温差发电+热管保持温差

热电制冷的理论基础是固体的热电效应,在无外磁场存在时,它包括五个效应,导热、焦耳热损失、热-电效应、电-热效应和汤姆逊(Thomson)效应。

温差越大,产生的电量越多。

最早用的温差发电材料为ZnSb合金(P型),用康铜片(N型)连接,其热端温度可达400。Bi2Te3-Bi2Se3固溶体(N型)和Bi2Te3-Sb2Te3固溶体在0~300范围内具有较高品质因数(),是较好的低温温差发电材料。 在300到600的中等温区,常采用PbTe或PbTe与SnTe或 PbSe的固溶体、GeTe、AgSbTe2等作温差发电材料。600以上的高温发电材料有Ge-Si合金、MnTe等。人们对稀土元素的硫化物、碳硼化合物以及In-Ga-As系已作了较多的研究。

半导体温差发电机无机械运动部分,无化学反应,因而无噪声,无磨损、无污染、寿命长、工作稳定可靠、轻便,且可利用各种能源,包括固、液、气态燃料,太阳能、核能,以及各种设备的废热、余热等

太阳能光伏发电需要有阳光和开阔的朝阳空间,风力发电需要持续的风力和安装场地。半导体温差发电不受天气、场地的制约,日益激发着人们新的绿色欲望。

它的核心部件是半导体温差电偶模块(因多用于制冷,亦称半导体致冷片,电子元器件市场大多有售)。将它的两根引出线连接到万用表的电压或电流挡,用体温传导到它的一个面,使其两面形成温差,指针就会偏转,实实在在的温差发电就展现在你的面前。但是,目前半导体温差电偶模块热电转化效率低,不到5%,这是半导体温差发电实用化的最大障碍。

温差发电装置制作

制作半导体温差发电装置的第一件事是选择温差源。供一个家庭利用的温差源十分有限,可说说也挺多。

  1. 炊事温差,烧天然气、石油液化气、煤炭、沼气等等产生高温;
  2. 空调、暖气温差;
  3. 地温温差,庭院井水、溪水与地表的温差;
  4. 太阳能温差,用太阳能热水器、太阳灶获得热量;
  5. 冬季冰雪与室内、地下的温差,等等。

但是,利用起来必须满足方便获得、经济、持续和有足够的能量的要求。实验表明,对目前通常的半导体温差发电模块每提供摄氏1度的温差可相应产生约0.03V电压,可见温差小就没有实际利用价值。

本人之所以选择蜂窝煤热水炉的进出水为温差源,是因为炉火昼夜不熄,炉灶热水与进水(自来水)的温差大,夏季摄氏60多度,冬季可达摄氏90多度,且比较稳定。同时利用自来水的压力解决了能量无耗输送的难题,只要家庭成员洗菜、洗碗、洗手、洗脸、洗澡等一用热水,就能获得理想的温差。

特别需要强调的是,半导体温差电偶模块是良好的导热体,如果两面没有高低温两种能量的输送,温差就不能维持,保温做得再好,模块两面的温度接近也是枉然。这是许多失败案例的根本原因。本发电装置用的是“过路水”,能耗视同为零,同时对热水的降温也不十分明显。

冷介质:水==============
保温层    _______________
冷端传导层 ______________
发电装置   ——————————————
热端传导层 ____________
保温层    _____________
热介质:水================

制作要点如下:

  1. 介质导管和高低温差面的制作

将两根直径30.5mm、长1000mm的铝管两端车丝,以便在使用时经活接头接入蜂窝煤热水炉的冷、热水管路,按图2剖面的形状加工后,分别和宽 60mm、厚3mm、长1000mm的铝条焊在一起,焊接要充分、厚实。铝条与半导体温差发电模块相贴的冷热端传导面要平整光滑。

再试着将要安装的半导体温差发电模块在冷热传导面间间隔排列(笔者一共用了10块),然后在铝板边缘按每个模块每边两个紧固螺栓钻好孔。用绝缘板做一个尺寸合适的槽子,用空调保温套管作保温材料,将其剪开卡套在热(水)介质导管上,再将绝缘板槽固定上即可;冷(水)介质导管则无需保温。

