CN103493230A - 热电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种包括热电发电机的装置，该热电发电机带有从热源吸收热量的热侧和向热沉排出热量的冷侧以及用于以输出电压输出电能的电接头；该装置还包括具有最高容许输入电压的电路，该电路的输入端与热电发电机的电接头连接。这种装置例如使用在机动车的排气系统上，以便高效地利用能量。为了提供这种可以在很大程度上不依赖于热电发电机的热侧与冷侧之间的温差大小地与热源，尤其是内燃机的排气系统连接的装置，提出将热电发电机设计成在低于或达到电路的最高容许输入电压时出现输出电压饱和。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括热电发电机的装置，该热电发电机带有从热源吸收热量的热侧和向热沉排出热量的冷侧以及用于以输出电压输出电能的电接头；该装置还包括具有最高容许输入电压的电路，该电路的输入端与热电发电机的电接头连接。此外，本发明还涉及一种用于运行这种装置的方法。
背景技术
热电发电机（也被简称为TEG）是一种利用热电效应将热能转化成电能的装置。
热电效应（也被称为塞贝克效应（Seebeck-Effect））描述了在温度与电之间的可逆转的交互作用。塞贝克电压如下这样来确定：
USeebeck=α×δT
其中，δT是热侧与冷侧之间的温差，
α是塞贝克系数或温差电动势。
塞贝克系数具有电压每温差的量纲（V/K）。塞贝克系数的大小主要说明了塞贝克电压的高度。
热电发电机由不同掺杂的半导体材料构成。用于热电发电机的常用半导体材料是像尤其是Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3、PbTe、SiGe或FeSi2以及它们的合金那样的半导体材料。
传统的热电发电机由两个或两个以上分别由p掺杂和n掺杂的半导体材料制成的小长方六面体构成，这些小长方六面体上下交替地通过金属桥相互连接。金属桥同时形成了热接触面，并且大多通过陶瓷板绝缘。由p掺杂和n掺杂的半导体材料制成的不同的长方六面体电串联。陶瓷板具有约3mm至5mm的间距，长方六面体布置，尤其是焊接在这些间距中。其中一块陶瓷板形成了热电发动机的热侧，而对置的陶瓷板则形成了热电发动机的冷侧。热侧从热源吸收热量，而冷侧向热沉排出热量。通过在热侧与冷侧之间建立起温差δT，在热电发电机的接头上产生了塞贝克电压USeebeck。
为了提高热电发电机的效率，在EP1287566B1中公开了一种热电元件和一种带有多个电串联的热电元件的模块。热电元件具有一个或多个掺杂半导体的至少一个n层和至少一个p层，其中，在形成至少一个pn结的情况下布置有一个或多个n层和p层。至少一个n层和至少一个p层选择性地电接触，并且温度梯度平行于在至少一个n层和p层之间的分界层（在x方向上）来施加。至少一个pn结基本上沿一个或多个n层和p层的整个延展部分，优选最长的延展部分来构造以及进而基本上沿着它们的整个分界层来构造。
通过沿大面积的pn分界面的温度梯度，沿这个纵向构造的pn结在pn层组的两个端部之间产生了温差，这个温差导致热电元件的效率要比在沿着pn结以及在pn结内部没有温度梯度的传统热电发电机中的效率要高。热电元件在模块中热并联地布置在两块板之间。这些板用于既在冷侧也在热侧改善热耦合。这些板优选构造成良好的热导体，它们尤其由陶瓷的、不导电的材料制成。EP1287566B1尤其对于热电元件（图3）和模块（图13）的结构以及对所使用的半导体材料的公开，都被明确地引入本申请中。
