用于可变热功率源的热电发电机的制作方法

专利名称：用于可变热功率源的热电发电机的制作方法
用于^^热功 的热电发电机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。 另夕卜，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的美国专禾!j)。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。0011本发明的另一个方面包括从可变的热功率源发电的方法。该方法包括将热功率引导到热电发电机的热侧输入，从热电发电机的冷侧输 出移除废热，和以某种方式控制热功率的弓I导以使得热电发电机随热功 率变化充分高效地运转。0012在一种实施方案中，该方法还包括如下步骤控制废热从冷侧 输出的移除以使得热电发电机随热功率的变化充分高效地运转。有利地，热电发电机具有至少两个热电模块，并且控制步骤包括在某些条件下将热功率引导到两个热电模块中的至少一个，和在改变热功率的其他条 件下将热功率引导到至少两个热电模块的两者。当然，任何数量的热电 模块可以被使用，而控制器有利地适于将热功率引导到热电模块的组合， 以调节热电发电机的容量到热功率进入。0013在一种实施方案中，热电发电机具有至少三个热电模块，而控 制步骤包括将热功率引导到热电模块中的任何一个。优选地，热电模块 的属性不同，而控制步骤还包括将热功率引导到热电模块的任何组合以 达到基本最佳的运转效率。可替代地，控制步骤包括将热功率引导到热 电模块的任何组合以达到基本最大的运转功率。在又一种实施方案中， 控制步骤包括将热功率引导到热电模块的任何组合以达到运转效率和电 力生产的希望的运转水平。


0014图l描述使用热电装置的传统发电系统的概括框图。0015图2是说明电压相对于电流的曲线图，以及在不同的运转温度下 热电模块的功率输出的覆盖图。0016图3是说明效率相对于热电模块的热侧温度的曲线图，标出了在 理论的峰值效率和理论的峰值功率处的运转点。0017图4是说明在不同的热侧运转温度下热电模块热侧的热通量相对 于通过热电模块的电流的曲线图。0018图5是说明电压相对于电流的曲线图，和热电模块的功率的覆盖 图。0019图6是说明电压相对于电流的曲线图，和以增加的电力产量运转 的热电发电系统的功率的覆盖图。0020图7描述示例性热电模块的一部分。0021图8是说明描述电压相对于电流的又一另外的运转条件的曲线 图，和依照图7的热电模块的功率的覆盖图。0022图9说明用于从热源发电的热电发电机的示例性实施方案。0023图10说明图9的发电系统的热电发电机组件的一种实施方案。0024图11说明图9的发电系统的热电发电机组件的替代实施方案。
具体实施方式
0025本发明涉及热电发电系统，其能够比标准系统更有效率地发电， 尤其适合用于有可变的热输出的热功率源。本发明可用于许多废热回收、 废热收获和发电应用。然而，为了说明本发明，特定的实施方案被描述。 所给出的具体实施方案是使用热电发电机从包含在交通工具的排气中的 热功率产生电功率。这个具体的实例说明了设计发电系统，甚至在变化 的运转条件下，来监视和控制影响电力生产的条件的优点。实质的改进 可以通过控制热电(TE)偶属性(例如如第6,672,076号标题为Efficiency Thermoelectrics Utilizing Convective Heat Flow的美国专利中所描述的)、 工作流体质量流、运转电流(或者电压)、TE元件形状因数和系统容量 而获得。此专利通过引用并入此处。改进也可以通过设计热电系统使得