  1. 半导体温差发电模块的测试选用与装配

正规厂商提供的半导体温差模块一般都有性能指标,你可别让上面十几伏几十安的数值弄得眉开眼笑,那是它们致冷制热的耗电指标,发电它们可低能呢。笔者曾经测试过同一批产品的发电性能,空载电压有的3.4V有的2.7V,空载电流有的1.6A有的0.7A。只有采用对温差特别敏感的,才有可能DIY出较理想的发电装置来。具体的测试方法是:下面用一块大功率音响拆下的铝散热块什冷源(散热),上面把电熨斗拨到低温挡作热源,用万用表进行测试。注意测试一块要停顿一下,让铝散热块冷下来再测下一块,否则不准。接下来就是对模块厚度一致性的把握,把稍薄和稍厚的拿下不用,不然整个组件都没法装紧。这些工作完后就可以进行温差发电模块组件的装配了,均匀地在模块双面薄薄涂上导热硅脂,逐片拧上四个紧固螺栓,模块被卡紧不能移动就算装好。

  1. 发电模块组件的连接。

将温差发电装置接入冷、热水管路,机械装配完成。接着就是对发电模块单体发电工作状态的检测,看看有没有电压电流明显偏低的。如果有多半是没有被紧固螺栓卡紧,需要采取措施解决,否则在并联中将成为负载,在串联中成为电流“瓶颈”。半导体温差发电模块正反向电阻很低。

且差别不太大,摄氏10度温差时仅几欧至十几欧,这时它难与负载匹配,发电效率极低,但随着温差的加大迅速上升至干欧级。由于安装面向的关系,红黑引线并不代表实际的正负,检测单体发电工作状态的同时也弄清了正负极。

可以根据负载的情况进行并联、串联的连接。半导体发电模块组件的总功率并不等于单体功率的简单相加,会远小于它,尤其是并联状态。笔者将10块单体发电模块全部串联。

小流量使用热水,开路电压为13.93V,开路电流345mA(时为夏季,冬季自来水温度将下降摄氏20~25 度,温差增加摄氏15~20度,功率要比夏季大得多):热水停用,开路电压为6.23V,开路电流7mA。

  1. 控制电路的制作。

该发电装置在夏季便可以直接带动9V的直流小风扇或50粒的LED灯,但只能与热水同步。如要扩大供电范围灵活用电,需要配置控制电路和蓄电池。笔者使用的控制电路是依据《电子报》上一款充电控制器原理图制作的,因尊重设计者的劳动在此就不依样画葫芦。

笔者另制作了一个简易实用的控制电路,见下图。

温差发电控制电路

由三端可编程集成电路TLA31和三极管C2500组成稳压充电控制电路。该电路适应输入电压的大范围变动,输出电压可调且稳定精度较高。其中R2、R3为TL431参考电压Vref的调整电阻,改变它们的阻值便可调整输出电压的高低,笔者在调试时取R2=16.81kΩ、 R3=12.05kΩ,输出电压稳定在7V,并承受输入电压从9V到20V(甚至更高,未测)的大幅变化。三极管要求耐压30V、电流大于0.5A、 hFE120以上的。

D1是隔离二极管,接人电路有0.5V左右的压降,设定输出电压值时应当考虑进去。该电路给6V铅酸蓄电池充电效率较高,接近充满即转入涓流充电,直至电流为零,不会发生过充现象。若将输出电压调在4.2V,可快速地给3.6V的手机电池充电。蓄电池的过放保护由逆变器承担(欠压报警),此不赘述。

热管+温差发电装置的制作

这是一个简易热管温差发电原理图。其利用热管的高效导热特性保持温差发电半导体两面的温差而达到很高的发电效果。此装置没有任何滑动装置。只是一个固态组件或模块。这比起“氦气永动机”简单和实用。

