[发明专利]用于可变热功率源的热电发电机

说明书

相关申请的交叉参考

【0001】本发明涉及并且要求2005年6月28日提交的第60/694,746号标题为Freedom Car&Vehicle Technologies Program的美国临时专利申请的优先权权益。

有关联邦政府赞助研究与开发的声明

【0002】美国政府可以要求由美国能源部授予的合同DE-FC26-04NT42279号的条款之下的，本发明或者部分本发明中的某些权利。

技术领域

【0003】本申请涉及热电发电领域，并且更特别地，涉及用于提高来自热源的温度和热通量是变化的热电装置的电力生产的系统。

背景技术

【0004】热电装置是固态设备，当电流通过时其运转为一边变冷而另一边变热。它们也可以通过维持热电装置两侧的温度差产生能量。然而在许多运转条件下，热电发电机容易受到变化的热通量、热侧(hot side)热源温度、冷侧(cold side)热损耗温度和其他可变的条件的组合的影响。另外，设备属性比如TE导热性、品质因数Z、热交换器性能都具有组合起来降低设备性能的制造公差范围。结果，与设计参数相比较，性能变化和在预定的设定点的运转可以导致性能退化。

【0005】任何不是100％效率的消耗能量的过程经常以热的形式产生无用能量。例如，内燃机产生大量的废热。为了提高内燃机的效率，比如在机动车中，已经考虑捕获一些这种废热并将其转换为有用的形式的各种方法。已经考虑将热电装置用于机动车的排气系统(见第6,986,247号标题为Thermoelectric Catalytic Power Generator with Preheat的美国专利)。然而，因为排气系统在热和热通量方面变化很大，所以很难提供一个有效的系统。举例来说，与最佳性能相比较，机动车废热回收系统性能的退化可能非常明显，相当于至少30％。

发明内容

【0006】本发明针对热电发电系统的改进，尤其在热功率源是一个可变的热输出的情况下。改进可以通过控制系统的运转以维持有意义地接近最佳运转效率来获得。系统被设计用以降低来自改变运转条件的变化和与设计和制造差异相关的差别两者带来的损耗。

【0007】在一种实施方案中，热电发电系统有热功率源、具有至少两个热电模块的热电发电机、可控制的热功率传送系统，所述热功率传送系统可控制用于从热功率源向至少两个热电模块中的一个传送热功率，以及从热功率源向至少两个热电模块的两者传送热功率。控制器优选地与热功率传送系统通信或联系，以提供对热功率传送的控制。

【0008】有利地，热电发电系统是可控制的，以从热功率源向至少两个热电模块中的一个传送热功率，以及从热功率源向至少两个热电模块中的另一个传送热功率，以及向至少两个热电模块的两者传送热功率。当然，该系统不限于两个热电模块，而可以是任何数量的模块。优选地，控制器可以传送功率到不同容量热电装置的各种组合，以增加高效的电力产量。在一种实施方案中，热功率传送系统使用热侧工作流体，其流动速率是由控制器可控制的。输出优选适于从热电发电机移去废热。控制器与输出通信或联系以控制由输出提供的冷却条件。在一种实施方案中，热电发电机还具有与输出进行热交流(或热交换)的冷侧工作流体，其中控制器适于控制冷侧工作流体流动速率，从而控制热电模块的运转属性或工作属性。

【0009】本发明的另一个方面包含和发动机一起使用的热电发电系统，该系统具有热电发电机，所述热电发电机具有适于从热功率源接收热功率的输入，并且还具有适于从热电发电机移走废热的输出。输出传送系统适于将废热引导到至少两个位置，且控制器与输出传送系统通信。控制器适于选择至少两个位置中的至少一个用于废热的传送。

【0010】优选地，至少两个位置中的一个是发动机的冷却器。在一种实施方案中，发动机是处于适于运载乘客的车辆中，并且至少两个位置中的一个是乘客舱。优选地，控制器适于控制废热从冷侧的移除，并且控制器使热电发电机随热功率的变化而充分高效地运转。在一种实施方案中，热电发电机具有至少两个热电模块，并且控制器在某些条件下将热功率引导到两个热电模块的至少一个，以及在变化的热功率的其他条件下将热功率引导到至少两个热电模块的两者。优选地，至少两个热电模块是不同容量的。在一种实施方案中，热电发电机具有至少三个热电模块，并且控制器将热功率引导到热电模块中的任何一个。当然，如果适于匹配可利用的热功率，可以使用任何数量的热电模块。