專利名稱：一種利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱能利用和節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及ー種利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
エ業(yè)文明以來(lái)，人類極大地推動(dòng)了科技文明的發(fā)展，創(chuàng)造了巨大的物質(zhì)財(cái)富。但是，一系列全球資源短缺、環(huán)境問(wèn)題不僅嚴(yán)重地制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步發(fā)展，而且對(duì)人類的繼續(xù)生存構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。眾所周知，自然界中存在的常規(guī)能源，包括石油、天然氣和煤炭的數(shù)量是十分有限的。而且這些能源取用都己經(jīng)對(duì)地球的生態(tài)環(huán)境造成了很大的破壞，引起了很多棘手的問(wèn)題。比如目前運(yùn)行的火力發(fā)電廠的廢氣排放，以及汽車(chē)尾氣里的ニ氧化碳的持續(xù)排放等，引起了日趨嚴(yán)重的溫室效應(yīng)；エ農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及交通運(yùn)輸?shù)娜紵龔U棄物氧化硫、氧化氮等酸性氣體轉(zhuǎn)化為酸雨；發(fā)生嚴(yán)重事故時(shí)，核電站發(fā)生的核輻射、核泄漏也給人類帶 來(lái)了巨大的災(zāi)難，許多國(guó)家都在重新評(píng)價(jià)核電發(fā)展問(wèn)題。因此，解決環(huán)境和能源缺ロ問(wèn)題己經(jīng)成為21世紀(jì)人類面臨的嚴(yán)重問(wèn)題。中國(guó)處在持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵階段，開(kāi)發(fā)新能源和充分利用低品位能源、廢能源具有重大意義。同時(shí)，通過(guò)節(jié)能可以節(jié)約大量燃料，對(duì)于降低我國(guó)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(guó)在各種エ業(yè)過(guò)程中存在大量的熱能浪費(fèi)現(xiàn)象，因此發(fā)展各種環(huán)境友好的節(jié)能技術(shù)，是十分重要的。在對(duì)低品位熱源合理利用中，溫差發(fā)電是ー種新型的發(fā)電方式，具有清潔，無(wú)噪音污染，無(wú)有害物質(zhì)排放，高效，壽命長(zhǎng)，堅(jiān)固耐用，可靠性高，簡(jiǎn)單穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，符合綠色環(huán)保要求，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。溫差發(fā)電技術(shù)的研究最早開(kāi)始于20世紀(jì)40年代。借于其顯著的優(yōu)點(diǎn)，溫差發(fā)電在航空、軍事等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，美國(guó)、前蘇聯(lián)先后研發(fā)了數(shù)千個(gè)放射性同位素或核反應(yīng)堆溫差發(fā)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(guó)、日本、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家更加重視溫差發(fā)電技術(shù)在民用領(lǐng)域的研究，并取得了一定的進(jìn)展。1988年美國(guó)生產(chǎn)了ー種燃燒式溫差發(fā)電器，可使用多種軍用燃油，一次裝載后能實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電；2003年黎巴嫩大學(xué)的學(xué)者利用該國(guó)的一種做飯用的火爐外壁的高溫與環(huán)境的溫差來(lái)發(fā)電。但直接利用利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差設(shè)計(jì)的家用發(fā)電系統(tǒng)卻并未涉及。我國(guó)在半導(dǎo)體溫差發(fā)電的研究方面具有一定的實(shí)力，許多研究人員都致カ于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(chē)尾氣的固體吸附式空調(diào)器，又如利用太陽(yáng)能的熱水器-制冷空調(diào)復(fù)合機(jī)，但是利用熱電效應(yīng)直接把低品位的熱能轉(zhuǎn)換為電能的研究在國(guó)內(nèi)卻很少提及。