一种温度控制式复合相变材料温差发电系统的制作方法

本发明属于能量回收利用技术领域，特别涉及半导体的热电效应、相变材料储能以及记忆合金弹簧的应用，具体涉及一种泡沫骨架复合相变材料温差发电装置及环境温度控制的供电、蓄电系统。

背景技术：

温室效应、环境问题的日益突出，能源领域一直致力于更加清洁、高效的产能、用能。其中，利用空间温度梯度来实现温差发电的许多方法被提出，为汽车尾气余热、微型燃气轮机余热、工业废热等能源的回收利用又提供了一个新的思路。相较于传统发电方式，温差发电具有许多优点，例如，装置体积小、重量轻，且可以克服化学电池自放电、对使用环境要求苛刻的缺点，是一些特殊设备上某些装置的理想电源。但在一些场合中并不具备足够大的、稳定的空间温度梯度，这时就需要为温差发电装置提供人工空间温度梯度。

相变材料是一种潜热储存与利用材料，具有热容量大、适用温度范围宽、热膨胀系数小等优点，可以将太阳能等间断的能源转化为连续能源，为温差发电装置提供空间温度梯度，保证发电的连续性，其恒定的相变温度也有利于温差发电系统的控制。目前，对于相变材料与温差发电耦合系统的研究多集中在改善相变材料的换热性能上。其中，以高导热率的多孔介质为基底，在其孔隙间填充相变材料这一方法可以显著的提高复合相变材料的有效导热系数，有利于相变材料快速、均匀的储存和释放热量，为温差发电提供更持久、稳定的热源。

近年来有研究者提出，将泡沫多孔介质复合相变材料用于温差发电装置中，其空间温度梯度的驱动能为环境中的能量，即在白天环境温度较高时，泡沫多孔介质复合相变材料吸收储存环境中的热能，并将其在夜晚环境温度较低时释放，通过合理设计装置参数(相变材料种类、泡沫多孔介质材料、孔隙率、孔隙密度、装置体积等)，使得装置中的相变材料在昼夜循环间始终处于相变状态，以此为热电片的一端提供恒温热源，而昼夜波动的环境温度则为热电片的另一端提供变温热源，以此实现昼夜连续发电，该装置虽能够利用环境中的能量，但其存在连续发电能力不可靠这一明显缺陷，相变材料一经选定，相变温度即为定值，一般取为环境昼夜温度的平均值，但是单一相变材料只在一定温区范围内适用，当温度波动平均值与相变材料的相变温度相差较大时，该发电装置的发电功率将受到较大影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提出一种温度控制式复合相变材料温差发电系统，以满足一些存在温度波动的环境中微功率电子器件的用电需求。所述装置将实现不需消耗二次能源、依靠环境温度控制、供电蓄电同时进行、连续发电能力可靠的特点。

本发明的技术方案如下：

基于温度控制的泡沫骨架复合相变材料温差发电系统，包括复合相变材料温差发电模块、记忆合金弹簧开关、电源管理器、蓄电装置和用电装置。复合相变材料温差发电模块由壳体、薄铜板、热电片和翅片组成，左侧壳体内填充的泡沫骨架填充有相变材料x，右侧壳体内填充的泡沫骨架填充有相变材料y，相变材料x与y具有不同的相变温度；热电片上端与翅片紧密连接，下端与导热薄铜板紧密连接；利用翅片温度随环境温度快速变化的特性为热电片提供变温热源，利用泡沫骨架复合相变材料模块在相变过程中温度基本稳定在相变温度附近的特性为热电片提供恒温热源，从而产生温差以实现连续发电；利用电源管理器对温差发电装置发出的不稳定低幅交流电进行整流、升压、标准输出；利用记忆合金弹簧形状随环境温度变化的特性，借助其伸缩形变触发电路开关的闭合或断开，来选择接入供电回路的温差发电模块和控制蓄电装置与用电装置的接通或断开，从而实现对系统的温度控制；利用蓄电装置对没有接入供电回路的温差发电模块进行能量储存，并保证在温度突变、两个温差发电模块效率均较低时对用电装置进行紧急供电。

优选方案进一步包括如下任一技术特征：

上述方案中，所述壳体与热电片的接触表面为高导热率材料，可选为薄铜板，其余表面可选为导热性能较好、性能稳定、与相变材料不发生反应的合成高分子材料。

上述方案中，所述壳体的形状可为立方体、长方体、圆柱体。

上述方案中，所述记忆合金弹簧开关的按钮开关为自复位式开关。

上述方案中，所述记忆合金弹簧ⅲ22与记忆合金弹簧ⅳ23可通过焊点相连，也可通过其他机械方法相连。

上述方案中，所述第三记忆合金弹簧开关17和第四记忆合金弹簧开关18在加工时可通过改变底座的长度，使得在第三记忆合金弹簧开关17内部的记忆合金弹簧ⅲ22或记忆合金弹簧ⅳ23中的一个形变伸长结束时可按动按钮b29，使得在第四记忆合金弹簧18内部的记忆合金弹簧ⅲ22和记忆合金弹簧ⅳ23均形变伸长结束时可按动按钮b29，也可以通过改变记忆合金弹簧ⅲ22和记忆合金弹簧ⅳ23的长度实现此要求。