在流的方向具有热隔离而获得，如第6，539，725号标题为Efficiency Thermoelectric Utilizing Thermal Isolation的美国专利中所描述的，此专利 也通过引用并入此处。因此，在一种实施方案中，希望控制被激活以产 生电力的热电偶的数量，从而控制冷却条件，控制冷却流体的流动速率， 和/或者控制温度和TE材料属性。0026机动车的废热回收用作本发明的实例。然而，本发明适用于提 高发电、废热回收、热电联产、电力产量增加的性能及其他用途。作为 另外的实例，本发明可以用于利用发动机冷却剂、润滑油、制动装置、 催化转化器和小汽车、卡车、公共汽车、火车、飞机及其他交通工具中 其他来源的废热。类似地，可以利用来自化学过程、玻璃制造、水泥生 产以及其他工业过程的废热。可以使用其他来源的废热比如来自生物废 物、垃圾焚烧、垃圾场烧化、油井烧化。电力可以从太阳、核、地热及 其他热源产生。便携式的、初级的、备用的、应急的、远程的、个人的 和其他电力产生装置的应用也是本发明的一部分。另外，本发明可以耦 连到热电联产系统中的其他装置，比如光电的、燃料电池、燃料电池转 化器、核能的、内部的、外部的和催化剂燃烧室，以及其他便利的热电 联产系统。也应该理解，这里在任何实施方案中描述的TE模块的数量并 不重要，而仅仅是被选择用来说明本发明。0027使用用于描述和说明目的的实例和具体实施方案介绍本发明。 尽管给出实例来显示可以如何用不同的配置来实现期望的改进，但是具 体实施方案只是说明性的并且不打算以任何方式限定所提出的发明。也 应该注意这里使用的术语热电装置或者热电元件可以表示个体的热电元 件和元件集合或者元件阵列。进一步地，术语热电装置不是限制性的， 而是用于包括热离子的和所有其他的固态冷却和加热装置。另外，术语 热/高温(hot)和凉或者冷/低温(cold)是彼此相对的，并不表明任何相 对于室温或同等物的特定温度。最后，术语工作流体不限于单一流体， 而可以指一种或者更多种工作流体。0028依照本发明，此处具体的例证只描述了 TE发电机少数可能的实 施方案。其他的变化是可能的，并且是本发明的一部分。系统可以由至 少两个但也可以是任意数量的TE模块组成，所述TE模块彼此至少部分 独立地运转。有利地，如关于图IO更详细描述的，每个这样的TE模块 具有不同的容量，如具有不同大小所描述的。通过具有不同容量的TE模 块，以及转变热功率以将每个TE模块从运转中独立地激活或者移除的能 力，允许此处说明的控制器适于充分地改变运转条件。0029机动车的排气从发动机提供废热。通过使用热电发电机，这种 废热可以用作热功率源用于电功率的产生。选择这个具体应用用于本发 明的描述，因为它提供了非常易变的运转条件的适宜实例，其中排气的 热功率输出不断地变化。用作热电发电系统的输入热功率源的排气的实 际温度和热通量变化相当大。催化剂转化器出口处的排气温度典型地从 450到650°C变化，排气热通量在空闲和快速加速条件之间通常以大于 10的系数变化。因此，这种具体应用对于本发明的理解提供了适宜的实0030图1说明了根据现有技术的简单热电发电系统100。热功率源 102向热电模块104的热侧提供热量。优选地，热电模块104具有热侧热 交换器106和冷侧热交换器108。冷侧热交换器提供热功率管道，用于在 热电模块104的电流形成中未使用的热量。典型地，诸如空气或者液体 冷却剂的冷源110循环以清除来自热电发电机的废热。跨热电模块104 的温度梯度产生电流以给负载112供电。0031这样的热电发电机100典型地被设计用于稳态运转，以便在峰 值效率或者接近于峰值效率维持热电运转。当条件不同于这些设计标准 时，热电效率下降，或者甚至可以变为负的，如参考图2-4进一步解释的。0032参考图2-4描述热电效率的一些简要背景情况以帮助理解本发 明。图2中显示了对于ZTav广l (TE元件的温度加权的平均值ZT)的热 电材料的示例性发电性能曲线。图2中，在对于三个热侧温度，200。C的 Tl， 400。C的T2和600°C的T3的三条线210、 212、 214中，TE元件组 合件的电压输出V(I)被标绘为电流输出的函数。覆盖在该曲线图上的是 相应的功率输出曲线220、 222、 224，其对应于曲线图中特定点处以传统 方法作为功率输出P计算的来自热电装置的功率，这里P-" V(I)。0033出于说明的目的，假定冷侧温度对于全部三个热侧温度是相同 的。如图2中看到的，功率是电压和电流的函数。理想地，热电装置在
