利用分段热电元件的热电发电系统技术方案

一种热电系统，其包括第一热电元件，该第一热电元件包括相互电通信的第一组多个分段。该热电系统进一步包括第二热电元件，该第二热电元件包括相互电通信的第二组多个分段。该热电系统进一步包括热传递装置，该热传递装置至少包括第一部分和第二部分。第一部分夹在第一热电元件和第二热电元件之间。第二部分从第一部分凸出并且被配置为与工作介质热通信。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
002本申请涉及固态冷却、加热以及发电系统的改进配置。
技术介绍
003热电装置(TE)利用某些材料的特性在存在电流流动时产生材料两端的温度梯度。传统的热电装置使用P-型和N-型半导体作为装置内的热电材料。这些热电材料在物理和电学方面采用可以获得预期的加热或冷却功能的方式进行配置。004图1A示出了目前热电装置中使用的最常用的配置。通常，P-型和N型热电元件102被排列在两个衬底104之间的矩形组件100内。电流I流过这两种元件类型。这些元件通过套在元件102末端的铜分流器106串联在一起。当施加直流电压108时，会在TE元件两端产生温度梯度。TE通常用于冷却液体、气体和固体物体。005从20世纪60年代起，固态冷却、加热和发电(SSCHP)系统就一直用于军事和航空航天仪器、温度控制和发电应用。其在商业上的使用受到了限制，因为这种系统对于要实现的功能来说太昂贵，并且具有低的功率密度，所以SSCHP系统因为较大、较昂贵、效率较低而不能被商业所接受。006近来的材料改善可提供这样的保证增长的效率和功率密度达到现有系统的一百倍。但是，热电(TE)装置的使用还是受到低效率、低功率密度和高成本的限制。007根据TE设计指南(Melcor Corporation″ThermoelectricHandbook″1995 pp.16-17)可知，在目前的TE材料中，ZT＝0.9的模块在峰值效率下产生的冷却功率大约是最大冷却功率的22％。因此，为了达到最高可能的效率，与运行在最大冷却情况下所需的模块数目相比，需要多个TE模块。结果，为达到有效运行所需的TE模块的成本明显偏高，并且产生的系统实际偏大。008根据文献(例如，参见Goldsmid，H.J.″Electronic Refrigeration″1986，p.9)可知，最大热冷却功率可以记作 其中 qCOPT是最佳热冷却功率； IOPT是最佳电流； α是塞贝克(Seebeck)系数； R是系统电阻； K是系统导热系数； ΔT是热侧和冷侧温度的差值；以及 TC是冷侧温度。 而且，从Goldsmid的文献中，可知 其中 Z是热电材料品质因数(figure of merit)； TAVE是热侧和冷侧温度的平均值；以及 将(2)代入(1)得到 009等式(3)右侧括号中的项与TE系统的大小(或尺寸)无关，所以冷却量qOPT仅仅是材料特性和K的函数。对于图1中的几何图形，K可以记作 其中，λ是N型和P型材料的平均导热系数；AC是元件的面积；而L是每个元件的长度。010由于α是固有的材料特性，所以只要比率LC/AC是固定的，则最佳热功率qOPT-将是相同的。电流等于IOPT时，电阻为 其中，ρTE是TE元件的固有平均电阻系数；ROC是TE材料电阻；而RPC是寄生电阻。011此时，假设RP为零，则R是常数。如果LC/AC是固定的，则IOPT是常数。只有当比率LC/AC变化时，K才会变化，从而qCOPT和ROC变化，从而IOPT才会变化。012通常，对于同样的冷却输出，较小的装置是有利的。例如，在热电系统中重要的限制在于当固定值AC时，随着长度LC减小，寄生电阻损耗与TE材料损耗的比率φC变得相对大 013这一点可参考图1C，其描绘了典型的热电偶(TE couple)。当一些寄生损耗出现时，设计合理的TE的最大寄生损耗之一来自于分流器106。每个TE元件102的分流器106的电阻约为 其中，GC是TE元件之间的间隙；BC是TE元件和分流器的广度(breadth)；WC是TE元件和分流器宽度(width)；TC是分流器厚度；而PSC是分流器电阻系数。014对于图1的几何图形，TE元件的电阻是 其中，LC是TE元件长度。 因此，在(6)中使用等式(7)和(8)，得到
技术实现思路
