CN210535693U - 高温差环形分段热电材料发电器及其径向等截面积热电偶单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种温差发电装置。一种环形热电材料发电器的热电偶单元，包括p型、n型热电材料支腿，所述p型、n型热电材料支腿均采用分段结构，通过高导电性能金属连接片/电极连接，所述热电偶单元两端面为同心圆弧端面，以θ为热电材料支腿的周向夹角，r₁和r₂分别为圆柱体热源的圆心到热电材料支腿上端和下端的径向距离，热电偶单元中p型及n型热电材料支腿径向宽度与半径成正比，厚度与半径成反比，使p型及n型热电材料支腿在径向方向截面积相等。一种高温差环形分段热电材料发电器，由环形管及一定数量的热电偶单元和引出电极构成，环形管的内壁和外壁采用导热电绝缘陶瓷板，热电偶单元夹在环形管内壁、外壁两层导热电绝缘陶瓷板中间。

Description

高温差环形分段热电材料发电器及其径向等截面积热电偶 单元

技术领域

本实用新型涉及一种温差发电装置，尤其是涉及一种热电材料发电的环形热电偶单元及环形热电材料发电器。

背景技术

热电材料具有塞贝克效应，当热电材料两侧有温差时，可在其两侧产生电位差，即可将热能转化为电能。由于热电器件可以直接实现电能与热能相互转换，早期主要是用来探测温度，后来随着高性能热电材料的开发，被广泛用于电子控温、废热发电和航天电池组等领域。

热电材料发电装置容易维护、节能环保、简单稳定。目前利用热电技术进行工业余热或汽车尾气的温差发电，逐渐显现出广阔的市场前景。为了提高热电材料发电的比功率（单位质量热电材料的输出功率），我们提出了一种《环形热电材料发电器的热电偶单元及环形热电材料发电器》（专利号：201820664895.2），适用于热源是圆柱体，尤其是当热源为燃煤锅炉和汽车排气筒时，可实现废热有效利用。由于每种热电材料的最优发电效率只针对特定的温度区间，不能满足大温差工作环境，而且由单一高温热电材料构成的发电器件其效率也较低。因此，温差发电的效率和功率还有待进一步提高，以适应其不断广泛的应用需求。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术不足，提出一种使用分段结构的热电材料支腿的热电偶单元，并因之提出一种热电材料支腿径向截面积相等的高温差环形热电材料发电器。分段设计可使高温、中温和低温热电材料均在其效率最高的温度区间工作，相对于现有的支腿型环形热电材料发电器，高温差分段环形热电发电器不仅比功率显著提高，且能量转换效率较高。

本实用新型采用的技术方案：

一种环形热电材料发电器的热电偶单元，包括p型热电材料支腿（3）、n型热电材料支腿（4）以及金属连接片/电极（6），所述p型、n型热电材料支腿均采用分段结构，所述p型热电材料支腿（3）和n型热电材料支腿（4）通过高导电性能金属连接片/电极（6）连接，构成环形热电偶单元，所述热电偶单元两端面为同心圆弧端面，以θ为热电材料支腿的周向夹角，r₁和r₂分别为圆柱体热源的圆心到热电材料支腿上端和下端的径向距离，热电偶单元中p型及n型热电材料支腿径向宽度与半径成正比，厚度与半径成反比，使p型及n型热电材料支腿在径向方向截面积相等。

所述的环形热电材料发电器的热电偶单元，由p型高温热电材料(800-1000K)(10)、p型中温热电材料(600-800K)(11)、p型低温热电材料(300-600K)(12)构成热电偶单元的p型分段结构热电材料支腿，由n型高温热电材料(800-1000K)(7)、n型中温热电材料(600-800K)(8)和n型低温热电材料(300-600K)(9)构成热电偶单元的n型分段热电支腿(4)；p型、n型热电材料支腿内侧端面采用同样为同心圆弧端面的电极片（6）连接，两个相邻接的热电偶单元的热电材料支腿外侧端面设有同样为同心圆弧端面的电极片（6）。

