CN104412402A - 使用梯度热交换器的热电发电系统 - Google Patents
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- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
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Abstract
本文公开了一种发电系统包括热交换器和多个热电发电机，所述热交换器包括入口，出口和在所述入口和出口之间沿所述热交换器的长度延伸的导管，以及设置在所述导管内的多个导热散热片，所述散热片的聚集率从接近所述入口的第一聚集率增加至接近所述出口的第二聚集率；所述多个热电发电机沿所述热交换器的长度设置，每个热电发电机包括热端，冷端和在这两者之间延伸的热电元件，其中，所述热电发电机的热端与所述多个散热片热接触，这样，沿着所述热交换器的长度，每个热端的温度基本相同。
Description
相关申请
本申请要求2012年6月25日提交的美国临时申请第61/664,012号的优先权权益以及2013年2月19日提交的美国临时申请第61/766,300号的优先权权益，上述美国临时申请的全部内容在此通过引用并入本文。
背景技术
本领域已知诸如太阳能热电转换器之类的热电转换器。这些转换器依赖于塞贝克(Seebeck)效应，将温差转换为电力。热电转换器中的一部分可由诸如热气流之类的热源直接或间接加热，从而产生所需的温差。能量转换效率取决于跨热电转换器的温差。温差越大，转换效率越高。
发明内容
本发明的实施方式可包括发电系统，所述发电系统包括热交换器以及沿所述热交换器的长度设置的多个热电发电机。其中，所述热交换器包括：入口、出口和在所述入口和所述出口之间沿着热交换器的长度延伸的导管、以及设置于所述导管内的多个导热散热片，所述散热片的聚集率从接近所述入口的第一聚集率增加至接近所述出口的第二聚集率。每个热电发电机包括热端、冷端和在这两者之间延伸的热电元件，其中，所述热电发电机的热端与所述多个散热片热接触，这样，沿所述热交换器的长度，每个热端的温度基本相同。
在各种不同的实施方式中，在所述热交换器的入口部和出口部之间，所述热端彼此之间的温度差可在大约20℃的范围内或小于20℃的范围内，例如所述热端彼此之间的温度差在大约12℃的范围内(例如，彼此之间的温度差在0至12℃的范围内)。
本发明的其他实施方式包括一种发电方法，所述方法包括使用热能源加热流体，使加热的流体流过热交换器，以及使用沿所述热交换器的长度设置的多个热电发电机产生电能。所述热交换器包括与流体流热接触的多个导热散热片，其中，所述散热片的聚集率在流体流过所述热交换器的主方向上增加。每个热电发电机包括热端、冷端和在这两者之间延伸的热电元件，其中，所述热电发电机的热端与所述多个散热片热接触，这样，沿所述热交换器的长度，每个热端的温度基本相同。
本发明的其他实施方式包括热电模块，所述热电模块包括：相互电连接的多个p-型热电材料柱和n-型热电材料柱，其中，每个柱在所述模块的第一侧和第二侧之间延伸；位于所述模块的第一侧上的热电材料柱之上并且被配置为将来自外部热源的热能传导至热电材料柱的盖子；以及与模块盖子的外表面直接连接的多个导热散热片。
本发明的其他实施方式包括一种使用热电模块产生电能的方法，所述热电模块包括具有热端和冷端的多个热电材料柱，其中，所述方法包括将来自热源的热量通过与位于所述柱的热端上的模块盖子的外表面直接连接的多个导热散热片传导至各个热电材料柱的热端，从而在所述柱的热端和冷端之间提供温差，以及使用所述温差由所述多个热电材料柱产生电力。
附图说明
并入本文并构成说明书的一部分的附图举例说明了本发明的示例性的实施方式，并且附图结合上述概要描述以及下文的具体描述用于解释本发明的特点。
图1A是发电系统的示意性横截面透视图，该发电系统具有多个热电发电机(TEG)和梯度热交换器，该梯度热交换器用于维持多个热电发电机(TEG)的第一侧的温度在流向上基本均匀。
