CN101313419A - 多功能能量转换器 - Google Patents
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Abstract
一种用于转换能量的系统(10)，所述系统(10)具有在第一热交换器(15)和第二热交换器(20)之间串联地电连接的热电设备(60)的阵列，所述第一热交换器(15)与所述阵列的第一表面(61)接触，所述第二热交换器(20)与所述阵列(60)的第二表面(63)接触，所述第二表面与所述第一表面相对。在所述第一表面和所述第二表面之间施加热梯度时，所述阵列(60)能够产生DC电流(70)。当DC电流施加给所述阵列时，在工作表面处产生废热加热或废热冷却。
Description
技术领域
本发明涉及一种作为集成的冷热电(CHP)联产系统的部分、能够在热能和电能之间直接转换的能量转换器，其中废热和电力是充裕而可利用的。
背景技术
为同时满足各种应用和环境中的冷却、加热和电载荷，集成的CHP系统面临挑战。不同载荷的性质要求集成CHP系统具有灵活的操作模式且提供灵活的冷却、加热和供电容量。虽然常规的CHP方案可用于满足主载荷，而辅助冷却、加热和发电系统必须用于满足一天各个时刻或季节的波动载荷。常规地，除了CHP系统之外，使用电力网来满足附加的电载荷需求。使用蒸汽压缩系统来满足附加的冷却载荷需求。使用加热系统来满足附加的加热需求。常规的方案是庞大的、有噪音的，需要复杂的控制系统，且通常需要较长的时间来实现令人满意的冷却或加热状况。因而，它们是不便利和无效率的。另外，当前的常规系统还依靠电力网且由于它们具有许多移动部分因而具有较低的系统可靠性。
因此，需要一种能够在热能(释放或吸收的热)和电能(电力)之间直接转换的能量转换器作为缓冲系统，以满足常规CHP系统的辅助系统能够独立地满足的各种载荷的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用单个系统的多功能能量转换器，所述能量转换器能够在电能和热能之间直接转换。
本发明的目的也在于提供一种使用单个系统的多功能能量转换器，所述能量转换器使用热电元件阵列以在电能和热能(冷却和加热)之间直接转换。
本发明的又一目的在于提供一种多功能能量转换器，所述能量转换器将热梯度应用于热电元件阵列，以产生热电元件上的电压。
本发明的又一目的在于提供一种多功能能量转换器，当DC电压施加在元件阵列上时，所述能量转换器在热电元件的一个表面处产生冷却且在热电元件与冷却表面相对的另一表面处产生加热。
本发明的这些和其它目的通过在第一热交换器和第二热交换器之间串联地电连接的热电元件阵列提供，所述第一热交换器与所述阵列的第一表面接触，所述第一表面是工作表面，所述第二热交换器与所述阵列的第二表面接触，所述第二表面与所述第一表面相对。在所述第一表面和所述第二表面之间施加温度梯度时，所述热电元件阵列能够产生DC电流。所述热电元件阵列也能够在所述工作表面处从所述工作表面处的废热加热或冷却提供热能给流体或从流体吸收热能。
提供一种具有串联地电连接的热电元件阵列的用于转换能量的系统。所述系统也设置有覆盖所述阵列一个表面的第一基底和覆盖所述阵列第二表面的第二基底，所述第二表面与所述阵列的第一表面相对，所述第一表面为工作表面。在所述第一基底和所述第二基底之间施加温度梯度时，所述热电元件阵列能够产生DC电流，或提供热能给所述工作表面。
附图说明
图1图示了设置用于发电模式的本发明的第一实施例；
图2图示了设置用于冷却模式的本发明的第二实施例；和
图3图示了设置用于加热模式的本发明的第三实施例。
具体实施方式
