CN102265418A - 用于将热能转换成电能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用至少一个热电元件将热能转换成电能的设备，其中，热电元件由两个电串联的热电臂(A、B)构成，并且热电元件具有用于热流(Q)和用于电流(7、7’)的第一通过面(F₁)和第二通过面(F)。此外，第一通过面(F₁)的值小于第二通过面(F)的值的5％。

Description

用于将热能转换成电能的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的利用热电元件将热能转换成电能的方法。

背景技术

在本发明中在采用热电效应、特别是塞贝克(Seebeck)效应和珀尔帖(Peltier)效应的情况下实现从热能到电能的转换，这些效应由于存在温度差而引起(塞贝克效应)，或相反产生温度差(珀尔帖效应)。

传统的热电式的能量产生利用作为塞贝克效应已知的现象，使得在两种不同的分别具有不同的导电性和导热性并且至少在其一个端部上相互电连接的导电材料之间产生电势差或电压，前提是在相互连接的端部和相对的端部之间存在温度梯度。这里，这两种不同的材料电串联，但在热上是并联的。多个这种热电元件的电的串联线路和热的并联线路形成一种热电式的发电机。

(“TEG(热电发电机)”)用于由多数一方面由热源以及另一方面由冷却装置得到的温度差获得电能。效率η已知地作为电功率P和总热流Q的商算出。

所有目前已知的TEG的缺点在于，这种能量转换形式的效率较低(对于半导体TEG为4-6％)。因此迫切需要明显地改善目前较低的效率以及开拓热电式能量产生的应用领域，这些应用领域目前为止保留已知的热力发电机和其它的电能的产生形式。由此可以在考虑相关费用的前提下明显扩展用于环保地以及保护资源的能量产生的应用可能性。

热能能够以各种不同类型的方式容易地产生，因此不是必须依赖特定的、例如化石类的燃料。此外还能由大量的目前为止仅很少使用的或完全被忽略的热源提供热能。例如来自工业过程的废热、来自内燃机的废热、地热源、太阳热能等。

这些热源的利用目前为止主要受到这样的限制，即，除了少数情况以外，这里所存在的温度水平或相对于周围温度的温度差通常太小，以至于不能为传统的热力发电机、如蒸汽机、蒸汽涡轮机等所利用。

热电式的发电机可以在任何时间利用闲置的能量潜力，此外还提供简单的构造方式、没有活动部件的巨大优点，并且几乎是无需维护的。但目前仍非常小的4-6％的效率目前为止对于性价比是非常不利的。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种借助于用于利用热电效应的热电元件将热能转换成电能的方法，利用该方法能够实现更高的效率。

本发明的目的通过根据权利要求1的特征的方法实现。据此，设想一种借助于至少一个用于利用热电效应的热电元件将热能转换成电能的方法，其中，所述热电元件由两个电串联的具有彼此不同的热电系数的热电臂构成，所述热电元件分别具有一个待加热的接触位置。此外待加热的接触位置相对于热电臂具有接触面，该接触面小于两个热电臂的“平均总传导横截面”的值的5％。

这里有利的是，由此，由于单位时间向热电发电机输送的热量尽可能限定在所产生的电功率的能量当量，明显提高了用于热电的能量生产的效率。

为此根据本发明还设定，在可供使用的或可利用的温度水平上将TEG所需的热直接引入各个形成热电发电机的热电元件的待加热的、由不同的热电元件材料(A、B)构成的连接位置的根据本发明的特殊设计的接触-边界层中。此外借助于在闭合的电流回路中直接地以及与塞贝克效应同时并行出现的珀尔帖效应立即消耗输送给特殊设计的热的接触面且仅输送到那里的热量的较大部分并将其转换成电能。

因此，对于可视为损失的沿形成各个热电元件的热电臂的热流剩余的热量与目前已知的系统相比明显更少。

就是说，根据本发明这样来实现较高的效率，即与所有传统的系统不同，从被加热的接触位置到已冷却的接触位置的损失很大的热流不是通过特殊的材料特性来尽可能地阻止，而是在特殊的接触边界层上发生的能量转换中仅剩余较小的未使用的能够通过导热散发的热能余量。

如在本说明书中还要详细说明的那样，附加于有利的转换过程，还通过附加的措施来限制沿臂材料的剩余的热流。这是这样来实现的，即形成各个热电元件的臂材料的传导横截面相互处于精确的事先确定的优化的比例关系，而不必因此改变所选择或提供的热电元件的总尺寸。这种横截面优化实现了效率附加的提高。

本发明构成目前为止利用塞贝克效应工作的热电发电机的改进，该改进利用较为低廉的且可大量获得的结构原材料实现了较高的效率，这种效率用于能量生产的热电发电机也可以在这样的领域中使用，这些领域由于不成比例地高的成本和较低的效率目前为止不能使用上述类型的能量生产。

根据本发明的方法特别适于环保地利用现有的资源，特别是也能使用CO₂中性(无二氧化碳排放)的燃料和目前为止未被使用的热源，并且作为独立的、分散的热源能实施各种各样的任务。

关于现有技术的概述：

自从塞贝克发现(1821)以来进行了大量的试验，通过将相应数量的热电元件连接在一起产生可利用的高电压，并由此简单且直接由热量获得电能。

在19世纪下半期已经使用了不同类型的当时称其为“热电堆

”的装置，这些装置可以替代当时常见的铅酸蓄电池元件。在这种情况下，已知Noblile、Noe、Clamond、Markus、Gülcher、Raub和Cox热电堆。Raub热电堆和Cox热电堆尽管当时大多小于1％的已经认识到的特别低的使用效率但已经可以产生如此多的电能，使得它们可以在商业上使用。随着西门子公司的能够产生多倍的电压和功率的Dynamo发电机的发明，在二十世纪初期热电堆逐渐被遗忘了。

