[发明专利]含有温差发电机和发电机限温装置的热电装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电装置，它包括

a)温差发电机、热源和冷源，其中温差发电机在第一侧与热源和在第二侧与冷源热连接，以及

b)温差发电机的限温装置，它们包括有平的相对置面的第一腔，腔的尺寸与温差发电机的尺寸相适配，

其中第一腔至少基本上充满一种可熔化的第一工质，它有一个低于临界温度的熔点T_L，超过所述临界温度将使温差发电机永久性损坏。

背景技术

由EP1522685A1可知这种热电装置。

热能直接转换为电能可借助所谓的温差发电机实现。温差发电机是一个由两种不同的互相连接的材料，优选地两个不同的或掺有不同杂质的半导体组成的构件，当不同材料的连接部位有不同温度时，它基于热电效应产生电压。

热电效应说明在电导体内沿通过热扩散流引起的温度梯度形成电压。为了能在技术上利用热电效应，必需将两种有不同电子热容量的不同电导体置于互相接触状态。基于不同的电子热容量，当温度相同时在两种导体内的电子有不同的运动能量。若将这些导体置于互相接触状态，则持续形成能量较高的电子朝电子有较低能量的导体的方向的扩散流，直至建立动态平衡。若这两个不同的导体用A和B表示并按顺序A-B-A置于接触状态，以及此外A-B转变为温度T₁和B-A转变为温度T₂，则形成的电压仅取决于温度T₁与T₂之差以及两个导体A和B各自的热电系数。因此，可在温差发电机上截取的电压仅取决于在温差发电机上存在的温差和所使用材料的热电系数。

原则上温差发电机的结构设计可类似于珀尔帖元件。温差发电机也可以使用与制造珀尔帖元件相同或类似的材料，例如铋-亚碲酸盐或硅-锗。

通过使用半导体材料，可以提高温差发电机将热能转换为电能的效率达几个百分点。近来温差发电机用得越来越多，为的是利用例如在汽车、大型热电厂或垃圾焚烧设备中的排气废热。

DE3314166A1公开了一种高效率的热电系统。从一种热的流体流出发，例如废气流，在一侧加热设有用于改善热接合的翅片的导热管。被流体流加热的导热管将热量传给温差发电机，温差发电机安装在导热管的相对置侧并起冷源的作用。导热管为了提高热导率充填一种工作流体，它在导热管的高温部分中汽化，以及在安置温差发电机的较冷的部分中重新凝结。借助在DE3314166A1中公开的这种热电系统，可以达到温差发电机例如与废气流的一种特别有效的热耦合。此公开的系统特别适合在例如工作温度高于400℃的高温区内使用。

US4125122A公开了一种方法和设备，用于将热量热电地转换为电能。此公开的设备设计为按对流原理工作的换热器。在US4125122A中公开的设备采用两个彼此隔离的回路，用于传热的介质在其中循环。第一种介质将热量从热量输送到冷源。至少一个第一导热管与热的第一种介质流处于热接触状态；至少一个第二导热管与较冷的第一种介质流处于热接触状态。温差发电机既与其中一个热的也与其中一个较冷的导热管处于热接触状态。在导热管内部，第二种介质在第二个由虹吸效应驱动的回路中循环。对于那个与热的第一种介质流处于热接触状态的导热管，处于导热管内部的第二种介质，气态地从导热管处于与第一种介质热接触状态的热的端部，循环到处于与温差发电机热接触状态的较冷的端部。气态的第二种介质在这一处于与温差发电机热接触状态的端部凝结，并以此方式将凝结热传给温差发电机。此第二种介质在导热管的第一端恢复为液相，以便重新汽化。

第二种介质的循环在处于与温差发电机冷侧热接触的导热管内进行，它在导热管处于与温差发电机冷侧热接触的那一侧汽化，以及在导热管与第一种介质接触的(仍然)较冷的那一侧凝结。

无论在DE3314166A1中还是在US4125122A中公开的热电系统，均追求温差发电机与热工作流体达到尽可能有效和无损失地热耦合的目的。然而在这些系统中存在着它们的温差发电机遭受过高的温度并因而可能受损的危险。

由US3881962已知另一种热电装置，它含有温差发电机和限制发电机温度的装置。在此热电装置中存在一个充填可汽化的工质的腔室状管道系统，该系统布设在看作热源的加热区与看作冷源的冷凝器之间。为了避免损坏热电模件限制其温度，将热电模件设置为与冷凝器在空间上隔开。此外，在冷凝器腔上附加地连接通向一个处于较高地理位置的压力阀，借助它可限制工质的压力，并因而限制从加热区到冷凝器的热流。这种热电模件的温度限制装置结构比较复杂。