由于环形热电发电器的发电效率与器件两端的温差成正比，输出功率与温差的平方成正比。为使热电发电器具有较大的发电能力，需要热电发电器在大温差条件下工作。p型和n型热电材料支腿均采用高温、中温和低温热电材料三个分段，可以保证环形热电偶在整个温度范围内获得较大的优值，可提高热电偶在整个工作温区内的平均优值，提高发电性能。

p型及n型热电材料支腿在径向方向截面积相等，根据传热学理论计算得出，此时其具有最大的比功率。

一种采用如前所述热电偶单元的高温差环形分段热电材料发电器，由环形管及一定数量的热电偶单元和引出电极构成，环形管的内壁和外壁采用导热电绝缘陶瓷板，热电偶单元的p型和n型热电材料支腿采用分段结构，p型和n型热电材料支腿内侧端面的连接电极片（6）采用和环形管的内壁为同心圆弧端面，每个热电偶单元的两个支腿的另一端分别通过电极片（6）与之前的或之后的热电偶单元连接，p型和n型热电材料支腿外侧端面的连接电极片（6）采用和环形管的外壁为同心圆弧端面，热电偶单元夹在环形管内壁、外壁两层导热电绝缘陶瓷板中间，构成环形热电偶。

所述热电偶单元的热电材料支腿径向截面积相等；以θ为热电材料支腿的周向夹角，热电材料支腿加上电极片的总高度分别为圆柱体热源的环形管内壁到环形管外壁的径向距离；所述环形管内壁（5）为高温端，内部流经高温热源（1），环形管外壁（2）为低温端。

所述的高温差环形分段热电材料发电器，各热电偶单元通过金属连接片/电极依次连接，始端和末端分别连接引出电极；所述环形管的外壁设有散热翅片（2）。

实用新型有益效果：

1、本实用新型环形热电材料发电器的热电偶单元，结构设计合理，提高了环形热电发电器的比功率。热电偶单元相对于现有的支腿型环形热电材料发电器，高温分段环型热电发电器比功率显著提高，且能量转换效率较高。p型及n型热电材料支腿在径向宽度与半径成正比，厚度与半径成反比时，可使p型及n型热电材料支腿在径向方向截面积相等，此时环形热电发电器的比功率最高。此时可使其比功率，即单位质量的输出功率达到最大，为大功率、高效能的温差发电装置提供了基础。

2、本实用新型环形热电材料发电器的热电偶单元及其高温差环形热电材料发电器，采用分段结构可以保证环形热电偶在整个温度范围内获得较大的优值。由于环形热电发电器的发电效率与器件两端的温差成正比，输出功率与温差的平方成正比。为使热电发电器具有较大的发电能力，需要热电发电器在大温差条件下工作。p型和n型热电材料支腿均采用分段设计，分别为高温、中温和低温热电材料，由于每种热电材料在适宜的温度区间才具有较高的能量转换效率，因此将由三种热电材料串联的分段结构热电支腿构成如图1所示的高温分段环形热电发电器比单一热电材料构成的环形热电发电器具有更高的能量转换效率。

3、本实用新型高温差环形热电材料发电器，由环形管及一定数量的分段结构高温差热电偶单元和引出电极构成，环形管内壁为高温端，外壁为低温端，各热电偶单元夹在环形管内壁、外壁两层导热电绝缘陶瓷板中间，通过金属连接片/电极依次连接。适用于热源是圆柱体，尤其是当热源为燃煤锅炉和汽车排气筒时，可实现废热有效利用。相对于现有的支腿型环形热电材料发电器，采用径向方向截面积相等的分段结构热电材料支腿，不仅发电器比功率显著提高，且能量转换效率较高。

附图说明

图1是本实用新型环形热电材料发电器的组装结构示意图；

图2是本实用新型热电材料发电的热电偶单元的平面结构示意图；

图3是本实用新型热电材料发电的热电偶单元的立体结构示意图；

图4热电材料支腿在径向方向等截面积的环形分段热电发电器和非分段热电发电器的效率对比图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型技术方案做进一步的详细描述。以下各实施例仅用于说明本实用新型，不应当构成对本实用新型保护范围的限定。本领域技术人员在现有技术范围内，采用惯用技术手段的置换以及和现有技术进行简单组合，均不脱离本实用新型保护范围。

实施例1

参见图1、图2、图3，本实用新型环形热电材料发电器的热电偶单元，包括p型热电材料支腿3、n型热电材料支腿4以及金属连接片/电极6，所述p型、n型热电材料支腿均采用分段结构，所述p型热电材料支腿3和n型热电材料支腿4通过高导电性能金属连接片/电极连接，p型热电材料支腿3和n型热电材料支腿4的一端通过电极片6连接，其两个支腿的另一端分别通过电极片6与之前的或之后的热电偶单元连接，构成环形热电偶，所述热电偶单元两端面为同心圆弧端面，以θ为热电材料支腿的周向夹角，r₁和r₂分别为圆柱体热源的圆心到热电材料支腿上端和下端的径向距离，热电偶单元中p型及n型热电材料支腿径向宽度与半径成正比，厚度与半径成反比，使p型及n型热电材料支腿在径向方向截面积相等。