当然大约在二十世纪中期半导体的发现提供了新的热电材料，这种热点材料可以产生进一步提高的塞贝克电压和较高的效率。

由p半导体材料和n半导体材料组成的热电元件的串联形成了当前热电发电机和珀尔帖元件的基础。

由于从工程物理的角度珀尔帖元件和热电元件之间不存在区别，热电元件的串联原则上不仅可以用于从热量中产生能量(热电发电机)，也可以用于加热系统和冷却系统。

半导体热电元件的高效的效率明显高于原来的金属热电元件的效率，但尽管对新材料的深入研究直到二十世纪末期仅以不大的程度得到改进。目前用于民用的由半导体材料制成的热电发电机仍只是处于大约4％-6％的效率。对于军用和航天领域目前数量级在约7％或略高。只是在近几年才提出改善效率的新的解决途径。

为了提高热电能量转换的效率，存在两种原则上的解决方案。

一方面从一开始直到今日采取的途径，产生实现较高的热电压且还具有可用的电导性的材料，不会同时成比例地提高导热性。另一种且最近才大量出现的解决途径在于，较少地专注于较高的塞贝克系数值，而是集中于对导热性的阻碍，而不会也出现电导性的成比例的损失。

后面提到的新的解决途径的代表是目前受欢迎的“超晶格量子阱”技术的方法。“量子阱”技术目前能够实现大约11％的数量级的效率并且目前处于实用的测试阶段。

此外该技术基于这样的物理现象，由半导体材料组成的特别薄的、仅几个纳米厚的层在其电导性方面仅受到不明显的阻碍，而在其导热性上受到明显的阻碍。按照该技术制成的热电材料具有一种由在每毫米厚度数万个平行的且通过绝缘的中间层分开的层构成的结构。为此的制造方法特别复杂且费用高。同样新的、但仍处于试验室阶段的解决途径在于，以由纳米颗粒构成的半导体材料实现“量子阱”技术的效应。

数量明显更多的公开文献记载了按传统半导体技术的热电式的发电机，其中，特征性的部分涉及整个设备或部件的有利的、面向应用的设计，但不涉及生产能量的半导体模块的效率的改进。另一些公开文献也记载了按薄层技术的传统半导体热电元件在载体材料上的串联线路的制造并且可能还有其微型化。最后还已知涉及改进的半导体材料的组成成分和制造的公开文献。

本发明同样遵循了当今这样的基本观点，即，这样来提高效率，尽可能限制通过沿热电臂从加热的接触位置朝要保持冷却的接触位置的方向出现的散热/导热的损失。与已知的现有技术不同，这里没有应用如下方法，即借助于材料技术减小所采用的热电材料的基本导热性。

此外本发明基于如下事实，即，如果在两个热电臂之间也只存在一个微小的形成过渡区的接触位置，其中存在对温度梯度有决定性影响的温度，则也能由温度梯度与材料特有的相对塞贝克系数相结合而以完整的大小获得热电压。

热损失仍然是不可避免的且也要计算在内。但这种不可避免的损失的数量级仅达到在目前已知的系统中出现的损失的一小部分。

附图说明

下面借助于附图和说明来描述本发明。各附图以非常简化的示意图示出：

图1a示出没有横截面优化的标准热电元件；

图1b示出横截面优化至最小电阻的热电元件；

图1c示出横截面优化至最小热流量的热电元件；

图2a示出“点状”设置的最小化的接触区的基本示例；

图2b示出最小化的接触桥的仰视图；

图2c示出热电元件的剖视图以及热输入；

图2d示出接触桥以及其热屏蔽；

图3a示出“线状”设置的最小化的接触区的基本示例；

图3b示出“线状”设置的接触区的仰视图；

图3c示出热电元件的剖视图以及热输入；

图3d示出接触桥以及其热屏蔽；

图4示出借助于成型的热载体对两个热电元件的热输入；

图5示出具有在“线状的”接触区上构成的“热电片”和其“热电脚”的热电元件；

图6a示出热电元件的具有倒圆的臂轮廓和“热电片”以及“热电脚”的优选的结构形式；

图6b示出热电元件的剖视图以及热输入；

图6c示出两个串联的热电元件的优选的结构形式的剖视图以及其热输入；

图7示出按照本发明的基本原理设计的、圆柱形结构形式的热电发电机；

图8示出按照本发明的基本原理设计的、平面结构形式的热电发电机的局部；

图9示出热电元件布置结构的一个可选的实施例，其中两个热电臂A、B具有接近楔形的结构；

图10示出由两个接近楔形的热电臂A、B构成的热电元件布置结构的另一个实施例，热电臂A、B具有热桥；

图11示出按薄层技术实施的热电元件布置结构的一个实施例；

图12示出热电元件布置结构的一个实施例，具有构造成棱锥状的热电臂A、B的对。

具体实施方式

首先要确定，在不同说明的实施方式中，相同的部件用相同的附图标记或相同的构件名称示出，其中，包含在整个说明书中的公开内容可以有利地延伸到具有相同的附图标记或相同的构件名称的相同的部件上。在说明书中所选择的位置说明，例如上、下、侧等涉及当前描述的以及示出的附图并在位置改变时能有利地转移到新的位置。此外所示的和所述的不同的实施例的单个的特征或特征组合本身也可以构成独立的、发明性的或根据本发明的解决方案。

在本说明书中所有值范围的数据可以理解为，所述数据包括任意的和所有的部分范围，例如数据1至10理解为，包括从下限1和上限10出发的所有的部分范围，即所有的以下限1或更大的值开始并且以上限10或更小的值结束的部分范围，例如1至1.7，或3.2至8.1，或5.5至10。

本发明基于下面的简要说明的物理现象和效应。

·在闭合的热电的电流回路中塞贝克效应和珀尔帖效应不可分地相互联系。在热电元件被加热的接触面上同时和直接出现上述两种效应，并且两种效应分别只是同一个物理的能量转换过程的一部分。

