CN101741288B - 一种大温差赛贝克发电器 - Google Patents

一种大温差赛贝克发电器 Download PDF

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Abstract

一种大温差塞贝克发电器，利用制冷技术和气体燃烧加热技术，提高温差，使发电效率大大提高。本装置包括液态气体罐、节流阀、蒸发器、N型半导体、P型半导体、低温区金属导体、高温区金属导体、绝热层、导线、输气管、壳体、燃烧器，燃料的获得很容易，如甲烷、氨气、氢气等诸如此类的燃料。制作工艺属成熟技术：如半导体技术、绝热技术、绝缘技术、制冷技术、加热技术等等。将本发明创造广泛应用于汽车等行业，替代内热发动机；将本发明创造广泛应用于工业、商业、民用等临时用电，替代柴油发电机。使用本发明创造，在实现节能(石油的替代品)减排(实现了低碳排放，甚至零碳排放)的同时，改善地球环保。

Description

一种大温差赛贝克发电器
技术领域
本发明涉及一种赛贝克发电器。
背景技术
1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，此所谓“塞贝克效应”。1834年，法国实验科学家帕尔帖发现了它的反效应：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，此所谓珀尔帖效应。1837年，俄国物理学家愣次又发现，电流的方向决定了吸收还是产生热量，发热(制冷)量的多少与电流的大小成正比。
1856年，汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量(称为汤姆孙热)。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆孙效应(Thomson effect)，成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应(thermoelectric effect)。
汤姆逊效应是导体两端有温差时产生电势的现象，帕尔帖效应是带电导体的两端产生温差(其中的一端产生热量，另一端吸收热量)的现象，两者结合起来就构成了塞贝克效应。
简言之，当两种成分不同的导体或半导体组成回路，两个接触点温度不同时，回路中就会出现电流，回路断开时在开路两端间有电动势(热电动势)，该效应成为赛贝克效应。温度每变化1℃所引起的热电动势变化量(赛贝克系数，μV/℃)值：金属5～90，半导体可比金属高十多倍，聚合物半导体比一般半导体更高。
通常情况下，塞贝克效应产生的电压极其微小，在连接处通常仅为每开尔文几微伏特。如果温差足够大，某些塞贝克装置可以产生几毫伏电压。若干个这样的装置进行一系列连接，可增加输出电压。如平行连接这些装置，可增加最大交付电流。如果能够在连接处维持巨大温差的话，极大批塞贝克装置能够提供有效的小规模电量。
为了加大温差，目前，使用普通化石燃料作热源以形成大温差塞贝发电器的实用***首推美国专为野外使用而发展的军用电源，它们以各类军队常用的燃油燃烧产生的热量为塞贝克发电器热源。然而，随着环保意识的加强以及对传统能源未来匮缺的担心，充分利用余热发电的技术手段日益受到关注。2003年黎巴嫩大学的学者将塞贝克温差电发电器的热端与该国的一种做饭用的火炉外壁连接，冷端置于空气中，利用炉壁的高温与环境的温差来发电。该设备实验中单片元件可产生4W的电功率。
采用不同导体温差技术发电的核电池也有应用，但因为核的使用受严格的限制，无法广泛应用。另外，核的使用，在材料的获得，以及加工工艺上的约束，极难普及。
总之，现有的塞贝克温差发电器冷热源端采用的方式均不太理想，不便于大规模推广。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种安全、实用、经济、便于推广的大温差塞贝克发电器装置，以解决目前大功率塞贝克发电器的不足。
本发明利用制冷技术和气体燃烧加热技术，提高温差，使发电效率大大提高。燃料的获得很容易，如氮、甲烷、氨气、氢气等诸如此类的燃料。加工本发明创造的材料非常容易获取；制作工艺属成熟技术。如半导体技术、绝热技术、绝缘技术、制冷技术、加热技术等等。
半导体组成的回路中，赛贝克效应较为明显，半导体——导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如锗、硅、硒及大多数金属氧化物(如氧化亚铜等)。常用的半导体材料有硅和锗两种，硅具有14个电子，锗具有32个电子，其原子的最外层都是四个电子，所以都是四价元素。在四价的本征半导体中掺入微量的五价元素(如磷、砷、锑等)，形成以电子为多数载流子的N型半导体。在四价的本征半导体中掺入微量的三价元素(如硼、铝、铟等)，形成以空穴为多数载流子的P型半导体。
