CN105827149A - 一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，包括至少两个半导体热电装置，半导体热电装置至少包括一电臂，在转换电流方向，电臂至少设置一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布，以故意非均匀掺杂段作为吸热部位，吸入热功率进行热电转换；其中至少一半导体热电装置的放热部位至少与另一半导体热电装置的吸热部位进行热连接，配置为前后级热串联，在热电转换过程中，前级作为后级的热能来源，前级放热部位释放的热功率被后级吸热部位吸收，形成对热源多次吸收转化为电能。本发明可以提升热电转换效率，提升对热源温度能量的利用率。

Description

一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置

技术领域

本发明涉及热能与电能转换技术领域，尤其是指一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置。

背景技术

现有温差发电技术的热电转换效率很低，通常都低于10％，绝大部分吸入功率重新以放热形式，从放热部位损耗掉了。

传统的均质掺杂的电臂条件下，每一个发电装置都必须依靠温差来工作，把固定的温差幅度分拆为多个小幅度温差，分别由多个装置以热串联的形式组合，起不到明显的功率和效率提升作用，甚至有可能因为内阻消耗等原因反而使性能下降。

现有技术的均质电臂为基础的温差发电装置，其输出电压、功率等参数依赖吸放热部位的温差大小，因此，当试图用多个小温差的装置来代替一个单独大温差的装置时，两者的输出功率相差不大，如果考虑多个装置带来更大的阻抗，其输出有效功率甚至可能比单个装置的更低，热串联形式的重复吸收转换对于提升人的转换效率无效，至少起不到明显效果。如果只是简单添加更多级均质电臂为基础的温差发电装置，这些装置的吸、放热端温度差过小，甚至为负值，无法正常转换。

本申请人申请号为201410764238.1提出用非均匀掺杂的电臂来制作温差发电装置，可以实现在无温差甚至一定程度的负温差条件下的热--电转换。然而，即便采用非均匀掺杂电臂的温差发电装置，虽然可以提高单个装置的转换效率，减少热损耗，但放热部位不可能完全消失，泄漏热功率仍然存在，还是会限制转换效率的进一步提高。

因此，提高单个温差发电装置的单次热电转换效率固然重要，但如果能够把一部分或全部释放的泄漏热功率重新吸收、转换，或者多次吸收、转换，则转换效率会成倍提高，热源能量利用率会成倍提高，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，以提升热电转换效率，提升对热源温度能量的利用率。

为达成上述目的，本发明的解决方案为：

一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，包括至少两个半导体热电装置，半导体热电装置至少包括一电臂，在转换电流方向，电臂至少设置一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布，以故意非均匀掺杂段作为吸热部位，吸入热功率进行热电转换；其中至少一半导体热电装置的放热部位至少与另一半导体热电装置的吸热部位进行热连接，配置为前后级热串联，在热电转换过程中，前级作为后级的热能来源，前级放热部位释放的热功率被后级吸热部位吸收，形成对热源多次吸收转化为电能。

进一步，前级半导体热电装置与后级半导体热电装置绝缘热连接。

进一步，前级半导体热电装置的放热部位，与后级半导体热电装置的吸热部位之间靠近，通过空气导热与辐射导热进行热能量的传递，实现热连接；或者前级半导体热电装置的放热部位先与电绝缘的导热介质接触，同时后级半导体热电装置的吸热部位也与该绝缘导热介质接触，实现热连接。

进一步，前级半导体热电装置与后级半导体热电装置进行同时电连接及热连接。

进一步，前级半导体热电装置的放热部位与后级半导体热电装置的吸热部位直接接触；或者前级半导体热电装置的放热部位与后级半导体热电装置的吸热部位同时与形成电通路的导热介质接触，同时实现热连接和电连接。

进一步，前级半导体热电装置与后级半导体热电装置的数量比例关系为1对1的关系，或者1对多的关系，或者多对1的关系，或者多对多的关系。

进一步，半导体热电装置至少设置为一层，在热源温度能量传递难易程度相同的一层中，布置至少两个半导体热电装置，其中部分半导体热电装置之间进行热连接，形成前后级的热串联，形成横向的热串联方式，以实现热能量的重复吸收转换；按照热源温度能量传递难易程度的不同，布置至少两层半导体热电装置；每一层中包含至少一个半导体热电装置；各层半导体热电装置之间进行热连接，实现热能量的串联和重复吸收转换。

进一步，更容易获取热源能量的前一层半导体热电装置的吸热部位从热源获得热功率，其放热部位与较难获得热源能量的后一层或后几层半导体热电装置的吸热部位进行热连接，形成前后级的关系，转换过程中前一级半导体热电装置释放的热能，作为后一级半导体热电装置的输入能量来源，热功率从前一层朝后一层或后面几层传递，直至最终一层的放热部位朝外部环境释放，形成热源能量在半导体热电装置中的串联流动，形成竖向的热串联，实现多次热电转换。

