CN101960628A - 热发电器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热发电器，具有多个相互电连接的热偶对，所述热偶对布置在吸收流入的热流的热侧与以离该热侧相距的方式布置的冷侧之间。从目前公知的热电发电器出发，本发明基于如下任务，即，完成一种热电发电器，该热电发电器至少暂时地更为有效地利用所输送的热能。该任务的解决方案基于如下设想，即，热电发电器被实施为具有用于热太阳能系统的收集器的结构单元，并且穿流收集器的载热介质至少暂时地借助换热器同样输送至热电发电器。
Description
技术领域
本发明涉及一种热发电器，具有多个相互电连接的热偶对，所述热偶对布置在吸收流入的热流的热侧与以离热侧相距的方式布置的冷侧之间。
背景技术
作为热发电器运行的热电偶根据塞贝克效应产生电压。通常地，大量热偶对接在一起形成热电偶。热发电器可以包含一个或多个热电偶，热电偶以串接和/或并接的方式电连接。用在热电偶中的热电势依赖于温度并且在几微伏的范围内变动。一些合金基于其在确定温度下的性能可用于做成热偶对，并且在-270℃至2600℃的温度范围内形成一系列的热电材料组合物(热偶对)。该系列(Palette)被包括在标准中并且进行限定。目前对于热电偶可用的国际标准为IEC 584-1，在德语地区的对应内容为DIN EN 60584的第1部分。该标准限定了10种不同的热电材料组合物的性能。
| 类型/标识字母 | 合金 |
| K | 镍-铬/镍-铝 |
| T | 铜/铜-镍 |
| J | 铁/铜-镍 |
| N | 镍-铬-硅/镍-硅 |
| E | 镍-铬/铜-镍 |
| R | 铂-13％铑/铂 |
| S | 铂-10％铑/铂 |
| B | 铂-30％铑/铂 |
在德国仍然采用的另一标准是DIN 43710，该标准限定了热电类型U和L。但是该标准已不再可用。
| U | 铜/铜-镍 |
| L | 铁/铜-镍 |
除了这些标准化的热偶对之外，还有其他具有特定性能的组合物。示例为可行温度范围直至2600℃的钨/钨-铼组合物。
作为用于热电偶的热偶对的传导性材料，也特别考虑p型掺杂和n型掺杂的半导体材料，通常为铋-碲、Bi2Te3。此外，考虑下表1.1和1.2中所提到的p型掺杂和n型掺杂的化合物：
| T[K] | p型化合物 | Z[1/K] |
| 225 | CsBi4Te6:Sbl3(0.05％) | 3.5-10-3 |
| 300 | (Sb2Te3)72Bi2Te3)25(Sb2Se3)3 | 3.4-10-3 |
| 500 | Tl9BiTe6 | 2.3-10-3 |
| 700 | GeTe1-x(AgSbTe2)x | 3.0-10-3 |
| 1200 | Si0.85Ge0.15:B | 6.7-10-4 |
表1.1：具有最佳热电性能的p型化合物。
| T[K] | n型化合物 | Z[1/K] |
| 80 | Bi0.85Sb0.15 | 6.5-10-3 |
| 300 | ((Sb2Te3)5Bi2Te3)90(Sb2Se3)5 | 3.2-10-3 |
| 450 | Bi2Te2.7Se0.3 | 2.8-10-3 |
| 800 | Pb0.75Sn0.25Se | ＞1.25-10-3 |
| 1200 | Si0.85Ge0.15:P | 8.3-10-4 |
表1.2：具有最佳热电性能的n型化合物。
作为热发电器运行的热电偶通常由两个特别为陶瓷板的导热薄板组成，在两个薄板之间交替钎焊有由不同传导性材料，特别是半导体材料制成的小方块(Quader)。每两个不同的方块相互连接以形成串联连接。两个板中的一个吸收流入的热流(在下文中也称作热电偶的热侧)，而另一个板输出流出的热流(在下文中也称作热电偶的冷侧)。
