CN204304843U - 一种柔性自支撑型的温差发电结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种柔性自支撑型温差发电结构。从下而上依次粘接有绝缘层、下底面粘有下层柔性导线的下层纺织层、柔性薄膜基底层和上底面粘有上层柔性导线的上层纺织层。热电臂的上、下端面均包裹了粘有柔性导线层的纺织层，纺织层能支撑热电臂；在纺织中粘结柔性导线的方式作为电连接层，加工电连接层的工艺简单；采用PDMS作为基底层材料，因为其具有低热导率且有柔性，能减少因空气对流和热传导带来的热量损失，提高能量利用率；加工成本低、制造工艺简单，有利于大批量生产；稳定可靠、质量小、抗冲击性能好，如佩戴在人体表面，更为舒适；具有高度柔性，能很好的贴合曲面热源，应用范围更为宽广，适用各种形式的热源。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种温差发电结构，尤其涉及一种柔性自支撑型的温差发电结构。
背景技术
随着世界能源危机、环境污染等问题的日益加剧以及人口的迅速增长，人类对能源的需求日益增强，迫切需要一种新型可再生能源来替代传统能源。温差发电技术是一种绿色环保的发电方式，它可以将太阳能、地热能、工业余热、人体热能等各种形式的热能充分利用起来，转化成为能够储存、直接利用的电能，具有十分重大的研究价值。
温差发电是一种新型的发电方式，它是利用塞贝克效应将热能直接转换成为电能：当两种不同的半导体材料（金属）连接成一个闭合回路，将它们的接点分别放置在温度不同的地方，在器件的两端建立一个温差，将会产生一个电压，这样构成的一个温差发电器可将自然界中的热能直接转化为电能。由于温差发电器件具有以下优点：无移动部件、无污染、结构简单、无噪音、轻便、易于小型化、即使小温差存在的条件下就可将热能直接转换成电能，使得温差发电技术具有广泛的应用前景。
目前温差发电器最大的缺点就是热电转换效率低、加工设备昂贵且加工成本高。现有的商用温差发电器均为刚性器件，以陶瓷或铝基板作为支撑的基底。刚性器件不具有柔性，当热源表面不平整或不是平面的情况下，安装和使用均受到限制。陶瓷作为基底支撑热电材料，不仅增加了热量损失，也增加了结构重量。现有的柔性温差发电器的加工工艺一般比较复杂，加工设备昂贵，使之不适合大批量推广生产。因此，开发一种转换效率高、加工工艺简单、加工成本低、具有高度柔性、轻便、有自支撑性能的温差发电结构具有非常大的应用价值。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种柔性自支撑型的温差发电结构，用于解决温差发电器发电效率低、加工工艺复杂、加工成本高、结构刚性且质量大的问题。
本实用新型采用的技术方案是：
本实用新型从下而上依次粘接有绝缘层、下底面粘有下层柔性导线的下层纺织层、柔性薄膜基底层和上底面粘有上层柔性导线的上层纺织层。
所述的柔性薄膜基底层上面等距分布有N×N偶数个通孔，每行间通孔内均填满有相间排布的P型热电臂和N型热电臂，上层纺织层和下层纺织层分别与P型热电臂和N型热电臂的上下端粘结成一体，使下层纺织层中的下层柔性导线与P型热电臂和下一个相邻的N型热电臂下端导通，使上层纺织层中的上层柔性导线与N型热电臂和下一个相邻的P型热电臂上端导通，每一行边缘的P型热电臂和每一行边缘的N型热电臂分别用导线串接后引出。
所述柔性薄膜基底层材料为PDMS。
所述绝缘层，下层纺织层，柔性薄膜基底层和上层纺织层尺寸均相同。
本实用新型具有的有益效果是：
1)热电臂的上、下端面均包裹了粘有柔性导线的纺织层，纺织层具有很好的韧性，能支撑热电臂，对比其它材料如陶瓷和铝板作为支撑层，减少了结构重量，同时减少在支撑层的热量损失。
