CN102364867A - 一种利用废热进行发电的装置及利用该装置进行发电的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用废热进行发电的装置,包括热流体管(8),其特征在于:所述热流体管(8)一端连接有发电与换热模块(1),所述发电与换热模块(1)包括1对、2对或3对冷集热块(10)和热集热块(11),所述冷集热块(10)与热集热块(11)间隔排列设置。本发明还涉及一种利用本发明提供的装置进行发电的方法。本发明较好的解决了工业低品位废热由于温度较低造成的利用率低的现象,相比常规汽轮机发电,具有体积小巧,投入成本小,能收集分散废热源,对废热要求低等优势,本发明能够适用于大部分废热回收场合,利用热电转换技术,将热能提升为电能,将为工业节能减排提供一个有效途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用废热进行发电的装置及方法,具体地,涉及一种利用废热进行发电的装置及利用该装置进行发电的方法。
背景技术
随着社会的进步,人类对一次能源的消耗会越来越多,目前,我国工业能源利用效率平均在30%~35%,工业能耗中有50%的热量通过余热介质排放到空气、水体中,既造成环境污染,又浪费大量能源,这迫使人们除了从数量上寻求更多的一次能源之外,还要尽可能充分利用现存的一次能源,因此,如何合理利用工业废热是节能研究的一项重要课题。
废热利用通常有两种方式:热利用和动力利用。利用方式的选择遵循废热利用的总原则:根据废热资源的数量、品质和用户需求,按照能级相匹配的原则,按质回收、温度对口、梯级利用。目前,热泵技术是温度较低、能量品位不高的废热热利用的主要方式,采用热泵-循环水利用方式,回收电厂凝汽器循环水带走的热量,进行区域供热,这种方式不但可以减少电厂的热污染,而且还能提高机组的发电能力。但是,废热热利用未能实现能量品位的提升,能量依然以热能的形式被消耗,存在二次浪费。废热动力利用能够将废热转化为更高品位的能量-电能,可以实现方便的利用、传输和分配。因此,废热动力利用具有更加广泛的应用前景。
采用中低温度(即100~200℃)废热发电,就是减少一次能源消耗的一条有效可 行的途径。中低温废热发电技术,是利用某些生产工艺过程中放散的废气所携带的热能,使之高效地转变为人们所需求的电能。排放中低温废热的工艺过程,在生产实际中是大量存在的,诸如建材、冶金、化工等行业。
目前,有机朗肯循环发电技术在废热的动力利用方面发挥着主要的作用,该技术是以低沸点的有机物作为工质,吸收废热源的热量,产生有机物蒸汽,进入汽轮机膨胀做功。然而,有机朗肯循环过程中,往往存在设备体积庞大、动设备噪声大、有机工质适应温度范围窄、对环境有害等缺点。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的在于提供一种利用废热进行发电的装置,所述装置实现了工业废热向电能的直接转化,并可保持温差发电模块两端具有稳定且足够大的温度差,同时针对各种使用需求进行结构设计,以实现输出功率的最优化和最佳的性价比。所述装置结构简单,容易实施,投资小,操作方便,并适合长期运转。同时,本发明还提供一种利用所述装置进行发电的方法。
为达到上述目的,本发明采取如下技术方案:
一种利用废热进行发电的装置,包括热流体管,其特征在于:所述热流体管一端连接有发电与换热模块,所述发电与换热模块包括1对、2对或3对冷集热块和热集热块,所述冷集热块与热集热块间隔排列设置。
根据本发明所提供的一种利用废热进行发电的装置,采用的是,所述发电与换热模块与热流体管连接端的相对侧连接有冷~流体管,所述发电与换热模块一端连接有数据采集***,所述冷流体管的内径为12mm~18mm。
根据本发明所提供的一种利用废热进行发电的装置,采用的是,所述发电与换热 模块通过冷流体管依次与空冷装置、循环水箱、循环泵、流量阀和流量计形成串联回路连接。
根据本发明所提供的一种利用废热进行发电的装置,采用的是,所述热集热块与冷集热块由黄铜或其他导热性能良好且易于加工的材料制成,尺寸为长:150mm~250mm,宽:75mm~125mm,高:16mm~22mm。
根据本发明所提供的一种利用废热进行发电的装置,采用的是,所述热流体管内接于热集热块,所述冷流体管内接于冷集热块。
根据本发明所提供的一种利用废热进行发电的装置,采用的是,所述每一对冷集热块和热集热块长边的表面均设置有绝缘层,所述绝缘层之间设置有半导体热电对,所述绝缘层由Al2O3陶瓷薄片或其他绝缘性能良好但绝热性能不好的材料制成。
根据本发明所提供的一种利用废热进行发电的装置,采用的是,所述半导体热电对是通过导电电极将空穴型半导体和电子型半导体交替串联形成,所述空穴型半导体体材料为Bi0.5Sb1.5Te3和电子型半导体材料为Bi2Se0.3Te1.7,所述半导体热电对为长:1mm~2mm、宽:1mm~2mm、高:2mm~4mm的柱状体。
根据本发明所提供的一种利用废热进行发电的装置,采用的是,所述半导体热电对的两个端部均连接有负载。
同时,本发明还提供一种利用所述装置进行发电的方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)、将废热由热流体管输入热集热块,将冷液由冷流体管输入冷集热块,利用热集热块与冷集热块之间的温差,进行换热;