國(guó)內(nèi)在溫差電的應(yīng)用方面仍處于起步階段，因此本發(fā)明利用溫差直接發(fā)電有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供了ー種利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)是在建筑物外安裝熱管換熱器7，在建筑物內(nèi)安裝半導(dǎo)體發(fā)電模塊6，熱傳導(dǎo)器件8與半導(dǎo)體發(fā)電模塊6的散熱面固定在一起構(gòu)成半導(dǎo)體溫差電池；半導(dǎo)體溫差電池的輸出與升壓穩(wěn)壓器9的輸入連接、升壓穩(wěn)壓器9的輸出分別連接蓄電池10和家庭用電設(shè)備11。所述半導(dǎo)體發(fā)電模塊的結(jié)構(gòu)是在ー對(duì)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩端焊接導(dǎo)電體銅3，使P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體串聯(lián)構(gòu)成單個(gè)N-P半導(dǎo)體電池4，由M個(gè)N-P半導(dǎo)體電池4串聯(lián)組成半導(dǎo)體發(fā)電模塊6，在半導(dǎo)體發(fā)電模塊6兩端的導(dǎo)電體銅3表面涂覆ー層絕緣導(dǎo)熱層硅脂2，冷端鋁板I和熱端鋁板1-1分置于半導(dǎo)體發(fā)電模塊6兩端絕緣導(dǎo)熱層硅脂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(gòu)成半導(dǎo)體發(fā)電模塊的冷端和熱端，然后半導(dǎo)體發(fā)電模塊的冷端和熱端分別與熱管換熱器7和熱傳導(dǎo)器件8連接組成半導(dǎo)體溫差電池。所述熱管換熱器7和熱傳導(dǎo)器件8承擔(dān)著熱源與冷源的吸放熱任務(wù)；夏秋季吋，熱管換熱器7在室外接受太陽(yáng)輻射和空氣對(duì)流換熱，并將熱量迅速高效地傳導(dǎo)至半導(dǎo)體發(fā)電 模塊的熱端鋁板上；熱傳導(dǎo)器件8在室內(nèi)利用常溫水或空氣進(jìn)行自然對(duì)流冷卻，將半導(dǎo)體發(fā)電模塊冷端的鋁板溫度降低在室內(nèi)溫度以下或保持在室內(nèi)溫度；半導(dǎo)體發(fā)電模塊在溫差的作用下，生成直流電；直流電被導(dǎo)入升壓穩(wěn)壓電路模塊后，輸出穩(wěn)定的高壓電流，從而維持家庭用電器運(yùn)行；春冬季時(shí)，室外為冷源，室內(nèi)可利用地暖、爐子、暖氣或火炕這些熱源，使系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。所述熱管換熱器和熱傳導(dǎo)器件均由熱管或超導(dǎo)材料制造。所述M個(gè)N-P半導(dǎo)體電池中M為100-1000的正整數(shù)。本發(fā)明的有益效果是利用塞貝克效應(yīng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了半導(dǎo)體溫差電池；利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電，產(chǎn)生直流電，并將直流電直接用于家庭電器；或先用蓄電池把電儲(chǔ)存起來(lái)，再用于它用。本發(fā)明充分利用低品位熱能，可節(jié)約常規(guī)燃料，保護(hù)環(huán)境。該裝置簡(jiǎn)單易行，無(wú)需化學(xué)反應(yīng)且無(wú)機(jī)械移動(dòng)部分，具有清潔，無(wú)噪音污染，無(wú)有害物質(zhì)排放，壽命長(zhǎng)，堅(jiān)固耐用，可靠性高，簡(jiǎn)單穩(wěn)定，價(jià)格便宜等一系列特點(diǎn)。與目前常用方法相比，該系統(tǒng)可隨季節(jié)互調(diào)吸、放熱裝置；實(shí)現(xiàn)低成本，相對(duì)高效率溫差發(fā)電；易于推廣，市場(chǎng)前景美好。


圖I為利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)示意圖。圖2為半導(dǎo)體溫差發(fā)電基本原理示意圖。圖3為ー種半導(dǎo)體溫差電池優(yōu)化設(shè)計(jì)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供ー種利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)。下面結(jié)合附圖予以說(shuō)明。圖I是利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)圖。系統(tǒng)由半導(dǎo)體發(fā)電模塊6、熱管換熱器7、熱傳導(dǎo)器件8、升壓穩(wěn)壓器9、蓄電池10以及家庭用電設(shè)備11構(gòu)成。圖中，在建筑物外安裝熱管換熱器7，在建筑物內(nèi)安裝半導(dǎo)體發(fā)電模塊6，熱傳導(dǎo)器件8與半導(dǎo)體發(fā)電模塊6的散熱面固定在一起構(gòu)成半導(dǎo)體溫差電池；半導(dǎo)體溫差電池的輸出與升壓穩(wěn)壓器9的輸入連接、升壓穩(wěn)壓器9的輸出分別連接蓄電池10和家庭用電設(shè)備11。
