CN101730943A - 用于将热能转换成电能的热电发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将热能转换成电能的热电发电机，其具有多个与模块(10)联接的、设置在热源(Q)与冷源(S)之间的珀耳贴元件(E1、E2、E3...)，其中每个珀耳贴元件(E1、E2、E3...)包括p掺杂柱(Sp)和n掺杂柱(Sn)，该p掺杂柱(Sp)和n掺杂柱(Sn)在其末端处通过电极(11、12)导电相连。根据本发明，各个珀耳贴元件(E1、E2、E3...)的p掺杂柱(Sp1、Sp2、Sp3...)和n掺杂柱(Sn1、Sn2、Sn3...)具有鉴于各个珀耳贴元件(E1、E2、E3...)与热源(Q)接触位置处的不同温度值(T1、T2、T3...)而经效率优化的不同材料(P1、P2、P3...、N1、N2、N3...)。

Description

用于将热能转换成电能的热电发电机
技术领域
本发明涉及一种用于将热能转换成电能的热电发电机，其具有多个与模块联接的、设置在热源与冷源之间的珀耳贴元件(Peltierelement)，其中每个珀耳贴元件包括p掺杂柱(p-dotierter Schenkel)和n掺杂柱(n-dotierter Schenkel)，该p掺杂柱和n掺杂柱在其末端处通过电极导电相连。
背景技术
借助热电发电机TEG或者借助珀耳贴元件的废热利用已在多种应用中所公知。在此情况下，珀耳贴元件用于直接将热量转换成电能。使n型半导体和p型半导体配对并且通过外部的温度梯度来移动载流子，由此电流可以在外部回路中流动。
因此，例如在DE 19946806A1中公开了用于根据塞贝克效应(Seebeck-Effekt)来从热能产生电能的方法和装置，其中在吸收热量的模块导电体与释放热量的模块导电体之间以导热接触的方式设置包括大量珀耳贴元件的珀耳贴模块并且该珀耳贴模块通过珀耳贴元件的元件柱遭受温度梯度。所得到的电压通过珀耳贴模块的串联依次接通被相应放大并且被用于产生电流。作为示例性的应用，描述了充分利用发动机组中的废热或者内燃机排气装置中的废热。
此外，在US 4,095.998A中公开了沿着由废气流流经的废气管路星形地设置的包括p型元件和n型元件的多排热电发电机并且因此回收了热电能。各个p型元件和n型元件被类似地构造。
在DE 102004005151A1中描述了用于测量介质状态的传感器装置和系统，其中，将热电发电机用作例如油状态传感器的能量源，该热电发电机借助珀耳贴元件从要被测量的介质(例如，油)与环境之间的温差获得其能量。
发明内容
在所提及的许多应用中，所使用的热电发电机仅具有约5％的非常低的效率。因此，本发明的任务在于显著提高此效率，尤其是在热源呈现局部不均匀温度分布的时候。
根据本发明，此任务是通过如下方式解决的：各个珀耳贴元件(E1、E2、E3...)的p掺杂柱(Sp1、Sp2、Sp3...)和n掺杂柱(Sn1、Sn2、Sn3、...)根据各个珀耳贴元件(E1、E2、E3...)与热源(Q)接触位置处的不同温度值(T1T2、T3...)而包括不同的材料(P1、P2、P3、...、N1、N2、N3...)。根据本发明的发电机的各个模块化联接的珀耳贴元件的p掺杂柱和n掺杂柱并不是类似地构造的，而是在优化将热能转换成电能的效率意义上用不同的材料来制造。
附图说明
以下根据示意图来进一步说明本发明。附图示出：
图1示出了根据现有技术的珀耳贴元件；
图2示出了根据现有技术的珀耳贴元件的有利的变型；
图3示出了根据本发明的用于将热能转换成电能的热电发电机；
图4示出了根据本发明的热电发电机的优选变型；
图5是关于在0℃与600℃之间的温度范围内经分段的珀耳贴元件的热电效率的图示；以及
图6示出了在0℃与600℃之间的温度范围内对不同地构造的珀耳贴元件的效率的比较。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，参照示出了根据现有技术的实施方式的图1和图2。图1中示出了包括p掺杂柱(p-dotierter Schenkel)Sp和n掺杂柱(n-dotierterSchenkel)Sn的珀耳贴元件E1，该p掺杂柱Sp和n掺杂柱Sn借助电极11和12彼此导电相连。在具有温度T1的热源与具有温度T0的冷源S之间构成了在图的右边部分中示出的温度梯度g。此外，用箭头示出了从热源Q到冷源S的热流dQ/dt。在最简单的情形中，将对于期望的温度范围T0至T1而言具有尽可能好的效率的材料P和N用于柱Sp和柱Sn。
图2示出了对根据图1的珀耳贴元件的改进，其中将p掺杂柱和n掺杂柱细分成具有不同材料P1至P3或者N1至N3的多个部分，以使得在此处可以分别最优地使用与各个梯度曲线g相匹配的材料。
