CN110100322A - 热电装置 - Google Patents
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Abstract
基于二极管的热电装置。装置和系统可以被用作冷却装置或冷却系统、或被用作能量收集装置或能量收集系统。系统包括：具有第一端和第二端的二极管(3.1)；附接到所述二极管的所述第一端的至少一个温度计(3.2)；和电源/电流发生器(3.6)。改变元件的温度的方法，所述方法包括：提供一种系统，所述系统包括：具有第一端和第二端的二极管、附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的温度计、和电源/电流发生器；使所述二极管的所述第一端或所述第二端接触所述元件；将电流驱动通过所述二极管或将电压施加于所述二极管，从而冷却所述二极管的所述第一端且加热所述二极管的所述第二端，从而在所述二极管与所述元件之间传递热量，因此改变所述元件的温度。
Description
技术领域
本发明涉及基于二极管的热电装置。本发明的装置和系统可以被用作冷却装置或冷却系统、或被用作能量收集装置或能量收集系统。
背景技术
对能量转换装置具有极大兴趣，例如将热量(即与温度差相关联)转换为完全有用的电能，或将电能投入于使热量从冷体流到热体(即冷却)的相反过程。这两个过程明显都受到热力学所施加的限制。
发明内容
在一个实施方式中，本发明提供一种系统，包括：
·包括第一端和第二端的二极管；
·附接到所述二极管的所述第一端的至少一个温度计；和
·电源/电流发生器。
在一个实施方式中，所述系统还包括控制器，所述控制器配置成：
·接收对于所述二极管的所述第一端的期望温度值；
·从所述温度计接收对于所述二极管的所述第一端的测量温度值；
·基于所述测量温度值确定将施加于所述二极管的电压/电流电平，从而在所述二极管的所述第一端处达到所述期望温度值；以及
·施加所确定的所述电压/电流。
在一个实施方式中，本发明提供一种改变元件的温度的方法，所述方法包括：
■提供一种系统，所述系统包括：
·包括第一端和第二端的二极管；
·附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的温度计；
和
·电源/电流发生器；
■使所述二极管的所述第一端或所述第二端接触所述元件；
■将电流驱动通过所述二极管或将电压施加于所述二极管，从而冷却所述二极管的所述第一端且加热所述二极管的所述第二端，从而在所述二极管与所述元件之间传递热量，因此改变所述元件的所述温度。
在一个实施方式中，所述方法还包括附接到所述二极管的所述第二端的第二温度计。
在一个实施方式中，所述方法还包括控制器，所述控制器配置成：
·接收对于所述二极管的所述第一端的期望温度值；
·从所述温度计接收对于所述二极管的所述第一端和所述第二端的测量温度值；
·基于从所述测量温度值估计的所述第一端与所述第二端之间的温度差确定将施加于所述二极管的、在所述二极管两端实现期望温度差所需的电压/电流电平；以及
·施加所确定的所述电压/电流。
在一个实施方式中，本发明提供一种系统，包括：
·包括第一端和第二端的二极管；
·附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的加热器或冷却装置。
在一个实施方式中，所述系统还包括附接到所述二极管的所述第一端或所述第二端的至少一个温度计。
在一个实施方式中，所述系统还包括电流/电压表。
在一个实施方式中，所述系统还包括：
·控制器，所述控制器配置成：
·接收将由所述二极管呈现的期望电流/电压值；
·从所述温度计接收对于所述二极管的所述第一端和所述第二端的测量温度值；
·确定为了达到将由所述二极管呈现的所述期望电流/电压值所需的、在所述二极管的两端之间的温度差；以及
·加热或冷却所述二极管的所述第一端或所述第二端以达到所述期望电流/电压。
在一个实施方式中，所述系统还连接在负载两端。
在一个实施方式中，本发明提供一种发电方法，所述方法包括：
■提供一种系统，所述系统包括：
·包括第一端和第二端的二极管；
·附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的加热器或冷却装置；
■加热或冷却所述二极管的所述第一端或所述第二端，从而通过所述系统发电。
在一个实施方式中，所述二极管连接在负载两端。
在一个实施方式中，所述方法还包括：
■提供一种系统，所述系统包括：
·包括第一端和第二端的二极管；
·附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的加热器或冷却装置；
·附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的温度计；
