TW201447194A - 使用熱電發電機的自供電鍋爐 - Google Patents

使用熱電發電機的自供電鍋爐 Download PDF

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Abstract

本發明揭示一種自供電鍋爐，其包括：一燃燒器，其燃燒一燃料以產生用於加熱一流體之一熱燃燒產物；及一熱電發電機(TEG)系統，其包括與該熱燃燒產物熱連通之一第一側及與該鍋爐之一低溫區域熱連通之一第二側、及安置於該第一側與該第二側之間以產生電力之複數個熱電轉換器，其中由該TEG系統產生之電力等於或大於由該鍋爐在正常操作條件下消耗之總電力。

Description

使用熱電發電機的自供電鍋爐 [相關申請案]
本申請案主張2013年2月19日提交之美國臨時申請案第61/766,300號之優先權權利，該案之全文以引用之方式併入本文中。
此項技術中已知熱電轉換器，諸如太陽能熱電轉換器。此等轉換器依賴塞貝克(Seebeck)效應來將溫差轉換為電。可由一熱源直接或間接加熱熱電轉換器之一部分以產生所需溫差。能量轉換之效率取決於橫跨熱電轉換器之溫差及熱電材料之優值ZT。溫差越大且ZT越大，所允許之轉換效率越高。
實施例可包含一自供電鍋爐，其包括：一燃燒器，其經調適以燃燒一燃料以產生一熱燃燒產物；一熱燃燒產物導管；及一熱電發電機(TEG)系統，其包括與該熱燃燒產物導管熱連通之一第一側及與該鍋爐之一低溫區域熱連通之一第二側、及安置於該第一側與該第二側之間之複數個熱電轉換器，該等熱電轉換器包括一奈米結構熱電材料，其中由該TEG系統產生之電力等於或大於由該鍋爐在穩態操作條件下消耗之總電力。
另外實施例包含操作一自供電鍋爐之方法，其包括：燃燒一燃料以產生一熱燃燒產物；使與包括一奈米結構熱電材料之一熱電發電 機(TEG)系統之一第一側熱接觸之該熱燃燒產物流動；及由該TEG系統產生等於或大於由該鍋爐在穩態操作條件下消耗之總電力之電力。
100‧‧‧鍋爐
101‧‧‧燃燒器
103‧‧‧熱燃燒產物
105‧‧‧高溫導管/熱側
107‧‧‧低溫區域/冷側
109‧‧‧熱電發電機(TEG)模組/熱電模組
111‧‧‧支撐元件
112‧‧‧熱交換器
113‧‧‧支撐元件
114‧‧‧水壁/導管/通道
117‧‧‧導電引線
119‧‧‧導熱板元件/熱交換元件/鰭片
119A‧‧‧鰭片
131‧‧‧控制單元
133‧‧‧泵
134‧‧‧水/流體/箭頭
135‧‧‧電致動閥
137‧‧‧風扇/鼓風機
201‧‧‧燃燒器安裝區域
202‧‧‧區段
203‧‧‧頂壁
204‧‧‧區段
205‧‧‧底壁
206‧‧‧區段/熱交換區域
207‧‧‧鰭片
208‧‧‧區段
209‧‧‧水流通道
301‧‧‧箭頭
600‧‧‧梯度鰭片熱交換器
601‧‧‧板式鰭片
601A‧‧‧板式鰭片
601B‧‧‧板式鰭片
603‧‧‧箭頭/流體流
605‧‧‧安裝表面
700‧‧‧鍋爐
701‧‧‧熱交換器單元
703‧‧‧燃燒器單元
707‧‧‧燃燒器網格
709‧‧‧點火器
711‧‧‧管道
800‧‧‧鍋爐
801‧‧‧熱交換器部分
803‧‧‧燃燒器部分
809‧‧‧熱電發電機(TEG模組)/熱電模組
810‧‧‧鼓風機風扇
811‧‧‧空氣
812‧‧‧天然氣
813‧‧‧天然氣源
814‧‧‧擴散器
815‧‧‧點火電極
816‧‧‧熱氣流/熱燃燒氣體
817‧‧‧熱交換器
821‧‧‧模組蓋
822‧‧‧底面
823‧‧‧冷卻板
824‧‧‧熱絕緣材料
825‧‧‧鰭片
826‧‧‧導電引線
併入本文中且構成本說明書之部分的附圖繪示本發明之例示性實施例，且與上文所給出之一般描述及下文所給出之詳細描述一起用來解釋本發明之特徵。
圖1A係根據一實施例之具有複數個熱電發電機(TEG)之一鍋爐之一示意性橫截面側視圖。
圖1B係沿線A-A取得之圖1A之鍋爐之一橫截面圖。
圖2係繪示根據一實施例之一熱電發電機系統之位置的一鍋爐之一透視圖。
圖3係一鍋爐之一熱交換器及熱電發電機之一設計之一透視圖。
圖4繪示圖3之熱交換器及熱電發電機之模擬結果。
圖5係具有沿流體流之方向之一增大針柱式鰭片斂集率的一梯度熱交換器之橫截面透視圖。
圖6係具有沿流體流之方向之一增大板式鰭片斂集率的一梯度熱交換器之一橫截面透視圖。
圖7示意性繪示具有一熱交換器單元及一燃燒器單元之一鍋爐，其中複數個TEG模組整合至該燃燒器單元中。
圖8A示意性繪示根據一實施例之一自供電鍋爐。
圖8B繪示具有整合式熱交換器之一熱電發電機模組。
將參考附圖而詳細描述各種實施例。若可能，則相同元件符號將用於係指全部圖式中之相同或類似部件。特定實例及實施方案之涉及內容用於說明之目的，且並非意欲限制本發明或申請專利範圍之範疇。
存在用於由熱能產生電之多個方法。各種實施例可包含熱電轉換元件。熱電轉換依賴塞貝克效應來將溫差轉換為電。熱電轉換器在更大溫差下更有效率地操作。
鍋爐廣泛用於建築供暖及產生熱水。一鍋爐通常藉由燃燒一燃料以加熱水或另一流體而操作。一鍋爐之操作通常需要消耗一定量之電力來驅動鍋爐系統之各種組件，諸如一控制單元、(若干)風扇或(若干)鼓風機(例如空氣或燃料)、泵、電致動閥等等。在一些情況中，鍋爐可提供局部(即，空間)加熱；在其他情況中，鍋爐可提供家用熱水加熱及/或經由一插頭及控制閥之一個或多個加熱電路。系統之操作溫度及流動速率可根據加熱系統之大小及類型以及所利用之熱發射器之類型(例如散熱器、散熱地板、風機型等等)而變動。
