本发明涉及热电发电技术领域，具体涉及一种便携小型化温差发电机。
背景技术
温差发电技术的出现，为利用工业余热能量回收等作出了贡献。目前实验室研究还处在基础理论研发阶段，已有论文对于热电装置应用做出了一些指示结论。其中热电模块中热电材料在应用环境下的选用区别较大，主要分为高温、中温和中低温环境，本发明着重于中低温环境下的应用；对于热电装置，其主体基本性状应满足能最大化铺设热电模块，考虑到热源的背压和热应力问题，经过设计优化的纯筒状结构理论上可以比多边形结构排布更多热电模块，但是表面为曲面，与热电模块常见的扁方形结构难以形成有效贴合，实际上便采用本发明的筒式多边形结构作为主体；对于热气流，翅片的存在是为了打破层流边界层，提高热交换效率，本发明新增的内部支撑在极小增加背压的情况下，与翅片一同打破层流边界层，提高热交换效率；对于圆筒长度，加长圆筒长度会使排气压力下降较大，发电量随之骤减，同时考虑到便携性，对圆筒长度进行限制；热电模块布置方面，单模块长度矩形横向设计具有良好表现，同时也利于热电模块线路的接出问题，利于电路总线布置；在热端和热电模块之间存在热交换效率问题，目前论文研究还处于寻找合适硬质材料垫层的阶段，本发明采用柔性材料石墨碳纸，比起硬质材料更有效提高接触面积，从而有效提高热交换效率；热端翅片采用泡沫铝材料，在减轻总质量同时，提高热传导效率，同时其优异隔音减振效果，有更为广阔的应用前景；铝基板结构为金属薄板-泡沫铝-金属薄板三明治结构，为高刚度耐热结构件，保证平面度，降低热阻问题，保证尽量大的接触面积，利于热电模块取得良好热传导。
温差发电技术是利用某些半导体材料的塞贝克效应将热能转换为电能的技术。当这种材料的冷端和热端有一定温差时，两端就会建立起一定的电势差，如果再形成回路，电路中将产生电流。此时，半导体材料的作用就相当于直流电源。在其他条件给定时，在一定范围内，冷端和热端的温差越大，发电效率越高，而且温差一定时，在一定范围内，越处于低温区，发电效率越高。温差发电装置具有结构简单、寿命长、无噪声、无运动件等优点，受到了越来越多的关注，并在诸多领域得到了应用。
在温差发电装置中，热交换器主体是重要组成部件之一，决定了整个温差发电机的形状和尺寸。针对前面提及的问题，本发明提出了一种利用柴油燃气炉作为热端，外部环境循环水路作为冷端的热电发电机。该装置的中间支撑结构保护了翅片并利于搬运，安装基体集成了热交换器热端传热部分，总体集成了热交换器整体，结构紧凑，同时热端换热翅片采用泡沫铝材料减轻了总重量，在取暖同时也能利用余热提供足够电力支持照明等作业，节约了能源。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种便携小型化温差发电机，提高余热回收效率，持续形成的温差使热电模块发电，增加热电模块铺设面积，提高余热回收部分系统的紧凑性；尤其适用于中低温余热回收发电场合。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种便携小型化温差发电机，包括环形骨架和热交换器，热交换器安设于环形骨架上，热交换器包括热端结构、热电模块和冷端结构，热端结构沿周向均匀分布于环形骨架的内圈，冷端结构沿周向均匀分布于环形骨架的外圈，热电模块设置于热端结构和冷端结构之间。
按照上述技术方案，热端结构包括多个铝基板，多个铝基板沿周向均匀分布于环形骨架上，每个铝基板的内表面均设有换热翅片，冷端模块分布于铝基板的外表面，热电模块设置于冷端模块与铝基板之间。
按照上述技术方案，换热翅片的材料为泡沫铝。
按照上述技术方案，铝基板与换热翅片之间设有石墨碳纸。