·电流/电压表；
·控制器，所述控制器配置成：
·接收将由所述二极管呈现的期望电流/电压值；
·从所述温度计接收对于所述二极管的所述第一端或所述第二端的测量温度值；
·确定为了达到所述期望电流/电压值所需的、在所述二极管的两端之间的所需温度差；以及
·加热或冷却所述二极管的所述第一端或所述第二端以达到所述电流/电压，从而通过所述系统发电。
在一个实施方式中，发电包括通过所述二极管产生电流。在一个实施方式中，发电包括通过所述二极管产生电压。
附图说明
在说明书的最后部分中特别地指出且明显地请求保护关于本发明的主题。然而，关于操作的机构和方法的本发明连同其目标、特征和优势可以参考结合附图阅读的如下详细描述被最佳地理解，附图中：
图1为整流二极管的示意性I-V特性。
图2示出本发明的系统的一个实施方式的原理。整流器允许大多数电子从左(c-冷)向右(h-热)流动。它被反向偏置：左侧的费米能级低于右侧的费米能级(按照V>>T)。在n型接触与p型接触之间的势垒(高度为WF，未示出)之上，左侧的电子去往右侧的空穴，从而冷却c。每个转移的电子必须从冷侧带走能量WF并将其传递到暖侧。在本实施方式中，正向的箭头示出电子流的方向。
图3示出跨越两端式肖特基二极管的热电冷却。该图像为实际实验的表示。所示的各种元件如下：3.1为二极管，在本实施方式中，该二极管在两个铜棒之间附有Ag-涂料；3.2为读取ΔT的热电偶；3.3为电流引线；3.4为读取ΔV的电压探针；探针可以附接到电压阅读器/表(未示出)；3.5为外部加热器；3.6为电源。热电偶可以附接到温度测量装置(未示出)。
图4示出作为通过装置的电流的函数的所呈现的温度差，利用线性拟合呈现图表。
将理解，为了说明的简化和清楚，在图中所示的元件不一定按比例绘制。例如，为了清楚可以将一些元件的尺寸相对于其它元件放大。进一步，在被视为合适的情况下，可以在图中重复参考标记以指示相应或类似元件。
具体实施方式
在如下详细描述中，提出多种具体细节，以便提供对本发明的全面理解。然而，本领域的技术人员将理解，可以在不具有这些具体细节的情况下实践本发明。在其它实例中，未详细地描述熟知的方法、过程和组件，从而不使本发明变模糊。
在一个实施方式中，本发明提供一种能够冷却或加热元件的热电系统。该系统基于在反向或正向偏压V下操作的适当整流器。该整流器被显示为能够通过在冷端(在温度Tc下)与热端(在温度Th下)之间传递热量来进行冷却。忽略回流和声子寄生热导率，发现效率达到WF/V，在此，WF为电子在正方向上必须跨越的势垒。这相当高，尤其针对这类简单装置。冷却功率为WFI，I为电流。建议一种减小声子热导率的方式。
就声子热导率的负面影响而言，建议在例如软金属与硬半导体之间使用肖特基二极管整流器以借助声阻抗失配来减小声子热导率。声子传导不依赖于施加的电压，从而也从这方面来说，施加电压的更大值是有利的。
本发明基于在整流器中使用电荷载流子的定向运动来将热量从冷端传递到热端，从而实现冷端的冷却。为了实现这点，引入偏置电压，且在冷却过程中投入工作。该新型热电系统的效率和功率在理想情况下为相对较高的，尤其对于这类简单可用的装置。下面在本文中给出定性的实验证明。
我们考虑固态整流器，该固态整流器的典型I-V特性在图1中示出。它是理想化的且首先被视为反向偏置的：所有的电子传导从左端到右端。但是反向偏压V(几倍的kBT，其中，kB为波尔兹曼常量且T为温度)试图将电子发送到左侧。现在，即使LHS(RHS)保持处于温度Tc(Th)，其中，Tc<Th，该装置也在冷的左端与较暖的右端之间传递热量；即，获得(热电)制冷机。在理想情况下粗略地通过WF(由电子从左向右所经历的势垒)给出每一转移的电子的热量。跨越势垒的能量取自于在电子来源的那侧的热槽(且基本上被传递到另一侧)。因此，冷却功率为IWF且投入功率为IV，其中，I为电流。因此，效率和功率为
η＝WF/(qV)，P＝IWF (1)
忽略从右侧回到左侧的“寄生”声子热传导且将每个转移电子针对偏置的能价(energy price)视为qV(q为电子电荷)。我们注意这不是线性响应(小的V和Th-Tc)计算。它对于有限的(可能很大的)驱动力是有效的。
为什么可以将用于针对电压传送一个电子的能价视为V的解释不是不重要的。它依赖于需要热动力循环(即将系统恢复到其初始状态)的事实。针对此的能价为qV/电子。
通过基本上倒转该过程(即，采用温度差产生电能)，也可以将该装置用于能量收集。
上述布置的困难在于，对于正向运动的势垒可以随着反向偏置而增大。在此，下一部分的布置将有帮助。
在(大)正向偏置下冷却