温差原理

发电效率与温差发电半导体的两面温差有关 ,允许条件下,温差越大,发电量越大。而要在薄薄的3mm-6mm 的厚度上保持如此大的温差,没有高效的导热和散热装置是办不到的。而且必须是无能耗散热装置才能保证热电转换装置的高效益。

一种 高效环路热管 扮演了这个角色。大大提高了温差发电片的发电效益。它能在常温下保持热发电片的温差不低于100摄氏度甚至更高(指不用任何外加动力,仅利用 自然风冷 就能够将热电转换半导体的冷端温度降低至环境温度左右,不高于环境温度15摄氏度)。

简易温差发电机

这个装置,只要加热下方的铝制散热片,电就自然产生。

此前,“热电转换半导体”无法获得高效率和走向实用化,主要是无法实现 无源高效散热 。因此,得不偿失。现在利用新型 高效低温环路热管 解决了高效散热难题。只要利用常温水或空气进行自然对流冷却就能保持冷端温度接近室温或自然环境温度。这样就大大提高了其热电转换效率。 甚至可达到利用自然界或局部环境的温差就能发电的地步。这样,一种在自然界中大量蕴藏着的能量:温差能量 ,就可能被我们利用,并成为一种取之不尽,用之不绝,清洁环保的新能源。

因为,其利用了热这种 几乎是最广泛的转换“中介”能量。(至少是最广泛的转换“中介”能量之一。)热可以从各种能量形态转换过来,又能向各种能量形态转换过去,具有广泛的多向,多形态,多渠道,多层次,快速循环转换的特性。因此,也就具有可以永续循环利用的特点。半导体温差发电器件为这种温差能量的利用奠定了最重要的基础,而低温高效热传导器件使热电转换装置真正走向了实用化。目前,各种简易高效的固态热电转换装置正在开发,投产之中。

当半导体器件的两面发生温差时,其两输出端就会产生正负电势。当将电路接通后,由于电流的运动,使得热迅速地从热端向冷端转移。如果,不能迅速地有效地将转移过来的热输送出去,并导入其他空间或物质体,温差发电半导体的两面的温差就会消失,从而电势也就消失了。 因此,温差发电装置是否能发电或高效发电,不仅仅取决于温差发电半导体的热电转换效率,还 取决于与其配合的散热或导热装置。 可以说没有高效的,大功率,大密度的导热装置,特别是没有这方面的无源导热装置,就不可能使温差半导体真正走向实用化。目前,我们研制出的这种在很低温度上也能高效导热环路热管装置能实现热的无源长距离高速传导和向外界转换。从而保证了温差发电半导体两界面的高温差状态。从而保证了高效的热电转换状态。

这个装置全固态模块,无任何机械运动部件。能量转换过程直接而简便。除了热与电的能量运动外,没有其他的更多的能量转换机制的参与。(至少是没有明显的参与作用。)散热过程也是利用热势差来完成的。所不同的是,其只须很小的热势差就能达到高效热传导。(具体数据将在适当的时候加以公布。)

照片是在加热并撤离热源后,其利用铝片上的储热持续发电的情形。

最少其具有全天候特性。并且可以广泛地应用到工业余热发电,特别是低温余废热发电方面。目前,汽车尾气废热发电装置已经接近开发完成。 另外,在太阳能电池板上安装这种高效导热装置,也能大大地改善和提高光电池板的工作条件和发电效率。

当然,室内的温差很小,发电量也就很小。一般温差超过十摄氏度,发电量就可达到可利用水平。30摄氏度,就可观了。50度,就相当可观。100度左右就可算是高效了。

这种半导体器件当接入电源时就会产生冷和热。即根据电流方向将一端的热向另一端转移,从而使一端的热减少,另一端的热增加。现在小型的冷热饮水机大都采用这种半导体器件制冷加热。小型汽车冰箱也用它。如果将这种半导体器件的两端分别加热或冷却,那么,从原来加点的两端就会产生电流。变成温差发电器件。所以发电片,只是将这种半导体器件制作得更适合于发电而已。现在,这种温差发电片价格已经相当的大众化。而且并不难买到。

