一种温差发电装置及太阳能差发电装置

1.本技术涉及光学技术领域，涉及一种光热自驱动的太阳热能与深空冷能协同作用的温差发电装置。


背景技术：

2.近年来，伴随着人类社会不断发展，人们对电力的需求越来越旺盛，传统发电方式造成的环境污染和能源消耗使人们承受着巨大的生存压力。近几年，可再生发电方式有效推动缓解了上述问题，尤其是太阳能光伏设备的利用和普及，但其无法在夜间工作，因此，全天候工作的可再生发电装置将对环境和社会产生重大影响。
3.光热温差发电技术是一种非常有望解决上述问题的技术方案，但目前基于光热温差的发电装置只是单独基于太阳光加热，或单独基于辐射降温制冷来产生温差，同时利用两者的装置尚无报道，主要原因是太阳和寒冷深空都在器件上方，难以在同一上表面同时加以利用。再者，传统的太阳能吸收材料主要采用碳基材料实现高吸收，但该材料同时具有红外波段高发射，同时又降低了加热效果。


技术实现要素：

4.为解决上述存在的问题。本技术提出一种发电装置，其可同时利用太阳光的加热效果和辐射制冷的降温效果扩大温差并同时最大化太阳光的加热效果，并且能够全天候工作。装置还有着无污染，无需额外能量输入的优点。
5.为实现上述目的，本技术采用如下的技术方案：
6.一种温差发电装置，包括：温差发电片，所述温差发电片具有：第一侧，其通过导热层连接吸光屏热层，及与第一侧相对的第二侧，其通过导热层连接辐射制冷层；所述吸光屏热层位于温差发电装置的最上层，用于吸收太阳光升温并将热量传递给温差发电片的热端。
7.该温差发电装置在使用时，吸光屏热层朝向天空接收阳光照射；辐射制冷层朝向大地，通过向大地热辐射而降温，从而使得温差发电片两端产生温差；白天时由于阳光的照射作用加热了温差发电片的热端温度，且由于辐射制冷层的辐射作用降低了温差发电片的冷端温度，从而驱动温差发电片两极产生电压，由于阳光的照射作用，提高了两极的温差，进而提高了热电片的输出功率。夜间由于辐射制冷层的辐射作用降低了温差发电片的冷端温度，使得温差发电片的冷端低于温差发电片的热端温度，从而驱动温差发电片两极产生电压，实现了即使夜间也能发电的效果。
8.优选的，该导热层具有导热胶。
9.优选的，该吸光屏热层具有微纳结构或者多层膜结构。
10.优选的，该辐射制冷层具有微纳结构或多层膜结构。
11.优选的，该温差发电装置，其特征在于，还包括，保护罩其用于屏蔽温差发电装置上下两端的传导和对流效果。
12.优选的，该温差发电装置，其特征在于，还包括，绝热外壳，其包裹所述温差发电装置。
13.所述辐射制冷层的远离所述温差发电片侧配置有反射镜，所述反射镜具有弧度，其凹面朝向导热层连接辐射制冷层，且辐射制冷层置配置于所述反射镜的焦点或焦点附近。
14.进一步地该反射镜配置为伞状结构，其包括：柔性反射膜、支撑杆以及环绕支撑杆对称分布的支撑骨架；支撑杆与支撑骨架之间动态连接。柔性反射膜、支撑杆以及环绕支撑杆对称分布的支撑骨架之间整体配置为伞状结构；在夜间伞状结构张开时支撑骨架将柔性反射膜拉紧并形成凹面，辐射制冷层辐射的红外光镜反射膜反射至深空，增加了制冷效率；白天时收起支撑骨架，防止反射膜将阳光反射至辐射制冷层降低制冷效果。
15.优选的，该温差发电装置，其特征在于，还包括，支撑杆，其一端连接至所述辐射制冷层，另一端连接至反射镜。
16.优选的，该反射镜沿支撑杆对称设计。
17.优选的，该吸光屏热层位于温差发电装置的最上层，用于吸收太阳光升温并将热量传递给温差发电片的热端。
18.本技术实施例提供一种太阳能发电装置，其将上述的温差发电装置的吸光屏热层替换为光伏板(也称光伏面板)，白天一部分太阳光被光伏板吸收用于光伏发电，多余的热量通过导热层传递给温差发电片
19.有益效果