图1B是显示沿废气流的方向废气的温度(Texhaust)和TEG模块的热端的温度(TTEG-H)的变化曲线。
图2是图1A的梯度热交换器的横截面透视图，其示例说明散热片聚集率沿流体流方向增加。
图3是图1A的发电系统的横截面透视图。
图4是平板散热片聚集率沿流体流方向增加的梯度热交换器的横截面透视图。
图5是具有与模块壳体直接连接的热交换散热片的热电发电机模块的透视图。
具体实施方式
将参考附图对本发明的各种不同的实施方式进行具体描述。只要可能的话，在整个附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部件。提及的具体实施例和实现方式是为了举例说明的目的，而非意在限定本发明或权利要求的范围。
本发明中存在多种由热能产生电力的方法。各种不同的实施方式可包括热电转换元件。热电转换依赖于塞贝克效应以将温差转换为电力。热电转换器在较大的温差条件下更加有效地运行。
热电发电(TEG)系统可使用来自热源的热量，从而跨一个或多于一个热电转换元件提供温差，并由此产生电力。所述热源可以是例如热流体流，例如，汽车排气、工业余热、热燃烧产物(例如，锅炉火焰)，等等。热交换器可用于将所述热流体流中的热量传递至热电转换元件的第一侧(即，“热”端)。
在TEG系统的热交换器设计中的一个问题是热交换器中流体流的温度趋于沿流体流方向下降。这在图1B中有示出，图1B示出了热废气流的温度从入口温度(Thi)降低至出口温度(Tlo)。这种温度下降可导致发电系统的TEG模块性能降低和发电系统的TEG模块之间的工作条件不一致。
本发明的各种不同的实施方式包括发电系统，该发电系统包括多个热电发电机(TEG)和梯度热交换器，该梯度热交换器用于维持所述多个热电发电机(TEG)的第一侧的温度在流向上基本均匀。在本发明的各种不同的实施方式中，该系统可提供一种对上述问题的解决方案，其可显著改善TEG系统(例如，基于TEG的废热回收系统)的性价比。
图1A是发电系统100的示意性横截面透视图，该发电系统100具有多个TEG模块102和梯度热交换器104，该梯度热交换器104用于将来自热流体流(例如，废气流)的热能传递至TEG模块的第一侧(例如，TEG模块的“热”端)。热交换器104可包括多个散热片106，散热片106可以是由导热材料(例如金属)制成的管状元件(例如，钉状散热片)。散热片106可位于热流体流中，这样，热流体的热量被传递至散热片106。散热片106的方向可大致垂直于流体流方向。散热片106可在一对板108、110之间延伸，这对板108、110可界定其中有流体流过的导管112。板108、110可由导热材料(例如，金属)制成，并且可由与散热片相同的材料制成。在本发明的实施方式中，板108、110可除去，散热片106可直接在TEG模块102之间延伸，TEG模块102可界定其中有流体流过的导管。
每个TEG模块102可包括第一(热)侧，第二(冷)侧以及设置于这两者之间的多个热电材料元件(例如，柱)。如图3所示，每个模块102可包括多对p-型热电材料柱105A和n-型热电材料柱105B。每对柱105A、105B可热电连接于第一(例如，热)端，例如，形成诸如pn结或p-金属-n-结之类的结。所述结可以是由导电材料(例如金属)制成的接头107。电连接器109(例如金属连接器)可连接至热电材料柱105A、105B的第二(例如，冷)端，并且可在横向上偏离接头连接器107，这样，对于每对n-型和p-型柱而言，一个柱105A(例如，p-型柱)接触第一连接器109，另一柱105B(例如n-型柱)接触第二连接器109。模块102可包括以期望的电路结构布置(例如，串联连接、并联连接或串联/并联结构组合连接)的多个这样的柱对。可使用电导线从模块102中提取电能。