本发明还涉及几个关键词，绝热层：我们习惯上把导热系数小于0.12W/(m·℃°)的材料为绝热材料。常用的热绝缘材料有：石棉、泡沫塑料、膨胀珍珠岩等。他们的导热系数处于0.03～0.05W/(m·℃°)的范围内，是较好的热绝缘材料。效果更好的热绝缘材料，如抽真空至10Pa的粉末颗粒材料等。蒸发制冷技术：当液态物质吸收外界热量，使其沸腾蒸发，变成气态。它的吸热过程，就是制冷降温过程。燃烧加温过程：当物质燃烧释放热量，其过程就是燃烧加温过程。
本发明的技术方案为：每个大温差塞贝克发电器装置单元包括液态气体罐、节流阀、蒸发器、N型半导体、P型半导体、金属导体、绝热层、导线、输气管、壳体，整个单元壳体内部形成高温区、低温区、绝热区，在所述的低温区，表面蒸发器和金属导体紧密结合，同时金属导体两端分别与绝热区的N型半导体和P型半导体紧密相连，表面蒸发器给金属导体制冷降温，形成低温区；所述的高温区：是由两块分别与N型半导体和P型半导体紧密相连的金属导体和燃烧器组成的空间，该两块金属导体通过导线连接形成回路可产生电流；所述的绝热区：是由绝热材料与N型半导体和P型半导体紧密相连形成三部分绝热层；同时，绝热层将高温区和低温区严谨的隔离开，增大温差倍数。
液态气体罐内的液态物质(如液态氢H2、液态氨NH4、液态氮N2、液态甲烷CH4)通过输气管和节流阀进入低温区降压蒸发，变成气体，穿越绝热层，进入高温区，通过气体燃烧(氮气N2不燃烧)形成高温区的温度上升。以下是几种物质反应式为：
2H2+O2＝2H2O
4NH3+3O2＝2N2+6H2O
CH4+2O2＝CO2+2H2O
其中，液氮N2吸热变为气态氮N2，没有燃烧反应。
H2的熔点-259℃，沸点-252.8℃。
NH3的熔点-77.70℃，沸点-33.35℃。
CH4的熔点-182.5℃，沸点-161.5℃。
N2的熔点-210℃，沸点-196℃。
通过若干个大温差塞贝克发电器装置单元的串联可以构造出各种电压值。
通过若干个大温差塞贝克发电器装置单元的并联或改变半导体与金属导体的接触面和体积可以构造出各种电流值。
组装时，电流和电压值确定后将所需的若干个大温差塞贝克发电器装置单元封装在壳体中。蒸发器采用表面蒸发器，燃烧器采用表面燃烧器。
将本发明创造广泛应用于汽车等行业，替代内热发动机。将本发明创造广泛应用于工业、商业、民用等临时用电，替代柴油发电机。
本发明的有益效果是：使用本发明创造，在实现节能(石油的替代品)减排(实现了低碳排放，甚至零碳排放)的同时，改善地球环保。
附图说明
图1为本发明可燃气体大温差塞贝克发电器装置单元结构原理图。
图2为本发明大温差塞贝克发电器装置单元串联结构原理图。
图3为本发明大温差塞贝克发电器装置单元并联结构原理图。
图中：1.液态气体罐，2.节流阀，3.蒸发器，4.N型半导体，5.P型半导体，6.低温区金属导体，7.高温区金属导体，8.绝热层，9.导线，10.输气管，11.壳体，12.燃烧器。
具体实施方式
本发明的具体实施例如附图所示，
实施例1：如图1，大温差塞贝克发电器装置单元包括液态气体罐1、节流阀2、蒸发器3、N型半导体4、P型半导体5、低温区金属导体6、高温区金属导体7、绝热层8、导线9、输气管10、壳体11、燃烧器12，整个单元壳体11内部形成高温区、低温区、绝热区，在所述的低温区，表面蒸发器和低温区金属导体6紧密结合，同时低温区金属导体6两端分别与绝热区的N型半导体4和P型半导体5紧密相连，表面蒸发器给低温区金属导体6制冷降温，形成低温区；所述的高温区：是由两块分别与N型半导体和P型半导体紧密相连的高温区金属导体7和燃烧器组成的空间，该两块金属导体通过导线9连接形成回路可产生电流；所述的绝热区：是由绝热材料与N型半导体和P型半导体紧密相连形成三部分绝热层8；同时，绝热层将高温区和低温区严谨的隔离开，增大温差倍数。
液态气体罐内的液态物质可以为液态氢H2、液态氨NH4、液态甲烷CH4，通过输气管10和节流阀2进入低温区降压蒸发，变成气体，穿越绝热层，进入高温区，通过气体燃烧形成高温区的温度上升。
实施例2：大温差塞贝克发电器装置单元包括液态气体罐1、节流阀2、N型半导体4、P型半导体5、低温区金属导体6、高温区金属导体7、绝热层8、导线9、输气管10、壳体11，整个单元壳体11内部形成高温区、低温区、绝热区，在所述的低温区，表面蒸发器和低温区金属导体6紧密结合，同时低温区金属导体6两端分别与绝热区的N型半导体4和P型半导体5紧密相连，形成低温区；所述的高温区：是由两块分别与N型半导体和P型半导体紧密相连的高温区金属导体7和燃烧器组成的空间，该两块金属导体通过导线9连接形成回路可产生电流；所述的绝热区：是由绝热材料与N型半导体和P型半导体紧密相连形成三部分绝热层8；同时，绝热层将高温区和低温区严谨的隔离开，增大温差倍数。
