热源在上方的单向传热温差发电系统及发电方法与流程

本发明涉及一种热源在上方的单向传热温差发电系统及发电方法，属于传热领域。

背景技术：

温差发电技术的关键之处在于冷端如何保持稳定且较低的温度，从而在温差发电元件两端维持一定时间内相对稳定的温差进行发电。冷端的散热方式有自然对流、风冷强迫对流以及水冷等方式，而自然对流一般在较为封闭的狭小空间内是无法保证散热效果的，因此不能维持长时间的较大温差；风冷强迫对流尽管散热效果优于自然对流散热方式，但是在狭小空间内风扇的布置较为困难，以及风扇自身的寿命和电能消耗都是潜在的隐患问题；而水冷散热的方式，如果冷端用泵连接液体箱形成液体循环，这种散热效果尽管很好，但是泵是消耗电能的，且有些温差发电场合条件并不允许这种开式的循环存在；如果冷端不进行液体循环，仅用一个液体箱置于温差发电元件的下方作为冷源，只有与温差发电元件接触的液体箱上部液体被迅速加热升温，换热效果不佳，导致散热效果不好，发电失败，而且液体箱只有足够大才有作为冷源的意义，否则温差发电元件冷热端很快就没有温差存在，但液体箱尺寸太大，其适用性也不强。为此，本发明提出一种热源在上方的单向传热温差发电方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种热源在上方的单向传热温差发电系统及发电方法。

该热源在上方的单向传热温差发电系统，其特征在于：包括热源，温差发电元件，热虹吸式热管，液体箱以及液体工质；上述温差发电元件布置在热源的下方，热虹吸式热管布置并紧挨在温差发电元件的下方；热虹吸式热管的一侧从上到下布置有上出口和下进口，液体箱一侧从上到下布置有上进口和下出口；热虹吸式热管的上出口与液体箱的上进口通过上升管相连，液体箱的下出口和热虹吸式热管的下进口通过下降管相连；液体箱和热虹吸式热管内均装有液体工质；上述液体箱在空间位置上高于热虹吸式热管；热虹吸式热管的上出口高度低于液体箱上进口高度；热虹吸式热管的下进口高度低于液体箱下出口高度。

所述一种热源在上方的单向传热温差发电系统的发电方法，其特征在于包括以下过程：上述温差发电元件的一端紧贴热源吸收热量形成热端，另一端作为温差发电元件的冷端，与热虹吸式热管内部的液体工质通过间接或直接接触的方式换热，液体工质吸收温差发电元件冷端的热量以保持冷端相对较低的温度，从而保证温差发电元件冷热端的温差进行发电；温差发电元件冷端的热虹吸式热管与液体箱相连通，热虹吸式热管内部的冷态液体工质吸收温差发电元件冷端的热量后升温变成热态液体工质后通过热虹吸效应将热量经上升管传递到液体箱的上部，液体箱下部的冷态液体工质通过下降管进入热虹吸式热管内继续吸收温差发电元件冷端的热量后又通过上升管进入液体箱的上部，使得与温差发电元件冷端接触的热虹吸式热管内液体工质始终与液体箱底部的液体工质的温度接近，如此形成液体工质的自循环。

本发明提出一种热源在上方的单向传热温差发电系统及发电方法，所涉及的温差发电的冷源设计方法，确保与温差发电元件冷端接触的热虹吸式热管内液体工质与液体箱底部的液体工质温度接近，而热虹吸式热管内液体工质吸收温差发电元件冷端的热量通过热虹吸效应转移至液体箱上部，可高效快速地换热，使得温差发电元件的冷端在一定时间内保持相对稳定且较低的温度，液体箱的尺寸大小可根据所需的温差和发电功率而定，在所需发电功率要求较大的情况下，可适当增大液体箱的尺寸以盛装更多的液体工质来吸收温差发电元件冷端的热量，从而较长时间地维持温差发电元件冷热端较大的温差以满足用户需求，另外在一些空间有限的场合，水箱可做成异形来满足换热需求；温差发电元件冷端与热虹吸式热管内液体工质直接接触换热的方式，在最大程度上减少了冷端的热阻，更体现了换热的高效快速；另外，此冷源设计方法使得其内部液体工质形成封闭自循环，可避免频繁更换工作液体，且不需要通过外加泵形成循环所需的电能，就能维持一定时间的相对稳定且较低的冷端温度，从而进行温差发电以满足用户的用电需求。

