一种有机无机复合材料热电发电装置的制作方法

本实用新型涉及一种热电发电装置，尤其是涉及一种有机无机复合材料热电发电装置。

背景技术：

热电学是研究通过热电材料实现热能与电能之间直接转换的一门学科。随着全球能源需求的快速增长和越来越高的热量管理需求，热电学近年来受到广泛的关注。而热电器件主要由热电材料制成，热电材料是一种可以实现热能和电能相互转化的新型功能材料，被广泛运用于热电发电和热电制冷。它具有寿命长、结构简单、可靠性高等优点，但缺点也很明显，譬如说热电转换效率低。热电材料的性能由热电优值(ZT)来评估，ZT＝(S²σT)/κ，其与材料本身的Seebeck系数S，电导率σ，热导率κ和绝对温度T有关。由于热电传输系数都与热电材料本身的能带结构以及载流子浓度有关。因此通过材料成分的调控，在一定程度上可优化材料的热电性能，而降低材料的热导率κ是提高热电优值ZT的有效途径之一。

热电材料分为p–型和n–型，由这两种材料串联或单个均可制备热电器件，该热电器件可用于制冷和发电。传统的热电器件均由无机热电材料制成，其优点是 ZT值较大、功率因子大、耐高温、制造技术成熟，但缺点也是很明显的，有毒、质量大、价格高、柔性差、热冲击差，对制造工艺要求苛刻。近些年来，随着环保意识的增强以及对未来能源匮乏的担忧，充分利用余热已得到人们的密切关注，而热电器件可有效地利用余热发电。管道热水或废气是最普遍的方式之一，尤其是携带有热量的流体，一般而言，废热载体的温度很少超过120℃。但管道的弯曲性使得采用无机热电材料有所限制，譬如有些地域温度很低，而冷热冲击更容易让无机材料破裂。因此，为适应各种地域环境，以及降低成本和制造工艺等因素，需要设计一种有机无机复合材料热电发电装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种有机无机复合材料热电发电装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种有机无机复合材料热电发电装置，包括热源管道，所述的热电发电装置还包括多个有机无机复合材料发电模块，所述的多个有机无机复合材料发电模块依次套设在热源管道外侧，相邻的两个有机无机复合材料发电模块通过连接器串联连接，所述的有机无机复合材料发电模块包括热电偶和散热翅，所述的散热翅套设于热源管道外侧，所述的热电偶设置多根，各热电偶一端连接热源管道，另一端连接散热翅，多根热电偶形成并联连接方式并呈扇叶形分布于热源管道和散热翅之间。

优选地，所述的热电偶为柔性有机无机复合材料热电偶。

优选地，所述的柔性有机无机复合材料热电偶为聚偏氟乙烯掺杂镍纳米线热电偶。

优选地，各有机无机复合材料发电模块中的热电偶均为p型热电偶。

优选地，各有机无机复合材料发电模块中的多根热电偶之间通过绝热绝缘材料填充。

优选地，所述的连接器包括绝热绝缘套件、空心圆筒和导线，所述的空心圆筒内嵌于热源管道内侧，所述的热绝缘套件套设于热源管道外侧，所述的导线连接串联连接两侧有机无机复合材料发电模块的热端和冷端。

优选地，所述的散热翅包括散热套筒和翅叶，所述的散热套筒套设于热源管道外侧，所述的翅叶设置多个并呈辐射式分布于散热套筒外侧。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)本实用新型热电偶采用柔性有机无机复合材料热电偶，由于热电偶的柔性特点，因此呈扇叶形分布于热源管道和散热翅之间，可有效地利用有限的空间，尽可能多的添加热电偶，从而获得更高的发电功率；

(2)本实用新型聚偏氟乙烯掺杂镍纳米线热电偶，由有机物中掺杂无机纳米线制成，大幅度提高了有机无机复合材料的电导率和塞贝克系数，同时，有机无机复合材料的扩散系数较小，这有利用减小由于扩散所引起的接触特性变坏以及扩散掺杂使热电材料的性能下降所造成的影响，且热电偶制作简易，易加工；

(3)本实用新型有机无机复合材料发电模块形成模块化设计结构，通过连接器便可实现多个模块之间的串联连接，理论上可无限增加有机无机复合材料发电模块，从而进一步提高发电功率；