如下这种装置在DE102008023806A1中公开。该装置接入到机动车的排气系统中，在该排排气系统中TEG的所谓的热侧与排气系的排气导引管路导热地连接，而TEG的冷侧则例如与机动车的发动机冷却系统的导引冷却液体的冷却介质管路热耦合。TEG通过形式为直流变换器的直流电压耦合装置以电方式耦合到机动车的车载电网中。由TEG和直流变换器构成的装置明显改善了机动车的能效。但装置到机动车的排气系统中的接入以排气系统的重建为前提。排气系统包括排气通道，该排气通道具有两个平行延伸的排气子通道，其中，排气子通道顺流而下又汇合在一起。两个排气子通道中的其中一个与热电发电机热耦合，其中，在排气通道中如下这样存在至少一个用于使排气流转向的切换元件，即，依赖于切换元件的切换位置使排气流仅流过第一排气子通道、仅流过第二排气子通道或按份额流过两个排气子通道。此外，设置控制装置来驱控至少一个切换元件。布置在排气子通道中的热电发电机的输出电压与在热电发电机的热侧与冷侧之间的温差几乎成比例。为了避免在特定的运行状况下与热电发电机和机动车的车载电网连接的直流变换器由于热电发电机过高的输出电压受损，有必要将过热的废气导引在热电发电机旁经过。通过这种旁路解决方案可以针对允许了大部分行驶循环的中等的发动机功率以及进而排气温度和排气质量流量来设计热电发电机。此外，直流变换器可以根据最常使用的中等功率范围来设计。不过现有技术的主要缺点在于，排气系统必须具有两个平行延伸的排气子通道，并且此外受控制的切换元件必须安装在排气系内。
发明内容
以现有技术为出发点，本发明所要解决的任务是，提供一种本文开头提到类型的装置，该装置可以在很大程度上不依赖于热电发电机的热侧与冷侧之间的温差大小地与热源，尤其是内燃机的排气系统连接，其中，应当在热源，尤其是在排气系统没有变化的情况下避免与热电发电机连接的电路由于超过其最高容许输入电压而受损。
该任务在本文开头提到类型的装置中如下这样来解决，即，热电发电机包括至少一个热电元件，该热电元件由用热电材料制成的至少一个n层和至少一个p层以构成有至少一个沿分界层构造的pn结的形式构成，其中，温度梯度可以在热电发电机的热侧与冷侧之间平行于分界层来施加，并且热电发电机被设计成在低于或达到电路的最高容许输入电压时出现输出电压的饱和。
热电发电机包括至少一个本身由EP1287566B1公开的热电元件。通过使热电发电机的输出电压从热侧与冷侧之间特定的温差起不再明显地提高来防止超过电路的最高容许输入电压。输出电压的这种饱和优选在达到或略小于最大容许输入电压时出现。在无需耗费地干预热源或热沉的情况下有效地避免了对电路以及接下来的部件的损伤。尤其在将根据本发明的装置接入到机动车的排气系统中时，不再需要将排气子通道作为用于过热的废气的旁路。此外也取消了切换元件以及用于驱控切换元件的控制装置。
在包括至少一个本身由EP1287566B1公开的热电元件的热电发电机中，输出电压饱和的出现依赖于如何相互协调热电层的运输能力和施加有温度梯度的pn结的产生效率。在参数，例如尤其是热电发电机的长度和宽度、掺杂和缺陷密度恒定时，优选通过n层和p层的厚度来调整热电发电机的饱和特性。出现输出电压饱和的值随着层的变厚而提高。因此通过改变层厚可以使热电发电机与电路的最高容许输入电压相适配。
在本发明优选的设计方案中，该装置包括如下热源，该热源与热电发电机的热侧热耦合。热耦合可以例如借助热交换器实现。尤其使用内燃机的排气系统的组成部分作为热源，其中，基于根据本发明的装置不需要排气系统的结构性适配。
附图说明
接下来借助附图详细阐释本发明。附图中：
图1示意性示出了根据本发明的装置；
图2示出了根据图1的不同设计的热电发电机依赖于温差的输出电压；
图3示出了不同设计的热电发电机依赖于施加的温差的功率密度；
图4示出了针对不同掺杂剂浓度的n掺杂的硅的塞贝克系数；以及
