阅读说明：本技术 一种能有效增大端差温度的温差发电装置 (Temperature difference power generation device capable of effectively increasing end difference temperature ) 是由 齐聪 丁子 涂江林 王宇星 孙亮 于 2020-03-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种能有效增大端差温度的温差发电装置,包括集热装置、温差发电片组件和冷却系统,三者由上自下依次设置,温差发电片组件的高温端与集热装置下表面固定接触,冷却系统包括散热板、支架、亚克力板、蠕动泵和冷却水箱,散热板下表面和多个亚克力板组成换热腔,换热腔固定在支架上,冷却水箱通过蠕动泵及管路与换热腔形成循环回路,散热板上表面与温差发电片组件的低温端固定接触,所述集热装置为上表面具有选择性吸收薄膜的紫铜板,所述散热板下表面为波纹表面。本发明通过涂覆选择性吸收薄膜能有效提高高温端的集热效率,同时通过波纹表面能提高低温端的散热效率,从而有效增大端差温度,提高温差发电装置的发电能力。(The invention discloses a thermoelectric power generation device capable of effectively increasing end difference temperature, which comprises a heat collection device, a thermoelectric power generation sheet assembly and a cooling system, wherein the heat collection device, the thermoelectric power generation sheet assembly and the cooling system are sequentially arranged from top to bottom, the high-temperature end of the thermoelectric power generation sheet assembly is fixedly contacted with the lower surface of the heat collection device, the cooling system comprises a heat dissipation plate, a support, acrylic plates, a peristaltic pump and a cooling water tank, the lower surface of the heat dissipation plate and a plurality of acrylic plates form a heat exchange cavity, the heat exchange cavity is fixed on the support, the cooling water tank forms a circulation loop with the heat exchange cavity through the peristaltic pump and a pipeline, the upper surface of the heat dissipation plate is fixedly contacted with the low-temperature end of the thermoelectric power generation sheet assembly, the heat. The invention can effectively improve the heat collection efficiency of the high-temperature end by coating the selective absorption film, and can improve the heat dissipation efficiency of the low-temperature end by the corrugated surface, thereby effectively increasing the end difference temperature and improving the power generation capacity of the temperature difference power generation device.)

一种能有效增大端差温度的温差发电装置

技术领域

本发明涉及一种温差发电装置，具体是一种能有效增大端差温度的温差发电装置。

背景技术

随着化石能源的日渐枯竭和环境污染的加剧，太阳能作为一种清洁能源受到了各国研究人员的广泛关注，温差发电技术是利用太阳能的其中一项应用技术。温差发电技术是一种基于塞贝克效应的技术，在温差发电片上下表面具有温度差后，就会产生电动势，输出电能。温差发电片高、低温端的端差温度越大，其输出电能的能力也就越大。因此增大高、低温端的温差是提高温差发电装置的输出电能效率方面极其重要的一环。

太阳能的辐射是近似黑体的发射，几乎所有受到太阳辐射的物体表面都会产生热效应，但这些材料并不都可以高效的吸收利用太阳能产生热能，想要最大限度的提高温差发电片高温端的温度，需要对高温端的集热板进行一些定制化设计，首先集热板材料要能够很好的吸收太阳能，且材料本身热辐射性能低，集热板材料才能够更有效率地收集热能，目前主要采用紫铜板作为集热板材料，但是其集热效果一般。另外，目前水冷散热在散热领域应用是最为广泛且冷却效果较好的冷却技术，可有效降低温差发电装置的低温端温度。

通过检索发现，中国专利、公开号为CN209823664U，公开日为2019年12月20日，其公开了一种太阳能温差发电装置。

中国专利、公开号为CN110630541A，公开日为2019年12月31日，其公开了一种温差喷雾风扇装置。

分析发现，考虑温差发电的前景，上述发明存在两个方面的不足，一是系统本身集热效果差，或是集热材料使用寿命较短，不适合长时间工作；二是系统的散热装置没有对内部散热面的结构进行设计，现有的散热面为光滑平面，这就使得冷却系统换热效率受到了限制，无法有效降低温差发电装置的低温端温度，导致整个系统的高、低温端的端差温度较小，因此能源利用率低。如何提供一种高温端能高效集热且低温端散热效率高的温差发电装置是本领域技术人员的研究方向。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种能有效增大端差温度的温差发电装置，通过涂覆选择性吸收薄膜能有效提高高温端的集热效率，同时通过波纹表面能提高低温端的散热效率，从而有效增大端差温度，提高温差发电装置的发电能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种能有效增大端差温度的温差发电装置，包括集热装置、温差发电片组件和冷却系统，三者由上自下依次设置，温差发电片组件的高温端与集热装置下表面固定接触，冷却系统包括散热板、支架、亚克力板、蠕动泵和冷却水箱，散热板下表面和多个亚克力板组成换热腔，换热腔固定在支架上，冷却水箱通过蠕动泵及管路与换热腔形成循环回路，散热板上表面与温差发电片组件的低温端固定接触，所述集热装置为上表面具有选择性吸收薄膜的紫铜板，所述散热板下表面为波纹表面。

