一种工业用集成式热电发电装置
阅读说明：本技术 一种工业用集成式热电发电装置 (Industrial integrated thermoelectric power generation device ) 是由 孟祥宁 杨宪礼 吴明德 宋立群 苗壮 王延平 祁庆尧 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：一种工业用集成式热电发电装置,属于热电发电技术领域。该工业用集成式热电发电装置,包括多个热电模块、冷却衬底和水冷板；冷却衬底一面设置有用于放置热电模块的多个固定凹槽,冷却衬底的另一面设置有多条导线槽,冷却衬底设置导线槽的一面和水冷板连接；其中,多个热电模块的冷端设置在对应固定凹槽内,热电模块的热端设置在固定凹槽外。该装置能够使热电模块可以长时间稳定工作,并且配置高效冷却系统,极大提升模块输出功率。其基于热环境条件,对热电模块工作过程进行多方面考虑,提供的工业用集成式热电发电装置具有高实用价值。(An industrial integrated thermoelectric power generation device belongs to the technical field of thermoelectric power generation. The industrial integrated thermoelectric power generation device comprises a plurality of thermoelectric modules, a cooling substrate and a water cooling plate; one side of the cooling substrate is provided with a plurality of fixing grooves for placing the thermoelectric modules, the other side of the cooling substrate is provided with a plurality of wire grooves, and the side of the cooling substrate provided with the wire grooves is connected with the water cooling plate; wherein, the cold ends of a plurality of thermoelectric modules set up in corresponding fixed recess, and thermoelectric module's hot junction sets up outside fixed recess. The device can make thermoelectric module can long-time stable work to dispose high-efficient cooling system, greatly promote module output. The working process of the thermoelectric module is considered in many aspects based on thermal environment conditions, and the provided industrial integrated thermoelectric power generation device has high practical value.)
技术领域
本发明涉及热电发电技术领域，具体涉及一种工业用集成式热电发电装置。
背景技术
热电转换技术基于塞贝克效应可直接将热转换为电，因其内部无机械运动部件，与传统发电技术相比，具有更高稳定性、更低制造成本以及更长使用寿命。此外，热电模块具有体积小、无污染、无噪音等特点，使其被广泛应用于工业余废热回收领域。
目前大部分热电技术研究都是针对热电发电系统部分结构进行优化，如：一种热电模块(ZL201310560019.7)和热电模块及包含该热电模块的热转换装置(ZL201480046526.1)等，都没有对整个热电系统的发电性能、安全性能以及实用性能进行全方位考虑。
在不安装冷却装置的前提下，传统热电模块无法在内部形成较大的温度梯度，导致实际输出功率小。目前一些常用的空冷设备由于体积大、冷却效率低和成本高等原因，不适合用于热电模块的冷端散热。而水冷装置与热电模块的配合问题，也没有较好的解决方案。