一基於鍋爐之加熱系統中之電力消耗之最大量通常歸因於用於以下操作之泵或若干泵：使該加熱系統之一流體介質(例如水)位移通過與鍋爐火焰之熱燃燒產物熱接觸之一熱交換器；及將該經加熱之流體介質提供至鍋爐外部之一位置以供後續使用。該泵可消耗該鍋爐系統之總電力消耗之一半以上。一家用加熱系統中之一典型泵可在運轉時消耗50瓦至150瓦(例如65瓦至100瓦)。一鍋爐可包含具有與泵整合之燃燒器及熱交換器之一單元或位於該燃燒器/熱交換器單元外部之一單獨泵。
諸多加熱系統亦使用鍋爐風扇，此係因為現代鍋爐通常具有風扇輔助式煙道(而非自然通風式煙道)及一固定引燃器。來自高效率鍋爐中之更大熱交換器表面面積的增大氣流阻力已增大鍋爐風扇之電力需求。在冷凝式鍋爐中，鍋爐風扇通常需要增大之風扇電力來克服橫跨額外熱交換器表面之流體損失。調變燃燒器亦需要速度控制來確保可維持氣體/空氣調變率。鍋爐風扇可消耗燃燒器之總電力消耗之約三分之一。一家用加熱系統中之一典型風扇可在運轉時根據鍋爐大小 而消耗20瓦至135瓦(諸如30瓦至50瓦)。
可為一電或電機控制單元之控制單元通常消耗少量瞬時電力(例如0.4瓦至5.0瓦，諸如2瓦至4瓦)，但其始終在運行。因此，控制單元可消耗鍋爐之總電力消耗之5%至10%之間(例如約8%)。諸多鍋爐亦包含諸如電子恆溫器、火焰偵測及火花點火系統之組件，其利用導致一靜態或「備用」電力消耗之一板上電源供應器。此「備用」電力消耗可介於5瓦至15瓦之間(例如約8瓦)，且可佔用鍋爐之總電力消耗之10%至20%之間(例如15%至20%)。一些鍋爐亦可使用電加熱器(例如浸入加熱器、跡線加熱器)來使流體介質(例如水)維持在一所要溫度(例如60℃)處且減少鍋爐暖機時間。此等電加熱器可在使用時消耗15瓦至30瓦(例如約25瓦)。
電致動閥包含電動區域閥(例如兩口型閥及三口型閥)。諸多家用鍋爐加熱系統使用馬達啟動之彈簧回位型閥，其可在閥打開時連續消耗約5瓦。其他閥(諸如馬達啟動馬達關停(MOMO)型閥)可在一閥狀態改變期間消耗約6瓦。通常，電動區域閥可佔用鍋爐之總電力消耗之約4%至約6%。燃氣之一單獨閥系統可包含一對電磁閥(為了安全)，其可在燃燒器燃燒時消耗約6瓦。氣閥可佔用鍋爐之總電力消耗之約2%至約5%之間(例如約3%)。
因此，用於加熱及/或熱水之一典型鍋爐(如上文所描述)可需要至少約100瓦電力用於操作，諸如100瓦至250瓦(例如150瓦至200瓦(諸如175瓦)或200瓦至250瓦(諸如225瓦))。一些鍋爐可需要至少約250瓦電力(諸如250瓦至500瓦)用於操作，諸如250瓦至400瓦(例如250瓦至350瓦(諸如300瓦)或350瓦至450瓦(諸如400瓦或400瓦以上))。
在各種實施例中，一鍋爐包含用於產生熱能及電能之一整合式熱電發電(TEG)系統。該熱電發電(TEG)系統可使用該鍋爐內之(諸如)一熱燃燒產物(例如一火焰)與一低溫流體(例如水)之間之一溫度梯度 來提供橫跨一個或多個熱電轉換元件之一溫差且藉此產生電。在實施例中，該鍋爐可為一自供電鍋爐，其意謂：由該熱電發電系統產生之淨電力等於或大於由該鍋爐在正常(例如穩態)操作條件下消耗之總電力。可將來自該TEG系統之電提供至鍋爐電組件。
圖1A係具有一燃燒器101之一鍋爐100之一示意性橫截面側視圖，燃燒器101燃燒一燃料(例如烴燃料，諸如天然氣)以產生一熱燃燒產物103(即，一火焰)。將熱燃燒產物103導引通過一導管105以將導管105加熱至一高溫。複數個熱電發電機(TEG)模組109設置於高溫導管105與該導管外部之一低溫區域107之間。模組109可設置於一對支撐元件111、113之間。TEG模組109可定位於高溫導管105(即，熱區)與該導管外部之低溫區域107(即，冷區)之間。支撐元件111或113之一者可為導管105之一外壁。支撐元件111、113之各者可由一導熱材料製成。因此，TEG模組109之一側(即，「熱側」)可熱耦合至導管105之「熱區」，且TEG模組109之另一側(即，「冷側」)可熱耦合至導管105外部之低溫區域107之「冷區」。在各種實施例中，一低溫流體134(諸如鍋爐之水)可熱耦合至低溫區域107且可流動通過一冷卻或「工作」流體導管或歧管，例如由虛線示意性指示之「水壁」114。
在操作中，將燃料及空氣供給至燃燒器101，燃燒器101燃燒燃料/空氣混合物以產生熱燃燒產物103。一泵133使水134循環通過鍋爐100(例如通過導管114及熱交換器112)以將熱量自熱燃燒產物103傳遞至水134。經加熱之水134(其可被汽化)退出熱交換器112以用於供暖、住宅、辦公室或工業熱水供應及/或其他應用(例如發電)。在水134冷卻且視情況冷凝之後，可使水134再循環至泵133。一控制單元131可包含電路/邏輯，其用於藉由(例如)調節水溫(其藉由控制泵133之操作及/或分別經由電致動閥135及風扇/鼓風機137而至燃燒器101之燃料及空氣供給)而監測及控制鍋爐100之操作。
