專利名稱：一種冷能溫差發電裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種冷能溫差發電裝置，具體屬低溫冷能回收技術領域。
背景技術：
氣體產品作為現代工業重要的基礎原料，應用范圍十分廣泛，在冶金、鋼鐵、石油、化工、機械、電子、玻璃、陶瓷、建材、建筑、食品加工、醫藥醫療等部門，均使用大量。因為氣體產品的應用覆蓋面大，一般將氣體的生產和供應與供電、供水一樣，作為工業投資環境的基礎設施，被視為國民經濟“命脈”而列為公用事業行業。為了便于大量的儲存和輸運，通常將氣體進行液化，變成液化氣體以提高運輸和儲存的效率。使用時，再將液化氣體如LNG、液氮、液氧、液體二氧化碳、液氨等轉化為常溫氣體，這個過程中大量的可用冷能釋放出來，目前這部分冷能的大部分沒有得到有效的利用，浪費了大量的寶貴資源。以LNG為例:目前世界上的LNG冷能利用項目大都是單一用戶，極少有多用戶集成的項目，迄今僅有約20%LNG的冷能被利用；冷能利用量僅占LNG冷能總量的8%左右。在現在的利用技術中，除空分利用的溫位在-145 _75°C外，其他用戶用冷溫位大都與LNG氣化的冷能溫度分布不匹配，即“高質低用”，過程可用能損失大。目前對LNG所具有的冷能加以利用的方法主要有:直接利用(冷能發電、空氣分離、冷凍等)和間接利用(低溫粉碎、廢水和污染物處理等)。應用較多的是利用LNG冷能發電，相關技術也較為成熟。其優勢主要有4個方面:一是有利于優化和調整電源結構；二是有利于緩解環境保護的壓力；三是可提高發電的能源利用效率；四是可減輕電網輸電和電網建設的壓力。但目前的冷能發電其實質只是冷能的低品位利用。預計到本世紀中葉，若以中國消耗天然氣5000*108m3/a，其中進口 LNG1000*108m3/a計(相當于日本目前的進口量)，可用冷能折合電能為257*108kWh/a，相當于一個600*104kW電站的年發電量。因此如何使LNG冷能利用實現技術、管理機制、市場運作等各方面的突破，力爭使LNG冷能的利用率達到70%以上，有效能利用率爭取達到40%，居于世界前列，在取得巨大的節能和經濟效益同時，推動包括空分、煤富氧氣化在內的大型冷能產業鏈的快速發展，以期為我國全面實現循環型經濟和節約型經濟做出貢獻，值得深入思考。同時，中國經濟的快速發展和模式轉型決定了大規模利用LNG冷能的絕對必要性，并提供了宏大的冷能用戶市場。大型LNG接收站的冷能，首先要瞄準大空分、煤氣化、輕烴分離等大規模市場。傳統的冷能產業也需要在循環經濟模式下，集成利用。應當指出，除了大型LNG接收站以外，中國還將有幾百個小型罐箱運輸的LNG衛星氣化站，以及遍布全國的高壓天然氣管網分輸到各個終端用戶的中低壓管網時利用壓力差的能量，通過膨脹機或氣波制冷獲得的冷能。這些都是寶貴的能源和財富，冷能總量不小于大型LNG接收站，應當統籌規劃、充分利用。LNG冷能迄今沒有實現大規模綜合利用，在技術上的癥結主要是LNG氣化操作和下游用戶對冷能的利用在時間和空間上的不同步。時間不同步是由于接收站負荷必須根據下游需求而變化，主要有季節性和晝夜性兩類波動；而冷能用戶對冷能負荷的需求隨生產過程、市場需求而變化。兩者的規律完全不同，基本上是不同步的。空間不同步是由于接收站只需考慮碼頭、LNG儲罐、氣化設施等即可，占地面積并不大；可是冷能利用的下游用戶，無論是空分、輕烴分離，還是廢輪胎低溫粉碎、干冰、冷庫等，占地面積都較大，即使盡量靠近接收站布置，冷能運輸距離也通常會超過1km。