本發明專利技術公開了一種半導體溫差發電系統，包括相變傳熱結構和溫差發電模塊；所述相變傳熱結構由蒸發段和冷凝段組成，蒸發段的管路中充有根據熱電材料最佳工作溫度選用該溫度范圍內吸熱量大、有用能損失小的工質；具有高溫、中溫和低溫相變傳熱結構；所述溫差發電模塊亦選用與蒸發段相應的具有不同最佳工作溫度的熱電材料；熱電材料熱端緊貼冷凝段表面，熱電材料冷端緊貼冷卻通道壁面。本發明專利技術增大了相變傳熱結構在整個傳熱過程中的使用范圍，減小了熱源與發電器之間的溫差，提高了系統的能量利用率，主要為汽車的電力系統提供電能。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術是關于半導體發電裝置的，特別涉及一種將廢棄汽車尾氣的熱能加以回收利用，將換熱系統與溫差發電系統相結合的半導體溫差發電系統。
技術介紹
溫差發電技術是利用半導體材料的塞貝克效應，直接將熱能轉換成電能的技術。隨著社會經濟對能源需求的增多，能源的短缺、浪費和環境污染日益嚴重。半導體發電裝置具有無震動，無噪音，結構緊湊，綠色環保且使用壽命長等特點，體積可大可小，且效率基本不受體積影響。利用其回收各種余熱，可以減少余熱直接排放到環境中造成的污染和浪費。因此，該類技術已引起越來越多的重視。在航空、軍事等領域得到廣泛應用。目前，隨著汽車數量的增加，傳統化石能源的消耗迅速增加，由此而來的環境和能源問題日益凸顯，溫差發電技術既能減少資源浪費又能產生電能供汽車本身使用，被認為是利用汽車廢熱的有效途徑。但是溫差發電裝置在實際應用中效率還很低，主要原因是半導體材料本身的限制和熱量傳遞過程中溫差較大引起的有用能損失。每種半導體材料都有其最佳工作溫度，而作為熱源的汽車尾氣在發電過程中溫度變化很大。有日本學者為此提出梯度熱電材料的概念，把適用于不同溫度區域的熱電材料通過復合成梯度材料，使單一熱電材料在對應的溫度區域內保持最高的熱電轉換效率。理論計算表明這種方法確實提高了材料的轉換率。在此基礎上，還有人提出在尾氣通道和半導體溫差發電材料之間增設相變換熱結構，利用相變換熱熱阻小，傳熱能力高的特點減少熱源與發電器之間的溫差，進一步提高整個系統的能量利用效率。但這種方法中只采用單一工質，熱量傳遞受到工質工作溫度范圍的限制，對于作為熱源的溫度不斷變化的汽車尾氣，工質有效工作區域很窄，即若選用較高相變溫度的工質，當尾氣溫度低于工質相變溫度時，低溫部分不能進行相變換熱，而選用相變溫度較低的工質又會對高溫部分造成熱量的浪費，因此這種方法對整個系統效率的改善效果并不明顯。
技術實現思路
本專利技術的目的，是克服現有技術的相變換熱結構采用單一工質、熱量傳遞受到工質工作溫度范圍的限制、使得整個系統效率較低的缺點，利用具有不同相變換熱溫度的相變換熱工質的相變換熱，擴大相變傳熱結構在整個傳熱過程中的使用范圍，以達到減小傳熱過程中熱量損失，提高能量利用率的目的，提供一種通過在尾氣通道與熱電材料高溫熱源之間增加相應的相變換熱單元，并以具有不同最佳工作溫度的熱電材料作為熱電轉換材料的以汽車尾氣作為高溫熱源的半導體溫差發電系統。本專利技術通過如下技術方案予以實現。一種半導體溫差發電系統，包括相變傳熱結構和溫差發電模塊，其特征在于，所述相變傳熱結構由高溫蒸發段1-1、高溫冷凝段2-1組成高溫相變傳熱結構，由中溫蒸發段1-2、中溫冷凝段2-2組成中溫相變傳熱結構，由低溫蒸發段1-3、低溫冷凝段2-3組成低溫相變傳熱結構，每一組相變傳熱結構為一個封閉的循環系統；所述溫差發電模塊由高溫熱電材料熱端3-1、高溫熱電材料4-1和高溫熱電材料冷端5-1組成高溫發電模塊，由中溫熱電材料熱端3-2、中溫熱電材料4-2、中溫熱電材料冷端5-2組成中溫發電模塊，由低溫熱電材料熱端3-3、低溫熱電材料4-3、低溫熱電材料冷端5-3組成低溫發電模塊；所述高溫蒸發段1-1、中溫蒸發段1-2和低溫蒸發段1-3按照尾氣溫度由高到低依次放置在尾氣通道6中；所述高溫熱電材料熱端3-1、中溫熱電材料熱端3-2、低溫熱電材料熱端3-3和高溫熱電材料4-1、中溫熱電材料4-2、低溫熱電材料4-3及熱電材料冷端5組成的高溫、中溫和低溫溫差發電模塊分別設置在對應的高溫冷凝段2-1、中溫冷凝段2-2或者低溫冷凝段2-3之間，熱電材料冷端的外部設置有冷卻通道9 ;所述高溫、中溫和低溫溫差發電模塊每兩塊與一個冷卻通道為一組，每個冷凝段之間設置有兩組；所述高溫相變傳熱結構與高溫熱電材料的工作溫度通常在400 500°C，選用正常沸點在此區間中且汽化潛熱較高的工質，殼體材料選用不銹鋼板，高溫熱電材料選用此溫度區間中優值系數高的熱電材料；所述中溫相變傳熱結構與中溫熱電材料的工作溫度通常在250 400°C，選用正常沸點在此溫度區間中且汽化潛熱較高的工質，殼體采用鋁、不銹鋼或碳鋼材料，中溫熱電材料選擇此溫度區間中優值系數高的熱電材料；所述低溫相變傳熱結構與低溫熱電材料的工作溫度通常在250°C以下，采用正常沸點在此區間中且汽化潛熱較高的工質，殼體材料選用銅或者內壁經過處理的碳鋼，低溫熱電材料為此區間中優值系數高的熱電材料。所述相變傳熱結構也可以由兩組高溫和低溫相變傳熱結構組成，或者由多組相應溫度的相變傳熱結構組成；所述溫差發電模塊與相變傳熱結構相適應，也可以由兩組高溫和低溫發電模塊組成，或者由多組相應溫度的溫差發電模塊組成。所述冷卻通道9既可以采用水冷方式也可以采用空氣冷卻的方式。所述高溫相變工質為鈉、鉀、鋰、銀、銫或者銣，高溫熱電材料為SiGe、CoSb3、CeFe3RuSb12、氧化物型熱電材料、方鈷礦型熱電材料或者Half-Heusler化合物熱電材料。所述中溫相變工質為萘、聯苯、導熱姆-A、導熱姆-E或者汞，中溫熱電材料為PbTe、TAGS 或者 AlPdMn。所述低溫相變工質為己烷、丙酮、乙醇、甲醇、甲苯或者經化學處理后的水，低溫熱電材料為Bi2Te3、Sb2Te3、金屬合金固溶體材料或者BiSbTe。本專利技術的有益效果，是通過在相變傳熱結構中使用相變溫度不同的工質，利用其在特定溫度范圍內可達成吸熱量大而有用能損失小的特點，將熱量從高溫排氣傳遞至半導體發電器的熱端，增大了相變傳熱結構在整個傳熱過程中的使用范圍；通過對半導體溫差發電系統的優化，進一步減小熱源與發電器之間的溫差，提高了系統的能量利用率；同時，將轉化成的電能儲存在汽車蓄電池內，為汽車的電力系統提供電能，節約了能源。附圖說明圖1是具有高中低溫3種相變傳熱結構和高中低溫3種發電模塊的半導體溫差發電系統結構示意圖；圖2是圖1的俯視圖；圖3是高溫相變傳熱結構和高溫發電模塊相組合的立體結構示意圖；圖4是具有高溫低溫2種相變傳熱結構和高溫低溫2種發電模塊的半導體溫差發電系統結構示意圖；圖5是圖4的俯視圖。本專利技術的附圖標記如下:1-1-高溫蒸發段2-1-高溫冷凝段1-2-中溫蒸發段2-2-中溫冷凝段1-3-低溫蒸發段2-3-低溫冷凝段3-1-高溫熱電材料熱端 3-2-中溫熱電材料熱端3-3-低溫熱電材料熱端 4-1-高溫熱電材料4-2-中溫熱電材料4-3-低溫熱電材料5-1-高溫熱電材料冷端 5-2-中溫熱電材料冷端5-3-低溫熱電材料冷端 6-尾氣通道 7-尾氣通道進口8-尾氣通道出口9-冷卻通道10-冷卻水進口11-冷卻水出口具體實施例方式目前，汽車燃料燃燒所釋放的能量只有34%_38%(柴油機)或25%_28% (汽油機)被有效利用，其他能量均以熱能的形式排放到環境中，其中僅燃燒后廢氣帶走的熱量就占進入發動機中的燃料燃燒所產生熱量的30%-45%，并且廢氣溫度高達600 800°C，溫差發電裝置就是用來回收這部分熱量并用于發電。