按照上述技术方案，冷端结构包括多个冷却水箱，多个冷却水箱分别设置于多个铝基板的外表面。
按照上述技术方案，铝基板包括依次设置的金属薄板、泡沫铝和金属薄板。
按照上述技术方案，环形骨架内设有中间支撑，中间支撑包括钢直管和多个钢板叶片，多个钢板叶片沿钢直管周向分布，将筒式骨架的内圈沿周向分割成多个空间。
按照上述技术方案，环形骨架包括相互平行的前板和后板，前板与后板之间连接有多个角钢体，角钢体沿前板和后板周向分布。
按照上述技术方案，角钢体的两端通过螺栓分别与前板和后板连接。
按照上述技术方案，便携小型化温差发电机的外圈套装有夹紧箍，夹紧箍将多个周向分布的冷端结构向中心锁紧。
本发明具有以下有益效果：
1.热交换器将环形骨架围成一个环形体，环形体的内圈用于与燃气炉联通，燃气炉尾气进入环形体，将热量传导给热交换器的热端结构，提高了热气热交换效率，提高余热回收效率，使热端结构和冷端结构持续形成温差，持续形成的温差使热电模块发电，改善了热应力问题，增加热电模块铺设面积，提高余热回收部分系统的紧凑性；尤其适用于中低温余热回收发电场合。
2.热端与热电模块之间采用垫加柔性导热材料石墨碳纸的方式，减少热端表面热量散失和增大传热面积，提高热交换效率；环形体内部排布的翅片结构和中间支撑结构有效打破层流边界层，提高热交换效率；换热翅片采用泡沫铝材料，有效减少整机重量并具有抗冲击性能和减少噪声的优点，换热翅片采用通孔泡沫铝材料在强制对流条件下具有高散热效率；铝基板采用金属薄板-泡沫铝-金属薄板三明治结构，为高刚度耐热结构件，保证平面度，利于热电模块取得良好热传导。
附图说明
图1是本发明实施例中便携小型化温差发电机的结构示意图；
图2是本发明实施例中去掉冷却水箱的便携小型化温差发电机的结构示意图；
图3是本发明实施例中环形骨架的结构示意图；
图4是本发明实施例中去掉冷却水箱和发电模块的便携小型化温差发电机的结构示意图；
图5是图4的a向示意图；
图6是本发明实施例中中间支撑的结构示意图；
图7是图6的b向示意图；
图8是本发明实施例中角钢体的结构示意图；
图9是本发明实施例中换热翅片的结构示意图；
图10是本发明实施例中铝基板的结构示意图；
图11是本发明实施例中冷却水箱的结构示意图；
图12是本发明实施例中法兰盘的结构示意图；
图13是本发明实施例中夹紧箍的结构示意图；
图中，1-热电模块，2-前板，3-中间支撑，4-角钢体，5-后板，6-换热翅片，7-铝基板，8-钢直管，9-钢板叶片，10-冷却水箱，11-法兰盘，12-粗钢筋，13-小铁板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图2所示，本发明提供的一个实施例中的便携小型化温差发电机，包括环形骨架和热交换器，热交换器安设于环形骨架上，热交换器包括热端结构、热电模块和冷端结构，热端结构沿周向分布于环形骨架的内圈，冷端结构沿周向分布于环形骨架的外圈，热电模块设置于热端结构和冷端结构之间；热交换器将环形骨架围成一个环形筒体，环形筒体的内圈用于与燃气炉联通，燃气炉尾气进入环形筒体，将热量传导给热交换器的热端结构，提高了热气热交换效率，使热端结构和冷端结构持续形成温差，持续形成的温差使热电模块发电。
进一步地，热端结构包括多个铝基板，多个铝基板沿周向均匀分布于环形骨架上，每个铝基板的内表面均设有换热翅片，冷端模块分布于铝基板的外表面，热电模块设置于冷端模块与铝基板之间；铝基板将环形骨架围成一个内外隔绝筒体(所述的隔绝筒体主要指隔绝内外温差)，提高内外温差的同时，并提高结构的刚度，具有消音抗震的作用。
进一步地，换热翅片的材料为泡沫铝。