发明内容
针对现有热电转换技术使用成本高、输出功率小、现场实用性低等问题，本发明解决以上问题的方法是提供了一种工业用集成式热电发电装置，使热电模块可以长时间稳定工作，并且配置高效冷却系统，极大提升模块输出功率。本发明基于热环境条件，对热电模块工作过程进行多方面考虑，提供的工业用集成式热电发电装置具有高实用价值。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种工业用集成式热电发电装置，包括多个热电模块、冷却衬底和水冷板；其中，冷却衬底一面设置有用于放置热电模块的多个固定凹槽，冷却衬底的另一面设置有多条导线槽，冷却衬底设置导线槽的一面和水冷板连接；其中，多个热电模块的冷端设置在对应固定凹槽内，热电模块的热端设置在固定凹槽外。
所述的工业用集成式热电发电装置，还包括挡板，当工业用集成式热电发电装置为非接触工作方式时，热电模块的热端通过挡板固定，挡板和冷却衬底连接。
进一步的，所述的工业用集成式热电发电装置中多个热电模块呈阵列式排列。
进一步的，所述的冷却衬底采用铝合金材料。
进一步的，冷却衬底和水冷板通过导热硅脂接合，减少接触热阻产生的不利影响。
进一步的，冷却衬底设置多个固定凹槽的端面，其设置有热端凸台，用于支撑挡板，减少挡板对热电模块热端产生的压力；在冷却衬底设置有导线槽的端面上，相邻导线槽之间的凸台为冷却衬底的冷端凸台，并且冷端凸台的位置和固定凹槽的位置相对应，在固定凹槽的一端设置有导线通孔，延伸连通导线槽。
所述的水冷板采用铝合金材料，水冷板内部设置有冷却水流道，用于对热电模块的冷端进行散热。
进一步的，水冷板的冷却水流道位置和冷却衬底的冷端凸台位置相对应。
所述的水冷板优选为正方形。
所述的用于放置热电模块的凹槽内采用导热硅脂填充。
所述的挡板优选为栏栅式挡板，用于固定热电模块位置，防止脱落。
本发明的一种工业用集成式热电发电装置，其优点为：
1)本发明提供的一种工业用集成式热电发电装置，选用水冷散热，可以长时间维持热电模块冷端为低温状态，使模块内产生较大的温度梯度，输出功率提升；
2)本发明提供的一种工业用集成式热电发电装置，热电模块与冷却衬底之间采用导热硅脂接合，可以根据现场热源的实际情况采用接触或非接触两种工作方式，热电模块热端配备有栏栅式挡板，当采用非接触工作方式时，可以固定热电模块位置防止脱落；
3)本发明提供的一种工业用集成式热电发电装置，采用水冷板平面图形为正方形，可以在使用过程中任意改变进/出水口方向，便于多个发电装置连接，为大面积安装提供便利。
本发明的一种工业用集成式热电发电装置，相比于现有技术，其有益效果为：
本发明提供的一种工业用集成式热电发电装置，体积尺寸小，各组成部分均使用强度较高的金属材料，可以应用于多种工业产线进行稳定工作；由于工业产线环境较为复杂，所以热电发电装置整体采用封闭式结构，既可以防止厂房内部分金属颗粒对内部线路的破坏，又可以保证装置内所有连接导线不会受到高温损伤，保证发电装置可以长时间稳定运行。
附图说明
图1为本发明的一种工业用集成式热电发电装置的整体结构示意图和爆炸图；其中，a为挡板、b为热电模块、c为冷却衬底，d为水冷板；
图2为挡板结构；其中，(a)为挡板上端面视图，(b)为挡板下端面视图，(c)为挡板和热电模块装配示意图；a-1为相邻档杆的间距，a-2为档杆，a-3为主固定柱，a-4为辅固定柱；
图3为热电模块结构的结构示意图；(a)为整体组合示意图，(b)为内部结构；b-1为氧化铝绝缘板，b-2为铜导电片，b-3为P型热电臂，b-4为N型热电臂，b-5为封闭层；
图4为冷却衬底的结构示意图；a)为冷却衬底的热端示意图，(b)为冷却衬底的冷端示意图，(c)为冷却衬底的剖面图；c-1为固定凹槽，c-2为导线通孔，c-3为热端凸台，c-4为冷端凸台，c-5为导线槽；
图5为水冷板结构；(a)为水冷板的正视图，(b)为水冷板的侧视图；d-1为水冷板的进/出水口。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明进一步阐述。
实施例1
工业生产环境复杂，热电模块无法长时间裸露在产线内，并且模块体积小不足以产生较大的温度梯度用于工业热电转换。基于以上因素，本发明的以下实施例提供了一种工业用集成式热电发电装置，不仅可以提高工况下热电模块发电性能，还可以维持模块长时间高效运作。
一种工业用集成式热电发电装置整体结构示意图和爆炸图见图1。其中包括：挡板a、热电模块b、冷却衬底c以及水冷板d。工业现场生产环境较为复杂，热电发电装置结构尺寸过大不利于现场安装与调试，所以本发明一种工业用集成式热电发电装置中的冷却衬底设置有固定凹槽，固定凹槽排列采用6×6结构，内部最多可以安装36块热电模块b。通常情况下，工业热源温度范围分布较广，热电模块b无法直接安装在一些高温热源表面，只能通过吸收辐射热的形式进行余热发电。基于以上原因，本发明一种工业用集成式热电发电装置配置有挡板a。
