CN106208811B - 一种基于碳材料蒸发发电的热电转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于碳材料蒸发发电的热电转换装置，该装置包括壳体、绝热层、导水结构、循环工质、蒸发发电层和电极；其中，壳体与上密封结构、下密封结构一起构成密闭腔体，密闭腔体的顶端作为冷端，底端作为热端；循环工质与蒸发发电层设置在腔体内，循环工质与蒸发发电层接触；蒸发发电层竖直设置，两个电极分别设置在蒸发发电层的上下端面；下端面的电极与密闭腔体的热端之间存在间隙；导水结构位于密闭腔体内，用于引导冷凝后的循环工质回流至热端。本发明提供的热电转换装置，利用冷源与热源之间的温差控制蒸气压力从而产生蒸发感应电压，相比于现有的热电技术，Seebeck系数有极大提高，实现了高效温差发电的目的。

Description

一种基于碳材料蒸发发电的热电转换装置

技术领域

本发明属于能源技术领域，更具体地，涉及一种基于碳材料蒸发发电的热电转换装置。

背景技术

人类日益增长的能源需求和地球化石能源储备的相对短缺对人们提出了更加高效利用现有能源资源的要求。余热利用是提高现有能源效率的一个重要手段。无论是化石燃料利用过程还是地球环境本身都会产生大量的低品位热量，这部分热量总量巨大却因为难以利用而白白浪费掉。热电技术是对这部分低品位热能进行再回收利用的一个重要途径。

现有热电技术主要是基于半导体固体材料热电效应，基于半导体热电效应的热电技术的几个突出问题包括价格昂贵、热电塞贝克(Seebeck)系数低(约200μV/K)、发电效率低；其中，热电塞贝克系数是指单位温差下产生的电压值。因此现有的基于半导体热电效应的热电技术在工业上的应用较为狭窄，只在汽车室内空调、太空卫星及偏远海岛灯塔供能等方面有应用。若要扩大热电技术在余热利用领域的应用范围，关键在于降低热电技术成本，提高Seebeck系数及发电效率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于碳材料蒸发发电的热电转换装置，其目的在于利用冷源与热源之间的温差控制蒸气压力从而产生蒸发感应电压，实现高效温差发电的目的。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于碳材料蒸发发电的热电转换装置，包括壳体、绝热层、导水结构、循环工质、蒸发发电层和电极；

其中，壳体为筒状且上下两端密封的密闭腔体结构；上密封结构作为冷端用于接触外部冷源；下密封结构作为热端用于接触外部热源；绝热层包裹在壳体的外壁以防止漏热；液态循环工质与蒸发发电层均设于密闭腔体内，蒸发发电层竖直设置，液态循环工质与蒸发发电层接触；蒸发发电层的上下两端均设有电极，蒸发发电层下端的电极与所述密闭腔体的底面热端之间存在间距；

其中，蒸发发电层是指一层由碳基纳米颗粒堆积形成的多孔层；当液态循环工质从蒸发发电层表面蒸发离开，在碳基纳米颗粒内部感应产生电势，从而可对外输出电能；

其中，导水结构位于密闭腔体内，用于引导冷凝后的循环工质回流至热端；当该热电转换装置的冷端和热端存在一定温差时，密闭腔体内部形成固定循环工质蒸气压差，促使液态循环工质源源不断的从蒸发发电层表面蒸发，并在冷端凝结，进而在蒸发发电层产生稳定的感应电势，由此可对外输出电功，实现将热能转化为电能的目的；可通过在电极上连接导线，将产生的电能输出。

优选的，导水结构为倒锥形导水台，倒锥形导水台的一端嵌入密闭腔体的顶端，另一端与蒸发发电层的上端之间存在间距；由此，导水结构与上密封结构合二为一，倒锥形导水台的顶端就是密闭腔体的顶端；倒锥形导水台的底端与蒸发发电层上端之间存在的间距确保冷端不会因与发电层接触而漏热，而仅用来冷凝循环工质蒸气；蒸发发电层部分浸没于液态循环工质内，位于蒸发发电层下端的电极完全浸没在循环工质内；循环工质蒸发，在冷端冷凝后在重力作用下落至热端，循环利用；

优选的，该装置的蒸发发电层附着于密闭腔体的侧壁，蒸发发电层上端与冷端保持距离，蒸发发电层下端及设置于其下端的电极浸没在液态循环工质内。

优选地，该装置还包括至少一个采用绝缘材料制成的蒸发发电层支架，其下端固定在壳体的底面上且浸没在液态循环工质内，上端悬空，该蒸发发电层支架与密闭腔体的侧壁保持距离；蒸发发电层安装在蒸发发电层支架上，蒸发发电层的下端及设置于其下端的电极浸没在液态循环工质内，且蒸发发电层整体与密闭腔体之间存在间距；由此，安装在蒸发发电层支架上的蒸发发电层整体与密闭腔体相互独立，便于蒸发发电层的拆卸与更换。