在一个实施方式中，本发明提供基于在正向偏置下的二极管操作的冷却系统和装置。如下布置减小了上述困难，且产生的功率更大。因此，在一个实施方式中，该方法为更优选的。现在想象与图2的情况相同的情况，除了偏压V被颠倒并将电子从冷的n侧发送到暖的p侧。如果被视为很大，则通过整流特性和/或通过偏置禁止相反运动。再次通过WF表示p和n之间的正向势垒，每个转移的电子从左侧带走WF并将其传递到右侧。因此，效率为η＝WF/V。冷却功率为PF＝IFWF，类似于反向偏置情况。
对于WF≈0.5V和IF≈10A，我们得到约5W。这可比得上当前的珀尔帖元件。如果电压约为2V，则对于0.5V的势垒，效率约为0.25。显然，效率应当随着功率增大而减小。
在低温下，势垒之上的激活被穿过势垒的弹性(在图2中，水平)隧道代替，以及每个电子的冷却功率丢失大的能量因子WF(被能级kBT代替)。然而，它可以获得卡诺效率ηc＝Tc/Th-Tc。
用于冷却(和加热)的系统和方法
在一个实施方式中，本发明提供一种系统，所述系统包括：
■包括第一端和第二端的二极管；
■附接到所述二极管的所述第一端的至少一个温度计；和
■电源/电流发生器。
在一个实施方式中，所述系统还包括控制器，所述控制器配置成：
·接收对于所述二极管的所述第一端的期望温度值；
·从所述温度计接收对于所述二极管的所述第一端的测量温度值；
·基于所述测量温度值确定将施加于所述二极管的电压/电流电平，从而在所述二极管的所述第一端处达到所述期望温度值；以及
·施加所确定的所述电压/电流。
在一个实施方式中，所述二极管为肖特基二极管或PN结。
在一个实施方式中，所述第一端包括阴极且所述第二端包括所述二极管的阳极。
在一个实施方式中，所述系统还包括附接到所述二极管的所述第二端的第二温度计。
在一个实施方式中，所述控制器还配置成：
·从所述第二温度计接收对于所述二极管的所述第二端的测量温度值；
·基于从所述第一测量温度值和所述第二测量温度值估计的所述第一端与所述第二端之间的温度差确定将施加于所述二极管的电压/电流电平，从而所述电压/电流电平将在所述二极管的所述第一端处达到所述期望温度值；以及
·施加所确定的所述电压/电流。
在一个实施方式中，所述第一端、所述第二端或二者的组合与一元件接触。
在一个实施方式中，所述元件为装置、储液器、管、电线、表面、电组件、系统或其任一组合。
在一个实施方式中，所述接触实现由所述第一端、所述第二端或其组合加热或冷却所述元件。
在一个实施方式中，所述温度计包括热电偶。
在一个实施方式中，本发明提供一种改变元件的温度的方法，所述方法包括：
■提供一种系统，所述系统包括：
·包括第一端和第二端的二极管；
·附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的温度计；
和
·电源/电流发生器；
■使所述二极管的所述第一端或所述第二端接触所述元件；
■将电流驱动通过所述二极管或将电压施加于所述二极管，从而冷却所述二极管的所述第一端且加热所述二极管的所述第二端，从而在所述二极管与所述元件之间传递热量，因此改变所述元件的温度。
在一个实施方式中，所述方法还包括附接到所述二极管的所述第二端的第二温度计。
在一个实施方式中，所述方法还包括控制器，所述控制器配置成：
·接收对于所述二极管的第一端的期望温度值；
·从所述温度计接收对于所述二极管的所述第一端和所述第二端的测量温度值；
·基于从所述测量温度值估计的所述第一端与所述第二端之间的温度差确定将施加于所述二极管的、在所述二极管两端实现所述期望温度差所需的电压/电流电平；以及
·施加所确定的所述电压/电流。
在一个实施方式中，改变所述元件的温度包括冷却或加热所述元件。
在一个实施方式中，在一个方向上或在相反方向上驱动或施加所述电流或所述电压。
在一个实施方式中，所述第一端包括阴极且所述第二端包括所述二极管的阳极。
在一个实施方式中，接收对于所述二极管的第一端的期望温度值(或在其它实施方式中，接收二极管两端的期望电压/电流值)指的是接收用户计划从二极管的第一端(或从二极管)获得的值。控制器可以从用户、或从与控制器相关联或包括在控制器内的计算机、或者从控制器外部连接的计算机或其它系统接收该值。可以根据算法接收这类值。可以针对涉及的操作系统按需改变该值，例如，它可以为根据时间或根据与本发明的装置和系统相关的其它参数的变化。可以手动地或自动地接收期望值。通过控制器接收这类值的任何方法适用于本发明的装置和方法。
在一个实施方式中，所述方法还包括附接到所述二极管的所述第二端的第二温度计。
在一个实施方式中：
·由所述第一温度计检测所述第一端的温度变化；或
·由所述第二温度计检测所述第二端的温度变化；或
·其组合。
在一个实施方式中，所述方法还包括：使所述二极管的所述第二端接触第二元件。
在一个实施方式中，冷却所述第一端且加热所述第二端，或其中，加热所述第一端且冷却所述第二端。
在一个实施方式中，所述温度变化受所述电流或所述电压的大小控制。
