一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，包括至少两个半导体热电装置，半导体热电装置至少包括一电臂，在转换电流方向，电臂至少设置一段故意非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布，以故意非均匀掺杂段作为吸热部位，吸入热功率进行热电转换；其中至少一半导体热电装置的放热部位至少与另一半导体热电装置的吸热部位进行热连接，配置为前后级热串联，在热电转换过程中，前级作为后级的热能来源，前级放热部位释放的热功率被后级吸热部位吸收，形成对热源多次吸收转化为电能。本发明可以提升热电转换效率，提升对热源温度能量的利用率。
【专利说明】
-种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置
技术领域
[0001] 本发明设及热能与电能转换技术领域，尤其是指一种对热源能量进行多次吸收转 换的热电转换装置。
【背景技术】
[0002] 现有溫差发电技术的热电转换效率很低，通常都低于10%，绝大部分吸入功率重 新W放热形式，从放热部位损耗掉了。
[0003] 传统的均质渗杂的电臂条件下，每一个发电装置都必须依靠溫差来工作，把固定 的溫差幅度分拆为多个小幅度溫差，分别由多个装置W热串联的形式组合，起不到明显的 功率和效率提升作用，甚至有可能因为内阻消耗等原因反而使性能下降。
[0004] 现有技术的均质电臂为基础的溫差发电装置，其输出电压、功率等参数依赖吸放 热部位的溫差大小，因此，当试图用多个小溫差的装置来代替一个单独大溫差的装置时，两 者的输出功率相差不大，如果考虑多个装置带来更大的阻抗，其输出有效功率甚至可能比 单个装置的更低，热串联形式的重复吸收转换对于提升人的转换效率无效，至少起不到明 显效果。如果只是简单添加更多级均质电臂为基础的溫差发电装置，运些装置的吸、放热端 溫度差过小，甚至为负值，无法正常转换。 阳0化]本
【申请人】申请号为201410764238. 1提出用非均匀渗杂的电臂来制作溫差发电装 置，可W实现在无溫差甚至一定程度的负溫差条件下的热--电转换。然而，即便采用非均 匀渗杂电臂的溫差发电装置，虽然可W提高单个装置的转换效率，减少热损耗，但放热部位 不可能完全消失，泄漏热功率仍然存在，还是会限制转换效率的进一步提高。
[0006] 因此，提高单个溫差发电装置的单次热电转换效率固然重要，但如果能够把一部 分或全部释放的泄漏热功率重新吸收、转换，或者多次吸收、转换，则转换效率会成倍提高， 热源能量利用率会成倍提高，本案由此产生。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，W提 升热电转换效率，提升对热源溫度能量的利用率。
[0008] 为达成上述目的，本发明的解决方案为：
[0009] 一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，包括至少两个半导体热电装 置，半导体热电装置至少包括一电臂，在转换电流方向，电臂至少设置一段故意非均匀渗杂 段，形成不均匀的半导体属性分布，W故意非均匀渗杂段作为吸热部位，吸入热功率进行热 电转换；其中至少一半导体热电装置的放热部位至少与另一半导体热电装置的吸热部位进 行热连接，配置为前后级热串联，在热电转换过程中，前级作为后级的热能来源，前级放热 部位释放的热功率被后级吸热部位吸收，形成对热源多次吸收转化为电能。
[0010] 进一步，前级半导体热电装置与后级半导体热电装置绝缘热连接。
[0011] 进一步，前级半导体热电装置的放热部位，与后级半导体热电装置的吸热部位之 间靠近，通过空气导热与福射导热进行热能量的传递，实现热连接；或者前级半导体热电装 置的放热部位先与电绝缘的导热介质接触，同时后级半导体热电装置的吸热部位也与该绝 缘导热介质接触，实现热连接。
[0012] 进一步，前级半导体热电装置与后级半导体热电装置进行同时电连接及热连接。
[0013] 进一步，前级半导体热电装置的放热部位与后级半导体热电装置的吸热部位直接 接触；或者前级半导体热电装置的放热部位与后级半导体热电装置的吸热部位同时与形成 电通路的导热介质接触，同时实现热连接和电连接。