上述方案中，所述记忆合金弹簧选用具有双程记忆效应的记忆合金。合金弹簧应具有足够的刚度和强度。

上述方案中，所述翅片选用高导热系数的金属或非金属材料，翅片表面可进行表面处理，翅片平面端与热电片用导热硅脂紧密连接。

上述方案中，所述双层有机玻璃板可以替换为其他隔热材料。

上述方案中，所述泡沫骨架选用高导热系数的材料，可由高导热系数的金属(泡沫铜、泡沫铝、泡沫镍骨架)或非金属材料(泡沫石墨骨架)制成，或者为高导热系数材料丝网(铜丝、不锈钢丝)。

上述方案中，所述泡沫骨架复合相变材料可替换为以高导热系数材料为包裹材料，相变材料为芯材的微胶囊型复合相变材料。

上述方案中，所述泡沫骨架复合相变材料可添加其他材料强化传热，其可以为石墨烯、碳纤维、金属颗粒、纳米材料中的一种或多种。

上述方案中，所述记忆合金弹簧的变态温度1取为环境温度波动范围(如ta～tb)的平均值相变温度1为变态温度1以上环境温度波动范围内的平均值相变温度2取为变态温度1以下环境温度波动范围内的平均值变态温度2取为极端低温(如ta-10)，变态温度3取为极端高温(如tb+10)。

上述方案中，所述电源管理器的核心部件可选为高度集成芯片。

上述方案中，蓄电装置可选择使用蓄电池或电容器。

本发明与现有技术相比，有如下优势：

(1)利用泡沫骨架，提高了复合相变材料的传热性能；

(2)利用记忆合金的双程记忆效应，使记忆合金弹簧随环境温度的变化而伸缩，实现环境温度对于系统的控制，控制系统无需消耗二次能源；

(3)利用两种不同相变温度的复合相变材料发电模块相配合、供电蓄电同时进行、蓄电池紧急供电的方法，克服了单个复合相变材料发电模块适用温度范围小的缺点，拓展了系统的适用范围，对环境能量进行了更充分的利用，同时提出了在极端温度条件情况下(温度过低或过高时)对用电装置进行紧急供电的方法，提高了系统发电性能的可靠性；

(4)相比于风能发电、太阳能发电，本系统体积小，结构紧凑、简单，无噪声，对使用环境无电场、磁场干扰；

(5)可根据实际需要，选择装置中结构和材料的参数，增减发电模块数量、蓄电池组数量，更充分的利用环境能量；

(6)本系统的能量来源为环境温度，驱动力为环境在时间上的温度梯度，整套系统无需二次能源，尤其适用于一些特殊环境下(无人值守、恶劣环境等)设备中的微型电子设备的供电；

附图说明

图1、图2为本发明一种温度控制复合相变材料温差发电装置的结构示意图。

图3为本发明中记忆合金弹簧开关的具体结构示意图。

附图中，各部件的标记如下：

1：温差发电装置；2(具体包括15，16，17，18)：记忆合金弹簧开关；3：电源管理器；4：蓄电装置；5：用电装置；6：第一发电模块；7：第二发电模块；8：壳体a；9：壳体b；10：薄铜板；11：热电片；12：翅片；13：第一泡沫骨架复合相变材料；14：第二泡沫骨架复合相变材料；15：第一记忆合金弹簧开关；16：第二记忆合金弹簧开关；17：第三记忆合金弹簧开关；18：第四记忆合金弹簧开关；19：隔热双层玻璃；20：记忆合金弹簧ⅰ；21：记忆合金弹簧ⅱ；22：记忆合金弹簧ⅲ；23：记忆合金弹簧ⅳ；24：绝缘高分子底座a；25：导线a；26：自动复位按钮a；27：绝缘高分子底座a；27：绝缘高分子底座b；28：导线b；29：自动复位按钮b；30：焊点；31：绝缘外壳。

具体实施方式

为使本发明的原理、目的、优点、技术方案更加清晰明了，现结合附图对本系统实施例中的技术方案进行清楚、完整的说明，显然，所描述的实施例是本系统的一部分实施例，而不是全部的实施例。

