一種黃沙集熱式半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種黃沙集熱式半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)主要有三大部分組成：形成高溫的黃沙集熱部分、形成低溫的液體冷卻部分、利用溫差進行發(fā)電的發(fā)電模塊部分。形成高溫的黃沙集熱部分主要有隔熱板（2）、精選黃沙（3）、塑料薄膜（4）、支撐架（7）組成；形成低溫的液體冷卻部分主要有液體冷卻池（14）、冷卻液（9）、冷卻液注入口（1）、冷卻液排出口（8）組成；利用溫差進行發(fā)電的發(fā)電模塊部分主要有高溫端導(dǎo)熱固定材料（5）、低溫端導(dǎo)熱固定材料（10）、導(dǎo)電體（11）、導(dǎo)電體（13）、P型半導(dǎo)體熱電材料（15）、N型半導(dǎo)體熱電材料（12）、正極接線端子（16）、負極接線端子（6）相互連接組成。本發(fā)電系統(tǒng)極大的降低了投資成本，充分利用自然能量，而且相比其他發(fā)電方式，具有無污染，壽命長，穩(wěn)定性好,可靠性高的特點。隨著半導(dǎo)體材料的不斷發(fā)展，它將會成為一款更加普遍和有效的新型能源系統(tǒng)。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種黃沙集熱式半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)，屬于新能源領(lǐng)域。 一種黃沙集熱式半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng) 技術(shù)背景
[0002] 隨著社會的高度發(fā)展，能源短缺和環(huán)保問題成為21世紀(jì)人們面臨的重大問題。人 們不斷探索和發(fā)展新型，綠色能源。溫差發(fā)電技術(shù)是在上世紀(jì)中期隨著半導(dǎo)體熱電轉(zhuǎn)換材 料的發(fā)現(xiàn)不斷發(fā)展起來的新型發(fā)電方式。此技術(shù)是以塞貝克效應(yīng)為原理的利用固體材料 進行能量轉(zhuǎn)化的新技術(shù)。具有無污染，可靠性好，穩(wěn)定性高，壽命長等特點。隨著半導(dǎo)體材 料的不斷發(fā)展，今年來溫差發(fā)電在國內(nèi)外得到不錯的發(fā)展。80年代初期，美國完成了軍用 50(T1000 W溫差發(fā)電機的研制，并在80年代末正式列入部隊武裝。日本TYK公司研制的用 于垃圾焚燒熱的溫差發(fā)電裝置，也已成熟，很好的解決了城市固體廢物的處理問題。2003 年6月10日和7月7日，美國發(fā)射的"勇氣"號和"機遇"號火星探測器上也相繼運用了放 射性同位素溫差發(fā)電器。在日本，利用汽車尾氣進行發(fā)電的小型溫差發(fā)電機已經(jīng)量產(chǎn)，功率 可達100w，可節(jié)省燃油5%。在國內(nèi)，探月二期工程論證會上，專家論證了采用同位素溫差發(fā) 電器提供電能的可行性。由中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院設(shè)計的鋁電解槽側(cè)壁余熱利用的 溫差發(fā)電裝置也測試成功。可以看出，溫差發(fā)電在國內(nèi)發(fā)展還不成熟，只在高端領(lǐng)域有所進 展，而在工業(yè)和民用中利用很少。但是，現(xiàn)有的發(fā)電模塊，為了保證有效的產(chǎn)電溫差，都是借 助光學(xué)，化學(xué)，以及人造熱源提供溫度。如此一來，整個裝置只起到一個能量轉(zhuǎn)化的作用，此 設(shè)計旨在利用黃沙吸熱強這一自然現(xiàn)象，在已有半導(dǎo)體熱電材料的基礎(chǔ)上充分利用自然資 源進行發(fā)電，投資成本低，可進行小功率發(fā)電，將這一技術(shù)推向工業(yè)和民用。隨著半導(dǎo)體材 料的不斷發(fā)展，此技術(shù)可以不斷進行改進，使未來進行大規(guī)模，大功率，高效率溫差發(fā)電成 為可能。 實用新型內(nèi)容
