一种基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置

1.本发明属于温差发电技术领域，涉及一种基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置。


背景技术：

2.温差发电是继核能、太阳能、风能之后的又一种新能源利用方式，备受世界各国的关注，温差发电不受天气影响，无噪音，寿命长，可以将热能直接转换为电能，在只有微小温差存在的情况下也能应用，是适用范围很广的绿色环保型能源。针对温差发电，国内研究人员进行了许多相关的研究。
3.申请号为cn202210652039.6的中国发明专利申请“一种基于辐射制冷的光伏温差发电装置”。该装置通过辐射制冷使得与其相连的温差发电片的冷端降低，增大了温差发电片冷热端温差，提高了温差发电片的发电能力。该装置采用了太阳能聚光器提高了热端温度，但因太阳能灶的聚光能力较强，在短时间内光斑即可达到800℃-900℃，会对温差发电片等其他机构产生破坏，导致装置无法正常运转。并且，该装置缺少蓄热结构，适用环境有限。在阴雨、多云天气，冷热端温差有限，在夜间发电量更小，不能满足全天候温差发电的需求。该装置单位面积接收的太阳能与辐射角有关，该装置仰角固定不变，发电能力会随一天太阳位置以及四季太阳位置的变化而变化，无法满足全天高效发电的需求。
4.申请号为cn202011272766.7的中国发明专利“一种基于辐射制冷-温室效应的温差发电置”。该装置有效解决了野外设备用电能耗大、不连续、存在污染等问题，具有全天发电、独立供电、零能耗、使用寿命长等优点。但该装置可接收到的太阳能较少且不够集中，无法将温室气体加热到足够的温度，存在温差小、输出电压低等问题。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置。
6.本发明提供一种基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，包括：依次连接的冷端、温差发电片组和热端，温差发电片组利用塞贝克效应依靠冷端和热端的温差输出电能；所述冷端位于隔热反射外壳内，冷端包括辐射制冷薄膜和高反射率铝板，辐射制冷薄膜复合在高反射率铝板上表面，高反射率铝板下表面粘贴在温差发电片组上；所述热端包括导热铝翅片和相变材料，相变材料位于相变材料容纳盒内，导热铝翅片插入所述相变材料中，导热铝翅片的上表面与温差发电片组连接。
7.进一步的，所述辐射制冷薄膜采用掺杂有sio2颗粒的丙烯酸溶液的透明薄膜涂层。
8.进一步的，所述辐射制冷薄膜通过喷涂、真空蒸镀或真空溅射的方法直接复合在高反射率铝板上。
9.进一步的，所述高反射率铝板和导热铝翅片分别通过导热硅脂与温差发电片组粘
合连接。
10.进一步的，所述温差发电装置还包括：聚光式太阳灶、载物台、光电检测器、支架、高度角跟日驱动电机、方位角跟日驱动电机、控制器和蓄电池；
11.所述冷端、温差发电片组和热端构成温差发电组件，所述温差发电组件固定在载物台上，所述载物台设置在聚光式太阳灶的聚焦中心处，所述光电检测器设置在聚光式太阳灶的顶部；
12.所述聚光式太阳灶安装在支架上，所述控制器和蓄电池安装在支架底部，所述高度角跟日驱动电机和方位角跟日驱动电机安装在支架顶部与聚光式太阳灶连接，所述控制器分别与光电检测器、高度角跟日驱动电机和方位角跟日驱动电机连接，所述控制器根据光电检测器的检测信号驱动高度角跟日驱动电机和方位角跟日驱动电机进而调整聚光式太阳灶的俯仰角度和方位角度，保证阳光垂直入射聚光式太阳灶表面。
13.进一步的，所述相变材料容纳盒底部安装有接触式热电偶，所述接触式热电偶与控制器连接用于将采集的温度信号发送给控制器，当检测的温度信号大于设定阈值时，控制器驱动方位角跟日驱动电机将聚光式太阳灶旋转180
°