本发明一种工业用集成式热电发电装置所使用挡板a结构如图2。为了使热电模块b热端的吸热性能不受影响，挡板a采用栏栅式结构，组成包括：档杆a-2、主固定柱a-3、辅固定柱a-4；其中，多个档杆a-2均匀排布，并且彼此平行，形成栏栅结构，多个档杆之间的空隙为相邻档杆的间距a-1，主固定柱a-3平行于档杆a-2，并设置在挡板a的中心，辅固定柱a-4和主固定柱a-3垂直连接，固定多个档杆；为使挡板a可以固定每一个热电模块b，需要相邻档杆的间距a-1小于热电模块b的长和宽，且二者差值不超过1mm。在采用非接触工作方式时，热电发电装置内部各元件位置可能发生偏移，所以在挡板a的中心处设置主固定柱a-3和辅固定柱a-4。主固定柱a-3与热电模块b边缘直接接触，受力更加均匀，可以使挡板a横向不发生偏移。辅固定柱a-4设置在热电模块b横向间隔内，使挡板a纵向不发生偏移。
本发明一种工业用集成式热电发电装置所采用热电模块b结构如图3(a)。本发明所使用的热电模块b为一种商用模块，具体型号为SP1848，其组成部分为：氧化铝绝缘板b-1、铜导电片b-2、P型热电臂b-3、N型热电臂b-4和封闭层b-5。其中，P型热电臂b-3和N型热电臂b-4交替设置，其中，P型热电臂b-3的一端和其一侧相邻的N型热电臂b-4的一端用铜导电片b-2连接，P型热电臂b-3的另一端和另一侧的相邻的另一个N型热电臂b-4的一端用另一个铜导电片b-2连接，并且，设置有上端的氧化铝绝缘板b-1和下端的氧化铝绝缘板b-1，将铜导电片b-2、P型热电臂b-3、N型热电臂b-4均包裹其中；具体连接方式见图3(b)；
P型热电臂b-3和N型热电臂b-4使用材料均为碲化铋，是一种常用的热电材料。由于工业生产环境内可能会出现金属粉尘，导致热电模块b出现短路或者损坏，所以需要将模块与环境进行隔离。图3中b-5为热电模块b的封闭层，封闭层b-5采用硫化硅橡胶材料对模块边缘完全覆盖，该材料最高可以承受800℃的高温，可以应对多种高温环境。
本发明一种工业用集成式热电发电装置所采用冷却衬底c结构如图4(a)～图4(c)。冷却衬底c组成部分有：固定凹槽c-1、导线通孔c-2、热端凸台c-3、冷端凸台c-4以及导线槽c-5。其中，冷却衬底c热端共设置36个固定凹槽c-1，采用6×6排布结构。固定凹槽c-1用于固定热电模块b位置，防止使用过程中热电模块位置发生偏移。由于冷却衬底c热端与热电模块b冷端均为粗糙表面，所以在二者接触面上存在较大接触热阻。为降低接触热阻产生的不利影响，需要在热电模块b与冷却衬底c接触面上均匀涂抹导热硅脂。热电模块b的高温极限要高于连接导线，所以需要控制连接导线表面温度，保持其使用稳定性。在冷却衬底c的固定凹槽c-1一端设有导线通孔c-2，导线通孔c-2可以直接将连接导线由冷却衬底c的热端转移到冷却衬底c的冷端，并排列在导线槽上，并通过水冷板d进行温度控制。冷却衬底c冷端设有导线槽c-5，用于固定连接导线位置，使连接导线与水冷板d直接接触，使连接导线可以长时间处于低温状态。热电模块b两端采用氧化铝陶瓷材料，脆性较大，当热电模块b端面局部压力过大时，会出现破损现象。冷却衬底c对应的四个角设有热端凸台c-3，用于减少挡板a对热电模块b热端产生的压力，热端凸台c-3水平高度比热电模块b水平高度低0.5mm，避免挡板a较紧能力受到影响。冷却衬底c设有冷端凸台c-4，用于提升热电模块b冷端温度控制能力，并保持模块冷端温度均匀。冷却衬底c的冷端凸台c-4与热电模块b冷端位置相互对应，这种设计可以降低冷却衬底c其他区域的冷却效率，使水冷板d仅对热电模块b保持高效冷却。
本发明一种工业用集成式热电发电装置所采用水冷板d结构如图5。水冷板d内部共设有12条冷却水流道，每个热电模块b冷端的冷却水流道保持在2条。冷却水流道与冷却衬底c中冷端凸台c-4保持在相同位置，使水冷板d对热电模块b的冷却效率更加充分。水冷板d的进/出水口d-1设置在同一侧，方便使用过程中冷却水管的排布。本发明一种工业用集成式热电发电装置通过为热电模块b配置多种辅助元件的方法，使热电模块b的工业应用性得到极大提升，也为工业用热电转换技术提供有效解决方案。
实施例2