上述的热源在上方的单向传热温差发电系统，其特征在于：热虹吸式热管与温差发电元件接触的部分是挖空的，使得温差发电元件嵌入热虹吸式热管的挖空部分并与热虹吸式热管内液体工质直接接触换热，最大程度地减小了接触热阻对换热效果的影响。

上述的热源在上方的单向传热温差发电系统，其特征在于：上述热虹吸式热管垂直方向尺寸d≥10mm，使得热虹吸式热管内上出口的上层流体与下进口的下层流体之间有较为明显的温度差，从而给热虹吸现象的形成提供驱动力。

上述的热源在上方的单向传热温差发电系统，其特征在于：上述热虹吸式热管与上述液体箱为一体式结构，内部设立隔道；所述的上升管、下降管即为内部隔道。

上述的热源在上方的单向传热温差发电系统，其特征在于：上述液体箱的尺寸大小和形状可根据用户所需发电功率和所使用的场合调整。

上述的热源在上方的单向传热温差发电系统，其特征在于：上述上升管和下降管均为1根或多根。

上述的热源在上方的单向传热温差发电系统，其特征在于：上述液体工质是水，或导热油，或乙醇等有机工质，视热源温度而定。

上述的热源在上方的单向传热温差发电系统，其特征在于：上述温差发电元件是半导体温差发电片或半导体制冷片成品，或半导体发电堆，或半导体制冷电堆，或pn结与印刷电路的集成品。

附图说明

图1是一种热源在上方的单向传热温差发电系统示意图（热虹吸式热管挖空）；

图2是一种热源在上方的单向传热温差发电系统示意图（热虹吸式热管不挖空）；

图3是一种热源在上方的单向传热温差发电系统示意图（液体箱形状可调整）；

图4是一种热源在上方的单向传热温差发电系统示意图（冷源一体化设计）；

图中标号名称：1热源，2温差发电元件，3热虹吸式热管，4连通管，4-1上升管，4-2下降管，5液体箱，6液体工质，7隔道。

具体实施方式

下面结合图1和图2对一种热源在上方的单向传热温差发电系统运行过程作详细说明。

一种热源在上方的单向传热温差发电系统通过以下方式进行工作：上述温差发电元件的一端紧贴热源吸收热量形成热端，另一端作为温差发电元件的冷端，与热虹吸式热管内部的液体工质通过间接或直接接触的方式换热，液体工质吸收温差发电元件冷端的热量以保持冷端相对较低的温度，从而保证温差发电元件冷热端的温差进行发电；温差发电元件冷端的热虹吸式热管与液体箱相连通，热虹吸式热管内部的冷态液体工质吸收温差发电元件冷端的热量后升温变成热态液体工质后通过热虹吸效应将热量经上升管传递到液体箱的上部，液体箱下部的冷态液体工质通过下降管进入热虹吸式热管内继续吸收温差发电元件冷端的热量后又通过上升管进入液体箱的上部，使得与温差发电元件冷端接触的热虹吸式热管内液体工质始终与液体箱底部的液体工质的温度接近，如此形成液体工质的自循环。

技术特征：

技术总结
一种热源在上方的单向传热温差发电系统及发电方法，属于传热领域。其特征在于：包括热源、温差发电元件、热虹吸式热管以及与热虹吸式热管相连通的液体箱。本发明中温差发电元件的冷端紧贴热虹吸式热管或嵌入热虹吸式热管内，与管内的液体工质间接或直接接触换热，液体工质通过连通管与液体箱内部的液体工质形成自循环以维持温差发电元件冷端相对稳定且较低的温度，从而建立持续一定时间的温差进行发电。该发明提供一种温差发电的冷源设计方法，可减小热阻以高效快速地换热，液体箱的尺寸大小和形状可根据所需发电功率和使用场合而定。另外，冷源液体工质形成封闭自循环，可避免频繁更换工作液体，且不需要通过外加泵形成循环所需的电能。

技术研发人员：郑明瑞;韩东;岳晨;蒲文灏;何纬峰;顾吉明;宋岩;陈俊杰
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2017.12.21
技术公布日：2018.04.06