[0003] 沙子吸熱效率很高，但是散熱也快，這樣天然的自然資源具有很好的利用價值，我 們從這一現(xiàn)象出發(fā)，依據(jù)賽貝克效應(yīng)，利用固體裝置轉(zhuǎn)化此熱量，將太陽能產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化 成為人類有用的電能。
[0004] 溫差發(fā)電器是基于塞貝克效應(yīng)原理的一種熱電轉(zhuǎn)化裝置，可直接將熱能轉(zhuǎn)化為電 能且沒有機械運動。塞貝克效應(yīng)的實質(zhì)在于兩種金屬接觸時會產(chǎn)生接觸電勢差，該電勢差 取決于兩種金屬中的電子溢出功不同及兩種金屬中電子濃度不同造成的?；谌惪诵?yīng) 的溫差發(fā)電原理為：P型和N型兩種不同的半導(dǎo)體熱電材料串聯(lián)，形成一個熱電轉(zhuǎn)換模塊， 并構(gòu)成有效回路，由絕緣導(dǎo)熱的陶瓷片將半導(dǎo)體熱電材料固定。當(dāng)半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生穩(wěn)定溫 差時，在熱激發(fā)作用下，空穴和電子在載流子濃度梯度的驅(qū)動下從高溫端向低溫端擴散，回 路中形成電勢差A(yù)V，也就是溫差電動勢。AV=a s (I\-T2)，其中as為熱電轉(zhuǎn)換材料的塞 貝克系數(shù)。將電路經(jīng)過交流直流轉(zhuǎn)化，穩(wěn)壓變壓模塊后接入儲電設(shè)備或者負載，或者電路中 直接接入負載使用。
[0005] 在溫差發(fā)電的原理確定的條件下，產(chǎn)生電能的最主要因素是如何獲得這一溫差， 現(xiàn)有溫差發(fā)電模塊大多數(shù)采用廢熱利用或者同位素化學(xué)方法產(chǎn)生溫差，本實用新型的創(chuàng)新 之處就是，利用沙漠中的黃沙因含有豐富的二氧化硅而具有很強的吸熱作用這一現(xiàn)象，利 用黃沙超強的集熱作用，將這樣自然界普遍存在的巨大能量轉(zhuǎn)化成生活中必須的電能。
[0006] -種黃沙集熱式半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)主要有三大部分組成：形成高溫的黃沙集熱 部分、形成低溫的液體冷卻部分、利用溫差進行發(fā)電的發(fā)電模塊部分。形成高溫的黃沙集熱 部分主
[0007] 要有隔熱板（2)、精選黃沙（3)、塑料薄膜（4)、支撐架（7)組成；形成低溫的液體 冷卻部分主要有液體冷卻池（14)、冷卻液（9)、冷卻液注入口（1)、冷卻液排出口（8)組成； 利用溫差進行發(fā)電的發(fā)電模塊部分主要有高溫端導(dǎo)熱固定材料（5)、低溫端導(dǎo)熱固定材料 (10)、導(dǎo)電體（11)、導(dǎo)電體（13)、P型半導(dǎo)體熱電材料（15)、N型半導(dǎo)體熱電材料（12)、正極 接線端子（16)、負極接線端子（6)相互連接組成。
[0008] 所述的一種黃沙集熱式半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)，其特征是：形成高溫的黃沙集熱部 分又分以下組成：
[0009] 1)取沙漠中二氧化硅含量高的黃沙進行篩選，以黃沙為集熱介質(zhì)；
[0010] 2)隔熱板上的開孔要與發(fā)電模塊部分的高溫端導(dǎo)熱固定材料（5)的幾何形狀一 致，呈長方形或者正方形，并且發(fā)電模塊的上端與孔緊密配合安裝；
[0011] 3)在隔熱板上鋪設(shè)一層隔熱材料，聚氨酯發(fā)泡板（PU/PIR)，導(dǎo)熱系數(shù)0. 02、. 035 WAK · m);或者氣凝膠氈，導(dǎo)熱系數(shù)0. 018WAK · m)，可將其制成硬性板狀材料；使上端集熱 部分的熱量向下轉(zhuǎn)移；