图5示出了针对不同掺杂剂浓度的p掺杂的硅的塞贝克系数。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的装置，其带有本身由EP1287566B1公开的热电发电机（1），该热电发电机在所示实施例中简化地仅包括一个热电元件，该热电元件由用热电材料制成的p层（2）和用热电材料制成的n层（3）以构成有沿分界层构造的pn结（4）的形式构成。热电发电机（1）在层组的上端侧具有热侧（5），而在对置的端侧上具有冷侧（6）。在热侧（5）与冷侧（6）之间沿着分界层可以施加温度梯度，其中，热侧从未示出的热源，例如内燃机的排气系统吸收热量，而冷侧则向热沉，例如内燃机的冷却液管路或环境空气排出热量。在热侧（5）与冷侧（6）之间存在的温差下，在pn结（4）的热侧（5）上在产生区（7）内以热方式产生了载流子（电子和空穴）。载流子通过pn结（4）的内建电势（Built-In-Potential）被分开并且在n层和p层中通过塞贝克效应从热侧（5）向冷侧（6）运输。在冷侧（6）上，载流子通过形式为触点的电接头（8a、8b）导出。热电发电机（1）的电接头（8a、8b）与电路（9），亦即直流变换器连接。直流变换器用于将由热电发电机（1）产生的电能耦合到机动车的示意性示出的车载电网（10）中。
热电发电机（1）在温差增大时具有两个运行区域，亦即产生限制区域和运输限制区域。在产生限制区域中，大部分在热侧（5）上产生的载流子被导出到电接头（8a、8b）。产生的载流子数量随温度呈指数上升，其中，基于热电发电机（1）的热传导性沿pn结（4）出现了相应的温度梯度。如果在运输限制区域中更高的温度下针对一定厚度的n层和p层（2、3）产生了载流子悬垂
那么沿n层和p层出现了新的平衡，并且载流子在它们通往电接头（8a、8b）的路径上再次重新组合。由此产生了随着温差增大先是微弱地上升而后饱和的输出电压。
因此，从产生限制区域到运输限制区域的过渡以及进而发生输出电压饱和的温差依赖于n层和p层（2、3）的运输能力以及pn结（4）的产生效率。因此在给定的参数，例如热电发电机的长度、掺杂和缺陷密度下，n层和p层（2、3）的运输特性最简单地可以通过n层和p层（2、3）的厚度的改变来调整。p层和n层的典型厚度处在10到100μm的范围内，而热电发电机的典型长度处在毫米范围内。
前面的阐释表明，通过确定n层和p层（2、3）的厚度可以调整热电发电机（1）的最大输出电压的高度。因此可以使热电发电机（1）的最大输出电压在根据本发明的装置内部与电路（9）的最高容许输入电压相适配。
图2说明了在n层和p层（2、3）的层厚与输出电压的饱和之间的关联。在图2中示出的虚线表示传统的热电发电机的特性，其中，输出电压与热电发电机的热侧与冷侧之间的温差成比例地上升。实线在此涉及热电发电机（1）的输出电压的特性，其中，针对n层和p层（2、3）的厚度（11）在输出电压的不同值下出现了输出电压的饱和。输出电压的饱和度随着变厚的p层和n层（2、3）上升。针对p层和n层（2、3）的在比较中最小的厚度（11），在输出电压（S1）时出现了饱和，针对中等厚度（11）在输出电压（S2）时出现了饱和，而针对最大的厚度（11）在输出电压（S3）时出现了饱和。因为具有较大厚度的n层和p层（2、3）具有较大的载流子运输能力，所以分别出现输出电压（S1至S3）的饱和的温差也向上移动了。
图3示出在较低的温差下较薄的n层和p层（2、3）被证实是有利的，因为由于较低的温差在产生区（7）中产生了较少的载流子并且它们可以从n层和p层（2、3）被高效地运输给接头（8a、8b）。随着温差增大，针对较厚的n层和p层（2、3）产生了较高的功率密度。由图3进一步可知，传统的热电发电机的输出功率关于温差几乎成二次方地上升，而热电发电机（1）的输出功率则是先关于温差呈指数地，也就是说比关于温差成二次方大地上升而在较高的温差值下受到输出电压的饱和的限制。通过热电发电机（1）的这种特性，输出功率相比传统构造的用于特定温差的热电发电机可以得到优化。装置因此可以特别高效地与在中等的功率范围内运行的内燃机的排气系统相适配。