TEG模組109可包含複數個熱電轉換器(例如熱電材料之p型臂及n型臂之一個或多個「耦合」或互連對)，其等各包含與高溫導管105熱連通之一第一(熱)側、與低溫區域107熱連通之一第二(冷)側。導電引線117可在熱電轉換器內及/或在熱電轉換器之間提供適當電耦合，且可用於提取由該等轉換器產生之電能。可通過引線117將由TEG模組109產生之電能提供至一負載，該負載可為鍋爐100之一個或多個組件，諸如控制單元131、(若干)電致動閥135、風扇或鼓風機137、水泵133、一安全裝置等等。由TEG模組109供電之該負載可進一步包括位於鍋爐外部之其他組件。可將來自TEG模組109之電力之至少一部分提供至一能量儲存裝置(例如可再充電電池、超級電容器等等)以供稍後使用或用於啟動鍋爐。在一些實施例中，可將來自TEG模組109之電力之至少一部分提供/銷售至一電力網。控制單元131可經組態以操作鍋爐100提供自TEG模組109輸出之操作鍋爐100所需之電力之過量電力，且該過量電力可用於對一個或多個額外裝置供電及/或滿足基於需要之暫態電力需求。在實施例中，TEG模組109可產生超過400瓦電，其超過驅動一典型鍋爐所需之電力之兩倍。在實施例中，TEG模組109可使用來自鍋爐之熱能來產生電力，該電力之量至少等於操作鍋爐所需之電力之總量，諸如：超過100瓦之電力，諸如100瓦至250瓦(例如150瓦至200瓦(諸如175瓦)或200瓦至250瓦(諸如225瓦))；或超過250瓦(例如250瓦至500瓦)之電力，諸如250瓦至400瓦(例如250瓦至350瓦(諸如300瓦)或350瓦至450瓦(諸如400瓦))。在啟動時，鍋爐100可插入至一插座中或使用電池電力或一引火燈。當一控制系統在穩態處偵測到足夠電力時，該控制系統可接著切換至TEG電力。本發明之鍋爐100可在其他(若干)電源不可用(諸如在一停電期間)時由TEG模組109供電，且可用於電力網不可用之區域中。
鍋爐100可包含熱交換元件以將熱量自燃燒器101之燃燒產物103 傳導至熱電模組109之「熱側」。舉例而言，高溫導管105可包含複數個導熱板元件119以提供一板型熱交換器，如圖1B中所展示，圖1B係沿圖1A之線A-A取得之一橫截面圖。
亦可採用其他熱交換組態，諸如一鰭片型熱交換器。一鰭片型熱交換器可包含複數個板式鰭片、針柱式鰭片或以上兩者。當利用一鰭片型熱交換器時，該等鰭片之一斂集率可自導管105之入口接近處之一第一斂集率變動至導管105之出口接近處之一第二更密集斂集率以將一實質上均勻溫度提供至TEG模組109之熱側，諸如2013年6月24日提交之美國申請案第13/924,826號中所描述，該案之全文以引用之方式併入本文中以用於全部目的。圖5繪示一鰭片型熱交換器，其中鰭片119A(在此實施例中為針柱式鰭片)之間隔可沿流體流之方向及/或沿橫向於流體流之一方向變動。一般而言，鰭片斂集率(即，鰭片密度)可自熱交換器之流體入口接近處之一第一斂集率增大至熱交換器之流體出口接近處之一第二斂集率。斂集率可隨一步階函數增大，諸如圖5中所展示，其中熱交換器包含具有漸增鰭片斂集率之四個區段202、204、206、208。在一些實施例中，鰭片斂集率可在熱交換器之長度之全部或部分上連續漸變。
圖6繪示具有複數個板式鰭片601之一梯度鰭片熱交換器600之一實施例。在此實施例中，板式鰭片601之鰭片斂集率(即，鰭片密度)(例如板式鰭片601之大小及/或板式鰭片601之間之間隔)可沿流體流之方向(由箭頭603指示)及/或沿橫向於流體流之一方向變動。在圖6之實施例中，熱交換器600之流體入口接近處之一第一群組之板式鰭片601A具有板式鰭片601A之間之一第一間隔，且沿流體流603之方向定位於該第一群組之下游之一第二群組之板式鰭片601B具有板式鰭片60lB之間之一第二間隔。該第二群組之板式鰭片601B更緊密地間隔(即，具有一更高斂集率)。具有變動間隔之額外群組之板式鰭片可 設置於鰭片601B之下游及/或鰭片601A之上游。如圖6中所展示，各群組之鰭片可相對於(若干)相鄰群組之鰭片偏移以促進流體流與鰭片之間之接觸。替代地，鰭片可與(若干)相鄰群組之鰭片對準。各群組之鰭片之斂集率在熱交換器之長度之全部或部分上以一連續或步階方式增大。熱交換器600可包含與鰭片601A、601B熱接觸之一安裝表面605，可將一個或多個熱電發電機(TEG)模組安裝至安裝表面605。鰭片601A、601B可經組態以提供橫跨安裝表面605之一實質上均勻溫度以便在TEG元件之「熱」側上提供一實質上均勻溫度。
在各種實施例中，進入導管105之熱燃燒產物103(即，火焰)可具有大於約1000℃之一溫度，諸如約1200℃或1200℃以上。熱電模組109之「熱」側上之溫度可為400℃或400℃以上(例如500℃或500℃以上)，諸如600℃至700℃。熱電模組109之「冷」側上之溫度可為200℃或200℃以下，諸如150℃或150℃以下(例如100℃至130℃，諸如約115℃)。離開導管105之熱燃燒產物103可具有大於約650℃之一溫度，諸如介於670℃至900℃之間。
在各種實施例中，可視情況將退出導管105之熱燃燒產物103提供至一熱交換器112，其中可將來自燃燒產物103之熱能傳遞至一流體134，諸如水或熔鹽(例如一熱水加熱鍋爐中之水)。如圖1A中所展示，熱交換器112定位於TEG模組109之下游，但在其他實施例中，熱交換器112可定位於TEG模組109之上游或與TEG模組109共置定位(例如位於導管105中)。