2)、所述发电与换热模块利用步骤1)中产生的温差产生电势输出,进行发电。
本发明提供的一种利用废热进行发电的装置及利用该装置进行发电的方法的有益效果在于:
(1)绿色环保:利用半导体热电材料自身物理性质实现热-电的直接转换,不产生环境污染与噪声;
(2)稳定性高:整套装置无动部件,结构简单,易于维护,使用寿命长;
(3)形式灵活:该发电装置形式多样,可适用于不同使用需求,利于不同温度区间、流量热源的回收及实现多领域的广泛应用。
附图说明
图1为本发明提供的一种利用废热进行发电的装置的结构示意图。
图2为发电与换热模块结构示意图。
图3为发电与换热模块结构示意图。
图4a为冷流体管和热流体管管壁温度实际测试位置示意图,图中,1、2、3、4、5和A、B、C分别表示冷集热块和热集热块温度实际测试位置。
图4b为冷流体管和热流体管管壁温度分布示意图。
图5为冷集热块和热集热块壁面温度示意图。
图6a为发电与换热模块包括1对、2对或3对冷集热块和热集热块时的电压测试结果示意图。
图6b为发电与换热模块包括1对、2对或3对冷集热块和热集热块时的电流测试结果示意图。
图6c为发电与换热模块包括1对、2对或3对冷集热块和热集热块时的功率测试结果示意图。
图中,1、发电与换热模块2、循环水箱3、流量计4、流量阀5、循环泵6、空冷装置7、数据采集***8、热流体管9、冷流体管10、冷集热块11、热集热块12、半导体热电对13、导电电极14、绝缘层15、负载。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的一种利用废热进行发电的装置及利用该装置进行发电的方法作进一步的解释说明,但并不限制本发明的保护范围。
所述一种利用废热进行发电的装置的连接关系如下:
热流体管8一端连接有发电与换热模块1,所述发电与换热模块1与热流体管)连接端的相对侧连接有冷流体管9,所述发电与换热模块1一端连接有数据采集***7,发电与换热模块1通过冷流体管9依次与空冷装置6、循环水箱2、循环泵5、流量阀4和流量计3形成串联回路连接。
其中,所述空冷装置6作用在于保证冷流体温度不致过高;所述数据采集***7的作用在于实时监测冷、热流体温度、流速以及功率输出情况。
所述发电与换热模块1包括1对、2对或3对冷集热块10和热集热块11,所述冷集热块10与热集热块11间隔排列设置,所述热流体管8内接于热集热块11,所述冷流体管9内接于冷集热块10,从而分别采集冷流体管9和热流体管8内流体的热量,并使其均匀分布于冷集热块10与热集热块11表面,所述每一对冷集热块10和热集热块11长边的表面均设置有绝缘层14,所述绝缘层14之间设置有半导体热电对12,所述半导体热电对12是通过导电电极13将空穴型半导体和电子型半导体交替串联形成,所述半导体热电对12的两个端部均连接有负载15,从而充分利用单位面积上的温度差,其中,并非所有热电对端部都连接负载,而是先将半导体热电对12串联,然后在 首尾的两个端部的半导体热电对12上面连接负载15,通过负载15实现功率的最优化输出,其中,所述冷集热块10和热集热块11应选用高热导率材料。
其中,一对发电与换热模块1包括一块冷集热块10、一块热集热块11以及冷集热块10与热集热块11之间交替串联而成的64对空穴型半导体和电子型半导体。
下面结合附图,给出利用本发明提供的装置进行发电的方法的实施例。
如图3所示,利用3根直径15mm的电加热棒代替工业废热源,***换热与发电模块1中,电加热棒产生的热量通过热流体管8,黄铜或其他导热性能良好且易于加工的材料制成的热集热块11向冷端传递,尺寸为长:150mm~250mm,宽:75mm~125mm,高:16mm~22mm,冷液采用汽车发动机冷却液,其中,所述冷却液温度为常温,但沸点高于水,换热后不易变为气态,将所述汽车发动机冷却液通过5根内径15mm的冷流体管9进入另一相同尺寸的冷集热块10吸收热量,形成冷集热块10和热集热块11的两个相邻端面之间的温差。
其中,用于制备冷集热块10和热集热块11的其他导热性能良好且易于加工的材料还可以为银、铝、铁等。
本实施例中采用的半导体材料为:Bi0.5Sb1.5Te3(空穴型)和Bi2Se0.3Te1.7(电子型),通过热压烧结制成长:1mm~2mm、宽:1mm~2mm、高:2mm~4mm的柱状体材料,利用导电电极13将空穴型、电子型半导体材料交替串联,上下表面由绝缘层14(即Al2O3陶瓷薄片或其他绝缘性能良好但绝热性能不好的材料)封装制成半导体热电对12,此处,单个半导体热电对12可由64对空穴型、电子型半导体柱构成。半导体热电对12置于冷集热块10和热集热块11之间,并保证充分接触。
其中,用于制备所述绝缘层14的其他绝缘性能良好但绝热性能不好的材料还可以 为云母、金刚石、AlN(氮化铝)或者导热硅脂。
本发明提供的一种利用所述装置进行发电的方法的工作原理为:
塞贝克效应(Seebeck effect),产生塞贝克效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。例如p型(即空穴型)半导体,由于其热端空穴的浓度较高,则空穴便从高温端向低温端扩散;在开路情况下,就在p型半导体的两端形成空间电荷(热端有负电荷,冷端有正电荷),同时在半导体内部出现电场;当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时,即达到稳定状态,在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。由此进行电势输出,进行发电。