低温热管温差发电体系的发展前景

1,高效的热电转换装置。

目前,除了水电、风电和核电外,热电是人类最普遍使用的电能发生装置。目前的热电厂,从燃烧产热到产电必须经过 热向蒸汽,蒸汽向蒸汽动力装置,动力装置向发电机 等多次的能量转换过程。 另外还存在着大量的机械运动装置和大量的低温余热排放。这些都造成了热电转换过程的巨大损耗。 如果采用热管温差发电体系,我们就可以直接利用燃烧所产生的热直接转换为电能,省去了多层次的能量转换过程,省去了大量的机械设备和维修工作。获得更高的热电效益。而且,许多以前难以利用的低温热源也能被充分地利用起来。

家用热管发电

这样就能弥补太阳能光电系统的不足,大大地提高节能环保能源的推广价值。 这个装置中燃烧器使用无明火的远红外燃烧加热机制,将燃烧产生的热能更好地导向储热块。储热块能较好地保持发电温差的稳定性。并能在熄火后保持持续发电一个相应的时间。 保持温差的热管装置将发电片转移来的热量通过环路管路传导致户外的大面积的自然对流散热装置。这个装置,点火只要一分钟左右就能产生足够的电量。燃烧温度由控制器调节。直接控制燃气的输入量。(如燃气热水装置) 这个装置在山区,海岛,荒原都可以安装。 在乡村地区,如果将燃烧器改改还可以使用柴草牛粪等低热值得燃料获得电能。北方的冬季,利用低温环境还能获得更高的发电效果,更加节省燃料。

在晚上或阴雨天时太阳能电池板不能发电,但外界温度低,容易形成更大温差,获得更高的热电效益时段进行温差发电,这就大大地弥补了太阳能电池板发电量不足的问题。

温差发电半导体进入市场已经有一段时间了。其之所以还不能广泛推广,并不是其发电效率低,而是无法解决无源高效散热的问题。比如一块40×40×3.5mm温差发电片温差60摄氏度就能发出3.5V * 3-5A的电量,即10-15W的电量。这比光电池高得多。 但,如何保持3.5mm距离上的温差达到60摄氏度并不是简单的事情。如果用强制风冷和水冷就要耗电或其他动力这就大大降低了发电的总效率。所以,如果没有高效的无源导热器件60摄氏度和15W就仅仅是一个理想的理论数据。 就像制冷片无法实现大功率一样,都被卡在了导热器件上了。当功率达到一定的程度,就是5mm厚的铝板也会出现很高的热阻,从而使半导体发电片热面的温度急剧上升,使两边的温差缩小,甚至烧毁。

所以,温差半导体的真正走向实用,离不开高性能的导热装置。而现在高效大功率导热环路热管体系的研制成功,为温差发电真正走向了实用铺平了道路。现在,实验装置在常温空气自然对流散热的状态下,就能保持发电半导体两端温差在120摄氏度左右。这就保证了温差发电的高效率。

一个乡村普通家庭,只要有200瓦/时的电量就很够用了。这样,如果40×40mm的发电片有60摄氏度的温差,只需要20片左右的半导体发电片就够了。如果有100摄氏度的温差,12片左右也就够了。 热管散热装置也不过三平方米左右。(管长30-40米左右)。这样的装置发电用的煤气并不比炖一锅汤来得更多。目前实验装置,用一盏小酒精灯加热,一块30×30的发电片就能发出10瓦左右的电量。

温差是地球上,甚至是宇宙间最大的循环能量之一。利用温差能,特别是全固体模块化温差发电装置的实用化进展将使温差能的利用从实验室走向市场,走向生产一线,走向千千万万的家庭。 也许将来不会再建火电站,不用再拦河筑坝,建破环环境与生态的大型水电站,不用建高风险的“清洁”能源–核电站。大面积断电不再成为未来社会担忧的灾难。电网将成为亿万个小型或微型温差发电装置的集合体系。人类能源利用将进入一种更接近于永续的宇宙能量大循环的环节中。

这将不是梦!

