温差发电原理与温差发电装置的设计研究

时间：2024-08-31

红兰

(呼伦贝尔学院内蒙古海拉尔 021008)

1 引言

面对日趋严重的能源短缺与环境恶化问题,新型能量的开发利用已受到各国政府和工业界的高度重视。在这种背景下,清洁无污染、零排放的纯能源开发成为当今最有研究意义的项目之一。

今天,人们所用电能的80%以上是由矿物燃料提供的,可是矿物能源是有限的。据1987年第二届太平洋煤炭会议的研究资料介绍,按目前的开采速度,全球可开采利用的石油只能够开采34年,天然气只能够开采60年,而煤炭只能够维持200年的开采使用。而且矿物燃料燃烧释放出大量有害气体和二氧化碳,不仅对生态环境带来不利影响,同时破坏了臭氧层,是产生温室效应的直接原因。因此,在1992年6月召开的联合国环境与发展大会上,世界各国都认识到目前及今后的社会发展应遵循既满足当代人的需求,又不损害后代人的发展利益的可持续发展战略原则。在能源的发展上,就是要在开发利用常规能源的同时,更加注重开发利用对生态环境有利的新型能源,如风能、太阳能、潮汐能、水利能、温差能等。目前国内外对温差能的研究很多，并取得了一定的研究成果，例如，海洋温差能发电、太阳能温差发电、半导体温差发电等。基于全球性能源危机的情况，可再生能源的利用成为迫切需求。

温差发电是一种绿色环保的发电方式。它是基于热电材料赛贝克效应的一种发电技术。处于高温端的热电材料空穴(电子)浓度高于低温端，在浓度梯度的作用下，空穴和电子向低温端扩散，从而形成电流。热电材料通过这种方式直接将热能转换成电能。因此温差发电片工作时无运动部件，无噪声，无污染物排放，使用寿命长等特点。

涂布机的应用领域非常广泛，从最开始的包装、印刷领域扩展到电子工业，医用材料等领域。尤其是近年来锂离子电池、太阳能电池背板等新兴产业的快速发展，促使涂布技术应用的增加。涂布工艺生产中，烘箱的加热温度在60℃～145℃范围，并对涂布浆料进行梯度温度干燥。通过循环热风将热量由排风管排出室外。大量热量的排出，造成能源的极大浪费，浪费的热能有很大的利用价值。本文利用温差发电原理设计了一种涂布机排风管废热温差发电装置。

2 理论模型

2.1 需要解决技术问题

本文要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种涂布机排风管废热温差发电装置，该发电装置结构简单，安装方便，可充分利用涂布机排风管排出的热能，促进能源的二次利用，提高经济效益。

本文采用以下技术方案：采用绕排风管周侧依次设置的集热层、温差发电层和散热层，集热层为铝合金材质的波纹筒，波纹筒的外壁均匀分布多个截面为梯形的波纹凸条，相邻两个波纹凸条之间形成凹槽；温差发电层包括设置在波纹凸条上的第一发电片和设置在所述凹槽处的第二发电片，第一发电片和第二发电片的外侧面组合形成温差发电层的外侧面，温差发电层的外侧面呈圆筒状与所述散热层相贴合，集热层上的凹槽开设方向与排风管的轴向方向一致，第一发电片的厚度小于第二发电片，第一发电片和第二发电片均为温差发电片，第一发电片和第二发电片的热端面与集热层固定贴合，并与第二发电片的冷端面与散热层固定贴合，第一发电片和第二发电片与稳压器连接，稳压器连接至蓄电池或外部用电装置。

本模型采用导热性能优异的铝合金制作集热层，避免从排风管中排出的热量过分流失，提高能量转化效率，在集热层上设置梯形波纹能增大与热气流的接触面积，尽可能地使温差发电层的热端面的温度升高。同时多个第一发电片和第二发电片的电机输出端之间通过导线串联或并联连接，并联或串联连接后的聚合导线与稳压器的输入端连接，当需要电压稳定的电时可使用并联连接，当需要大电流时可使用串联连接。

散热层包括一体成型的铝合金材质的散热基板和散热齿，散热基板固定在温差发电层上，多个散热齿均布垂直设置在散热基板上，散热齿为呈n型的扁管，散热齿的截面轮廓呈波浪型，采用一体成型的制作工艺能达到最佳的散热效果，由温差发电片的工作原理可知温差发电片两侧的温差越大发电量越大，效率越高，则散热层的散热效果越好则温差越大，能产生更多的电能。

排风管上依次设置有环状的第一挡板、第二挡板、第三挡板和第四挡板，第二挡板和第三挡板高于散热层能同时为温差发电层和散热层提供支撑，第二挡板和第三挡板之间固定集热层，第一挡板和第二挡板之间、第三挡板和第四挡板之间均通过螺杆连接，螺杆上套接有减震弹簧，能通过螺杆增加预应力防止温差发电层由于涂布机工作时的振动发生偏移，能充分保证温差发电层与集热层和散热层之间的紧密贴合。

