本發(fā)明尤其涉及一種層疊式的熱能電能轉(zhuǎn)換模組及其發(fā)電裝置。

背景技術(shù)：

近幾十年來(lái)，利用熱電發(fā)電技術(shù)（也稱(chēng)溫差發(fā)電技術(shù)）進(jìn)行發(fā)電，已經(jīng)成為國(guó)際范圍內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

溫差發(fā)電技術(shù)是基于熱電材料的塞貝克效應(yīng)發(fā)展起來(lái)的。溫差發(fā)電的原理是將p型和n型兩種不同類(lèi)型的熱電材料(p型是富空穴材料，n型是富電子材料)相連形成一個(gè)熱電偶對(duì)，一端置于高溫狀態(tài)，另一端置于低溫，則由于熱激發(fā)作用，p(n)型材料高溫端空穴(電子)濃度高于低溫端，因此在這種濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，空穴和電子就開(kāi)始向低溫端擴(kuò)散，從而形成電動(dòng)勢(shì)，這樣熱電材料就通過(guò)高低溫端間的溫差完成了將高溫端輸入的熱能直接轉(zhuǎn)化成電能的過(guò)程。單獨(dú)的一個(gè)pn熱電偶對(duì)，可形成的電動(dòng)勢(shì)很小，而如果將很多pn熱電偶對(duì)串聯(lián)起來(lái)，就可以得到足夠高的電壓，成為一個(gè)溫差發(fā)電器。溫差發(fā)電器在工作過(guò)程中,高溫端從熱源吸收熱量,低溫端借助散熱器將裝置高溫端的熱量不斷擴(kuò)散,同時(shí)將熱能轉(zhuǎn)化成電能。反之，對(duì)熱電偶對(duì)通電，就會(huì)形成一端熱一端冷，供人們生產(chǎn)生活需要。

然而，目前的溫差發(fā)電技術(shù)雖然是研究熱點(diǎn)，但是溫差發(fā)電技術(shù)因轉(zhuǎn)化效率極低，“吸熱”、“放熱”相當(dāng)大的量，才能輸出很少的電能，所以仍舊處在非常邊緣化的地位，無(wú)法應(yīng)用和普及。溫差發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵是溫差能的轉(zhuǎn)換效率，溫差發(fā)電片的轉(zhuǎn)換效率不高于14%，更重要的是，溫差發(fā)電片無(wú)法直接使用，單片功率小，大多只能用于幾w的小功率場(chǎng)合發(fā)電。目前通過(guò)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行串并聯(lián)，無(wú)法做到較大功率，無(wú)法集成大規(guī)模使用，且成本很高，整體轉(zhuǎn)換效率不高于5%-8%。溫差發(fā)電技術(shù)往往采用單片溫差發(fā)電片，溫差發(fā)電片的兩個(gè)面分別走冷水和熱水，因?yàn)榘l(fā)電效率低，受結(jié)構(gòu)限制難以制造大功率溫差發(fā)電機(jī)組，和大功率制冷機(jī)組，加熱散熱的傳熱受距離結(jié)構(gòu)限制等問(wèn)題，使得溫差發(fā)電及制冷的實(shí)際應(yīng)用得不到很好的發(fā)揮。

為了提高發(fā)電效率，公告號(hào)為cn105006996a的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利《一種相變抑制傳熱溫差發(fā)電器件》，公開(kāi)了“一種相變抑制傳熱溫差發(fā)電器件及其制造方法，相變抑制傳熱溫差發(fā)電器件包括至少一個(gè)溫差電單體；所述溫差電單體包括一p型溫差電元件、一n型溫差電元件、一相變抑制散熱板及一相變抑制集熱板。本發(fā)明的相變抑制傳熱溫差發(fā)電器件在熱路上減少了陶瓷片熱阻及其與電極界面的接觸熱阻，有利于建立溫差，相變抑制傳熱板既是電極又是熱面和冷面的熱交換器，不存在界面熱阻，大大提高了溫差發(fā)電器的熱-電轉(zhuǎn)換效率；將若干單體組合起來(lái)，可獲得較大的輸出電壓和輸出電功率?！比欢搶?zhuān)利只能應(yīng)用于相變抑制傳熱領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)只能將溫差電單體獨(dú)立排布，再進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián)，事實(shí)上仍然無(wú)法做到大規(guī)模發(fā)電，或者在需達(dá)到大規(guī)模發(fā)電時(shí)仍然要采用非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和連接方式。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，該器件因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)特性，生產(chǎn)成本非常昂貴，一臺(tái)生產(chǎn)設(shè)備在800萬(wàn)以上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決上述背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供了一種簡(jiǎn)單有效的解決途徑。具體地提供一種發(fā)電制冷功率大，可多聯(lián)組合成超大機(jī)組，體積小功率密度大，生產(chǎn)安裝成本低，冷端和熱端不受距離限制的層疊式的熱能電能轉(zhuǎn)換模組及其發(fā)電裝置，為溫差發(fā)電制冷在工業(yè)、生活中的應(yīng)用創(chuàng)造了可行的技術(shù)支持。