在一个实施方式中，在所述第一端、所述第二端或其组合中的温度变化受所述控制器控制，从而所述控制器从所述温度计接收输入且根据所述输入改变通过所述二极管的所述电流或施加于所述二极管的所述电压，因此控制所述温度变化。
在一个实施方式中，第三温度计接触所述元件。
在一个实施方式中，所述温度计包括热电偶。
在一个实施方式中，在所述装置中将电力转换为热能的效率高达1。
在一个实施方式中，在所述装置中将电力转换为热能的效率的范围在0.1和0.5之间。
在一个实施方式中，所述系统的功率高达10W。
在一个实施方式中，所述装置的热能的范围在20μV/deg和30μV/deg之间。在一个实施方式中，所述装置的期望热能的范围在200μV/deg和500μV/deg之间。
在一个实施方式中，所述系统为便携式的。
在一个实施方式中，在本发明的系统中，将电压施加于二极管或驱动电流通过二极管，且这类操作导致冷却二极管的一侧。因此，二极管或其一端可以被用作冷却器(制冷机)。二极管的另一侧被加热，且在一些情况下，该特征可以用于加热。在本发明的系统中，二极管的一端包括阴极且二极管的另一端包括阳极。如果一端被冷却，则另一端被加热。在一些实施方式中，二极管的第一端包括阴极且二极管的第二端包括阳极。根据这个方面且在一个实施方式中，当电流流经二极管时，阴极被冷却且阳极被加热。在一个实施方式中，在包括PN结的二极管中，n侧为二极管的第一侧且p侧为二极管的第二侧。在一个实施方式中，在肖特基二极管中，n侧为二极管的第一侧且金属侧为二极管的第二侧。本发明的其它实施方式可以包括二极管组件的其它配置。
在一个实施方式中，本发明的系统被用作冷却装置/制冷机，优势是不需要用于气体压缩的元件。因此，本发明的系统被用在传统制冷机不可用或没有实际用途的设置中。本发明的系统可以被用作制冷机且这类制冷机/冷却装置应用于军事、医疗、工业、消费、科学/实验室、和通讯应用。本发明的系统的使用范围从简单的食品和饮料冷却器到用在军事/空间应用中的复杂的温度控制系统。
本发明的热电冷却器允许降低物体的温度以及使物体的温度稳定。这类热电冷却器为有源冷却系统。
在一个实施方式中，本发明的冷却系统被用作在电子封装冷却、集成电路冷却、红外校准、红外检测器、激光二极管冷却器、微处理器冷却、夜视装备、制冷机和酒店中的随行制冷系统(飞机、汽车)中的冷凝板，以供便携/野餐使用且作为水和饮料冷却器。
为了提高效率，可以并行使用多个装置/系统。根据这个方面且在一个实施方式中，可以使用多个独立系统，每个系统包括一个二极管。在另一个实施方式中，可以使用包括多个串联/并联连接的二极管的一个系统。
在一个实施方式中，在本发明的系统中使用散热器。在一个实施方式中，散热器连接到二极管的一侧，例如阳极侧，且用于从这一侧(例如从阳极)移除热量。在本发明的系统中可以使用技术人员周知的任何散热器。例如可以将辐射体、金属线制成的结构用作散热器。
本发明的系统不需要移动部件或使流体循环，如在蒸汽压缩制冷机中那样。因此，本发明的系统不遭受相关问题，诸如泄漏和诸如某些组件故障。本发明的系统展现出长使用寿命、低维护、小尺寸和能适应用途的几何结构。
本发明的系统包括附接到二极管的电连接件/端子。在一个实施方式中，二极管的第一侧(例如阴极)附接/连接到一个电端子且二极管的第二侧(例如阳极)附接/连接到另一个电端子。端子将二极管连接到电源/电流发生器。在其它实施方式中，端子连接到其它电/热组件。
在本发明的系统中可以包括其它组件，诸如散热器、热隔离元件、其它电子组件、控制器、计算机化系统、基板和支承件、在二极管与待冷却的元件之间的热接触件、系统壳体等。
用于发电的系统和方法
在一个实施方式中，本发明提供一种系统，包括：
·包括第一端和第二端的二极管；
·附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的加热器或冷却装置。
在一个实施方式中，所述系统还包括附接到所述二极管的所述第一端或所述第二端的至少一个温度计。
在一个实施方式中，所述系统还包括电流/电压表。
在一个实施方式中，所述系统还包括附接到所述二极管的所述第二端的第二温度计。
在一个实施方式中，所述系统还包括：
控制器，所述控制器配置成：
·接收将由所述二极管呈现的期望电流/电压值；
·从所述温度计接收对于所述二极管的所述第一端和所述第二端的测量温度值；
·确定为了达到将由二极管呈现的所述期望电流/电压值所需的、在所述二极管的两端之间的温度差；以及
·加热或冷却所述二极管的所述第一端或所述第二端以达到所述期望电流/电压。
在一个实施方式中，所述系统还连接在负载两端。
在一个实施方式中，所述系统还包括电流/电压表，且其中，所述电流/电压表用于测量由所述二极管呈现的所述电流/电压，因此估计是否已达到所述期望电流/电压值。
在一个实施方式中，所述二极管为肖特基二极管或PN结。
在一个实施方式中，所述第一端包括阴极且所述第二端包括所述二极管的阳极。