TEG模块102的第一侧或“热”端可直接或间接地与热交换器104的散热片106热接触。例如，TEG模块102的第二侧或“冷”端可与散热片106基本隔热并且可直接或间接地与环境空气或冷却流体流热接触。在本发明的实施方式中，冷却流体(例如，液体，例如水)可相对于流过热交换器104的导管112的热流体以逆流、共流和/或横流的方式在TEG模块102的冷端的附近流动并且与TEG模块102的冷端直接或间接热接触(例如，在一个或多于一个分开的导管或管道中流动)。这样，热电转换器的一端维持在较高的温度条件下。所述转换器的对端暴露于较低温度条件下，所述热电转换器产生电能。
在各种不同的实施方式中，热电材料柱105A、105B可由多种块体材料制成和/或多种纳米结构材料制成。热电材料可包括但不限于：半赫斯勒，Bi2Te3，Bi2Te3-xSex(n-型)/BixSe2-xTe3(p-型),SiGe(例如，Si80Ge20),PbTe,方钴矿(skutterudites)，Zn3Sb4，AgPbmSbTe2+m，Bi2Te3/Sb2Te3量子点超晶格(QDSLs)，PbTe/PbSeTe QDSLs，PbAgTe中的一种或者它们的组合。所述材料可包括压缩纳米颗粒或嵌入块体基质材料中的纳米颗粒。例如，参见，2007年12月3日提交的美国专利申请第11/949,353号，该美国专利申请的全部内容通过引用并入用于所有目的，用于描述示例性的材料。
在优选的实施方式中，热电元件包括半赫斯勒材料。合适的半赫斯勒材料和制造半赫斯勒热电元件的方法在2011年12月19日提交的美国专利申请第13/330,216号和2012年12月19日提交的美国专利申请第13/719,96号中描述，该美国专利申请的全部内容通过引用并入本文用于所有目的。热电材料的品质因数已被发现随热电材料的粒度的降低而得到改善。在制造热电材料的方法的一个实例中，生产具有纳米级(小于1微米)颗粒的热电材料，即，95％(例如100％)的颗粒的粒度小于1微米。优选地，纳米级平均粒度的范围为10nm至300nm。该方法可用于制造任何热电材料并且包括使用纳米级颗粒制造半赫斯勒材料。所述方法可用于制造p-型和n-型半赫斯勒材料。在一个实施例中，半赫斯勒材料是n-型并且具有通式Hf1+δ-x-yZrxTiyNiSn1+δ-zSbz，其中，0≤x≤1.0，0≤y≤1.0，0≤z≤1.0,以及-0.1≤δ≤0.1(允许产生微量非化学计量材料)，例如，当δ＝0时，通式为Hf1-x-yZrxTiyNiSn1-zSbz，其中，0≤x≤1.0，0≤y≤1.0，以及0≤z≤1.0，(即，化学计量材料)。在另一实施例中，半赫斯勒材料是p-型材料并且具有通式Hf1+δ-x-yZrxTiyCoSb1+δ-zSnz，其中，0≤x≤1.0，0≤y≤1.0，0≤z≤1.0,以及-0.1≤δ≤0(允许产生微量非化学计量材料)，例如，当δ＝0时，通式为Hf1-x-yZrxTiyCoSb1-zSnz,其中，0≤x≤1.0，0≤y≤1.0，以及0≤z≤1.0(即，化学计量材料)。
散热片106可具有如图1A所示的大致圆形横截面，虽然可使用其他横截面(例如，多边形，三角形，卵形，不规则形，等等)。在一种实施方式中，散热片106的直径为约1mm，并且长度可以是大约5mm。在一种实施方式中，热交换器104在液流方向上的长度可以是大约200mm。如下所述，散热片106也可以是平板型散热片。
一种实施方式的散热片型热交换器可包括多个平板散热片，钉状散热片或者两者。散热片的聚集率可从接近导管112的入口的第一聚集率改变至接近导管112的出口的第二较密聚集率，从而向TEG模块102的热端提供基本一致的温度。如图1A所示，散热片106的密度可在热流体流方向上增加。沿着热流体流方向，散热片106的间隔可从第一散热片间隔(A)增加至第二散热片间隔(B)，增加至第三散热片间隔(C)，等等，其中，A>B>C…>x。
