CN1223496A - 温差热电偶单元组生电法及温差热电转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将热能直接转换成电能的方法,并依此方法设计出了温差热电转换器。将多个相同的热电偶单元(14)串联起来,组成板状的热电偶单元组板(8),构成一个电源的内部电路,每个热电偶单元的高温接头(17)都处于高温区(9)中,低温接头都处于低温区(7)中,热电偶单元组的总电动势等于各个热电偶单元电动势制和,可将热能高效转化为电能,并且对燃料性质要求不高。

Description

温差热电偶单元组生电法及温差热电转换器

本发明涉及一种将热能直接转换为电能的方法，该方法将多个热电偶单元串联组成热电偶单元组，使各热电偶组产生的电动势相叠加，以取得较高的总输出电动势，本发明还涉及利用其方法制成的温差热电转换器。

近代以来，电力的发展十分迅速，发电的方式也多种多样，在热力发电这一方面，目前的方法主要是将热能转化为机械能，再利用高温高压的机械能去带动发电机发电，其能量转换形式经历了热能→机械能→电能三种能量形式，普遍存在污染严重，能量转化率低的缺点，如果将热能直接转化为电能，少掉一个中间环节，能量转化只经历热能→电能两种形式，将有可能使能量转化率得以提高，目前出现了多种将热能直接转化为电能的方法，欧洲专利说明书EP142267就公布了这样一种方法，其原理是利用热能产生的高温将某种物质转化成正负电荷混和在一起的等离子体，然后再将等离子体中的正负电荷分开，使正电荷集中在正极板上，负电荷集中在负极板上，从而在两极板间产生电动势，实现热→电转换，随着保护环境的呼声越来越高，目前日本和欧洲一些国家正致力于研究一种汽车用的氢氧燃料电池，仅英国就投入6亿英镑用于其开发，其原理是将氢气和氧气用一种特殊的薄膜分隔开来，氢氧在薄膜两边化合时产生电能，特点是无污染，但其燃料成本高，不易携带，且每次所带燃料也有限，早在1821年，塞贝克(Seebeok)就发现了温差电现象，但由于单个热电偶能产生的电动势很低，长期以来一直受到人们的忽视，至今仍未有人将其应用于热力发电。

本发明目的是基于温差电现象原理，发明出温差热电偶单元组生电法，使热能能够直接，高效地转化为电能，以提高燃料利用率，减少环境污染，并能以气体或固体为燃料，缓解石油危机；为此，本发明还设计出将这种方法应用于实际的热电转换装置-温差热电转换器，

为达到上述目的，本发明采用塞贝克发现的温差电现象原理，发明出温差热电偶单元组生电法，其构思是：每个热电偶形成一个热电偶单元，将多个相同这样的热电偶单元首尾串联在一起组成热电偶单元组，再与外部电路组成闭合回路，热电偶单元组中每个热电偶单元的高温接头都处于高温区中，低温接头都处于低温区中，多个热电偶单元产生的电动势相叠加，使热电偶单元组的总电动势等于所有热电偶单元电动势之和。

为将上述方法用于实际，本发明还设计出了温差热电转换器，其结构为：外部有一燃烧室，其排气口与发电系统的进气口相连，发电系统由热电偶组板，高温区，低温区组成，热电偶组板是由许多相同的，彼此靠近的，长度在30CM以内的热电偶单元首尾串联组成，各热电偶单元金属导体之间以及同一热电偶单元两根金属导体间都用绝缘，绝热且耐高温的材料隔开，所有热电偶单元的高温接头都处于高温区中，低温接头都处于低温区中，高温区是一个有进气口和排气口的空间，用于通过高温气体或传热介质；低温区是一个有进水管和排水管的空间，用于通过冷水或其他降温物质，各热电偶单元逐个串联组成发电系统的内部电路，再用导线将其发出的电能输出到外部电路。

由于燃料在燃烧室内集中燃烧，燃烧充分且燃烧过程平静缓和，所以燃料利用率高，没有噪音，固体，液体，气体燃料都可在燃烧室里燃烧，只要放出热量就可以对其加以转化，所以对燃料性质要求不高，可用汽油，天然气，甚至煤粉作为燃料，特别是不用象汽油机那样要对汽油进行铅化处理，大大减轻了对环境的污染，另外，温差热电转换器的结构很简单，只由几个部分组成，制造成本低。

