[发明专利]一种高换能效率级联温差发电单元

说明书

本发明属于温差电发电技术领域，特别是涉及一种高换能效率级联温差发电单元，包括从上至下依次设置的热端电极、P/N型高温温差电单体、P/N型中温温差电单体和冷端电极；所述热端电极和冷端电极均为靴状，两种电极均由导电片和电极帽钎焊连接而成；所述热端导电片的下方两端各设有一个热端电极帽；每个热端电极帽下方连接有一个高温温差单体；高温温差单体下方各连接有一个对应类型的中温温差单体；每个中温温差单体下方连接有一个冷端电极帽，冷端电极帽下方各设有一个冷端导电片。该种发电单元使用温度为800℃～1000℃，工作温差超过700K，可使用国内自主生产的反应堆作热源。

技术领域

本发明属于温差电发电技术领域，特别是涉及一种高换能效率级联温差发电单元。

背景技术

温差发电技术是一种利用温差电材料自身的塞贝克效应将热能直接转换为电能的能量转换技术。使用该种技术研制的温差发电装置具有结构紧凑、没有运动部件、绿色环保，工作寿命长，可以耐受恶劣环境等优点，在月球/深空探测、无人值守边防/极地安全防护、医学等领域具有广泛的应用前景。常规温差发电技术的热电能量转换效率较低(约为3％～8％)，这也直接限制了其进一步大范围推广应用。

对某一种温差电材料来说，其性能优值Z只在某一特定的温度才有峰值。级联技术为提高温差发电技术热电转换效率开辟了一个全新的途径：将多种温差电材料构建为级联单体，使每种组分材料均在自身最佳温区工作，可使温差电材料在整个工作温度范围内具有较大Z值，进而使制作的温差电器件在总体上达到较高的效率。据公开的技术文献资料报道，现今级联发电单元多选择中温PbTe/CoSb系材料与低温BiTe材料搭配，工作温度在750K～770K，工作温差在450K～470K左右。就应用而言，其使用的热源(Pu-238)国内不具备生产能力，致使应用受限；就器件本身而言，高温区域(773K～1100K)完全没有被利用，工作温差并不十分理想，性能还存在继续上升的空间。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明从构成级联发电单元的材料选型入手，提出了一种全新组合的高换能效率级联发电单元。该种发电单元使用温度为800℃～1000℃，工作温差超过700K，可使用国内自主生产的反应堆作热源。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高换能效率级联温差发电单元，根据各级单体的工作温度，包括从上至下依次设置的热端电极、P/N型高温温差电单体、P/N型中温温差电单体和冷端电极；所述热端电极和冷端电极均为靴状，两种电极均由导电片和电极帽钎焊连接而成；所述热端导电片的下方两端各设有一个热端电极帽；每个热端电极帽下方连接有一个高温温差单体；高温温差单体下方各连接有一个对应类型的中温温差单体；每个中温温差单体下方连接有一个冷端电极帽，冷端电极帽下方各设有一个冷端导电片。

进一步，两个所述高温温差电单体中，P型单体材料为磷(P)掺杂氮化硼(BN)纳米复合N型Si_xGe_1-x，x取0.9-0.95；N型单体材料为硼(B)掺杂氮化硼(BN)纳米复合P型Si_yGe_1-y，y取0.75～0.85，实现发电单元高温(800℃～1000℃)工作。

进一步，N型中温温差电单体选用材料为卤素掺杂N型PbTe；P型中温温差电单体选用材料为P型(GeTe)_a(AgSbTe₂)_1-a，a取0.8～0.9，高温与中温单体级联可有效增加工作温差。

进一步，所述导电片材料为Ni族金属、Mo、Ti、紫铜中的任意一种，该类金属化学性能稳定且导热性良好。

进一步，电极帽为304不锈钢制成的圆柱形片体，厚度为1.5mm～2.5mm，设计电极帽将有助于提升冷热端面的集成质量。

进一步，所述导电片为平板形，平板沿长度方向的两端设有与电极帽等径的半圆弧，导电片厚度为1mm～3mm。