根据图3，本发明现在超过了这个已知的现有技术并且考虑了如下事实：热源Q在与各个珀耳贴元件E1、E2、E3...相接触的位置处可具有不同的温度值T1、T2、T3...，以使得各个珀耳贴元件E1、E2、E3...的p掺杂柱Sp1、Sp2、Sp3...和n掺杂柱Sn1、Sn2、Sn3具有鉴于接触位置处的不同温度值(T1、T2、T3...)而经效率优化的不同材料P1、P2、P3...、N1、N2、N3，。因此，模块10的每个珀耳贴元件可被不同地构造并且最优地跟热源Q与冷源S之间就地普遍存在的温差相匹配。例如，平坦的模块10是可以想象的，其例如最优地利用发动机组的废热或者油池的废热，因为在热源的不同温度的接触位置处可以将不同的半导体材料置入珀耳贴元件E1、E2、E3...。这些半导体材料可以有针对性地根据各个半导体材料的效率图来选择。
各个珀耳贴元件E1、E2、E3...还可以沿着基本上直线延伸的、具有温度梯度G的热源Q来设置，该温度梯度G例如始终从起始温度T1下降到最终温度T3。因此，必须考虑各个珀耳贴元件E1、E2、E3...内的不同温度梯度g1、g2、g3...以及沿着热源Q的温度梯度G。
在一个具体的示例中，可以沿着内燃机的由热废气流经的废气管路来设置各个珀耳贴元件E1、E2、E3...，其中热源Q由该废气管路的表面构成并且冷源S具有环境温度的温度T0。在此情况下，起始温度T1约为600℃，而最终温度T3约为70℃。
在根据图4的实施变型中，p掺杂柱Sp1、Sp2、Sp3...以及n掺杂柱Sn1、Sn2、Sn3...具有各个部分a、b、c...并且鉴于同热源Q相接触的位置的温度值T1、T2、T3...与冷源S的温度值T0之间所呈现的不同温度梯度(g1、g2、g3...)而包括不同的材料P1、P2、P3...、N1、N2、N3...。
根据本发明，另一优化可以按如下方式进行：p掺杂柱Sp1、Sp2、Sp3...以及n掺杂柱Sn1、Sn2、Sn3...的各个部分a、b、c...根据分别存在的温度梯度g1、g2、g3...而具有不同的长度。
作为示例，图5中示出了在0℃与600℃之间的温度范围内经分段的珀耳贴元件的热电效率。p掺杂柱如同n掺杂柱一样包括不同长度的三个部分，以使得通过如图5中示出的各个部分的重叠而得到温度范围A至E中的5种材料组合，在这5种材料组合中例如存在以下p掺杂柱和n掺杂柱中的半导体材料(在此，标记TAGS代表(GeTe)1-x(AgSbTe)x，其中x＝0.1～0.15)：
Figure G2008800207048D00041
表1
替代表1中的Ce0.9Fe3CoSb12或者Ba0.3Co3.95Ni0.05Sb12，还可以使用其他合适的p掺杂或n掺杂的方钴矿(Skutterudite)。
在图6中相互比较了在0℃与600℃之间的温度范围内不同地构造的珀耳贴元件TEG1至TEG4的效率，其中将以下来自表1的材料组合用于TEG1至TEG4：
Figure G2008800207048D00042
表2
根据这样的表格可以为所定义的温度范围选择合适的材料组合。
根据本发明的一个有利的变型，p掺杂柱的至少高温区域具有基于Fe的方钴矿(Sk)，例如Ce0.9Fe3CoSb12、Yb0.75Fe3.5Ni0.5Sb12、MMyFe4-xCoxSb12和/或MMyFe4-xNixSb12，其中MM是由La、Ce、Pr、Nd和Sm构成的混合稀土金属。此外，n掺杂柱的至少高温区域具有基于Co的方钴矿(SK)，例如YbyCo4-xPtxSb12、Ba0.3Co3.95Ni0.05Sb12和/或AyCo4-xTxSb12，其中A代表Ba、Ca、Sr及其混合物，而T代表Ni和Pd。
在节约成本的意义下，可以例如从Ce0.9Fe3CoSb12出发完全或者部分地用Ni或者通过由La、Ce、Pr、Nd和Sm构成的混合稀土金属中的Ce来替代相对昂贵的Co。此外，还可以完全或者部分地用Ce来替代Yb0.75Fe3.5Ni0.5Sb12中的Yb或者用显著更便宜的Ni来替代YbyCo4-xPtxSb12或者Ba0.3Co3.95Ni0.05Sb12中的一定部分的Co或Pt。
为了提高热电元件的效率，可以在之前提及的原材料中用混合稀土金属(La、Ce、Pr、Nd和Sm)来替代Ce或者用由Ba、Ca、Sr构成的混合物来替代纯Ba。
由此为珀耳贴元件的p掺杂柱(Sp1、Sp2、Sp3...)和n掺杂柱(Sn1、Sn2、Sn3...)获得了例如以下用于高温区域的材料组合(P3、N3)，其中热源为600℃：
Figure G2008800207048D00051
表3

Claims (10)

