一种极地温差发电系统的制作方法

本发明涉及一种温差发电系统，具体涉及的是一种用于极地地区的无转动部件具有高可靠性的温差发电系统，热源利用柴油燃烧的热量，冷源利用极地低温环境，温差发电系统在温差的作用下进行持续发电。

背景技术：

南极海拔高，空气稀薄，表面覆盖冰雪，冰雪反射太阳辐射，这些条件使得南极为世界上最寒冷的地区，南极特有的极地环境是进行科学考察、天文观测、环境实验的理想地点，许多国家都在南极建有科考站。目前，南极大多数科考站都是采用柴油发电机组进行发电，柴油发电机是利用转子转动切割磁力线进行发电，转动部件的持续使用会降低整个发电系统的可靠性。特别是在极地低温低压环境下，柴油机的性能和可靠性会大大降低。

我国极地科考站的柴油发电机，持续运行时间远低于设计的时间，因此在科考站备有多台柴油发电机轮流发电，以保证电能的持续供给。当极地科考站的柴油发电机发生故障后，很难维修，一般直接更换新的发电机。然而南极物资运送困难，运输成本很高，柴油发电机又比较笨重，经常更换会增加南极科考的成本。为此，迫切需要寻求一种发电效率高、运行可靠性高的发电系统。

温差发电是一种利用赛贝克效应直接将热能转换为电能的技术，具有可靠性高寿命长等优点。温差发电最初没有得到广泛使用最主要的问题是其发电效率低。随着对温差发电的研究深入以及材料科学的进步，新型的温差发电材料被发现，新型的温差发电材料相对传统温差发电材料，极大地提升了温差发电的效率。温差发电效率与温差发电材料的“优值”有关，“优值”越高发电效率越高。当“优值”达到4时，理论温差发电效率可以达到30％，与传统的柴油机发电效率相当，目前性能最高的温差发电材料的“优值”可以超过4。

为此，本文设计了一种无转动部件的高可靠性温差发电系统，利用南极的低温环境，作为低温冷源，利用柴油燃烧的热量，作为高温热源，循环工质为低温环境下不会发生凝固的酒精。通过重力驱动热交换工质的沸腾-冷凝，实现发电系统的工质自循环。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对极地科考发电设备可靠性差的问题，而提供了一种充分利用极低低温工况环境而提高发电效率的工作于极地环境的温差发电系统，同时该发电系统无转动部件，具有极高的可靠性，能够长时间稳定持续高效地输出电能，有效的解决极地科考站电能供应不稳定的问题。

技术方案

为解决极地科考站发电系统设计上存在的上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种极地温差发电系统，其特征在于：包括舱体、气液相变导热装置、温差发电装置及重力驱动沸腾-冷凝液冷装置，在所述舱体内设置有炉膛，所述炉膛下侧设有一进气口，炉膛顶部连接一上端伸出舱体外的烟道；所述气液相变导热装置包括位于炉膛内的第一气液相变导热板组和位于烟道内的第二气液相变导热板组，所述第一气液相变导热板组和第二气液相变导热板组分别由平行间隔布置的气液相变导热平板组成，所述气液相变导热平板由平板蒸发段、平板冷凝段及吸液芯组成，所述平板蒸发段位于所述炉膛内，在所述平板蒸发段安装有多组翅片，所述平板冷凝段位于所述炉膛外；所述重力驱动沸腾-冷凝液冷装置包括位于沸腾侧的蛇形通道冷却装置及上升管，所述冷却装置及上升管安装于舱体内；所述重力驱动沸腾-冷凝液冷装置还包括位于冷凝侧的低温冷却装置、下降管及下联箱，所述低温冷却装置、下降管及下联箱置于外部环境中；所述上升管上部经所述低温冷却装置与所述下降管连接，所述下联箱连接在下降管和上升管之间，在所述上升管的中部连接所述蛇形通道冷却装置，该蛇形通道冷却装置包括第一冷却通道组和第二冷却通道组，所述第一冷却通道组和第二冷却通道组分别由平行间隔的冷却通道组成，在每个冷却通道内设置一个所述气液相变导热平板，在所述冷却通道与气液相变导热平板之间设置所述温差发电装置的温差发电片。

