热量同时又尽量减小尾气与发电器热端之间的传热温差，于是考虑将尾气温度划分为几个不同的温度区间，并针对不同温度区间中选择相对吸热量大并传热温差小的工质实现在尾气和发电器之间进行相变传热，使每一种工质都能发挥其最优性能，提高整体效率。
本发明使用的半导体温差发电装置如图1、图2所示，包括相变传热结构和温差发电模块；所述温差发电模块选用具有不同最佳工作温度的热电材料，依次连接有热电材料热端、热电材料和热电材料冷端；所述相变传热结构由蒸发段和冷凝段组成；蒸发段的管路中充有相变换热的工作介质，并根据热电材料最佳工作温度选用该温度范围内达成吸热量大与有用能损失小的工质。管路之间设置有一定尺寸的空隙（如图3所示）。工作时，蒸发段设置在尾气通道中，汽车排出的尾气通过蒸发段上的空隙，将热量传给管路中的工质。冷凝段上开有槽道，温差发电模块和冷却通道固定在槽道中。温差发电模块的热端（即热电材料热端）紧贴冷凝段的表面，所述温差发电模块的冷端紧贴冷却通道壁面，冷却通道内通入冷却水或冷却空气对温差发电模块冷端进行冷却。高温、中温或者低温温差发电模块每两块与一个冷却通道为一组，每个冷凝段之间设置有两组，也可以根据实际需要设置为多组。
本发明中，可以根据尾气进入尾气通道的温度和所要求的出口温度分为高温工作区、中温工作区和低温工作区三个区域，在每一个工作区域中选择与此工作温度范围相符合的相变材料及温差热电材料。在高温段，工作温度通常在500℃左右，此时图1所示的半导体温差发电系统中可选用纳、钾等液态金属作为工作介质，壳体材料选用不锈钢板，连接在冷凝段的温差发电模块可选用SiGe等高温热电材料；在中温段，工作温度约为250～400℃，此时的工作介质可选用萘等液体工质，并使用铝、不锈钢或碳钢等材料的壳体，温差发电模块中使用的中温热电材料可以选择PbTe等在此温度区间内热电效率较高的中温热电材料；在低温段，工作温度通常限定在250℃以下，此时采用水（经化学处理后的）等低温工质作为工作介质，壳体材料选用铜或者内壁经过处理的碳钢，相应的低温热电材料可选用Bi2Te3、Sb2Te3等低温发电材料。
本发明的主要实施方式有两种：一种是使用高、低温两种相变换热工质作为相变传热结构的工作介质，并选取工作温度范围与其相对应的高温热电转换模块和低温热电转换模块组成半导体温差发电系统，参见图4、图5，冷却系统既可以采用水冷也可以采用空气冷却的方式；另一种是使用高、中、低三种相变换热工质作为相变传热结构的工作介质，并选取工作温度范围与其相对应的高温热电转换模块、中温热电转换模块和低温热电转换模块组成半导体温差发电系统，参见图1、图2，冷却系统既可以采用水冷也可以采用空气冷却的方式。
以下通过具体的实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
参见图4、图5，高温汽车尾气沿尾气通道6的进口7流入，尾气通道6中由高到低依次放置高温相变传热结构和低温相变传热结构，尾气先从高温相变传热结构的蒸发段1-1的空隙中流过（参见图3），壳体材料选用不锈钢板；高温工质液体为液态金属钠，在高温蒸发段1-1吸收尾气热量并蒸发，蒸气向上流入高温冷凝段2-1时将热量释放给与它相接触的高温热电材料热端3-1，同时冷凝为液体，冷凝液体再自系统两端流回高温蒸发段1-1，形成一个循环体系，不断将热量由高温尾气传至高温热电材料热端3-1；高温热电材料4-1为SiGe。高温材料冷端5-1紧贴冷却通道9，冷却通道中通入冷却水，这样就在高温热电材料4-1两端形成温差，根据塞贝克效应将产生电流，实现热能向电能的转换。尾气与高温相变传热结构进行热交换后，温度降低，再流经低温相变传热结构蒸发段1-3的空隙，与低温相变传热结构中的低温工质液体（水）进行换热，壳体材料选用铜或者内壁经过处理的碳钢，又有一部分热量自尾气经过蒸发段1-3和冷凝段2-3传至低温发电模块热端3-3，低温发电材料4-3为Bi2Te3。低温热电材料冷端5-3紧贴冷却通道9，冷却通道中通入冷却水，在低温热电材料4-3两端形成温度差，根据塞贝克效应将产生电流，实现由热能向电能的转换。尾气在温度进一步降低后从尾气通道出口8流出。
冷却通道9既可以采用水冷也可以采用空气冷却的方式。
实施例2