进一步，所述波纹表面的波纹峰谷差为10mm，峰间距2mm。

其中，所述具有选择性吸收薄膜的紫铜板制备步骤为：

A、溶胶配制：

1)称取一定量正硅酸乙酯(TEOS)、无水乙醇(EtOH)、去离子水(H₂O)、盐酸(HCl)依次加入锥形瓶A中，水浴加热60℃条件下磁力搅拌30min；

2)称取一定量水杨酸(SA)和一定量无水乙醇依次加入烧杯B中，在室温条件下磁力持续搅拌直至水杨酸充分溶解在无水乙醇中；

3)称取一定量聚乙二醇置于烧杯C中，加入一定量无水乙醇，在室温条件下磁力搅拌30～60min充分混合；

4)将步骤2)搅拌完成的溶液和步骤3)搅拌完成的溶液依次缓慢滴加至锥形瓶A中，然后在水浴加热60℃条件下磁力搅拌30～60min；

5)将搅拌后的溶液静置陈化24h直至形成稀凝胶溶液；上述正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、盐酸和水杨酸的体积摩尔比为1:(20～30):(4～8):0.2:(1～3)；

B、溶胶镀膜：

①对紫铜板上表面分别使用400目、800目、金相抛光机进行抛光处理，清除表面氧化膜，置于培养皿内；

②将紫铜板放入匀胶机吸盘上，用滴管吸取少量步骤A制得的稀凝胶溶液滴于紫铜板上表面，直至使稀凝胶溶液布满整个基板后，使匀胶机以2000～4000r/min的速度运行30～60s；

③将紫铜板放入鼓风干燥箱升温至80℃，保温20～40min，从而在紫铜板上表面形成干凝胶薄膜；

C、薄膜热处理：将步骤B处理后具有干凝胶薄膜的紫铜板放入氮气保护的管式炉，以20℃/min的加热速率升温至600～900℃，保温1～2h，炉冷至室温后取出，即制成具有C-SiO₂选择性吸收薄膜的紫铜板。

进一步，所述制得的C-SiO₂选择性吸收薄膜对太阳能的吸收率在90％以上。

与现有技术相比，本发明采用具有C-SiO₂选择性吸收薄膜的紫铜板和散热板下表面为波纹表面两者结合制作温差发电机，在进行温差发电时，太阳光照射在具有C-SiO₂选择性吸收薄膜的紫铜板上表面，通过试验可知本发明制备的选择吸收薄膜在0.3μm～2.5μm波段反射率较低，具有较高的吸收性能，在2.5μm～25μm处反射率陡峭升高，因此具有较低的红外辐射率，即选择吸收薄膜具有选择吸收特性，因此选择吸收薄膜能有效吸收紫外-可见光-近红外光区域的辐射能，并在紫铜板表面产生热量，进而传递给温差发电片组件的高温端，有效提高温差发电片组件的高温端的温度；同时冷却系统工作，蠕动泵带动冷却水从冷却水箱进入换热腔内，冷却水在换热腔内与散热片下表面接触换热，从而使散热片的温度降低，由于散热片下表面为波纹表面，因此能有效增加冷却水与散热片的接触面积及接触时间，从而保证散热片与冷却水的换热效率，由于散热片与温差发电片组件的低温端固定接触，最终通过冷却系统的不断工作，能有效实现对温差发电片组件的低温端降温；故通过上述的作用，能有效提高温差发电片组件高温端的集热温度，同时能降低温差发电片组件的低温端温度，实现增大高温端和低温端的端差温度，最终有效增加温差发电机的发电效率；另外本发明制备具有C-SiO₂选择性吸收薄膜的紫铜板，工艺简单且无污染，可实现对太阳光辐射99％以上的能量的利用，薄膜光热转换效率在90％以上。