液态气体罐内的液态物质可以为液态氢H2、液态氨NH4、液态甲烷CH4，通过输气管10和节流阀2进入低温区降压蒸发，变成气体，穿越绝热层，进入高温区，通过气体燃烧形成高温区的温度上升。
实施例3：大温差塞贝克发电器装置单元包括液态气体罐1、节流阀2、蒸发器3、N型半导体4、P型半导体5、低温区金属导体6、高温区金属导体7、绝热层8、导线9、输气管10、壳体11，整个单元壳体11内部形成高温区、低温区、绝热区，在所述的低温区，表面蒸发器和低温区金属导体6紧密结合，同时低温区金属导体6两端分别与绝热区的N型半导体4和P型半导体5紧密相连，表面蒸发器给低温区金属导体6制冷降温，形成低温区；所述的高温区：是由两块分别与N型半导体和P型半导体紧密相连的高温区金属导体7组成的相对高温的空间，该两块金属导体通过导线9连接形成回路可产生电流；所述的绝热区：是由绝热材料与N型半导体和P型半导体紧密相连形成三部分绝热层8；同时，绝热层将高温区和低温区严谨的隔离开，增大温差倍数。
液态气体罐内的液态物质可以为液态氢H2、液态氨NH4、液态甲烷CH4，通过输气管10和节流阀2进入低温区降压蒸发，变成气体，穿越绝热层和高温区将气体排出再利用，这里高温区的温度不是因燃烧气体而形成的高温，而是相对高温。
实施例4：大温差塞贝克发电器装置单元包括液态气体罐1、节流阀2、蒸发器3、N型半导体4、P型半导体5、低温区金属导体6、高温区金属导体7、绝热层8、导线9、输气管10、壳体11，整个单元壳体11内部形成高温区、低温区、绝热区，在所述的低温区，表面蒸发器和低温区金属导体6紧密结合，同时低温区金属导体6两端分别与绝热区的N型半导体4和P型半导体5紧密相连，表面蒸发器给低温区金属导体6制冷降温，形成低温区；所述的高温区：是由两块分别与N型半导体和P型半导体紧密相连的高温区金属导体7组成的相对高温的空间，该两块金属导体通过导线9连接形成回路可产生电流；所述的绝热区：是由绝热材料与N型半导体和P型半导体紧密相连形成三部分绝热层8；同时，绝热层将高温区和低温区严谨的隔离开，增大温差倍数。
液态气体罐内的液态物质可以为液态氮N2，通过输气管10和节流阀2进入低温区降压蒸发，变成气体，穿越绝热层和高温区将气体排出再利用，这里高温区的温度不是因燃烧气体而形成的高温，而是相对高温。
如图2，通过若干个大温差塞贝克发电器装置单元的串联可以构造出各种电压值。
如图3，通过若干个大温差塞贝克发电器装置单元的并联或改变半导体与金属导体的接触面和体积可以构造出各种电流值。
组装时，电流和电压值确定后将所需的若干个大温差塞贝克发电器装置单元封装在壳体中。液态物质可以集中储存在一个液态气体罐内，供每个大温差塞贝克发电器装置单元使用。组装后的大温差塞贝克发电器可以只设一个燃烧器。
蒸发器可采用表面蒸发器，燃烧器可采用表面燃烧器。
本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种大温差塞贝克发电器，其特征在于：本发电器包括液态气体罐（1）、节流阀（2）、N型半导体（4）、P型半导体(5)、低温区金属导体(6)、高温区金属导体(7)、绝热层(8)、导线(9)、输气管(10)、壳体（11），整个单元壳体（11）内部形成高温区、低温区、绝热区，在所述的低温区，低温区金属导体(6)两端分别与绝热区的N型半导体（4）和P型半导体（5）紧密相连；所述的高温区：有两块分别与N型半导体和P型半导体紧密相连的高温区金属导体（7），该两块金属导体通过导线（9）连接形成回路产生电流；所述的绝热区：是由绝热材料与N型半导体和P型半导体紧密相连形成三部分绝热层（8）；同时，绝热层将高温区和低温区严谨的隔离开；液态气体罐（1）通过输气管(10)和节流阀(2)进入低温区，穿越绝热层，进入高温区。
2.如权利要求1所述的一种大温差塞贝克发电器，其特征在于：在所述的低温区，设置蒸发器(3)和低温区金属导体(6)紧密结合，蒸发器给低温区金属导体(6)制冷降温；液态气体罐(1)内的液态物质为液态氮N2，通过输气管(10)和节流阀(2)进入低温区降压蒸发，变成气体，穿越绝热层和高温区排出再利用。
3.如权利要求1所述的一种大温差塞贝克发电器，其特征在于：在所述的高温区设置燃烧器(12)，液态气体罐(1)内的液态物质为液态氢H2、液态氨NH4、液态甲烷CH4的任何一种，通过输气管(10)和节流阀(2)进入低温区，穿越绝热层，进入高温区，通过气体燃烧器燃烧使得高温区的温度上升。
4.如权利要求3所述的一种大温差塞贝克发电器，其特征在于：在所述的低温区，设置蒸发器(3)和低温区金属导体(6)紧密结合，蒸发器给低温区金属导体(6)制冷降温；液态气体罐(1)内的液态物质通过输气管(10)和节流阀(2)进入低温区的蒸发器(3)降压蒸发，变成气体，穿越绝热层，进入高温区，通过气体燃烧使得高温区的温度上升。
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