CN101640247A - 热电能源产生器及其快速储能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种热电能源产生器及一快速储能系统，其中该热电能源产生器由一热电晶片、一吸热片、一散热片所构成。其中吸热片配置在热电晶片的热端，用以将一热源的热量尽量保持住，使得热电晶片的热端可以保持在高温状态；散热片配置在热电晶片的冷端，用以散去热电晶片冷端的热量。借此热电晶片冷热两端具有较大温差而可以提高热电转换效率。利用前述的热电能源产生器连接一具有超电容架构的快速储能介面，则该快速储能介面可以快速地充电且放电给另一储能装置，借此形成一快速储能系统且达到将微小电力迅速储存的功效。

Description

热电能源产生器及其快速储能系统

技术领域

本发明是关于一种能源产生器及储能系统，特别是一种利用热电转换晶片将热能转换成电能的热电能源产生器，以及能进一步将能源产生器所产生的电能快速储存的储能系统。

背景技术

热电晶片的热电能源转换的基本工作原理可以用单一组N型热电材料和P型热电材料所形成接面的热电堆现象来说明，通过该PN接面热电堆的冷热两端因受热不均匀所产生的温差，使得热电材料内的主要传导载子(P型为电洞，N型为电子)由高温的热端往低温的冷端扩散，而导致PN接面热电堆在冷端处有正、负电荷的累积(其中P型冷端处累积正电荷，而N型冷端处则累积负电荷)而产生电位差，是为Seebeck效应的热电转换或热差生电现象。

已知的一些关于利用热电晶片来进行热电能源转换的专利前案包含如下：

(1)美国专利第5921187号「METHOD AND APPARATUS FOR COOLING INTEGRATEDCIRCUITS USING A THERMOELECTRIC MODULE 」揭露利用一热电晶片来取得一处理器(CPU)所散出的热能并执行热电转换；值得注意的是，该热电晶片的热端直接贴设在CPU上，冷端通过一风扇进行散热。另外，热电晶片所产生的电能直接提供给该风扇。

(2)美国专利第6799282号「POWER GENERATING MECHANISM THAT HAS A DUCT，HEATPIPE，OR HEAT SINK TO EFFICIENTLY DIFFUSE HEAT GENERATED BY A HEAT 」揭露利用一热电晶片贴设在一CPU表面，并且通过一风扇引导空气流向热电晶片表面散热，借此使得该热电晶片能够将热能转换成电能。

(3)美国专利第7180264号「FUEL FLEXIBLE THERMOELECTRIC GENERATOR WITHBATTERY CHARGER 」揭露利用燃油来产生热能，热电晶片在取得热能后进行热电转换以产生电能。其中该热电晶片冷端直接与空气接触进行散热，而无借助其他冷却装置。

(4)台湾专利第497669号「热电能量转换结构」揭露利用燃油、蜡烛、酒精等提供燃烧热能，再以一热电晶片取得热能进行热电转换，在热电晶片的冷端配设有散热鳍片以提高散热效果。

(5)台湾专利第M286408号「热电转换型散热总成」揭露一导热板贴设在一CPU表面，且一热电模组贴设在该导热板表面，如此CPU所产生的热量可以通过该导热板快速地传导到热电模组以进行热电转换；对应热电模组的冷端配设有一散热鳍片及风扇，以提高散热效果。

(6)中国专利第1809847.9号揭露一连接市电的热电组件配接于一电脑CPU上，且热电组件具有一散热片，此外一风扇对应该散热片。如此在热电组件、散热片及风扇的作用下，可以快速散去CPU所产生的热能。

(7)中国专利第200580019773.3号揭露一种热电转换模块，其具有半导体层，且在半导体层的相对端配置有良导热性的基板。值得注意的是，在基板与半导体层之间更配置有阳极氧化膜以确保基板与极间的电绝缘性。换言之，该专利前案没有教示如何提高散热效能及提高热电转换效率。

以上除了美国专利第7180264号及中国专利第200580019773.3号外，其余专利前案的共同特点是对应热电晶片的冷端配设有冷却装置，例如风扇或散热鳍片，使得冷端的温度下降。配设风扇或散热鳍片的目的主要是让热电晶片冷端快速地降低温度，借此热端与冷端能够形成较大的温差而有利于热电转换效率的提升。至于美国专利第7180264号与中国专利第200580019773.3号皆使热电晶片的冷端热量直接散逸于空气中的作法，则因为散热速度慢，所以热电转换效率并不佳。

虽然其余专利前案的热电晶片通过风扇或散热鳍片提高了冷端的散热效率，但是这些专利前案采用热电晶片的热端直接与热源接触或通过导热板传导热量的设计，使得热电晶片的热端无法有效且确实地保持住热能，进而造成热电晶片的冷热端温差减少，也因此而导致热电晶片的热电转换效率仍未臻理想；此外风扇与散热鳍片皆具有较大的体积，所以不利于安装及空间的利用率。