20.本技术实施方式的温差发电装置同时利用了太阳能加热和辐射降温的制冷效果，提高了温差发电片两端的温差，进而提高了热电片的输出功率。利用具有中红外透明的材料的层来吸收太阳光，减少了热损失，提高了太阳光的利用率，进一步加大了温差。另外，本技术的温差发电装置没有额外能量输入，实现了自驱动，具有更高的输出功率，绿色环保且成本低，能够全天工作。
附图说明
21.图1为本技术实施例的温差发电模块的结构示意图；
22.图2为本技术实施例的温差发电模块的整体结构示意图；
23.图3为本技术实施例的硅纳米柱结构吸光屏热层太阳光波段吸收率示意图；
24.图4为本技术实施例的硅纳米柱结构吸光屏热层中红外波段吸收率的示意；
25.图5为本技术实施例的多孔掺球p(vdf-hfp)的中红外发射率光谱的示意图。
26.图6为本技术实施例的遮阳伞展开示意图。
27.图7为本技术实施例的遮阳伞收起示意图。
28.图8为申请实施例使用光伏板的结构示意图。
具体实施方式
29.以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本技术而不限于限制本技术的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
30.本技术提出一种温差发电装置，其包括：温差发电片，该温差发电片具有：第一侧(即热端)，其通过导热层连接吸光屏热层，及与第一侧相对的第二侧(即冷端)，其通过导热层连接辐射制冷层，且辐射制冷层的远离温差发电片侧配置有反射镜。该温差发电装置同时利用了太阳能加热和辐射降温的制冷效果，提高了温差发电片两端的温差，进而提高了热电片的输出功率。
31.下面结合附图来详细地描述本技术提出的温差发电装置。该温差发电装置可同时利用天阳光和辐射降温来全天候发电，其包括：温差发电片3，
32.该温差发电片具有：
33.第一侧，其通过导热层2连接吸光屏热层1，及
34.与第一侧相对的第二侧，其通过导热层4连接辐射制冷层5(参见图1)。较佳的，该辐射制冷层5的远离温差发电片3侧配置有反射镜10(参见图2)。该温差发电片具有输出端8(也称发电片电极)。
35.其中，吸光屏热层，配置于发电装置的最上层，该吸光屏热层功能用于吸收太阳光升温，并将吸收的热量传递给温差发电片热端。较佳的，该吸光屏热层采用微纳结构或者多层膜结构这样来可最大程度地吸收太阳光并最小化红外发射，最大幅度利用了太阳光的加热效果。导热层2/4统称导热层。
36.该温差发电片是基于塞贝克效应工作的，当两种不同的金属(或半导体)连接成为闭合回路时，将接触点放到两个温度不同的环境，回路中会有电流经过。本装置中，温差发电片的热端通过导热胶与吸光屏热层连接来加热热端，冷端通过导热胶与辐射降温样品连接以实现降温，此时热电片两端温度不同，回路中会有电流产生。导热胶：位于温差发电片两端，用于将温差发电片热端与吸光屏热层固定，冷端与辐射降温层固定，同时具有良好的导热性能，有利于温差发电片两端的热交换。
37.该辐射制冷层经导热胶与温差发电片的冷端相连接。较佳的，该辐射制冷层具有微纳结构或多层膜结构。这样的设计使其具有高红外发射率和高太阳反射率以实现降温效果。
38.该反射镜用于将热量以电磁波形式发射至寒冷的深空，因此表面需要正对天空。在本实施方式中，由于本温差发电装置的辐射降温样品面向地面，因此需要使用反射镜将其反射至寒冷深空以实现降温效果。
39.在一实施方式中，还包括保护罩(参见图2)，如，顶部保护罩6，底部保护罩9，其用于屏蔽装置上下两端的传导和对流效果。对于吸光屏热层来说，减少传导和对流有助于最大化加热功率减少热量损失，对于辐射制冷层来说，减少传导对流有利于避免环境对样品表面的加热。通过保护罩的设计利于保持温差发电片两端温差最大化，以获得最大的发电功率。
40.在一实施方式中，还包括绝热外壳7(参见图2)。辐射降温效果受到非辐射换热系数，即传导对流的影响。所以，从装置设计的角度，要求非辐射换热越低越好，因此应该将系统做得更加绝热以使辐射降温层获得更好的降温效果。