燃料在燃烧室内燃烧后放出的热能，一部分被热电偶单元吸收，用于产生电能；一部分被冷却物质带走；另一部分随气体或导热介质从排气管排出，如果将排气管出来的导热介质重复利用其余热，这一部分损失将很少，另外，如果将热电偶单元的长度做得足够长，使其能完全转化从高温接头处所吸收到的热能，则理论上由金属导体从高温区传导至低温区的热损失将为零，这时由冷却物质带走的热量只是由于金属导体存在内电阻，电流流过内部电路时产生的热损耗，因此，这一部分的能量损失也很少，综上所述，温差热电转换器的能量转化率是很高的。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为由铜、铁两种金属组成单个热电偶的示意图。

图2为由多个热电偶单元组成热电偶单元组的示意图。

图3为多个热电偶单元的金属导体其横截面在热电偶单元组板内的排列图。

图4为多个热电偶单元的高温或低温接头在热电偶单元组板表面连接示意图。

图5为由两块热电偶单元组板共用一高温区，各使用一低温区，且它们的内电路相串联组成一个发电系统的示意图。

图6为由一个燃烧室向多个热电偶单元组供热的示意图。

图7为热气流或传热介质在高温区内的绕回示意图。

图8为一种高温接头的结构示意图。

图9为一种低温接头的结构示意图。

图10为在发电系统的进气口前端加上降温装置示意图。

图1为由铜(2)和铁(1)两种金属组成单个热电偶的示意图：在金属导体接头处，左端接头温度(T₁)高于右端接头温度(T₂)，称左端接头为高温接头，右端接头为低温接头，此时产生了在高温接头处由铜流向铁的电流(3)，热能在两个地方转化为电能：其一是在高温接头和低温接头处产生两个方向相反的电动势，但在低温接头处产生的电动势小于在高温接头处产生的电动势，其代数和不为零，这个合电动势称为帕尔帖电动势；其二是在两根金属导体内部各产生一个从低温接头指向高温接头的电动势，其方向相反，且代数和不为零，这个合电动势称为汤姆孙电动势，整个热电偶产生的电动势为帕尔帖电动势与汤姆孙电动势之和，设金属两端温度分别为T₁和T₂(T₁＞T₂)，按照物理理论，闭合回路产生的电动势E为：

E=α(T₁-T₂)+0.5β(T₁-T₂)²    (式1-1)

其中α和β是与金属性质有关的系数，

如果在上述热电偶回路中再插入一段金属导体，只要这段金属两端温度相同，它对整个闭合回路的电动势将不产生任何影响，这称为中间金属定律，因此，若金属1和金属2组成热电偶有α₁和β₁，金属2金属3组成热电偶有α₂和β₂,则金属1和金属3组成热电偶就有(α₁-α₂)和(β₁-β₂)

图2为由多个热电偶单元组成热电偶单元组(4)的示意图。各热电偶单元的高温接头都处于同一侧，低温接头都处于另一侧。这个热电偶单元组产生的总电动势E^总为各热电偶单元所产生的电动势之和：

E_总=E₁+E₂+E₃+···    (式1-2)

设这个热电偶单元组的内部电阻为r，与外部电阻为R的用电器(6)组成一个闭合回路。按照闭合回路的欧姆定律，整个电源的总功率P_总为：

P_总=E_总 ²÷(R+r)        (式1-3)

其输出功率P为：

P=P_总×[R÷(R+r)]      (式1-4)

其系统效率n为：

n=P/P_总=R/(R+r)        (式1-5)

内部电阻r的计算可利用电阻率公式：

r=ρL/S                (式1-6)

ρ为金属导体的电阻率，L为其长度，S为其横截面积。

同时，当金属导体温度升高时，其电阻率ρ也会升高，其公式为：

ρ=ρ₀(1+at)           (式1-7)

ρ₀是金属在0℃时的电阻率，a是一个与金属性质有关的常数，t是金属的温度。

单个热电偶产生的电动势很小，但是若将多个热电偶单元串联起来组成热电偶单元组，由(式1-2)可知，其总电动势E_总将会提高，又由(式1-1)可知，电动势是温差的二次函数，温度上升会使电动势增加得很快，因此，通过串联和升温这两条途径，就可以得到足够大的总电动势E_总。