自由载流子以及进而传导性，不过还有半导体内的塞贝克系数都通过材料的掺杂得到调整。因此所谓的本征半导体和非本征半导体是有区别的，其中，每种半导体都随温度上升进入本征范围。在非本征半导体中，仅一种载流子类型（也就是说，根据掺杂的不同或是电子或是空穴）有助于电运输，而在本征半导体中通过热产生则存在两种载流子类型。因为热漂移在相同的方向上作用到两种载流子类型上（从热到冷），不过载流子承载带不同符号的电荷，并且也具有带不同符号的塞贝克系数，所以掺杂半导体的塞贝克系数在从非本征范围到本征范围的过渡区上由于额外出现的各其它载流子（在p半导体区域中的电子，在n半导体区域中的空穴）的符号错误的那部分强烈地下降（图4、5）。在这些图中可以看到各种不同掺杂的硅样品的值，基本特性对于其它半导体材料而言是类似的。
基于前面的特性，也可以通过n半导体材料和p半导体材料的掺杂来调整输出电压的饱和。
附图标记列表
| 编号 | 名称 |
| 1 | 热电发电机 |
| 2 | p层 |
| 3 | n层 |
| 4 | pn结 |
| 5 | 热侧 |
| 6 | 冷侧 |
| 7 | 产生区 |
| 8a、8b | 电接头 |
| 9 | 电路 |
| 10 | 车载电网 |
| 11 | 厚度 |
Claims (6)
1.一种包括热电发电机的装置，所述热电发电机带有从热源吸收热量的热侧、向热沉排出热量的冷侧以及用于以输出电压输出电能的电接头；所述装置还包括具有最高容许输入电压的电路，所述电路的输入端与所述热电发电机的电接头连接，其特征在于，
-所述热电发电机（1）包括至少一个热电元件，所述热电元件分别由用热电材料制造的至少一个n层（2）和至少一个p层（3）以构成有至少一个沿分界层构造的pn结（4）的形式构成，其中，温度梯度能在所述热电发电机（1）的热侧和冷侧（5、6）之间平行于分界层来施加，以及
-所述热电发电机（1）设计成在低于或达到所述电路（9）的最高容许输入电压时出现输出电压（S1、S2、S3）的饱和。
2.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述n层和p层（2、3）具有如下厚度（11），在所述厚度的情况下，在低于或达到所述电路（9）的最高容许输入电压时出现输出电压（S1、S2、S3）的饱和。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述装置包括热源，所述热源与所述热电发电机（1）的热侧（5）热耦合。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述热源是内燃机的排气系统的组成部分。
5.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述电路（9）是直流变换器。
6.一种用于运行包括热电发电机（1）的装置的方法，所述热电发电机带有从热源吸收热量的热侧（5）、向热沉排出热量的冷侧（6）以及用于以输出电压（S1、S2、S3）输出电能的电接头（8a、8b）；所述装置还包括具有最高容许输入电压的电路，所述电路的输入端与所述热电发电机（1）的电接头（8a、8b）连接，其特征在于，
-在所述热电发电机（1）的热侧和冷侧（2、3）之间构造出温差，其中，由所述热侧（5）从所述热源吸收热量，并由所述冷侧（6）向所述热沉排出热量，
-其中，所述热电发电机（1）的输出电压（S1、S2、S3）在所述热侧和冷侧（2、3）之间的温差的第一值域内随着值的升高而提高直至最大输出电压，所述最大输出电压小于或等于所述电路（9）的最高容许输入电压，
-其中，所述热电发电机（1）的输出电压（S1、S2、S3）在所述热侧和冷侧（2、3）之间的温差的第二值域内不再随着值的升高而进一步提高，以及
-其中，所述第二值域的温差大于在所述第一值域内的温差。
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| GERHARD SPAN: ""Miniaturized TEG with thermal generation of free carriers"", 《PHYS. STAT. SOL》 * |
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