[0012] 4)精選黃沙（3)的鋪設(shè)要保持有發(fā)電模塊高溫端導(dǎo)熱固定材料（5)的方向上沙 子厚度為15_25mm ;
[0013] 5)薄膜的鋪設(shè)要保證有發(fā)電模塊高溫端導(dǎo)熱固定材料的方向上，薄膜形成凸龔， 無發(fā)電模塊的方向上成凹槽，并且薄膜要保持完好無損，四周邊緣處密封；
[0014] 所述的一種黃沙集熱式半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)，其特征是：其形成低溫的液體冷卻 部分有以下幾部分構(gòu)成：
[0015] 1)液體冷卻池（14)與外界有隔熱的作用，保持低溫；
[0016] 2)液體注入口（1)和液體排出口（8)暢通，保證液體的循環(huán)速度恒定，使冷卻液 的溫度不超過5°C ;冷卻液采用自來水或者溫度低的工業(yè)廢水；
[0017] 所述的一種黃沙集熱式半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)，其特征是：利用溫差進行發(fā)電的發(fā) 電模塊部分有以下組成部分：
[0018] 1)將P型半導(dǎo)體溫差熱電材料，N型半導(dǎo)體溫差熱電材料，依次用導(dǎo)電性好的導(dǎo) 電體交替串聯(lián)，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體與導(dǎo)電體連接部分采用焊接或者軟性導(dǎo)電材料連 接，保證充分接觸、電路導(dǎo)通，并且接觸面積要大；
[0019] 2)取導(dǎo)熱性能好并且絕緣的陶瓷材料，將連接固定好的半導(dǎo)體材料和導(dǎo)電體采 用螺釘固定或者耐高溫膠水固定的方式固定陶瓷緣材料上，上下兩塊導(dǎo)熱陶瓷材料將熱電 材料固定成一個集成模塊；每個模塊產(chǎn)生測量值相近的電流和電壓；每個模塊采用相同數(shù) 量、相同規(guī)格的導(dǎo)電體和半導(dǎo)體材料；
[0020] 3)絕緣材料水平放置時，導(dǎo)電體片是橫向水平固定在絕緣材料上的；而半導(dǎo)體材 料是垂直并且N型和P型交替排列的；半導(dǎo)體片狀材料的排列距離保持30-50mm ;
[0021] 4)按照發(fā)電模塊或單元的布置情況，將A、B、C串聯(lián)后，再將列與列并列。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1 :基于塞貝克效應(yīng)的半導(dǎo)體溫差發(fā)電原理圖。
[0023] 圖2 :溫差發(fā)電系統(tǒng)布置示意圖。
[0024] 圖3 :溫差發(fā)電模塊或單元布置示意圖。
[0025] 圖4 :溫差發(fā)電系統(tǒng)電能利用宏觀示意圖。
[0026] 圖中：1、冷卻液注入口；2、隔熱板；3、精選黃沙；4、塑料薄膜；5、高溫端導(dǎo)熱固定 材料；6、負極接線端子；7、支撐架；8、冷卻液排出口；9、冷卻液；10、低溫端導(dǎo)熱固定材料； 11、導(dǎo)電體；12、N型半導(dǎo)體熱電材料；13、導(dǎo)電體；14液體冷卻池；15、P型半導(dǎo)體熱電材料； 16、正極接線端子。 具體實施方案
[0027] -，建立一定尺寸的冷卻池（14)，或者起到冷卻作用的冷卻液槽或冷卻液管，冷卻 裝置分別開冷卻液注入口（1)和冷卻液排放口（8)，保證冷卻液的正常循環(huán)。
[0028] 二，取P型半導(dǎo)體熱電材料（15)和N型半導(dǎo)體熱電材料（12)，通過導(dǎo)電體（11和 13)交替串聯(lián)。導(dǎo)電體和半導(dǎo)體的接觸部分采用焊接或者耐高溫導(dǎo)電膠結(jié)，保證良好的導(dǎo)電 性。將半導(dǎo)體和金屬片用兩塊玻璃或者陶瓷制的導(dǎo)熱固定材料（5和10)固定成一個模塊 或者單元。其中：半導(dǎo)體溫差發(fā)電片為矩形片狀，直立放置。導(dǎo)電體通常采用銅片等導(dǎo)電系 數(shù)較高的材料。各自數(shù)量可根據(jù)蓄水池的大小和固定材料的尺寸大小確定，一般情況下，連 接20-100片半導(dǎo)體熱電材料，固定成一個單元。