；当检测的温度信号低于设定阈值时，控制器驱动方位角跟日驱动电机13，恢复正常跟日发电。
14.进一步的，所述温差发电片组通过dc-dc变换器连接蓄电池，所述dc-dc变换器和控制器都设置于控制盒中。
15.进一步的，所述隔热反射外壳由隔热泡沫制成，外部覆盖有铝化聚酯反射膜。
16.进一步的，所述相变材料选用正十八烷。
17.进一步的，所述相变材料容纳盒采用铝板制成，相变材料容纳盒顶部开口以便所述导热铝翅片插入其内的相变材料中，相变材料容纳盒的侧面外部包裹隔热棉。
18.本发明的一种基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，至少具有以下有益效果：
19.本发明围绕温差发电为核心，巧妙利用辐射制冷和相变储能技术，设计一种新型发电装置。将聚光式太阳灶应用于本装置，极大的提高了太阳能的利用率，利用太阳能光热转换的相变蓄热技术和光谱调控的辐射制冷技术，建立太阳-地球-外太空的联系，实现光-热-电的能量转换，将低品位能源提升为高品位的能源，同时不引入任何其他负荷和增加其他污染排放，实现真正的绿色环保发电。
附图说明
20.图1是本发明的一种基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置的结构示意图；
21.图2是本发明的温差发电组件的结构示意图；
22.图3是本发明的温差发电组件的剖视图；
23.图4为塞贝克效应示意图；
24.图5为光电检测器的示意图；
25.1-辐射制冷薄膜，2-高反射率铝板，3-温差发电片组，4-隔热反射外壳，5-导热铝翅片，6-相变材料，7-相变材料容纳盒，8-光电检测器，81-光敏管，82-遮光板，83-透明外壳，9-载物台；10-热电偶，11-聚光式太阳灶，12-高度角跟日驱动电机，13-方位角跟日驱动
电机，14-控制盒，15-蓄电池，16-支架。
具体实施方式
26.如图1至3所示，本发明一种基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，包括：依次连接的冷端、温差发电片组3和热端，温差发电片组3利用塞贝克效应依靠冷端和热端的温差输出电能。所述冷端位于隔热反射外壳4内，冷端包括辐射制冷薄膜1和高反射率铝板2，辐射制冷薄膜1复合在高反射率铝板2上表面，高反射率铝板2下表面粘贴在温差发电片组3上。所述热端包括导热铝翅片5和相变材料6，相变材料6位于相变材料容纳盒7内，导热铝翅片5插入所述相变材料6中，导热铝翅片5的上表面与温差发电片组3连接。
27.温差发电片组3的原理为塞贝克效应。产生塞贝克效应的重要原因是热端载流子向冷端扩散的结果。p型半导体的载流子为带正电的空穴，空穴从高温端向低温端扩散后，形成了低温端为正的温差电动势；而n型半导体的载流子为电子，形成了低温端为负的温差电动势。如果将p型和n型半导体的一端连接起来并置于热端，而让另一端位于低温端，则两半导体的低温端间将有一个较大的开路电压。图4为塞贝克效应示意图。本发明的温差发电装置采用市面上较为常见的sp1848-27145sa型温差发电片，以bi-terohs合金为主要原材料，连续最高工作温度可达125℃。在温差为40℃、60℃时开路电压分别可达1.8v和2.4v。
28.辐射制冷是利用大气层对波长为8～13μm的红外线具有良好的透射率，通过增强物体表面在该波长范围的发射率，从而促进地表物体和冷源太空之间的辐射换热，达到为地表物体制冷的目的，
29.本发明冷端的辐射制冷的基本原理为：将二氧化硅介电微球随机嵌入到聚合基质中，可以形成一种对太阳光谱完全透明的材料，同时在大气透明窗口中具有较高的平均红外发射率。这种复合超材料具有极强的发射能力，主要归功于sio2微球的声子共振性质。本发明的辐射制冷薄膜1采用掺杂有sio2颗粒的丙烯酸溶液的透明薄膜涂层，具有原料成本低、制作流程简单等优点。