本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

本發(fā)明一種層疊式的熱能電能轉(zhuǎn)換模組，包括冷端、熱端，以及連接至冷端的冷端導(dǎo)熱層和連接至熱端的熱端導(dǎo)熱層；所述的冷端導(dǎo)熱層和熱端導(dǎo)熱層均多于一層，且彼此對(duì)置地進(jìn)行部分交替層疊；每層所述的冷端導(dǎo)熱層和熱端導(dǎo)熱層的層疊處之間設(shè)置半導(dǎo)體熱電元件，所述的半導(dǎo)體熱電元件的一面接觸所述的冷端導(dǎo)熱層，另一面接觸所述的熱端導(dǎo)熱層；所述的半導(dǎo)體熱電元件的引出端連接電路。

作為優(yōu)選，所述的半導(dǎo)體熱電元件之間平行設(shè)置。

作為優(yōu)選，所述的半導(dǎo)體熱電元件、冷端導(dǎo)熱層和熱端導(dǎo)熱層之間均通過(guò)導(dǎo)熱粘性材料粘合。所述的導(dǎo)熱粘性材料更具體來(lái)說(shuō)是導(dǎo)熱膠。

作為優(yōu)選，所述的冷端導(dǎo)熱層或/和熱端導(dǎo)熱層為導(dǎo)熱板。效率低，銅，石墨絲，雙面雙向的，沒(méi)有方向的，把冷往下倒，冷端可以在下面。

作為優(yōu)選，所述的導(dǎo)熱板采用導(dǎo)熱材料制成。更具體地來(lái)說(shuō)，考慮降低成本的情況下，所述的導(dǎo)熱板的導(dǎo)熱材料可以采用銅等價(jià)格較低的材料，考慮導(dǎo)熱性能好的情況下，所述的導(dǎo)熱板的導(dǎo)熱材料可以采用石墨絲等導(dǎo)熱性能較好的材料。傳統(tǒng)的冷端導(dǎo)熱層或/和熱端導(dǎo)熱層需采用上端面為熱，下端面為冷，而采用本優(yōu)選方案的導(dǎo)熱板，可以實(shí)現(xiàn)雙面任意置換冷端方向?qū)?，沒(méi)有方向要求，易于在海洋溫差發(fā)電等技術(shù)中使用。

作為優(yōu)選，所述的導(dǎo)熱板為設(shè)有傳輸通道的均溫板。設(shè)有傳輸通道的均溫板轉(zhuǎn)換效率高，所述的傳輸管道通過(guò)液體或氣體介質(zhì)快速傳輸熱能，再向所述的傳輸通道周?chē)鷶U(kuò)散。

作為優(yōu)選，所述的冷端導(dǎo)熱層或/和熱端導(dǎo)熱層為介質(zhì)導(dǎo)流裝置。介質(zhì)導(dǎo)流裝置成本較低。

作為優(yōu)選，所述的介質(zhì)導(dǎo)流裝置設(shè)有具有一定形狀的封閉管道，所述封閉管道用于傳輸傳熱介質(zhì)。

一種層疊式的熱能電能轉(zhuǎn)換模組的發(fā)電裝置，所述的一種層疊式的熱能電能轉(zhuǎn)換模組的連接電路相互穩(wěn)壓并聯(lián)，或共用一極并聯(lián)，或直接串聯(lián)。一般電池并聯(lián)正極和正極一起，負(fù)極和負(fù)極在一起。共用一極并聯(lián)是指，若當(dāng)正極在一起時(shí)負(fù)極不在一起，而是仍獨(dú)立，或者當(dāng)負(fù)極在一起時(shí)，正極不在一起仍獨(dú)立，好處是不用穩(wěn)壓。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明冷端和熱端獨(dú)立設(shè)置且相互分離，互不干擾和影響。本發(fā)明可以根據(jù)發(fā)電功率需求任意選擇疊加的半導(dǎo)體熱電元件數(shù)量、面積，不存在最大功率的限制。冷端導(dǎo)熱層和熱端導(dǎo)熱層采用導(dǎo)熱性能良好的材料，幾乎無(wú)需經(jīng)過(guò)其他中間結(jié)構(gòu)，界面熱阻較小，導(dǎo)熱效率高，減少了熱量散失，提高了熱電轉(zhuǎn)換效率和輸出功率。所述的冷端導(dǎo)熱層和熱端導(dǎo)熱層的形狀、面積、長(zhǎng)度、寬度均可任意設(shè)置，可完全適用于冷端和熱端相距較遠(yuǎn)，或者空間狹窄的情況，能夠快速均溫不受距離限制。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)化繁為簡(jiǎn)，制造工藝和安裝工藝極其簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，提高了空間和材料利用率，大大降低了原材料消耗和成本。