(4)本实用新型采用单p型热电偶，可供选择的有机无机复合材料种类繁多，串联更加方便，易于制作；

(5)本实用新型多根热电偶之间通过绝热绝缘材料填充，能有效防止热电偶相互之间的影响，保证各热电偶输入电压相似；

(6)本实用新型热冲击应好，不受周边地域环境等因素的限制，适用范围广。

附图说明

图1为本实用新型有机无机复合材料热电发电装置一视角下的立体结构示意图；

图2为本实用新型有机无机复合材料热电发电装置另一视角下的立体结构示意图；

图3为本实用新型有机无机复合材料发电模块的主视图；

图4为本实用新型连接器的结构示意图；

图5为本实用新型有机无机复合材料热电发电装置测试状态下的结构示意图；

图中，1为热电偶，2为热源管道，3为散热翅，4为有机无机复合材料发电模块，5为连接器，6为电子负载仪，7为绝热绝缘套件，8为空心圆筒，9为导线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本实用新型并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本实用新型并不限定于以下的实施方式。

实施例

如图1～图4所示，一种有机无机复合材料热电发电装置，包括热源管道2，热源管道2用于输送废液或废气，作为热源。热电发电装置还包括多个有机无机复合材料发电模块4，多个有机无机复合材料发电模块4依次套设在热源管道2外侧，相邻的两个有机无机复合材料发电模块4通过连接器5串联连接，有机无机复合材料发电模块4包括热电偶1和散热翅3，散热翅3套设于热源管道2外侧，热电偶 1设置多根，本实施例中每个有机无机复合材料发电模块4设置6根热电偶1，各热电偶1一端连接热源管道2，另一端连接散热翅3，多根热电偶1形成并联连接方式并呈扇叶形分布于热源管道2和散热翅3之间，此时，热源管道2即为无机复合材料发电模块的热端，散热翅3即为无机复合材料发电模块的冷端。各有机无机复合材料发电模块4中的多根热电偶1之间通过绝热绝缘材料填充，绝热绝缘材料可采用气凝胶，填充目的是防止热电偶1相互之间的影响，保证各热电偶1输入电压相似。

热电偶1为柔性有机无机复合材料热电偶，柔性有机无机复合材料热电偶为聚偏氟乙烯掺杂镍纳米线热电偶，各有机无机复合材料发电模块4中的热电偶1均为 p型热电偶。有机无机复合材料可由有机物中掺杂无机纳米线制成，大幅度提高了有机无机复合材料的电导率和塞贝克系数。同时，有机无机复合材料的扩散系数较小，这有利用减小由于扩散所引起的接触特性变坏以及扩散掺杂使热电材料的性能下降所造成的影响。除此之外，有机无机复合材料柔性好、易加工等特点可以有效地选择最佳几何尺寸，使得制作热电偶1简单易加工。由于发电功率随热电偶1 长度的减小先增大后减小，即存在最佳的热电偶1长度使得发电功率达到最佳，而有机无机复合材料柔性好的特点，可以有效地节约空间使用量，尽可能多的添加热电偶1，从而提高发电功率，并且有机无机复合材料制造的热电偶1不受管道弯曲所影响。热电偶1以管道为中心呈现辐射式分布，因此所有热电偶1热端与外界的温差基本相同。由于有机无机复合材料易加工，这也降低了辐射式分布的制造工艺的难度。本实施例中热电偶1选取聚偏氟乙烯(PVDF)中掺杂镍(Ni)纳米线(体积分数f＝44.5％)制作成薄膜后再切割成热电偶1，单个热电偶1热电传输系数分别为S＝-20.6μV/K，σ＝4700S/cm，横截面积为0.15mm²，长度为1cm，两端温差为50K，理想情况下(不考虑接触热阻和接触电阻的影响)单个模块(由6个热电偶1构成)的最大输出功率为11.22μW。本实施例中有机无机复合材料热电发电装置通过两个有机无机复合材料发电模块4串联而成，理论上可无限增加有机无机复合材料发电模块4，从而进一步提高发电功率。例如，若采用10个上述有机无机复合材料发电模块4相衔接，则理想情况下最大输出功率可达到1.122mW。

连接器5包括绝热绝缘套件7、空心圆筒8和导线9，空心圆筒8内嵌于热源管道2内侧，热绝缘套件套设于热源管道2外侧，导线9连接串联连接两侧有机无机复合材料发电模块4的热端和冷端，绝缘套件、空心圆筒8和管道之间的空隙均用气凝胶填充，防止短路、减小热流损失。

散热翅3包括散热套筒和翅叶，散热套筒套设于热源管道2外侧，翅叶设置多个并呈辐射式分布于散热套筒外侧。

如图5所示，通过电子负载仪6可测得热电器件产生的开路电压、短路电流、输出功率等性能系数。

上述实施方式仅为例举，不表示对本实用新型范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本实用新型技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。