·即使当在两个热电臂之间要加热的连接位置(接触位置)仅具有在完全利用通过热电臂的传导横截面提供的接触面存在的导通的横截面的很小的一部分时，在热电元件中也产生完整大小的热电压。

·为了维持产生电压的温度梯度，仅在显著减小的接触面中输送所需的热能就足够了。

·为此每单位时间引入的热量尽管仅是否则要耗费的热量的非直接成比例的一部分，也是在对应于总传导横截面的或构造得更大面积的接触面时的热量。

·热量向两个热电臂之间的显著减小的导通的连接位置中的导入可以利用周围相应的热绝缘部按目的地在该连接部位上进行。

为此存在以下原则上的可能性：

通过热的气体或液体，以及通过必要时集中的、热作用的辐射实现“点状地”或“线形地”分布的、狭窄地限定到最小化的接触区上的直接加热。

与相应成形的、导热的固体发生“点状地”或“线形地”分布的、狭窄地集中到最小化的接触区的导热的接触。

是借助于(优选薄的)导热性好以及导电性好的层将热量直接引入较小的接触区，所述层在对应于显著减小的接触区的尺寸的横截面上将两个热电臂的材料连接并且优选、但不是必须地向外加长、拓宽、加厚并且可以由此将从外界吸收的热量引导到小的接触面上。

·从热能到电能的转换只在连接热电臂的、被加热的接触边界面的分子层中(且仅在此)发生。

·这是由于热激励的电子在固体中有效的、特别短的在纳米范围的“平均自由路程长度”。

·在闭合的、热电导体回路中由于所产生的热电压形成的电流强度仅遵循欧姆定律且因此仅通过闭合的导体回路的总电阻限定。

·在闭合的热电导体回路中由于所产生的热电压而存在的电流强度和电流方向通过珀尔帖效应的作用机理从加热的接触边界层(且仅在此)带走刚好与所述产生的电功率的能量当量相一致的热量。

·加热的接触区相对于热电臂的平均的传导横截面越小，则每单位时间通过珀尔帖作用机理从接触面提取且因此带走的热能的成比例的部分越高，以获得用于在热电导体回路中建立的电功率的能量当量。

·这是这样实现的，即在其传导横截面上显著减小的用于在闭合导体回路中流动的电流的接触面构成明显的横截面缩小部。由此在该横截面缩小部中存在相应高的电流密度。珀尔帖作用机理以及因此每单位时间单元从接触面提取的热量与存在于接触面中的电流密度成正比。

·从接触边界面中的热量提取直接地进行并引起接触面的同样直接的冷却。必须持续地补充该热损失，以便维持存在于闭合的电流回路中的电功率。

·通过加热的接触面的直接邻接的分子区域产生对在两边存在的材料质量的任何加热不对能量转换有直接的贡献，而是被视为限定效率的热损失。

·由于最小化的、由需加热的接触横截面引起的每个热电元件的欧姆内电阻的升高引起电功率的减小。该功率损失在根据本发明的热电元件的构型中明显小于推测的情况并且仅在40％-50％的数量级中变动。显著减小的、加热的接触面在邻接的热电臂上的热损失与此相比要小得多。由此较小的功率和所出现的(热)损失之间的比值发生变化，这最终导致效率的提高。

从以上的阐述可知，为了获得较高的热电效率需要一种方法，该方法的目的具体在于，在理想情况下每单位时间给形成热电发电机的多个单个的热电元件分别仅分配与由相应的热电元件产生的电功率的能量能效相对应的热量。此外该所需的热量应位于最高的可应用的温度水平上。理论上由此可以实现极高的效率。为此根据本发明的解决途径通过相比于热电臂的传导横截面具有极大减小的传导横截面的连接接触实现，尽可能仅在该最小化的传导横截面上提供所需的温度水平。

但目前为止在实际中必须还进行折衷。本发明体现了这种折衷并且已经在较高效率的方向上实现了明显的进步。这是这样实现的：在每个热电元件的两个热电臂之间的需加热的连接位置仅具有这样一个接触连接面，该接触连接面最大为每个热电元件的两个热电臂的“平均总传导横截面”的5％、但优选更少。

此外作为热电元件的“平均总传导横截面”适用任何这样的真实的或假想的值，如果将形成热电元件的两个热电臂中的每一个的材料体积与其相应的引导通过的电流的长度相关联，就得到该值。适用如下关系：

其中：

＝两个热电臂的平均总传导横截面

V_A＝热电臂A的体积

V_B＝热电臂B的体积

l_A＝热电臂A的传导长度

l_B＝热电臂B的传导长度

因此对于本发明采用术语“平均总传导横截面”，因为根据热电元件的符合目的的构型，相关热电臂可以具有不同的长度和厚度，以及变化的横截面。

“平均总传导横截面”用于对于热电元件的不同的构型获得用于构成本发明基础的、最小化的接触横截面的尺寸选择的统一计算基础。

目前为止针对本发明所阐述的基础、原理和作用方式包含本发明的特征性内容，即在其横截面上最小化的接触过渡区的原则、将热能直接限制性地输送到所述减小的接触区域中的原则，以及使热能到电能的实际转换过程仅在保持极小的接触区上发生，从而使用于转换可以同时以及直接需要的热能也仅在此通过珀尔帖效应的作用机理提取并也仅在此重新补充。

但由于最小化的、需持续保持温度的接触过渡区由于热电臂的直接邻接的材料质量的导热性造成必须要补充的热损失且因此降低了效率，为了进一步改进效率不仅可以应用迄今常见的方法，即热电臂采用具有较小的导热性的材料。