這就產生了兩個問題:一是安全和負荷調節等因數決定LNG氣化操作必須由接收站絕對掌握，不可能分散給遠距離、多個冷能用戶去進行；二是如此低溫冷能長距離運輸會造成較大冷損、冷能降質，經濟效益降低。如果不能解決這兩個問題，大規模LNG冷能的綜合、充分利用是不可能的。其他液化氣體產品也有跟LNG類似的問題。1821年，德國科學家塞貝克(Seebeck)第一個發現了溫差電現象，即在由兩種不同的導體組成的開路中，如果導體的兩個結點存在溫度差，開路中將產生電動勢Etl,這就是塞貝克效應。由塞貝克效應所產生的電動勢稱溫差電動勢。之所以稱為溫差電，是因為后來人們認識到指南針的偏轉是由于溫差使回路產生電流而引起的。約12年后，法國的帕爾帖(Peltier)發現電流流過兩種不同導體的界面時，將從外界得到或放出熱量，這就是帕爾帖效應。由帕爾帖效應產生的熱流量稱帕爾帖熱。但他沒有意識到他的發現的本質以及與塞貝克效應之間的關系。直到1838年，帕爾帖現象的本質才由楞次給予了正確的解釋。1855年，湯姆遜發現并建立了塞貝克效應與帕爾帖效應的關系，并預言了第三種溫差電現象，即湯姆遜效應的存在；后來他又從實驗上證明了這種效應。湯姆遜關系的發現對后來的溫差電學和熱力學發展起了極大的推動作用。1947年泰克斯研制成功第一臺溫差發電器，但發電效率僅為1.5%。之后軍事、航天領域電源的需要推動了溫差發電器的迅速發展。1949年原蘇聯的約飛提出了關于半導體溫差電的理論，同時在實際應用方面做了許多工作，1953年研制出溫差電家用冰箱樣機，并與1956年出版了《半導體熱電元件與熱電制冷》一書，可以認為是溫差電轉換效應實用化電器產品的開端，此后的發展十分迅速。但與其它半導體器件的發展相比，卻是緩慢的。影響溫差電轉換功率應用的最大制約因數是它們的轉換效率太低，難以與傳統的功率轉換器相比，研究一度進入低潮。然而，1959年齊納博士預言溫差電材料能夠實現類似于氟利昂壓縮式制冷或渦輪發電機那樣的性能，這無疑給溫差電器件的產業化注入了強心劑、興奮劑。60年代初期，一下子就出現了上百家專業工廠，也大大激發了科學家們為尋求更高優值材料而在基礎理論和新材料探索方面的熱情。人們對以碲化鉍(Bi2Te3)為基礎的膺二元、膺三元合金系進行了深入的研究。盡管如此，數十年來材料性能的提高卻十分緩慢。相比而言，器件的制備工藝則日趨完善，產品形成標準化、系列化，生產形成規模化。但是作為一類固體換能器件，它的優點又是無可比擬的，隨著應用領域的不斷拓展和水平的提高，日趨成熟的各類溫差電器件的優點得到更多的重視，在眾多的領域中得到應用。這些特點包括無運動部件、無噪聲、容易微型化、易于控制、可靠性高、壽命長等，可靠性高是其主要優點，通常設計中無需采用其他形式的傳熱工質，因此就避免了諸如振動、壓力、密封系統等許多設備制造中常碰到的問題。在許多不是以能量轉換效率為主要考慮因數的應用場合，溫差電具有不可取代的優點。在保護環境呼聲日高的今天，溫差電轉換器件又因其不污染環境、可利用廢熱和可再生能源的潛力而進一步得到重視。上世紀末，蓬勃發展的超導轉變溫度在液氮溫度以上的高溫超導材料及其應用堪稱為最重大的科技成果，為適應這一未來應用前景十分廣闊的對低溫條件的需求，溫差電制冷也把獲得這樣的低溫作為一項重要內容。這一努力包括進一步選擇可能的材料。令人遺憾的是齊納的預言至今未能實現。而且到目前為止，還難以確定能否實現，也就是說，單純從能量轉換效率的角度來看，溫差電還不能與傳統的模式相比擬。之所以未能取得重大突破，其根本原因是沒有正確的制冷理論指導、未意識到溫差電轉換裝置真正適宜的高效率的應用領域是低于環境溫度的低溫領域，即冷能的冷電轉換領域，且未能找到冷能發電的高效模式。