优选的，蒸发发电层支架采用片状或筒状结构。

优选的，导水结构为密闭腔体内壁整体覆盖的一层绝缘多孔材料层；液态循环工质吸附于所述绝缘多孔材料层内；多孔结构的蒸发发电层附着于绝缘多孔材料层上，与绝缘多孔材料层紧密接触；蒸发发电层具有将绝缘多孔材料层内的液态循环工质抽吸至蒸发发电层内部的作用；

液态循环工质在蒸气压梯度的作用下从蒸发发电层的表面蒸发，带走热量的同时在蒸发发电层的上、下端产生感应电势并输出电能，实现将热能转化为电能的目的；所述液态循环工质蒸发形成的循环工质蒸气在冷端冷凝后在绝缘多孔材料的毛细作用下导回热端，循环利用。

优选的，液态循环工质采用极性溶液。

优选的，液态循环工质采用水；采用水做循环工质时，在提高热电转换效率上具有很好的效果。

优选的，密闭腔体内为常压环境或真空环境；在真空环境下，密保腔体形成热管，传热效率更好，循环工质的蒸发速率更高。

优选的，蒸发发电层材料采用碳黑纳米颗粒多孔结构。

优选的，蒸发发电层材料采用碳纳米管、石墨烯或富勒烯。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的热电转换装置，利用热源与冷源之间的温差，实现蒸发发电，具有蒸发电压大且对蒸气压力敏感的特点，可通过控制热源与冷源之间的温差变化达到控制蒸发发电电压的目的；

(2)本发明提供的热电转换装置，其液态循环工质可循环使用，且可根据热负荷自动调节蒸发速率从而实现自适应；

(3)本发明的优选方案提供的热电转换装置，与现有技术相比，仅通过纯水和碳基纳米颗粒材料即可实现高性能的热电转换，具有成本低廉的特点；

(4)本发明提供的热电转换装置，采用密闭结构；在本发明提供的优选方案里，密闭腔体在真空环境下形成热管，结合热管技术和基于碳材料的蒸发发电技术，将热能转化为电能，具有结构简单，稳定可靠的特点，并且极大程度的提高了热点电转换的Seebeck系数；在密闭腔体抽真空的条件下,本发明提供的热电转换装置的Seebeck系数比半导体热电材料的Seebeck系数高出三个数量级。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种基于碳材料蒸发发电的热电转换装置的剖面图；

图2为本发明实施例2提供的一种基于碳材料蒸发发电的热电转换装置的剖面图；

图3为本发明实施例3提供的一种基于碳材料蒸发发电的热电转换装置的剖面图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-热源、2-壳体、3-绝热层、4-冷源、5-密闭腔体、6-液态循环工质、7-蒸发发电层、81-第一电极、82-第二电极、91-第一导线、92-第二导线、10-倒锥形导水台、11-蒸发发电层支架、12-绝缘多孔材料层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

实施例1提供的一种基于碳材料蒸发发电的热电转换装置的剖面图如图1所示，包括壳体2、绝热层3、倒锥形导水台10、循环工质6、蒸发发电层7、第一电极81、第二电极82、第一导线91和第二导线92；

壳体2为筒状结构，壳体2与倒锥形导水台10、下密封结构一起构成密闭腔体5；倒锥形导水台10嵌在壳体2上端，倒锥形导水台10的顶端就是密闭腔体5的顶端，作为冷端；密闭腔体5的底端作为热端；倒锥形导水台10的底端与蒸发发电层7和循环工质6均保持距离；绝热层3包裹在壳体2的外壁的中间部分；密闭腔体5内盛有液态循环工质6，蒸发发电层7部分浸入循环工质6中；第一电极81设置在蒸发发电层7的上端面，第二电极82设置在蒸发发电层7的下端面，完全浸没在液态循环工质6内且与密闭腔体底面之间存在间距；第一导线91连接第一电极81，第二导线92连接第二电极82；两根导线均从壳体侧壁上的导线孔穿过壳体2，导线孔采用密闭材料密封，使得腔体保持密闭；其中，电极可采用碳基材料，避免电化学反应的发生；