圖2繪示一鍋爐100之一實施例且展示其中可安裝TEG模組之區域。在此實施例中，可將一燃燒器101(圖1A中所展示，但為清晰起見，圖2中未展示)安裝於一燃燒器安裝區域201中。可將來自燃燒器之熱燃燒產物103導引至導管105中且接著導引至具有複數個熱交換元件(諸如鰭片207)之一熱交換區域206(其對應於圖1A中之示意性熱交 換器112)中。鍋爐100亦包含相鄰於導管105延伸且延伸通過熱交換區域206之複數個水流通道209(其等對應於圖1A中示意性所展示之通道114)。水可以一串流(即，由箭頭134展示之水沿一蛇形路徑通過通道209之各者)或以一並流(即，水流橫跨通道209分佈)或以串流及並流之一組合流動通過通道209。
在圖2所展示之此實施例中，水通道209及導管105中之熱燃燒產物103具有一交叉流組態。在此組態中，水將流入及流出頁面，而非如圖1A中所展示般自左邊流動至右邊。在其他實施例中，水通道209及導管105中之熱燃燒產物103可具有一逆流或協流組態、或逆流組態、協流組態及/或交叉流組態之一組合。
如圖2中所展示，鍋爐100包含內表面，其包含相鄰於燃燒器且介於導管105中之熱燃燒產物103與水通道209之間之一頂壁203及一底壁205。一個或多個TEG模組(諸如圖1A至圖1B中所展示之模組109)可安裝至頂壁203及/或底壁205，使得該等模組之熱側與來自燃燒器之熱燃燒產物熱接觸且該等模組之冷側與流動通過通道209之水熱接觸。熱交換元件(諸如圖1B中所展示之鰭片119)可自鍋爐之頂壁203及底壁205延伸以促進至該等TEG模組之熱傳遞。TEG模組可設置於鍋爐100之其他部分中，諸如設置於鍋爐之側壁上或熱交換區域206內。可容易地將各種實施例之TEG發電機模組改裝成既有鍋爐設計以提供一自供電鍋爐。
圖7繪示具有一熱交換器單元701及一燃燒器單元703之一鍋爐700之一替代實施例，其中一個或多個TEG模組109整合至燃燒器單元703中。在此實施例中，熱交換器單元701可類似於圖3之鍋爐100，且可包含一熱交換區域206，熱交換區域206包含燃燒器排氣流動通過其之一導管105及延伸通過與燃燒器排氣熱接觸之熱交換區域206之複數個水流通道209。圖7之熱交換器單元701與圖2之實施例之不同處在 於：燃燒器組件在燃燒器安裝區域(即，圖2中之201)外部移動且設置於一單獨燃燒器單元703中。燃燒器單元703可包含典型燃燒器組件，諸如一燃燒器網格707及點火器709。燃燒器單元703亦可包含安裝至燃燒器單元703之一內表面之一個或多個TEG模組109。TEG模組109之「熱」側可與燃燒器排氣熱接觸(即，在燃燒器排氣進入熱交換器單元701之導管105之前)。TEG模組109之「冷」側可與一散熱器(諸如管道711，一冷卻流體(例如水)可流動通過管道711)熱接觸。(若干)管道711可耦合至熱交換器單元701之水流通道209(即，可為主鍋爐水循環路徑之部分)，或可與鍋爐水路徑分離。額外TEG模組(圖中未展示)可視情況設置於熱交換器單元701內。
圖8A繪示具有一熱交換器部分801及一燃燒器部分803之一鍋爐800之又一實施例，其中一個或多個TEG模組809整合至燃燒器部分803中。在此實施例中，熱交換器部分801可類似於圖3之鍋爐100，且可包含用於將熱量自熱燃燒器排氣傳遞至一流體介質(例如熱水/飲用水)之一個或多個熱交換器，該流體介質可透過複數個導管(圖中未展示)流動通過熱交換器部分801。一鼓風機風扇810可將空氣811及燃料(例如(諸如)來自一天然氣源813之天然氣812)導引至燃燒器部分803，可將該空氣及燃料導引通過一擴散器814。經擴散之空氣/燃料混合物可由點火電極815點燃且經燃燒以產生一熱氣流816。熱氣流816之至少一部分流動通過耦合至一TEG模組809之一個或多個熱交換器817。熱交換器817可具有任何適合組態，諸如上文所描述之針柱式鰭片或板式鰭片型熱交換器。在實施例中，熱交換器817可具有如圖5中所展示之一梯度針柱式鰭片設計或如圖6中所展示之一梯度板式鰭片設計。在其他實施例中，熱交換器817可具有一習知非梯度設計。熱交換器817可將熱量自熱氣流816傳遞至熱電模組809之一蓋821，蓋821可與模組809內所含之複數個熱電元件(p型熱電材料臂及n型熱電材料 臂之互連對)之「熱」側熱接觸。相對於蓋821之模組809之一底面822可熱耦合至一冷卻板823，冷卻板823可用作一散熱器且有助於維持模組809內之該等熱電元件之「熱」側與「冷」側之間之一所要溫差。在實施例中，冷卻板823可耦合至或形成一鍋爐水管之一部分。因此，處於比燃燒器部分803內之溫度低之一溫度的鍋爐水可在冷卻板823上或在冷卻板823內流動以冷卻TEG模組809之「冷」側。冷卻板823可形成燃燒器部分803之一腔壁之一部分，其中TEG模組809定位於燃燒器部分腔之內部與冷卻板823之間。在一些實施例中，冷卻板823可為安裝至或否則熱耦合至TEG模組809之冷側的一單獨組件。一熱絕緣材料824可定位於模組809之側表面相鄰處以減少自熱燃燒氣體816至冷卻板823之熱量損失。熱絕緣材料824可為(例如)一陶瓷材料、一氣凝膠、玻璃纖維或任何適合材料(其具有可耐受燃燒器部分803內之溫度的低導熱性)。熱絕緣材料824可有助於確保：將來自熱交換器817之大多數熱量遞送至TEG模組809之「熱」側。導電引線826可連接至模組809內之該等熱電元件且可自模組809向外延伸以自模組809提取電力。該電力可用於對鍋爐800之組件供電，諸如上文所描述之鼓風機風扇810、(若干)泵、(若干)閥、(若干)控制系統等等。
