[发明专利]半导体温差发电系统

说明书

技术领域

本发明是关于半导体发电装置的，特别涉及一种将废弃汽车尾气的热能加以回收利用，将换热系统与温差发电系统相结合的半导体温差发电系统。

背景技术

温差发电技术是利用半导体材料的塞贝克效应，直接将热能转换成电能的技术。随着社会经济对能源需求的增多，能源的短缺、浪费和环境污染日益严重。半导体发电装置具有无震动，无噪音，结构紧凑，绿色环保且使用寿命长等特点，体积可大可小，且效率基本不受体积影响。利用其回收各种余热，可以减少余热直接排放到环境中造成的污染和浪费。因此，该类技术已引起越来越多的重视。在航空、军事等领域得到广泛应用。目前，随着汽车数量的增加，传统化石能源的消耗迅速增加，由此而来的环境和能源问题日益凸显，温差发电技术既能减少资源浪费又能产生电能供汽车本身使用，被认为是利用汽车废热的有效途径。

但是温差发电装置在实际应用中效率还很低，主要原因是半导体材料本身的限制和热量传递过程中温差较大引起的有用能损失。每种半导体材料都有其最佳工作温度，而作为热源的汽车尾气在发电过程中温度变化很大。有日本学者为此提出梯度热电材料的概念，把适用于不同温度区域的热电材料通过复合成梯度材料，使单一热电材料在对应的温度区域内保持最高的热电转换效率。理论计算表明这种方法确实提高了材料的转换率。在此基础上，还有人提出在尾气通道和半导体温差发电材料之间增设相变换热结构，利用相变换热热阻小，传热能力高的特点减少热源与发电器之间的温差，进一步提高整个系统的能量利用效率。但这种方法中只采用单一工质，热量传递受到工质工作温度范围的限制，对于作为热源的温度不断变化的汽车尾气，工质有效工作区域很窄，即：若选用较高相变温度的工质，当尾气温度低于工质相变温度时，低温部分不能进行相变换热，而选用相变温度较低的工质又会对高温部分造成热量的浪费，因此这种方法对整个系统效率的改善效果并不明显。

发明内容

本发明的目的，是克服现有技术的相变换热结构采用单一工质、热量传递受到工质工作温度范围的限制、使得整个系统效率较低的缺点，利用具有不同相变换热温度的相变换热工质的相变换热，扩大相变传热结构在整个传热过程中的使用范围，以达到减小传热过程中热量损失，提高能量利用率的目的，提供一种通过在尾气通道与热电材料高温热源之间增加相应的相变换热单元，并以具有不同最佳工作温度的热电材料作为热电转换材料的以汽车尾气作为高温热源的半导体温差发电系统。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种半导体温差发电系统，包括相变传热结构和温差发电模块，其特征在于，所述相变传热结构由高温蒸发段1-1、高温冷凝段2-1组成高温相变传热结构，由中温蒸发段1-2、中温冷凝段2-2组成中温相变传热结构，由低温蒸发段1-3、低温冷凝段2-3组成低温相变传热结构，每一组相变传热结构为一个封闭的循环系统；

所述温差发电模块由高温热电材料热端3-1、高温热电材料4-1和高温热电材料冷端5-1组成高温发电模块，由中温热电材料热端3-2、中温热电材料4-2、中温热电材料冷端5-2组成中温发电模块，由低温热电材料热端3-3、低温热电材料4-3、低温热电材料冷端5-3组成低温发电模块；

所述高温蒸发段1-1、中温蒸发段1-2和低温蒸发段1-3按照尾气温度由高到低依次放置在尾气通道6中；所述高温热电材料热端3-1、中温热电材料热端3-2、低温热电材料热端3-3和高温热电材料4-1、中温热电材料4-2、低温热电材料4-3及热电材料冷端5组成的高温、中温和低温温差发电模块分别设置在对应的高温冷凝段2-1、中温冷凝段2-2或者低温冷凝段2-3之间，热电材料冷端的外部设置有冷却通道9；所述高温、中温和低温温差发电模块每两块与一个冷却通道为一组，每个冷凝段之间设置有两组；

所述高温相变传热结构与高温热电材料的工作温度通常在400～500℃，选用正常沸点在此区间中且汽化潜热较高的工质，壳体材料选用不锈钢板，高温热电材料选用此温度区间中优值系数高的热电材料；

所述中温相变传热结构与中温热电材料的工作温度通常在250～400℃，选用正常沸点在此温度区间中且汽化潜热较高的工质，壳体采用铝、不锈钢或碳钢材料，中温热电材料选择此温度区间中优值系数高的热电材料；

所述低温相变传热结构与低温热电材料的工作温度通常在250℃以下，采用正常沸点在此区间中且汽化潜热较高的工质，壳体材料选用铜或者内壁经过处理的碳钢，低温热电材料为此区间中优值系数高的热电材料。