2)采用在纺织层外表面粘结柔性导线的方式作为电连接层，加工电连接层的工艺相对简单。
3)采用类似PDMS这种材料作为基底层材料，因为其具有低热导率且有柔性，能减少因空气对流和热传导带来的热量损失，提高能量利用率。
4)加工成本低、制造工艺简单，有利于大批量生产。
5)稳定可靠、质量小、抗冲击性能好，如佩戴在人体表面，更为舒适。
6)具有高度柔性，能很好的贴合曲面热源，应用范围更为宽广，适用各种形式的热源。
附图说明
图1是本实用新型整体结构爆炸示意图。
图2是本实用新型整体结构等轴侧视图。
图3是本实用新型柔性薄膜基底层等轴侧视图。
图4是图2的俯视图。
图5是图4的B-B剖面视图。
图中：1、上层柔性导线，2、上层纺织层，3、P型热电臂，4、N型热电臂，5、柔性薄膜基底，6、下层柔性导线，7、下层纺织层，8、绝缘层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，本实用新型包括从下而上依次粘接有绝缘层8、下底面粘有下层柔性导线6的下层纺织层7、柔性薄膜基底层5和上底面粘有上层柔性导线1的上层纺织层2。
所述的柔性薄膜基底层5上面等距分布有N×N偶数个通孔(图2中为2×2)，每行通孔内均填满有相间排布的P型热电臂3和N型热电臂4，每行排列均相同。上层纺织层2和下层纺织层7分别与P型热电臂4和N型热电臂5的上下端粘结成一体，使下层纺织层7中的下层柔性导线6与P型热电臂3和下一个相邻的N型热电臂4下端导通；使上层纺织层2中的上层柔性导线1与N型热电臂4和下一个相邻的P型热电臂3上端导通，每一行边缘的P型热电臂3和每一行边缘的N型热电臂4分别用导线串接后引出，由于图中为2×2个通孔，所以下层柔性导线6将P型热电臂3和相邻的N性热电臂4下端导通，上层导线直接将边缘P型热电臂3和N型热电臂4分别各自串接后引出，构成一种柔性自支撑型温差发电结构。
将上层柔性导线1的引出端与外部连接，形成热电回路。将该结构下端的绝缘层8贴合热源表面，即可利用热源温度和环境温度的梯度进行发电。
所述下层柔性导线6和上层柔性导线1分别包裹在热电臂的上下端面内，三者粘结在一起，上、下纺织层起到支撑热电臂的作用。
所述柔性薄膜基底层5材料为PDMS。
所述绝缘层8，下层纺织层7，柔性薄膜基底层5和上层纺织层2尺寸均相同。
本实用新型的工作原理如下：
根据塞贝克效应，在P型热电臂及N型热电臂组成的闭合回路中，当热电臂两端存在温度差时，两端就会产生电压。由于单对热电偶产生的电压很低，因此，可采用“热路并联，电路串联”的方式，将热电单元设计成多排多对的热电模块从而提高输出电压值。
上、下层柔性导线在纺织层上的粘结排布要使得：P型热电臂和相邻N型热电臂的上端（即冷端）用上层柔性导线连接，N型热电臂和相邻的P型热电臂的下端（即热端）用下层柔性导线连接。按以上要求，在上、下纺织层的外表面的相应位置粘结上、下层柔性导线。将纺织层裁剪成与柔性薄膜基底层的大小一致，将上纺织层与柔性薄膜基底层上端面前后左右对齐覆盖住。同理，下纺织层与柔性薄膜基底的下端面前后左右对齐覆盖住，使上、下纺织层覆盖柔性薄膜基底层上下端面。N型热电材料和P型热电材料与粘结剂制成混合浆料，依次相间填充在柔性薄膜基底层的每行通孔中,每行填充方式均一样。热电浆料填充通孔时渗透上下纺织层，固化后热电臂上下端面包裹住上下层纺织层，同时包裹住粘结在上下纺织层外表面的上下柔性导线层，三者粘结成一体。当该结构底部绝缘层贴合热源表面时，热流沿着热电臂传导，由于薄膜柔性基底层导热率极低，导致的热损失可大大减少，温差发电器冷端表面有冷空气进行对流和传导散热，因此可在P型和N型热电臂的两端形成较大的温差，该发明利用这种温差进行发电。该自支撑型柔性温差发电结构与用陶瓷、硅作为基底的刚性结构比较，本实用新型具有高度柔性、轻便、灵活、能量利用率高、加工工艺简单、加工成本低、体积小的优点，能适应各种形式的热源表面例如人体表面，应用范围更广，适应性更强。