[0029] 三，取隔熱板（2)，在隔熱板上開與導(dǎo)熱固定材料（5)形狀尺寸一致的孔，并將(二） 中設(shè)計的發(fā)電模塊緊密固定到孔洞中，并將固定模塊上表面露出，然后將整個隔熱板用支 撐架（7)支撐后放入蓄水池中。其中：每塊隔熱板上固定有若干個發(fā)電模塊或單元，將一行 或一列發(fā)電模塊串聯(lián)起來形成回路，再將行與行或者列與列串聯(lián)好的模塊并聯(lián)，使電能大 功率輸出，輸出的電能經(jīng)過變壓、穩(wěn)壓設(shè)備的處理后，接入負載或者儲電設(shè)備。
[0030] 四，在隔熱板上鋪設(shè)聚氨酯發(fā)泡板（？"?11〇，導(dǎo)熱系數(shù)0.02、.035 1八1(1);或 者氣凝膠氈，導(dǎo)熱系數(shù)〇. 018WAK · m)的絕熱材料，起到更好的隔絕熱交換和熱傳遞的作 用。絕熱材料的開孔和隔熱板的開孔保持一致，然后在絕熱材料上均勻鋪撒干燥的黃沙，使 有發(fā)電模塊高溫端導(dǎo)熱固定材料（5)的部分沙子厚度為15-25mm，其他部分可以略薄，形成 凹槽。將沙子鋪設(shè)完畢后在沙子上覆蓋塑料薄膜。其中薄膜的作用有兩個：其一，下雨可以 防止沙子變濕。其二，可以起到升溫和保溫作用。使發(fā)電系統(tǒng)高溫端達到更高的溫度，高溫 持續(xù)時間更長，有利于形成較大溫差，對發(fā)電有利。
[0031] 五，沙子上鋪設(shè)薄膜，在一個特定的方向上，有發(fā)電模塊高溫端導(dǎo)熱固定材料的直 線上，保持鋪設(shè)薄膜后成龔，無發(fā)電模塊的相鄰方向上成凹槽，并且薄膜要保持完好無損， 四周邊緣處密封。這樣刮風(fēng)時塑料薄膜不會被毀壞，下雨后不會淋濕黃沙并且雨水可以從 鋪設(shè)的凹槽順利排出。薄膜可以用普通薄膜，或者吸熱較強的黑色薄膜，也可以用處理過的 更加吸熱的涂層薄膜，讓薄膜起到更好的升溫和保溫作用。
[0032] 六，將蓄水池中注入溫度低于5°C的自來水或者溫度很低的工業(yè)廢水，不斷地保證 冷卻液體的持續(xù)循環(huán)來降低發(fā)電設(shè)備低溫端的溫度。
[0033] 七，當(dāng)天氣晴朗，沙子受光照之后迅速升溫，由于覆蓋薄膜的作用，沙子溫度會到 達80°C甚至更高，并且保持每天6-8小時的高溫，實驗證明在溫差達到60°C，就會有3-5v 電流產(chǎn)生。
[0034] 本實用新型的有益效果：
[0035] 有效的利用了沙漠中黃沙具有很強的吸熱作用這一自然現(xiàn)象，并利用這一天然能 源。有效的將太陽能產(chǎn)生的熱量間接的轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體溫差發(fā)電裝置的高溫端，使之形成產(chǎn) 電溫差；為了使高溫端的溫度更高，高溫持續(xù)時間更久，并且保證不受雨水的影響，在沙子 上覆蓋塑料薄膜，這一方法從一定程度上節(jié)約了整個發(fā)電系統(tǒng)的投入成本；整個發(fā)電系統(tǒng)， 除了溫差發(fā)電片需要從一定的廠家訂購以外，其他部分全部為生活中常見的物件，容易購 買和加工組裝。整個發(fā)電系統(tǒng)是基于賽貝克效應(yīng)具體應(yīng)用的一種方法和模式的創(chuàng)新。
【權(quán)利要求】