本实用新型与现有的支腿型环形热电材料热电偶单元不同的是：所述p型热电材料支腿3和n型热电材料支腿4采用分段结构，所述p型及n型热电材料支腿径向宽度与半径成正比，厚度与半径成反比，使p型及n型热电材料支腿在径向方向截面积相等。

实施例2

参见图1-图3，本实施例的环形热电材料发电器的热电偶单元，与实施例1不同的是：由p型高温热电材料10(800-1000K)、p型中温热电材料11 (600-800K)、p型低温热电材料 12 (300-600K)构成热电偶单元的p型分段结构热电材料支腿3，由n型高温热电材料7(800-1000K)、n型中温热电材料8(600-800K)和n型低温热电材料 9(300-600K构成热电偶单元的n型分段结构热电材料支腿4；p型、n型热电材料支腿内侧端面采用同样为同心圆弧端面的电极片6连接，两个相邻接的热电偶单元的热电材料支腿外侧端面设有同样为同心圆弧端面的电极片6。前述描述见图3。

热电偶单元的热电材料支腿可采用多个分段设计，如3段、4段、5端等。本实施例是在径向方向等截面的基础上分三段。p型和n型热电材料支腿均采用高温、中温和低温热电材料三个分段，可以保证环形热电偶在整个温度范围内获得较大的优值，采用上述分段结构可提高高温差热电偶在整个工作温区内的平均优值，提高发电性能。

由于环形热电发电器的发电效率与器件两端的温差成正比，输出功率与温差的平方成正比。为使热电发电器具有较大的发电能力，需要热电发电器在大温差条件下工作。采用分段结构可以保证环形热电偶在整个温度范围内获得较大的优值。

p型及n型热电材料支腿在径向方向截面积相等，根据传热学理论计算得出，此时其具有最大的比功率。

实施例3

参见图1～图3，本实施例为采用前述热电偶单元的高温差环形分段热电材料发电器的实施方式之一，由环形管及一定数量的热电偶单元和引出电极构成，环形管的内壁和外壁采用导热电绝缘陶瓷板，热电偶单元的p型和n型热电材料支腿采用分段结构，p型和n型热电材料支腿内侧端面的连接电极片6采用和环形管的内壁为同心圆弧端面，每个热电偶单元的两个支腿的另一端分别通过电极片6与之前的或之后的热电偶单元连接，p型和n型热电材料支腿外侧端面的连接电极片6采用和环形管的外壁为同心圆弧端面，热电偶单元夹在环形管内壁、外壁两层导热电绝缘陶瓷板中间，构成环形热电偶。

采用分段结构热电材料支腿的热电偶单元夹在环形管内壁、外壁两层导热电绝缘陶瓷板中间，各热电偶单元通过金属连接片/电极依次连接，始端和末端分别连接引出电极。

实施例4

参见图1～图3，本实施例的高温差环型分段热电材料发电器，如图3所示，所述热电偶单元的热电材料支腿径向截面积相等；以θ为热电材料支腿的周向夹角，热电材料支腿加上电极片的总高度分别为圆柱体热源的环形管内壁到环形管外壁的径向距离；所述环形管内壁5为高温端，内部流经高温热源1，环形管外壁2为低温端。

采用分段结构可提高温差热电偶在整个工作温区内的平均优值，提高发电性能。相对于现有的支腿型环形热电材料发电器，高温分段环型热电发电器比功率显著提高，且能量转换效率较高。环形管的外壁设有散热翅片2。

本实用新型环形热电材料发电器，适用于热源是圆柱体，尤其是当热源为燃煤锅炉和汽车排气筒时，可实现废热有效利用。参见图1、图2，图中5为导热电绝缘陶瓷板，6为金属连接片，当中心的高温热源端1和最外侧低温端（环形管外壁2设有散热翅片）有温差时（即

），如图2所示连接着的p型半导体热电材料3和n型半导体热电材料4，则在环形热电材料发电器内产生电流，实现热能向电能的转化。

图2所示为图1中的一个环形热电偶单元，θ为热电材料支腿的周向夹角，T₁为位于中心的高温热源端温度，T₂为最外侧的低温端温度，二者的温差为ΔT，r₁和r₂分别为圆柱体热源的圆心到热电材料支腿上端和下端的径向距离，p型和n型热电材料支腿通过高导电性能金属连接片连接，构成环形热电偶，夹在两个导热电绝缘陶瓷板中间，形成三明治结构的环形热电发电器。环形热电材料发电器用作微电子器件电源，亦可为蓄电池充电。