本实用新型在具体实施中的其中一种制备过程，具体包括：
1、加工柔性薄膜基底层：材料以PDMS(polydimethylsiloxane)为例
1)采用3D打印机打印出带微凸台的模具，模具用酒精、乙醇、去离子水分别清洗干净。
2)配置10:1PDMS溶液，在真空箱中脱泡处理后浇注在加工的带微凸台的模具上，若还有气泡，再进行脱泡处理。将模具和PDMS放置在真空干燥箱中80℃保温3h进行固化。固化后，用胶带黏住PDMS的一边缓缓撕下，将模具中的PDMS基底层剥落，加热至完全固化。
2、制作粘有柔性导线层的上下纺织层：以玻璃布和裹银柔性导线为例
购买商用的玻璃布和裹银柔性导线，将纺织层裁剪成与柔性薄膜基底层的大小一致，覆盖在柔性薄膜基底层上下端面。上下层柔性导线在上下纺织层上的粘结排布要使得：P型热电臂和下一个相邻的N型热电臂上端用上层柔性导线连接，N型热电臂和下一个相邻的相邻的P型热电臂的下端用下层柔性导线层连接。按以上要求，将裹银柔性导线裁剪成相应长度的小段，在上、下纺织层的外表面和P型热电臂与N型热电臂的相对应位置布置并粘结好。
3、加工热电层：热电粉末以碲化铋粉末为例
购买陶瓷粘结剂和热电材料如碲化铋粉末，将碲化铋粉末用球磨机磨成100目的小颗粒， 然后将热电粉末和陶瓷粘结剂用搅拌器搅拌均匀。纺织层与柔性薄膜基底层的前后左右对齐铺设好上下层纺织层，然后用喷墨打印机将混合浆料注入到柔性薄膜基底层的通孔中。热电浆料渗透过纺织层和柔性导线填满通孔，并覆盖住纺织层和柔性导线。固化后，热电臂包裹住纺织层和柔性导线，三者粘结一体。
4、加工绝缘层：绝缘层可以选择PI膜或PET薄膜，用剪刀裁剪，尺寸与柔性薄膜基底层一样。 用粘结剂将绝缘层粘结在加工好的热电层底部。
5、将加工好的整体结构在常温下固化24h，之后在温度为120℃的真空干燥箱中退火固化6h。将该结构绝缘层贴合热源如人体皮肤表面，冷端表面接触冷源如冷空气，将柔性导线引出端连接外部电路构成回路，就可以利用人体与环境间的温差发电。
Claims (4)
1.一种柔性自支撑型温差发电结构，其特征在于：从下而上依次粘接有绝缘层(8)、下底面粘有下层柔性导线(6)的下层纺织层(7)、柔性薄膜基底层(5)和上底面粘有上层柔性导线(1)的上层纺织层(2)。
2.根据权利要求1所述的一种柔性自支撑型温差发电结构，其特征在于：所述的柔性薄膜基底层(5)上面等距分布有N×N偶数个通孔，每行间通孔内均填满有相间排布的P型热电臂(3)和N型热电臂(4)，上层纺织层(2)和下层纺织层(7)分别与P型热电臂(4)和N型热电臂(5)的上下端粘结成一体，使下层纺织层(7)中的下层柔性导线(6)与P型热电臂(3)和下一个相邻的N型热电臂(4)下端导通，使上层纺织层(2)中的上层柔性导线(1)与N型热电臂(4)和下一个相邻的P型热电臂(3)上端导通，每一行边缘的P型热电臂(3)和每一行边缘的N型热电臂(4)分别用导线串接后引出。
3.根据权利要求1所述的一种柔性自支撑型温差发电结构，其特征在于：所述柔性薄膜基底层（5）材料为PDMS。
4.根据权利要求1所述的一种柔性自支撑型温差发电结构，其特征在于：所述绝缘层(8)，下层纺织层(7)，柔性薄膜基底层(5)和上层纺织层(2)尺寸均相同。
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