41.在一实施方式中，还包括支撑杆11(参见图2)，其连接反射镜10及辐射制冷层，该支撑杆用于固定和支持整个温差发电装置。
42.该温差发电的机理，
43.辐射制冷原理：
44.虽然大气在可见光波段是透明的，在红外波段并非透明的。其中最重要的一个透明波段是8-13微米，也称大气窗口，因为该窗口和300k左右的物体的黑体辐射峰正好重合，因此地球辐射的主要部分，是从这个“窗口”中辐射到外太空的。因此，地球上对着天空的任意的表面，如果能够增加在大气窗口中的辐射，那么是有利于该表面降温的。
45.为了定量的说明节辐射降温的原理，列出节能窗温度调控的净降温功率计算公式：
46.p
net
＝p
rad
(t
satm
,ε)-p
sun-p
atm
(t
amb
,ε)-p
cc
(t
satm
,t
amb
)
47.其中，p
rad
为物体热辐射功率，t
satm
为样品表面温度，ε为物体的发射率光谱。p
sun
为吸收太阳能波段能量的功率，p
atm
为大气对物体的辐射功率，t
amb
为环境温度。p
cc
为热传导和对流而耗散的功率，由于物体暴露在环境中，环境对物体进行热传导以及热对流都会对器件的温度产生影响。由公式可以看出。表面会接收太阳辐射p
sun
，大气辐射p
atm
，同时在向外发射能量p
rad
，另外，除了辐射之外，该表面也会通过热传导和热对流会与环境进行非辐射换热p
cc
。
48.总结来讲，实现辐射制冷关键点是需要高的p
rad
以及低的p
sun
，即：
49.(1)在太阳光波段(0.3μm-2.5μm)具有很高(接近1)的反射率，使得太阳加热最小。
50.(2)在大气透明窗口(8μm-13μm)具有很高的发射率。
51.工作过程：
52.在白天，太阳光直射装置上方的吸光屏热层致其温度升高，并通过其下方的导热胶将热量传递给温差发电片热端，同时，辐射降温层通过反射镜将热量发射至深空，其表面的亚环境温度通过导热胶传递给发电片的冷端。这样，装置同时利用了太阳光加热和辐射降温制冷，使得热电片热端高于环境温度，冷端低于环境温度，另外，热端通过光热材料设计降低了发射率，冷端保护罩屏蔽了降温表面的传导和对流，使得温差效果最大化。在夜晚，装置吸光屏热层不工作，只有底端辐射降温层工作，此时温差来源于辐射降温表面与环境的温差。这样器件就实现了全天候工作。
53.相对于现有的温差发电装置，利用日间辐射降温样品可实现白天的降温，进而产生温差供电，但并没有利用太阳光的能量，导致发电片输出功率不高，需要串联更多发电片提高功率，拉高了成本。也有少部分利用太阳光加热来提供温差，但利用不充分，存在红外发射抵消加热效果，并且只能在白天工作，灵活性低。而本技术提出的温差发电装置克服了这两种装置的缺点，利用反射镜将太阳和深空在两个表面上同时加以利用，并且通过结构的优化及材料设计充分利用了太阳能，提高了温差进而提高了温差发电片的输出功率，并且继承了现有温差发电技术无污染，绿色环保、成本低的特点。可广泛应用于日常生活当中。本技术提出的温差发电装置同时利用了太阳能加热和辐射降温的制冷效果，提高了温差发电片两端的温差，进而提高了热电片的输出功率。且装置没有额外能量输入，实现了自驱动，具有更高的输出功率，绿色环保且成本低，能够全天工作。
54.通过使用精心设计的吸光屏热层，在环境温度25摄氏度的晴朗天空下，装置上表面温度可达40摄氏度，与传统使用近似黑体的材料来吸收太阳光相比，该层在中红外的发射率较低，不会抵消太阳的加热效果。表1列出了使用两者的不同。可以看出，在白天，与使用黑体相比该设计有着更高的温度，并且夜晚温度接近室温可与辐射降温表面形成更大温
差进而发电，而黑体由于红外发射率较高，温度会相对较低，不利于器件夜间的工作。
55.表1黑体与硅纳米柱昼夜温度对比