本發(fā)明解決目前溫差發(fā)電技術(shù)能量轉(zhuǎn)化效率極低的關(guān)鍵問(wèn)題，使溫差轉(zhuǎn)換效率等同于發(fā)電片本身的轉(zhuǎn)化效率，其結(jié)構(gòu)緊湊性高，在低成本和占用較小空間的情況下就可以獲得較大的發(fā)電功率，是溫差發(fā)電技術(shù)的一次革命性突破。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種層疊式的熱能電能轉(zhuǎn)換模組的結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明一種層疊式的熱能電能轉(zhuǎn)換模組的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖3是本發(fā)明一種層疊式的熱能電能轉(zhuǎn)換模組的發(fā)電裝置的第一種結(jié)構(gòu)圖。

圖4是本發(fā)明一種層疊式的熱能電能轉(zhuǎn)換模組的發(fā)電裝置的第二種結(jié)構(gòu)圖。

1、冷端，11、冷端進(jìn)水口，12、冷端出水口，2、熱端，21、熱端進(jìn)水口，22、熱端出水口，3、冷端導(dǎo)熱層，4、熱端導(dǎo)熱層，5、半導(dǎo)體熱電元件。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施例。

如圖1-3示，本發(fā)明包括冷端1、熱端2，以及連接至冷端1的冷端導(dǎo)熱層3和連接至熱端2的熱端導(dǎo)熱層4；所述的冷端導(dǎo)熱層3和熱端導(dǎo)熱層4均多于一層，且彼此對(duì)置地進(jìn)行部分交替層疊；每層所述的冷端導(dǎo)熱層3和熱端導(dǎo)熱層4的層疊處之間設(shè)置半導(dǎo)體熱電元件5，所述的半導(dǎo)體熱電元件5的一面接觸所述的冷端導(dǎo)熱層3，另一面接觸所述的熱端導(dǎo)熱層4；所述的半導(dǎo)體熱電元件5的引出端連接電路。所述的半導(dǎo)體熱電元件5之間平行設(shè)置。所述的半導(dǎo)體熱電元件5、冷端導(dǎo)熱層3和熱端導(dǎo)熱層4之間均通過(guò)導(dǎo)熱粘性材料粘合。所述的冷端導(dǎo)熱層3或熱端導(dǎo)熱層4為導(dǎo)熱板。所述的冷端導(dǎo)熱層3或熱端導(dǎo)熱層4為介質(zhì)導(dǎo)流裝置。所述的介質(zhì)導(dǎo)流裝置設(shè)有用于傳輸傳熱介質(zhì)的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)。所述的水流導(dǎo)向裝置設(shè)有具有一定形狀的封閉管道，所述封閉管道用于傳輸傳熱介質(zhì)。所述的一種層疊式的熱能電能轉(zhuǎn)換模組的連接電路相互串聯(lián)或并聯(lián)。

從本發(fā)明所述的一種層疊式的熱能電能轉(zhuǎn)換模組看，所述的熱端導(dǎo)熱層4和冷端導(dǎo)熱層3分別設(shè)置于半導(dǎo)體熱電元件5的兩側(cè)，所述的熱端導(dǎo)熱層4和冷端導(dǎo)熱層3通過(guò)半導(dǎo)體熱電元件5相互隔離。任一熱端導(dǎo)熱層4的上表面接觸上一層半導(dǎo)體熱電元件5的下表面，下表面接觸下一層半導(dǎo)體熱電元件5的上表面，盡可能地對(duì)材料和空間進(jìn)行了利用，所述的半導(dǎo)體熱電元件5在電路中的連接方式包括并聯(lián)或串聯(lián)等形式。

更進(jìn)一步地，所述的半導(dǎo)體熱電元件5為溫差發(fā)電片。

更具體地來(lái)說(shuō)，如圖1所示，所述的熱端進(jìn)水口21和熱端出水口22的水流方向a，冷端進(jìn)水口11和冷端出水口12的水流方向b，a和b為同一順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较?。利于提高?dǎo)熱效率。

以下通過(guò)具體實(shí)施方式實(shí)施例1-4展開(kāi)闡述，用以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特征進(jìn)行更清楚的說(shuō)明，包括但不限于以下形式：