除了布置在板间的常规的热电偶之外，还可以特别使用薄层热电偶，例如这种薄层热电偶由DE 101 22 679 A1所公知的那样。薄层热电偶也具有热侧和冷侧。
使用公知的热电发电器可以将热量直接转换成电能。相对于常规的热电偶，使用半导体材料代替金属能够显著升高效率。然而，目前可用的热发电器仍仅具有相对较低的效率，该效率仅能达到卡诺效率(Carnot-Wirkungsgrad)的一小部分(约17％)。
此外，DE 195 37 121 A1公知一种由太阳辐射获取电能的装置，其中，与常规的光电系统不同地，不直接使用太阳辐射，而是将辐射转换为热量，然后，将热量在另一处结合热沉通过珀耳帖元件(Peltierelement)转换成电能。为此，该装置具有收集器，用以将太阳辐射的能量传递至第一载热介质，除了收集器之外还具有换热器，用以将热量从第一载热介质传递至珀耳帖元件的热侧，珀耳帖元件的冷侧与热沉连接。
由US 6,857,425 B2公知一种热太阳能收集器，该收集器具有收集器板和背向太阳辐射的第一板，以及具有布置于所述两板之间的、在两侧隔热的支撑板，该支撑板构成用于载热介质的上通道和下通道，载热介质在上通道与下通道之间在回路中引导。在上通道和下通道的端侧之一上设有导热机构，载热介质沿着该导热机构流动。该机构将在上通道内吸收的热量传递至热电元件的单元，该热电元件的单元将热量产生电。换热器连在所述热电元件单元上，换热器从该单元引出热量并且由此提高效率。所引出的热量可用于例如建筑物取暖。
发明内容
由目前公知的热电发电器出发，本发明基于如下任务，即，完成一种热电发电器，该热电发电器有效利用热太阳能系统的热量来产生电流。
该任务的解决方法基于如下设想，即，热电发电器被实施为具有用于热太阳能系统的收集器的结构单元，并且穿流收集器的载热介质至少暂时地借助换热器同样输送至热电发电器。由此，可行的是，利用由于太阳辐射而在收集器中产生的过量热量，特别是在外部温度非常高的情况下，在热电发电器中产生电流。在太阳辐射强烈的情况下，通过同时产生电能和热能来提升热电发电器的效率。
如下的太阳能系统被称为热太阳能系统，该太阳能系统将来自太阳辐射的热量加以利用(太阳热能)。在热量获取时，热收集器的吸收器通过太阳能加热。吸收热量的载热介质流动穿过收集器。泵将载热介质在太阳能回路中进行传输，通过该太阳能回路，将热量从收集器送入热沉，特别是送入太阳能蓄热器；该太阳能蓄热器吸收热量并将热量储存。
收集器是太阳能系统中的如下部件，该部件吸收太阳热量并将所吸收的热量尽可能无损失地传递至太阳能回路中的载热介质。收集器中的重要结构区别是平板式收集器和管式收集器。技术上来讲，平板式收集器和管式收集器的区别在于吸收器的隔热。在真空管式收集器中，通过玻璃管中的真空实现隔热作用，所述真空完全禁止了通过对流进行的热传递。平板式收集器使用常规的隔热材料，例如矿棉或聚氨酯泡沫。常规隔热材料的隔热效果不如真空，因此需要较大的收集器面积，以达到相当的功率值。目前的高效平板式收集器使用铜质吸收器进行工作。然而，由于平板式收集器更为廉价并且进而一般比真空管式收集器更为经济，因此在建筑设备技术中主要使用这种结构类型。
太阳能蓄热器与常规蓄水箱(Brauchwassertank)的区别首先在于非常强的隔热、高且细长的水箱结构形式，这种水箱结构形式允许形成不同的温度层(上部为热水，下部为冷水)，以及区别在于安置得很深的、大面积的换热器，用于传递来自太阳能回路的热量。
一旦收集器中的温度比太阳能换热器的温度高出一定的温度差，由控制装置启动泵并将热量运输至太阳能蓄热器中，一旦收集器与蓄热器之间的温度差低于极限值，则该系统停止工作。