图2举例说明沿A-A’线的图1A的梯度热交换器104。如图2所示，散热片106(在该实施方式中为钉状散热片)的间隔可沿流体流方向变化并且可沿流体流的横向方向变化。总体而言，散热片聚集率(即，散热片密度)可从接近热交换器流体入口的第一聚集率增加至接近热交换器的流体出口的第二聚集率。所述聚集率可逐步增加，例如图2所示，其中，热交换器包括散热片聚集率逐渐增加的四个部分202，204，206和208。在一些实施方式中，散热片聚集率可在热交换器的整个长度中或长度的一部分中连续分级。
散热片的聚集率或密度可优化为维持TEG模块102的“热”端温度基本一致。本文使用的“温度基本一致”是指热端彼此之间的温度差可在大约20℃的范围内，例如彼此之间的温度差在大约10℃的范围内(例如彼此之间的温度差在0℃至10℃的范围内)。在本发明的实施方式中，TEG模块102的热端之间的温度下降可低于最接近热交换器的入口的模块的热端的温度的25％(例如，1％至25％，例如，3％至20％)。在本发明的实施方式中，温度下降可低于最接近热交换器的入口的模块的热端的温度的10％(例如，低于5％，例如3％至5％)。
带有常规(即，散热片密度均匀)热交换器的TEG系统和带有梯度热交换器的TEG系统的比较计算机模拟在下表1中给出。
在该实施例中，梯度散热片热交换器使TEG系统的入口和出口之间的温度下降从124℃降低至12℃(例如，20℃或更低温度下降)，同时维持类似的热交换性能和压降。温度一致性潜在改善TEG系统性能并且显著降低系统成本。
图4举例说明具有多个平板散热片401的梯度散热片热交换器400的实施方式。在该实施方式中，如图4所示，平板散热片401的散热片聚集率(即，散热片密度)(例如，平板散热片401的尺寸和/或平板散热片401之间的间隔)可如图1A和图2所示的那样沿流体流方向(箭头403所示)发生改变，和/或沿流体流的横向方向改变。在图4的实施方式中，最靠近热交换器400的流体入口的第一组平板散热片401A具有基本垂直于流体流方向的平板散热片401A之间的第一间隔，并且，沿流体流方向403，位于第一组散热片的下游的第二组平板散热片401B具有在基本垂直于流体流方向上的平板散热片401B之间的第二间隔。第二组平板散热片401B具有基本垂直于流体流的方向的更加紧密的间隔(即，具有更高的聚集率)。具有不同间隔的其他组平板散热片可设置于散热片401B的下游和/或散热片401A的上游。因此，在更加靠近流体入口的列中的散热片401A彼此之间的间隔大于更加远离流体入口的列中的散热片401B之间的间隔。换言之，在与入口至出口方向(即，流体流方向)基本垂直的方向上，散热片401A在第一位置的聚集率低于在较第一位置更远离入口的第二位置的散热片401B的聚集率。
如图4所示，每组散热片可相对于相邻组的散热片在基本平行于流体流的方向上发生偏离，从而促进流体流和散热片之间的接触。可选地，散热片可与相邻组的散热片对齐。每组散热片的聚集率可在整个热交换器的长度上或热交换器的一部分长度上连续增加或逐步增加。热交换器400可包括安装面405，其上可安装有一个或多于一个热电发电机(TEG)模块。面405与散热片401A、401B热接触。散热片401，401B可配置成在整个安装面405的温度基本一致，从而在TEG元件的整个“热”端提供基本一致的温度。
图5举例说明具有直接连接至模块盖子501的热交换器503的热电发电机模块500的其他实施方式。如图3所示，模块500可包括相互电连接的热电转换器包(例如，p-型和n-型热电柱对)。盖子501(或壳体)可由导热材料制成，所述盖子位于模块500的热端上并且将来自外部热源的热能传导至各个热电柱的热端。在本发明的实施方式中，盖子501可由导电材料(例如，金属或金属合金)制成。当盖子501是导电性的时，由电绝缘导热材料(例如陶瓷材料)形成的电绝缘体(未示出)可设置于盖子501和相邻的热电转换器的热端之间。例如，陶瓷涂层可设置于盖子501的整个内部表面或内部表面的一部分和/或设置于图3所示的金属接头107的外表面上。