圖3所示為ー種半導(dǎo)體溫差電池優(yōu)化設(shè)計(jì)圖。圖中所示半導(dǎo)體發(fā)電模塊的結(jié)構(gòu)是在ー對(duì)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩端焊接導(dǎo)電體銅3，使P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體串聯(lián)構(gòu)成單個(gè)N-P半導(dǎo)體電池4，由M個(gè)N-P半導(dǎo)體電池4串聯(lián)組成半導(dǎo)體發(fā)電模塊6，在半導(dǎo)體發(fā)電模塊6兩端的導(dǎo)電體銅3表面涂覆ー層絕緣導(dǎo)熱層硅脂2，冷端鋁板I和熱端鋁板1-1分置于半導(dǎo)體發(fā)電模塊6兩端絕緣導(dǎo)熱層硅脂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(gòu)成半導(dǎo)體發(fā)電模塊的冷端和熱端，然后半導(dǎo)體發(fā)電模塊的冷端和熱端分別與熱管換熱器7和熱傳導(dǎo)器件8連接組成半導(dǎo)體溫差電池。所述由熱管或超導(dǎo)材料制造的熱管換熱器7和熱傳導(dǎo)器件8承擔(dān)著熱源與冷源的吸放熱任務(wù)；夏秋季時(shí)，熱管換熱器7在室外接受太陽(yáng)輻射和空氣對(duì)流換熱，并將熱量迅速高效地傳導(dǎo)至半導(dǎo)體發(fā)電模塊的熱端鋁板上；熱傳導(dǎo)器件8在室內(nèi)利用常溫水或空氣進(jìn)行自然對(duì)流冷卻，將半導(dǎo)體發(fā)電模塊冷端的鋁板溫度降低在室內(nèi)溫度以下或保持在室內(nèi)溫度，半導(dǎo)體發(fā)電模塊在溫差的作用下，生成直流電(如圖2所示的半導(dǎo)體溫差發(fā)電基本原理)，為提高直流電品質(zhì)，被導(dǎo)入升壓穩(wěn)壓器9，從而輸出穩(wěn)定高壓電能；此時(shí)電能便可用于 蓄電池10以及家庭用電設(shè)備11，如發(fā)光二極管，鋰電池，電動(dòng)車(chē)蓄電池，電腦，電風(fēng)扇等等；春冬季時(shí)，室外為冷源，室內(nèi)可利用地暖、爐子、暖氣或火炕這些熱源，使系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。所涉及的半導(dǎo)體溫差電池中半導(dǎo)體材料選為Bi2Te3，其塞貝克系數(shù)α=530μν/k，取500μνΛ。我國(guó)北方夏天平均氣溫為38°C，室內(nèi)溫度保持在26°C，通過(guò)熱管換熱器7、熱傳導(dǎo)器件8高效傳熱，可使冷端鋁板和熱端鋁板I溫差達(dá)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，采用4.5 V低啟動(dòng)電壓的升壓穩(wěn)壓器件DC/DC轉(zhuǎn)換器LTM4605。經(jīng)計(jì)算，溫差電池中共需要750對(duì)半導(dǎo)體熱電偶形成的熱電堆，考慮補(bǔ)償，在實(shí)際中應(yīng)用800對(duì)。所涉及的直流電產(chǎn)生的半導(dǎo)體發(fā)電模塊6、熱管換熱器7和熱傳導(dǎo)器件8，是由800對(duì)半導(dǎo)體熱電偶形成的熱電堆。其制造方案如下a.溫差電材料Bi2Te3及其合金材料的切割方向，應(yīng)使溫差電偶的長(zhǎng)度方向沿材料的生長(zhǎng)方向，從而保證溫差電偶處于優(yōu)值最大的方向。b.本發(fā)明中溫差電偶臂尺寸較小，采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(dǎo)體溫差電池6需要安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，本發(fā)明在制造溫差電池時(shí)采用以下方案a.從電偶結(jié)構(gòu)的改善上考慮，以盡量消除熱脹冷縮產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，本發(fā)明的改善方法有①在導(dǎo)電體片3的中間部分開(kāi)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(jī)械應(yīng)カ在P-N電臂上加ー層過(guò)渡層，這種過(guò)渡層要求有足夠的塑性和較低的電阻，通常用錫或錫合金。涂加過(guò)渡層之后再與導(dǎo)電體片3釬焊成整體。為了小增加電阻，要求過(guò)渡層厚度小超過(guò)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(shè)計(jì)采用有一定柔性而又能起支撐作用的絕緣導(dǎo)熱硅脂2。b.為了在一定程度上提高熱電堆的接頭導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性，在冷端鋁板和熱端鋁板I、絕緣導(dǎo)熱層硅脂2、導(dǎo)電體銅3、P型N型半導(dǎo)體4各接觸面間應(yīng)選擇接觸性能較好的過(guò)渡焊料。c.