进一步，部分后一层半导体热电装置的放热部位同时与前一层中或更前面一层的半导体热电装置吸热部位进行热连接，其释放的部分热量，再次被前面一层半导体热电装置的吸热部位吸收并进行热电转换，后一层的半导体热电装置也同时是前面一层的半导体热电装置的能量来源。

进一步，半导体热电装置通过电臂两端所连接导体形成电连接，实现半导体热电装置之间的并联、串联或串并联结合的电路连接。

采用上述方案后，本发明半导体热电装置至少包括一电臂，在转换电流方向，电臂至少设置一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布。

电臂可以分解为节点热电势落差和电臂段热电势落差两个基本部分，其中电臂段热电势落差+ΔEc与输出电压同向，而节点热电势落差ΔEa和ΔEb有可能都是抵抗电压，同时取负值，也可能分别取正值和负值。整体输出电压U＝ΔEc-(ΔEa+ΔEb)，或U＝ΔEc-(ΔEa-ΔEb)，或U＝ΔEc-(-ΔEa+ΔEb)。

电臂可以配置一个放热节点，另一个节点和故意非均匀掺杂段作为吸热部位，热电势落差的方向与最终电压方向一致，因此抵抗电压的比例减小，转换效率及功率得以提高。同时，电臂依靠自身半导体属性分布，在连接节点较长的距离内实现热电势总落差值ΔEc，比连接节点依靠材质差异形成的短距离半导体属性突变所形成的热电势落差ΔEa或ΔEb的绝对值更大，二者的差值要比传统均质电臂装置中同样的差值绝对值更大，因此抵消之后留存下来的电压值更高，输出电压、功率、转换效率都更高。

同时，其中至少一半导体热电装置的放热部位至少与另一半导体热电装置的吸热部位进行热连接，配置为前后级热串联，在热电转换过程中，前级作为后级的热能来源，前级放热部位释放的热功率被后级吸热部位吸收，形成对热源多次吸收转化为电能，进一步提升热电转换效率，提升对热源温度能量的利用率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明第一实施例的结构示意图；

图3为本发明第二实施例的结构示意图；

图4为本发明第三实施例的结构示意图；

图5为本发明第四实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。

参阅图1所示，本发明揭示的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，包括至少两个半导体热电装置1，半导体热电装置1至少包括一电臂11，在转换电流方向，电臂11至少设置一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布，以故意非均匀掺杂段作为吸热部位，吸入热功率进行热电转换。

其中至少一半导体热电装置1的放热部位至少与另一半导体热电装置1的吸热部位进行热连接，配置为前后级热串联，在热电转换过程中，前级作为后级的热能来源，前级放热部位释放的热功率被后级吸热部位吸收，形成对热源多次吸收转化为电能，提升热电转换效率，提升对热源温度能量的利用率。

重复多次吸收的本质就是热能流向的串联，即实现热串联，让热能逐次流经两个以上半导体热电装置1，经历两次以上转换过程。热能流动一般需要以温度差异为基础，因此热串联的基础，就是把一个总的温差ΔT，分解为多个小温差δTx，在每一个小温差条件下进行多次热电转换。

非均匀掺杂电臂构成的温度发电装置主要是依靠自身电臂各半导体属性分布的梯度差异来实现温度能量发电，可以在小温差、无温差、甚至负温差条件下工作。外部环境温差的影响相对减弱了，它的输出参数更多地依靠自身掺杂浓度分布情况来决定，由外部热源的绝对温度水平决定，与温差大小关系不大。

在固定的外部总温差条件下对其进行拆分，实现各级半导体热电装置1之间释放热功率的重复吸收利用之后，各级半导体热电装置1的输出功率和效率虽然会下降，但总和来看，输出功率和效率会得到提升。

前级半导体热电装置1与后级半导体热电装置1可以为绝缘热连接，具体为：前级半导体热电装置1的放热部位，与后级半导体热电装置1的吸热部位之间靠近，通过空气导热与辐射导热进行热能量的传递，实现热连接；或者前级半导体热电装置1的放热部位先与电绝缘的导热介质接触，同时后级半导体热电装置1的吸热部位也与该绝缘导热介质接触，实现热连接。

前级半导体热电装置1与后级半导体热电装置1也可以进行同时电连接及热连接，具体为：前级半导体热电装置1的放热部位与后级半导体热电装置1的吸热部位直接接触；或者前级半导体热电装置1的放热部位与后级半导体热电装置1的吸热部位同时与形成电通路的导热介质接触，同时实现热连接和电连接。

