多級耦合高溫顯熱-潛熱相變儲能溫差發(fā)電裝置的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種將高溫廢氣(鍋爐汽、汽車尾氣等)的熱能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，即多級耦合高溫顯熱-潛熱相變儲能溫差發(fā)電裝置的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]21世紀，人類社會正面臨著全球性的三大危機:能源短缺、環(huán)境污染和生態(tài)破壞，特別是隨著全球汽車保有量逐年增加，使得交通運輸業(yè)成為能源消耗大戶，能源消耗總量占全社會能源消耗總量的10%左右。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，能源需求將會與日倶增。如何提高能源利用率，開發(fā)新能源將會是21世紀全球的主題。溫差發(fā)電技術(shù)利用塞貝克(SeeBeck)效應，將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，具有結(jié)構(gòu)簡單，無需維護，無運動部件，環(huán)境友好等顯著優(yōu)點。由于受到材料特性的限制，溫差電池的發(fā)電效率比較低。新型高效能源利用發(fā)電裝置是提高發(fā)電效率的主要方法。相變儲能復合材料是一種熱功能復合材料，能夠?qū)⒛芰恳韵嘧儩摕岬男问絻Σ卦谄潴w內(nèi)，實現(xiàn)能量在不同時空位置之間的轉(zhuǎn)換。相變材料也成為近年來國內(nèi)外在能源利用和材料科學方面開發(fā)研究十分活躍的領(lǐng)域。無機鹽/陶瓷基復合蓄熱材料屬于粘結(jié)性多空介質(zhì)材料，在能源領(lǐng)域中有著重要的作用。無機鹽/陶瓷基復合相變蓄熱材料在工業(yè)蓄熱器的應用提供理論基礎(chǔ)。利用相變材料的相變潛熱實現(xiàn)能量的儲存和利用，有助于提高能效和開發(fā)可再生能源。通過無機鹽陶瓷基復合相變儲能材料與溫差電池的高效耦合，本發(fā)明提出一種新型結(jié)構(gòu)的多級耦合高溫顯熱-潛熱相變儲能溫差發(fā)電裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為了彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型結(jié)構(gòu)的多級高效耦合高溫顯熱-潛熱相變儲能溫差發(fā)電裝置，該系統(tǒng)能高效地回收利用高溫廢氣(鍋爐廢氣、汽車尾氣)中的余熱進行發(fā)電，提高了燃料的利用率，并減少有害氣體的排放法。
[0004]為了達到本發(fā)明的目的，技術(shù)方案如下:
[0005]—種多級耦合高溫顯熱-潛熱相變儲能溫差發(fā)電裝置的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0006]I)、提供一定數(shù)量的散熱板、螺釘、保溫材料、導熱硅膠、無機鹽復合相變儲能材料、U型連接管和溫差電池；
[0007]2)、制備一個可以密封、方便拆卸的多孔無機鹽/陶瓷基高溫復合相變儲能支撐體；
[0008]首先制備具有多孔結(jié)構(gòu)的多孔碳化硅陶瓷支撐體；
[0009]將無機鹽復合相變儲能材料升溫至完全熔融，迅速將所述多孔碳化硅陶瓷支撐體浸入熔融的儲能材料中，熔融態(tài)的無機鹽相變儲能材料對多孔陶瓷有良好的潤濕性能，且由于毛細管張力的作用熔融無機鹽會自發(fā)浸滲到多孔碳化硅陶瓷體中，一部分儲能材料被封裝在儲能支撐體的相變儲能倉內(nèi)；冷卻后，將表面的鹽去除，得到多孔無機鹽/陶瓷基高溫復合相變儲能支撐體；
[0010]3)、將溫差電池嵌入儲能支撐體外殼的電池封裝凹槽內(nèi)，溫差電池兩側(cè)涂上導熱硅膠，溫差電池與儲能支撐體縫隙間填充絕緣保溫材料，用散熱板和螺釘將溫差電池密封、并固定于儲能支撐體的電池封裝凹槽內(nèi)，每一個螺釘預緊力相等，保持溫差電池表面換熱均勻；