如能有效解決上述問題，溫差電材料完全能夠實現類似于氟利昂壓縮式制冷或渦輪發電機那樣的性能，實現齊納博士的預言，本發明即是對上述問題的理論和實踐的探索。傳統制冷理論的主要基礎是熱力學，即采用同溫差的卡諾逆循環分析制冷循環過程，制冷循環的經濟性指標是制冷系數，就是得到的收益和耗費的代價之比值，并且以大氣環境溫度Ttl與溫度為Tc低溫熱源(如冷庫)之間的一切制冷循環，以逆向卡諾循環的制冷系數為最聞:
權利要求1.一種冷能溫差發電裝置，該裝置包括冷能溫差發電裝置及回冷裝置，其特征在于: 從液化氣體貯罐(I)出來的液化氣體(2)，經液壓泵(3)或節流閥(3-1)送入冷能溫差發電裝置(4)，通過溫差電偶組(4-1)將冷量回收通道(4-2)中液化氣體(2)釋放出的冷量轉換成電能，未轉化的冷能傳遞給回冷管線(7)送來的溫度較高的氣體，釋放出冷量、溫度升高的氣體經供氣管線(5)送至氣體使用系統(6);從供氣管線(5)引出的氣體經回冷管線(7)、壓氣機(8)增壓升溫后，作為回冷工質進入冷能溫差發電裝置(4)的回冷通道(4-3)，經冷能溫差發電裝置(4)形成液化氣體或氣體，返回液化氣體貯罐(I)或冷能溫差發電裝置進口管線(3-2);溫差電偶組(4-1)產生的直流電經直流電轉換及輸出裝置(4-4)輸出，從而實現液化氣體冷能的高效回收利用； 或從液化氣體 貯罐(I)出來的液化氣體(2)，經液壓泵(3)或節流閥(3-1)送入冷能溫差發電裝置(4)的冷量回收通道(4-2)將冷量通過溫差電偶組(4-1)轉換成電能，未轉換的冷量傳遞給返流管線(10)送來的溫度較高的氣體，釋放出冷量、溫度升高的氣體經供氣管線(5)送至氣體使用系統(6);從氣體使用系統(6)出來的氣體經返流管線(9)、壓氣機(8)進入冷能溫差發電裝置⑷的回冷通道(4-3)，經冷能溫差發電裝置(4)形成液化氣體或氣體，返回液化氣體貯罐(I)或冷能溫差發電裝置進口管線(3-2);溫差電偶組產生的直流電經直流電轉換及輸出裝置(4-4)輸出，從而實現外供液化氣體冷能的高效回收利用。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特征在于: 設有調溫器(10):從液化氣體貯罐(I)出來的液化氣體(2)，經液壓泵(3)增壓后送入冷能溫差發電裝置(4)的冷量回收通道(4-2)，通過溫差電偶組(4-1)將冷量轉換成電能，未轉換的冷量傳遞給返流管線(9)送來的溫度較高的氣體，釋放出冷量、溫度升高的氣體經供氣管線(5)送至氣體使用系統(6);從氣體使用系統(6)出來的氣體經返流管線(9)、調溫器(10)、壓氣機(8)進入冷能溫差發電裝置(4)的回冷通道(4-3)，經冷能溫差發電裝置(4)形成液化氣體，返回液化氣體貯罐(I);溫差電偶組產生的直流電經直流電轉換及輸出裝置(4-4)輸出，從而實現外供液化氣體冷能的高效回收利用。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特征在于: 設有冷凝蒸發器(11):從液化氣體貯罐(I)出來的液化氣體(2)，經液壓泵(3)、冷凝蒸發器(11)送入冷能溫差發電裝置(4)，通過冷量回收通道(4-2)將冷量通過溫差電偶組(4-1)轉換成電能，未轉換的冷量傳遞給回冷管線(7)送來的溫度較高的氣體，釋放出冷量、溫度升高的氣體經供氣管線(5)送至氣體使用系統(6);從供氣管線(5)引出的氣體經回冷管線(7)、壓氣機(8)增壓升溫后作為回冷工質進入冷能溫差發電裝置(4)的回冷通道(4-3)，回收冷量、降低溫度，并經冷能溫差發電裝置(4)、冷凝蒸發器(11)形成液化氣體，返回液化氣體貯罐⑴；溫差電偶組產生的直流電經直流電轉換及輸出裝置(4-4)輸出，從而實現外供液化氣體冷能的高效回收利用； 