附图说明

图1是本发明的剖面结构示意图；

图2是本发明中制备具有C-SiO₂选择性吸收薄膜的紫铜板的工艺流程图；

图3是进行试验证明时实施例1、2、3和对照组在光照波长为0.3μm～2.5μm的反射率谱图；

图4是进行试验证明时实施例1、2、3在光照波长为2.5μm～25μm的反射率谱图。

图中：1、集热装置，2、温差发电片组件，3、散热板，4、支架，5、亚克力板，6、换热腔。

具体实施方式

下面将对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例包括集热装置1、温差发电片组件2和冷却系统，三者由上自下依次设置，温差发电片组件2的高温端与集热装置1下表面固定接触，冷却系统包括散热板3、支架4、亚克力板5、蠕动泵和冷却水箱，散热板3下表面和多个亚克力板5组成换热腔6，换热腔6固定在支架4上，冷却水箱通过蠕动泵及管路与换热腔6形成循环回路，散热板3上表面与温差发电片组件2的低温端固定接触，所述集热装置1为上表面具有选择性吸收薄膜的紫铜板，所述散热板3下表面为波纹表面；波纹表面的波纹峰谷差为10mm，峰间距2mm。

其中，所述具有选择性吸收薄膜的紫铜板制备步骤为：

A、溶胶配制：

1)称取一定量正硅酸乙酯(TEOS)、无水乙醇(EtOH)、去离子水(H₂O)、盐酸(HCl)依次加入锥形瓶A中，水浴加热60℃条件下磁力搅拌30min；

2)称取一定量水杨酸(SA)和一定量无水乙醇依次加入烧杯B中，在室温条件下磁力持续搅拌直至水杨酸充分溶解在无水乙醇中；

3)称取一定量聚乙二醇置于烧杯C中，加入一定量无水乙醇，在室温条件下磁力搅拌30～60min充分混合；

4)将步骤2)搅拌完成的溶液和步骤3)搅拌完成的溶液依次缓慢滴加至锥形瓶A中，然后在水浴加热60℃条件下磁力搅拌30～60min；

5)将搅拌后的溶液静置陈化24h直至形成稀凝胶溶液；上述正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、盐酸和水杨酸的体积摩尔比为1:20:4:0.2:1；

B、溶胶镀膜：

①对紫铜板上表面分别使用400目、800目、金相抛光机进行抛光处理，清除表面氧化膜，置于培养皿内；

②将紫铜板放入匀胶机吸盘上，用滴管吸取少量步骤A制得的稀凝胶溶液滴于紫铜板上表面，直至使稀凝胶溶液布满整个基板后，使匀胶机以2000～4000r/min的速度运行30～60s；

③将紫铜板放入鼓风干燥箱升温至80℃，保温20～40min，从而在紫铜板上表面形成干凝胶薄膜；

C、薄膜热处理：将步骤B处理后具有干凝胶薄膜的紫铜板放入氮气保护的管式炉，以20℃/min的加热速率升温至600～900℃，保温1～2h，炉冷至室温后取出，即制成具有C-SiO₂选择性吸收薄膜的紫铜板。

实施例2：

本实施例的温差发电装置的结构与实施例1相同，其中，所述具有选择性吸收薄膜的紫铜板制备步骤为：

A、溶胶配制：

1)称取一定量正硅酸乙酯(TEOS)、无水乙醇(EtOH)、去离子水(H₂O)、盐酸(HCl)依次加入锥形瓶A中，水浴加热60℃条件下磁力搅拌30min；

2)称取一定量水杨酸(SA)和一定量无水乙醇依次加入烧杯B中，在室温条件下磁力持续搅拌直至水杨酸充分溶解在无水乙醇中；

3)称取一定量聚乙二醇置于烧杯C中，加入一定量无水乙醇，在室温条件下磁力搅拌30～60min充分混合；

4)将步骤2)搅拌完成的溶液和步骤3)搅拌完成的溶液依次缓慢滴加至锥形瓶A中，然后在水浴加热60℃条件下磁力搅拌30～60min；

5)将搅拌后的溶液静置陈化24h直至形成稀凝胶溶液；上述正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、盐酸和水杨酸的体积摩尔比为1:30:6:0.2:2；

B、溶胶镀膜：

①对紫铜板上表面分别使用400目、800目、金相抛光机进行抛光处理，清除表面氧化膜，置于培养皿内；

②将紫铜板放入匀胶机吸盘上，用滴管吸取少量步骤A制得的稀凝胶溶液滴于紫铜板上表面，直至使稀凝胶溶液布满整个基板后，使匀胶机以2000～4000r/min的速度运行30～60s；

③将紫铜板放入鼓风干燥箱升温至80℃，保温20～40min，从而在紫铜板上表面形成干凝胶薄膜；

C、薄膜热处理：将步骤B处理后具有干凝胶薄膜的紫铜板放入氮气保护的管式炉，以20℃/min的加热速率升温至600～900℃，保温1～2h，炉冷至室温后取出，即制成具有C-SiO₂选择性吸收薄膜的紫铜板。