参见图1，本发明的系统10的第一实施例显示为发电模式。在该实施例中，系统10具有热交换器15和热交换器20。相对于热交换器20，热交换器15具有来自废热的高的温度，废热以箭头方向流动。热交换器20由水冷却。系统10具有隔断阀45和50，以允许热交换器15和20一起生成跨过热电设备60的热梯度。热电设备60具有相对的表面61和63。该温度梯度使得电流70在端子75和80之间流动，该现象称为塞贝克效应。
位于热交换器15和20之间的热电设备60以P和N接头65阵列布置，所述接头65通过电接触62串连设置。当施加热梯度时，在端子75和80上产生DC电压且电流70流动通过接头65。DC电压在DC-AC转换器85中转换为AC电压。基底66将系统10保持在一起，且机械地和电气地隔离热电接头65。热电设备60的表面61变冷且表面63变热。在该示例中，热水90和冷水95分别流动通过热交换器15和20。不管热还是冷流体流动产生的其它操作模式也可以使用。
使用图1实施例的热电接头65产生的电力可以用于给在各种地理位置和周边环境中电力短缺且废热充裕的CHP系统的补充电力。该系统不需要地理隔离。该系统可以为现场居住社区、办公室、校园或独立建筑。由例如来自原动机的废热产生的热梯度可以用于产生发电满足峰值电载荷所需要的热梯度。可替换地，产生的电力可以在峰值电力需求时期用于给CHP系统的其它部件提供电力。
参见图2，与第一实施例所述类似的元件结构重新构造，以提供冷却系统100。在本发明的第二实施例中，来自电源105的DC电压施加在系统100上且电流110以所示方向流动。热电设备115中的P和N接头112从表面120(工作表面)吸收热，且在相对的侧释放热给表面125。被吸热的表面120变冷，被放热的表面125变热。该“热泵”现象称为塞贝克效应，通常用于热电制冷。在该实施例中，流动通过热交换器140的水130提供热给表面120以被冷却。流动通过热交换器145的水135将热运离表面125且被加热。类似于系统10的系统100具有电连接器142以串连连接对(pair)112。基底144机械地保持系统100且电气地绝缘对112。用于该结构的电源105可以为电池、燃料电池、或用于供电或简单地从CHP系统产生的过多电力供电的任何其它类似设备。
使用图2的结构的有益效果在于，在需要附加冷却(例如夏天)且CHP系统产生过多的电力期间，系统能够提供常规CHP系统之外的附加冷却。另外，由于冷却系统使用热电模块而不使用压缩机或其它常规空气调节部件，需要最少的维护。此外，图2系统的通用性通过颠倒DC电源105的极性使得热以相反的方向抽吸，从而将冷却系统100转换为加热系统。
参见图3，在本发明的第三实施例中，热电系统构造为加热系统160。在该实施例中，除了电源165的极性颠倒且电流170以相反的方向流动之外，使用与图2实施例相同的部件。在图3中，电流170流动通过热电设备220的P和N对215，且在表面180和185处产生温度梯度。在表面185处热被吸收且表面变冷。流动通过热交换器205的水195被冷却。在表面180(工作表面)处，热以箭头方向释放且流动通过热交换器200的水变热。
图3系统160的实施例可以用于在年度较冷的月份期间在CHP系统中提供附加的加热。图3的系统也提供图2结构的有益效果。系统的主要有益效果在于，通过从废热产生DC电流、在工作表面处产生冷却或加热效应，单个系统与常规CHP系统组合可以在整年中独立地满足系统的冷却、加热和供电需求。
虽然本披露已经关于一个或更多示范性实施例描述，本领域技术人员应当理解的是，可以进行各种修改且等价物可以替换其元件，而不偏离本发明的范围。此外，可以进行许多修改以使特定条件或材料适于本披露的教导，而不偏离本发明的范围。因此，本披露不限于作为实施本发明最佳模式披露的特定实施例，而本发明将包括落入所附权利要求书的所有实施例。
Claims (18)
1.一种用于转换能量的系统(10)，所述系统(10)包括：