从(式1-3)中可以看出，当E_总为一定值时，总功率P_总与(R+r)成反比，所以要想增加热电偶单元组的总功率P_总，必须尽可能减小内，外电阻之和(R+r)。

从(式1-5)中可以看出，系统效率n与R/(R+r)成正比，也即是说，外电阻阻值R占系统总阻值(R+r)的比重越大，系统效率就越高。

所以，欲想使多个热电偶单元串联组成为一个较理想的电源，必须从增加串联的热电偶个数，升温，减小内外电阻之和，增加外电阻在总电阻中的比重这四个方面入手。

利用上述原理获得电源的方法在此命名为温差热电偶单元组生电法。

图3为多个热电偶单元的金属导体其横截面在热电偶单元组板内的排列示意图，图中显示出各热电偶单元相互间紧密排列，金属间的空隙很小，空隙中的填充材料可选用石棉等能起到绝热，绝缘且耐高温的材料，假设组成每个热电偶单元的两种金属导体长度都是10CM，横截面积都是0.9×0.9=0.81CM².各金属导体两两相距1CM(中间缝隙宽为0.2CM)，排列面积为50×50=2500CM²，整个热电偶单元组板尺寸则为50CM×50CM×10CM，

图4为多个热电偶单元的高温接头或低温接头在热电偶单元组板表面连接示意图，从图中可看出，热电偶单元的串联方式是：先从热电偶单元组板一侧起依次横向连接成一排，连到另一侧的边缘时，再从这一侧起连下一排到对侧，以此类推。

图5为由两块热电偶单元组板共用一高温区，各使用一低温区，且它们的内电路相串联组成一个发电系统的示意图，图中显示的是发电系统沿热电偶组板(8)厚度方向的一个截面，高温气体从进气口(12)进入高温区(9)，与高温接头(17)进行热交换后，其温度降低，最后从排气口(13)排出，若为传热介质，则它从排气口出来后，一部分又返回燃烧室(23)里重新进行加热，另一部分则进入流量控制室(27)里，这样使热损失最少，同样，冷却水或冷却气体从进水管(10)进入，将低温接头(16)降温后，从排水管(11)排出，最好使高温物质在高温区中的流向与冷却物质在低温区(7)中的流向相反，这样有助于热电偶单元(14)充分吸收热能，热电偶单元组产生的电能由导线输出到外部(18)。

图6为由一个燃烧室(19)向多个热电偶单元组(20)供热的示意图，一个发电系统可以包含多个热电偶单元组，为满足实际需要，可将这些热电偶单元组的电路进行串联，并联或混联，各热电偶单元组并列排列，相邻热电偶单元组之间可共用一个高温区或低温区，但为了提高染料利用率，最好只使用一个燃烧室为它们提供热能。

图7为热气流或传热介质在高温区内的绕回示意图，如果热气流或传热介质在高温区内直接通过不能充分地和热电偶单元交换热能，则采取多次绕回的办法。

图8为一种高温接头的结构示意图，为充分交换热能，可将高温接头的连接面积做大一些，另外，为防止热电偶金属和高温物质发生化学反应，或者由于温度过高被氧化，应在其表面镀上一层氧化膜(21)。

图9为一种低温接头的结构示意图，为防止冷却水和低温接头直接接触导电而引起短路，应使用绝缘性较的材料(22)将它们隔开。

图10为在发电系统的进气口前端加上降温装置示意图，如果进入图5高温区中的高温物质的温度高于热电偶金属熔点较低的那种金属，将导致金属熔化，因此在高温物质进入进气口之前预先将其降温(当然也可采取其他办法)，进气口前端有一个能测高温的铂铑-铂热电偶温度计(25)，它将进入进气口的高温物质的温度反馈回流量控制器(27)，流量控制器据此确定常温空气(28)或从排气管中流回来的传热介质(28)其流量的大小，从流量控制器中出来的物质在降温室(24)中和从燃烧室(23)中出来的热流相混和，最后混和流进入到发电系统的高温区(26)。