热交换器503包括直接连接至模块盖子501的多个散热片505。该实施方式中的热交换散热片505包括平板散热片，虽然也可使用针状散热片以及平板散热片和针状散热片的组合。此外，该实施方式的平板散热片505均匀间隔开并且其方向基本平行于流体流方向，虽然可以理解的是可使用其他构型。例如，可使用梯度散热片热交换器，其中，如上所述，散热片聚集率在流体流方向上和/或流体流的横向方向上发生改变。
散热片505可由导热材料(例如金属或金属合金)制成并且可由与盖子501的由所述散热片连接的部分相同或不同的材料制成。散热片505可与盖子501热匹配(例如，通过具有约10％以内(例如，0-5％，包括0-1％的盖子材料)的热膨胀系数(CTE)的材料制造)。在本发明的实施方式中，散热片505与模块盖子501的直接连接可消除热交换器和热电发电机模块500之间的热界面问题并且可显著提高模块500的性能。可使用任何合适的技术将散热片505与盖子501连接，例如通过铜焊、锡焊、熔焊、固态扩散、使用高温粘合剂和/或通过机械紧固件。
在本发明的实施方式中，具有如图5所示的直接连接至模块盖子501的热交换器503的多个模块500可沿着流体流路径(例如，沿着导管内部，例如图1A和图3所示)设置并且各模块500的散热片505的散热片聚集率(即，散热片密度)(例如，散热片505的尺寸和/或散热片505的间隔)可沿着流体流方向发生改变和/或在流体流的横向方向上发生改变。因此，可在每个模块500的热端得到相对一致的温度。
本领域技术人员能够根据上文描述的本文公开的多个方面使用或制造本发明。这些方面的各种改变对于本领域技术人员而言是明显的，并且本文界定的上位原则可在不背离本发明的范围的条件下应用于其他方面。因此，本发明不限于上文所示的各个方面，但是本发明符合与本文公开的原则和新特点一致的最广范围。
Claims (29)
1.一种发电系统，其包括：
热交换器，其包括：入口，出口和在所述入口和所述出口之间沿着所述热交换器的长度延伸的导管，以及设置在所述导管内的多个导热散热片，所述散热片的聚集率从接近所述入口的第一聚集率增加至接近所述出口的第二聚集率；以及
沿所述热交换器的长度设置的多个热电发电机，每个热电发电机包括热端，冷端和在这两者之间延伸的热电元件，其中，所述热电发电机的热端与所述多个散热片热接触，这样，沿所述热交换器的长度，每个热端的温度基本相同。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述入口和所述出口之间的各热端彼此之间的温度差在大约20℃的范围内或低于20℃的范围内。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述入口和所述出口之间的各热端彼此之间的温度差在大约10℃的范围内或低于10℃的范围内。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述散热片的聚集率在所述入口和所述出口之间的热交换器的整个长度上逐步增加。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述散热片的聚集率在热交换器的所述入口和所述出口之间的整个长度或一部分长度上连续分级。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述散热片的聚集率通过改变所述散热片的尺寸和所述散热片之间的间隔中的至少一种而增加。
7.如权利要求1所述的系统，其中，所述散热片包括针状散热片。
8.如权利要求1所述的系统，其中，所述散热片包括平板散热片。
9.如权利要求1所述的系统，其中，所述多个热电发电机包括至少一个热电发电机模块，所述热电发电机模块包括相互电连接的多个p-型热电材料柱和n-型热电材料柱，每个热电材料柱在所述模块的热端和冷端之间延伸，并且，其中，多个导热散热片与所述模块的保护盖的表面接合。
10.如权利要求9所述的系统，其中，在与入口至出口方向基本垂直的方向上，第一位置的散热片的聚集率低于较所述第一位置更加远离入口的第二位置的散热片的聚集率。