应用于蒸发发电时，热源1紧贴于密闭腔体5下端的热端，冷源4紧贴密闭腔体5上端的热端；液态循环工质6蒸发，环工质蒸气在冷端冷凝后在重力作用下落至热端，循环利用。

以下结合实施例1提供的热电转换装置的工作原理进一步阐述：壳体2的热端紧贴外部热源1，冷端紧贴外部冷源4；热端与冷端之间存在温差，由此在密闭腔体内部形成下高上低的蒸气压梯度；密闭腔体5内盛有循环工质6，液态循环工质6吸收热源1的热量，温度升高；多孔结构的蒸发发电层7将液态循环工质6自动抽吸至蒸发发电层7的内部；由于密闭腔体内存在蒸气压梯度，循环工质6在蒸气压梯度的作用下从蒸发发电层7的表面蒸发，带走热量的同时在蒸发发电层的上、下端产生感应电势并输出电能，将热能转化为电能，电能通过电极经由导线导出；

由于壳体2外壁的中间部分包裹有绝热层3，蒸发产生的循环工质蒸气通过密闭腔体中间部分到达密闭腔体5的上端，经由冷源4释放热量后，重新凝结成液态循环工质；凝结而成的液态循环工质通过倒锥形导水台10聚集到倒锥形导水台的底端，滴回密闭腔体下端，实现工质循环；由此，该装置可持续不断地在温差作用下发电。

实施例2

实施例2提供的一种基于碳材料蒸发发电的热电转换装置的剖面图如图2所示；包括壳体2、绝热层3、倒锥形导水台10、循环工质6、蒸发发电层7、第一电极81、第二电极82、第一导线91、第二导线92和蒸发发电层支架11；

壳体2为筒状结构，壳体2与倒锥形导水台10、下密封结构一起构成密闭腔体5；倒锥形导水台10嵌在壳体2上端，倒锥形导水台10的顶端就是密闭腔体5的顶端，作为冷端；密闭腔体5的底端作为热端；倒锥形导水台10的底端与蒸发发电层7和循环工质6均保持距离；绝热层3包裹在壳体2的外壁的中间部分；液态循环工质6盛在密闭腔体5内；蒸发发电层7附着于蒸发发电层支架11；蒸发发电层支架11采用片状或筒状；蒸发发电层支架11整体与密闭腔体5的内壁之间存在间距且其下端插在密闭腔体5的底面上，上端悬空；蒸发发电层7附着在蒸发发电层支架11上，蒸发发电层7的下端浸没在液态循环工质6内；第一电极81覆盖在蒸发发电层7的上端；第二电极82覆盖在蒸发发电层7的下端，完全浸没在循环工质6内且与热端之间存在间隙；第一导线91连接第一电极81，第二导线92连接第二电极82；两根导线均从侧壁上的导线孔穿过壳体2，导线孔采用密闭材料密封，使得腔体保持密闭；在实施例2中，蒸发发电层7整体与密闭腔体5的内壁保持间距，由此，蒸发发电层7与壳体2相互独立，便于蒸发发电层的拆卸与更换。

实施例3

实施例3提供的一种基于碳材料蒸发发电的热电转换装置的剖面图如图3所示；包括壳体2、绝热层3、绝缘多孔材料层12、循环工质6、蒸发发电层7、第一电极81、第二电极82、第一导线91和第二导线92；

壳体2为筒状结构，与上密封结构、下密封结构一起构成密闭腔体5；密闭腔体的顶端作为冷端用于接触外部冷源，密闭腔体的底端作为热端用于接触外部热源；密闭腔体5内壁整体填充有一层绝缘多孔材料，绝缘多孔材料层12形成了导水结构；液态循环工质6吸附于在绝缘多孔材料层12内；多孔结构的蒸发发电层7附着于绝缘多孔材料层12上，与绝缘多孔材料层12紧密接触；与液态循环工质6紧密接触；第一电极81覆盖在蒸发发电层7的上端，第二电极82覆盖在蒸发发电层7的下端；第一导线91连接第一电极81，第二导线92连接第二电极82；两根导线均从侧壁上的导线孔穿过壳体2，导线孔采用密闭材料密封，使得腔体5保持密闭；

实施例3中，当装置的冷端和热端之间存在温差时，液态循环工质6从蒸发发电层7蒸发，在蒸发发电层产生稳定的感应电势，对外输出电功，由此将热能转化为电能；并且，循环工质蒸气在密闭腔体5上端冷凝成液态，经由绝缘多孔材料层12的毛细作用抽吸回密闭腔体5的下端，实现工质循环；绝缘多孔材料层12的抽吸力大小可自动与该热电转换装置的热负荷匹配，有利于该热电转换装置长时间稳定运行，且该热电转换装置可任意方向放置。