015在某些实施例中，提供一种热电系统。该热电系统包括第一热电元件，该第一热电元件包括相互电通信的第一组多个分段。该热电系统进一步包括第二热电元件，该第二热电元件包括相互电通信的第二组多个分段。该热电系统进一步包括热传递装置，该热传递装置至少包括第一部分和第二部分。第一部分夹在第一热电元件和第二热电元件之间。第二部分从第一部分凸出并且被配置为与工作介质热通信。016在某些实施例中，提供一种热电系统。该热电系统包括多个热电元件，其中至少一些热电元件包括多个分段。该热电系统进一步包括多个热传递装置，其中至少一些热传递装置至少包括第一部分和第二部分。第一部分夹在多个热电元件中的至少两个热电元件之间，以形成热电元件和热传递装置的至少一个堆叠(stack)。第二部分从该堆叠中凸出并且被配置为与工作介质热通信。017在某些实施例中，提供一种制造热电系统的方法。该方法包括提供多个热电元件，其中至少一些热电元件包括多个分段。该方法进一步包括提供多个热传递装置，其中至少一些热传递装置至少包括第一部分和第二部分。该方法进一步包括组装多个热电元件和多个热传递装置以形成热电元件和热传递装置交替的至少一个堆叠。热传递装置的第一部分夹在至少两个相邻的热电元件之间。热传递装置的第二部分从堆叠中凸出并且被配置为与工作介质热通信。018根据附图和以下更为具体的说明，本公开的上述和其它方面将是显而易见的。 附图说明 019图1A-1B描述传统的TE模块。020图1C描述传统的热电偶。021图2描述具有热隔离且其工作介质反向流动的SSCHP系统的一般布置。022图3描述当工作介质在系统中前进时介质中出现的温度变化。023图4A-4B描述具有三个TE模块、四个翅片换热器和液体工作介质的系统。024图5A-5B描述具有两个TE模块、分段式(segmented)换热器的系统，以实现与单一换热器的一定程度的热隔离以及液体介质的反向流动。025图6描述气态介质系统，其具有两个TE模块和管道式风扇(ducted fan)以控制液体流动。026图7A-7D描述固态介质系统，其具有反向流动以进一步提高性能。TE元件利用高的长度-厚度比率来实现增加的热隔离。027图8描述具有TE元件的系统，其安排使得电流直接通过阵列，从而可以降低成本、减小重量和大小，同时可以改进性能。027图8描述具有TE元件的系统，布置这些TE元件使得电流直接通过阵列，从而在提供改进的性能的同时降低成本、重量和大小。028图9描述具有TE元件、热管和换热器的系统，其简易且成本低。热侧和冷侧由通过热管的热传输分离开。029图10描述一流体系统，其中流体被泵送(pump)通过换热器和TE模块阵列，以实现一端低温，从而从气体或来自流体或气体的沉淀物中冷凝(condense)出水分。该系统具有预防措施来分流工作流体流动，以通过降低阵列的各部分间的温差来提高效率。030图11描述一阵列，在该阵列中工作流体在不同位置进入并退出，且其中部分系统以反向流动模式运行，部分系统以平行流动模式运行。031图12描述具有降低的寄生电阻损耗的堆叠式TE系统。032图13A描述堆叠式系统的优选实施例中TE元件和换热构件的细节。033图13B描述由图13A所示的元件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电系统，其包括：　第一热电元件，其包括相互电通信的第一组多个分段；　第二热电元件，其包括相互电通信的第二组多个分段；和　热传递装置，其至少包括第一部分和第二部分，所述第一部分夹在所述第一热电元件和所述第二热电元件之间 ，所述第二部分从所述第一部分凸出并且被配置为与工作介质热通信。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-7-28 60/834,0061.一种热电系统，其包括第一热电元件，其包括相互电通信的第一组多个分段；第二热电元件，其包括相互电通信的第二组多个分段；和热传递装置，其至少包括第一部分和第二部分，所述第一部分夹在所述第一热电元件和所述第二热电元件之间，所述第二部分从所述第一部分凸出并且被配置为与工作介质热通信。2.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述第一热电元件沿着第一方向具有第一厚度，所述第二热电元件沿着第二方向具有第二厚度，所述第二厚度比所述第一厚度大。