市面上的收集器可以将打到收集器表面的太阳能的60％至70％转化为可利用的热量。在该收集器中通常使用水-丙二醇-混合物(比例60∶40)作为载热介质。通过添加40％的丙二醇可以获得直至-23℃的防冻保护，在-23℃以下发生结冰但不会产生冻裂(Frostspregung)，并且熔点根据压强可以为150℃或更高。在更高的温度下，许多收集器进入停止工作状态并不再供应能量。在系统的停止工作状态下，存在过热的危险并且进而损坏热太阳能系统。在较高温度下过量的热量特别是可以凭借根据本发明的热电发电器得以利用并且因而避免装置无效率的停止工作状态。
详细来讲，所述任务在开头所提到类型的热电发电器以如下方式得以解决，即，在热侧上布置有用于载热介质的换热器，该换热器平面式地与用于热太阳能系统的被载热介质穿流的收集器的非工作的(passiv)背侧连接，在收集器与换热器之间设有阻热中间层，并且在阀控制件的至少一个切换位置，禁止载热介质穿过换热器的穿流。
热发电器与热太阳能系统的收集器相联接实现了应用收集器的未利用的热量在热发电器中产生能量，特别是在收集器的空转情况下产生能量。
布置在收集器与换热器之间的阻热层减少了热能的交换，并很大程度上防止：在工作阶段，当最大热流会输送给太阳能回路中的换热器时，从收集器带走热量并输出至热发电器。阻热层优选由阻隔材料
组成，特别是由泡沫塑料或矿棉组成。
在本发明中，收集器这一概念包括一个或多个太阳能收集器(例如，平板式收集器和管式收集器)的系统，这些太阳能收集器可以彼此串接和/或并且并接地连接。
收集器通过太阳能回路与热沉连接。特别是可以考虑蓄热器作为热沉，以便可以不依赖于当前太阳辐射地利用由收集器吸收的热量。同样可以考虑的是，由收集器吸收的热量通过太阳能回路直接输送至作为热沉起作用的消耗器。
热发电器的吸收流入的热流的热侧直接地完全贴靠在换热器上，以便进一步改善效率。
为了增大在热发电器的冷侧上用于输出热量的面积，热发电器可以具有冷却体，特别是具有肋状结构的冷却体。肋状结构的肋从冷侧优选沿着竖直方向延伸。通过由于肋而改善的热量输出使得热发电器的效率得以改善。
为了断开来自收集器的过量的热量，收集器可以借助阀控制件与换热器暂时连接，该换热器布置在热电偶的热侧上。载热介质首先穿流收集器并且接着穿流换热器，换热器将过量的热量联入热发电器的热侧。
为了载热介质能够穿流收集器和换热器，收集器具有前流线路连接部(Vorlaufanschluss)和回流线路连接部，并且换热器具有进口连接部和出口连接部，其中，包括至少一个阀(优选为多通阀)的阀控制件允许或禁止来自收集器的载热介质穿流换热器，方法是：该阀、优选为多通阀开放或禁止收集器的前流线路连接部至换热器的进口连接部的通流路径。该通流路径优选包括收集器的前流线路连接部与换热器的进口连接部以及阀的连接部之间的管道或软管连接件。可另选地，阀的暂时开放通流路径的连接部直接与收集器的前流线路连接部和换热器的进口连接部连接。
为了选择性地使收集器与太阳能回路中的蓄热器或者与热发电器热侧上的换热器连接，优选将至少一个两位三通阀接入前流线路(Vorlauf)中，其中，在两位三通阀的第一切换位置，该阀的连接部开放从收集器至蓄热器的通流路径，在两位三通阀的第二切换位置，该阀的连接部开放从收集器至换热器的通流路径。
对从收集器向热发电器的换热器的通流路径的开放特别在蓄热器被充分加热并且太阳能系统的空转情况下进行，以便防止过热并且进而损坏收集器及热太阳能系统的其他部件。特别地，在空转时，总热流从收集器导引至换热器，并且在热发电器中部分转换为电能。在蓄热器的加热过程中，优选没有热能被引导至热发电器。
阀控制件的阀能够由手来操作。然而，优选的是可电操作的多通阀或连续阀，该阀由控制件驱动，该控制件基于其感应器来识别热太阳能系统的空转或者收集器或太阳能回路中的过量热量，然后，基于该识别触发对于阀的切换指令。对于复杂的混合运行模式，在考虑到从蓄热器的热量排出以及收集器上太阳辐射强度和持续时间的情况下，控制件通过连续阀适于需要地将载热介质一方面分配至热沉，另一方面分配至热发电器的换热器。
