分段式温差发电器制造技术

本实用新型专利技术公开分段式温差发电器，包括第一导电连接层，分段式P型温差电元件，分段式N型温差电元件，第二导电连接层和第三导电连接层。在第一导电连接层的下表面上设置有分段式P型温差电元件和分段式N型温差电元件，所述分段式P型温差电元件和分段式N型温差电元件沿竖直方向对称设置；在分段式P型温差电元件的下表面上设置第二导电连接层，在分段式N型温差电元件的下表面上设置第三导电连接层；第二导电连接层和第三导电连接层为分体式设置。本实用新型专利技术采用分段式的结构，可以根据需要设置不同段数的温差电元件以适应多种能源输出要求,并且可以大大提高温差发电器的热转化效率和输出功率，保证了能源的充分利用。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于温差发电领域，更加具体地说，尤其涉及分段式温差发电器。
技术介绍
1821年德国科学家塞贝克（T.J.Seebeck)发现了塞贝克效应，迄今已经快200年 了。第二次世界大战末发现半导体材料后，掀起了探索温差电材料和器件的热潮，促进了温 差电理论和技术的发展。二十世纪五十年代末六十年代初，空间技术飞速发展，急需一种长 寿命、抗辐照的电源。 温差发电器，是一种静态的固体器件，没有转动部件，体积小、寿命长，工作时无噪 声，而且无须维护，温差发电器具备寿命很长，应用环境和使用热源不受限制，特别是它可 以利用所谓低级热发电一如工业废热、垃圾燃烧热、汽车排气管的余热以及太阳热、地热、 海洋热能等，一直吸引着人们的青睐。 但是现有的温差发电器只有一组温差电元件，如附图1所示，一个P型温差电元件 和一个N型温差电元件进行配合使用，形成一组温差电元件，温差发电器的输出功率较小， 难以满足人们对能源的日益提高的需要，因此有必要提高温差发电器的输出功率以克服现 有技术的不足。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术的不足，旨在提供一种分段式温差发电器， 提高了温差发电器的输出功率，并且具有结构简单、易维护、费用低的优点。 本技术的技术目的通过下述技术方案予以实现： 分段式温差发电器，包括第一导电连接层，分段式P型温差电元件，分段式N型温 差电元件，第二导电连接层和第三导电连接层： 在第一导电连接层的下表面上设置有分段式P型温差电元件和分段式N型温差电 元件，所述分段式P型温差电元件和分段式N型温差电元件沿竖直方向对称设置；所述分段 式P型温差电元件和分段式N型温差电元件沿竖直方向的高度一致，且两者的横截面形状 和大小均相等；所述分段式P型温差电元件由至少两段P型温差电元件沿竖直方向组成，所 述分段式N型温差电元件由至少两段N型温差电元件沿竖直方向组成；在分段式P型温差 电元件的下表面上设置第二导电连接层，在分段式N型温差电元件的下表面上设置第三导 电连接层；第二导电连接层和第三导电连接层为分体式设置。 在上述技术方案中，所述分段式P型温差电元件和分段式N型温差电元件的横截 面为矩形或者圆形。 在上述技术方案中，所述分段式P型温差电元件为2-8段P型温差电元件。 在上述技术方案中，所述分段式N型温差电元件为2-8段N型温差电元件。 为了确定分段式温差电元件各段之间的比例，基于"不同温差电元件材料之间存 在一个最佳的接触面温度"的假设，也就是说：对于两种不同的温差电元件材料，其中一种 温差电元件材料的性能在高于某个温度值时优于另外一种材料，而另一种材料恰恰相反。 在这种情况下，进行分段式温差发电器结构设计时，使前一种温差电元件材料在高温区工 作，后一种材料在低温区工作，而两种温差电元件材料的接触面温度值等于该温度值，这种 结构设计能够最大限度提升分段式温差发电器的性能，用评定温差电元件材料综合性能的 参数求出接触面温度，参数表达式如下： 其中（ZJ)P、（ZJ)e分别为功率因子、效率因子，a、〇、入分别表示温差电元件的塞 贝克系数、电导率、导热系数，匕、h2分别表示温差发电器顶端与热源之间的恒定传热系数、 温差发电器底端与冷源之间的恒定传热系数，1、1、1成分别表示温差电元件的长度、？型 温差电元件的横截面积、N型温差电元件的横截面积、温差发电器的顶端与热源接触面积。 从这两个新参数表达式中不难发现，目前评价热电材料综合性能的两个重要参 数：品质因数（Z=a2〇/A)和功率因子（a2〇)只是效率因子（ZJh、功率因子（ZJ)# 恒壁温边界条件下（此时m= 0)的特例，这说明两个新参数功率因子、效率因子实际上分 别是原功率因子和品质因数的修正。