2,环境温差,山地温差,极地温差,海洋温差,地热温差,沙漠温差固态发电装置

因为,高导热器件能保证低温差的长距离弱损耗传导和高速散热,以及半导体温差发电的低温差发电特性,这就使得以前很难利用的,或者需要使用热泵等高耗能和复杂机械设备才能勉强利用的20-30度或更低的温差能被更高效地利用起来。 这就为人类最主要最重要最广泛利用的电能开启了巨大的资源库。20度左右的温差能是最大量存在的温差能。如:城市中一座几十米的高呈建筑在垂直面上就可以产生大量的20摄氏度的温差能量。如果在阳光下或在太阳下山后的数小时内,温差甚至可以达到30-40度,甚至更高。这比光电能量大得多。

这样的发电装置与照片上的那个“玩艺儿”并无太大区别,只是可能个头更大,形状各异,控制系统更严密更完备而已。

低温差发电必须用多块发电片进行组合。这需要由相关的生产厂家设计生产。现在我们的实验装置能在室温情况下形成体温与室温温差发电。但,短路电流只有10mm左右。

这样的温差发电装置做成儿童玩具,并不难,但需要用磨擦发热充电或烤火发热充电的办法。也可以用冰镇发电。只要厂家将发电片做小,集合成电压输出型便可。

高层温差

不久,我们的利用工厂烟气余热的固态低压温差发电装置将投入试运行。温差约100摄氏度,电压12V,设计发电量为3000瓦左右。( 此设计为积木式,可逐步组合增加。)

如,某型发电半导体器件的标准是:温差60度,则可发出电压3.5V电流3A–5A。 即在60摄氏度温差下,可以发出10.5–17.5W 直流电。(高温面不能超过180摄氏度)。 在同温差下,决定发电量的还有温差半导体的使用面积及其在不同温度段上的热/电转换效率。 如,有充足的100摄氏度热源,用35摄氏度的空气进行冷却,保证发电件两面温差60摄氏度,用100片上述规格的发电片,就可以得到1050W–1750W的支流电功率。

这里的关键是保持温差。现行的保持温差的手段有强制风冷、水冷、油冷等,这都要消耗能量。这就使得发出的电的大部分被用于冷却发电半导体本身以维持持续发电,但这样发出的电能还不够维持冷却的需要,甚至得不偿失。 最好的状况是有自然水流的地方,但这也需要大量的冷却水。所以,温差发电在现有冷却手段上受到极大的限制。所以,要使温差发电半导体真正获得上述的发电量并不是一件简单的事情。

解决的温差发电的根本途径就是必须同时掌握高效的热传导器件和机制。能够将热最迅速最高效地传导至尽可能大的散热面积上,从而保证发电半导体两端尽可能大的温差值。 对于低热值的环境温差利用还需要将大面积的低值热通过高效的热传导器件和体系输送到发热片上。 而且,所有这些都必须是无功耗,或无源(即不附加任何能量消耗)的热传导才能保证温差发电的高效率。特别是环境温差发电的高效率和实用化价值。

首先,你应该看到,温差必须建立在3mm的厚度上。如果是10度20度,这还比较好解决,就像你所说,用自然对流就能解决。如果是100摄氏度就不容易解决了。水和又的自然对流导热速度比起温差半导体的热电/电热转换速度慢得多,可以说是不能同日而语。 所以,即使是用流动的水,3mm厚度的两面想保持高温差也是很困难的。这就像将电热管浸入冷水中,其表面也无法与水温相同是同一道理。而且,低温差对流,在液体中传导速度更慢。 另外,如果用水和油进行冷却,就像现在所有的这类冷却体系一样,必然需要循环散热机制,要不然水温或油温就会逐步上升。 你在市面上买一块电制冷片,用手拈着其两面然后加点,只要几秒钟,热端就会达到烫手的程度,可见其发热密度之大。

家庭小实验

温差发电之所以被质疑是许多人将其看成是“永动机”

数年前,许多人还在对温差发电半导体的论证大加讨伐,没想到今天温差发电却已经变成了事实。而且形成了像利用水的落差能一样利用温差能的活生生的事实。自然界中温差循环渠道之广,循环速度之快无疑形成了温差发电的令人不可置信的能量获取效益。其简单到几乎不能再简单。只比燃烧复杂了那么一点点。它令人真正感受到了“取之不尽,用之不绝”的震撼。