热电设备(60)的阵列，所述热电设备(60)的阵列在第一热交换器(15)和第二热交换器(20)之间串联地电连接，所述第一热交换器(15)与第一表面接触，所述第一表面是所述阵列的工作表面(61)，所述第二热交换器(20)与所述阵列的第二表面(63)接触，所述第二表面与所述第一表面相对，
其中，所述热电设备(60)的阵列能够在所述第一表面和所述第二表面之间的温度梯度被施加时产生DC电流(70)并且为所述工作表面处的流体提供热能。
2.根据权利要求1所述的用于转换能量的系统(10)，其特征在于，所述第一热交换器(15)传输第一流体且所述第二热交换器(20)传输第二流体，以使热梯度在所述热电设备(60)的阵列中产生。
3.根据权利要求2所述的用于转换能量的系统(10)，其特征在于，所述热梯度在所述热电设备(60)的阵列中产生DC电流(70)，所述DC电流被转换为AC电流。
4.根据权利要求1所述的用于转换能量的系统(10)，其特征在于，施加给所述热电设备(60)的DC电流引起所述阵列的所述第一表面(63)处的温度变化，该温度变化在量值上与所述阵列的所述第二表面(61)处的温度变化相反。
5.根据权利要求4所述的用于转换能量的系统(10)，其特征在于，所述阵列的所述第一表面(63)放热，所述阵列的所述第二表面(61)吸热。
6.根据权利要求4所述的用于转换能量的系统(10)，其特征在于，所述阵列的所述第一表面(63)吸热，所述阵列的所述第二表面(61)放热。
7.根据权利要求1所述的用于转换能量的系统(10)，其特征在于，所述热电设备(60)的阵列包括交替极性半导体材料对，所述交替极性半导体材料对各自通过电触头(62)连接。
8.一种用于转换能量的系统(10)，所述系统(10)包括：
串联地电连接的热电设备(60)的阵列；和
覆盖所述阵列一个表面的第一基底(66)和覆盖所述阵列的第二表面的不同的第二基底(64)，所述第二表面与所述阵列的所述第一表面相对，所述第一基底(66)为所述工作表面，
其中，所述热电设备(60)的阵列能够在所述第一基底(66)和所述第二基底(64)之间的温度梯度被施加时产生DC电流(70)并提供热能给所述工作表面。
9.根据权利要求8所述的系统(10)，其特征在于，施加给所述第一和第二基底(64、66)中的一个的热量和施加给所述第一和第二基底(64、66)中的另一个的冷却使DC电流(70)流动通过所述热电设备(60)的阵列。
10.根据权利要求9所述的系统(10)，其特征在于，与所述第一基底(64)相接的第一热交换器(15)传输热的流体，且与所述第二基底(66)相接的第二热交换器(20)传输冷的流体。
11.根据权利要求9所述的系统(10)，其特征在于，施加给所述热电设备(60)的DC电流产生所述阵列的所述第一表面(61)处的温度，该温度在量值上与所述阵列的所述第二表面(63)处的温度相反。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述阵列的所述第一表面(61)放热，所述阵列的所述第二表面吸热。
13.根据权利要求11所述的系统(10)，其特征在于，所述阵列的所述第一表面吸热，所述阵列的所述第二表面放热。
14.根据权利要求9所述的系统(10)，其特征在于，所述热电设备(60)的阵列包括交替极性半导体材料接头(65)，所述接头(65)各自通过电触头(62)连接。
15.根据权利要求9所述的系统(10)，其特征在于，在所述热电设备(60)的阵列上产生的所述DC电流在AC转换器(85)中被转换成AC电流。
16.根据权利要求9所述的系统(10)，其特征在于，所述热能是废热冷却或废热加热。
17.一种用于在如在此参见附图中的图1、2和3中的任何一个所描述的两个不同模式之间转换能量的系统(10)。
18.一种用于在如在此参见附图中的图1、2和3中的任何一个所描述的三个不同模式之间转换能量的系统(10)。
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