[0014] 进一步，前级半导体热电装置与后级半导体热电装置的数量比例关系为1对1的 关系，或者1对多的关系，或者多对1的关系，或者多对多的关系。
[0015] 进一步，半导体热电装置至少设置为一层，在热源溫度能量传递难易程度相同的 一层中，布置至少两个半导体热电装置，其中部分半导体热电装置之间进行热连接，形成前 后级的热串联，形成横向的热串联方式，W实现热能量的重复吸收转换；按照热源溫度能量 传递难易程度的不同，布置至少两层半导体热电装置；每一层中包含至少一个半导体热电 装置；各层半导体热电装置之间进行热连接，实现热能量的串联和重复吸收转换。
[0016] 进一步，更容易获取热源能量的前一层半导体热电装置的吸热部位从热源获得热 功率，其放热部位与较难获得热源能量的后一层或后几层半导体热电装置的吸热部位进行 热连接，形成前后级的关系，转换过程中前一级半导体热电装置释放的热能，作为后一级半 导体热电装置的输入能量来源，热功率从前一层朝后一层或后面几层传递，直至最终一层 的放热部位朝外部环境释放，形成热源能量在半导体热电装置中的串联流动，形成竖向的 热串联，实现多次热电转换。
[0017] 进一步，部分后一层半导体热电装置的放热部位同时与前一层中或更前面一层的 半导体热电装置吸热部位进行热连接，其释放的部分热量，再次被前面一层半导体热电装 置的吸热部位吸收并进行热电转换，后一层的半导体热电装置也同时是前面一层的半导体 热电装置的能量来源。
[0018] 进一步，半导体热电装置通过电臂两端所连接导体形成电连接，实现半导体热电 装置之间的并联、串联或串并联结合的电路连接。
[0019] 采用上述方案后，本发明半导体热电装置至少包括一电臂，在转换电流方向，电臂 至少设置一段故意非均匀渗杂段，形成不均匀的半导体属性分布。
[0020] 电臂可W分解为节点热电势落差和电臂段热电势落差两个基本部分，其中电臂段 热电势落差+AEc与输出电压同向，而节点热电势落差AEa和A化有可能都是抵抗电 压，同时取负值，也可能分别取正值和负值。整体输出电压U= AEc-(AEa+A化），或U = A Ec- ( A Ea- A 化），或 U = A Ec- (- A Ea+ A 化）。
[0021] 电臂可W配置一个放热节点，另一个节点和故意非均匀渗杂段作为吸热部位，热 电势落差的方向与最终电压方向一致，因此抵抗电压的比例减小，转换效率及功率得W提 高。同时，电臂依靠自身半导体属性分布，在连接节点较长的距离内实现热电势总落差值 AEc,比连接节点依靠材质差异形成的短距离半导体属性突变所形成的热电势落差AEa 或A化的绝对值更大，二者的差值要比传统均质电臂装置中同样的差值绝对值更大，因此 抵消之后留存下来的电压值更高，输出电压、功率、转换效率都更高。
[0022] 同时，其中至少一半导体热电装置的放热部位至少与另一半导体热电装置的吸热 部位进行热连接，配置为前后级热串联，在热电转换过程中，前级作为后级的热能来源，前 级放热部位释放的热功率被后级吸热部位吸收，形成对热源多次吸收转化为电能，进一步 提升热电转换效率，提升对热源溫度能量的利用率。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的结构示意图；
[0024] 图2为本发明第一实施例的结构示意图；
[00巧]图3为本发明第二实施例的结构示意图； 阳0%] 图4为本发明第S实施例的结构示意图；
[0027] 图5为本发明第四实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
[002引 W下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。
[0029] 参阅图1所示，本发明掲示的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装 置，包括至少两个半导体热电装置1，半导体热电装置1至少包括一电臂11，在转换电流方 向，电臂11至少设置一段故意非均匀渗杂段，形成不均匀的半导体属性分布，W故意非均 匀渗杂段作为吸热部位，吸入热功率进行热电转换。