除了過(guò)渡焊料外，還需要適當(dāng)?shù)磨ㄋ嚛`焊接前，最好對(duì)各焊接表面進(jìn)行化學(xué)清洗(腐蝕法)，焊接時(shí)則需要選擇適當(dāng)?shù)暮附訙囟群蜁r(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)是在建筑物外安裝熱管換熱器(7)，在建筑物內(nèi)安裝半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊(6)，熱傳導(dǎo)器件(8)與半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊(6)的散熱面固定在一起構(gòu)成半導(dǎo)體溫差電池；半導(dǎo)體溫差電池的輸出與升壓穩(wěn)壓器(9)的輸入連接、升壓穩(wěn)壓器(9)的輸出分別連接蓄電池(10 )和家庭用電設(shè)備(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的結(jié)構(gòu)是在一對(duì)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩端焊接導(dǎo)電體銅(3)，使P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體串聯(lián)構(gòu)成單個(gè)N-P半導(dǎo)體電池(4)，由M個(gè)N-P半導(dǎo)體電池(4)串聯(lián)組成半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊(6)，在半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊(6)兩端的導(dǎo)電體銅(3)表面涂覆一層絕緣導(dǎo)熱層硅脂(2 )，冷端鋁板(I)和熱端鋁板(1-1)分置于半導(dǎo)體發(fā)電模塊(6 )兩端絕緣導(dǎo)熱層硅脂(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(gòu)成半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的冷端和熱端，然后半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的冷端和熱端分別與熱管換熱器(7)和熱傳導(dǎo)器件(8)連接組成半導(dǎo)體溫差電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述熱管換熱器(7)和熱傳導(dǎo)器件(8)承擔(dān)著熱源與冷源的吸放熱任務(wù)；夏秋季時(shí)，熱管換熱器(7)在室外接受太陽(yáng)輻射和空氣對(duì)流換熱，并將熱量迅速高效地傳導(dǎo)至半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的熱端鋁板上；熱傳導(dǎo)器件(8)在室內(nèi)利用常溫水或空氣進(jìn)行自然對(duì)流冷卻，將半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊冷端的鋁板溫度降低在室內(nèi)溫度以下或保持在室內(nèi)溫度，半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊在冷熱源的作用下，溫差發(fā)電模塊生成直流電，導(dǎo)入升壓穩(wěn)壓電路模塊后，輸出穩(wěn)定高壓電能，維持發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行；春冬季時(shí)，室外為冷源，室內(nèi)可利用地暖、爐子、暖氣或火炕這些熱源，使系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述熱管換熱器和熱傳導(dǎo)器件均由熱管或超導(dǎo)材料制造。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，所述M個(gè)N-P半導(dǎo)體熱電偶中M為100-1000的正整數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了屬于熱能利用和節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域的一種利用建筑物內(nèi)外環(huán)境溫差的發(fā)電系統(tǒng)。在建筑物外安裝熱管換熱器，在建筑物內(nèi)安裝半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊，熱傳導(dǎo)器件與半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊的散熱面固定在一起構(gòu)成半導(dǎo)體溫差電池；半導(dǎo)體溫差電池的輸出與升壓穩(wěn)壓器、連接蓄電池和家庭用電設(shè)備。本發(fā)明利用家居房屋內(nèi)部與外界環(huán)境所產(chǎn)生的溫差，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體溫差電池發(fā)電，并作為輔助電源廣泛應(yīng)用于家庭用電設(shè)備。該系統(tǒng)具有無(wú)機(jī)械移動(dòng)、無(wú)噪音、無(wú)污染、無(wú)磨損、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；對(duì)于新能源開(kāi)發(fā)具有重要的實(shí)際意義。
文檔編號(hào)H02N11/00GK102739115SQ20121019192
公開(kāi)日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月11日
發(fā)明者劉夢(mèng)影, 周濤, 李精精, 蘇子威, 鄒文重 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)