附图说明
下文结合实施例详细阐述本发明。其中：
图1a示出本发明的热发电器在第一运行模式下的实施例，
图1b示出处于第二运行模式下的依照图1a的热发电器，以及
图2示出连入热太阳能系统中的热发电器。
具体实施方式
图1a示出根据本发明的热发电器(1)，包括多个相互电连接的热偶对，所述热偶对布置在吸收流入的热流的热侧(2)与以离该热侧相距的方式布置的冷侧(3)之间。在热侧(2)上布置有换热器(4)，换热器(4)特别是指管式换热器。换热器(4)与太阳能系统的收集器(5)的非工作的背侧平面式地连接。为了断开热联接，在收集器(5)与换热器(4)之间布置有阻热中间层(6)。
在所述的实施例中，收集器(5)是管式收集器，该管式收集器特别是太阳能系统的部件，如其在图2中示例性示出并且还要在下面阐述的那样。在获取热量时，布置于收集器(5)上方的吸收器(7)通过太阳能加热。吸收热量的载热介质流动穿过收集器(5)。借助泵使载热介质在太阳能回路中传输，并且将载热介质输送给热沉，特别是输送给对热量进行吸收和储存的太阳能蓄热器。
收集器(5)具有前流线路(8)，在前流线路(8)上连有由于太阳辐射加热的载热介质所用的管道。在相对置的侧上设有收集器(5)的回流线路(9)。换热器(4)也具有两个连接部，即：进口连接部(10)和出口连接部(11)。最后，在所述实施例中，热发电器具有包括两个多通阀(12、13)的阀控制件。多通阀(12)为两位三通阀。多通阀(13)为两位四通阀。
在两个多通阀(12、13)的图1a中所示的切换位置，开放载热介质的通过收集器(5)的穿流，并阻断载热介质的通过换热器(4)的穿流。只要回流线路(9)通过阀(13)例如与太阳能系统的另一热收集器连接，由该热收集器中吸收的热量以及由收集器(5)吸收的热量完全通过多通阀(12)输送至热沉，特别是输送至太阳能系统的蓄热器。当收集器(5)以及接在前面的热收集器中的温度高于蓄热器的温度并且蓄热器仍未达到其全部载热能力时，选择图1a中所示的运行模式。
而当蓄热器达到其全部载热能力或者在接在收集器(5)后面的热沉不需要热量时，热发电器(1)进入图1b中所示的运行模式。来自热收集器的已经加热的载热介质经由回流线路(9)通过收集器(5)和多通阀(12)导入换热器(4)，该换热器(4)将过量的热量引入热发电器(1)的热侧(2)内，在那里，热量被转换成电能。在能量转换过程中，为了提高效率，在热发电器(1)的冷侧(3)上布置有冷却体(14)。换热器(4)的出口连接部(11)引向太阳能蓄热器。
借助本发明的热发电器(1)可以特别地通过在穿流换热器(4)时冷却载热介质来避免太阳能系统的不期望的停止工作状态，并同时将导致热收集器的停止工作状态的过量的能量转换成电能。
图2显示了具有本发明的热发电器(1)的热太阳能系统(15)。该热发电器通过太阳能回路(16)与蓄热器(17)连接。该太阳能回路(16)由前流线路(18)、回流线路(19)以及布置在蓄热器(17)内的管式换热器(20)组成，该管式换热器(20)用于将来自太阳能回路(16)的热量传递至蓄热器(17)中的水。此外，泵(21)位于回流线路(19)的端部，泵(21)使载热介质在太阳能回路(16)中循环，所述太阳能回路(10)具有两个热收集器(22、23)以及收集器(5)并且必要时还具有换热器(4)。
蓄热器(17)实施为空心圆柱形太阳能箱。水作为蓄热介质，水通过进口(24)输送给蓄热器(17)。蓄热器(17)的高且细长的结构形式允许构成不同的温度层。在蓄热器(17)的上部为较热的水，下部为较冷的水。在蓄热器(17)的容器上部中的取出部位通过管路(26)与热水消耗器(27)连接。