圖8B繪示具有由直接耦合至一模組蓋821之一陣列之鰭片825組成之一熱交換器817之一熱電發電機模組809之一實施例。模組809可包含熱電轉換器(例如p型熱電臂及n型熱電臂之對)之一電互連封裝。蓋821(或外殼)可由一導熱材料製成，蓋821定位於模組809之熱側上且將熱能自一外部熱源傳導至各自熱電臂之熱側。在實施例中，蓋821可由一導電材料(例如金屬或金屬合金)製成。當蓋821具導電性時，由電絕緣導熱材料(諸如一陶瓷材料)形成之一電絕緣體(圖中未展示)可設置於蓋821與該等熱電轉換器之相鄰熱端之間。例如，一陶瓷塗層可設置於蓋821之內表面之全部或部分上及/或設置於可連接p型 熱電臂及n型熱電臂之對的金屬插頭之外表面上。
在此實施例中，熱交換器817包括直接附接至模組蓋821之複數個鰭片825。在此實施例中，熱交換鰭片825包括板式鰭片，但亦可使用針柱式鰭片及板式鰭片與針柱式鰭片之組合。另外，在此實施例中，板式鰭片825經均勻間隔且被定向成大體上平行於流體流之方向，但應瞭解，可使用其他組態。例如，可使用一梯度鰭片熱交換器，其中鰭片斂集率沿流體流之方向及/或沿橫向於流體流之一方向變動，如上文所描述。
鰭片825可由一導熱材料(諸如一金屬或金屬合金)製成，且可由與將鰭片825附接至其之蓋821之部分相同或不同之材料製成。鰭片825可與蓋821(例如，其由具有約10%內(諸如0至5%)之一熱膨脹係數(CTE)之一材料(其包含0至1%之覆蓋材料)製成)熱匹配。在實施例中，鰭片825至模組蓋821之直接附接可消除熱交換器與熱電發電機模組809之間之熱介面問題，且可顯著增強模組809之效能。可使用任何適合技術(諸如經由銅焊、錫焊、硬焊、固態擴散、使用一高溫黏著劑及/或經由機械緊固件)來將鰭片825附接至蓋821。
在實施例中，具有直接附接至模組蓋821之熱交換器817之複數個模組809(如圖8B中所展示)可沿一流體流之一路徑(例如沿一導管之一內部，諸如圖1A、圖7及圖8A中所展示)安置，且各個模組809之鰭片825之鰭片斂集率(即，鰭片密度)(例如鰭片825之大小及/或鰭片825之間隔)可沿流體流之方向及/或沿橫向於流體流之一方向變動。因此，可在各模組809之熱側處獲得一相對均勻溫度。
根據上述實施例之任何者，TEG模組109、809之熱電轉換器可由各種塊狀材料及/或奈米結構製成。轉換器較佳地包括經電連接以形成一p-n接面之兩個轉換器元件(一個p型半導體轉換器柱或臂及一個n型半導體轉換器柱或臂)之複數個組。熱電轉換器材料可包括(但不限 於)以下之一者：半赫勒斯(half-Heuslers)、Bi2Te3、Bi2Te3-xSex(n型)/BixSe2-xTe3(p型)、SiGe(例如Si80Ge20)、PbTe、方鈷礦、Zn3Sb4、AgPbmSbTe2+m、Bi2Te3/Sb2Te3量子點超晶格(QDSL)、PbTe/PbSeTeQDSL、PbAgTe及以上各者之組合。材料可包括緻密奈米顆粒或嵌入於一塊狀基質材料中之奈米顆粒。例如，參閱用於描述例示性材料之2007年12月3日提交之美國專利申請案第11/949353號，該案以引用之方式併入本文中以用於全部目的。
如本文中所使用，一「奈米顆粒」或「奈米級」結構通常係指其尺寸小於1微米(較佳地小於約100奈米)之材料部分，諸如顆粒。例如，奈米顆粒可具有約1奈米至約0.1微米範圍內之一平均橫截面直徑，諸如10奈米至100奈米。包括壓縮半導體及/或金屬間奈米顆粒之奈米結構塊狀材料係受歡迎的，此係因為該等材料呈與一鍋爐中之用途相容之一形式，且具有一相對較高優值(ZT)及經濟實用。此等奈米結構塊狀材料可由相同材料(例如SiGe、BiTe、半赫勒斯材料等等)之奈米顆粒壓縮，或可由不同材料之顆粒壓縮，其中一材料之奈米顆粒形成一主體基質且另一材料之奈米顆粒形成該主體基質中之內含物。可使用熱壓或直流誘發熱壓來固結(壓縮)顆粒。經固結之緻密塊狀材料經奈米結構化以具有晶粒(grain)，該等晶粒具有小於1微米之一中值粒度及一平均粒度之至少一者，諸如具有小於300奈米之一平均粒度之晶粒，其中至少90%之該等晶粒之大小小於500奈米。在一實施例中，該等晶粒具有10奈米至300奈米範圍內之一平均粒度。在一實施例中，該等晶粒具有約200奈米之一平均大小。通常，該等晶粒具有隨機定向。此外，晶粒可包含該等晶粒內之5奈米至50奈米大小(例如直徑或寬度)之奈米點內含物。
此等奈米結構熱電材料已經展示以具有由ZT=(S2σ/κ)T界定之一相對較高優值ZT，其中σ係導電率，S係塞貝克係數，κ係導熱率，且 T係絕對溫度。該等奈米結構材料一般具有與使用習知技術來產生之相同材料(即，非奈米結構材料)相當之一電力因數(S2σ)，但展現一明顯更低之導熱率κ。該等奈米結構材料中之導熱率之顯著減小可歸因於隨機奈米結構之諸多介面處之增加聲子散射。相對較高電力因數及低導熱率之組合使該等奈米結構熱電材料成為作為一自供電鍋爐100之一發電機的一極佳候選者。