另一个可应用的方法在于，形成热电元件的两个热电臂材料的传导横截面按这样的相互比例关系中改变，即存在最小的欧姆电阻并因此存在最高的电功率，或者该比例关系与最高的热电阻相协调，因此存在最小可能的由于热流导致的损失。

在与最小欧姆电阻相匹配的情况下，增大导电性较差的材料的传导横截面，而减小导电性较好的材料的传导横截面。

主要当在形成热电臂的材料之间存在导电性方面明显的差别时，采用附加的方法是合理的。假设两个热电臂A、B具有相同的长度和首先相同的横截面，按照下面的关系式可以容易地得出所需的最小电阻的比例系数：

$R_{\mathrm{opti}}=\frac{{(\sqrt{{\mathrm{\σ}}_A}+\sqrt{{\mathrm{\σ}}_B})}^2}{2({\mathrm{\σ}}_A+{\mathrm{\σ}}_B)}$

其中：

R_opti＝两个热电臂(A，B)的优化的(＝最小的)串联电阻

σ_A＝材料A的电导率

σ_B＝材料B的电导率

如果将该公式例如应用到在本说明书中仅被视为计算举例的、已知的材料组合铜-康铜上，这里在电导率方面的差别极大，则得到：

铜(A)......σ_A＝58·10⁶S/m

康铜(B)......σ_B＝2·10⁶S/m

σ_A+σ_B＝60·10⁶S/m

所得出的值0.6794表示，与两个具有相同的传导横截面的热电臂串联导致的(欧姆)电阻不同，如果代替相同的传导横截面，将导电性较差的材料(在该实施例中＝康铜)的横截面增大，而将导电性较好的材料(在该实施例中＝铜)的横截面减小，则该电阻以系数0.6794减小、即减小了接近三分之一。两个传导横截面的和按无值的数量级2不变，从而使这种方式修改的热电元件的总尺寸也不会变。

优化的(最小的)电阻的比例系数的计算首先仅对于做出迅速可用的决定提供帮助，即横截面优化是否合理。但该比例系数不能给出这样的结论，即，为了在热电元件的总尺寸保持不变的情况下获得优化的(最小的)电阻，两个热电臂横截面必须具有怎样关系。该比值的计算按照下面的关系进行：

$f\left(x\right)=z=\frac{\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_A}}{x}+\frac{\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_B}}{2-x}$

对上述函数求解最后得到二次方程。针对σ_A始终采用两个电导值中较高的那个。在当前的仅用作示范的实施例中是铜的电导值。

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_A=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_A}\\ {\mathrm{\ρ}}_B=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_B}\end{array}{X}_{\mathrm{1,2}}=-\frac{2{\mathrm{\ρ}}_A}{({\mathrm{\ρ}}_B-{\mathrm{\ρ}}_A)}\±\sqrt{{\left[\frac{2{\mathrm{\ρ}}_A}{({\mathrm{\ρ}}_B-{\mathrm{\ρ}}_A)}\right]}^2+\frac{4{\mathrm{\ρ}}_A}{({\mathrm{\ρ}}_B-{\mathrm{\ρ}}_A)}}$

两个x值中仅正值是相关的。针对当前的仅作为示例性说明的铜-康铜热电元件的实施例以及在采用相同的臂长度的前提下，利用上述公式获得以下值：

→针对A(铜)的比例系数

→针对

B(康铜)的比例系数

当铜横截面∶康铜横截面的比值为0.313∶1.687，或表示为另一种形式1∶5.39时，则得出在该实施例中两个由铜和康铜组成的热电臂的最小电阻。

在该示范性计算示例中随电阻的减小功率以系数1.472提高。

但同时随这臂横截面的改变流动通过热电元件的热流同时也发生改变。这样进行的计算显示，流动通过的热流以系数0.3767减小，或换句话说减小到相对于流动通过横截面未优化的热电元件的、这里被视为相对100％的热流的相对37.67％。

在该实施例中在热流同时减小的情况下从功率提高中得出，由此横截面优化的铜-康铜热电元件的效率为相同尺寸设计的臂的效率的3.9倍。在本说明书中说明的计算基础对于所有的热电元件材料组合都适用，只要采用相同的臂长度。如果不是这种情况，则必须将形成两个臂中较长的臂的材料的材料特征值用相应的修正参数进行修正。

尽可能限制从热电臂的加热端部到冷却端部的高损失的热流的另一种可能性在于，与导热性成反比地设计热电臂的传导横截面的尺寸。在相同的臂长度的前提下通过下面的关系式得出尺寸比(比例)

根据λ材料特征(热导率)仅有此也会实现效率的有时显著的提高。

在图1a中示出传统构造形式的热电元件。由半导体材料构成的热电臂A和B大小相同，并在需加热的端部上通过由导热性和导电性良好的材料制成的接触桥1整面上在其相应整个传导的横截面3上相连，所述传导的横截面同时也与底面相等。

热电元件的该侧面承受较高的温度Th。热电元件的面向冷却的温度范围T_k的端部具有接触桥2，所述接触桥将两个热电臂A、B中的每一个与相邻的、在附图中没有继续示出的热电元件串联。各热电臂通过间隙4相互分开。在图1b中示出相同类型的热电元件，但其热电臂A、B为了实现最小电阻而进行了横截面优化。所示的尺寸关系示出材料A的导热性和电导性比材料B好4倍时得到的优化的比例。利用所示的比例实现的效率具有1.36的提高系数，因此比按照图1a实现的标准比值好36％。图1c示出相同类型的热电元件，其热电臂A、B进行了针对最小的热流的横截面优化。就是说，横截面比例关系与材料的热导率λ成反比。利用在图1c中示出的臂比值实现的效率具有1.46的提高系数，因此比利用图1a的标准比值实现的效率好46％。