进一步地，铝基板与换热翅片之间设有石墨碳纸；石墨碳纸铺设于铝基板的下表面，通过柔性导热材料，减少热端热量损失，并提供一定的抗震消音性能。
进一步地，冷端结构包括多个冷却水箱，多个冷却水箱分别设置于多个铝基板的外表面；冷却水箱与铝基板一一对应设置。
进一步地，铝基板包括依次设置的金属薄板、泡沫铝和金属薄板；形成三明治结构，具有高刚度耐热和消音抗震的性能。
进一步地，环形骨架内设有中间支撑，中间支撑包括钢直管和多个钢板叶片，多个钢板叶片沿钢直管周向分布，将筒式骨架的内圈沿周向分割成多个空间。
进一步地，环形骨架包括相互平行的前板和后板，前板与后板之间连接有多个角钢体，角钢体沿前板和后板周向分布。
进一步地，中间支撑的钢板叶片个数与角钢体的个数一致，钢板叶片的外端与角钢体连接，多个钢板叶片所分割的空间内均设有换热翅片。
进一步地，角钢体的两端通过螺栓分别与前板和后板连接。
进一步地，前板和后板均为法兰盘，法兰盘上沿周向分布有多个螺栓孔，通过螺栓孔连接前后设备，进行导气。
进一步地，法兰盘为圆环形，所述的环形骨架为筒形骨架，便携小型化温差发电机形成多边形筒体结构。
进一步地，角钢体包括两个公边设置的角钢。
进一步地，便携小型化温差发电机的外圈套装有夹紧箍，夹紧箍将多个周向分布的冷端结构向中心锁紧，夹紧箍如图13所示，图1中没有显示夹紧箍。
进一步地，夹紧箍包括两个小铁板13和粗钢筋12，粗钢筋12为圆弧形，粗钢筋12的两端分别与两个小铁板13连接，两个小铁板13相互平行设置，两个小铁板13之间通过螺栓连接。
进一步地，所述的的冷端结构和热端结构的个数均为12个，形成筒式正十二边形结构。
进一步地，冷却水箱的下端面通过干胶带与热电模块固定，冷却水箱的上端面铺设有铝垫片，铝垫片通过干胶带与冷却水箱固定，冷却水箱的下端面为铣平面，冷却水箱的上端面为未铣平面。
本发明的工作原理：
本发明提供的一种便携小型化温差发电机，包括骨架、热交换器和辅助装置。
所述的骨架，主要用于构成安装基体，同时分隔热气通道和安装区域，便于装配，有利于提高热气热交换效率。
所述热交换器，包括热端结构、热电模块和冷端结构；其热端结构和安装骨架即通过钻孔，由沉头螺钉连接成为一体作为安装基体，便于热电模块的搭载和放置。在热端铝基板表面垫一层石墨碳纸，热电模块接线端同一朝向和冷却水箱铣过表面用干胶带预先固定，未铣过表面放置三块废弃铝垫片同样用干胶带预先固定，再将冷却水箱有热电模块的一面朝向石墨碳纸，通过夹具夹紧两端冷却水箱管道和翅片对冷端进行预固定；预固定12组冷却水箱后，用夹紧箍预先于水箱表面废弃铝垫片上拉紧，依序放置滚珠，并通过夹紧箍上螺栓夹紧，完成三个夹紧箍夹紧固定，即可卸载预固定夹具，完成热交换器装配。
所述热交换器安装基体，主要用于提供热电模块搭载和冷端装置装配空间，热端结构的集成，最大化保证了热气流的热量交换效率，平整的铝基板便于安装热电模块，并保证其表面热量分布均匀。
所述热端结构，翅片和铝基板，其翅片有翅部分主要和热气流直接接触，翅片形状有利于更大的接触表面集热，无翅部分平整，有利于与铝基板接合传热，本发明中换热翅片采用泡沫铝材料，相较于全铝材料，在保证与热气流接触面积不变的情况下，内部中空强化了传热效果，同时，空气腔的存在降低了噪声，同体积泡沫铝材料质量更轻，使得热电发电机整体的重量下降，有利于野外搬运作业。其铝基板主要提供更大平整表面便于安装和均匀传热，同时垫高与热源的距离，使硅胶水管不会被角钢干涉，并保护硅胶水管不会被热源过高温度烧融漏水。
所述石墨碳纸，其垫放减少了热电模块与热端的接触间隙，提高了热端传热效率。