3.根据权利要求1所述的热电系统，其中，所述第一热电元件具有第一厚度、第一横截面积和第一长宽比，其中所述第一厚度沿着第一方向，所述第一横截面积在大致与所述第一方向垂直的平面中，所述第一长宽比等于所述第一横截面积除以所述第一厚度；所述第二热电元件具有第二厚度、第二横截面积和第二长宽比，其中所述第二厚度沿着第二方向，所述第二横截面积在大致与所述第二方向垂直的平面中，所述第二长宽比等于所述第二横截面积除以所述第二厚度；其中所述第二长宽比与所述第一长宽比不同。4.根据权利要求3所述的热电系统，其中选择所述第一长宽比和所述第二长宽比，以便在运行条件下所述第一热电元件和所述第二热电元件都以最佳效率运行。5.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述第一组多个分段的每个分段的厚度与所述第一组多个分段的其他分段的厚度不同。6.根据权利要求5所述的热电系统，其中所述第二组多个分段的每个分段的厚度与所述第二组多个分段的其他分段的厚度不同。7.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述第一组多个分段的每个分段的长宽比等于所述分段的厚度除以所述分段的横截面积，其中所述第一组多个分段的所述分段的所述长宽比彼此不同。8.根据权利要求7所述的热电系统，其中所述第二组多个分段的每个分段的长宽比等于所述分段的厚度除以所述分段的横截面积，其中所述第二组多个分段的所述分段的所述长宽比彼此不同。9.根据权利要求8所述的热电系统，其中选择所述第一组多个分段的所述分段的所述长宽比和所述第二组多个分段的所述分段的所述长宽比，以便在运行条件下所述第一热电元件和所述第二热电元件都以最佳效率运行。10.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述第一组多个分段至少包括第一热电分段和第二热电分段，所述第一热电分段和所述第二热电分段包括不同的材料。11.根据权利要求10所述的热电系统，其中配置所述热电系统以使其运行，从而所述第一热电分段处于第一温度范围内，所述第二热电分段处于第二温度范围内，其中所述第一热电分段在所述第一温度范围内比在所述第二温度范围内的运行效率更高，所述第二热电分段在所述第二温度范围内比在所述第一温度范围内的运行效率更高。12.根据权利要求11所述的热电系统，其中所述第一组多个分段包括第三热电分段，其中配置所述热电系统以使其运行，从而所述第三热电分段处于第三温度范围内，其中所述第三热电分段在所述第三温度范围内比在所述第二温度范围内或所述第一温度范围内的运行效率更高。13.根据权利要求10所述的热电系统，其中所述第二组多个分段至少包括第一热电分段和第二热电分段，所述第一热电分段和所述第二热电分段包括不同的材料。14.根据权利要求13所述的热电系统，其中配置所述热电系统以使其运行，从而所述第一热电分段处于第一温度范围内，所述第二热电分段处于第二温度范围内，其中所述第一热电分段在所述第一温度范围内比在所述第二温度范围内的运行效率更高，所述第二热电分段在所述第二温度范围内比在所述第一温度范围内的运行效率更高。15.根据权利要求14所述的热电系统，其中所述第一组多个分段包括第三热电分段，其中配置所述热电系统以使其运行，从而所述第三热电分段处于第三温度范围内，其中所述第三热电分段在所述第三温度范围内比在所述第二温度范围内或所述第一温度范围内的运行效率更高。16.根据权利要求1所述的热电系统，其中至少一些所述第一组多个分段相互串行电通信，至少一些所述第二组多个分段相互串行电通信。17.根据权利要求1所述的热电系统，其中至少一些所述第一组多个分段相互串行/并行电通信，至少一些所述第二组多个分段相互串行/并行电通信。18.根据权利要求1所述的热电系统，其中所述第二部分在至少一个方向上比所述第一部分更宽。19.根据权利要求18所述的热电系统，其中所述第二部分在大致沿着工作介质运动方向的方向上比所述第一部分更宽。20.根据权利要求18所述的热电系统，其中所述第二部分具有一个大致平坦的表...

【专利技术属性】
技术研发人员：LE贝尔，DT克兰，
申请(专利权)人：BSST有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]