图2a示出一种热电元件，其根据本发明备有最小化的接触横截面3。“平均总传导横截面”在图2a的情况下可容易地算出，因为热电臂A、B具有相同的长度和相同的(长方体)形状，因此两个传导横截面中的每一个与底面5相同。在温度区Th中的导通的连接通过现在显著减小的连接桥1得到。该附图示出3％的接触横截面比例。这意味着，将两个热电臂A、B相互导通连接的接触面3占据在当前情况下分别具有由两个底面5的总和得到的“平均总传导横截面”的3％的面积。流动通过热电臂A的电流7、7’为了通过A处的最小化的接触面流入以及通过位于B处的接触面3重新流出并通过具有重新扩展的横截面的热电臂B继续流动要受到很大的收缩(Einschnürung)。图2b示出仰视图。接触桥1仅通过接触面3与两个热电臂A、B连接。在图2c中示出热输入9仅对准接触桥1。A和B的面向温度区Th的(底)面除接触桥1以外通过隔热性良好的材料层6屏蔽，防止Th的影响。只有位于热屏蔽6的凹部8中的接触桥1直接暴露于从区域Th输送的热量。热源可以通过任意前述的类型来实现。

通过接触桥1向最小化的接触面3、准确地说那里存在的接触边界层输送相应的热量。组合的塞贝克/珀尔帖效应仅在小的接触边界层中有效。在图2d中示出受到热输入接触桥1的底面，该底面嵌入地位于隔热层6的凹部8中。

在该实施例中仅具有“平均总传导横截面”的3％的面积的接触边界层被较高的电流密度贯穿。通过珀尔帖作用机理仅从该小面积的区域直接获取全部的、对应于热电元件的电功率的能量当量的热量。接触桥1必须通过相应的热导值、材料厚度以及温度梯度将每单位时间所需的热量持续地补充供应给接触边界层。除了用于电功率的能量当量量之外，也必须对通过与邻接的热电臂A、B的材料热接触的接触边界层经受的热损失加以补充。

在图3a中类似于前述的实施例示出一种热电元件，其中，这样来实现根据本发明的基本原理，使得最小化的接触横截面具有“线形的”走向。这是指，通过两个非常窄的以及在其长度上对应于热电臂的材料厚度的条带构成接触横截面。计算显示，由此可以保持热电元件的内电阻比例如在图2中所示的“点状的”、即在较小的片上对准的情况更小。

在图3a中接触横截面3仅为“平均总传导横截面”的2％。两个热电臂A、B在其暴露于温度区Th的端部仅沿两个相对的棱边分别通过一个狭窄的、形成接触横截面的条带相互连接。这对应于上述的“线形的”改型。接触桥1仅略微越过相应的棱边。因此代替如“点状的”定向中的3个轴线，对流动通过热电元件的电流7、7’的收缩仅在两个空间轴线上实现。由此带来更小的元件电阻。对于图3b、3c、3d，在结构、工作方式和应用上，已针对图2a、2c、2d的表述的相同的说明同样适用。

在图4中示出两个热电元件的串联，其在结构上与图3a的热电元件相同。这里，导通的接触横截面3也是2％。图4的实施例示出，向接触桥1上的热输入也可以以间接的方式进行。由优选导热性较好的材料制成的固体10在其表面上具有成型结构，该结构伸入隔热层6的凹部8中并与接触桥1处于导热接触中。固体10可以例如是由热气体或热液体流动通过的管或通道的壁。由它吸收的热量被传递给接触桥1。

图5示出根据本发明的工作原理的一种优选的应用形式。两个热电臂A、B相互靠近，使得仅形成非常窄的、绝缘的分隔间隙4。

分隔间隙4也可以通过由电绝缘的材料制成的分隔层代替。在这种情况下绝缘的分隔层不是完全延伸到热电臂A、B的底面5。

在两个此处的棱边的长度上在本说明书中称作“热电片”11的、由导热性和导电性良好的材料、优选铜制成的板件伸入间隙4中一小段。“热电片”11的该部分与热电臂A、B良好导通地连接并因此代替前面描述的接触桥1。由此同时也获得了最小化的接触横截面3。在图5示出的实施例中接触横截面为“平均总传导横截面”的4％。“热电片”11在其面向温度水平Th的端部必要时明显加宽、加厚或附加地成型。在热电片11的本说明书中下面被称作“热电脚”12的部分的任务在于，以足够的量由任何形式的热源吸收热能并通过“热电片”11将其传导到最小化的接触横截面3上。在由热电片11本身形成的接触桥1以外，热电片11和热电脚12的尺寸根据材料特征值、温度水平以及接触横截面3的热需求设计。

在图6a中示出根据本发明的基本原理的改进的、优选的应用方式。热电臂A、B具有指向最小化的接触横截面方向的、倒圆的形状，并因此具有在热电臂的传导的长度上改变的传导横截面。就是说，热电臂A、B的横截面关于与接触桥1、2相交的平面具有至少近似圆弧形的和凸形的边界。倒圆的形状基本上跟随朝“线形”构成的接触横截面3的有效的且收缩的电流分布7、7′。与在图5中所示的实施例不同由此实现了材料上的节省。在图5的示例中由于电流收缩不再是每个热电臂的所有材料质量都参与电流的继续传导。如在图6a、6b、6c中所示的热电臂A、B的倒圆的形状考虑到了这一点。臂横截面朝接触横截面3的方向上出现的、连续跟随电流收缩的减小，也减小了从接触横截面3的热导出。虚线13示出以及限定针对两个热电臂中的每一个的假想的、长方体形的体部，该体部构成在导体长度相同的情况下所属热电臂的体积当量。在图6中倒圆的热电臂A、B具有相同的大小和长度，因此两个假想的、长方体形的体积当量也大小相同。假想的体部的基面5′对应于两个臂A、B中的每一个的“平均传导横截面”且由在本说明书中已经在上面定义的针对