為了提高廢氣余熱回收的效率，減小尾氣與發電器之間的溫差，采用在尾氣和發電器之間使用相變傳熱結構，但汽車尾氣在排放過程中溫度逐漸降低且跨度很大，因此選用單一工質難以兼顧盡量提高發電器熱端的吸熱量同時又盡量減小尾氣與發電器熱端之間本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種半導體溫差發電系統，包括相變傳熱結構和溫差發電模塊，其特征在于，所述相變傳熱結構由高溫蒸發段（1?1）、高溫冷凝段（2?1）組成高溫相變傳熱結構，由中溫蒸發段（1?2）、中溫冷凝段（2?2）組成中溫相變傳熱結構，由低溫蒸發段（1?3）、低溫冷凝段（2?3）組成低溫相變傳熱結構，每一組相變傳熱結構為一個封閉的循環系統；所述溫差發電模塊由高溫熱電材料熱端（3?1）、高溫熱電材料（4?1）和高溫熱電材料冷端（5?1）組成高溫發電模塊，由中溫熱電材料熱端（3?2）、中溫熱電材料（4?2）、中溫熱電材料冷端（5?2）組成中溫發電模塊，由低溫熱電材料熱端（3?3）、低溫熱電材料（4?3）、低溫熱電材料冷端（5?3）組成低溫發電模塊；所述高溫蒸發段（1?1）、中溫蒸發段（1?2）和低溫蒸發段（1?3）按照尾氣溫度由高到低依次放置在尾氣通道（6）中；所述高溫熱電材料熱端（3?1）、中溫熱電材料熱端（3?2）、低溫熱電材料熱端（3?3）和高溫熱電材料（4?1）、中溫熱電材料（4?2）、低溫熱電材料（4?3）及熱電材料冷端（5）組成的高溫、中溫和低溫溫差發電模塊分別設置在對應的高溫冷凝段（2?1）、中溫冷凝段（2?2）或者低溫冷凝段（2?3）之間，熱電材料冷端的外部設置有冷卻通道（9）；所述高溫、中溫和低溫溫差發電模塊每兩塊與一個冷卻通道為一組，每個冷凝段之間設置有兩組；所述高溫相變傳熱結構與高溫熱電材料的工作溫度通常在400～500℃，選用正常沸點在此區間中且汽化潛熱較高的工質，殼體材料選用不銹鋼板，高溫熱電材料選用此溫度區間中優值系數高的熱電材料；所述中溫相變傳熱結構與中溫熱電材料的工作溫度通常在250～400℃，選用正常沸點在此溫度區間中且汽化潛熱較高的工質，殼體采用鋁、不銹鋼或碳鋼材料，中溫熱電材料選擇此溫度區間中優值系數高的熱電材料；所述低溫相變傳熱結構與低溫熱電材料的工作溫度通常在250℃以下，采用正常沸點在此區間中且汽化潛熱較高的工質，殼體材料選用銅或者內壁經過處理的碳鋼，低溫熱電材料為此區間中優值系數高的熱電材料。...
【技術特征摘要】
1.一種半導體溫差發電系統，包括相變傳熱結構和溫差發電模塊，其特征在于，所述相變傳熱結構由高溫蒸發段(1-1 )、高溫冷凝段(2-1)組成高溫相變傳熱結構，由中溫蒸發段(1-2)、中溫冷凝段(2-2)組成中溫相變傳熱結構，由低溫蒸發段(1-3)、低溫冷凝段(2-3)組成低溫相變傳熱結構，每一組相變傳熱結構為一個封閉的循環系統； 所述溫差發電模塊由高溫熱電材料熱端(3-1 )、高溫熱電材料(4-1)和高溫熱電材料冷端(5-1)組成高溫發電模塊，由中溫熱電材料熱端(3-2)、中溫熱電材料(4-2)、中溫熱電材料冷端(5-2 )組成中溫發電模塊，由低溫熱電材料熱端(3-3 )、低溫熱電材料(4-3 )、低溫熱電材料冷端(5-3 )組成低溫發電模塊； 所述高溫蒸發段(1-1 )、中溫蒸發段(1-2)和低溫蒸發段(1-3)按照尾氣溫度由高到低依次放置在尾氣通道(6)中；所述高溫熱電材料熱端(3-1)、中溫熱電材料熱端(3-2)、低溫熱電材料熱端(3-3 )和高溫熱電材料(4-1)、中溫熱電材料(4-2 )、低溫熱電材料(4-3 )及熱電材料冷端(5)組成的高溫、中溫和低溫溫差發電模塊分別設置在對應的高溫冷凝段(2-1)、中溫冷凝段(2-2)或者低溫冷凝段(2-3)之間，熱電材料冷端的外部設置有冷卻通道(9);所述高溫、中溫和低溫溫差發電模塊每兩塊與一個冷卻通道為一組，每個冷凝段之間設置有兩組； 所述高溫相變傳熱結構與高溫熱電材料的工作溫度通常在400 500°C，選用正常沸點在此區間中且汽化潛熱較高的工質，殼體材料選用不銹鋼板，高溫熱電材料選用此溫度區間中優值系數高...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王世學，張星，魯池，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：
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