如图3所示，环形热电发电器径向宽度与半径成正比，厚度与半径成反比，使p型及n型热电材料支腿在径向方向截面积相等，此时，环形热电发电器的比功率最大。

图4所示为热电材料支腿在径向方向等截面积的环形分段热电发电器和非分段热电发电器的效率对比图。曲线1为环形分段热电发电器效率η与热电材料长度比值H ₁/H、H ₂/H、H ₃/H的关系图，分段热电偶臂由高温热电材料CeFe₄Sb₁₂、中温热电材料TAGS-85、低温热电材料Bi₂Te₃串联组成，对应的长度分别表示为H ₁、H ₂、H ₃，分段热电偶臂总长H= H ₁+H ₂+H ₃，实线、虚线和点划线分别表示H ₃/H=0.01、0.1和0.25，环形分段热电发电器两端的温度差为1000 K。曲线2-4表示分别由CeFe₄Sb₁₂、TAGS-85、Bi₂Te₃构造的非分段环形热电发电器的发电器效率，器件两端温差为其对应环形分段热电器中相应材料的温度差。由图4可知，相比于非分段热电发电器，分段设计可显著提高环形器件的效率及所承受的环境温度差，可改善其发电性能。

Claims (6)

1.一种环形热电材料发电器的热电偶单元，包括p型热电材料支腿（3）、n型热电材料支腿（4）以及金属连接片/电极（6），其特征在于：所述p型、n型热电材料支腿均采用分段结构，所述p型热电材料支腿（3）和n型热电材料支腿（4）通过高导电性能金属连接片/电极（6）连接，构成环形热电偶单元，所述热电偶单元两端面为同心圆弧端面，以θ为热电材料支腿的周向夹角，r₁和r₂分别为圆柱体热源的圆心到热电材料支腿上端和下端的径向距离，热电偶单元中p型及n型热电材料支腿径向宽度与半径成正比，厚度与半径成反比，使p型及n型热电材料支腿在径向方向截面积相等。

2.根据权利要求1所述的环形热电材料发电器的热电偶单元，其特征在于：由p型高温热电材料（10）、p型中温热电材料（11）、p型低温热电材料（12）构成热电偶单元的p型分段结构热电材料支腿，由n型高温热电材料（7）、n型中温热电材料（8）和n型低温热电材料（9）构成热电偶单元的n型分段结构热电材料支腿；p型、n型热电材料支腿内侧端面采用同样为同心圆弧端面的金属连接片/电极（6）连接，两个相邻接的热电偶单元的热电材料支腿外侧端面设有同样为同心圆弧端面的金属连接片/电极（6）。

3.根据权利要求1或2所述的环形热电材料发电器的热电偶单元，其特征在于：所述p型、n型热电材料支腿采用n个分段设计，所述n为大于等于2的自然数。

4.一种采用权利要求1所述热电偶单元的高温差环形分段热电材料发电器，由环形管及一定数量的热电偶单元和引出电极构成，环形管的内壁和外壁采用导热电绝缘陶瓷板，其特征在于：热电偶单元的p型和n型热电材料支腿采用分段结构，p型和n型热电材料支腿内侧端面的金属连接片/电极（6）采用和环形管的内壁为同心圆弧端面，每个热电偶单元的两个支腿的另一端分别通过金属连接片/电极（6）与之前的或之后的热电偶单元连接，p型和n型热电材料支腿外侧端面的金属连接片/电极（6）采用和环形管的外壁为同心圆弧端面，热电偶单元夹在环形管内壁、外壁两层导热电绝缘陶瓷板中间，构成环形热电偶。

5.根据权利要求4所述的高温差环形分段热电材料发电器，其特征在于：所述热电偶单元的热电材料支腿径向截面积相等；以θ为热电材料支腿的周向夹角，热电材料支腿加上电极片的总高度分别为圆柱体热源的环形管内壁到环形管外壁的径向距离；所述环形管内壁（5）为高温端，内部流经高温热源（1），环形管外壁为低温端。

6.根据权利要求4或5所述的高温差环形分段热电材料发电器，其特征在于：各热电偶单元通过金属连接片/电极依次连接，始端和末端分别连接引出电极；所述环形管的外壁设有散热翅片（2）。

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