峰值效率230或者峰值功率240或者它们两者之间的某个折衷处运转。 如果来自热源的热通量增加，但是温度对于热电装置的热侧维持不变(例 如，排气流动速率增加但是温度不改变)，那么如图2所示，最大的电 功率输出是固定的。在相同的热侧温度，过量的可利用的热通量在电流I 没有增加的情况下不能流过热电装置。然而，如功率曲线220、 222、 224 中说明的，对于相同的热侧温度，电流的增加实际上会降低功率输出P。 因此，除非热电装置的热侧温度可以增加，否则额外的热功率不会有助 于更高的电功率输出。类似地，如果比用于最佳功率输出(Pm) 240少 的热通量是可利用的，那么就没有实现峰值功率。基本在最佳效率的运 转也是这样。对于在不稳定的条件下运转的发电机，热电系统被设计成 监视和控制影响性能并且可以改变发电机输出以提高性能的因素。0034图3中显示了对于在峰值效率和峰值功率运转的效率和热侧温 度之间的关系。图解说明了描述在峰值效率310的运转的曲线和描述在 峰值功率320的运转的曲线。对于固定的热侧温度和冷侧温度，通过TE 组合件的热通量Qh随电流I变化。结果，峰值效率在电压和电流不同于 峰值功率输出的电压和电流处出现。应该注意，热通量Qh是TE材料和 装置属性的函数，并具有由这些属性和电流I定义的值。如果条件变化， 比如通过改变负载电流I，那么效率和Qh改变。0035图4中提供了 Qh随电流I改变的图示。在这个图示中，图解说 明了代表在三个不同热侧温度的热电装置的运转的三条热通量曲线410、 420、 430，其中Tl为200°C， T2为400°C和T3为600°C。覆盖在这些 曲线图上的是峰值运转效率曲线450和峰值运转功率曲线460。代表热通 量Qh的三条热通量曲线410、 420、 430的虚线部分表示在电流I足够大 以至于电压为负(由此功率输出也为负)时的运转。0036上面提到的性能不具备接近于功率输出的峰值的特征，对于电 流I和Qh的适度改变，性能下降较小，所以对于Qh的适度改变，性能没 有可察觉地退化。然而，与热功率控制系统相互影响的若千其他的因素 极大地促使系统效率降低。这些因素在下面讨论，并且描述了降低它们 对效率的影响的机制和设计，这也是本发明的一部分。0037图5是代表性的绘图，其显示了单个TE元件(单偶)、N型和 P型TE元件对(偶)，或者一组偶的输出电压和功率相对于电流的特征。 已经给出在不同热侧温度的固定的冷侧温度的值。若干这样的元件电气 串联连接以形成发电模块通常是有利的。经常希望的是，运转模块以便 热工作流体在一端进入并通过(或者经由)与发电机的TE元件的热侧热 接触的热交换器，如图7所显示(其将在下面详细地描述)。如图5中 所说明的，在运转中，被传送到热电偶的热量冷却工作流体，这样，例 如稍微大于600°C时流体可以进入，以便第一热电偶的热端在600°C运 转，并且流体冷却，以使得第二热电偶在400°C运转且第三热电偶在 200。C运转。因此，通过将热功率交给上游的热电偶，热电偶的热侧温度 随热流体冷却逐渐地降低。0038例如，如果热电偶是同样的，那么功率输出曲线如图5中显示。 如果热电偶被串联连接，以便相同的电流I流过每一个热电偶，那么每一 个热电偶对总功率输出的贡献将是对应于运转点A、 B和C的功率的总 和。如所描述的，最高的功率从在600。