发明内容

本发明的设计概念主要是使热电晶片的热端能够有效地保持住热能，而冷端能够快速的散热，如此便可以使热电晶片的冷热端温差加大，以达到更好的热电转换效率。因此，本发明的主要目的之一是提供一种热电能源产生器，其具有能够提高热电转换效率的功效。

本发明的另一目的是提供一种热电能源快速储能系统，其具有能够快速累积小量电能以形成较大电能且储置于另一储能装置，借此达到快速储能的效果。

根据本发明所揭示的目的及功效，该热电能源产生器包含一热电晶片具有一热端及一冷端，且冷端与热端位在相对侧；一吸热片结合在该热电晶片的热端且接触热源，其能够保持住热能；一散热片结合在该热电晶片的冷端，其具有薄型化结构且能够快速散热。

又本发明所揭示的热电能源快速储能系统包含一热电能源产生器，其是由一热电晶片与一吸热片及一散热片所构成，且吸热片及散热片分别配设于热电晶片的热端与冷端；一储能装置用以蓄存该热电能源产生器所产生的电能；以及一快速储能介面配设在该热电能源产生器及该储能装置之间，用以快速地取得该热电能源产生器所产生的电能且快速传递至该储能装置，借此使得小量电能可以快速累积形成较大电能且储置于一储能装置中。

本发明的有益效果在于，本发明的热电能源产生器可以达到加大热电晶片的冷热端温差的目的，以及提高热电转换效率的效果，而且该薄型化的散热片可以提高空间的利用率。此外，本发明的热电能源快速储能系统包括快速储能介面和储能装置，该快速储能介面是超电容装置，所以可快速放电，而使得储能装置快速储能。因此通过使用该快速储能介面，可以使得整个储能系统达到将微小电力迅速累积及储存的功效。

以下即依本发明的目的、功效及结构组态，举一较佳实施例，并配合图式详细说明。

附图说明

图1为本发明热电能源产生器的结构示意图。

图2为本发明于热源温度固定在150℃的情况下，热电能源产生器的热电晶片冷热端温差与输出电压随时间变化的关系图。

图3为本发明的热电能源产生器于不同热源温度的情况下，热电晶片的稳定冷热端温差与稳定输出电压随不同热源温度变化的关系图。

图4为本发明的热电能源产生器于不同热源温度的情况下，热电晶片的稳定冷热端温差与热电转换效率随不同热源温度变化的关系图。

图5为本发明的热电能源产生器直接提供电能给一用电装置的示意图。

图6为本发明的快速储能系统示意图。

图7为本发明的热电能源产生器的输出电能对储能装置的充电量饱和度与时间的关系图。其中，(a)曲线为有透过快速储能介面；(b)曲线为未透过快速储能介面的充电情形。

【主要元件符号说明】

10热电能源产生器              11热电晶片

12热端                        14冷端

20吸热片                      22金属片

24保热材料                    30散热片

32金属片                      34散热器

342金属薄片                   344、346绝缘膜

40热源                        50用电装置

60快速储能介面                70储能装置

具体实施方式

请参阅图1，一热电能源产生器10是以一热电晶片11进行热电转换。该热电晶片11具有一热端12及一冷端14，且该热端12与该冷端14分别位在相对侧。该热电晶片11由复数组的N型热电材料和P型热电材料所构成。

一吸热片20结合在该热电晶片11的热端12。更进一步而言，该吸热片20为一金属片22表面具有保热材料24。该金属片22为薄片型的铜片或铝片；该保热材料24为黑色光阻或炭黑。

该吸热片20的一侧贴设在一热源40上用以吸取热量，且通过保热材料24的作用使热量保持在该热电晶片11的热端12，所以该热端12能够保持在高温状态。上述的热源40可以是高温的汽机车引擎、高温的家用电器，或是高热的灯具等等。

一散热片30贴设在该热电晶片11的冷端14可快速地导热及散热，使得冷端14保持在低温状态。该散热片30包含一金属片32且在一表面贴设一薄片状的软性散热器34。然而，该散热器34的结构仅是作为实施例说明，并不以此为限，在空间大小许可的情况下，该散热器34也可以是鳍片式散热器，或是风扇。

该软性散热器34的结构可以是一金属薄片342被夹在二绝缘膜344和346之间。

根据以上本发明的结构组成，其可预期地以该吸热片20吸收热源40的热能且维持在该热电晶片11的热端12，使得热端12可以保持在高温且温度不致于快速地传导到冷端14。又该散热片30可以快速地将冷端14的热量散去而形成低温状态。如此，该热电晶片11的热端12与冷端14可以有较大的温差，进而提高热电晶片的热电转换效率。