[0056] 白天温度(℃)夜晚温度(℃)黑体375硅纳米柱4010
[0057]
底部辐射降温层在日间晴朗天空下温差可以比环境低6摄氏度，热点片两端温差可达20摄氏度左右，可以据此计算出负载匹配条件下的预期最大功率输出，其中最大功率为wmax＝(nα2(th-tc)2/4r)/a，对于我们实验中使用的模块，n＝127是温差发电片中热电偶的数量，α＝210.769μv/k是塞贝克系数，r＝0.007ω是每个热电偶的电阻，a＝0.0016m2是辐射降温表面面积，计算可得，我们表明可以实现5w/m2的发电量。由于我们实验样品表面只有4cm*4cm大小，因此可以通过使用更大的样品或者串联装置来进一步提高其输出功率，以满足更多地使用场景和使用需求。
[0058]
使用硅纳米柱结构的吸光屏热层，可有效吸收太阳光并抑制中红外波段的发射率，图3所示为该结构在太阳光波段的吸光光谱，平均吸收率在0.9左右。图4是其在中红外波段的光谱吸收曲线，高的太阳光吸收率和较低的红外发射率可最大化利用太阳光进行加热。
[0059]
底部辐射降温层采用多孔掺球的p(vdf-hfp)，多级孔和小球可有效散射太阳光来降低太阳光的加热效果，其中红外发射率光谱如图4所示，在大气窗口波段保持较高的发射率，两者结合可有效降低发电片冷端的温度。
[0060]
在一实施方式中，该温差发电装置包括依次位于顶部的吸光屏热层，导热胶、温差发电片、辐射降温层、绝热外壳、保护罩和地面反射镜组成，顶部吸光屏热层采用300nm厚的黑硅，导热胶使用导热硅脂，底部辐射降温层使用多级孔掺杂小球的p(vdf-hfp)高发射率薄其中小球为3μm的二氧化硅小球。装置绝热外壳采用绝热泡沫盒，保护罩使用中红外透明的聚乙烯薄膜，地面反射镜使用塑料并镀上一层金属铝，并将其设计成抛物线型来将发散的红外辐射平行反射至深空。
[0061]
作为上述实施方式的变形，对吸光屏热层进行优化，其采用硅纳米柱阵列结构吸收太阳光，纳米柱周期为t＝600nm，高度h＝1000nm，纳米柱直径为d＝300nm。装置底部辐射降温层采用多层结构，具体是通过在底部120nm厚的银薄膜上覆盖500μm厚的石英，最后在石英上涂覆100μm厚的pdms薄膜制成的。
[0062]
在一个实施例中，如图6所示，在该温差发电装置的侧壁设置遮阳伞12，当白天时，打开遮阳伞，遮阳伞阻挡了光线照射反射镜10，防止反射镜反射的阳光加热辐射制冷层。夜间时，如图7所示收起遮阳伞，辐射制冷层辐射的红外线经反射镜反射至深空，从而使得吸光屏热层与辐射制冷层两极产生温差，从而实现夜间的发电。在优选方案中，遮阳伞表面设置可见光增反且红外光增透膜，该膜层既可遮挡阳光，又不影响白天时辐射制冷层辐射的红外线经反射镜反射至深空。
[0063]
在一个实施例中，如图8所示，一种太阳能发电装置，将顶部的吸光屏热层替换为光伏板，其余部分与图6,7相同。所述光伏板自下而上设置为p型硅层13、n型硅层14、增透膜16，所述p型硅层底部设置正电极17，n型硅层顶部设置负电极15两面分别制作负电极15和正电极17。
[0064]
增透膜可以减少反射，保证太阳光利用率，p型硅层和n型硅层形成pn结，白天一部分太阳光被光伏板吸收，在光照下形成半导体效应产生电动势。多余的热量通过导热胶传递给温差发电片，此时温差发电片和光伏板可以同时发电，通过将二者的电极串联可提供更高的发电功率，也提高了太阳能的利用率。该方案可以实现光伏、辐射制冷发电。
[0065]
上述实施例只为说明本技术的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本技术的内容并据以实施，并不能以此限制本技术的保护范围。凡如本技术精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本技术的保护范围之内。