C (点A)运转的热电偶产生，而 来自在点B (400°C)运转的热电偶的输出不是最佳的，并且来自在点C(200°C)运转的热电偶的输出实际上是较小的负值，这样它从其他的两 个热电偶减去功率输出。0039理想地，每个热电偶应在产生峰值功率输出的电流运转。为了 实现这种情况，若干条件是可以被控制的，以从热电发电机获得更理想 的性能，与图6中描述的曲线图更加一致。在图6中，系统被设计成允 许在更高效率的运转，即使温度或者热通量可能改变。例如，热电偶的 形状因数(外形)有利地是可调节的(如第6,672,076号标题为Efficiency Thermoelectrics Utilizing Convective Heat Flow的美国专利和第6，539，725 号标题为Efficiency Thermoelectric Utilizing Thermal Isolation的美国专利 中所描述的，或者以任何其他合适的方式)或者被设定大小，这样功率 从在峰值功率或者峰值效率的点运转的每个热电偶产生。例如，对于具 有在600。C、 400。C和200。C运转的热电偶的TE模块，如果要使功率输 出达到最大值，那么热电偶将被设定大小，如本领域技术人员公知的(例 如见Angrist的"Direct Energy Conversion"第三版第四章)，以具有图6 中显示的特征。在这种情况下，如图6中A，、 B，和C'所标明的，通过基
本在所有阶段以充分地使功率输出最大化的电流运转，模块的热电偶、 传热特征和功率输出已经被最大化。对于在峰值效率或者其他的运转条 件下的运转，其他的设计标准可以使用，以实现其他期望的性能特征。0040图7是简单的TE发电机700的示意图。在这个图示中，TE发 电机700具有被热侧分流器706、 707、 708和冷侧分流器710电气串联 连接的三对TE元件709。热流体701进入热侧管道716并与热交换器703 、 704和705有良好的热接触并且从输出口 702排出。热交换器703、 704 和705与热侧分流器706、 707和708有良好的热接触。冷侧流体712进 入冷侧管道711并且从输出口 713向左边排出。TE发电机700具有电气 连接714和715，以传送电力到外部负载(未显示)。0041在运转中，热侧流体701进入热侧管道716并传送热量到热交 换器703。热侧流体通过向第一热交换器703交出其一些热含量而冷却， 之后传送其另外的热量到热交换器704，之后再传送一些另外的热量到热 交换器705。随后热侧流体701从输出口 702向右边排出。热量从热侧热 交换器703、 704和705被传送到热侧分流器706、 707、 708，随后通过 TE709，之后通过冷侧分流器710。在该过程中，电功率由TE 709产生， 并且可以通过电气连接714和715提取。任何剩余的废热通过经由冷侧 分流器710传送而被移除，所述冷侧分流器710与冷侧管道711有良好 的热交流，冷侧管道711又与冷侧流体712有良好的热交流，因为冷侧 流体712在其从冷侧管道输出口 713向左边排出之前通过冷侧管道711。0042图7中描述的TE发电机700具有图6中示意性显示的运转特征， 它在特定条件之下，在热侧上将只有600。C、400。C和200°C的峰值温度。 例如，如果通过降低流体质量流并且将出口温度提高一个相应合适的值， 改变实现图6所示性能的工作流体条件，那么第一热电偶将仍为600°C， 但是其他两个热电偶的温度将降低。比如图8中示意性显示的条件将被 产生，在图8中当TE元件按照图7所示连接时，运转点A"、 B"和C" 不产生具有最佳性能的TE模块。工作电流中产生的不均衡，类似于图5 中的那些以及上面所描述的，将不合需要地减少功率输出。0043
一种TE发电系统900的有利配置，例如用于从来自发动机的废 热的发电，在图9中以示意性的形式描述。来自发动机的热排气卯3通