所述冷端结构，其包括冷却水箱、连接冷却水箱管口的硅胶管和用于硅胶管口夹紧的夹紧箍。其冷却水箱外形为图9所示，分为铣平面和未铣平面，其铣平面与热电模块冷端通过干胶带预固定，未铣表面垫加废弃铝垫片，由干胶带预固定。冷端结构主要是通过循环水路的作用，对流循环水，进行散热，保证热电模块冷端维持在一个稳定的低温温度。
所述辅助装置，包括石墨碳纸、废弃铝垫片、滚珠、夹紧箍。其石墨碳纸减少热端和热电模块间隙，提高传热效率。其废弃铝垫片保护冷却水箱外表面不受过高压力损坏而漏水。其滚珠提高夹紧箍夹紧效果。其夹紧箍保证热交换器热端、热电模块和冷端接合有足够压紧力并进行固定装配。其夹紧箍保证硅胶水管和散热水箱接口的密封性，防止漏水。
本发明提供的是一种便携小型化温差发电机主体，包括骨架、热交换器和辅助装置。其安装骨架是由中间支撑、角钢体、前板和后板焊接成型的钢骨架结构，其中间支撑是由钢直管和环形均布的钢板叶片焊接成型，其热端由12组环形布置的换热翅片和铝基板构成，热电模块依照图2所示搭载在铝基板上，冷却水箱为铝制加工成品，分为铣表面和未铣表面。辅助装置包括热交换器热端铝基板和热电模块之间的石墨碳纸、冷却水箱表面防止损坏垫加的废弃铝垫片、滚珠，冷却水箱与硅胶管之间连接固定的夹紧箍和热点发电机侧表面整体固定的夹紧箍。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的一种便携小型化温差发电机主体，外形如图1，包括骨架如图3、热交换器、辅助装置。骨架如图3所示，包括中间支撑3，角钢体4、前板2和后板5，其中间支撑3如图6和图7所示，包括钢直管8和外围均布的12份钢板叶片9，其角钢体4结构如图8所示，前板2和后板5均为为法兰盘如图12所示，骨架由所述包含结构焊接成型。热交换器包括热端结构、热电模块1、冷端结构，其热端结构包括沿着热交换器安装骨架侧边环形均布的换热翅片6和搭接在换热翅片6上同样环形布置的铝基板7，所述热端结构与安装骨架通过钻通孔，由沉头螺钉安装固定为图4和图5所示安装基体，其热电模块1如图2所示，经过分析实验测温数据后得出的最佳布置方式，热电模块1接脚朝向均为同向同侧，热端表面朝向热端布置，其冷端结构包括冷却水箱和硅胶管，冷却水箱为铝制加工成品，其一面经过铣加工，便于热电模块冷端表面与水箱贴合，硅胶管裁剪合适长度捅接进出水管口，并通过辅助装置中的夹紧箍夹紧。辅助装置包括所述铝基板7和热电模块1热端表面之间的石墨碳纸，所述冷却水箱未铣表面的废弃铝垫片、辅助夹紧固定的滚珠、对热电发电机侧表面夹紧固定的夹紧箍，对冷却水箱和硅胶管之间连接固定的夹紧箍。
所述温差发电机主体如图1所示，外形设计为横截面为正12边形的柱体。柱体外表面是12块导热良好的横截面为梯形的基板7，使用导热硅胶将其紧贴在前部换热翅片6上，由角钢体4隔开各自的安装区域，通过钻通孔由沉头螺钉依次连接固定角钢体4、换热翅片6、铝基板7，将整个热交换器骨架如图4的侧表面密封起来，平整的铝基板外表面用于安装布置热电模块。
所述温差发电机内部设计为如图3、图6和图7所示的中间支撑结构，钢直管8外侧表面环形均布12片钢板叶片9，在作为承力结构避免应力集中的同时，起到导流集热的作用。钢板叶片9与角钢体4通过焊接承力，组成安装骨架的一部分。
外侧铝基板7下安装的是异形的前部换热翅片6，共12个，前部为有翅部分朝内，便于集气换热，背部无翅平整，便于与铝板紧密贴合传热。这些换热翅片外侧平整，利于向基板传递热量，内侧密布了许多鳍片，便于热交换器内部的高温热气流充分接触，采用泡沫铝材料，其材料内部拥有空气腔，增大了内表面，强化传热效果，同时空气腔的存在可以降低噪音，同体积的泡沫铝材料比全铝材料，重量上大为减轻，有利于整体装置的轻量化设计。