参见图1、图2，高温汽车尾气沿尾气通道入口流入，尾气通道中由高到低依次放置高温相变传热结构、中温相变传热结构和低温相变传热结构；尾气先从高温相变传热结构的蒸发段1-1的空隙中流过（参见图3），壳体材料选用不锈钢板；高温工质液体为液态金属钾，在高温蒸发段1-1吸收尾气热量并蒸发，蒸气向上流入高温冷凝段2-1时将热量释放给与它相接触的高温热电材料热端3-1，同时冷凝为液体，冷凝液体再自系统两端流回高温蒸发段1-1，形成一个循环体系，不断将热量由高温尾气传至高温热电材料热端3-1。高温热电材料4-1为SiGe。高温热电材料冷端5-1（即高温温差发电模块冷端）紧贴冷却通道9，通道中通入冷却水，这样就在高温热电材料4-1两端形成温差，根据塞贝克效应将产生电流，实现热能向电能的转换。尾气与高温相变传热结构进行热交换后，温度降低，再流经中温相变传热结构蒸发段1-2的空隙，与中温相变传热结构中的中温工质液体萘进行换热后，又有一部分热量自中温尾气传至中温发电模块热端3-2，中温发电材料4-2选择PbTe，中温热电材料冷端5-2（即中温温差发电模块冷端）紧贴冷却通道9，通道中通入冷却水，这样就在高温热电材料4-2两端形成温差，根据塞贝克效应将产生电流，实现热能向电能的转换。尾气的温度进一步降低后再流过低温相变传热结构蒸发段1-3的空隙，与低温相变传热结构中的低温工质液体水进行热交换，并将热量传至低温发电模块热端3-3，低温发电材料为Sb2Te3。低温热电材料冷端5-3（即低温温差发电模块冷端）紧贴冷却通道9，通道中通入冷却水，在低温热电材料4-3两端形成温度差，根据塞贝克效应将产生电流，实现由热能向电能的转换。尾气在温度进一步降低后从尾气通道出口8流出。
冷却通道9既可以采用水冷也可以采用空气冷却的方式。

Claims (6)

1.一种半导体温差发电系统，包括相变传热结构和温差发电模块，其特征在于，所述相变传热结构由高温蒸发段（1-1）、高温冷凝段（2-1）组成高温相变传热结构，由中温蒸发段（1-2）、中温冷凝段（2-2）组成中温相变传热结构，由低温蒸发段（1-3）、低温冷凝段（2-3）组成低温相变传热结构，每一组相变传热结构为一个封闭的循环系统；
所述温差发电模块由高温热电材料热端（3-1）、高温热电材料（4-1）和高温热电材料冷端（5-1）组成高温发电模块，由中温热电材料热端（3-2）、中温热电材料（4-2）、中温热电材料冷端（5-2）组成中温发电模块，由低温热电材料热端（3-3）、低温热电材料（4-3）、低温热电材料冷端（5-3）组成低温发电模块；
所述高温蒸发段（1-1）、中温蒸发段（1-2）和低温蒸发段（1-3）按照尾气温度由高到低依次放置在尾气通道（6）中；所述高温热电材料热端（3-1）、中温热电材料热端（3-2）、低温热电材料热端（3-3）和高温热电材料（4-1）、中温热电材料（4-2）、低温热电材料（4-3）及热电材料冷端（5）组成的高温、中温和低温温差发电模块分别设置在对应的高温冷凝段（2-1）、中温冷凝段（2-2）或者低温冷凝段（2-3）之间，热电材料冷端的外部设置有冷却通道（9）；所述高温、中温和低温温差发电模块每两块与一个冷却通道为一组，每个冷凝段之间设置有两组；
所述高温相变传热结构与高温热电材料的工作温度通常在400～500℃，选用正常沸点在此区间中且汽化潜热较高的工质，壳体材料选用不锈钢板，高温热电材料选用此温度区间中优值系数高的热电材料；
所述中温相变传热结构与中温热电材料的工作温度通常在250～400℃，选用正常沸点在此温度区间中且汽化潜热较高的工质，壳体采用铝、不锈钢或碳钢材料，中温热电材料选择此温度区间中优值系数高的热电材料；
所述低温相变传热结构与低温热电材料的工作温度通常在250℃以下，采用正常沸点在此区间中且汽化潜热较高的工质，壳体材料选用铜或者内壁经过处理的碳钢，低温热电材料为此区间中优值系数高的热电材料。
2.根据权利要求1的半导体温差发电系统，其特征在于，所述相变传热结构也可以由两组高温和低温相变传热结构组成，或者由多组相应温度的相变传热结构组成；所述温差发电模块与相变传热结构相适应，也可以由两组高温和低温发电模块组成，或者由多组相应温度的温差发电模块组成。
3.根据权利要求1的半导体温差发电系统，其特征在于，所述冷却通道（9）既可以采用水冷方式也可以采用空气冷却的方式。
4.根据权利要求1的半导体温差发电系统，其特征在于，所述高温相变工质为钠、钾、锂、银、铯或者铷，高温热电材料为SiGe、CoSb3、CeFe3RuSb12、氧化物型热电材料、方钴矿型热电材料或者Half-Heusler化合物热电材料。
5.根据权利要求1的半导体温差发电系统，其特征在于，所述中温相变工质为萘、联苯、导热姆-A、导热姆-E或者汞，中温热电材料为PbTe、TAGS或者AlPdMn。
6.根据权利要求1的半导体温差发电系统，其特征在于，所述低温相变工质为己烷、丙酮、乙醇、甲醇、甲苯或者经化学处理后的水，低温热电材料为Bi2Te3、Sb2Te3、金属合金固溶体材料或者BiSbTe。
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