过热侧管道901并作为冷排气904排出。热侧热交换器902与热侧管道 901有良好的热交流，进而与热排气卯3有热交流。在这种实施方案中， 泵909泵送热侧工作流体906。由TE模块组成的TE发电机919与热侧 工作流体906、 905、 907有良好的热交流。冷侧冷却剂911包含在冷却 剂管道910中，并与TE发电机919、发动机913和冷却器914有好的热 接触而流过。泵915泵送冷侧工作流体911通过冷侧管道910。阀门912 控制冷侧工作流体911的流动方向。各种交流通道、功率源和信号发送 机被共同指定为其他的装置918。控制器916被连接到其他的装置918， 连接到泵915，还连接到至少一个传感器或者多个传感器(未显示)，连 接到TE模块919，并经由导线或总线916、 917连接到交通工具的其他 部分。0044在运转中，通过热侧管道901的热排气903加热通过热侧工作 流体导管902的热侧工作流体906。这种热侧工作流体卯6为TE发电机 919的热侧提供热量。TE发电机919通常按照图7中所描述的那样运转 以产生电功率。泵915泵送冷侧工作流体(冷却剂)911，以从TE发电 机919移除未使用的(废)热。冷侧冷却剂911中吸收的废热由阀门V！912 引导。依赖于电流运转条件，可以使用阀门912引导冷侧冷却剂用于最 有益的使用。例如，阀门V,912可以将冷侧工作流体910引导到发动机， 如果发动机是冷的，比如在启动期间，也可以将其引导到冷却器914以 清除废热。控制器916利用信息的来源(例如来自传感器、其中一些是 机动车上目前可用的)，比如燃料和空气质量流动速率、压力、排气温 度、发动机每分钟转数和全部其他可用的有关信息，调节来自泵909、 915 的流量；并且在TE发电机919内控制实现来自废热回收系统900的希望 的输出。0045对于这种实施方案以及本发明的所有实施方案，热侧流体(在 这个例子中是906)可以是蒸汽、NaK、氦氙混合物、加压空气、高沸点 油或者任何其他有利的流体。进一步地，热侧流体906可以是多相系统， 作为实例可以是散布在乙二醇/水混合物中的纳米粒子、相变多相系统、或者任何其它有利的材料系统。进一步地，通过利用直接的热连接和清 除不需要的组件，固体材料系统，包括热管可以替换上面描述的基于流 体的系统。0046对于这种实施方案以及本发明的所有实施方案，冷侧回路也可 以使用任何散热装置，比如有散热片的铝管状磁心、蒸汽冷却塔、碰撞 液体冷却器、热管、交通工具发动机冷却剂、水、空气、或者任何其它 有利的移动或者固定的散热装置设备。0047基于传感器和其他的输入，控制器916控制TE发电机919、热 侧热交换器和冷侧热交换器。控制器916监视并控制如下功能至少在 某种程度上生产、控制和调节或者修改电力产量。在图10和11的论述 中更详细地提供了TE发电机919的实例。此外，此处描述的这样的控制 器运转不限于这种特定的实施方案。0048TE控制器916与任何或者全部下列组件通信，并且/或者监视任 何或者全部下列组件的运转条件用于装置测量、监视、生产或者控制 热排气的机构；TE发电机919中的组件；冷侧回路中的装置比如阀门、 泵、压力传感器、流量、温度传感器；和/或对发电有利的任何其它的输 入或者输出装置。控制器的有利功能是改变热侧和/或冷侧流体流动的运 转，从而有利地改变TE发电机的电输出。例如，控制器可以控制、改变 并监视泵速度、操作阀门、管理热能存储或使用量，以及改变TE发电机 输出电压或者电流，控制器也实现其他的功能比如调节热废气生产和/或 调节任何其他对运转有利的变化。作为控制特征的实例，如果系统被用 于交通工具中的废热回收，并且冷侧流体是发动机冷却剂，那么两路阀 门可以由控制器或者任何其他控制机构控制以有利地弓I导流动。