一种封闭的纯物理过程热电转换装置及方法与流程

本发明涉及一种新型的能量转换的装置，具体涉及一种封闭的新型纯物理过程热电转换装置。

背景技术：

在当代社会，人类对传统化石能源的过渡开发和利用，导致的能源短缺和环境污染已经日趋严重，工业上对化石燃料的利用率已经到达瓶颈期，核能发电又存在很大的环境污染问题，因此新能源亟待开发。自上个世纪以来，新型能源例如风能、潮汐能、太阳能等的开发利用为解决能源短缺和环境问题带来了新希望，然而，这些能源的利用始终是有限的。

材料科学的发展，尤其是在热电材料方面的进展给能源短缺提供了新的解决方向，那就是把生产、生活中品位低、浓度小、能量少的低品位余热进行回收再利用，一方面，总体上对化石能源等传统能源提高了利用率，另一方面，从一定程度上为能源短缺问题的缓和提供了有利的方式。

半导体热电材料的利用主要针对于低品位余热中具有较高温度的热能，然而生活中大部分和生产中小部分热能是在100℃以下的，此时半导体热电材料的输出和效率都偏低，并且由于半导体热电材料本身属于金属材料，携带大量自由移动的电子，在热电转换过程中会带走大部分热量，从而由于内耗会降低整体的热电转换效率。

近年来，对于热电转换的另一种新型方式正在兴起，原理是利用双电层在不同温度场中的不同分布形式引起的电势差，由于双电层表现在纳米尺度范围，那么为了使双电层作用尽可能发挥到最大程度，就必须采用纳米多孔材料和电解质溶液相结合。这种利用双电层原理进行热电转换的方法是一种效率高、适用日常生活、环保的可靠方法。但目前缺乏有效的材料选取和转换场所的设计。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种封闭的纯物理过程热电转换装置及方法，利用石墨烯材料的多孔性能和最佳浓度的电解质溶液的配合，使得热电转换的输出电压和效率尽可能高，最大限度地利用低温热能，而且可以重复使用，对环境无污染。生活中的电子产品散热、人体产热、太阳能、汽车尾气余热、地热等，和生产中的大量热能包括发电厂冷却塔散热、机器振动与疲劳产热都可以作为热电转换的来源将其储存为电能。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种封闭的纯物理过程热电转换装置，包括圆筒5，布满圆筒5内的电解质溶液6，分别设置在圆筒5上下端以封闭圆筒5的上集流片2和下集流片2’，分别设置在上集流片2和下集流片2’外侧的上导热板1和下导热板1’，分别与上集流片2和下集流片2’连接的上导线7和下导线7’；所述上集流片2和下集流片2’位于圆筒5内的一侧分别通过上导电粘接剂3和下导电粘接剂3’粘接有工作电极4和参考电极4’；当所述工作电极4和参考电极4’对应的上导热板1和下导热板1’分别与高温热源和低温热源接触后，则热电转换装置通过上导线7和下导线7’输出稳定电压，若接触热源相反，则输出电压方向相反。

所述上导热板1和下导热板1’的材料为纯铜，且上导热板1和下导热板1’的两端对应位置开有通孔，采用螺栓穿过通孔来固定上导热板1和下导热板1’。

所述上集流片2和下集流片2’的材料为不锈钢片。

所述上导电粘接剂3和下导电粘接剂3’为导电银浆。

所述工作电极4和参考电极4’均为石墨烯材料，且制备的原材料为石墨烯悬浮液，制备的过程为：将石墨烯悬浮液加入去离子水稀释至0.3mg/g，搅拌10分钟后超声10分钟形成石墨烯水溶液，然后用预设口径和高度的圆筒放置于铺好滤膜的砂芯漏斗上，将石墨烯水溶液倒入圆筒中，打开真空泵进行抽膜，最后把带有石墨烯的滤膜快速放入-55℃的冻干机中，干燥38小时后取出即制备出工作电极4和参考电极4’。