在图2中同样示出的多通阀(12、13)如在图1a、1b中所示的那样接入。但同样可行的是，在蓄热器(17)被充分加热之后，使载热介质仅在由热收集器(22、23)以及收集器(5)和换热器(4)形成的回路中循环。在这种情况下，需要额外的循环泵。对于热发电器(1)的单纯的发电运行模式，热收集器(22、23)的热量只转换成电能，否则，该热量用于加热蓄热器(17)。
发电器(1)本身通过两个未示出的接触部位与电导线(28、29)连接，通过电导线(28、29)引出来自热电发电器(1)的电能。
附图标记列表
| 序号 | 名称 |
| 1. | 热发电器 |
| 2. | 热侧 |
| 3 | 冷侧 |
| 4. | 换热器 |
| 5. | 收集器 |
| 6. | 中间层 |
| 7. | 吸收器 |
| 8. | 收集器前流线路连接部 |
| 9. | 收集器回流线路连接部 |
| 10. | 换热器进口连接部 |
| 11. | 换热器出口连接部 |
| 12. | 多通阀 |
| 13. | 多通阀 |
| 14. | 冷却体 |
| 15. | 热太阳能系统 |
| 16. | 太阳能回路 |
| 17. | 蓄热器 |
| 18. | 前流线路 |
| 19. | 回流线路 |
| 20. | 管式换热器 |
| 21. | 泵 |
| 22. | 热收集器 |
| 23. | 热收集器 |
| 24. | 入口 |
| 25. | 取出部位 |
| 26. | 管路 |
| 27. | 热水消耗器 |
| 28. | 电导线 |
| 29. | 电导线 |
Claims (8)
1.热发电器，具有多个相互电连接的热偶对，所述热偶对布置在吸收流入的热流的热侧和与所述热侧相距地布置的冷侧之间，其特征在于，在所述热侧(2)上布置有用于载热介质穿流的换热器(4)，所述换热器(4)平面式地与用于热太阳能系统(15)的被所述载热介质穿流的收集器(5)的非工作的背侧相连接，阻热的中间层(6)位于所述收集器(5)与所述换热器(4)之间，并且在阀控制件(12、13)的至少一个切换位置，禁止所述载热介质穿流通过所述换热器(4)。
2.根据权利要求1所述的热发电器，其特征在于，所述换热器(4)呈板状。
3.根据权利要求1或2所述的热发电器，其特征在于，所述热发电器(1)具有至少一个薄层热电偶。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的热发电器，其特征在于，所述换热器(4)为板式换热器或管式换热器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的热发电器，其特征在于，在所述热发电器(1)的所述冷侧(3)上布置有冷却体(14)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的热发电器，其特征在于，所述阀控制件包括至少一个多通阀(12、13)。
7.根据权利要求6所述的热发电器，其特征在于，在所述至少一个多通阀(12)的至少一个切换位置，所述收集器(5)能够暂时与所述换热器(4)连接。
8.热太阳能系统，具有依照权利要求6或7所述的热发电器，其特征在于，所述收集器(5)通过包含载热介质的太阳能回路(16)与热沉(17)连接，并且这个太阳能回路(16)在所述收集器(5)与所述热沉(17)之间具有前流线路(18)和回流线路(19)，并且所述阀控制件的至少一个多通阀(12)接入所述前流线路(18)中，其中，在所述多通阀(12)的第一切换位置，所述多通阀(12)的连接部开放从所述收集器(5)至所述热沉(17)的通流路径，并且在所述多通阀(12)的第二切换位置，所述多通阀(12)的连接部开放从所述收集器(5)至所述换热器(4)的通流路径。
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