CN101325386A - 管道式余热回收半导体温差发电方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明管道式余热回收半导体温差发电方法及装置，其发电方法是散发余热的气态或液态热源通过轮毂式集热器的通道，集热器吸收热量传递到半导体温差发电模块热面；套管式散热器布置在半导体温差发电模块外侧的冷面，将冷面冷却到比热面低得多的温度，从而在半导体温差发电模块的两端面产生温度差，由于半导体中的贝塞尔效应而产生电势差，经过稳压、交直流转换电路将电势差输出，即可作为电源使用。本装置结构包括半导体发温差发电模块，轮毂式集热器，套管式散热器；优点是可将回收余热热能直接转换成电能，使发电过程无噪音、无磨损、无介质泄漏，并且使发电机具有体积小、重量轻、移动方便、免维护，使用寿命长等。
Description
技术领域
本发明涉及的是管道式余热回收半导体温差发电方法及装置，是以热电转换为核心技术，以工业余热回收发电为目标的新能源开发应用技术领域。
背景技术
我国是耗能大国，工业余热数量巨大，不论是固态、气态、液态均有大量工业余热有待回收，因而对企业生产过程中的这些余热进行回收利用对于节能增效有着非常大的社会、经济效益。在气态及液态余热的回收方面，国内大多采用余热锅炉以及热管换热器，余热锅炉从设计到加工制造周期较长、造价较高、占用场地较大，且要经过二次能源转换，效率较低，另外在某些场合不适于应用上述设备。
发明内容
本发明提供的是一种回收、利用气态余热发电的装置，旨在对工业企业生产过程中产生的气态、液态产物余热进行回收并发电，解决通过管道排放的气态、液态产物的余热利用回收问题。
本发明的技术解决方案：管道式余热回收半导体温差发电方法，其特征是散发余热的气态、液态热源通过轮毂式集热器通道，由轮毂式集热器通吸收热量，并将收集到的热量传递到半导体温差发电模块内侧的热面；套管式散热器布置在半导体温差发电模块外侧的冷面，散热器将冷面冷却到一个比热面低的温度，使在半导体温差发电模块的两端面产生一个较大的温度差，半导体温差发电模块将温度差直接通过贝塞尔效应转换成电势差，经稳压电路以及交直流转换后，作为电源使用；半导体温差发电模块在垂直于热源流动方向上呈圆周形布置，形成管道状，散热器与集热器沿热源流动方向与半导体温差发电模块平行布置；集热器做成轮毂形状，轮辐结合部中间为管道状，该管道内部填充绝热材料；散热器为中空的套管式，中间通入冷却介质，将散热器中的热量带走。
管道式余热回收半导体温差发电装置，其结构是包括半导体温差发电模块，轮毂式集热器、套管式散热器；其中半导体温差发电模块夹在管道式集热器与散热器中间，轮毂式集热器紧贴于半导体温差发电模块内侧的热面，套管式散热器紧贴于半导体温差发电模块外的冷面，轮毂式集热器、套管式散热器以导热胶分别与半导体温差发电模块相粘结，并将半导体温差发电模块紧密地夹在隧道式集热器和散热器中间。
本发明的优点：可将余热直接转换成电能，无需按传统的方式先将热能转换成机械能，再将机械能转换成电能的复杂过程，从而提高了热电转换效率，和发电机的可靠性和使用寿命；与其他形式的余热回收装置相比，本发明是一种全固态能量转换方式，具有在发电过程中无噪音、无磨损、无介质泄漏、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长；本发明装置结构简单，便于加工，且利用工业余热发电，可降低企业能耗，符合国家产业政策，易于推广应用。
附图说明
附图1是本发明的截面结构示意图。
附图2是半导体热电效应原理图。
附图3是温差发电模块功能原理图。
图中的1是半导体温差发电模块、2是轮毂式集热器、3套管式散热器，4是轮毂式集热器通道，气态或液态热源从轮辐中间通过；5是轮毂式集热器轮辐结合处的管道，填充绝热材料；6是散热器中间通道，用以流通冷却介质，7是高温导体、8是低温导体、9是导电体、10是释放热量(热端)、11是吸收热量(冷端)、12是P&N型半导体、13是电绝缘体，14是热能，15是电子流。
具体实施方式