在較佳實施例中，鍋爐100中所使用之熱電元件採用半赫勒斯材料。2011年12月19日提交之美國專利申請案第13/330,216號及2012年12月19日提交之美國專利申請案第13/719,966號中描述適合半赫勒斯材料及製造半赫勒斯熱電元件之適合方法，該兩個案之全文以引用之方式併入本文中以用於全部目的。半赫勒斯(HH)係金屬間化合物，其具有較大潛力作為用於發電之高溫熱電材料。HH係錯合物：MCoSb(p型)及MNiSn(n型)，其中M可為Ti或Zr或Hf或該等元素之兩者或三者之組合。Sn及Sb可由Sb/Sn取代。其等形成於具有一F4/3m(No.216)空間群之立方晶體結構中。此等相位係具有每單位晶胞之18價電子計數(VEC)及一窄能隙之半導體。費米(Fermi)能級略微高於價帶之頂部。HH相位具有一相當適合塞貝克係數及適中導電率。熱電材料之效能取決於由ZT=(S2σ/κ)T界定之ZT，其中σ係導電率，S係塞貝克係數，κ係導熱率，且T係絕對溫度。半赫勒斯化合物可歸因於其高電力因數(S2σ)而成為較佳熱電材料。
習知HH之無因次熱電優值(ZT)低於諸多其他最先進熱電材料之無因次熱電優值。最近，已實現使用一奈米複合方法來提高n型半赫勒斯材料之無因次熱電優值(ZT)。在600℃至700℃處實現1.0之一峰值ZT，其比先前所報告之最高值高約25%。可藉由將組合物Hf0.75Zr0.25NiSn0.99Sb0.01之晶錠球磨為奈米粉末且將該等粉末熱壓(例如DC熱壓或不施加電流)為緻密塊狀樣品而製造材料。可藉由電弧熔 融組成元素而形成該等晶錠。ZT提高主要源自導熱率之減小(歸因於晶粒邊界及晶體缺陷處之增加聲子散射)及銻摻雜之最佳化。
已藉由使用一奈米複合半赫勒斯材料而實現p型半赫勒斯化合物在高於400℃之溫度處之自0.5至0.8之超過35%之ZT改良。另外，已藉由相同奈米複合方法而實現n型半赫勒斯化合物在高於400℃之溫度處之自0.8至1.0之峰值ZT之25%改良。ZT提高不僅歸因於導熱率之減小，且歸因於電力因數之增大。可(例如)藉由熱壓來自最初藉由一電弧熔融程序製造之晶錠之一球磨奈米粉末而製備此等奈米結構樣品。經熱壓之緻密塊狀樣品可經奈米結構化以具有晶粒，該等晶粒具有小於300奈米之一平均粒度，其中至少90%之該等晶粒之大小小於500奈米。在一些情況中，該等晶粒具有10奈米至300奈米範圍內之一平均大小，諸如約200奈米之一平均大小。通常，該等晶粒具有隨機定向。此外，諸多晶粒可包含該等晶粒內之10奈米至50奈米大小(例如直徑或寬度)之奈米點內含物。
半赫勒斯材料之實施例可包含根據材料是否為n型或p型而變動之Hf、Zr、Ti、Co、Ni、Sb、Sn之量。亦可添加其他合金元素，諸如Pb。實例性p型材料包含(但不限於)含有Co且富含Sb/略含Sn之Hf0.5Zr0.5CoSb0.8Sn0.2、Hf0.3Zr0.7CoSb0.7Sn0.3、Hf0.5Zr0.5CoSb0.8Sn0.2+1% Pb、Hf0.5Ti0.5CoSb0.8Sn0.2及Hf0.5Ti0.5CoSb0.6Sn0.4。實例性n型材料包含(但不限於)含有Ni且富含Sn/略含Sb之Hf0.75Zr0.25NiSn0.975Sb0.025、Hf0.25Zr0.25Ti0.5NiSn0.994Sb0.006、Hf0.25Zr0.25NiSn0.99Sb0.01(Ti0.30Hf0.35Zr0.35)Ni(Sn0.994Sb0.006)、Hf0.25Zr0.25Ti0.5NiSn0.99Sb0.01、Hf0.5Zr0.25Ti0.25NiSn0.99Sb0.01及(Hf,Zr)0.5Ti0.5NiSn0.998Sb0.002。
可藉由依適當比率電弧熔融熱電材料之個別元素以形成所要熱電材料而製造晶錠。較佳地，該等個別元素具有99.9%純度。更佳 地，該等個別元素具有99.99%純度。在一些情況中，可首先將該等個別元素之兩者或兩者以上組合成一合金或化合物，且將該合金或化合物用作為該電弧熔融程序中之起始材料之一者。球磨可導致具有奈米大小顆粒之一奈米粉末，該等奈米大小顆粒具有小於100奈米之一平均大小，其中至少90%之該等顆粒之大小小於250奈米。在一實例中，該等奈米大小顆粒具有5奈米至100奈米範圍內之一平均顆粒大小。
吾人已發現，熱電材料之優值隨熱電材料之粒度減小而改良。在用於製造熱電材料之一方法之一實例中，產生具有奈米級(小於1微米)晶粒之熱電材料，即，95%(諸如100%)之該等晶粒具有小於1微米之一粒度。較佳地，奈米級平均粒度係在10奈米至300奈米之範圍內。此方法可用於製造任何熱電材料，且包含製造具有奈米級晶粒之半赫勒斯材料。該方法可用於製造p型半赫勒斯材料及n型半赫勒斯材料兩者。在一實例中，半赫勒斯材料為n型且具有化學式Hf1+δ-x-yZrxTiyNiSn1+δ-zSbz，其中0x1.0，0y1.0，0z1.0，且-0.1δ0.1(以允許微量非化學計量材料)，諸如Hf1-x-yZrxTiyNiSn1-zSbz，其中0x1.0，0y1.0，且0z1.0，此時δ=0(即，針對化學計量材料)。在另一實例中，半赫勒斯係一p型材料且具有化學式Hf1+δ-x-yZrxTiyCoSb1+δ-zSnz，其中0x1.0，0y1.0，0z1.0，且-0.1δ0.1(以允許微量非化學計量材料)，諸如Hf1-x-yZrxTiyCoSb1-zSnz，其中0x1.0，0y1.0，且0z1.0，此時δ=0(即，針對化學計量材料)。