的关系中得到。两个面5′的累加得到热电元件的“平均总传导横截面”，由此可以确定接触横截面3的大小和％值。在图6a、6b、6c的实施例中最小化的接触横截面为“平均总传导横截面”的2％。热电片11在从Th至“热电脚”12的范围中增大。

图6b示出该变型方案的实际的应用方式。隔热层6包围热电片11以及包围热电脚12的一部分。热电脚12穿过壁14的开口。壁14可以是管或通道的壁，气态的或液态的热载体在其中循环。由热电脚12吸收的热能9通过热电片11传递到接触位置或接触横截面3。

图6c示出这种根据本发明设计的热电元件的串联电路的一个局部。热电片11构成得较短并设有较宽的、扁平的热电脚12。该热电脚与壁14处于面式的、导热良好的接触，所述壁处于温度水平Th，这通过任何一种前述的方式来实现(例如通过热气体、热液体或其吸附热作用的辐射)。由热电脚12吸收的热能通过热电片11传递到接触横截面3。

图7示出按本发明的基本设计构成的、径向结构形式的热电发电机。

围绕中央管16的壁环状地设置多个的热电元件21。这些热电元件对应于图6中示出的具有倒圆的热电臂A、B的结构形式。在温度范围T_k中的接触桥2将每个热电元件与相邻的热电元件串联连接。此时接触桥2形成同心的、通过分隔间隙4以规则的间距中断的绕中央管16的环。在任意的位置22上将接触桥2中的一个分开，从而在这里可以分接出串联电路的电压U。每个热电元件的倒圆的热电臂A、B的朝向中央管16的棱边通过在此也构成最小化的接触横截面的热电片11电连接。热电片11分别配有一个热电脚12，所述热电脚与中央管16的外表面的导热接触。如果中央管16由导电材料(例如金属)构成，则每个热电脚12通过薄的、电绝缘的中间层15保护，防止与管16直接接触。管16、热电脚12、热电片11和热电元件21之间的空腔通过隔热良好以及电绝缘的材料6填充。由接触桥12构成的中断的环被薄的、电绝缘的外套17包围。外套17优选但不是必须由环形的设有冷却肋的冷却体18包围。这样将热电元件环形的串联电路连同在中央管16和同心的环形的冷却体18之间的所有所属的部分包含在固定的机械连接中。在中央管16中存在温度水平Th，该温度水平通过热的气体、热的液体或者通过任何其他产生热或载热的物质20提供。通过这样加热的管16的壁将热传递给电热脚12，并通过热电片11继续传递给最小化的接触横截面3。由此引起产生电压U的塞贝克效应。

只要电路闭合，则同时且直接出现伴随的珀尔帖效应，珀尔帖效应从最小化的接触横截面的边界层通过这里存在的高电路密度直接提取对应于电路的电功率的能量当量的热量。

如图7原理性地示出的那样，热电发电机可以由多个热电元件环按串联、并联或串联和并联的任意组合构成。

图8示出按相同的基本原理构成的应用实例的局部。该应用实例考虑采用扁平的结构形式。热电脚12此时具有细长的结构并电绝缘地穿过扁平的管或通道19的壁伸入其空腔中。在管或通道19的空腔中通过任意前述的类型23提供温度水平Th。热电脚12从温度水平Th吸收热量，该热量通过热电片11传递给最小化的接触横截面3。管或通道19也可以具有正方形或长方形的横截面，具有热电片11和热电脚12的热电元件安装在管或通道19的所有平的外表面上。所有细长的热电脚12此时绝缘地穿过孔伸入管或通道19的空腔中，在该空腔中提供温度水平Th。

根据该实施例，利用本发明提供了一种用于直接将热能转换成电能的方法途径，这种方法途径在相关的专业领域实现了明显的进步。这种方法途径基于以下事实：一方面如果热电元件材料的“热”的连接位置仅通过非常小的接触位置构成，而仅在该小的接触位置上存在所需的温度，则以完整的数值形成根据赛贝克系数和温度梯度的热电压。另一方面在闭合的电流回路中与赛贝克效应同时地和直接地也不可避免地出现珀尔帖效应，珀尔帖效应从以及仅从“热”的接触位置获得电功率的热量当量。如果所需的热能的输入仅限于非常小的接触位置，则通过有限的输入也仅立即转换该热能。在邻接的热电臂的与接触位置相比大量的材料上的仍然存在的热损失比在整面接触的情况小很多倍。由于热电元件提高的电阻导致的功率损失通过在热流上的明显减小的损失得到数倍的补偿。由此实现效率的本质上的改进。

图9示出具有两个热电臂A、B的近似楔形构造的热电元件结构的一个可选的实施例。

两个热电臂A、B分别具有梯形横截面且并排设置，使得在它们之间存在狭窄的间隙4。两个热电臂A、B的宽度从第一电接触桥1至相对的接触桥2线性增大。在与两个热电臂A、B相邻外部的体积范围中设置通过隔热材料6形成的绝缘元件。因此对于流动通过热电元件的热流Q提供了与第一电接触桥1邻接的第一通过面F₁以及另一方面与电接触桥2邻接的第二通过面F。因此在第一接触桥1的区域中第一通过面F₁通过由隔热材料6形成的绝缘元件限定。在两个电接触桥1、2之间的两个热电臂A、B的延伸部具有对应于图9的图示的长度l。分别形成热电臂A、B的一个端部的第一通过面F₁和通过面F同时也是这样的面，它们在所述端部的区域中可供用于电流7、7′的导通。此时当然要考虑到，在两个热电臂A、B中电流7、7′的方向(图2a)是相反的，但热流的流动方向是相同的。就是说，对于电流的密度的值，第一通过面F₁或第二通过面F各自的约一半是决定性。