所述热交换器骨架是由2根弯折为105°的角钢6对接的共计12组角钢体4、所述中间支撑3和两个分别称为前板和后板的法兰盘10构成。环形均布的角钢体4，相邻钢板叶片9和热端结构组成相对封闭的12组扇形截面气流管路，在提供安装定位点和承力结构同时，其几何结构起到了密封导流作用。同时在轴向，使角钢体4稍长于中间支撑3，有利于减少气流在进口处的阻力。
所述热电发电机主体，在侧表面由夹紧箍夹紧固定，为防止冷却水箱在夹紧过程中受损，在为铣表面垫加废弃铝片，同时为了提高夹紧效果，在废弃铝片上加入了滚珠；所述的滚珠为直径4mm长度30mm左右的光滑小圆钢柱。
本发明提供的上述一种便携小型化温差发电机，其与现有技术相比，具有以下主要的创新的技术方案：
1)中间支撑3轴向距离小于角钢体4轴向距离，相较以往无间距的设计，有利于防止热气流回流；
2)中间支撑3钢板叶片9承力同时具有分区导流功能，改进了热气流热气集中形式，提高了热气流利用率；
3)正12边形的柱体外形设计，可以使主体侧表面获得均匀稳定的热端温度，这对于热电模块稳定高效发电具有重要意义；
4)较以往的全铝材换热翅片6，本发明选用泡沫铝材料，强化传热效果，降低工作噪声，也使得装置整体的重量降低，使得发电机整体可以小型化，便携；
5)相比大型热电交换机，本发明提出一种民用小型化热电转换装置，安装基体集成了热交换器热端结构，外部热电模块和冷端结构可以通过夹紧箍的装卸来拆装，具有一定的可替换部件功能。
本发明提供的上述的一种便携小型化热电发电机主体，其工作过程是：在燃气炉产生的热气流，通过传热管道到达中间支撑3，于其导流作用下将热气导流到换热翅片6上，换热翅片6通过集热作用将热量集中交换到换热翅片6自身，再通过翅片6背部传热到铝基板7，热端温度在铝板7表面均匀分布，由石墨碳纸将热量传递给热电模块热端，热端传热完成。冷端主要通过循环水路，其主要有水泵、循环水箱、硅胶水管、冷却水箱，本发明只要求冷却水箱和硅胶水管，通过调节水泵流速控制冷却水箱9流速从而控制冷端温度，从而获得可控的相对稳定的冷端温度。通过上述过程在热电模块热端和冷端建立起了稳定均匀的温度差，再通过热电模块接脚接线导出电势差作为电源，即可以将热电模块产生的电压收集利用供电。
综上所述，改善以往板载式温差发电机结构的热应力问题，在增加热电模块铺设数量和使单模块尽量大的贴合面上做出平衡，通过环形结构，整体上提高了系统紧凑性，抵消了各方向的热膨胀问题，在筒式正十二边形外增加辅助外箍，辅助夹紧。翅片和内部支撑结构有效打破层流边界层，热源背压负担小；对于热气流，必须考虑打破层流边界层以提高热交换效率，同时也应考虑在风道中加装阻气流结构产生的背压影响，本发明结构上对背压负担的增加较小，层流边界层打破效率得到显著提高。换热翅片采用泡沫铝材料，强化传热，降低噪声，装置整体重量降低；相较于以往的温差发电机采用全铝材换热翅片，采用泡沫铝材料的换热翅片，内部表面积增大强化了传热效果，空气腔的存在降低了运行时的噪声，同时同体积泡沫铝质量更低，使得热电发电机总体结构的质量大大降低。铝基板采用金属薄板-泡沫铝-金属薄板三明治结构；该结构为高刚度耐热结构件，保证平面度，给热电模块尽量大的接触面积，利于热电模块取得良好热传导。热电模块热端与铝基板之间为附加柔性材料石墨碳纸；柔性材料比以往铜板材料等，更加有效提高热接触面积，防止热传递过程中的热量散失。同时材料更为廉价，有利于批量化生产。经过合理的工艺改良，更有利于对接适应不同工作环境；筒式正多边形，在提高结构紧凑性的同时，也预留了足够的加工余量，在外部的机械工艺结构例如法兰等，可以与其他构件进行安装固定。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。