请参阅图2，针对本发明所揭露的热电能源产生器于热源温度固定在150℃的情况下，所造成冷热端温差与输出电压随时间变化的关系。由图中可见，约10分钟后，热电晶片的冷热端温差与输出电压皆可呈现稳定的状态。由此可见本发明所揭露的热电能源产生器的确具有可以让热电晶片的冷热端保持稳定且具有较大的温差效果，进而可得到较大且稳定的电压输出。

请参阅图3，本发明的热电能源产生器于不同热源温度的情况下，热电晶片的稳定冷热端温差与稳定输出电压随不同热源温度变化的关系，结果显示随着热源温度的升高，则冷热端温差就愈大，而输出电压也就跟着愈大。

请参阅图4，本发明的热电能源产生器于不同热源温度的情况下，热电晶片的稳定冷热端温差与热电转换效率随热源温度变化的关系，很明显地随着热源温度的升高，热电晶片的热电转换效率也会随着冷热端温差的增加而增大。

请参阅图5，由以上的说明内容可知该热电能源产生器10具有长时间提供稳定电压的效果，因此将该热电能源产生器10配设在一热源40上进行热电转换，且该热电能源产生器10的输出端连接一用电装置50，例如风扇、马达、充电器等等，则可以达到直接供电驱动的效果。

请参阅图6，本发明的热电能源产生器10配合一快速储能介面60及一储能装置70构成一储能系统。值得注意的是，该快速储能介面60可以是一个超电容装置，而储能装置70可以是充电电池。该热电能源产生器10取得热源40上的热能并进行热电转换所产生的电能，对于该快速储能介面60可以达到快速充电的效果；接着该快速储能介面60对该储能装置70进行放电，由于该快速储能介面60是超电容装置，所以可快速放电，而使得该储能装置70快速储能。因此通过使用该快速储能介面60(超电容装置)，可以使得整个储能系统达到将微小电力迅速累积及储存的功效。

请参阅图7，其为热电能源产生器所产生的电能有无透过快速储能介面而对储能装置进行充电的比较图，很明显地有使用快速储能介面，如(a)曲线，其充电时间比起未使用快速储能介面而直接对储能装置进行充电，如(b)曲线，所花费的时间短少很多，因此证明本发明的储能系统确实具有快速充电的效果。

以上为本发明的较佳实施例以及设计图式，该较佳实施例以及设计图式仅是举例说明，并非用于限制本发明技术方案的权利范围，凡以均等的技艺手段、或为「权利要求」内容所涵盖的权利范围而实施的，均不脱离本发明的范畴而为申请人的权利范围。

Claims (11)

1.一种热电能源产生器，用以将一热源所产生的热能转换成电能，其特征在于，包含：

一热电晶片，具有相对侧的一热端及一冷端；

一吸热片，其表面具有保热物质且结合在该热电晶片的热端接触该热源；

一散热片，具有薄型化的片状结构且结合在该热电晶片的冷端。

2.如权利要求1所述的热电能源产生器，其特征在于，该吸热片为一金属片且表面涂覆该保热物质。

3.如权利要求2所述的热电能源产生器，其特征在于，该保热物质为黑色光阻或炭黑。

4.如权利要求1所述的热电能源产生器，其特征在于，该散热片为一金属片的一表面贴设一散热器。

5.如权利要求1所述的热电能源产生器，其特征在于，该散热器为一金属薄片被夹在二绝缘膜之间。

6.一种热电能源快速储能系统，用以储存热电转换后的能源，其特征在于，包含：

一热电能源产生器，为一热电晶片的相对侧分别配设一吸热片及一散热片所构成且通过冷热端温差来产生电能；

一储能装置，用以蓄存该热电能源产生器所产生的电能；

一快速储能介面，配设在该热电能源产生器与该储能装置之间，用以取得该热电能源产生器所产生的电能且传递至该储能装置。

7.如权利要求6所述的热电能源快速储能系统，其特征在于，该快速储能介面为一超电容装置。

8.如权利要求6所述的热电能源快速储能系统，其特征在于，更包含保热物质配置在该吸热片表面。

9.如权利要求8所述的热电能源快速储能系统，其特征在于，该吸热片为一金属片，该保热物质为黑色光阻或炭黑涂覆在该金属片表面。

10.如权利要求6所述的热电能源快速储能系统，其特征在于，该散热片具有薄型化的片状结构，包含一金属片表面贴设一散热器。

11.如权利要求10所述的热电能源快速储能系统，其特征在于，该散热器为一金属薄片被夹在二绝缘膜之间。

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