30.辐射制冷薄膜1的具体制作方式如下：依靠助溶剂的作用，将固态丙烯酸树脂熔成液态，然后将直径4μm、体积分数为6％的sio2颗粒随机混合到液态丙烯酸树脂中，得到sio2/丙烯酸混合物。最后通过喷涂、真空蒸镀或真空溅射的方法将这一混合物涂于高反射率铝板2上，在自然蒸发干燥条件下形成厚度为70μm的薄膜涂层。该涂层材料在大气窗口范围内的光谱平均发射率约为0.94，具有较好的辐射制冷效果。
31.高反射率铝板2的主要作用是减少温差发电片组3与冷端接触面在可见近红外波段(0.3μm～2.5μm)对太阳辐射的吸收，即在该波段应该具有接近1的反射率，从而有效降低温差发电片组3与冷端接触面的温度。可见近红外波段反射器的常用设计方案有金属薄膜和金属薄膜加光学薄膜等。金属银和铝在可见近红外波段都具有很高的反射率，是天然的太阳辐射反射模块。考虑到经济性和机械强度因素，本装置采用的是高反射率铝板，兼具反射太阳辐射与导热的功能。
32.具体实施时，所述高反射率铝板2和导热铝翅片5分别通过导热硅脂与温差发电片组粘合连接。
33.如图1所示，所述温差发电装置还包括：聚光式太阳灶11、载物台9、光电检测器8、支架16、高度角跟日驱动电机12、方位角跟日驱动电机13、控制器和蓄电池15。所述冷端、温
差发电片组3和热端构成温差发电组件，所述温差发电组件固定在载物台9上，所述载物台9设置在聚光式太阳灶11的聚焦中心处，所述光电检测器8设置在聚光式太阳灶11的顶部。
34.所述聚光式太阳灶11采用旋转抛物面的聚光原理，即若有一束平行光沿主轴射向这个抛物面，遇到抛物面的反光材料，则光线都会集中反射到定点的位置，于是形成聚光，起到加热目的。聚光式太阳灶11底板采用铁皮，表面涂以优质真空镀铝薄膜，反光率可达92％左右。
35.所述聚光式太阳灶11安装在支架16上，所述控制器和蓄电池15安装在支架16底部，所述高度角跟日驱动电机12和方位角跟日驱动电机13安装在支架16顶部与聚光式太阳灶11连接，所述控制器分别与光电检测器8、高度角跟日驱动电机12和方位角跟日驱动电机13连接，所述控制器根据光电检测器8的检测信号驱动高度角跟日驱动电机12和方位角跟日驱动电机13进而调整聚光式太阳灶11的俯仰角度和方位角度，保证阳光垂直入聚光式太阳灶11表面。
36.具体实施时，为提高太阳能温差发电的效率，采用太阳光追踪技术。该技术的目的在于实时保证阳光垂直入射聚光式太阳灶11，使其获得更大的输出功率，从而提高光伏发电系统的发电量，提高太阳能利用效率。
37.具体实施时，光电检测器8由4只光敏管81、遮光板82、透明外壳83组成。高度角(俯仰角度)由上、下两只光敏管81进行太阳跟踪，方位角(左右旋转角度)由左、右两只光敏管81进行太阳跟踪。4只光敏管81安装在一个透明外壳83中。如图5所示，光敏管81被遮光板82隔开，两只光敏管81上、下对称布置在遮光板82的两侧，另外两只光敏管81左、右对称布置在遮光板82的两侧。当太阳光线垂直照射聚光式太阳灶11时，上下或左右对称布置的两只光敏管81的感光量在误差允许的范围内视为是相等的，即输出电压相同。当太阳光略有偏移时，隔板的阴影落在其中一只光敏管上，使两只光敏管的感光量不相等，输出电压有偏差。这个电压被输送到控制器内，经过分析放大等过程控制高度角跟日驱动电机12或方位角跟日驱动电机13对聚光式太阳灶11进行微调，保证太阳光垂直照射在聚光式太阳灶11上。
38.高度角跟日驱动电机12或方位角跟日驱动电机13均采用步进电机。步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元执行机构。可以通过调整脉冲个数来调整角位移量，使得电机可以准确定位，还可以通过改变脉冲的频率来改变电机转动的速度和方向。
