[发明专利]具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种温差发电装置，尤其是涉及一种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构。

背景技术

温差发电技术是一种基于塞贝克效应将热能转换为电能的发电技术，将P型热电臂和N型热电臂连接起来构成热电偶，一端置于热端，另一端置于冷端，由于热激发作用，高温端的空穴和电子浓度比低温端高，载流子由高温端向低温端移动，形成电动势。单个热电偶的输出电压很小，将许多热电偶通过电极串联连接组成热电模块，就可获得足够高的电压，根据实际情况将多个模块进行并联或串联形成温差发电器。

温差发电器热量的传导方向取决于热电臂和热源的布置方式，根据热量传导方向与热电材料平面之间的相互关系，温差发电器可分为垂直（Cross-plane）型和平面（In-plane）型两种结构。依据热电臂的尺寸大小，温差发电器可分为微型温差发电器和体温差发电器两种类型。

垂直微型温差发电器热流方向与热电材料表面垂直，在此结构中，所有的薄膜热电臂单元竖直排列在上下两层衬底之间，衬底一端是热端，另一端是冷端。其热电功率的大小与热电臂截面积成正比，与热电臂长度成反比，因此可以利用热电臂的几何尺寸来提高热电电压。垂直微型温差发电器优点是小温差下就可以实现高电压、高功率输出，缺点是这些器件仅有几微米厚，难以在单层热电臂薄膜材料两侧建立较大温差，因此难以获得较高功率密度值，且其制造工艺复杂，热转换效率低。

平面微型温差发电器热流方向与热电材料表面平行，在此结构中，所有的薄膜热电臂单元水平放置排列在上下两层衬底之间，沿薄膜热电臂单元水平放置方向一侧是热端，另一侧是冷端。相比于垂直微型温差发电器，平面微型温差发电器沿导热方向热电臂长度大大增加，因此容易在冷热两端建立较大温差；同时，沿导热方向热电臂的长度与底面积之比大大增加，因而可获得较高的功率密度值，有效提升其能量转换效率。但同时，该类温差发电器面临的问题是存在衬底热漏现象，部分热量容易从衬底散失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有微凸台阵列热端的平面型温差发电结构，该结构采用了微凸台阵列的热端基底，可有效增加热传导效率；该结构可从下到上逐层安装，装配工艺简单；且沿导热方向，热电臂的长度与底面积之比大大增加，可获得较高的功率密度值，有效提升其能量转换效率；同时易实现多个P、N型热电臂的串联或并联，以满足对不同外部负载的供电要求。

本发明采用的技术方案是：

本发明从上至下依次包括热端基底，孔内装有热端导热片的绝热层，嵌有P型热电臂和N型热电臂的热电臂支撑块和孔内装有绝热块和开有水冷通道的冷端基底。

所述热端基底位于平面型温差发电结构的顶部，热端基底的下表面每行等距排列、且每行均等距设有微凸台，热端基底的下表面的微凸台经各自的热端导热片一一对应嵌入绝热层的方孔中，所述微凸台和热端导热片位于P型热电臂和N型热电臂交界处的正上方。

所述P型热电臂和N型热电臂依次间隔多行排列，水平放置在热电臂支撑块的凹槽内；热电臂支撑块底面开有与热电臂支撑块的凹槽垂直、且等分分布的多列凹糟，多列凹糟内均装有冷端导热片，冷端导热片设置在与热端导热片位置相邻的P型热电臂和N型热电臂交界处的正下方。

所述冷端基底的上表面每行等距排列、且每行均设有不贯通的方孔，每个不贯通的方孔内均装有冷端导热片，每列不贯通的方孔间等距开有水冷通道，水冷通道上覆盖有对应的冷端导热片。

所述热端基底微凸台的行数和列数、绝热层方孔的行数和列数、热电臂支撑块的行数和冷端基底不贯通的方孔的行数和列数均相等。

设置绝热层保证热量沿热端基底的微凸台经热端导热片传导至P型热电臂和N型热电臂交界处的正上方，防止热量沿横向散失；绝热块的面积大于热端基底的微凸台面积，保证热量沿P型热电臂和N型热电臂水平放置方向进行左右横向传导，防止热量沿竖直方向散失。

本发明具有的有益效果是：

1、该发电结构采用微凸台阵列对的热端基底，能够有效增加热传导效率；

2. 该发电结构可由下至上逐层安装，装配工艺简单；

3. 该发电结构绝热块的设计，有效保证了热量沿热电臂水平放置方向进行横向传导，防止了沿竖直方向散失；

4. 该发电结构热流方向与热电材料表面平行，相比于垂直型温差发电结构，其沿导热方向热电臂的长度与底面积之比大大增加，因而可获得较高的功率密度值，有效增加其能量转换效率；