[0030] 其中至少一半导体热电装置1的放热部位至少与另一半导体热电装置1的吸热部 位进行热连接，配置为前后级热串联，在热电转换过程中，前级作为后级的热能来源，前级 放热部位释放的热功率被后级吸热部位吸收，形成对热源多次吸收转化为电能，提升热电 转换效率，提升对热源溫度能量的利用率。
[0031] 重复多次吸收的本质就是热能流向的串联，即实现热串联，让热能逐次流经两个 W上半导体热电装置1，经历两次W上转换过程。热能流动一般需要W温麼差择为基础，因 此热串联的基础，就是把一个总的溫差AT,分解为多个小溫差5 Tx,
I:在 每一个小溫差条件下进行多次热电转换。
[0032] 非均匀渗杂电臂构成的溫度发电装置主要是依靠自身电臂各半导体属性分布的 梯度差异来实现溫度能量发电，可W在小溫差、无溫差、甚至负溫差条件下工作。外部环境 溫差的影响相对减弱了，它的输出参数更多地依靠自身渗杂浓度分布情况来决定，由外部 热源的绝对溫度水平决定，与溫差大小关系不大。
[0033] 在固定的外部总溫差条件下对其进行拆分，实现各级半导体热电装置1之间释放 热功率的重复吸收利用之后，各级半导体热电装置1的输出功率和效率虽然会下降，但总 和来看，输出功率和效率会得到提升。
[0034] 前级半导体热电装置1与后级半导体热电装置1可W为绝缘热连接，具体为：前级 半导体热电装置1的放热部位，与后级半导体热电装置1的吸热部位之间靠近，通过空气导 热与福射导热进行热能量的传递，实现热连接；或者前级半导体热电装置1的放热部位先 与电绝缘的导热介质接触，同时后级半导体热电装置1的吸热部位也与该绝缘导热介质接 触，实现热连接。
[0035] 前级半导体热电装置1与后级半导体热电装置1也可W进行同时电连接及热连 接，具体为：前级半导体热电装置I的放热部位与后级半导体热电装置I的吸热部位直接接 触；或者前级半导体热电装置1的放热部位与后级半导体热电装置1的吸热部位同时与形 成电通路的导热介质接触，同时实现热连接和电连接。
[0036] 前级半导体热电装置1与后级半导体热电装置1的数量比例关系为1对1的关系， 或者1对多的关系，或者多对1的关系，或者多对多的关系。
[0037] 如图2所示，半导体热电装置1设置为一层，在热源溫度能量传递难易程度相同的 一层中，布置至少两个半导体热电装置1，其中部分半导体热电装置1之间进行热连接，形 成前后级的热串联，形成横向的热串联方式，W实现热能量的重复吸收转换。
[0038] 如图3所示，按照热源溫度能量传递难易程度的不同，布置至少两层半导体热电 装置1 ;每一层中包含至少一个半导体热电装置1 ;各层半导体热电装置1之间进行热连 接，实现热能量的串联和重复吸收转换。更容易获取热源能量的前一层半导体热电装置1 的吸热部位从热源获得热功率，其放热部位与较难获得热源能量的后一层或后几层半导体 热电装置1的吸热部位进行热连接，形成前后级的关系，转换过程中前一级半导体热电装 置1释放的热能，作为后一级半导体热电装置1的输入能量来源，热功率从前一层朝后一层 或后面几层传递，直至最终一层的放热部位朝外部环境释放，形成热源能量在半导体热电 装置1中的串联流动，形成竖向的热串联，实现多次热电转换，如图3所示。
[0039] 进一步，如图4所示，部分后一层半导体热电装置1的放热部位同时与前一层中或 更前面一层的半导体热电装置1吸热部位进行热连接，其释放的部分热量，再次被前面一 层半导体热电装置1的吸热部位吸收并进行热电转换，后一层的半导体热电装置1也同时 是前面一层的半导体热电装置1的能量来源。 W40] 如图5所示，配置两组装置，每一组都与各自的热源进行热连接，可W同时从各自 热源中直接吸收热源能量。可W看做多组装置的叠合，叠合W后的装置与单独两组装置的 区别关键在于，两组装置中最靠近的两层半导体热电装置1各自的吸热部位分别与对方层 中相应半导体热电装置1的放热部位进行热连接，上、下层之间互为对方的热源，互相吸收 对方释放热功率，再次进行转换利用。
[0041] 同一层的半导体热电装置1自身的吸热部位与放热部位进行热连接，使得流过其 上的一部分热功率被自身重复循环吸收并转换，由此来提升热功率的转换效率。该方式无 法提升输出功率，但多个半导体热电装置1按此方式进行组合之后，总的功率是由半导体 热电装置1的数量多少来决定，总体上功率和效率都可W提升。