3,汽车尾气热电转换装置。

目前,内燃机将燃烧所产生的能量百分之50以上转换为热并排除到大气环境中。汽车发动机的尾气温度高达350摄氏度以上,大马力发动机的温度更高。另外,车在行使时能造成很强的气流,这样就能提供很好的温差条件,十分有利于固态热电装置的使用。根据目前实验数据估计,用发动机尾气发电,完全可以提供汽车,包括冷气(改为电制冷系统)的供电要求。这就能减少发动机的负荷,增加行驶动力。甚至可以将多余的电储存到蓄电池中,供其它用途。这个装置已经完成了基本的技术原理设计。目前,正在制作实用构件,并安装到汽车上进行实际应用测试。

4,极地发电装置

目前,我们开发的超低温非相变热管已经通过了实用检验。这就为极地温差发电提供了必要的条件。 极地环境温度低,自然形成了很大的温差,所以能更高效地提供更大的发电量。有条件的地方还可以利用海水和气温的温差作为辅助发电能量,这样就更加节省用于发电的燃料了。而且,燃料可以改为污染低的天然气。 希望在不久的将来,长城站和中山站能在世界上首先使用这种高效环保的温差发电装置。

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这是我们前年试验的一种,农村用电是不多,所以交电费也很少,加上其它辅助设备会很贵,可能不会有很多人来购买的. “一个乡村普通家庭,只要有200瓦/时的电量就很够用了。这样,如果40*40mm的发电片有60摄氏度的温差,只需要20片左右的半导体发电片就够了。如果有100摄氏度的温差,12片左右也就够了。” 12片就得1000块,加上逆变等辅助设备谁会花二千多买这个东西?何况100度的温差还不容易解决. 精神值得敬佩!相信会在不远的将来取得成功!

发电片的价格是可以通过增加产量或改进生产技术来解决的。即便是现在的价格也会比太阳能发电或者其他发电模式便宜的多,而且具有长期节能以及多种环保和可持续利用功效。逆变机制也可以通过将照明与电器分别供电而得到解决。即使用低压节能半导体光源。将来还可以将电器改为直流低压供电体系等来解决。就是利用现有的逆变电设备,在规模化生产的情况下,价格也不会太贵的。目前,我们选用的300瓦左右的逆变电器,价格就在可以接受的范围。

你的实验,基本上是实验室的发电状态。只要那盆水开了,发电量就大幅度降低。目前,我们的装置是利用常温空气自然对流保持温差的,烧多少个小时,温差都能保持在120摄氏度左右。(常温空气为30-32摄氏度)

温差发电体系的最大特点是:

  1. 利用环境温度作为散热基底温度。也就是说,无论用什么热源加热,此温差发电装置都必须保证,发电片的低温面不高于环境温度20-30度,也就是说必须以自然对流的模式保证发电片的两面温差不小于100-120摄氏度。
  2. 在利用环境温差时,可以尽可能大地保持温差值。比如,白天阳光下的沙漠地表温度可能高于100摄氏度,但沙漠上方流动的空气只有40-50摄氏度;傍晚,沙子的散热比空气慢,沙与空气间就存在一个加大的温差,在太阳下山后的一段时间内应该不小于50摄氏度;我们的装置可以轻易地在长距离(不低于20米),大面积(相对无限)散热装置上保持80%以上的温差值。 也就是说如果在二十米距离内有50摄氏度的温差,我们的装置可以保证40摄氏度的温差值。
  3. 如果像太阳能发电那样利用太阳热能发电,其装置并不比太阳能电池板大多少。特别是在海边,山区或其他存在自然空气流动,即有风的地方,这样的设备会更小。

自然温差利用,只是温差发电的一个完全不需燃料的能源利用模式,并不是温差利用的全部。这里提到这一电只是说明,我们的导热装置可以使温差发电进入到这样的更加高难和广阔的程度。