一种具有相变储能层的多级热电模块的制作方法

本发明属于热电模块领域，涉及一种具有相变储能层的多级热电模块，特别涉及一种具有相变材料组成的储能层的多级热电模块。

背景技术：

根据现有技术的热电模块，例如cn102308400a描述的热电模块中，分段的热电脚在脚的热侧使用高温材料，而在脚的冷侧使用低温材料，从而改进了热电模块的整体效率。对于热电材料，可分为低温、中等温度和高温热电材料三大类。不同种类的热电材料，其最佳性能的温度范围是不同的。在不同的温度范围使用不同的热电材料，可以提高热电模块的效率。同时，利用热电模块进行废热的再利用，存在热源的时间不稳定性，即单位时间输入热电模块的热量波动很大，很难将热电材料所处的温度维持在其最佳性能的温度范围。在传统的热电模块中，采用了多级结构以提高热电模块的效率。然而传统的多级结构缺乏有效的措施解决热源的时间不稳定性带来的热电模块热端和冷端温差不稳定和能量利用率低的问题。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种具有相变储能层的多级热电模块，针对现有热电模块的不足，解决外部热源输入不稳定时热电模块热端和冷端温差不稳定的问题。

技术方案

一种具有相变储能层的多级热电模块，其特征在于包括高温层1、中温层3和低温层5；在高温层和中温层之间设有第一级储能层2，在中温层与低温层设有第二级储能层4；所述高温层1、中温层3和低温层5每一层包括上基板层6、功能层7和下基板层8，所述功能层7包括二层导电电极9、pn对10和隔热支承板11；二层导电电极9位于多个pn对10的上下，并采用串联的方式连接多个pn对10，二层导电电极9和多对pn对10镶嵌在隔热支承板11内；所述高温层1中的pn对10采用高温热电材料；所述中温层3中的pn对10采用中温热电材料；所述低温层5中的pn对10采用低温热电材料；

所述第一级储能层2和第二级储能层4包括上封装层13、储能单元层14、导热隔板层15和下封装层16，储能单元14镶嵌在与其尺寸相吻合的导热隔板15组成的棋盘格中，第一级储能层2与第二级储能层4的上封装层13的材料相同，第一级储能层2与第二级储能层4的下封装层16的材料相同，第一级储能层2与第二级储能层4的储能单元14和导热隔板15的材料不同；所述导热隔板15的材料选择原则为：使储能层12的热传导性能实现热电模块整体热电转换效率的最大化；所述储能单元14的材料选择：依据其实际工况以及各层pn对发挥其最佳性能的温度范围，通过储能单元14的储能使得热电模块整体热电转换效率的最大化。

所述导热隔板15组成棋盘格尺寸相同。

所述高温热电材料的工作温度高于1000k。

所述中温热电材料的工作温度范围为373k～1000k。

所述低温热电材料的温度的工作温度范围为373k以下。

有益效果

本发明提出的一种具有相变储能层的多级热电模块，该热电模块分为高温层、中温层和低温层三级。在高温层、中温层和低温层层间利用相变材料组成的储能层，通过相变材料的相态转变过程中伴随的吸热和放热来维持热电模块热端和冷端温差稳定，同时调节每一级热电材料的温度都处在其最佳性能的温度范围以提高热电模块的整体热电转换效率。

本发明的有益效果：

1、本发明采用的多级热电模块，实现了不同级的模块化封装，通过不同级的选择和组装，满足了不同工作环境的要求。

2、本发明采用的多级热电模块，在对不同的温度段使用该温度范围内能发挥最佳热电性能的热电材料，提高热电模块的整体热电转换效率。

3、在高温层和中温层之间设置一级储能层，在中温层和低温层设置二级储能层，解决外部热源输入不稳定时热电模块热端和冷端温差不稳定的问题；利用相变储能层，克服外部热源输入的时间不均匀性，实现有效的热管理。

在高温层和中温层之间设置一级储能层，在中温层和低温层设置二级储能层，通过选择具有不同相变温度的相变材料来调节每一级热电材料的温度，使这一温度处在热电材料最佳性能的温度范围以提高热电模块的整体热电转换效率。

附图说明

图1是热电模块的整体结构示意图。

图2是高温层的结构示意图。

图3是一种储能层的结构图。

图中，1-高温层；2-一级储能层；3-中温层；4-二级储能层；5-低温层；6-上基板层；7-功能层；8-下基板层；9-导电电极；10-pn对；11-隔热支承板；12-储能层；13-上封装层；14-储能单元；15-导热隔板；16-下封装层。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

图1是热电模块的整体结构示意图，参照图1，本发明的热电模块，包括高温层1、中温层3、和低温层5三级，在高温层和中温层之间有一级储能层2，在中温层与低温层有二级储能层4，由上而下依次为高温层1、一级储能层2、中温层3、二级储能层4、低温层5。高温层1、中温层3、和低温层5分别处在高温段、中温段和低温段。

图2是高温层的结构示意图，参照图2，所述热电模块高温层1、中温层3和低温层5每一级均由上基板层6、功能层7和下基板层8三层组成。自上而下依次为上基板层6、功能层7、下基板层8，其中功能层包括pn对10、导电电极9和隔热支承板11，pn对10和导电电极9嵌在隔热支承板中，多对pn对10通过导电电极9以串联的方式连接。上基板层6和下基板层8主要起支承和保护功能层的作用；pn对10将热能转化成电能，导电电极9将多对pn对10串联，提高输出电压；隔热支承板11一方面隔热，使pn对10两端维持较大的温差，另一方面支承和保护pn对10和导电电极9。

图3是一种储能层的结构图，参照图3，储能层12中用量最大的材料是相变材料，作用是利用相变材料的相态转变实现能量的存储或释放，实现有效的能量管理。具体来说，就是在外部热能输入大时存储能量，在外部热能输入小时释放能量。同时，通过改变导热隔板15的材料改变储能层12的热传导性能来调节高温层、中温层和低温层所处的温度，使每一级热电材料的温度都处在其最佳性能的温度范围以提高热电模块的整体热电转换效率，因此导热隔板15材料选择的原则就是使储能层12的热传导性能有利于实现热电模块整体热电转换效率的最大化。储能单元14材料的选择依据其实际工况以及各层pn对发挥其最佳性能的温度范围，储能单元14材料选择的原则就是要通过储能单元14的储能作用实现热电模块整体热电转换效率的最大化。储能层12的结构并不局限于实施例中结构，针对于不同的工作环境，需相应地改变储能层12的结构。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种具有相变储能层的多级热电模块，该热电模块分为高温层、中温层和低温层三级。在高温层、中温层和低温层层间利用相变材料组成的储能层，通过相变材料的相态转变过程中伴随的吸热和放热来维持热电模块热端和冷端温差稳定，同时调节每一级热电材料的温度都处在其最佳性能的温度范围以提高热电模块的整体热电转换效率。

技术研发人员：高彤;朱继宏;张卫红;高峰;范春辉;穆芷兰;石建雄;何莹斌
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2018.07.13
技术公布日：2018.12.28