[0042] 半导体热电装置1通过电臂两端所连接导体形成电连接，实现半导体热电装置之 间的并联、串联或串并联结合的电路连接，W获取所需的电压、电流、功率等参数指标。
[0043] 本发明使用时，将其覆盖在具备溫度能量的物体表面，比如锅炉外壳表面，或将其 放置在具备溫度能量的物体中间，比如海水或空气中，实现对该溫度物体热能量的吸收并 发电；其热源包括任何具备一定溫度的实物物体，还包括电磁波等可W通过某些介质转换 为溫度能量的波；既可W降低物体的溫度，起到调节溫度的作用，应用在包括但不仅限于空 调、冰箱、冷凝器、制冰机等领域；也可W起到吸热发电，输出电功率的作用，应用包括但不 限于燃料的燃烧发电、太阳能发电、环境溫度发电、物体的溫度能量发电等领域。
[0044] 本文所述的"层"从物理特征来区分，按照从热源获取能量的难易程度来区分，包 括距离热源远近，或导热介质的导热系数大小，或传导与福射方式等物理特性造成的差异。 W最常见的距离远近为例，距离热源最近的层，称为第一层，距离冷端环境最近的一层称为 最后一层，同一层中各个半导体热电装置1获得热源溫度能量的难易程度是相同或相近， 不同层的半导体热电装置1获得热量的难易程度是不同。
[0045] 本文所述的"级"不是位置关系或物理特性，而是W实际的热流向关系来确定。前 一级是后一级的热源，后一级是前一级的热功率输出对象之一。整个系统内部与外界热隔 离时，须依靠一层层地热传导才能进行热量传递，一般情况下热量从第一层逐步传递下去， 因此前一层也可W看做前一级。但实际情况不仅如此，有时后一层半导体热电装置1通过 放热节点释放的热能，也可能被前一层，甚至更前面一些的层半导体热电装置1所吸收，后 一层反而是前级，即热流向关系的可能性更多，因此，某些时候采用"级"的概念来说明。一 般情况下，某一级可W近似理解为某一层。
[0046] 假设总共配置完全相同的1、2两层半导体热电装置1，环境溫差为零，两层半导体 热电装置1之间的溫度与环境溫度也始终相等，两层半导体热电装置1全部是由单调变化 渗杂浓度的半导体电臂构成的。
[0047] 第一层半导体热电装置1从热源吸入Qil的热功率，热电转换效率 是n 1，输出电功率和释放热功率分别是：
；第二层 半导体热电装置1假设完全从第一层的放热中吸收热能量，两层之间热量传递的 比例为k，则Qi2 = QlL k = QiL (1- n 1). k，对应的输出电功率和热功率分别是
[0048] 因为两层半导体热电装置1各自溫差条件都为零，认为其热电转换效率相同， 即ni= n2= II，相比单层半导体热电装置1工作而言，等同于添加了第二层半导体热 电装置1的转换能力，总输入热功率Qii是不变的，但总的输出电功率从单层的Poi变为 P〇l+P〇2,总的热电转换效率从ni变为n' = (P〇i+P〇2)/Qil，也增大了。
[0049] 假设总共有M级半导体热电装置1进行顺序、单向地热串联，其中任意一个第m级 的吸热功率是Qim,释放的热功率是Qlm,转换的电功率为化m，Qim = Qlm+Qom。该级热电 转换的效率是nm =化m/Qim，朝后级释放的热功率Qlm = Qim. nm。设上下级之间的热传 递比率为虹1，则一定有 Qim = QiL kl. (1- n 1). k2. (1- n 2). . . . km-1. (1- n m-1)。各级的 总输出电功率是
n 01，总热-电转换效率是
[0050] 同样的M级装置同时配置顺序和一定比例的对自身返回的热串联，其中顺向的热 传递效率为kl，对自身返回的热传递效率为k2,假设每一级的转换效率等参数相同，则任 意第 m 级的 Qim，= Qil.比 1. (I_nl).k2. (l-n2)....km-l. (l-nm-l)+km. (l-qm)]，运种 情况下得到的总体转换效率nM'和输出电功率
f更高。
[0051] W上所述仅为本发明的优选实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关 键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。
【主权项】
