级联式热电发电器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种级联式热电发电器，包括产生热量的热源、将热量转换成电能的热电发电部、及外壳，其中，所述热电发电部包括从所述热源沿热量传递方向依次径向向外设置的级联的至少两个热电发电系统，所述级联的至少两个热电发电系统逐级传递热量，且各级热电发电系统分别用其接收到的热量进行热电转换，且在所述外壳的外表面上缠绕有螺旋式水管。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及热电转换
，具体涉及一种级联式热电发电器。
技术介绍
热电(thermoelectric)发电技术是利用热电材料(thermoelectricmaterials)的赛贝克(Seebeck)效应将热能直接转换成电能的技术，具有热电器件体积小、可靠性高、寿命长等特点，按热电转换原理，可以利用包括太阳能在内的所有热源，可以用小面积获得大功率的电力，因此在空间科学、军事装备、废热发电等
发挥着重要作用，并且越来越受到人们的重视。热电发电器一般为圆筒结构，并采用单级结构，即仅使用一种热电材料或热电器 件。其结构是，热源位于圆筒结构的中心，热电器件分布于热源外侧并呈辐射状，热电发电器最外层为散热结构，其中，热电器件将来自热源的热能转换成电能。热电器件是把热能直接转换成电能的一种元件，通常由均质热电材料构成；热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料，其两端的温差可以产生电压。由于热电材料的性能优值Z (Z= a 2O/K，其中a为Seebeck系数；o为电导率；K为热导率)与材料使用温度密切相关，每种热电材料的最佳工作温度区间只在某一特定的小范围内，超出最佳工作温度区间后热电材料的性能将急剧下降。如果热电材料(热电器件)的实际工作温度范围比较大(超过单种热电材料的工作温度范围)，则由单种均质热电材料构成的热电发电器难以获得最大的能量转换效率，因此沿温度梯度方向选用具有不同最佳工作温度的热电材料(热电器件)，并使之各自工作于其最佳工作温度区间，这样可以有效地提高热电发电效率。通过热电材料的多段(segment)组合或者热电器件的级联(cascade)可以提高热电发电效率° Kajikawa (The 20th International Conference on Thermoelectrics,Beijing, 2001:49-56)、El-Genk (Energ. Convers. Manage, 2005 (46):1083-1105)等报道了通过级联、多段复合的方式提高材料热电发电效率的实验结果。此外，在日本特开2005-19910，日本特开2006-245224，W096/15412，US6722140B2，US6662570B2，US6505468B2等专利中也公开了各种多段复合热电材料和级联热电器件的技术方案。例如，日本专利特开2005-19910公开了在具有不相同的热膨胀率的不同热电材料之间插入了热膨胀率为两材料之间值的另外I至2种热电材料层，从而缓和了热应力的技术。日本专利特开2006-245224公开了在位于低温段热电转换用器件的上端部的绝缘性基板上，依次装载了高温段热电转换用器件和夹持用部件，从而降低作用于热电转换用器件上的热应力的同时降低热损失的技术。然而，对于热电材料的多段复合虽然能提高复合材料的整体发电效率，但由于各个分段材料不同，不同材料在连接界面处存在不匹配的膨胀系数，在高温下容易变形和开裂，并且由于不同热电材料的电导率和热导率不完全一致，在连接界面处会增加额外的接触电阻和接触热阻。此外，在长期高温作用下载界面处或邻近界面区域内会产生元素间的相互扩散及元素间的化学反应，使得材料的热稳定性受到影响，其次各个分段材料中最佳几何尺寸要求差异较大时，难以获得预期的热电发电效率。对于级联热电器件，一般级与级之间有绝缘层隔开，即级间串联结构，要求级间的绝缘层具有高导热和高电绝缘性，并且要具有足够高的连接强度。由于级联热电器件实际使用温度区间很大，级间绝缘层长期在高温和大温差条件下工作容易开裂，引起级联热电器件内部出现过大的接触电阻和接触热阻，从而导致热电器件性能衰减甚至失效。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题包括提供ー种级联式热电发电器，其可在不影响发电器可靠性的前提下，提高发电器整体效率。为了解决上述技术问题，本技术提供ー种级联式热电发电器，包括产生热量的热源、将热量转换成电能的热电发电部、及外壳，其中，所述热电发电部包括从所述热源 沿热量传递方向依次径向向外设置的级联的至少两个热电发电系统，所述级联的至少两个热电发电系统逐级传递热量，且各级热电发电系统分别用其接收到的热量进行热电转换，且在所述外壳的外表面上缠绕有螺旋式水管。