在一个实施方式中，所述系统还包括附接到所述二极管的所述第二端的第二温度计。
在一个实施方式中，所述温度计包括热电偶。
在一个实施方式中，所述系统用于为电池充电。
在一个实施方式中，本发明提供一种发电方法，所述方法包括：
■提供一种系统，所述系统包括：
·包括第一端和第二端的二极管；
·附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的加热器或冷却装置；
■加热(或冷却)所述二极管的所述第一端或所述第二端，从而通过所述系统发电。
在一个实施方式中，所述二极管连接在负载两端。
在一个实施方式中，所述方法还包括：
■提供一种系统，所述系统包括：
·包括第一端和第二端的二极管；
·附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的加热器或冷却装置；
·附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的温度计；
·电流/电压表；
·控制器，所述控制器配置成：
·接收将由所述二极管呈现的期望/预定电流/电压值；
·从所述温度计接收对于所述二极管的所述第一端或所述第二端的测量温度值；
·确定为了达到所述期望/预定电流/电压值所需的、在所述二极管的两端之间的所需温度差；以及
·加热或冷却所述二极管的所述第一端或所述第二端以达到所述电流/电压，从而通过所述系统发电。
在一个实施方式中，发电包括通过所述二极管产生电流。在一个实施方式中，发电包括通过所述二极管产生电压。
在一个实施方式中，在一个方向上或在相反方向上产生所述电流或所述电压。
在一个实施方式中，所述第一端包括阴极且所述第二端包括所述二极管的阳极。
在一个实施方式中，在该方法中使用的系统还包括附接到所述二极管的所述第二端的第二温度计。
在一个实施方式中：
·由所述第一温度计检测所述第一端的温度变化；或由所述第二温度计检测所述第二端的温度变化；或
·其组合。
在一个实施方式中，加热/冷却所述二极管产生电流或呈现电势，使得电流流经所述负载和/或将电压施加于所述负载。
在一个实施方式中，所述第一端被冷却且所述第二端被加热。
在一个实施方式中，所述电流/电压受所述温度差控制。
在一个实施方式中，通过所述电压/电流表检测或测量由所述二极管呈现的所述电流/电压，从而所述控制器从所述电压/电流表接收输入且根据所述输入改变二极管的至少一端的加热/冷却的水平，因此控制所述电流/电压。
在一个实施方式中，所述温度计包括热电偶。
在一个实施方式中，在所述装置中将热能转换为电力的效率高达卡诺效率的大小可调分数(1-Tc/Th)。
在一个实施方式中，在所述装置中将热能转换为电力的效率的范围在所述卡诺效率的百分之几与所述卡诺效率的大小可调分数之间。
在一个实施方式中，所述系统的功率高达10W。在一个实施方式中，系统的热能范围在X＝50μV/deg和Y＝400μV/deg之间。
在一个实施方式中，在所述装置中将热能转换为电力的效率理想地高达0.5卡诺。
在一个实施方式中，在所述装置中将热能转换为电力的效率的范围在0.2卡诺和0.5卡诺之间。
在一个实施方式中，在所述装置中将热能转换为电力的效率的范围在0.2mV/deg和1mV/deg之间。
在一个实施方式中，所述系统的功率高达10W。
在一个实施方式中，所述装置的热能的范围在0.2mV/deg和1mV/deg之间。
在一个实施方式中，所述系统为便携式的。
本发明的热电装置的两种主要使用模式为：
能量收集：在该模式下且在一个实施方式中，通过冷却二极管的一侧(例如阴极)、通过加热二极管的一侧(例如阳极)或通过其组合而在二极管上造成温度差。这类冷却/加热发电(产生电压/电流)。
根据这个方面且在一个实施方式中，温度差导致电子从冷侧(例如阴极)运动到暖侧(例如阳极)。这类电子运动可以用于产生通过连接到二极管的负载的电流。电子运动可以导致电势差以呈现在二极管两端。可以将这类电势差应用于连接到二极管的负载。因此，可以使用二极管作为电源/电流发生器。在一个实施方式中，在本发明的系统中，二极管的一端包括阴极且二极管的另一端包括阳极。如果一端被冷却(或加热)，则温度差将显现在二极管两端。在一些实施方式中，二极管的第一端包括阴极且二极管的第二端包括阳极。根据这个方面且在一个实施方式中，当冷却阴极(和/或)加热阳极时，则可以通过二极管产生电流。
在一个实施方式中，本发明的能量收集系统可以包括可充电电池，以及可以利用如上所述的在一个实施方式中的二极管两端的温度差对该电池充电。
冷却：在该模式下且在一个实施方式中，将电压(或电流)施加于二极管，导致一侧冷却且热量被倾卸在二极管的另一侧。根据这个方面且在一个实施方式中，阳极被加热而二极管的阴极被冷却。
