[发明专利]热电元件

说明书

要求保护的技术方案所属的技术领域：

本发明涉及一种用于热力直接发电的元件，避免使用蒸汽驱动涡轮机，特别适用于温 水发电。

所属技术领域背景：

众所周知，现在的火力发电厂是将介质(水)加热形成高压蒸汽，驱动涡轮发电机发 电。成本高，必须大规模，才有实际意义。

近年来，人们发明了碱金属热力发电技术，用于中温热力发电，排热温度在300℃左 右，但不能用于低温热力发电。碱金属热力发电技术即使用于中温发电，目前也没形成商 业气候。

而低温热力发电的需求非常广泛，特别是100℃以下热源的低温条件比比皆是，但苦 于没有相应技术加以利用而被大量浪费。如太阳热、发动机水箱余热、发动机排气余热、 设备热、灯具热、钢铁厂余热、发电厂余热、化工厂余热、水泥厂余热、地热、供暖等。 偏远地区用生活热获得电力，也将极具前景。目前利用这些余热的系统要么成本很高，要 么根本不存在。

发明内容：

本发明是要提供一种高效廉价的热力发电元件，而且避免使用蒸汽轮机。

本发明的主要特征在于：

本元件包括热形变管和若干压电材料，热形变管受热时容积增大，冷却时容积减小；

所述压电材料逐层叠在热形变管中；

发电过程为：热形变管受热膨胀时，在压电材料上形成张力(在存在预压力时，压力 减小)，输出某极性(如正)的电流；

热形变管冷却收缩时，在压电材料上形成压力(在存在预压力时，压力增大)，输出 与上述极性相反的电流。

本发明的基本原理如图1所示。图中1为管端盖；2为热形变管，其材料可以是各类 金属，如铝合金等，热形变管的两端使用端盖强力封堵；3为压电材料。图1只注重热形 变管的轴向伸缩，而热形变管的径向伸缩也是可以利用的，因此可以提高热电效率。同时， 完全忽略轴向伸缩也是可以的，只使用径向伸缩，这时热形变管的端盖就可以省略。

可以假定，热形变管直接受热或冷却而收缩，而压电材料的自由尺度相对稳定。热形 变管受热时，必然膨胀，使各压电材料受到张力(在存在预压力时压力减小)，输出一个 方向的电流。热形变管冷却时，必然收缩，使压电材料受到压力，输出另一个方向的电流。 实际上压电材料的温度也可能略有变化，但压电材料的线膨胀系数大致在5～8E-6，而普 通钢材的线膨胀系数在1.1～1.5E-5左右，约为压电材料的2倍，铝合金的线膨胀系数2.4E-5 左右，约为陶瓷的3倍，所以假定压电材料的自由尺度相对稳定是成立的。

为了完全避免压电片因为温度变化而伸缩，导致降低热电效率，可以在热形变管与压 电片的外周之间设置绝热材料，如绝热膜等。

严格来说，热形变管内的压电材料可以制成一个长的压电体，即压电材料的数量为1。 但这样的设计使得输出电压很高(如100000V以上)，而电流却很小(如20uA以下)，处 理起来相对困难，同时压电材料的生产也不方便。所以应该使用厚度较小的压电片。但如 果将诸多压电片全部串联起来，让其电极化方向全部相同，这时的输出性能与使用一个长 的压电体没有两样。

解决该问题的办法就是将所有压电片的电极化方向两两相反，即相邻压电片的电极化 方向相反，然后将压电片的所有正极连通，压电片的所有负极也连通，最后输出。如图2 所示，压电片在力学上全部串联，而在电学上全部并联，使输出电压成倍降低(如300V 附近)，而输出电流成倍提高(如500mA附近)，使得系统的后续处理非常方便。当然不 排除使用混联的其它各种拓扑，以适应不同的输入输出条件。可以让压电片的负极与热形 变管的金属直接连通，还可以简化绝缘工作。将压电片倒角，防止电极与热形变管短路。

如果在热形变管与压电片的外周之间不留间隙，或者设置刚性的材料，即紧密配合， 将充分利用热形变管的径向伸缩，可以提高热电效率。热形变管膨胀时可以在压电片外周 对压电片形成张力，在热形变管收缩时可以在压电片外周对压电片形成压力，它们形成的 效果与轴向的为叠加的。

要实现大规模发电，就要同时使用多个热电元件。在多个热电片组成的系统中，为了 平衡热源负载和冷源负载，就应让这些热电元件轮流地、分散地与热源和冷源发生热交换。