以上实施例提供的基于碳材料蒸发发电的热电转换装置的密闭腔体可在常压下运行，也可抽真空后运行；该热电转换装置的热电性能取决于所选蒸发发电层材料、液态循环工质的种类以及密闭腔体内部环境的压力。

对实施例1提供的基于碳材料蒸发发电的热电发电装置性能进行测试；具体的，以碳黑颗粒膜为蒸发发电层，水为液态循环工质，常压密闭腔体环境下，该装置的Seebeck系数为26mV/K，比半导体热电材料Seebeck系数高两个数量级；真空密闭腔体环境下该装置的Seebeck系数为201mV/K,比半导体热电材料Seebeck系数高三个数量级。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于碳材料蒸发发电的热电转换装置，其特征在于，包括壳体(2)、绝热层(3)、液态循环工质(6)、蒸发发电层(7)、电极(8)和导水结构；

所述壳体(2)为筒状结构，所述壳体(2)与上密封结构、下密封结构一起构成密闭腔体；密闭腔体的顶端作为冷端用于接触外部冷源，密闭腔体的底端作为热端用于接触外部热源；所述绝热层(3)包裹在壳体(2)的外壁以防止漏热；液态循环工质(6)与蒸发发电层(7)均设于密闭腔体内，蒸发发电层(7)竖直设置，液态循环工质(6)与蒸发发电层(7)接触；蒸发发电层(7)的上、下两端均设有电极(8)，蒸发发电层(7)下端的电极与所述密闭腔体的底面之间存在间距；

所述导水结构位于密闭腔体内，用于引导冷凝后的液态循环工质(6)回流至热端；当所述冷端与热端之间存在温差时，在密闭腔体内部形成循环工质蒸气压差，促使液态循环工质(6)源源不断的从蒸发发电层(7)表面蒸发，并在冷端凝结；进而在蒸发发电层(7)产生感应电势，对外输出电功，由此将热能转化为电能；

所述导水结构为倒锥形导水台(10)，所述倒锥形导水台(10)的一端嵌入所述密闭腔体的顶端，所述倒锥形导水台(10)的另一端与蒸发发电层(7)的上端之间存在间距；液态循环工质(6)蒸发，在冷端冷凝后在重力作用下回落至热端，循环利用。

2.如权利要求1所述的热电转换装置，其特征在于，所述蒸发发电层(7)附着于所述密闭腔体的侧壁，蒸发发电层(7)的下端及设置于其下端的电极浸没在液态循环工质(6)内。

3.如权利要求1所述的热电转换装置，其特征在于，还包括至少一个蒸发发电层支架(11)，其下端固定在所述密闭腔体的底面上且浸没在液态循环工质(6)内，上端悬空；所述蒸发发电层支架(11)与密闭腔体的侧壁保持距离；蒸发发电层(7)安装在蒸发发电层支架(11)上，蒸发发电层(7)的下端与设置于其下端的电极浸没在液态循环工质(6)内。

4.如权利要求1所述的热电转换装置，其特征在于，所述导水结构为绝缘多孔材料层(12)，其附着于所述密闭腔体内壁；所述绝缘多孔材料层内(12)吸附有液态循环工质(6)；蒸发发电层(7)附着于绝缘多孔材料层(12)上，且与绝缘多孔材料层(12)紧密接触；

所述蒸发发电层(7)具有将绝缘多孔材料层(12)内的液态循环工质(6)抽吸至蒸发发电层(7)内部的作用；

液态循环工质(6)在蒸气压梯度的作用下从蒸发发电层(7)的表面蒸发，带走热量的同时在蒸发发电层的上、下端产生感应电势并输出电能，实现将热能转化为电能的目的；所述液态循环工质(6)蒸发形成的循环工质蒸气在冷端冷凝后在绝缘多孔材料(12)的毛细作用下导回热端，循环利用。

5.如权利要求1至4任一项所述的热电转换装置，其特征在于，所述液态循环工质(6)为极性溶液。

6.如权利要求1至4任一项所述的热电转换装置，其特征在于，液态循环工质(6)为水。

7.如权利要求1至4任一项所述的热电转换装置，其特征在于，所述密闭腔体内为常压环境或真空环境；在真空环境下，密闭腔体形成热管，传热效率更好，液态循环工质(6)的蒸发速率更高。

8.如权利要求1至4任一项所述的热电转换装置，其特征在于，所述蒸发发电层(7)的材料为碳黑纳米颗粒多孔结构。

9.如权利要求1至4任一项所述的热电转换装置，其特征在于，所述蒸发发电层(7)采用碳纳米管、石墨烯或富勒烯。