前级半导体热电装置1与后级半导体热电装置1的数量比例关系为1对1的关系，或者1对多的关系，或者多对1的关系，或者多对多的关系。

如图2所示，半导体热电装置1设置为一层，在热源温度能量传递难易程度相同的一层中，布置至少两个半导体热电装置1，其中部分半导体热电装置1之间进行热连接，形成前后级的热串联，形成横向的热串联方式，以实现热能量的重复吸收转换。

如图3所示，按照热源温度能量传递难易程度的不同，布置至少两层半导体热电装置1；每一层中包含至少一个半导体热电装置1；各层半导体热电装置1之间进行热连接，实现热能量的串联和重复吸收转换。更容易获取热源能量的前一层半导体热电装置1的吸热部位从热源获得热功率，其放热部位与较难获得热源能量的后一层或后几层半导体热电装置1的吸热部位进行热连接，形成前后级的关系，转换过程中前一级半导体热电装置1释放的热能，作为后一级半导体热电装置1的输入能量来源，热功率从前一层朝后一层或后面几层传递，直至最终一层的放热部位朝外部环境释放，形成热源能量在半导体热电装置1中的串联流动，形成竖向的热串联，实现多次热电转换，如图3所示。

进一步，如图4所示，部分后一层半导体热电装置1的放热部位同时与前一层中或更前面一层的半导体热电装置1吸热部位进行热连接，其释放的部分热量，再次被前面一层半导体热电装置1的吸热部位吸收并进行热电转换，后一层的半导体热电装置1也同时是前面一层的半导体热电装置1的能量来源。

如图5所示，配置两组装置，每一组都与各自的热源进行热连接，可以同时从各自热源中直接吸收热源能量。可以看做多组装置的叠合，叠合以后的装置与单独两组装置的区别关键在于，两组装置中最靠近的两层半导体热电装置1各自的吸热部位分别与对方层中相应半导体热电装置1的放热部位进行热连接，上、下层之间互为对方的热源，互相吸收对方释放热功率，再次进行转换利用。

同一层的半导体热电装置1自身的吸热部位与放热部位进行热连接，使得流过其上的一部分热功率被自身重复循环吸收并转换，由此来提升热功率的转换效率。该方式无法提升输出功率，但多个半导体热电装置1按此方式进行组合之后，总的功率是由半导体热电装置1的数量多少来决定，总体上功率和效率都可以提升。

半导体热电装置1通过电臂两端所连接导体形成电连接，实现半导体热电装置之间的并联、串联或串并联结合的电路连接，以获取所需的电压、电流、功率等参数指标。

本发明使用时，将其覆盖在具备温度能量的物体表面，比如锅炉外壳表面，或将其放置在具备温度能量的物体中间，比如海水或空气中，实现对该温度物体热能量的吸收并发电；其热源包括任何具备一定温度的实物物体，还包括电磁波等可以通过某些介质转换为温度能量的波；既可以降低物体的温度，起到调节温度的作用，应用在包括但不仅限于空调、冰箱、冷凝器、制冰机等领域；也可以起到吸热发电，输出电功率的作用，应用包括但不限于燃料的燃烧发电、太阳能发电、环境温度发电、物体的温度能量发电等领域。

本文所述的“层”从物理特征来区分，按照从热源获取能量的难易程度来区分，包括距离热源远近，或导热介质的导热系数大小，或传导与辐射方式等物理特性造成的差异。以最常见的距离远近为例，距离热源最近的层，称为第一层，距离冷端环境最近的一层称为最后一层，同一层中各个半导体热电装置1获得热源温度能量的难易程度是相同或相近，不同层的半导体热电装置1获得热量的难易程度是不同。

本文所述的“级”不是位置关系或物理特性，而是以实际的热流向关系来确定。前一级是后一级的热源，后一级是前一级的热功率输出对象之一。整个系统内部与外界热隔离时，须依靠一层层地热传导才能进行热量传递，一般情况下热量从第一层逐步传递下去，因此前一层也可以看做前一级。但实际情况不仅如此，有时后一层半导体热电装置1通过放热节点释放的热能，也可能被前一层，甚至更前面一些的层半导体热电装置1所吸收，后一层反而是前级，即热流向关系的可能性更多，因此，某些时候采用“级”的概念来说明。一般情况下，某一级可以近似理解为某一层。

假设总共配置完全相同的1、2两层半导体热电装置1，环境温差为零，两层半导体热电装置1之间的温度与环境温度也始终相等，两层半导体热电装置1全部是由单调变化掺杂浓度的半导体电臂构成的。