1.一种用于将热能转换成电能的热电发电机，其具有多个与模块(10)联接的、设置在热源(Q)与冷源(S)之间的珀耳贴元件(E1、E2、E3...)，其中每个珀耳贴元件(E1、E2、E3...)包括p掺杂柱(Sp)和n掺杂柱(Sn)，所述p掺杂柱(Sp)和所述n掺杂柱(Sn)在它们的末端处通过电极(11、12)导电相连，其特征在于，所述各个珀耳贴元件(E1、E2、E3...)的所述p掺杂柱(Sp1、Sp2、Sp3...)和所述n掺杂柱(Sn1、Sn2、Sn3...)根据所述各个珀耳贴元件(E1、E2、E3...)与所述热源(Q)接触位置处的不同温度值(T1、T2、T3...)而包括不同的材料(P1、P2、P3...、N1、N2、N3...)。
2.如权利要求1所述的热电发电机，其特征在于，所述p掺杂柱(Sp1、Sp2、Sp3...)和所述n掺杂柱(Sn1、Sn2、Sn3...)具有各个部分(a、b、c...)并且鉴于与所述热源(Q)相接触的位置的所述温度值(T1、T2、T3...)和所述冷源(S)的温度值(T0)之间所呈现的不同温度梯度(g1、g2、g3...)而包括不同的材料(P1、P2、P3...、N1、N2、N3...)。
3.如权利要求2所述的热电发电机，其特征在于，所述p掺杂柱(Sp1、Sp2、Sp3...)以及所述n掺杂柱(Sn1、Sn2、Sn3...)的所述各个部分(a、b、c...)根据分别存在的所述温度梯度(g1、g2、g3...)而具有不同的长度。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的热电发电机，其特征在于，沿着基本上直线延伸的、具有温度梯度(G)的所述热源(Q)来设置所述各个珀耳贴元件(E1、E2、E3...)。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的热电发电机，其特征在于，沿着由废气流经的废气管路来设置所述各个珀耳贴元件(E1、E2、E3...)，以使得所述热源(Q)由所述废气管路的表面构成并且所述冷源(S)具有所述环境温度的温度(T0)。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的热电发电机，其特征在于，所述p掺杂柱(Sp1、Sp2、Sp3...)和所述n掺杂柱(Sn1、Sn2、Sn3...)在所列举的温度范围中具有以下材料组合：
Figure F2008800207048C00021
7.如权利要求1至5中的任一项所述的热电发电机，其特征在于，所述p掺杂柱(Sp1、Sp2、Sp3...)的至少高温区域具有基于Fe的方钴矿，例如Ce0.9Fe3CoSb12、Yb0.75Fe3.5Ni0.5Sb12、MMyFe4-xCoxSb12和/或MMyFe4-xNixSb12，其中MM是由La、Ce、Pr、Nd和Sm构成的混合稀土金属，以及所述n掺杂柱(Sn1、Sn2、Sn3...)的至少高温区域具有基于Co的方钴矿，例如YbyCo4-xPtxSb12、Ba0.3Co3.95Ni0.05Sb12和/或AyCo4-xTxSb12，其中A代表Ba、Ca、Sr及其混合物，而T代表Ni和Pd。
8.如权利要求7所述的热电发电机，其特征在于，所述p掺杂柱(Sp1、Sp2、Sp3...)和所述n掺杂柱(Sn1、Sn2、Sn3...)至少在所述高温区域中具有以下材料组合：
Figure F2008800207048C00022
9.一种用于将热能转换成电能的热电发电机，其具有至少一个珀耳贴元件(E1、E2、E3...)，所述珀耳贴元件(E1、E2、E3...)设置在600℃范围的热源(Q)与冷源(S)之间，其中所述珀耳贴元件(E1、E2、E3...)包括p掺杂柱(Sp)和n掺杂柱(Sn)，所述p掺杂柱(Sp)和所述n掺杂柱(Sn)在它们的末端处通过电极(11、12)导电相连，其特征在于，所述p掺杂柱(Sp1、Sp2、Sp3...)的至少高温区域具有基于Fe的方钴矿，例如Ce0.9Fe3CoSb12、Yb0.75Fe3.5Ni0.5Sb12、MMyFe4-xCoxSb12和/或MMyFe4-xNixSb12，其中MM是由La、Ce、Pr、Nd和Sm构成的混合稀土金属，以及所述n掺杂柱(Sn1、Sn2、Sn3...)的至少高温区域具有基于Co的方钴矿，例如YbyCo4-xPtxSb12、Ba0.3Co3.95Ni0.05Sb12和/或AyCo4-xTxSb12，其中A代表Ba、Ca、Sr及其混合物，而T代表Ni和Pd。
10.如权利要求9所述的热电发电机，其特征在于，所述p掺杂柱(Sp1、Sp2、Sp3...)和所述n掺杂柱(Sn1、Sn2、Sn3...)至少在所述高温区域中具有以下材料组合：
Figure F2008800207048C00031
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