在一个实施方式中，本发明的系统被用作电流发生器/电源系统，其优势是对于操作仅需要温度差。因此，本发明的系统可以应用于传统电源不可用或没有实际用途的设置。本发明的系统可以应用于军事、消费、环境、和通讯应用。本发明的系统可以代替电池供电的系统。
本发明的热电系统可以将太阳能加热用于操作。
为了提高效率，可以串联使用多个系统。根据这个方面且在一个实施方式中，可以使用包括多个串联连接的二极管的一个系统。
在一个实施方式中，在本发明的系统中使用散热器。在一个实施方式中，散热器连接到一侧，例如二极管的阳极侧，且用于从阳极移除热量。在本发明的系统中可以使用技术人员周知的任何散热器。例如诸如辐射体的散热器，例如，如在汽车中；例如安装在冰箱背面的金属网可以被用作散热器。
本发明的系统不需要移动部件或使流体循环，如在蒸汽压缩制冷机中那样。因此，本发明的系统不遭受相关问题，诸如泄漏和诸如某些组件故障。本发明的系统展现出长使用寿命、低维护、小尺寸和能适应用途的几何结构。
本发明的系统包括附接到二极管的电连接件/端子。在一个实施方式中，阴极附接/连接到一个电端子且阳极附接/连接到另一个电端子。在一个实施方式中，端子将二极管连接到负载。
在本发明的系统中可以包括其它组件，诸如热隔离元件、散热器、其它电子组件、计算机化系统、基板和支承件、在二极管与加热器/冷却元件之间的热接触件、系统壳体等。
组合系统
在一个实施方式中，组合本发明的系统。例如，可以在单一系统中实现本发明的加热器和冷却器以及本发明的电源。这类系统包括二极管、加热/冷却源和电流/电压发生器。根据这个方面且在一个实施方式中，一旦驱动电流穿过二极管或将电压施加于二极管，则这类组合系统被用作加热/冷却源，以及在其它实例中，一旦加热或冷却所述二极管，则该系统被用作电源/电流发生器。在一个实施方式中，电流/电压发生器可以包括可充电电池，以及可以使用二极管两端的温度差对该电池充电。
范围和值
对于在能量收集模式下操作的装置，且在一个实施方式中，对于热能S＝500μV/deg和200度的温度差，从本发明的单个二极管元件获得0.1V。然而，许多元件可以串联连接以达到高得多的值。
对于在冷却模式下操作的装置，通常跨越5-10度(空调、冰箱)，卡诺效率的10％给出3-6的效率。在一个实施方式中，对于冷却，效率为绝对温度与为了冷却所需的温度差之间的比率。该值可以大于1。
在本发明的装置中，不像其它热电装置那样，电流垂直于二极管的两个部分之间的界面(例如，垂直于阴极/阳极界面、垂直于p块与n块之间的界面、垂直于肖特基二极管中的半导体与金属之间的界面等)而流动。
在一个实施方式中，二极管的一侧被加热(例如通过太阳、来自引擎的废料)且获得电力。
在一个实施方式中，将电压施加于二极管，导致冷却二极管的较冷侧。
定义
左手侧被标为LHS且右手侧被标为RHS。
对于在能量收集模式下操作的装置，热能单位通常为伏特/度(V/deg)或相关单位，例如微伏(μV)/度、毫伏/度等。
在一些实施方式中，效率为输出功率除以输入功率。效率为装置产出的电力/能量与在装置中投入的电力/能量之间的比率。
在本发明的实施方式中，热能指的是塞贝克(Seebeck)系数且以伏特/度来测量。
在一个实施方式中，术语“一”或“一个”指的是至少一个。在一个实施方式中，短语“两个或更多个”可以具有任何命名，这将适合特定目的。在一个实施方式中，“大约”或“近似”可以包括从指示项偏差+1％、或在一些实施方式中偏差-1％、或在一些实施方式中偏差±2.5％、或在一些实施方式中偏差±5％、或在一些实施方式中偏差±7.5％、或在一些实施方式中偏差±10％、或在一些实施方式中偏差±15％、或在一些实施方式中偏差±20％、或在一些实施方式中偏差±25％。
示例
示例1
包括二极管的热电装置
为了定性地证明效果，使用了商业的整流二极管(威世VS-SC275S030S6B)。如图3所示安装该整流二极管。驱动电流I通过装置导致该装置两端的易于观察的、利用热电偶所测量的温度差ΔT。ΔT随着I大致线性地增长，如图4所示。正向偏置和反向偏置两种情况下的效果在大小上非常相似。通过对电压V和形成的ΔT进行相似测量，在室温下发现热能S为28μV/deg。
预期的理想值粗略地具有更大数量级，例如约300μV/deg。差值可以由具有串联的10-20个二极管的装置产生，如对于设计成在非常大的电压/功率下使用的整流器来说很有可能。
结论
对于所考虑的两种情况(正向偏置和反向偏置)，获得的效率为相当高的。将电压下推到例如WF，我们在理想情况下得到1。如果三个理想化因素(消没的后向电流、不变的正向电流和声子热传导)以因子2降低效率，则值1/2对于这类简单装置来说仍为令人满意的。它具有类似于用于具有参数zT≈1的电流热电装置的值的数量级。当然，存在功率与效率之间的常规难题。