圖3展示根據一實施例之一鍋爐100之導管105內之溫度之一模擬之結果。隨著燃燒產物103沿箭頭301之方向在導管105內傳播，燃燒產物103接觸導管105中之板型熱交換元件119。將來自燃燒產物103之熱量之一部分傳遞至熱交換元件119，熱交換元件119繼而將熱量傳遞至TEG模組109之熱側。TEG模組109包括半赫勒斯熱電材料。如此模 擬中所展示，進入導管105之燃燒產物103之溫度為約1250℃至約1300℃。隨著燃燒產物103行進通過導管105且橫跨熱交換元件119，燃燒產物103冷卻至約670℃至約800℃之間之一出口溫度。接著，仍處於高溫之燃燒產物103可用於加熱熱交換器112中之水或另一流體。
圖4展示熱交換元件119及TEG模組109內之溫度之一模擬之結果。如圖4中所繪示，模組109之熱側105上之溫度為約630℃，同時冷側107上之溫度為約115℃。熱流係5600瓦且壓力降係5.7帕。在此溫度梯度處，由TEG模組109產生之電力係446瓦。
TEG模組之熱電材料(即，臂)可由具有晶粒之一奈米結構材料形成，該等晶粒具有小於1微米之一中值粒度及一平均粒度之至少一者，諸如具有小於300奈米之一平均粒度之晶粒，其中至少90%之該等晶粒之大小小於500奈米。在一實施例中，該等晶粒具有10奈米至300奈米範圍內之一平均粒度。在一實施例中，該等晶粒具有約200奈米之一平均大小。通常，該等晶粒具有隨機定向。此外，晶粒可包含該等晶粒內之5奈米至50奈米大小(例如直徑或寬度)之奈米點內含物。如上文所討論，此等奈米結構材料可提供高溫(例如450℃至900℃，諸如600℃至800℃)處之一相對較高電力因數及低導熱率。由於此低導熱率，即使當TEG模組定位於熱燃燒器氣體與鍋爐水之間之熱交換器之上游及/或與熱燃燒器氣體與鍋爐水之間之熱交換器共置定位時，足夠熱量仍保留於熱燃燒器氣體中以有效率地加熱鍋爐水。在實施例中，定位於鍋爐熱交換器(即，圖2中之熱交換區域206，其對應於圖1A之示意性熱交換器112)之上游及/或與該鍋爐熱交換器共置定位之TEG模組產生由鍋爐在穩態操作期間消耗之電力之至少100%。一個或多個額外TEG模組可設置於熱交換器之下游(即，下游或低溫TEG模組)且可自燃燒器排氣之廢熱產生額外電力。在一些實施例中，定位於鍋爐熱交換器模組之上游及/或與鍋爐熱交換器模組 共置定位之高溫TEG模組可產生鍋爐之總電力需求之100%以下，諸如鍋爐之總電力需求之約75%、約85%、約95%或約99%，且可由下游或低溫TEG模組產生剩餘部分。
前述方法描述僅作為繪示性實例且並不意欲要求或隱含：必須依所呈現之順序執行各種實施例之步驟。熟習技術者應瞭解，可依任何順序執行前述實施例中之步驟之順序。諸如「其後」、「接著」、「其次」等等之用語未必意欲限制步驟之順序；此等用語可用於指導讀者理解方法之描述。此外，呈單數形式之請求項元件之任何參考(例如，使用冠詞「一」或「該」)不應被解釋為將元件限制為單數。
此外，本文中所描述之任何實施例之任何步驟或組件可用於任何其他實施例中。
所揭示態樣之先前描述經提供以使熟習技術者能夠製造或使用本發明。熟習技術者將易於明白對此等態樣之各種修改，且可在不背離本發明之範疇之情況下將本文中所界定之一般原理應用於其他態樣。因此，本發明並非意欲受限於本文中所展示之態樣，而是被賦予與本文中所揭示之原理及新穎特徵一致之最廣範疇。
100‧‧‧鍋爐
101‧‧‧燃燒器
103‧‧‧熱燃燒產物
105‧‧‧高溫導管/熱側
107‧‧‧低溫區域/冷側
109‧‧‧熱電發電機(TEG)模組/熱電模組
111‧‧‧支撐元件
112‧‧‧熱交換器
113‧‧‧支撐元件
114‧‧‧水壁/導管/通道
117‧‧‧導電引線
131‧‧‧控制單元
133‧‧‧泵
134‧‧‧水/流體/箭頭
135‧‧‧電致動閥
137‧‧‧風扇/鼓風機

Claims (41)

  1. 一種自供電鍋爐，其包括：一燃燒器，其經調適以燃燒一燃料以產生一熱燃燒產物；一熱燃燒產物導管；及一熱電發電機(TEG)系統，其包括與該熱燃燒產物導管熱連通之一第一側及與該鍋爐之一低溫區域熱連通之一第二側、及安置於該第一側與該第二側之間之複數個熱電轉換器，該等熱電轉換器包括一奈米結構熱電材料，其中由該TEG系統產生之電力等於或大於由該鍋爐在穩態操作條件下消耗之總電力。
  2. 如請求項1之鍋爐，其中該奈米結構熱電材料包括具有小於1微米之一中值粒度及一平均粒度之至少一者的晶粒。
  3. 如請求項1之鍋爐，其進一步包括：一電連接件，其介於該TEG系統之電輸出端與該鍋爐之至少一電組件之間。
  4. 如請求項1之鍋爐，其中該奈米結構熱電材料包括一半赫勒斯(half-Heusler)材料。
  5. 如請求項1之鍋爐，其中該等熱電轉換器安置於該熱燃燒產物導管之一外表面上。
  6. 如請求項5之鍋爐，其進一步包括位於該熱燃燒產物導管內且熱耦合至該TEG系統之該第一側的複數個熱交換元件。