从附图3可以看出，由具有相同品质因数的温差电元 件材料组成的TEG在恒壁温边界条件下（实心图）最大热电转换效率基本相同，在恒对流 边界条件下，其值则相差很大，这说明品质因数只适用于恒壁温边界条件；从附图4可以看 出，在恒对流边界条件下，由具有相同功率因子（或效率因子）的温差电元件材料组成的 TEG，其最大输出功率（或最大热电转换效率）则基本相同。考虑到实际情况，采用两个新参 数功率因子和效率因子确定接触面温度值，即若要获得最大输出功率则采用功率因子（ZJ) p，若要获得最大热电转换效率则采用效率因子（ZJ)M 然后用迭代法求解P型温差电元件或N型温差电元件两端的工作温度：首先建立 温差发电器各部分热阻、各部分电阻、赛贝克电动势、热传导的热流密度方程、汤姆逊热、焦 耳热等方程，从而整个温差发电器的热流场已经通过方程建立，然后假设的一组两端工作 温度的迭代初值，通过以上方程解出一组新的工作温度值，且用这一组新值替换原来的相 应值，由此形成迭代循环，直到得到的值与上次循环得到的相应值相差小于某值（此值可 据具体情况而定）时停止循环，最终得到温差电元件两端工作温度的准确值。至此，整个温 差发电器的温度场已经确定，根据流过P型温差电元件侧或N型温差电元件侧各段温差电 元件的热流密度相等，求出各段温差电元件之间的比例。 与现有技术相比，本技术在温差电原件中采用分段式的结构，避免一个P型 温差电元件和一个N型温差电元件配合使用带来的问题，可以根据需要设置不同段数的温 差电元件，并可选择不同的P型温差电材料组成分段式P型温差电元件（N型同样适用），以 适应多种能源输出要求，采用分段式结构可以大大提高温差发电器的热转化效率，从而提 高温差发电器的输出功率，能够更加高效的利用热能，转化成更多的电能，进而保证了能源 的大幅节约和充分利用。【附图说明】 图1是现有温差发电器的结构示意图，其中1为顶部导电连接层，2为P型温差电 元件，3为N型温差电元件，4为底部第一导电连接层，5为底部第二导电连接层。 图2是本技术分段式温差发电器的结构示意图，其中1为第一导电连接层，2 为分段式P型温差电元件，3为分段式N型温差电元件，4为第二导电连接层，5为第三导电 连接层。 图3是具有相同品质因数的温差发电器在不同热边界条件下的热电转换效率 示意图，其中实心代表恒壁温边界，空心代表恒对流边界；圆形代表材料物性为：ap/n = ±0. 000113V K\ 〇 p/n=50000S m\A =〇?9W m 1K\ 倒三角代表材料物性为：ap/n = ±0. 000338V K\ 〇 p/n=58825S m\A=9. 47W m 1K\ 正三角代表材料物性为：ap/n = ±0. 00025V K\ 〇 p/n=51084S m\ 入=4. 5W m 1K1O 图4是具有相同功率因子或效率因子的温差电元件材料组成的温差发电器在恒 对流热边界条件下的输出功率与热电转换效率的示意图，其中实心方块对应材料1，实心正 三角对应材料2,实心倒三角对应材料3,材料1、2、3具有相同功率因子；空心方块对应材料 1，空心正三角对应材料当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
分段式温差发电器，其特征在于，包括第一导电连接层，分段式P型温差电元件，分段式N型温差电元件，第二导电连接层和第三导电连接层：在第一导电连接层的下表面上设置有分段式P型温差电元件和分段式N型温差电元件，所述分段式P型温差电元件和分段式N型温差电元件沿竖直方向对称设置；所述分段式P型温差电元件和分段式N型温差电元件沿竖直方向的高度一致，且两者的横截面形状和大小均相等；所述分段式P型温差电元件由至少两段P型温差电元件沿竖直方向组成，所述分段式N型温差电元件由至少两段N型温差电元件沿竖直方向组成；在分段式P型温差电元件的下表面上设置第二导电连接层，在分段式N型温差电元件的下表面上设置第三导电连接层；第二导电连接层和第三导电连接层为分体式设置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：焦魁，张国宾，樊林浩，牛志强，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：新型
国别省市：天津;12