其中,p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端(塞贝克系数为负),相反,n型(即电子型)半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端(塞贝克系数为正),因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。可见,在有温度差的半导体中,即存在电场,因此这时半导体的能带是倾斜的,并且其中的Fermi能级也是倾斜的;两端Fermi能级的差就等于温差电动势。
如图4所示,有数据采集***7采集实验数据显示当热流体输入温度在150℃,冷流体输入温度在40℃时,在极短的距离(5cm)上,实现热流体换热后温度下降30℃。通过加长换热距离,可以进一步提高换热效率。在换热的同时,图3所述的冷集热块10和热集热块11的两个相邻端面之间温差实测如图5所示,温差在60℃左右,为热电转换提供了很好的冷热源。
图6所示为分别串联接入128对,256对,384对空穴型、电子型半导体,即1对、2对或3对发电与换热模块1时的输出电压、电流与功率。其功率分别达到0.05W、0.15W、0.35W,且输出情况稳定。由此可见,通过多级热电对的串并联,可实现不同 要求的电能稳定输出。
本发明较好的解决了工业低品位废热由于温度较低造成的利用率低的现象,相比常规汽轮机发电,具有体积小巧,投入成本小,能收集分散废热源,对废热品位要求低等优势。本发明能够适用于绝大部分废热回收场合,利用热电转换技术,将热能提升为高品位电能,将为工业节能减排提供一个非常有效地途径,经济效益显著。
在本发明题记的所有文献都在本申请中引用作为参考,就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解,在阅读了本发明的上述讲授内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种利用废热进行发电的装置,包括热流体管(8),其特征在于:所述热流体管(8)一端连接有发电与换热模块(1),所述发电与换热模块(1)包括1对、2对或3对冷集热块(10)和热集热块(11),所述冷集热块(10)与热集热块(11)间隔排列设置。
2.根据权利要求1所述的一种利用废热进行发电的装置,其特征在于:所述发电与换热模块(1)与热流体管(8)连接端的相对侧连接有冷流体管(9),所述发电与换热模块(1)一端连接有数据采集***(7),所述热流体管(8)和冷流体管(9)的内径为12mm~18mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用废热进行发电的装置,其特征在于:所述发电与换热模块(1)通过冷流体管(9)依次与空冷装置(6)、循环水箱(2)、循环泵(5)、流量阀(4)和流量计(3)形成串联回路连接。
4.根据权利要求1所述的一种利用废热进行发电的装置,其特征在于:所述热集热块(11)与冷集热块(10)由黄铜或其他导热性能良好且易于加工的材料制成,尺寸为长:150mm~250mm,宽:75mm~125mm,高:16mm~22mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种利用废热进行发电的装置,其特征在于:所述热流体管(8)内接于热集热块(11),所述冷流体管(9)内接于冷集热块(10)。
6.根据权利要求3所述的一种利用废热进行发电的装置,其特征在于:所述每一对冷集热块(10)和热集热块(11)长边的表面均设置有绝缘层(14),所述绝缘层(14)之间设置有半导体热电对(12),所述绝缘层(14)由Al2O3陶瓷薄片或其他绝缘性能良好但绝热性能不好的材料制成。
7.根据权利要求6所述的一种利用废热进行发电的装置,其特征在于:所述半导体热电对(12)是通过导电电极(13)将空穴型半导体和电子型半导体交替串联形成,所述空穴型半导体体材料为Bi0.5Sb1.5Te3和电子型半导体材料为Bi2Se0.3Te1.7,所述半导体热电对(12)为长:1mm~2mm、宽:1mm~2mm、高:2mm~4mm的柱状体。
8.根据权利要求6所述的一种利用废热进行发电的装置,其特征在于:所述半导体热电对(12)的两个端部均连接有负载(15)。
9.一种用权利要求1所述的一种利用废热进行发电的装置进行发电的方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)、将废热由热流体管(8)输入热集热块(11),将冷却液由冷流体管(9)输入冷集热块(10),利用热集热块(11)与冷集热块(10)之间的温差,进行换热;
2)、所述发电与换热模块(1)利用步骤1)中产生的温差产生电势输出,进行发电。
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