實(shí)施例1，如圖3所示，以所述的冷端導(dǎo)熱層3和熱端導(dǎo)熱層4為導(dǎo)熱板為例，所述的冷端1包括箱體，以及設(shè)于箱體兩側(cè)的冷端進(jìn)水口11和冷端出水口12，所述的熱端2包括箱體，以及設(shè)于箱體兩側(cè)的熱端進(jìn)水口21和熱端出水口22；所述的多層冷端導(dǎo)熱層3的一端設(shè)于所述的冷端1的箱體中，所述的多層熱端導(dǎo)熱層4的一端設(shè)于所述的熱端2的箱體中。所述的熱端2箱體由熱端進(jìn)水口21進(jìn)水，熱端出水口22出水，均勻?qū)崮軅鲗?dǎo)至所述的熱端導(dǎo)熱層4。所述的冷端1箱體由冷端進(jìn)水口11進(jìn)水，冷端出水口12出水，均勻?qū)崮軅鲗?dǎo)至所述的熱端導(dǎo)熱層4。

實(shí)施例2，如圖4所示，將實(shí)施例1的箱體替換成包裹在每層冷端導(dǎo)熱層3和熱端導(dǎo)熱層4外的殼體。每層包裹所述的冷端導(dǎo)熱層3的殼體分別連接冷端進(jìn)水口11和冷端出水口12，所述的冷端進(jìn)水口11之間通過(guò)管道相連，所述的冷端出水口12之間通過(guò)管道相連，每層包裹所述的熱端導(dǎo)熱層3的殼體分別連接熱端進(jìn)水口21和熱端出水口22，所述的熱端進(jìn)水口11之間通過(guò)管道相連，所述的熱端出水口12之間通過(guò)管道相連。

實(shí)施例3，作為一種實(shí)施例，本發(fā)明作為一種層疊式的熱能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電模組，所述的熱端2產(chǎn)生高溫，并通過(guò)所述的熱端導(dǎo)熱層4快速均溫，將熱能傳達(dá)至半導(dǎo)體熱電元件5的一表面，此時(shí)，所述的冷端1產(chǎn)生相對(duì)較低溫度，并通過(guò)所述的冷端導(dǎo)熱層3快速均溫傳達(dá)至半導(dǎo)體熱電元件5的另一表面。

將一個(gè)所述的半導(dǎo)體熱電元件5、一層所述的冷端導(dǎo)熱層3和一層熱端導(dǎo)熱層4從整體中拆分為一個(gè)單元的視角看：所述的半導(dǎo)體熱電元件5的一面接觸熱端導(dǎo)熱層4置于高溫狀態(tài)、另一面接觸冷端導(dǎo)熱層3形成低溫，則由于熱激發(fā)作用，從而在半導(dǎo)體熱電元件5本身形成電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)高低溫端間的溫差將高溫端輸入的熱能轉(zhuǎn)化成電能，輸出至所述的電路。

實(shí)施例4，作為一種實(shí)施例，本發(fā)明作為一種層疊式的電能轉(zhuǎn)換為熱能的模組，所述的電路輸出電能至所述的半導(dǎo)體熱電元件5，使所述的半導(dǎo)體熱電元件5的一個(gè)面產(chǎn)生高溫，并通過(guò)所述的熱端導(dǎo)熱層4快速均溫，將熱能傳達(dá)至熱端2；另一個(gè)面產(chǎn)生相對(duì)低溫，此時(shí)并通過(guò)所述的熱端導(dǎo)熱層4快速均溫傳達(dá)至冷端1。從而實(shí)現(xiàn)控制冷端1和熱端2的溫度。

實(shí)施例5，一種層疊式的熱能電能轉(zhuǎn)換模組的發(fā)電裝置，如圖3所示，作為一種實(shí)施例，所述的半導(dǎo)體熱電元件5呈板狀，且每層半導(dǎo)體熱電元件5之間相互平行。但根據(jù)其原理來(lái)說(shuō)，只要求冷端導(dǎo)熱層3、半導(dǎo)體熱電元件5、熱端導(dǎo)熱層4、半導(dǎo)體熱電元件5依次夾層，并不對(duì)其形狀和其他排列規(guī)則做出限定。

實(shí)施例6，作為一種實(shí)施例，所述的導(dǎo)熱層為介質(zhì)導(dǎo)流裝置，采用水流供熱或散冷。

除了發(fā)明述的熱端2的供熱方式除了水供熱以外，還包括直接燃燒加熱，熱風(fēng)加熱，或地?zé)峒訜岬?。為了環(huán)保，還可以利用地?zé)崴?、地?zé)釟饣蛘吖I(yè)排放的廢熱水、廢熱氣，采用綠色環(huán)保的能源或者回收再利用能源進(jìn)行發(fā)電，具有較高的發(fā)電效率，且組裝應(yīng)用靈活，適用范圍廣。冷端1的散熱方式也有很多種，在本實(shí)施例1中亦僅是其中一種水冷方式，還可以是風(fēng)冷，冰層散熱等。

在其他的拓展形式上，本發(fā)明可以通過(guò)裝置的設(shè)計(jì)，可以將直的傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成彎曲的以適應(yīng)不同加熱散熱方式的需要。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類(lèi)似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍，這些改變也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。