实施例3：

本实施例的温差发电装置的结构与实施例1相同，其中，所述具有选择性吸收薄膜的紫铜板制备步骤为：

A、溶胶配制：

1)称取一定量正硅酸乙酯(TEOS)、无水乙醇(EtOH)、去离子水(H₂O)、盐酸(HCl)依次加入锥形瓶A中，水浴加热60℃条件下磁力搅拌30min；

2)称取一定量水杨酸(SA)和一定量无水乙醇依次加入烧杯B中，在室温条件下磁力持续搅拌直至水杨酸充分溶解在无水乙醇中；

3)称取一定量聚乙二醇置于烧杯C中，加入一定量无水乙醇，在室温条件下磁力搅拌30～60min充分混合；

4)将步骤2)搅拌完成的溶液和步骤3)搅拌完成的溶液依次缓慢滴加至锥形瓶A中，然后在水浴加热60℃条件下磁力搅拌30～60min；

5)将搅拌后的溶液静置陈化24h直至形成稀凝胶溶液；上述正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、盐酸和水杨酸的体积摩尔比为1:30:8:0.2:3；

B、溶胶镀膜：

①对紫铜板上表面分别使用400目、800目、金相抛光机进行抛光处理，清除表面氧化膜，置于培养皿内；

②将紫铜板放入匀胶机吸盘上，用滴管吸取少量步骤A制得的稀凝胶溶液滴于紫铜板上表面，直至使稀凝胶溶液布满整个基板后，使匀胶机以2000～4000r/min的速度运行30～60s；

③将紫铜板放入鼓风干燥箱升温至80℃，保温20～40min，从而在紫铜板上表面形成干凝胶薄膜；

C、薄膜热处理：将步骤B处理后具有干凝胶薄膜的紫铜板放入氮气保护的管式炉，以20℃/min的加热速率升温至600～900℃，保温1～2h，炉冷至室温后取出，即制成具有C-SiO₂选择性吸收薄膜的紫铜板。

试验证明：

在对选择吸收薄膜的性能进行评价时，太阳光吸收率是一条最重要的标准，它能够表征选择吸收薄膜对太阳辐射能的吸收能力，计算数值越接近于1代表选择吸收薄膜吸收太阳光的能力越强。地表可接受的太阳能辐射能量主要集中在光谱范围在0.3μm～2.5μm的紫外-可见-近红外区域，因此太阳光吸收率可用上述光谱范围进行计算，计算公式如下：

式中I_sol(λ)为太阳光辐射，通常为AM1.5(ISO，ASTM G179-03)标准光谱；R(λ)为选择吸收薄膜的反射率。

另一方面，红外辐射率是选择吸收薄膜的另一条重要的评判标准，它能够表征薄膜通过红外辐射向外散发能量的标准，数值越接近于0代表红外热辐射损失越少。对于应用于低温领域的材料，其辐射能量主要集中在中远红外光谱(即波长为2.5μm～25μm的波段)，故仅需测量其在中远红外波段的辐射能力，具体计算公式如下：

式中I_B(λ)通常设为100℃的黑体辐射功率，R(λ)为选择吸收薄膜的反射率。通过公式可知，在该波段情况下反射率越高，其在该波段的辐射能力越低。

采用实施例1的制备方法制成样品1，采用实施例2的制备方法制成样品2，采用实施例3的制备方法制成样品3，对照组为紫铜板，采用模拟氙灯光源系统模拟太阳光照射分别对各个样品和紫铜板进行光照试验，并通过调压器对太阳能辐射能量进行调整使各个样品和紫铜板照射时的辐射能量相同。

结果分析：

通过图3曲线变化看出样品1、2和3在整个光谱范围内的反射率均低于25％，并根据上述公式计算出样品1、2和3的吸收率分别为0.905、0.937、0.952，对照组的吸收率为0.256，因此说明具有选择吸收薄膜的样品1、2和3对太阳辐射能有着较高的吸收率，远远大于对照组的吸收率，因此说明具有选择吸收薄膜的样品1、2和3对太阳辐射能有着较高的吸收率；

通过图4曲线变化看出几个样品的反射率在中远红外波段反射率陡峭升高，并根据上述公式计算出3个样品的对外辐射率分别为0.236、0.203、0.226，即对外辐射率均较低，因此综合来看，在紫铜板上表面涂覆选择吸收薄膜可以更有效地提升集热平板的集热能力，以此有效提高温差发电装置输出电能的能力。