或從液化氣體貯罐(I)出來的液化氣體(2)，經液壓泵(3)、冷凝蒸發器(11)送入冷能溫差發電裝置(4)的冷量回收通道(4-2)將冷量通過溫差電偶組(4-1)轉換成電能，未轉換的冷量傳遞給返流管線(9)送來的溫度較高的氣體，釋放出冷量、溫度升高的氣體經供氣管線(5)送至氣體使用系統(6);從氣體使用系統(6)出來的氣體經返流管線(9)、或和調溫器(10)、壓氣機(8)進入冷能溫差發電裝置(4)的回冷通道(4-3)，回收冷量、降低溫度，并經冷能溫差發電裝置(4)、冷凝蒸發器(11)形成液化氣體，返回液化氣體貯罐(I);溫差電偶組產生的直流電經直流電轉換及輸出裝置(4-4)輸出，從而實現外供液化氣體冷能的高效回收利用。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特征在于: 設有節流閥(12):從供氣管線(5)引出的回冷流體經回冷管線(7)、壓氣機(8)、或和冷凝蒸發器(11)增壓升溫后作為回冷工質進入冷能溫差發電裝置(4)的回冷通道(4-3)，經冷能溫差發電裝置(4)形成液化氣體，通過節流閥(12)返回液化氣體貯罐(I);溫差電偶組(4-1)產生的直流電經直流電轉換及輸出裝置(4-4)輸出，從而實現外供液化氣體冷能的高效回收利用；或從氣體使用系統(6)出來的氣體經返流管線(9)、或和調溫器(10)、壓氣機⑶進入冷能溫差發電裝置⑷的回冷通道(4-3)，經冷能溫差發電裝置(4)形成液化氣體，通過節流閥(12)返回液化氣體貯罐(I);溫差電偶組產生的直流電經直流電轉換及輸出裝置(4-4)輸出，從而實現外供液化氣體冷能的高效回收利用。
5.根據權利要求1至4之一所述的裝置，其特征在于: 所述的冷能溫差發電裝置包括溫差電偶組(4-1)、冷量回收通道(4-2)、回路通道(4-3)及直流電轉換及輸出裝置(4-4)。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特征在于: 所述的溫差電偶組(4-1)采用一組或多組串聯、并聯或串并聯方式進行連接；每組溫差電偶有多級溫差電偶，采用串聯、并聯或串并聯的連接型式。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于: 所述的冷能溫差發電裝置可設置一個或多個，采用串聯、并聯方式或混聯方式進行連接。
8.根據權利要求1至4之一所述的裝置，其特征在于: 所述的冷能溫差發電裝置可設 置一個或多個，采用串聯、并聯方式或混聯方式進行連接。
專利摘要本實用新型涉及一種冷能溫差發電裝置，溫差發電裝置采用小溫差的溫差電偶組合，使溫差電偶的負荷輕、效率高，使用壽命大為延長，且無需采用傳統溫差發電器中的空氣散熱器或循環冷卻水系統，流程設置更加簡潔，結合回冷循環技術高效回收液化氣體的冷能用于發電，冷量的有效能即冷量漣利用率可達35%以上，設備的維修工作量較傳統的溫差發電器有較大程度的降低，經濟、社會、環保效益十分顯著，是對傳統冷能回收技術的突破。
文檔編號H02N11/00GK203039627SQ20132004334
公開日2013年7月3日 申請日期2013年1月27日 優先權日2013年1月27日
發明者王海波 申請人:南京瑞柯徠姆環保科技有限公司