zT为传递系数的无量纲组合(传导率乘以在热导率上求平方的热能)；更大的zT为更好的。目前设备为1。最好的实验室值为1.8。非常大的zT将给出卡诺效率。容易得到1.5-2为高度有利的。
就声子热导率的负面影响而言，建议在例如软金属与硬半导体之间使用肖特基二极管整流器以借助声阻抗失配来减小声子热导率。注意，声子传导不依赖于所施加的电压，从而也从这方面来说，所施加电压的更大值是有利的。
尽管本文中已示出且描述本发明的特定特征，但是对于本领域的普通技术人员来说现在将出现许多修改、替换、变化和等效物。因此将理解，所附权利要求意图覆盖如落在本发明的真实精神内的所有这类修改和变化。
Claims (50)
1.一种系统，包括：
●包括第一端和第二端的二极管；
●附接到所述二极管的所述第一端的至少一个温度计；和
●电源/电流发生器。
2.如权利要求1所述的系统，还包括控制器，所述控制器配置成：
●接收对于所述二极管的所述第一端的期望温度值；
●从所述温度计接收对于所述二极管的所述第一端的测量温度值；
●基于所述测量温度值确定将施加于所述二极管的电压/电流电平，从而在所述二极管的所述第一端处达到所述期望温度值；以及
●施加所确定的所述电压/电流。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述二极管为肖特基二极管或PN结。
4.如权利要求1所述的系统，还包括附接到所述二极管的所述第二端的第二温度计。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述控制器还配置成：
●从所述第二温度计接收对于所述二极管的所述第二端的测量温度值；
●基于从所述第一测量温度值和所述第二测量温度值估计的所述第一端与所述第二端之间的温度差确定将施加于所述二极管的电压/电流电平，从而所述电压/电流电平将在所述二极管的所述第一端处达到所述期望/预定温度值；以及
●施加所确定的所述电压/电流。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一端、所述第二端或其组合与一元件接触。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述元件为装置、储液器、管、电线、表面、电组件、系统或其任一组合。
8.如权利要求6所述的系统，其中，所述接触实现由所述第一端、所述第二端或其组合加热或冷却所述元件。
9.一种改变元件的温度的方法，所述方法包括：
■提供一种系统，所述系统包括：
●包括第一端和第二端的二极管；
●附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的温度计；和
●电源/电流发生器；
■使所述二极管的所述第一端或所述第二端接触所述元件；
■将电流驱动通过所述二极管或将电压施加于所述二极管，从而冷却所述二极管的所述第一端且加热所述二极管的所述第二端，从而在所述二极管与所述元件之间传递热量，因此改变所述元件的所述温度。
10.如权利要求9所述的方法，还包括附接到所述二极管的所述第二端的第二温度计。
11.如权利要求10所述的方法，还包括控制器，所述控制器配置成：
●接收对于所述二极管的第一端的期望温度值；
●从所述温度计接收对于所述二极管的所述第一端和所述第二端的测量温度值；
●基于从所述测量温度值估计的所述第一端与所述第二端之间的温度差确定将施加于所述二极管的、在所述二极管两端实现期望温度差所需的电压/电流电平；以及
●施加所确定的所述电压/电流。
12.如权利要求9所述的方法，其中，所述改变所述元件的所述温度包括冷却或加热所述元件。
13.如权利要求9所述的方法，其中，在一个方向上或在相反方向上驱动所述电流或施加所述电压。
14.如权利要求9所述的方法，其中：
●由所述第一温度计检测所述第一端的温度变化；或其中
●由所述第二温度计检测所述第二端的温度变化；或
●其组合。
15.如权利要求9所述的方法，还包括：使所述二极管的所述第二端接触第二元件。
16.如权利要求9所述的方法，其中，所述第一端被冷却且所述第二端被加热，或其中，所述第一端被加热且所述第二端被冷却。
17.如权利要求9所述的方法，其中，所述温度变化受所述电流或所述电压的大小控制。
18.如权利要求17所述的方法，其中，在所述第一端、所述第二端或其组合中的所述温度变化受所述控制器控制，从而所述控制器从所述温度计接收输入且根据所述输入改变通过所述二极管的所述电流或施加于所述二极管的所述电压，因此控制所述温度变化。
19.如权利要求9所述的方法，其中，第三温度计与所述元件接触。
20.如权利要求9所述的方法，其中，在装置中将电力转换为热能的效率高达1。
21.如权利要求20所述的方法，其中，在装置中将电力转换为热能的效率的范围在0.1和0.5之间。
22.如权利要求9所述的方法，其中，所述系统的功率高达10W。