在所述蛇形通道冷却板内部加工有蛇形通道。

在所述低温冷却装置上设置有肋片。

所述吸液芯形状为十字型。

所述第二气液相变导热板组的气液相变导热板数量为3-10个。

所述第一气液相变导热板组的气液相变导热板数量为2-3。

所述气液相变导热平板是由高导热系数的紫铜制成，内部充的液体工质为乙醇、甲醇或丙酮。

所述重力驱动沸腾-冷凝液冷装置的液体工质为乙醇、甲醇或丙酮。

本发明发电系统的重力驱动沸腾-冷凝液冷装置，利用工质在通道中沸腾及冷凝产生的压力不平衡，促进气化后工质流向冷凝侧，并且利用重力将冷凝后的液体运输至沸腾侧，实现工质的自循环；吸液芯布满气液相变导热平板内部，构成气液相变自循环结构；重力驱动沸腾-冷凝液冷装置及气液相变导热平板，分别与外部低温环境与高温烟气环境换热，在温差发电装置两侧构成低温端、高温端，构成无转动部件的基地温差发电系统。

重力驱动沸腾-冷凝液冷装置为一循环回路，蛇形通道冷却装置与温差发电装置接触，构成温差发电装置的冷端，重力驱动沸腾-冷凝液冷装置利用重力及沸腾-冷凝中产生的压力不平衡作为驱动力，保持整个装置中工质的自循环流动。蛇形通道冷却板内部为蛇形通道，强化了对温差发电装置冷端的冷却效果，增大温差发电装置两侧的温度差。蛇形通道冷却板中的工质吸收热量后温度升高，密度变小，通过上升管向上流动。上升管上部的工质温度很高，开始沸腾，产生的气液混合物在低温环境冷却装置中液化冷却成液体，液体进入下降管中继续进行循环，低温冷却装置加装有肋片，提高了换热面积，充分利用了极地的低温，增强了冷却的效果。整个装置利用了重力作为驱动力进行循环，无需任何转动部件，提高了可靠性。

气液相变导热平板是一块利用工质气液相变并加装有肋片的紫铜板，该紫铜板内部为空心结构，内部安装有n个(9＜n＜20)十字型的吸液芯，铜板中的工质吸热蒸发在壁面冷凝后，通过吸液芯流回铜板下部，实现工质的循环。导热平板的一端下安装有肋片，从而可以提高换热面积，增强换热。导热平板利用气液相变传热，可以极大地提高换热系数，其导热系数是紫铜的几十倍，是热的“超导体”。使用气液相变导热平板可以减少平板上温度的不均匀度，使得其上不同温差发电片能够工作在相近的工况，从而可以提高整个温差发电系统的发电效率。

温差发电装置是用于热电转换的核心装置，由k(400＞k＞300)个商用温差发电片构成，温差发电片排列固定在一起，形成一个整体。温差发电片根据用电系统对电源的需求，进行合理的串并联连接，并且在串联回路中加入二极管防止电流的倒流。温差发电片内部有m(200＞m＞150)对pn结。单个pn结是构成温差发电的最基础单元，单个pn结是由一个p型富空穴材料和一个n型富电子材料连接构成，当两端形成温差后在塞贝克效应下，可以持续产生电能。温差发电片的外壳是隔热性良好的陶瓷材料，这样可以减少所述的温差发电片冷热端之间的传热，提高冷热端的温差，进而提高温差发电的效率。

舱体是由包裹钢制骨架的耐高温材料构成，其外壁包裹保温材料，用以减少柴油燃烧的热量的散失。高温炉膛燃烧所需的空气从进风口进入，燃烧后的烟气通过位于另一侧的烟囱排出，这样高温烟气可以在炉膛中充分流动，进而提高传热效率。

