[發(fā)明專利]一種利用液體熱電效應進行發(fā)電的系統(tǒng)

有效

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• 申請日: 2015-05-19
• 公開（公告）號: CN104811092B
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設計）人: 胡雪蛟;李昌錚;王琪;單源鴻
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: H02N3/00
• 分類號: H02N3/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 汪俊鋒

技術領域

本發(fā)明涉及一種溫差發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種利用液體熱電效應收集電廠和工廠余熱以及海水溫差熱能進行發(fā)電的系統(tǒng)。

背景技術

能源是人類發(fā)展的重要物質基礎。隨著科技的進步和人們生活水平的不斷提高，當今世界主要依存的化石能源正在不斷耗盡，能源危機正一步步地向人類逼近。同時，大量化石燃料的使用還造成了全球環(huán)境的污染和生態(tài)環(huán)境的破壞。因此，開發(fā)更加先進的能源轉換方式來提高能源利用效率和大力開發(fā)清潔的可再生能源已成為當務之急。

在我們生活的環(huán)境中存在大量的能量，其中低溫熱能的回收利用占據(jù)著非常重要的位置。如熱電廠、冶金、各種制造廠等幾乎每天都在向大氣中排放大量的低溫廢熱，浪費了很大一部分的能量，同時，還造成力極為嚴重的生態(tài)污染。另外，太陽時時刻刻都在向地球輻射巨大的能量，其中很大一部分被占據(jù)地球面積約72％的海洋以熱能的形式吸收，造成表層海水與深海之間存在一定溫差，但是受于海水溫差發(fā)電技術的限制，這部分能量目前還難以大規(guī)模利用。

熱電技術可以直接將溫差轉化為電能，與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比具有很多的優(yōu)勢，如結構簡單，無需轉動部件，發(fā)電過程中不會產生噪聲污染。熱電發(fā)電系統(tǒng)無需任何工質，在發(fā)電工程中可以實現(xiàn)真正的零排放，對環(huán)境十分友好。最重要的是熱電裝置在低溫差下也可以正常運行，并且不受尺度的影響，工作性能極為穩(wěn)定，在低溫熱量回收利用方面具有巨大的應用前景，目前已經(jīng)在汽車尾氣余熱回收、太陽能熱發(fā)電等方面得到一定的應用。但是由于目前熱電效率較低，加上高性能熱電材料制造困難，價格昂貴，熱電技術大規(guī)模應用還有待更先進的技術突破。高性能的熱電材料要求材料具有比較優(yōu)越的導電性能和較低的導熱性能，防止熱量的耗散。目前熱電方面的研究主要是基于固體熱電材料的研究，提高材料的熱電效率主要有兩種方法：一是在低導熱系數(shù)材料的基礎上提高熱電功率因子；二是在高導電系數(shù)材料的基礎上降低材料的導熱系數(shù)。而在液體熱電方面的研究，目前還處于幾乎空白狀態(tài)，主要原因是：在固體中，溫度梯度會驅動帶負電的電子朝一個方向移動，單種電荷的移動會形成電能；而在液體中，溫度梯度會驅動陰陽離子朝同一個方向移動，由于溫度引起的陰陽離子運動速度幾乎一致，因此無法形成凈電荷的移動，幾乎沒有電能輸出。如果采用技術手段將液體中的陰陽離子分隔開，就能大大的提高液體的熱電效率，加上液體較低的導熱系數(shù)，便可以利用液體的熱電特性來實現(xiàn)低溫發(fā)電。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題是一種利用液體熱電效應進行發(fā)電的系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用電廠、工廠等排放的余熱或者海洋中的低溫熱能來驅動液體中的離子流動進行發(fā)電，并利用離子交換膜分離陰陽離子提高液體熱電效率，從而達到高效液體熱電發(fā)電的效果。

本發(fā)明所采用的技術方案如下：

一種利用液體熱電效應進行發(fā)電的系統(tǒng)，它由高溫循環(huán)回路、液體熱電發(fā)電系統(tǒng)和低溫循環(huán)回路組成；高溫循環(huán)回路上設有熱交換器，工廠或環(huán)境中的低溫熱能在熱交換器內與熱循環(huán)工質進行熱交換，低溫循環(huán)回路中設有冷凝器，低溫循環(huán)工質在冷凝器中進行冷卻；

所述液體熱電發(fā)電系統(tǒng)由一個或多個液體熱電發(fā)電單元組成，每個液體熱電發(fā)電單元由負極、工作腔、離子交換膜、工作腔、正極組成，所述工作腔內充滿電解質溶液；

當離子交換膜為陰離子交換膜時，高溫循環(huán)回路經(jīng)過液體熱電發(fā)電單元的正極，低溫循環(huán)回路經(jīng)過液體熱電發(fā)電單元的負極；當離子交換膜為陽離子交換膜時，高溫循環(huán)回路經(jīng)過液體熱電發(fā)電單元的負極，低溫循環(huán)回路經(jīng)過液體熱電發(fā)電單元的正極。

當液體熱電發(fā)電系統(tǒng)由多個液體熱電發(fā)電單元組成時，多個液體熱電發(fā)電單元之間可以并聯(lián)或串聯(lián)。

并聯(lián)時，如圖1所示，液體熱電發(fā)電單元交替放置正負極，中間通道交替通過熱循環(huán)工質和冷循環(huán)工質，液體熱電發(fā)電單元在溫差的作用下產生電能通過正負電極對外輸出。

液體熱電發(fā)電單元由正極、負極組成的電極對可以和工作腔內的電解質溶液的離子進行反應，當發(fā)電單元正負極存在一定溫差的時候，靠近熱端的電解質溶液中的離子運動速度遠大于靠近冷端的離子運動速度，離子運動速度的差異會形成一個從熱端指向冷端的熱泳力，驅動電解質中的離子從熱端向冷端運動，工作腔中的離子交換膜可以阻止某種電荷的離子通過(如陰離子交換膜只允許陰離子透過)，從而會在兩個工作腔中形成單種電荷的離子聚集區(qū)，電極對會在離子聚集區(qū)內發(fā)生強烈的電極反應，從而產生電能輸出。

系統(tǒng)工作時，液體熱電發(fā)電單元的工作腔內充滿電解質溶液。

離子交換膜可以是微納米膜，也可以是微納米顆粒的堆積體。