对于通过两个热电臂A、B形成的热电元件的效率的近似计算，假设取决于地点的温度的标量场T

仅取决于对应于纵向延伸的长度1。根据在图9中给出的坐标系，温度T仅取决于坐标x，即T(x)。热流密度

的已知的关系(其等于热导率λ和温度分布T(x)的梯度的积)因此转化为一个方程式，该方程式仅取决于坐标x。

$\stackrel{\→}{q}=-\mathrm{\λ}\·\▿T$

$\frac{Q}{F\left(x\right)}=-\mathrm{\λ}\·\frac{\mathrm{dT}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}$

还假设，对于总热流Q仅有两个热电臂A、B的体积可供使用。这与上面给出的导热公式的边缘条件的意义相同，即通过第一通过面F₁的总热流Q必须等于通过第二通过面F的热流Q。因此根据该假设得到总热流Q，总热流根据下面给出的公式与施加在热电元件上的温度差T_h-T_k成正比。

$Q=\frac{2\·\mathrm{\λ}\·F}{1}\·\frac{1}{1+\frac{F}{F_1}}\·(T_h-T_k)$

这里对于两个热电臂A、B假设热导率λ相同。

为了计算可由热电元件获取的电功率P同样以简化的考察方式假设，两个热电臂A、B的电阻率ρ相同。电功率根据下面的公式从塞贝克电压的平方与电串联的热电臂A、B的电阻的商中算出。

$P=\frac{S^2\·{(T_h-T_k)}^2}{R}$

在热电臂A、B中的电流密度仅取决于坐标x的前提下根据下面的公式得出串联的热电臂A、B的总电阻R。

$R=\frac{4\·\mathrm{\ρ}\·l}{F}\·\frac{\ln \left|\frac{F}{F_1}\right|}{1-\frac{F_1}{F}}$

对于由电功率P和总热流Q的商中计算出的效率η得到下面的公式。

$\mathrm{\η}=\frac{P}{Q}=\frac{S^2}{4\·\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\λ}}\·(T_h-T_k)\·\frac{1}{2}\·\frac{\frac{F}{F_1}-\frac{F_1}{F}}{\ln \left|\frac{F}{F_1}\right|}$

由此出人意料地实现了，第一通过面F₁相对于第二通过面F的比值选择得越小，则效率η越高。这还出人意料地表现为，根据上述公式对于热流Q在选择较小的通过面F₁的值时也得到相应较小的总热流Q的值。如果另一方面规定为固定的热流Q，如在具有时间上恒定的热功率的热源的情况下那样，这意味着，必须调节到更高的温度差T_h-T_k，由此根据前述效率η的公式同样得到提高的效率η。

因此可以对于具有与第二通过面F相比小得多的第一通过面F₁的热电元件的结构，相对于通过热电臂A、B的热流Q明显提高了所得到的电功率P。利用设置选择得较小的第一通过面F₁的结构措施明显提高了在通过面F₁的区域中的热流密度

以及电流密度

在前述根据图2至9的实施例中始终假设，电接触桥2面向冷的或较低的温度范围T_k，而电接触桥1面向较高的温度水平T_h。可选地也可以设想第一接触桥1或第一通过面F₁面向较低的温度水平T_k的布置形式。对于热电臂这种反向的布置或定向也可以实现前述效率η的提高。

图10示出由两个近似楔形的热电臂A、B组成的热电元件布置形式的一个可选的实施例。根据该实施例第一通过面F₁与热桥11连接。热桥11优选构造成平板形的(如同根据图5的“热电片”)，热桥以狭窄的端面与第一通过面F₁热接触并基本上平行于两个热电臂A、B之间的间隙4定向。热电臂A、B以及热桥11的两侧也设有通过隔热材料6形成的绝缘元件，从而对于总热流Q仅由热桥11以及连接在其上的两个热电臂A、B可供使用，用于从温度T_h的区域通过到达温度T_k的区域。与根据图9的实施例不同，现在第一通过面F₁选择得较小并通过在长度l₁上延伸的热桥11将总热损失Q进一步集中到通过面F₁的区域上。

类似于在根据图9的实施例中为了计算效率η所做的假设，这里也可以计算效率η，但这里要注意的是，对应于沿热桥11的温度下降，用于产生热电压的温度差T_c-T_k比可供使用的总温度差T_h-T_k小。这里T_c代表第一通过面F₁上的温度。此外热桥11具有热导率λ₁。这样根据下面的公式得出了施加在两个热电臂A、B的热电元件上的温度差T_c-T_k。

$T_c-T_k=(T_h-T_k)\·\frac{1}{1+\frac{2\·\mathrm{\ϵ}}{1+\frac{F}{F_1}}}$ 其中 $\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\λ}\·l_1\·F}{{\mathrm{\λ}}_1\·l\·F_1}$

因此根据下面的公式得到的值适用于在根据图10的热电发电机或热电元件中的热效率η。

$\mathrm{\η}=\frac{S^2}{4\·\mathrm{\ρ}\·\mathrm{\λ}}\·(T_h-T_k)\·\frac{1}{2}\·\frac{\frac{F}{F_1}-\frac{F_1}{F}}{\ln \left|\frac{F}{F_1}\right|}\·\frac{1}{1+\frac{2\·\mathrm{\ϵ}}{1+\frac{F}{F_1}}}$

通过选择与第二通过面11相比相应小的第一通过面F₁，可以实现明显提高的效率η。

效率η与具有在长度l上保持不变的横截面F的热电元件的效率相比较显示，从第二通过面F与第一通过面F₁的比例的大于10的值开始就已经可以实现效率翻倍以上。就是说，当用于热流Q的第一通过面F₁的值小于第二通过面F的值的10％时。对于通过面F₁的选自等于或小于第二通过面F的5％至2％的范围的值，可以实现效率η更明显的改善。通过面F₁的值优选选自等于或小于第二通过面F的2％，特别是等于或小于1％的范围中。但这里要注意的是，在实际情况下热流Q的一部分由于无法完全避免的导热而通过隔热材料6的绝缘元件损失，因此无法完全达到理论上可能更高的效率。但已经发现，在热桥11的热导率与绝缘元件或隔热材料6的比选择为等于或大于10⁵的值的情况下，可以实现明显提高的效率η。