  7. 如請求項6之鍋爐，其中該等熱交換元件包括板元件。
  8. 如請求項6之鍋爐，其中該等熱交換元件包括針柱式鰭片元件及/或板式鰭片元件，其中該等鰭片之一斂集率在該熱燃燒產物導管中沿遠離該燃燒器之一方向增大。
  9. 如請求項1之鍋爐，其中該TEG系統之該第二側與鍋爐水熱連 通。
  10. 如請求項1之鍋爐，其進一步包括用於將熱量自該熱燃燒產物傳遞至被加熱之一流體的一熱交換器。
  11. 如請求項10之鍋爐，其中該流體包括水。
  12. 如請求項10之鍋爐，其中該熱交換器相對於該燃燒器定位於該TEG系統之下游。
  13. 如請求項3之鍋爐，其中該鍋爐之該電組件包括該鍋爐之一控制單元、一風扇、一鼓風機、一電致動閥、一內部電源供應器及一水泵之一者或多者。
  14. 如請求項13之鍋爐，其中該鍋爐之該電組件包括一水泵、一風扇、至少一電致動閥及一控制單元。
  15. 如請求項1之鍋爐，該TEG系統之該第一側處之溫度係400℃或400℃以上。
  16. 如請求項15之鍋爐，其中該TEG系統之該第一側處之溫度大於約600℃。
  17. 如請求項15之鍋爐，其中該TEG系統之該第二側上之溫度小於約200℃。
  18. 如請求項16之鍋爐，其中該TEG系統之該第二側上之溫度小於約130℃。
  19. 如請求項1之鍋爐，其中該TEG系統產生約200瓦至約500瓦之間之電力。
  20. 如請求項19之鍋爐，其中該TEG系統產生至少約400瓦之電力。
  21. 如請求項1之鍋爐，其中該鍋爐包括一外殼，該外殼含有該鍋爐、該熱燃燒產物導管、該TEG系統及用於將熱量自該熱燃燒產物傳遞至被加熱之一流體的一熱交換器，其中該TEG系統相對於該燃燒器而與該熱交換器共置定位及/或定位於該熱交換器之上 游。
  22. 如請求項1之鍋爐，其中該鍋爐包括：一燃燒器單元，其含有該鍋爐、該熱燃燒產物導管及該TEG系統；及一熱交換器單元，其用於將熱量自該熱燃燒產物傳遞至被加熱之一流體，該熱交換器單元相對於來自該燃燒器之該熱燃燒產物之流而定位於該燃燒器單元之下游。
  23. 如請求項1之鍋爐，其中該TEG系統包括：一熱交換器，其定位於該熱燃燒產物導管內，使得該熱燃燒產物之至少一部分流動通過該熱交換器；及一模組，其具有一第一側及與該第一側相對之一第二側、包括在該模組之該第一側上延伸之一導熱材料且熱耦合至該熱交換器之一蓋、及在該模組之該第一側與該第二側之間延伸且熱耦合至該蓋之第一導電型熱電元件及第二導電型熱電元件之複數個互連對。
  24. 如請求項23之鍋爐，其中該熱交換器包括自該蓋延伸至該熱燃燒產物導管中之複數個熱交換元件。
  25. 如請求項23之鍋爐，其進一步包括：一冷卻板，其熱耦合至該模組之該第二側，該模組定位於該冷卻板與該熱燃燒導管之一內部之間；及一熱絕緣材料，其在該模組之至少一側表面上延伸，該至少一側表面在該模組之該第一表面與該第二表面之間延伸。
  26. 一種操作一自供電鍋爐之方法，其包括：燃燒一燃料以產生一熱燃燒產物；使與包括一奈米結構熱電材料之一熱電發電機(TEG)系統之一第一側熱接觸之該熱燃燒產物流動；及 由該TEG系統產生等於或大於由該鍋爐在穩態操作條件下消耗之總電力之電力。
  27. 如請求項26之方法，其中該奈米結構熱電材料包括具有小於1微米之一中值粒度及一平均粒度之至少一者的晶粒。
  28. 如請求項26之方法，其進一步包括：將該電力提供至該鍋爐之至少一電組件。
  29. 如請求項28之方法，其中該電組件包括一泵。
  30. 如請求項26之方法，其中該TEG系統之該第一側處之溫度係400℃或400℃以上。
  31. 如請求項30之方法，其中該TEG系統之該第一側處之溫度大於約600℃。
  32. 如請求項30之方法，其中該TEG系統之該第二側上之溫度小於約200℃。
  33. 如請求項32之方法，其中該TEG系統之該第二側上之溫度小於約130℃。
  34. 如請求項26之方法，其中該TEG系統產生約200瓦至約500瓦之間之電力。
  35. 如請求項34之方法，其中該TEG系統產生至少約400瓦之電力。
  36. 如請求項26之方法，其中燃燒該燃料包括在一燃燒器中燃燒該燃料，且使該熱燃燒產物流動包括使該熱燃燒產物在一導管中流動，且該TEG系統之該第一側與該導管熱連通，該TEG系統進一步包括與具有比該導管內之溫度低之一溫度的該導管外部之一區域熱連通之一第二側、及安置於該第一側與該第二側之間之該奈米結構熱電材料之複數個元件。
  37. 如請求項36之方法，其中該奈米結構熱電材料包括一半赫勒斯材料。
  38. 如請求項36之方法，其中使該熱燃燒產物流動包括：使與定位於該導管中且熱耦合至該TEG系統之該第一側的複數個熱交換元件接觸之該熱燃燒產物流動。
  39. 如請求項26之方法，其進一步包括：將熱量自該熱燃燒產物傳遞至被加熱之一流體。
  40. 如請求項39之方法，其中該流體包括水。
  41. 如請求項39之方法，其中在使與該TEG系統之該第一側熱接觸之該熱燃燒產物流動之後，將來自該熱燃燒產物之該熱量傳遞至被加熱之該流體。
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