[0011]4)、儲能支撐體上具有連接凸臺，連接凸臺上設(shè)有支撐體連接螺孔，U型連接管也有與之對應的凸臺和連接管連接螺孔，通過U型連接管將封裝有溫差電池的儲能支撐體相互連接，根據(jù)所需規(guī)格在二維或者三維空間內(nèi)串接成大型發(fā)電設(shè)備，或者直接將單個發(fā)電裝備連接于汽車的三元催化器與汽車排氣管之間。
[0012]進一步，所述多孔碳化硅陶瓷支撐體的制備過程為:
[0013]將碳化硅粉、造孔劑、粘結(jié)劑等球磨過篩混料，烘干加壓成型；
[0014]在常壓空氣電爐中進行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1000-1200°C，最后燒結(jié)成型的磨具為多孔陶瓷基高溫復合相變支撐體。
[0015]優(yōu)選地:所述無機鹽復合相變儲能材料為(Li2/Na2)⑶3、Ni/Li2⑶3、Na2C03、K2C03、BaC03、NaN03、Na2S04 中的任意一種。
[0016]優(yōu)選地:所述無機鹽復合相變儲能材料的復合相變溫度為500-600°C。
[0017]優(yōu)選地:浸滲時無機鹽復合相變儲能材料的加熱溫度為700°C，浸滲時間為60分鐘，浸滲完直接將儲能支撐體從電爐內(nèi)取出冷卻。
[0018]—種多級高效耦合高溫顯熱-潛熱相變儲能溫差發(fā)電裝置，其特征在于:由復數(shù)個儲能發(fā)電單體通過連接管在二維或者三維空間內(nèi)串接而成，所述儲能發(fā)電單體由儲能支撐體和封裝于所述儲能支撐體外側(cè)的溫差電池相互高效耦合組成。儲能發(fā)電單體可按照所需方向和數(shù)量通過U型管連接體在二維和三維空間內(nèi)進行串接多級耦合組裝成大型發(fā)電裝置。儲能支撐體為無機鹽/陶瓷基高溫復合相變儲能支撐體。
[0019]進一步:所述儲能支撐體具有內(nèi)圓弧面和外圓弧面，所述內(nèi)圓弧面和外圓弧面之間連接有集熱板，在儲能支撐體內(nèi)部，由內(nèi)圓弧面、外圓弧面和集熱板形成了若干個扇形通道，所述扇形通道一部分為廢氣通道、一部分裝載儲能材料形成扇形相變儲能倉，并且廢氣通道和扇形相變儲能倉交替設(shè)置。
[0020]進一步:沿著儲能支撐體的徑向方向，在每個廢氣通道的外側(cè)還設(shè)置有用于裝載儲能材料的第二相變儲能倉，所述第二相變儲能倉和扇形相變儲能倉依次串通。各個儲能倉之間相互串通，可以使溫度分布更均勻。
[0021 ]優(yōu)選地，所述儲能材料為無機鹽復合相變儲能材料。無機鹽高溫復合相變材料填充滿儲能倉，可增加體系的蓄熱能力，同時為無機鹽/陶瓷基高溫復合相變支撐體提供浸滲的無機鹽高溫復合相變材料。
[0022]優(yōu)選地，所述儲能支撐體的截面為多邊形，每個側(cè)面的外表面設(shè)置有一個用于封裝和固定溫差電池的電池封裝凹槽，所述溫差電池的表面設(shè)有散熱片。
[0023]進一步:所述溫差電池包含兩片相互平行的陶瓷支撐片、以及位于兩塊陶瓷支撐片之間的P型半導體和N型半導體，P型半導體和N型半導體交替排列串聯(lián)連接，其中一塊陶瓷支撐片為溫差電池熱端，所述溫差電池熱端與儲能支撐體接觸；另一塊陶瓷支撐片為溫差電池冷端，所述溫差電池冷端與散熱片連接，陶瓷支撐片上設(shè)有用于固定P型半導體和N型半導體的固定凹槽，P型半導體和N型半導體之間通過導流體連接，溫差電池還包括引出端，所述引出端與外電路相鏈接。
[0024]優(yōu)選地，所述溫差電池兩側(cè)涂有導熱硅膠，兩塊陶瓷支撐片之間的縫隙填有絕緣保溫材料。
[0025]優(yōu)選地，所述集熱板兩側(cè)的表面上均設(shè)有圓弧凹槽，圓弧凹槽的深度小于集熱板厚度的一半，并且集熱板兩側(cè)表面上的圓弧凹槽錯位設(shè)置。
[0026]優(yōu)選地，所述P型半導體和N型半導體的材料為熱電材料，所述熱電材料為AgSbTe2_GeTe 固溶體。
[0027]優(yōu)選地，所述廢氣通道中高溫廢氣的溫度為500-700°C。