对于两个热电臂A、B的材料设定，所述材料选自包括金属、半导体和矿物的组中。特别合适的矿物例如是天然或人工的方钴矿。作为用于热桥11的材料优选为导热性好且导电性好的金属。代替使用隔热材料6也可以设定，对包围热电臂A、B和热桥11的腔抽真空，这样在很大程度上抑制热损失。

图11示出热电发电机或热电元件布置结构的另一个可选的实施例，其按薄层技术构成。热电臂A、B相互替换并且通过电接触桥1、2串联。对应于单个热电臂A、B的梯形设计，在该实施例中也可以如前面在根据图9的实施例中给出的说明那样实现提高的效率。对应于在该热电元件布置形式中串联的热电臂A、B、A、B...的序列，提供相应多倍于一单个热电臂A、B对的塞贝克电压。为了更为清楚，在图11中未示出绝缘元件，并且热电臂A、B的层厚也不成比例地放大示出。

图12示出热电元件布置形式的另一个实施例，具有构造成棱锥形的热电臂A、B的对。此时两个热电臂A、B分别以倾斜的截棱锥的形式构成。热电臂A、B的对通过薄的间隙4相互分开地形成等边的截棱锥，所述截棱锥具有用于热流Q的第一通过面F₁和第二通过面F作为截棱锥的顶面或底面。

代替热电臂A、B的平的或圆柱形的侧面(图6至图8)，也可以为此设置不同的其他形状。这样也可以关于一与第一通过面F₁和第二通过面F相交的平面设置热电臂A、B的横截面，其具有抛物线或椭圆和凸形的边界。可选地，也可以将热电臂对A、B的外部的边界也可以时凹形而不是凸形弯曲的。

这些实施例示出热电发电机或热电元件布置结构可能的实施方案，这里应指出，本发明不限于特别示出的实施方案本身，而是可以对各个实施方案进行各种组合，基于通过本发明进行的技术处理的教导，这些变型可能性是本领域技术人员能够掌握的。就是说，所有可设想的、通过所示和所述的实施方案的各个细节的组合可实现的实施方案包含在保护范围中。

为了以规则起见，最后要指出的是，为了更好地理解热电发电机或热电元件布置形式的构造，它们的组成部分部分地是不按比例和/或放大和/或缩小地示出的。

基于本发明的解决方案的目的可以从说明书中获得。

尤其是各个在附图中示出的本发明的实施例可以构成独立的、本发明的解决方案。与此相关的、根据本发明的目的和解决方案能够从对这些附图中的详细说明中获得。

附图标记列表

1     接触桥

2     接触桥

3     横截面

4     间隙

5     底面

5′   体积当量的长方体的基面

6     隔热材料层

7     电流

7′   电流

8     凹部

9     热输入

10    固体

11    热桥/“热电片”

12    热电脚

13    体积当量的长方体

14    壁

15    中间层

16    管

17    电绝缘的外套

18    冷却体

19    通道

20    承载热的物质

21    热电元件

22    位置

23    承载热的物质

24

25

A     热电臂

B     热电臂

F₁    第一通过面

F     第二通过面

l     热电臂的长度

l₁    热桥的长度

Claims (14)

1.一种借助于热电效应将热转换成电能的方法，其中，将至少两个、优选多个的热电元件按串联或并联或以两种连接方式的组合相互连接，所述热电元件分别至少由两个不同的引起塞贝克效应的被称为热电臂的材料构成，所述热电元件分别具有需加热的接触位置，其特征在于，采用下面的方法步骤：

a)需加热的接触位置具有相对于热电臂的接触面，该接触面小于从下面的关系式中得出的“平均总传导横截面”的5％

其中：

＝两个热电臂的平均总传导横截面

V_A＝热电臂A的体积

V_B＝热电臂B的体积

l_A＝热电臂A的传导长度

l_B＝热电臂B的传导长度

b)将从外部输入的热能直接地仅输送到接触位置或由接触位置形成的接触面上；

c)将从外部输入的热能仅以有限的量输送到接触位置或由接触位置形成的接触面上，所述有限的量相当于由各热电元件产生的电功率加上通过进入邻接的热电臂中的散热而出现的损失的能量当量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设置隔离元件，通过所述隔离元件在侧面、即在第一通过面(F₁)的周边上限定用于热流(Q)和电流(7、7’)的第一通过面(F₁)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述隔离元件通过隔热的材料层(6)构成。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一通过面(F₁)通过将两个热电臂(A、B)电连接的第一接触桥(1)的表面形成。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一通过面(F₁)与热桥(11)连接，其中，由热桥(11)的比热导率和隔离元件的比热导率的比值具有大于10⁵的值。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)的横截面关于一个与用于热流(Q)和电流(7、7’)的第一通过面(F₁)和第二通过面(F)相交的平面构造成具有至少近似圆弧形以及凸形的边界。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)的横截面关于一个与第一通过面(F₁)和第二通过面(F)相交的平面构造成梯形的。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)以截棱锥的形式设计，其中，第一通过面(F₁)和第二通过面(F)形成截棱锥的底面或顶面。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述热桥(11)构造成板形的(以“热电片”的形状)并以狭窄的端侧与第一通过面(F₁)连接。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)的至少一种材料由包括金属、半导体和矿物的组中选出。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)的至少一种材料由包括天然或人工的方钴矿的组中选出。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)按薄层技术构成。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)的尺寸按照针对最小的串联电阻的横截面优化原则设计。

14.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)的尺寸按照针对最高的并联热阻的横截面优化原则设计。

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