有益效果

本发明公开了一种高可靠性极地温差发电系统，该系统从分利用舱体的空间，在舱体内布置第一气液相变导热板组、第二气液相变导热板组、第一冷却通道组及第二冷却通道组，并气液相变导热板和冷却通道之间设置温差发电片，第一气液相变导热板组和第二气液相变导热板组充分吸收炉膛内燃烧产生的热量，第一冷却通道组及第二冷却通道组对发电片的冷端进行及时的冷却降温，使用温差发电片，充分利用极地的低温环境和柴油燃烧产生的高温烟气之间的温差，进行温差发电，巨大的温差可以显著地提高能源的利用效率。气液相变导热平板作为均温装置，可以促进温差发电装置表面产生均匀温度场，使得温差发电片工作在相似的工作条件，重力驱动沸腾-冷凝液冷装置通过多次热交换，将极地外部低温环境引导至温差发电装置的高温端，可以提高整个温差发电系统的效率。温差发电片本身不含转动部件，液冷装置利用重力，实现了自循环，也不含转动部件，因此整个装置无任何转动部件，从而提高了整个温差发电系统的可靠性。该温差发电系统经过改良，可以高效率并且高可靠性地输出电能，克服了柴油机发电的缺点，可以降低极低科考的用电的成本以及增加电力系统的可靠性。

附图说明

图1一种高可靠性极地温差发电系统图；

图2气液相变导热平板图；

图3低温环境冷却装置结构图；

图4蛇形通道冷却板结构图；

图5温差发电装置结构图；

图中1.舱体；2.燃烧器；3.烟道；4.进气口；5.气液相变导热平板；6.炉膛；7.蛇形通道冷却板；8.上升管；9.低温环境冷却装置；10.肋片；11.下降管；12.下联箱；13.温差发电片；14.十字形吸液芯；15.紫铜外壳；16.连接管；17.底座；18.蛇形槽道；19.盖板。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1给出了本发明的系统图，一种极地温差发电系统，包括燃烧柴油的炉膛、气液相变导热平板和重力驱动沸腾冷凝自循环液冷装置。具体结构包括：舱体1；燃烧器2；烟道3；进气口4；气液相变导热平板5；炉膛6；蛇形通道冷却板7；上升管8；低温环境冷却装置9；肋片10；下降管11；下联箱12；温差发电片13；十字形吸液芯14；紫铜外壳15；连接管16；底座17等主要组成部分。燃烧器2布置在炉膛6中，进气口4布置在炉膛6的一侧，空气从进气口4进入，柴油燃烧产生高温烟气，最终从烟道3排出。高温烟气在炉膛6中冲刷气液相变导热平板5，将热量传递给导热平板，气液相变导热平板5利用其优越的导热性能，均温地加热温差发电片13，蛇形通道液冷板7通过液冷，带走温差发电片13的热量，从而使得发电片13的两端形成巨大温差，实现高效率地发电。蛇形通道液冷装置7中的工质液体，通过重力驱动沸腾冷凝自循环液冷装置实现自循环，工质受热后在上升管8中上升，沸腾后在低温环境冷却装置9中液化，肋片10布置在低温环境冷却装置9上，用于增大低温环境冷却装置9与极低低温环境的接触面积，从而提高换热性能。工质液化后，通过下降管11沉积到下联箱12中。

图2给出了气液相变导热平板结构图，将其表面部分剖开，从而可以看到内部结构。该导热平板是由高导热系数的紫铜制成，平板内部为空心结构，一个紫铜外壳15内部加入了十字形吸液芯14，不但可以强化结构的稳定性，还能起到引导液化的工质回流，从而实现工质的循环。气液相变导热平板下部装有肋片，用于增加换热面积，提高换热能力。

图3为低温环境冷却装置结构图，整个装置置于室外，充分地利用了极地的低温环境。该装置加装了肋片10，用于增大接触面积，提高冷却效果。连接管16中的气体进入低温环境冷却装置9后，由于极低环境温度低，因而能够被迅速冷却液化，凝结的液体进入下降管11中汇入下联箱12中，继续进行循环。

图4为蛇形通道冷却板结构图，该装置是由一块金属板加工而成，在其表面挖出蛇形槽道18，在蛇形槽道18的两端加工出进出口，使得冷却水通过进出口在蛇形通道内部流动，金属盖板19盖住加工后的槽道，通过焊接实现密封。

图5为温差发电装置结构图，温差发电片13紧贴在底座17上，温差发电片13之间根据需要进行串并联连接接线，最后在底座合并引出电源的正负极。