所述圆筒5材料为铁氟龙圆管。

所述电解质溶液6为0.01m/l的kcl水溶液。

所述的一种封闭的纯物理过程热电转换装置的装配方法，首先，用无水乙醇清洗上集流片2和下集流片2’，然后将工作电极4和参考电极4’通过上导电粘接剂3和下导电粘接剂3’分别粘贴到上集流片2和下集流片2’上，上导电粘接剂3和下导电粘接剂3’必须均匀涂抹在上集流片2和下集流片2’表面，并尽可能薄，风干30分钟后，将上集流片2和下集流片2’分别覆盖在圆筒5两侧并保证工作电极4和参考电极4’朝向圆筒5内并完全被囊括，再将上导热板1和下导热板1’分别放置于上集流片2和下集流片2’的另一侧，用螺栓将上导热板1和下导热板1’固定；最后通过注射器缓慢从圆筒5壁面注入电解质溶液6，直至电解质溶液6溢出，去掉注射器，用绝缘胶封住注射口。

所述的一种封闭的纯物理过程热电转换装置的进行热电转换的方法，该热电转换装置内部的电解质溶液6浸入到工作电极4和参考电极4’后，当整个热电转换装置处于均匀温度场中，工作电极4和参考电极4’内部的双电层分布是相同的，引起的电势差也是相同的，此时上导线7和下导线7’之间的电势差为零；当上导热板1和下导热板1’分别与高温热源和低温热源接触时，工作电极4和参考电极4’的双电层分布开始发生变化，进行重新分布，经过一段时间平衡后，输出稳定电压，在上导线7和下导线7’之间接入负载进行放电，或者接入电池对电池充电，当上导线7和下导线7’之间电压接近零时，代表本次放电结束，随后断开负载或电池，将上导线7和下导线7’接地1-2小时进行电荷补充，补充完毕后该热电转换装置即可恢复初始状态，从而继续循环工作。

所述高温热源和低温热源的为温差5℃以上。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)石墨烯材料的比表面积和纳米尺度的孔径的绝佳分布，极大地提高了双电层的分布范围，最终提高了热电转换装置的输出。

(2)低浓度电解质溶液的采用是系统内部热耗散减小的关键，并且节约了成本。

(3)导电粘接剂的使用减少了直接接触时的接触电阻，降低了装置内阻，从而减小了装置内耗，提高了热电转换效率。

(4)封闭式的装置极大程度上方便了运输，并且投入使用后维护成本小。

(5)双电层的接地恢复功能使得该热电转换装置在每次放电结束后都能通过接地来恢复热电转换功能，可重复利用。

(6)可以对温差5℃以上的热源进行热能到电能的转换，尤其在日常生活中适用范围广。

附图说明

图1是本发明封闭的纯物理过程热电转换装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细的说明：

如图1所示，本发明一种封闭的纯物理过程热电转换装置，包括圆筒5，布满圆筒5内的电解质溶液6，分别设置在圆筒5上下端以封闭圆筒5的上集流片2和下集流片2’，分别设置在上集流片2和下集流片2’外侧的上导热板1和下导热板1’，分别与上集流片2和下集流片2’连接的上导线7和下导线7’；所述上集流片2和下集流片2’位于圆筒5内的一侧分别通过上导电粘接剂3和下导电粘接剂3’粘接有工作电极4和参考电极4’；当所述工作电极4和参考电极4’对应的上导热板1和下导热板1’分别与高温热源和低温热源接触后，则热电转换装置通过上导线7和下导线7’输出稳定电压，若接触热源相反，则输出电压方向相反。

作为本发明的优选实施方式，所述上导热板1和下导热板1’的材料为纯铜，厚度：长度：宽度为1：30:15，且上导热板1和下导热板1’的两端对应位置开有通孔，采用螺栓穿过通孔来固定上导热板1和下导热板1’。