39.方位角跟日驱动电机13固定在支架16内部，方位角跟日驱动电机13的外壳与支架不产生相对转动，方位角跟日驱动电机13的输出轴竖直向上，方位角跟日驱动电机13的输出轴上固定着电机支架，所述高度角跟日驱动电机12安装在电机支架上，可以在方位角跟日驱动电机13的带动下旋转。聚光式太阳灶11与支架16通过转轴连接，高度角跟日驱动电机12通过齿轮副连接转轴，进而通过高度角跟日驱动电机12控制聚光式太阳灶11的俯仰角度。
40.据相关调查研究，市面上较常用的太阳能灶直径为1.5m，加热功率1800w，焦斑温度可达800℃，因此本发明的温差发电装置采用过热保护技术，避免固-液型的相变材料6温度达到沸点，以及温度过高对温差发电片组3造成损害。具体实施时，所述相变材料容纳盒7底部安装有接触式热电偶10，所述接触式热电偶10与控制器相连接用于将采集的温度信号
发送给控制器，当检测的温度信号大于设定阈值时，控制器驱动方位角跟日驱动电机13将聚光式太阳灶旋转180
°
，停止对相变材料6进行加热，防止温度过高导致相变材料6过多汽化。当检测的温度信号低于设定阈值时，控制器驱动方位角跟日驱动电机13，恢复正常跟日发电。
41.本发明的温差发电装置中温差发电片组3的输出电压跟随冷热端温差大小变化而变化，直接接入蓄电池15会大幅度降低电池的使用寿命。因此引入dc-dc变换器进行过压过流保护。具体实施时，所述温差发电片组3通过dc-dc变换器连接蓄电池15，所述dc-dc变换器和控制器都设置于控制盒14中。
42.具体实施时，所述隔热反射外壳4由隔热泡沫制成，外部覆盖有铝化聚酯反射膜。从最大程度降低外界辐射以及外界空气对流对温差发电组件冷端的影响。
43.具体实施时，所述相变材料选用正十八烷。此类相变蓄热材料相变潜热高、几乎没有过冷现象、熔化时蒸汽压力低、不易发生化学反应且化学稳定性较好、自成核、没有相分离和腐蚀性、且价格较低。
44.具体实施时，所述相变材料容纳盒7采用导热性好的铝板制成，相变材料容纳盒7顶部开口以便所述导热铝翅片5插入其内的相变材料6中，相变材料容纳盒7的侧面外部包裹隔热棉，以减少热量的散失。
45.本发明的关键点：
46.1、太阳能灶的使用。利用凹面反光镜采集太阳光并将其汇聚至相变材料，从而提高热端温度，与传统的温差发电装置相比加快了加热速度，显著增加了冷热端温差，提高了本发明的发电功率。
47.2、相变材料的使用。热端采用相变材料，利用材料在发生相变时会吸收大量热量的物理特性，将太阳能转化成内能的形式储存起来。该发明在夜晚仍可工作，满足了连续发电的需求；除此之外，相变材料具有无毒无腐蚀性、制造方便、成本低的优点。
48.3、太阳光追踪技术的使用。使用由光电检测器、高度角跟日驱动电机、方位角跟日驱动电机、控制器、铅酸蓄电池，实现太阳光追踪技术，使凹面反射镜始终正对太阳，从而保证单位面积的辐射吸收量达到最大化，显著提高太阳能的利用效率。
49.4、热保护技术的使用。使用由热电偶、方位角跟日驱动电机、控制器、铅酸蓄电池，实现对温差发电组件的热保护，避免加热温度过高，对温差发电片，导热硅脂等装置的损坏。
50.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，其特征在于，包括：依次连接的冷端、温差发电片组和热端，温差发电片组利用塞贝克效应依靠冷端和热端的温差输出电能；所述冷端位于隔热反射外壳内，冷端包括辐射制冷薄膜和高反射率铝板，辐射制冷薄膜复合在高反射率铝板上表面，高反射率铝板下表面粘贴在温差发电片组上；所述热端包括导热铝翅片和相变材料，相变材料位于相变材料容纳盒内，导热铝翅片插入所述相变材料中，导热铝翅片的上表面与温差发电片组连接。2.如权利要求1所述的基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，其特征在于，所述辐射制冷薄膜采用掺杂有sio2颗粒的丙烯酸溶液的透明薄膜涂层。3.