为了显示其应用前景，现举一例计算说明之。

例：两块热电偶组板上共串联了10000个热电偶单元，每个热电偶单元长10CM，金属导体横截面积为0.5CM²，平均温差(T₁-T₂)=600℃，平均温度t=400℃，平均电阻率ρ=5*10^-8(欧*米)，平均a=5*10^-3(℃-1)，热电偶金属采用锑和铋，外部用电器的电阻R=6欧姆，现对其输出功率P进行计算。

解：由[式1-7]，ρ=ρ₀(1+αt)解：由[式1-7]， ρ=ρ₀(1+αt)

              =5*10^-8*(1+5*10^-3*400)

              =1.5*10^-7欧*米

由[式1-6]，  r=ρL/S

              =1.5*10^-7*10000*2*0.1/(0.5*10^-4)

              =6欧姆

由[式1-1]，  E=α(T₁-T₂)+0.5β(T₁-T₂)²

              =80*10^-6*8600+0.5*0.6*10-6*600²

              =0.1578v

由[式1-2]，E_总=E₁+E₂+E₃+…

              =10000*0.1578

              =1578v

由[式1-3]和[式1-4]，P=P_总*[R/(R+r)]

                     =[E2/(R+r)]*[R/(R+r)]

                     =[1578*1578/(6+6)]*[6/(6+6)]

                     =103753.5w

                     =104kw

Claims (8)

1．一种将热能直接转化为电能的方法，利用温差热电偶原理，其特征在于：每个热电偶形成一个热电偶单元(14)，将多个相同这样的热电偶单元首尾串联在一起组成热电偶单元组(4)，再与外部电路组(5)和(6)成闭合回路，热电偶单元组中每个热电偶单元的高温接头(17)都处于高温区(9)中，低温接头(16)都处于低温区(7)中，多个热电偶单元产生的电动势相叠加，使热电偶单元组的总电动势等于所有热电偶单元电动势之和。

2．一种利用权利要求1所述方法制成的温差热电转换器，由一个燃烧室向发电系统供电，其特征在于：具有多个相同的首尾串联的热电偶单元(14)，每个热电偶单元的长度在30CM以内，且彼此长度相等，各热电偶单元彼此离得很近，各金属导体(1)和(2)之间用绝缘绝热且耐高温的材料(15)分隔开，大量相同这样的热电偶单元以这种连接方式组成一块板状的热电偶单元组板(8)，其厚度为每个热电偶单元的长度，其面积为所有金属导体横截面积之和加上金属导体之间分隔材料(15)的横截面积，热电偶单元组板一侧表面处于高温区(9)中，另一侧表面处于低温区(7)中，热电偶单元组的两个电极用导线接出，将其产生的电能输出到外部电路(18)。

3．根据权利要求2所述的高温区入口，为防止进入高温区的物质温度过高使高温区内金属熔化，在其进入之前要将其适当降温，在入口管内安装一个铂铑-铂热电偶温度计(25)，将进入高温区物质的温度反馈给一个流量控制器(27)，流量控制器用于调节降温物质(28)的流量大小，从流量控制器中出来的降温介质与从燃烧室(23)中出来的高温介质在混和室(24)中进行混和后，再进入发电系统(26)。

4．根据权利要求3所述的降温物质，若高温物质为气体，则采用常温空气作降温物质，此时排气口(13)中直接将气体排出外部，不再进行循环，若高温物质为传热介质，为减少热损失，将排气口(13)中出来的传热介质再分成两部分：一部分流回燃烧室(23)升温，另一部分流入流量控制器。

5．根据权利要求2所述的热电偶单元组板(8)，可将多个这样的组板其电路用导线串联，并联或混联在一起，组板一侧之间两两隔开一段踞离，中间为公共的高温区或低温区。

6．根据权利要求2所述的高温物质，可以为直接燃烧后的高温气体，或一种热导率较好的传热介质。

7．根据权利要求2所述的热电偶单元金属，可以为纯金属或合金。

8．根据权利要求2所述的接头，在高温接头表面镀上一层氧化膜(21)防止其被氧化，在低温接头和冷却物质之间用绝缘材料(22)隔开，以防止冷却物质和低温接头直接接触造成短路。

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