11.如权利要求9所述的系统，所述系统还包括具有导热散热片的多个模块，所述散热片与每个模块的保护盖的表面接合，其中，在相邻模块之间的散热片的聚集率沿所述热交换器的至少一个维度增加。
12.如权利要求1所述的系统，其中，所述热端在所述入口和所述出口之间的温度下降为接近入口的热端的温度的1％至25％。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述热端在所述入口和所述出口之间的温度下降为接近入口的热端的温度的3％至20％。
14.一种发电方法，所述方法包括：
使用热能源加热流体；
使加热的流体流过热交换器，所述热交换器包括与流体流热接触的多个导热散热片，其中，所述散热片的聚集率在流体流过热交换器的主方向上增加；以及
使用多个热电发电机产生电能，所述热电发电机沿所述热交换器的长度设置，每个热电发电机包括热端，冷端和在这两者之间延伸的热电元件，其中，所述热电发电机的热端与所述多个散热片热接触，这样，沿所述热交换器的长度每个热端的温度基本相同。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述热电发电机的热端彼此之间的温度差在大约20℃的范围内或低于20℃的范围内。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述热电发电机的热端彼此之间的温度差在大约10℃的范围内或低于10℃的范围内。
17.如权利要求14所述的方法，其中，所述散热片的聚集率在所述热交换器中的流体流的主方向上逐步增加。
18.如权利要求14所述的方法，其中，所述散热片的聚集率在所述热交换器中的流体流的主方向上连续分级。
19.如权利要求14所述的方法，其中，所述散热片的聚集率通过改变所述散热片的尺寸和所述散热片之间的间隔中的至少一种而增加。
20.如权利要求14所述的方法，其中，所述散热片包括针状散热片。
21.如权利要求14所述的方法，其中，所述散热片包括平板散热片。
22.如权利要求14所述的方法，其中，所述多个热电发电机包括至少一个热电发电机模块，所述热电发电机模块包括相互电连接的多个p-型热电材料柱和n-型热电材料柱，每个热电材料柱在所述模块的热端和冷端之间延伸，并且，其中，多个导热散热片与所述模块的保护盖的表面接合。
23.如权利要求22的方法，其中，在与流体流方向基本垂直的方向上，第一位置的散热片的聚集率低于较所述第一位置更加远离液流的入口的第二位置的散热片的聚集率。
24.如权利要求22所述的方法，所述多个热电发电机还包括具有导热散热片的多个模块，所述散热片与每个模块的保护盖的表面接合，其中，相邻模块之间的散热片的聚集率沿所述热交换器的至少一个维度增加。
25.一种热电模块，其包括：
相互电连接的多个p-型热电材料柱和n-型热电材料柱，其中，每个热电材料柱在所述模块的第一侧和第二侧之间延伸；
位于所述模块的第一侧上的热电材料柱上且配置成将来自外部热源的热量传导至所述热电材料柱的盖子；以及
多个与所述模块的盖子的外表面直接连接的导热散热片。
26.如权利要求25所述的热电模块，其中，所述散热片包括平板散热片。
27.如权利要求26所述热电模块，其中，所述散热片和所述模块的盖子的至少外表面包括金属或金属合金。
28.如权利要求27所述的热电模块，其中，所述散热片通过铜焊、熔焊、锡焊和固态扩散中的至少一种连接至所述模块的盖子的外表面。
29.一种使用热电模块产生电能的方法，所述热电模块包括具有热端和冷端的多个热电材料柱，所述方法包括：
通过与位于所述热电材料柱的热端上的模块盖子的外表面直接连接的多个导热散热片将热源的热量传导至所述热电材料柱各自的热端，以在所述热电材料柱的热端和冷端之间提供温差；以及
使用所述温差由多个热电材料柱产生电力。
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