[0028]溫差電池兩側(cè)均涂有導熱硅膠，電池板接觸面受熱均勻，并增加電池板與冷熱源的熱傳導能力，使溫差電池的熱端與儲能支撐體、以及冷端與散熱片之間緊密接觸。
[0029]高溫廢氣通道并與熱源直接相接觸。集熱板分別與內(nèi)-外兩圓弧面連接組成閉合通道。扇形通道按照廢氣通道-扇形相變儲能倉交替排列，扇形相變儲能倉集熱板直接與高溫廢氣接觸。集熱板兩側(cè)表面上有錯位設(shè)置的圓形凹槽7，因此所述集熱板為波紋形，既增加了集熱基片與高溫廢氣的接觸面積，又確保了殼體的強度。
[0030]無機鹽/陶瓷基高溫復合相變儲能支撐體為多空陶瓷基支撐體浸滲的無機鹽復合相變材料骨架，由于毛細管張力作用，無機鹽熔化后保留在基體內(nèi)不流出來。無機鹽/陶瓷基高溫復合相變儲能支撐體，既利用了陶瓷材料的顯熱儲能，又充分利用了無機鹽復合相變材料的高潛熱儲能，將高溫廢氣中的能量高效回收利用。
[0031 ]溫差電池中的熱電材料可選擇填充型方鉆礦結(jié)構(gòu)CoSb3基化合物熱電材料、蹄化鉛(PbTe)基高溫熱電材料(600 °C)等。溫差電池的熱源由儲能器件提供，冷源為空氣。
[0032]本發(fā)明采用的無機鹽復合相變儲能材料為高溫熔融鹽相變儲能材料:Ni/Li2C03、Na2C03、K2C03、BaC03、NaN03、Na2S04等高溫復合相變材料，根據(jù)不同需求進行復合制備不同復合相變儲能材料。相變材料被密封于第二相變儲能倉和扇形相變儲能倉中。無機鹽/陶瓷基復合相變儲能材料在高溫環(huán)境下長期工作，陶瓷微孔內(nèi)浸滲的無機鹽會有部分揮發(fā)，這降會降低復合材料的儲能效率。第二相變儲能倉和扇形相變儲能倉內(nèi)儲存的無機鹽相變材料能不斷地為陶瓷基支撐體提供浸滲所需的無機鹽相變材料。
[0033]本發(fā)明利用高溫廢氣與外界之間的溫差，通過高溫相變儲能材料和溫差發(fā)電技術(shù)，將高溫廢氣轉(zhuǎn)化為電能。當高溫廢氣通過廢氣通道時，集熱板會吸收高溫廢氣中的熱能，將熱量傳遞給封裝在儲能倉內(nèi)的復合相變材料并使其發(fā)生相變進行蓄熱。溫差電池的熱端受高溫尾氣加熱與冷端形成溫差發(fā)電。當熱源終斷時隨著溫度的降低，蓄熱材料會發(fā)生相變，釋放其儲存的熱能使溫差電池熱端與冷端繼續(xù)產(chǎn)生溫差發(fā)電。U型連接管裝置使高溫廢熱更好的被儲能裝置吸收利用，也方便組裝拆卸。
[0034]本發(fā)明具有高效、穩(wěn)定、實用、方便等優(yōu)點，可廣泛用于高溫工業(yè)廢氣、汽車尾氣等廢熱的回收利，有效的提高燃料的利用率，降低有害氣體的排放。
【附圖說明】
[0035]圖1為本發(fā)明多級高效耦合高溫顯熱-潛熱相變儲能溫差發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖2為儲能發(fā)電單體互相連接的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖3為圖2中儲能發(fā)電單體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖4為圖3中儲能支撐體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0039I圖5圖4的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖6為連接管的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041 ]圖7為溫差電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0042]下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步描述，但本發(fā)明的保護范圍不僅僅局限于實施例。
[0043]一種多級耦合高溫顯熱-潛熱相變儲能溫差發(fā)電裝置的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0044]I)、提供一定數(shù)