作为本发明的优选实施方式，所述上集流片2和下集流片2’为不锈钢片，厚度：长度：宽度为0.01：30:15，使用前需要用无水乙醇清洗。

作为本发明的优选实施方式，所述上导电粘接剂3和下导电粘接剂3’为导电银浆，必须均匀涂抹在上集流片2和下集流片2’表面，并尽可能薄。

作为本发明的优选实施方式，所述工作电极4和参考电极4’均为石墨烯材料，且制备的原材料为石墨烯悬浮液，制备的过程为：将石墨烯悬浮液加入去离子水稀释至0.3mg/g，搅拌10分钟后超声10分钟形成石墨烯水溶液，然后用预设口径和高度的圆筒放置于铺好滤膜的砂芯漏斗上，将石墨烯水溶液倒入圆筒中，打开真空泵进行抽膜，最后把带有石墨烯的滤膜快速放入-55℃的冻干机中，通过固定程序干燥38小时后取出即可。

作为本发明的优选实施方式，所述圆筒5为铁氟龙圆管，内径：厚度：高度为20:1:10。

作为本发明的优选实施方式，所述电解质溶液6为0.01m/l的kcl水溶液，在装置组装好之后，通过1ml注射器缓慢从圆筒5壁面注入，直至溢出溶液，去掉注射器，用绝缘胶封住注射口。

作为本发明的优选实施方式，所述上导线7和下导线7’分别焊接在上集流片2和下集流片2’表面。

作为本发明的优选实施方式，所述工作电极4和参考电极4’对应的上导热板1和下导热板1’应分别与高温热源和低温热源接触，若接触热源相反，则输出电压方向相反。

本发明所述的一种封闭的纯物理过程热电转换装置的装配方法，首先，用无水乙醇清洗上集流片2和下集流片2’，然后将工作电极4和参考电极4’通过上导电粘接剂3和下导电粘接剂3’分别粘贴到上集流片2和下集流片2’上，上导电粘接剂3和下导电粘接剂3’必须均匀涂抹在上集流片2和下集流片2’表面，并尽可能薄，风干30分钟后，将上集流片2和下集流片2’分别覆盖在圆筒5两侧并保证工作电极4和参考电极4’朝向圆筒5内并完全被囊括，再将上导热板1和下导热板1’分别放置于上集流片2和下集流片2’的另一侧，用螺栓将上导热板1和下导热板1’固定；最后通过注射器缓慢从圆筒5壁面注入电解质溶液6，直至电解质溶液6溢出，去掉注射器，用绝缘胶封住注射口。

本发明所述的一种封闭的纯物理过程热电转换装置的进行热电转换的方法，该热电转换装置内部的电解质溶液6浸入到工作电极4和参考电极4’后，当整个热电转换装置处于均匀温度场中，工作电极4和参考电极4’内部的双电层分布是相同的，引起的电势差也是相同的，此时上导线7和下导线7’之间的电势差为零；当上导热板1和下导热板1’分别与高温热源和低温热源接触时，工作电极4和参考电极4’的双电层分布开始发生变化，进行重新分布，经过一段时间平衡后，输出稳定电压，在上导线7和下导线7’之间接入负载进行放电，或者接入电池对电池充电，当上导线7和下导线7’之间电压接近零时，代表本次放电结束，随后断开负载或电池，将上导线7和下导线7’接地1-2小时进行电荷补充，补充完毕后该热电转换装置即可恢复初始状态，从而继续循环工作。

实施例

如图1所示，上导热板1和下导热板1’的材料为纯铜，切割成厚度为2mm，长和宽分别为6cm和3cm，且在距离短边8mm，长边1.5cm的位置有两个对称的直径为5mm的通孔，上集流片2和下集流片2’为不锈钢片，厚度为0.05mm，长和宽分别为6cm和3cm，圆筒5内径20mm，厚度1mm，高度10mm。上导线7和下导线7’在工作时接入负载，在放电结束后断开负载接地。