如权利要求2所述的基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，其特征在于，所述辐射制冷薄膜通过喷涂、真空蒸镀或真空溅射的方法直接复合在高反射率铝板上。4.如权利要求1所述的基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，其特征在于，所述高反射率铝板和导热铝翅片分别通过导热硅脂与温差发电片组粘合连接。5.如权利要求1所述的基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，其特征在于，所述温差发电装置还包括：聚光式太阳灶、载物台、光电检测器、支架、高度角跟日驱动电机、方位角跟日驱动电机、控制器和蓄电池；所述冷端、温差发电片组和热端构成温差发电组件，所述温差发电组件固定在载物台上，所述载物台设置在聚光式太阳灶的聚焦中心处，所述光电检测器设置在聚光式太阳灶的顶部；所述聚光式太阳灶安装在支架上，所述控制器和蓄电池安装在支架底部，所述高度角跟日驱动电机和方位角跟日驱动电机安装在支架顶部与聚光式太阳灶连接，所述控制器分别与光电检测器、高度角跟日驱动电机和方位角跟日驱动电机连接，所述控制器根据光电检测器的检测信号驱动高度角跟日驱动电机和方位角跟日驱动电机进而调整聚光式太阳灶的俯仰角度和方位角度，保证阳光垂直入射聚光式太阳灶表面。6.如权利要求5所述的基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，其特征在于，所述相变材料容纳盒底部安装有接触式热电偶，所述接触式热电偶与控制器连接用于将采集的温度信号发送给控制器，当检测的温度信号大于设定阈值时，控制器驱动方位角跟日驱动电机将聚光式太阳灶旋转180
°
；当检测的温度信号低于设定阈值时，控制器驱动方位角跟日驱动电机13，恢复正常跟日发电。7.如权利要求5所述的基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，其特征在于，所述温差发电片组通过dc-dc变换器连接蓄电池，所述dc-dc变换器和控制器都设置于控制盒中。8.如权利要求1所述的基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，其特征在于，所述隔热反射外壳由隔热泡沫制成，外部覆盖有铝化聚酯反射膜。9.如权利要求1所述的基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，其特征在于，所述相变材料选用正十八烷。10.如权利要求1所述的基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，其特征在于，所述相变材料容纳盒采用铝板制成，相变材料容纳盒顶部开口以便所述导热铝翅片插入其内的相变材料中，相变材料容纳盒的侧面外部包裹隔热棉。

技术总结
本发明的一种基于蓄热体吸收太阳能及辐射制冷的温差发电装置，包括：依次连接的冷端、温差发电片组和热端，温差发电片组利用塞贝克效应依靠冷端和热端的温差输出电能；所述冷端位于隔热反射外壳内，冷端包括辐射制冷薄膜和高反射率铝板，辐射制冷薄膜复合在高反射率铝板上表面，高反射率铝板下表面粘贴在温差发电片组上；所述热端包括导热铝翅片和相变材料，相变材料位于相变材料容纳盒内，导热铝翅片插入所述相变材料中，导热铝翅片的上表面与温差发电片组连接。本发明以温差发电为核心，利用辐射制冷与相变储能技术，并以太阳能自动追光技术为辅助，将低品位能源转换为高品位能源，实现了太阳能的高效利用。实现了太阳能的高效利用。实现了太阳能的高效利用。


技术研发人员：魏琳扬 曾博文 李文豪 任许霖 薛翔宇 马帅华 李国军
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2023.05.16
技术公布日：2023/8/13