溫差發電原理與溫差發電裝置的設計研究

紅 蘭

(呼倫貝爾學院 內蒙古 海拉爾 021008)

1 引言

面對日趨嚴重的能源短缺與環境惡化問題,新型能量的開發利用已受到各國政府和工業界的高度重視。在這種背景下,清潔無污染、零排放的純能源開發成為當今最有研究意義的項目之一。

今天,人們所用電能的80%以上是由礦物燃料提供的,可是礦物能源是有限的。據1987年第二屆太平洋煤炭會議的研究資料介紹,按目前的開采速度,全球可開采利用的石油只能夠開采34年,天然氣只能夠開采60年,而煤炭只能夠維持200年的開采使用。而且礦物燃料燃燒釋放出大量有害氣體和二氧化碳,不僅對生態環境帶來不利影響,同時破壞了臭氧層,是產生溫室效應的直接原因。因此,在1992年6月召開的聯合國環境與發展大會上,世界各國都認識到目前及今后的社會發展應遵循既滿足當代人的需求,又不損害后代人的發展利益的可持續發展戰略原則。在能源的發展上,就是要在開發利用常規能源的同時,更加注重開發利用對生態環境有利的新型能源,如風能、太陽能、潮汐能、水利能、溫差能等。目前國內外對溫差能的研究很多，并取得了一定的研究成果，例如，海洋溫差能發電、太陽能溫差發電、半導體溫差發電等。基于全球性能源危機的情況，可再生能源的利用成為迫切需求。

溫差發電是一種綠色環保的發電方式。它是基于熱電材料賽貝克效應的一種發電技術。處于高溫端的熱電材料空穴(電子)濃度高于低溫端，在濃度梯度的作用下，空穴和電子向低溫端擴散，從而形成電流。熱電材料通過這種方式直接將熱能轉換成電能。因此溫差發電片工作時無運動部件，無噪聲，無污染物排放，使用壽命長等特點。

涂布機的應用領域非常廣泛，從最開始的包裝、印刷領域擴展到電子工業，醫用材料等領域。尤其是近年來鋰離子電池、太陽能電池背板等新興產業的快速發展，促使涂布技術應用的增加。涂布工藝生產中，烘箱的加熱溫度在60℃～145℃范圍，并對涂布漿料進行梯度溫度干燥。通過循環熱風將熱量由排風管排出室外。大量熱量的排出，造成能源的極大浪費，浪費的熱能有很大的利用價值。本文利用溫差發電原理設計了一種涂布機排風管廢熱溫差發電裝置。

2 理論模型

2.1 需要解決技術問題

本文要解決的技術問題在于針對上述現有技術的不足，提供一種涂布機排風管廢熱溫差發電裝置，該發電裝置結構簡單，安裝方便，可充分利用涂布機排風管排出的熱能，促進能源的二次利用，提高經濟效益。

本文采用以下技術方案：采用繞排風管周側依次設置的集熱層、溫差發電層和散熱層，集熱層為鋁合金材質的波紋筒，波紋筒的外壁均勻分布多個截面為梯形的波紋凸條，相鄰兩個波紋凸條之間形成凹槽；溫差發電層包括設置在波紋凸條上的第一發電片和設置在所述凹槽處的第二發電片，第一發電片和第二發電片的外側面組合形成溫差發電層的外側面，溫差發電層的外側面呈圓筒狀與所述散熱層相貼合，集熱層上的凹槽開設方向與排風管的軸向方向一致，第一發電片的厚度小于第二發電片，第一發電片和第二發電片均為溫差發電片，第一發電片和第二發電片的熱端面與集熱層固定貼合，并與第二發電片的冷端面與散熱層固定貼合，第一發電片和第二發電片與穩壓器連接，穩壓器連接至蓄電池或外部用電裝置。

本模型采用導熱性能優異的鋁合金制作集熱層，避免從排風管中排出的熱量過分流失，提高能量轉化效率，在集熱層上設置梯形波紋能增大與熱氣流的接觸面積，盡可能地使溫差發電層的熱端面的溫度升高。同時多個第一發電片和第二發電片的電機輸出端之間通過導線串聯或并聯連接，并聯或串聯連接后的聚合導線與穩壓器的輸入端連接，當需要電壓穩定的電時可使用并聯連接，當需要大電流時可使用串聯連接。

散熱層包括一體成型的鋁合金材質的散熱基板和散熱齒，散熱基板固定在溫差發電層上，多個散熱齒均布垂直設置在散熱基板上，散熱齒為呈n型的扁管，散熱齒的截面輪廓呈波浪型，采用一體成型的制作工藝能達到最佳的散熱效果，由溫差發電片的工作原理可知溫差發電片兩側的溫差越大發電量越大，效率越高，則散熱層的散熱效果越好則溫差越大，能產生更多的電能。

排風管上依次設置有環狀的第一擋板、第二擋板、第三擋板和第四擋板，第二擋板和第三擋板高于散熱層能同時為溫差發電層和散熱層提供支撐，第二擋板和第三擋板之間固定集熱層，第一擋板和第二擋板之間、第三擋板和第四擋板之間均通過螺桿連接，螺桿上套接有減震彈簧，能通過螺桿增加預應力防止溫差發電層由于涂布機工作時的振動發生偏移，能充分保證溫差發電層與集熱層和散熱層之間的緊密貼合。

溫差發電層和散熱層之間設置有空心圓筒狀的散熱水套，散熱水套的兩端分別通過進水口和出水口與外界自來水連接形成循環水流，能進一步加強溫差發電層冷斷面的散熱效果，進一步加大溫差發電層的兩端溫差，提高發電效率。