本发明一种工业用集成式热电发电装置所使用的热电模块为商用SP1848，包括氧化铝绝缘板b-1、铜导电片b-2、P型热电臂b-3、N型热电臂b-4和封闭层b-5。其中，P型热电臂b-3和N型热电臂b-4交替设置，其中，P型热电臂b-3的一端和其一侧相邻的N型热电臂b-4的一端用铜导电片b-2连接，P型热电臂b-3的另一端和另一侧的相邻的另一个N型热电臂b-4的一端用另一个铜导电片b-2连接，并且，设置有上端的氧化铝绝缘板b-1和下端的氧化铝绝缘板b-1，将铜导电片b-2、P型热电臂b-3、N型热电臂b-4均包裹其中。
其中，氧化铝绝缘板b-1长宽均为40mm，高度为0.5mm；P型热电臂b-3和N型热电臂b-4的是长宽均为1.3mm，高度为1.8mm的长方体；铜导电片b-2为长3.1mm、宽1mm、高0.1mm的长方体。热电模块整体结构尺寸小，可以用于多种工作环境，便于安装，使用简单。
工业用集成式热电发电装置包括多个热电模块、冷却衬底、水冷板和挡板。其中，冷却衬底一面设置有用于放置热电模块的多个固定凹槽，冷却衬底的另一面设置有多条导线槽，冷却衬底设置导线槽的一面和水冷板连接；其中，多个热电模块的冷端设置在对应固定凹槽内，热电模块的热端设置在固定凹槽外，热电模块的热端通过挡板固定。
本实施例中，冷却衬底采用一体式设计，内部设计36个开口的固定凹槽，最多可以嵌入36个热电模块。固定凹槽深度为2mm，热电模块冷端设置在固定凹槽内，冷却衬底的固定凹槽内采用导热硅脂填充，减低热电模块与衬底接触面间热阻，提升内部热量传递能力。冷却衬底采用铝合金材料，可以实现热电模块冷端的快速导热。热电模块热端外部露出1mm，降低热电模块热端热量损失。固定凹槽前段采用通孔处理，前端空间预留区域为3mm，用于导线弯曲与热电模块位置调整。冷却衬底背部采用冷端凸台式设计，冷端凸台之间预留导线槽，可将导线固定在导线槽内，保证冷却衬底背部平整。冷却衬底背部冷端凸台与设置热电模块的固定凹槽对应，可以减少不必要的热量传递，提升冷却效率。
工业用集成式热电发电装置所使用的挡板采用栏栅式设计，将热电模块的热端面暴露在环境中，提升热电模块热端吸热面积。由于热电模块存在接触式和非接触式两种工作方式，在采用非接触工作方式时，将挡板与冷却衬底连接，挡板可以防止热电模块脱落，更优选为将挡板与冷却衬底仅通过螺栓连接，可根据不同工作方式拆装挡板，即为在采用接触工作方式时，将挡板进行拆卸，使热电模块可以直接与热源接触。
工业用集成式热电发电装置所使用的水冷板内部设置12条冷却冷却水流道，每个热电模块冷端配备2条冷却冷却水流道，极大提升冷端冷却效率。水冷板边缘设有螺纹通孔，用于水冷板与冷却衬底的紧密连接。水冷板平面图形为正方形，可以在使用过程中任意改变进/出水口方向，便于多个发电装置连接，为大面积安装提供便利。
组装完成后工业用集成式热电发电装置，整体为封闭结构，仅有热电模块热端面暴露在环境中，其余部分均安装在内部，降低了环境内高温对发电装置产生的不利影响，使整体稳定性得到提升。
实施例3
一种工业用集成式热电发电装置，主要包括冷却衬底、热电模块、水冷板和栏栅式挡板。工业用集成式热电发电装置整体尺寸为300mm×300mm×34mm，内部可安装36个热电模块。
工业用集成式热电发电装置中冷却衬底采用重量轻且强度高的铝合金材料，保证在工业使用过程中发电装置可以稳定运行。冷却衬底内部有36个固定凹槽，用于固定热电模块，防止模块在使用过程中位置发生偏移。固定凹槽一端采用通孔式设计，用于将热电模块的连接导线引入冷却衬底背部，防止环境热对导线产生不利影响。冷却衬底的固定凹槽高度为2mm，使热电模块顶端可以凸出冷却衬底，避免冷却衬底将热端热量分散，是能量转换效率提升。冷却衬底背部设计有导线槽，用于将导线位置固定，使衬底背部平整，便于水冷板紧密连接。冷却衬底与水冷板之间采用导热硅脂接合，减少接触热阻产生的不利影响。
工业用集成式热电发电装置中水冷板采用重量轻且导热性能好的铝合金材料，保证使用过程中热电模块冷端可以长时间维持低温状态。水冷板采用平整设计，便于与冷却衬底紧密连接。水冷板内部有12条冷却水流道，确保每个热电模块冷端有2条冷却水流道进行散热。
热电发电装置的挡板采用栏栅式设计，用于固定热电发电装置，防止热电模块脱落，并将热电模块的热端面暴露在环境中，提升热端吸热面积。
热电发电装置整体采用封闭式设计，将全部线路安装在发电装置内部，避免工业热环境对内部线路产生破坏。
通过现场测试比较了单个热电模块与工业用集成式热电发电装置的各项性能，单个热电模块没有任何保护措施，其连接导线很快就被产线内的高温气流破坏，并且在工作时单个热电模块内部没有产生足够温度梯度，发电量极低。工业用集成式热电发电装置可以在工业产线内稳定运行，并且内部配置有冷却系统，可以使热电模块长时间保持高效发电性能。
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