第一层半导体热电装置1从热源吸入Qi1的热功率，热电转换效率是η1，输出电功率和释放热功率分别是：第二层半导体热电装置1假设完全从第一层的放热中吸收热能量，两层之间热量传递的比例为k，则Qi2＝Ql1.k＝Qi1.(1-η1).k，对应的输出电功率和热功率分别是

因为两层半导体热电装置1各自温差条件都为零，认为其热电转换效率相同，即η1＝η2＝η，相比单层半导体热电装置1工作而言，等同于添加了第二层半导体热电装置1的转换能力，总输入热功率Qi1是不变的，但总的输出电功率从单层的Po1变为Po1+Po2，总的热电转换效率从η1变为η’＝(Po1+Po2)/Qi1，也增大了。

假设总共有M级半导体热电装置1进行顺序、单向地热串联，其中任意一个第m级的吸热功率是Qim，释放的热功率是Qlm，转换的电功率为Pom，Qim＝Qlm+Qom。该级热电转换的效率是ηm＝Pom/Qim，朝后级释放的热功率Qlm＝Qim.ηm。设上下级之间的热传递比率为km，则一定有Qim＝Qi1.k1.(1-η1).k2.(1-η2)....km-1.(1-ηm-1)。各级的总输出电功率是总热-电转换效率是

同样的M级装置同时配置顺序和一定比例的对自身返回的热串联，其中顺向的热传递效率为k1，对自身返回的热传递效率为k2，假设每一级的转换效率等参数相同，则任意第m级的Qim’＝Qi1.[k1.(1-η1).k2.(1-η2)....km-1.(1-ηm-1)+km.(1-ηm)]，这种情况下得到的总体转换效率ηM’和输出电功率会更高。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (10)

1.一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在于：包括至少两个半导体热电装置，半导体热电装置至少包括一电臂，在转换电流方向，电臂至少设置一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布，以故意非均匀掺杂段作为吸热部位，吸入热功率进行热电转换；其中至少一半导体热电装置的放热部位至少与另一半导体热电装置的吸热部位进行热连接，配置为前后级热串联，在热电转换过程中，前级作为后级的热能来源，前级放热部位释放的热功率被后级吸热部位吸收，形成对热源多次吸收转化为电能。

2.如权利要求1所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在于：前级半导体热电装置与后级半导体热电装置绝缘热连接。

3.如权利要求2所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在于：前级半导体热电装置的放热部位，与后级半导体热电装置的吸热部位之间靠近，通过空气导热与辐射导热进行热能量的传递，实现热连接；或者前级半导体热电装置的放热部位先与电绝缘的导热介质接触，同时后级半导体热电装置的吸热部位也与该绝缘导热介质接触，实现热连接。

4.如权利要求1所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在于：前级半导体热电装置与后级半导体热电装置进行同时电连接及热连接。

5.如权利要求4所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在于：前级半导体热电装置的放热部位与后级半导体热电装置的吸热部位直接接触；或者前级半导体热电装置的放热部位与后级半导体热电装置的吸热部位同时与形成电通路的导热介质接触，同时实现热连接和电连接。

6.如权利要求1所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在于：前级半导体热电装置与后级半导体热电装置的数量比例关系为1对1的关系，或者1对多的关系，或者多对1的关系，或者多对多的关系。

7.如权利要求1所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在于：半导体热电装置至少设置为一层，在热源温度能量传递难易程度相同的一层中，布置至少两个半导体热电装置，其中部分半导体热电装置之间进行热连接，形成前后级的热串联，形成横向的热串联方式，以实现热能量的重复吸收转换；按照热源温度能量传递难易程度的不同，布置至少两层半导体热电装置；每一层中包含至少一个半导体热电装置；各层半导体热电装置之间进行热连接，实现热能量的串联和重复吸收转换。

8.如权利要求1所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在于：更容易获取热源能量的前一层半导体热电装置的吸热部位从热源获得热功率，其放热部位与较难获得热源能量的后一层或后几层半导体热电装置的吸热部位进行热连接，形成前后级的关系，转换过程中前一级半导体热电装置释放的热能，作为后一级半导体热电装置的输入能量来源，热功率从前一层朝后一层或后面几层传递，直至最终一层的放热部位朝外部环境释放，形成热源能量在半导体热电装置中的串联流动，形成竖向的热串联，实现多次热电转换。

9.如权利要求8所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在于：部分后一层半导体热电装置的放热部位同时与前一层中或更前面一层的半导体热电装置吸热部位进行热连接，其释放的部分热量，再次被前面一层半导体热电装置的吸热部位吸收并进行热电转换，后一层的半导体热电装置也同时是前面一层的半导体热电装置的能量来源。

10.如权利要求1所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在于：半导体热电装置通过电臂两端所连接导体形成电连接，实现半导体热电装置之间的并联、串联或串并联结合的电路连接。