2.2 本模型與現有技術相比具有以下優點：

2.2.1 本模型設計合理，安裝簡便，加工成本低廉，熱能轉換為電能的效率高，能充分利用涂布機排風管排出的廢熱能，大大提高經濟效益，工作安全可靠無污染，可推廣使用。

2.2.2 本模型設置有梯形波紋狀的鋁合金筒作為集熱層與溫差發電層的熱端面貼合固定，還在溫差發電層的冷端面設置有散熱水套和散熱層，通過循環冷水和散熱齒產生的風冷散熱雙重散熱來對冷端面進行降溫，盡最大可能增大溫差發電層兩側的溫差提高發電效率和發電量。

2.2.3 本模型第一發電片和第二發電片之間可以選擇并聯或者串聯連接，并聯連接可以提高發電的可靠性，串聯連接可以適應負載的需要，提高溫差發電器的輸出功率和轉換效率。

3 裝置設計圖

下面結合附圖和實施例對本模型作進一步詳細說明。

3.1 附圖說明

3.2 附圖標記說明：

①—排風管； ⑧—散熱基板；

②—集熱層； ⑨—散熱齒；

③—溫差發電層； ⑩—第一擋板；

3.3 具體實施方式

如圖1至圖3所示，本模型包括繞排風管①周側依次設置的集熱層②、溫差發電層③和散熱層④，集熱層②為鋁合金材質的波紋筒，波紋筒的外壁均勻分布多個截面為梯形的波紋凸條，相鄰兩個波紋凸條之間形成凹槽，溫差發電層③包括設置在波紋凸條上的第一發電片⑤和設置在凹槽處的第二發電片⑥，第一發電片⑤和第二發電片⑥的外側面組合形成溫差發電層③的外側面，溫差發電層③的外側面呈圓筒狀與散熱層④相貼合，集熱層②上的凹槽開設方向與排風管①的軸向方向一致，第一發電片⑤和第二發電片⑥的熱端面與集熱層②固定貼合，第一發電片⑤和第二發電片⑥的冷端面與散熱層④固定貼合，第一發電片⑤和第二發電片⑥與穩壓器連接，穩壓器連接至蓄電池或外部用電裝置。

圖1 是本模型的剖視示意圖

圖2是本模型的側視剖面示意圖

圖3是本模型的散熱層結構示意圖

本裝置采用導熱性能優異的鋁合金制作集熱層②，避免從排風管①中排出的熱量過分流失，提高能量轉化效率，在集熱層②上設置梯形波紋能增大與熱氣流的接觸面積，盡可能地使溫差發電層②的熱端面的溫度升高；多個第一發電片⑤和第二發電片⑥的電極輸出端之間通過導線串聯或并聯連接，并聯或串聯連接后的聚合導線與穩壓器的輸入端連接，當需要電壓穩定時可使用并聯連接，當需要大電流時可使用串聯連接；散熱層②包括一體成型的鋁合金材質的散熱基板⑧和散熱齒⑨，散熱基板⑧固定在溫差發電層③上，多個散熱齒⑨均布垂直設置在散熱基板⑧上，散熱齒⑨為呈n型的扁管，散熱齒⑨的截面輪廓呈波浪形，采用一體成型的制作工藝能達到最佳的散熱效果，由背景技術中所述的溫差發電片的工作原理可知溫差發電片兩側的溫差越大發電量越大，效率越高，即散熱層④的散熱效果越好則溫差越大，能產生更多的電能；排風管①上依次設置有環狀的第一擋板⑩、第二擋板、第三擋板和第四擋板，第二擋板和第三擋板高于散熱層④能同時為溫差發電層③和散熱層④提供支撐，第二擋板和第三擋板之間固定集熱層②，第一擋板和第二擋板之間、第三擋板和第四擋板之間均通過螺桿連接，螺桿上套接有減震彈簧，能通過螺桿增加預應力防止溫差發電層③，由于涂布機工作時的振動發生偏移，能充分保證溫差發電層③與集熱層②和散熱層④之間的緊密貼合。

溫差發電層③和散熱層④之間設置有空心圓筒狀的散熱水套⑦，所述散熱水套⑦的兩端分別通過進水口和出水口與外界自來水連接形成循環水流，能進一步加強溫差發電層③冷斷面的散熱效果，進一步加大溫差發電層③的兩端溫差，提高發電效率；第一發電片⑤和第二發電片⑥由于是異型溫差發電片，則需要從廠家定制合適尺寸形狀的產品，也可參照如公開號為CN104134746B名稱為一種半導體溫差感應發電芯片及其制作方法中所述的工藝方法制作適合本實用新型使用的溫差發電片，以達到最佳的發電效果。

本模型在使用時，由涂布機排風管①排出的高溫氣流經過集熱層②吸收聚集至溫差發電層③的熱端面，溫差發電層③的冷端面在散熱水套⑦和散熱層④的作用下，使熱端面和冷端面保證一定的溫差進行發電，電流通過穩壓器后輸至蓄電池存儲或接至用電設備直接使用；其中若需要改變溫差發電層③的接線結構則參照安裝順序反向拆卸改接線即可。

4 結論

采用基于熱電材料賽貝克效應的溫差發電技術設計的一種涂布機排風管廢熱溫差發電裝置。設計合理，安裝簡便，加工成本低廉，熱能轉換為電能的效率高，能充分利用涂布機排風管排出的廢熱能，大大提高經濟效益，工作安全可靠無污染，具有推廣使用市場前景。