1. 一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在于：包括至少两个半 导体热电装置，半导体热电装置至少包括一电臂，在转换电流方向，电臂至少设置一段故意 非均匀掺杂段，形成不均匀的半导体属性分布，以故意非均匀掺杂段作为吸热部位，吸入热 功率进行热电转换；其中至少一半导体热电装置的放热部位至少与另一半导体热电装置 的吸热部位进行热连接，配置为前后级热串联，在热电转换过程中，前级作为后级的热能来 源，前级放热部位释放的热功率被后级吸热部位吸收，形成对热源多次吸收转化为电能。2. 如权利要求1所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在 于：前级半导体热电装置与后级半导体热电装置绝缘热连接。3. 如权利要求2所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在 于：前级半导体热电装置的放热部位，与后级半导体热电装置的吸热部位之间靠近，通过空 气导热与辐射导热进行热能量的传递，实现热连接；或者前级半导体热电装置的放热部位 先与电绝缘的导热介质接触，同时后级半导体热电装置的吸热部位也与该绝缘导热介质接 触，实现热连接。4. 如权利要求1所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在 于：前级半导体热电装置与后级半导体热电装置进行同时电连接及热连接。5. 如权利要求4所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在 于：前级半导体热电装置的放热部位与后级半导体热电装置的吸热部位直接接触；或者前 级半导体热电装置的放热部位与后级半导体热电装置的吸热部位同时与形成电通路的导 热介质接触，同时实现热连接和电连接。6. 如权利要求1所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在 于：前级半导体热电装置与后级半导体热电装置的数量比例关系为1对1的关系，或者1对 多的关系，或者多对1的关系，或者多对多的关系。7. 如权利要求1所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在 于：半导体热电装置至少设置为一层，在热源温度能量传递难易程度相同的一层中，布置至 少两个半导体热电装置，其中部分半导体热电装置之间进行热连接，形成前后级的热串联， 形成横向的热串联方式，以实现热能量的重复吸收转换；按照热源温度能量传递难易程度 的不同，布置至少两层半导体热电装置；每一层中包含至少一个半导体热电装置；各层半 导体热电装置之间进行热连接，实现热能量的串联和重复吸收转换。8. 如权利要求1所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在 于：更容易获取热源能量的前一层半导体热电装置的吸热部位从热源获得热功率，其放热 部位与较难获得热源能量的后一层或后几层半导体热电装置的吸热部位进行热连接，形成 前后级的关系，转换过程中前一级半导体热电装置释放的热能，作为后一级半导体热电装 置的输入能量来源，热功率从前一层朝后一层或后面几层传递，直至最终一层的放热部位 朝外部环境释放，形成热源能量在半导体热电装置中的串联流动，形成竖向的热串联，实现 多次热电转换。9. 如权利要求8所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征在 于：部分后一层半导体热电装置的放热部位同时与前一层中或更前面一层的半导体热电装 置吸热部位进行热连接，其释放的部分热量，再次被前面一层半导体热电装置的吸热部位 吸收并进行热电转换，后一层的半导体热电装置也同时是前面一层的半导体热电装置的能 量来源。10.如权利要求1所述的一种对热源能量进行多次吸收转换的热电转换装置，其特征 在于：半导体热电装置通过电臂两端所连接导体形成电连接，实现半导体热电装置之间的 并联、串联或串并联结合的电路连接。
【文档编号】H02N11/00GK105827149SQ201510003739
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年1月6日
【发明人】叶磊
【申请人】厦门兰智科技有限公司