温差发电层和散热层之间设置有空心圆筒状的散热水套，散热水套的两端分别通过进水口和出水口与外界自来水连接形成循环水流，能进一步加强温差发电层冷断面的散热效果，进一步加大温差发电层的两端温差，提高发电效率。

2.2 本模型与现有技术相比具有以下优点：

2.2.1 本模型设计合理，安装简便，加工成本低廉，热能转换为电能的效率高，能充分利用涂布机排风管排出的废热能，大大提高经济效益，工作安全可靠无污染，可推广使用。

2.2.2 本模型设置有梯形波纹状的铝合金筒作为集热层与温差发电层的热端面贴合固定，还在温差发电层的冷端面设置有散热水套和散热层，通过循环冷水和散热齿产生的风冷散热双重散热来对冷端面进行降温，尽最大可能增大温差发电层两侧的温差提高发电效率和发电量。

2.2.3 本模型第一发电片和第二发电片之间可以选择并联或者串联连接，并联连接可以提高发电的可靠性，串联连接可以适应负载的需要，提高温差发电器的输出功率和转换效率。

3 装置设计图

下面结合附图和实施例对本模型作进一步详细说明。

3.1 附图说明

3.2 附图标记说明：

①—排风管； ⑧—散热基板；

②—集热层； ⑨—散热齿；

③—温差发电层； ⑩—第一挡板；

3.3 具体实施方式

如图1至图3所示，本模型包括绕排风管①周侧依次设置的集热层②、温差发电层③和散热层④，集热层②为铝合金材质的波纹筒，波纹筒的外壁均匀分布多个截面为梯形的波纹凸条，相邻两个波纹凸条之间形成凹槽，温差发电层③包括设置在波纹凸条上的第一发电片⑤和设置在凹槽处的第二发电片⑥，第一发电片⑤和第二发电片⑥的外侧面组合形成温差发电层③的外侧面，温差发电层③的外侧面呈圆筒状与散热层④相贴合，集热层②上的凹槽开设方向与排风管①的轴向方向一致，第一发电片⑤和第二发电片⑥的热端面与集热层②固定贴合，第一发电片⑤和第二发电片⑥的冷端面与散热层④固定贴合，第一发电片⑤和第二发电片⑥与稳压器连接，稳压器连接至蓄电池或外部用电装置。

图1 是本模型的剖视示意图

图2是本模型的侧视剖面示意图

图3是本模型的散热层结构示意图

本装置采用导热性能优异的铝合金制作集热层②，避免从排风管①中排出的热量过分流失，提高能量转化效率，在集热层②上设置梯形波纹能增大与热气流的接触面积，尽可能地使温差发电层②的热端面的温度升高；多个第一发电片⑤和第二发电片⑥的电极输出端之间通过导线串联或并联连接，并联或串联连接后的聚合导线与稳压器的输入端连接，当需要电压稳定时可使用并联连接，当需要大电流时可使用串联连接；散热层②包括一体成型的铝合金材质的散热基板⑧和散热齿⑨，散热基板⑧固定在温差发电层③上，多个散热齿⑨均布垂直设置在散热基板⑧上，散热齿⑨为呈n型的扁管，散热齿⑨的截面轮廓呈波浪形，采用一体成型的制作工艺能达到最佳的散热效果，由背景技术中所述的温差发电片的工作原理可知温差发电片两侧的温差越大发电量越大，效率越高，即散热层④的散热效果越好则温差越大，能产生更多的电能；排风管①上依次设置有环状的第一挡板⑩、第二挡板、第三挡板和第四挡板，第二挡板和第三挡板高于散热层④能同时为温差发电层③和散热层④提供支撑，第二挡板和第三挡板之间固定集热层②，第一挡板和第二挡板之间、第三挡板和第四挡板之间均通过螺杆连接，螺杆上套接有减震弹簧，能通过螺杆增加预应力防止温差发电层③，由于涂布机工作时的振动发生偏移，能充分保证温差发电层③与集热层②和散热层④之间的紧密贴合。

温差发电层③和散热层④之间设置有空心圆筒状的散热水套⑦，所述散热水套⑦的两端分别通过进水口和出水口与外界自来水连接形成循环水流，能进一步加强温差发电层③冷断面的散热效果，进一步加大温差发电层③的两端温差，提高发电效率；第一发电片⑤和第二发电片⑥由于是异型温差发电片，则需要从厂家定制合适尺寸形状的产品，也可参照如公开号为CN104134746B名称为一种半导体温差感应发电芯片及其制作方法中所述的工艺方法制作适合本实用新型使用的温差发电片，以达到最佳的发电效果。

本模型在使用时，由涂布机排风管①排出的高温气流经过集热层②吸收聚集至温差发电层③的热端面，温差发电层③的冷端面在散热水套⑦和散热层④的作用下，使热端面和冷端面保证一定的温差进行发电，电流通过稳压器后输至蓄电池存储或接至用电设备直接使用；其中若需要改变温差发电层③的接线结构则参照安装顺序反向拆卸改接线即可。