23.如权利要求9所述的方法，其中，所述装置的期望热能的范围在200μV/deg和500μV/deg之间。
24.一种系统，包括：
●包括第一端和第二端的二极管；
●附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的加热器或冷却装置；和
●附接到所述二极管的所述第一端或所述第二端的至少一个温度计。
25.如权利要求24所述的系统，还包括电流/电压表。
26.如权利要求24所述的系统，还包括附接到所述二极管的所述第二端的第二温度计。
27.如权利要求24所述的系统，还包括：
●控制器，所述控制器配置成：
●接收将由所述二极管呈现的期望电流/电压值；
●从所述温度计接收对于所述二极管的所述第一端和所述第二端的测量温度值；
●确定为了达到将由所述二极管呈现的所述期望电流/电压值所需的、在所述二极管的所述两端之间的温度差；以及
●加热或冷却所述二极管的所述第一端或所述第二端以达到所述期望电流/电压。
28.如权利要求24所述的系统，还连接在负载两端。
29.如权利要求27所述的系统，其中，所述系统还包括电流/电压表，且其中，所述电流/电压表用于测量由所述二极管呈现的所述电流/电压，因此估计是否已达到所述期望电流/电压值。
30.如权利要求24所述的系统，其中，所述二极管为肖特基二极管或PN结。
31.如权利要求24所述的系统，还包括附接到所述二极管的所述第二端的第二温度计。
32.一种发电方法，所述方法包括：
■提供一种系统，所述系统包括：
●包括第一端和第二端的二极管；
●附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的加热器或冷却装置；
■加热或冷却所述二极管的所述第一端或所述第二端，从而通过所述系统发电。
33.如权利要求32所述的方法，其中，所述二极管连接在负载两端。
34.如权利要求32所述的方法，还包括：
■提供一种系统，所述系统包括：
●包括第一端和第二端的二极管；
●附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的加热器或冷却装置；
●附接到至少所述二极管的所述第一端或所述第二端的温度计；
●电流/电压表；
●控制器，所述控制器配置成：
●接收将由所述二极管呈现的期望电流/电压值；
●从所述温度计接收对于所述二极管的所述第一端或所述第二端的测量温度值；
●确定为了达到所述期望电流/电压值所需的、在所述二极管的所述两端之间的所需温度差；以及
●加热或冷却所述二极管的所述第一端或所述第二端以达到所述电流/电压，从而通过所述系统发电。
35.如权利要求32所述的方法，其中，所述发电包括：通过所述二极管产生电流或通过所述二极管产生电压或其组合。
36.如权利要求32所述的方法，其中，在与电子在所述二极管中的运动相符的方向上产生所述电流或所述电压。
37.如权利要求1和24所述的系统以及如权利要求9和33所述的方法，其中，所述第一端包括阴极且所述第二端包括所述二极管的阳极。
38.如权利要求32所述的方法，还包括附接到所述二极管的所述第二端的第二温度计。
39.如权利要求38所述的方法，其中：
●由所述第一温度计检测所述第一端的温度变化；或其中
●由所述第二温度计检测所述第二端的温度变化；或
●其组合。
40.如权利要求33所述的方法，其中，对所述二极管的所述加热/冷却产生电流或呈现电势，使得电流流经所述负载和/或将电压施加于所述负载。
41.如权利要求32所述的方法，其中，所述第一端被冷却且所述第二端被加热。
42.如权利要求32所述的方法，其中，所述电流/电压受所述温度差控制。
43.如权利要求34所述的方法，其中，通过所述电压/电流表检测由所述二极管呈现的所述电流/电压，从而所述控制器从所述电压/电流表接收输入且根据所述输入改变所述二极管的至少一端的加热/冷却的水平，因此控制所述电流/电压。
44.如权利要求32所述的方法，其中，在所述装置中将热能转换为电力的效率高达0.5卡诺。
45.如权利要求32所述的方法，其中，在所述装置中将热能转换为电力的效率的范围在0.2卡诺和0.5卡诺之间。
46.如权利要求32所述的方法，其中，在所述装置中将热能转换为电力的效率的范围在0.2mV/deg和1mV/deg之间。
47.如权利要求32所述的方法，其中，所述系统的功率高达10W。
48.如权利要求32所述的方法，其中，所述装置的热能的范围在0.2mV/deg和1mV/deg之间。
49.如权利要求9和32所述的方法，其中，所述系统为便携式的。
50.如权利要求1和24所述的系统以及如权利要求9和34所述的方法，其中，所述温度计包括热电偶。
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