对照附图1，其结构包括半导体温差发电模块1，轮毂式集热器2，套管式散热器3。其中半导体温差发电模块1夹在轮毂式集热器2与套管式散热器3中间，轮毂式集热器2紧贴于半导体温差发电模块1热面的内侧，散热器3紧贴于半导体温差发电模块1冷面的外侧，半导体温差发电模块1，集热器2，散热器3分别以导热胶粘贴结合，以便尽可能减小接触热阻，提高热传递的效率。半导体温差发电模块紧密地夹在集热器和散热器中间。
所述的半导体温差发电模块1，由多块半导体发电芯片组成，每块芯片由多个半导体PN结串联而成(参见图3)，其发电原理是基于贝塞尔效应，半导体材料中的电子在温度差的驱动下会从高温端流向低温端，从而形成电势差。
所述的轮毂式集热器2，是收集热能的模块，设在整个装置的最内侧，呈轮毂形状，辐条结合部中间做成管道，管道中填充以绝热材料，防止热量向中心传递。集热器与气态或液态热源直接接触，工作时吸收热源的热量，再以热传导方式将热量传递给半导体发电模块。集热器采用这种形状，是为了扩大传热面的面积，扰动热源的流动，获得更高的传热系数，达到尽可能多的收集热源散发的热量的目的。
所述的套管式散热器3，是将半导体模块冷面的热量散发出去的模块，布置在半导体温差发电模块的外侧，为套管形式，工作时套管中间通冷却介质，依靠冷却介质的流动以传导和对流换热方式带走热量。
管道式余热回收半导体温差发电方法，在散发余热的气态或液态热源经过轮毂式集热器2的通道时，集热器2吸收其热量，并将收集到的热量传递到半导体温差发电模块热面，而套管式散热器3布置在半导体发电模块1冷面外侧，散热器会将冷面冷却到比热面低的一个温度，从而在半导体温差发电模块1的两端面产生一个较大的温度差，在贝塞尔效应的驱使下，半导体温差发电模块1内的电子从高温端流向低温端，在冷端形成电势差，经过稳压整流(现有技术)以及交直流转换(现有技术)之后，可接负载作为电源用。
对钢铁企业生产过程中产生的高温烟气的余热进行回收，是本装置应用的一个具体实施例子。从炼钢炉中排放出来的高温烟气，它的温度可高达1100℃以上，在排放出去之前，有大量的热量散发到环境中。将本装置布置于高温烟气的排放管道中，高温烟气在流动过程中散发出热量，轮毂式集热器吸收这些热量后，将它传递到半导体温差发电模块的热面。半导体温差发电模块的热面会将热量传递到冷面，冷面将热量传递给散热器，套管式散热器中通入的冷却介质会通过流动将这些热量带走，使冷面保持一个相对较低的温度，这样在半导体温差发电模块的两个端面就形成了一个较大的温差。由于贝塞尔效应，半导体模块就会产生电势差。通过电路将此电势差输出即可作为电源。
半导体温差发电模块1是本装置的核心部件，它可将温度差转换成电势差即将热能转换成电能。它的工作原理是基于半导体材料的贝塞尔效应：
见图2，在P(N)型半导体中，高温端的空穴(电子)浓度比低温端大，在这种浓度梯度的驱动下，空穴(电子)由于热扩散作用，会从高温端向低温端扩散，从而形成一种电势差。将P型和N型半导体的热端相连，则在冷端可得到一个电压，这样一个PN结就可以利用高温热源与低温热源之间的温差将热能直接转变为电能。
对照图3，图中出示了半导体温差发电模块的原理图，温度差使得每一对PN结中产生电势差，将很多对串联起来，就可得到足够高的电压，成为一个温差发电机。
Claims (2)
1、管道式余热回收半导体温差发电方法，其特征是散发余热的气态、液态热源通过轮毂式集热器通道，由轮毂式集热器通吸收热量，并将收集到的热量传递到半导体温差发电模块内侧的热面；套管式散热器布置在半导体温差发电模块外侧的冷面，散热器将冷面冷却到一个比热面低的温度，使在半导体温差发电模块的两端面产生一个较大的温度差，半导体温差发电模块将温度差通过贝塞尔效应转换成电势差，经稳压电路以及交直流转换后，作为电源使用；半导体温差发电模块在垂直于热源流动方向上呈圆周形布置，形成管道状，散热器与集热器沿热源流动方向与半导体温差发电模块平行布置；集热器做成轮毂形状，轮辐结合部中间为管道状，该管道内部填充绝热材料；散热器为中空的套管式，中间通入冷却介质，将散热器中的热量带走。
2、管道式余热回收半导体温差发电装置，其特征是导体温差发电模块夹在管道式集热器与套管式散热器中间，轮毂式集热器紧贴于半导体温差发电模块内侧的热面，套管式散热器紧贴于半导体温差发电模块外侧的冷面，轮毂式集热器、套管式散热器与半导体温差发电模块分别以导热胶粘贴结合。
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