如附图所示，一种温度控制式复合相变材料温差发电系统，包括复合相变材料温差发电模块1、记忆合金弹簧开关2、电源管理器3、蓄电装置4和用电装置5。复合相变材料温差发电模块1由壳体a8和壳体b9、薄铜板10、热电片11和翅片12组成，左侧壳体a8内的泡沫骨架填充有相变材料x，右侧壳体b9内的泡沫骨架填充有相变材料y，相变材料x与y具有不同的相变温度；热电片11上端与翅片12紧密连接，下端与导热薄铜板10紧密连接；利用翅片12温度随环境温度快速变化的特性为热电片11提供变温热源，利用第一泡沫骨架复合相变材料模块13和第二泡沫骨架复合相变材料14在相变过程中温度基本稳定在相变温度附近的特性为热电片11提供恒温热源，从而产生温差以实现连续发电；利用电源管理器3对温差发电装置1发出的交流电进行整流、升压、标准输出；利用记忆合金弹簧ⅰ20,记忆合金弹簧ⅱ21记忆合金弹簧ⅲ22和记忆合金弹簧ⅳ23形状随环境温度变化的特性，借助其伸缩形变触发电路开关的闭合或断开，来选择接入供电回路的第一发电模块6或第二发电模块7和控制蓄电装置4与用电装置5的接通或断开，从而实现对系统的温度控制；利用蓄电装置4对没有接入供电回路的第一发电模块6或第二发电模块7进行能量储存，并保证在温度突变、第一发电模块6和第二发电模块7效率均较低时对用电装置5进行紧急供电。

上述方案中，所述壳体a8、壳体b9与热电片11的接触表面选为高导热系数的薄铜板10，其余表面可选为导热性能较好、性能稳定、与相变材料不发生反应的合成高分子材料。

上述方案中，所述壳体a8与壳体b9的形状可为立方体、长方体、圆柱体。

上述方案中，所述记忆合金弹簧ⅰ20,记忆合金弹簧ⅱ21记忆合金弹簧ⅲ22和记忆合金弹簧ⅳ23选用具有双程记忆效应的记忆合金。合金弹簧应具有足够的刚度和强度。

上述方案中，所述记忆合金弹簧开关2的按钮开关选为自复位式开关。

上述方案中，所述记忆合金弹簧ⅲ22与记忆合金弹簧ⅳ23可通过焊点30相连，也可通过其他机械方法相连。

上述方案中，所述第三记忆合金弹簧开关17和第四记忆合金弹簧开关18在加工时可通过改变底座的长度，使得在第三记忆合金弹簧开关17内部的记忆合金弹簧ⅲ22或记忆合金弹簧ⅳ23中一个形变伸长结束时可按动按钮b29，使得在第四记忆合金弹簧18内部的记忆合金弹簧ⅲ22和记忆合金弹簧ⅳ23均形变伸长结束时可按动按钮b29，也可以通过改变记忆合金弹簧ⅲ22和记忆合金弹簧ⅳ23的长度实现此要求。

上述方案中，所述翅片12选用高导热系数的金属或非金属材料，翅片12表面可进行表面处理，翅片12平面端与热电片11用导热硅脂紧密连接。

上述方案中，所述双层有机玻璃板19可以替换为其他隔热材料。

上述方案中，所述泡沫骨架选用高导热系数的材料，可由高导热系数的金属(泡沫铜、泡沫铝、泡沫镍骨架)或非金属材料(泡沫石墨骨架)制成，或者为高导热系数材料丝网(铜丝、不锈钢丝)。

上述方案中，所述泡沫骨架复合相变材料13、14可替换为以高导热系数材料为包裹材料，相变材料为芯材的微胶囊型复合相变材料。

上述方案中，所述第一泡沫骨架复合相变材料13、第二泡沫骨架复合相变材料14可添加其他材料强化传热，其可以为石墨烯、碳纤维、金属颗粒、纳米材料中的一种或多种。

上述方案中，所述相变材料x与相变材料y的相变温度不同，相变材料x的相变温度高于相变材料y的相变温度。相变材料选用固-液相变材料石蜡，相变温度依环境温度选取。上述方案中，所述记忆合金弹簧的变态温度1取为环境温度波动范围(如ta～tb)的中值相变温度1为变态温度1以上环境温度波动范围内的中值相变温度2取为变态温度1以下环境温度波动范围内的中值变态温度2取为极端低温(如ta-10)，变态温度3取为极端高温(如tb+10)。

上述方案中，蓄电装置4可选择使用蓄电池或电容器。

以上所述仅为本发明的一个实施例，并非因此限制本发明的应用范围，本发明中所述的环境温度为广义上的环境温度，其可以是一个具体设备在使用过程中的温度波动，并非将被发明的驱动温度限制为狭义的环境温度，凡是利用本发明说明书及发明附图的任何修改、替代、组合、简化、改进等，均在本发明的保护范围之内。