1. 一種黃沙集熱式半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)主要有三大部分組成：形成高溫的黃沙集熱 部分、形成低溫的液體冷卻部分、利用溫差進行發(fā)電的發(fā)電模塊部分； 形成高溫的黃沙集熱部分主要有隔熱板（2)、精選黃沙（3)、塑料薄膜（4)、支撐架（7) 組成；形成低溫的液體冷卻部分主要有液體冷卻池（14)、冷卻液（9)、冷卻液注入口（ 1 )、冷 卻液排出口（8)組成；利用溫差進行發(fā)電的發(fā)電模塊部分主要有高溫端導(dǎo)熱固定材料（5)、 低溫端導(dǎo)熱固定材料（10)、導(dǎo)電體（11)、導(dǎo)電體（13)、P型半導(dǎo)體熱電材料（15)、N型半導(dǎo) 體熱電材料（12)、正極接線端子（16)、負極接線端子（6)相互連接組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種黃沙集熱式半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)，其特征是：形成高溫 的黃沙集熱部分又分以下組成： 1)取沙漠中二氧化硅含量高的黃沙進行篩選，以黃沙為集熱介質(zhì)； 2)隔熱板上的開孔要與發(fā)電模塊部分的高溫端導(dǎo)熱固定材料（5)的幾何形狀一致， 呈長方形或者正方形，并且發(fā)電模塊的上端與孔緊密配合安裝； 3) 在隔熱板上鋪設(shè)一層隔熱材料，聚氨酯發(fā)泡板（PU/PIR)，導(dǎo)熱系數(shù)0.02、. 035 W/ (K · m);或者氣凝膠氈，導(dǎo)熱系數(shù)0. 018WAK · m)，可將其制成硬性板狀材料；使上端集熱部 分的熱量向下轉(zhuǎn)移； 4) 精選黃沙（3)的鋪設(shè)要保持有發(fā)電模塊高溫端導(dǎo)熱固定材料（5)的方向上沙子厚 度為 15_25mm ; 5) 薄膜的鋪設(shè)要保證有發(fā)電模塊高溫端導(dǎo)熱固定材料的方向上，薄膜形成凸龔，無發(fā) 電模塊的方向上成凹槽，并且薄膜要保持完好無損，四周邊緣處密封。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種黃沙集熱式半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)，其特征是：其形成低 溫的液體冷卻部分有以下幾部分構(gòu)成： 1) 液體冷卻池（14)與外界有隔熱的作用，保持低溫； 2) 液體注入口（ 1)和液體排出口（8)暢通，保證液體的循環(huán)速度恒定，使冷卻液的溫 度不超過5°C ;冷卻液采用自來水或者溫度低的工業(yè)廢水； 4，根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種黃沙集熱式半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)，其特征是：利用溫差 進行發(fā)電的發(fā)電模塊部分有以下組成部分： 1) 將P型半導(dǎo)體溫差熱電材料，N型半導(dǎo)體溫差熱電材料，依次用導(dǎo)電性好的導(dǎo)電體 交替串聯(lián)，P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體與導(dǎo)電體連接部分采用焊接或者軟性導(dǎo)電材料連接，保 證充分接觸、電路導(dǎo)通，并且接觸面積要大； 2) 取導(dǎo)熱性能好并且絕緣的陶瓷材料，將連接固定好的半導(dǎo)體材料和導(dǎo)電體采用螺 釘固定或者耐高溫膠水固定的方式固定陶瓷緣材料上，上下兩塊導(dǎo)熱陶瓷材料將熱電材料 固定成一個集成模塊；每個模塊產(chǎn)生測量值相近的電流和電壓；每個模塊采用相同數(shù)量、 相同規(guī)格的導(dǎo)電體和半導(dǎo)體材料； 3) 絕緣材料水平放置時，導(dǎo)電體片是橫向水平固定在絕緣材料上的；而半導(dǎo)體材料是 垂直并且N型和P型交替排列的；半導(dǎo)體片狀材料的排列距離保持30-50mm ; 4) 按照發(fā)電模塊或單元的布置情況，將A、B、C串聯(lián)后，再將列與列并列。
【文檔編號】H02N11/00GK203911806SQ201420174614
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】張正謙, 欒秋慧, 王濤, 丁海榮, 徐燁, 羅富方 申請人:蘭州理工大學(xué)