采用本技术，通过多个热电发电系统的级联，热量从热源经过各个温度段的热电发电系统传递至外壳，热量经过各级热电发电系统时产生温差，随即产生电能，且至少两个热电发电系统相对独立，以便热电发电系统可相对独立地进行热电转换，即使在ー个系统失效的情况下，其他系统仍能正常工作。从而在保证了热电发电器的可靠性的前提下，扩大了热电发电器的工作温度区间，提高了热电发电器的整体效率。还可以通过在螺旋式水管中导入制冷流体，从而起到冷却外壳的作用，能使发电器内部的热量有效传递至外部，拉大热量传递方向上的温差，提高发电效率。在本技术中，也可以，各级热电发电系统分别包括沿热量传递方向依次径向向外设置的集热构件、热电构件以及散热构件，所述热电构件的高温侧与所述集热构件相连且所述热电构件的低温侧与所述散热构件相连，所述热电构件从所述集热构件接收热量以进行热电转换并进一歩向所述散热构件传递热量。采用本技术，有利于实现各级热电发电系统的热电转换。在本技术中，也可以，相邻设置的两级热电发电系统中，位于热量传递方向上位的上ー级热电发电系统的散热构件为位于热量传递方向下位的下ー级热电发电系统的集热构件。采用本技术，由于两级热电发电系统共用了散热构件与集热构件，因此保证了热量传递的延续性，当ー个系统处于失效状态时，其他系统仍能正常工作。在本技术中，也可以，各级热电发电系统分别根据其集热构件处的温度选择具有不同工作温度的热电构件。采用本技术，各级热电发电系统的热电构件分别处于其各自的最佳工作温度，因此能获得最大的能量转换效率。在本技术中，也可以，各级热电发电系统的集热构件和散热构件为同轴设置的筒状结构，所述热电构件为多个径向分布在所述集热构件与散热构件之间的热电器件。采用本技术，可提高整个热电发电器的热电转换效率。在本技术中，也可以，位于热量传递方向最下位的热电发电系统的散热构件为所述级联式热电发电器的外壳。采用本技术，外壳可作为整个热电发电器系统的散热结构，热量从热源经过各个温度段的热电发电系统传递至外壳后，从外壳散发。在本技术中，也可以，还包括连接于所述位于热量传递方向最下位的热电发电系统的热电构件的低温侧与所述外壳之间以将各热电发电系统中的各个构件压紧的压紧固定装置。采用本技术，通过该压紧固定装置可以将各热电发电系统中的各个构件压紧，从而保持各热电构件与集热构件、散热构件之间的良好接触以保证热量的良好传递。在本技术中，也可以，还包括与所述压紧固定装置相连且紧贴设置于所述外壳的内侧的支撑构件。采用本技术，通过支撑部件的设置既可对压紧固定装置提供固定支持，又有利于热量的传递。在本技术中，也可以，所述压紧固定装置通过螺纹压紧方式或者弹簧压紧方式压紧各热电发电系统中的各个构件。采用本技术，压紧固定装置可以可靠而稳定地压紧各热电发电系统中的各个构件，保证热量的良好传递。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种级联式热电发电器，包括产生热量的热源、将热量转换成电能的热电发电部、及外壳，其特征在于：所述热电发电部包括从所述热源沿热量传递方向依次径向向外设置的级联的至少两个热电发电系统，所述级联的至少两个热电发电系统逐级传递热量，且各级热电发电系统分别用其接收到的热量进行热电转换，且在所述外壳的外表面上缠绕有螺旋式水管。

【技术特征摘要】
1.一种级联式热电发电器，包括产生热量的热源、将热量转换成电能的热电发电部、及外壳，其特征在于所述热电发电部包括从所述热源沿热量传递方向依次径向向外设置的级联的至少两个热电发电系统，所述级联的至少两个热电发电系统逐级传递热量，且各级热电发电系统分别用其接收到的热量进行热电转换，且在所述外壳的外表面上缠绕有螺旋式水管。2.根据权利要求I所述的级联式热电发电器，其特征在于，各级热电发电系统分别包括沿热量传递方向依次径向向外设置的集热构件、热电构件以及散热构件，所述热电构件的高温侧与所述集热构件相连且所述热电构件的低温侧与所述散热构件相连，所述热电构件从所述集热构件接收热量以进行热电转换并进一步向所述散热构件传递热量。3.根据权利要求2所述的级联式热电发电器，其特征在于，相邻设置的两级热电发电系统中，位于热量传递方向上位的上一级热电发电系统的散热构件为位于热量传递方向下位的下一级热电发电系统的集热构件。4.根据权利要求2所述的级联式热电发电器，其特征在于，各级热电发电系统分别根据其集热构件处的温度选择具有不同工作温度的热电构件。5.根据权利要求2所述的级联式热电发电器，其特征在于，各级热电发电系统的集热构件和散热构件为同轴设置的筒状结构，所述热电构件为多个径向分布在所述集热构件与散热构件之间的热电器件。6.根据权利要求2所述的级联式热电发电器，其特征在于，位于热量传递方向最下位的热电发电系统的散热构件为所述级联式热电发电器的外壳。7.根据权利要求6所述的级联式热电发电器，其特征在于，还包括连接于所述位于热量传递方向最下位的热电发电系统的热电构件的低温侧与...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏胜强，吴汀，尹湘林，陈立东，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：实用新型
国别省市：