0049当汽油发动机变热时，其更高效地运行。如果适当地引导的话， 通过从TE发电机919中移除废热而变热的冷侧回路流动可以加速发动机 的加热。可替代地，被加热的冷侧冷却剂910可以通过热交换器加热乘 客周围的空气，且随后返回TE发电机入口或被引导到发动机，以帮助加 热它。如果发动机是热的，冷侧冷却剂可以被引导到冷却器或者任何其 它有利的冷源，绕过发动机，并且随后返回TE发电机入口。0050作为图9的TE发电机919的实例，图10描述了 TE发电机919A 的一种可能的实施方案。TE系统919A具有三个TE发电机，TEG1 1011、 TEG2 1012和TEG3 1013。在这个实施方案中，TE发电机lOll、 1012、 1013的每一个与热侧管道1003、 1004有热交流。热侧管道1003、 1004 具有热侧流体IOOI、 1002。类似地，冷侧管道1008、 1009包含冷侧工作 流体1006、 1007。热侧阀门Vi、 V2和V3 1005分别控制热侧流体1001、 1002至ljTE发电机TEGl 1011、 TEG2 1012和TEG3 1013的流量。类似 地，冷侧阀门V4、 Vs和V6 1010分别控制冷侧流体流向TE发电机TEG1 1011、 TEG2 1012和TEG3 1013的流量。束线1014将TE发电机TEG1 1011、 TEG2 1012和TEG3 1013生产的电功率传输到交通工具的其他部 分。信息来源和控制机构比如燃料和空气质量流动速率、压力、排气温 度、发动机每分钟转数，调节TE发电机919A的运转的全部其他可用的 相关信息，以及到泵的连接、阀门1005、 1006以及全部其他的机构都没 有显示。0051在运转中，热侧流体1001的流动向TE发电机TEG1 1011、TEG2 1012和TEG3 1013提供热功率，这可通过适当地运行阀门VrV6 1005、 1006来起作用。举例来说，在低的热功率输入，阀门V,和V4， 1005、 1006将开启以加热一个TE发电机TEG1 1011的热侧并冷却其冷侧。其 他的阀门V2-V6将保持在阻止第二 TE发电机TEG2 1012和第三TE发电 机TEG3 1013加热的状态。泵909 (图9中所显示)会被调节以提供热 侧流体1001的流动，这使来自第一TE发电机TEG1 1011的功率输出达 到最大值。类似地，泵915 (图9中所显示)会被调节以提供热侧流体 1001的流动，这使来自第一TE发电机TEG1 1011的功率输出达到最大 值。如果可利用的热功率增加，阀门V2和Vs 1005、 1006就可以被开动 以使第二TE模块TEG2 1012参与进来。泵909 (见图9)可以被控制器 916调节以使来自第一TE发电机TEG1 1011和第二TE发电机TEG2 1012 的功率输出达到最大值。0052可替换地，如果这样做性能可以被进一步提高，那么第一TE发 电机TEG1 1011可以通过关闭阀门V,和V4 1005、 1006 (或者只是阀门 V》而被关闭。类似地，在较高的热功率，TEG3 1003可以单独地或者 与TEG1 1011禾卩/或TEG2 1012相结合来使用。图8中描述的控制装置、 传感器、阀门和泵调节运转。0053图10描述了依照本发明的TE发电机919的仅仅一种可能的实
施方案。其他变化是可能的，也是本发明的一部分。系统可以由至少两个但可以是任何数量的彼此能够至少部分独立运转的TE模块组成。有利 地，如图IO中不同尺寸所描述的，每个这样的TE模块具有不同的容量。 通过具有不同容量的TE模块，以及转换热功率以独立于运转将每个TE 模块激活、或者移除的能力，允许控制器916适于充分地改变运转条件。0054图11描述了 TE发电机919 (图9)的TE系统919B的另一个 替代。同样，这个TE系统919B被设计以增加来自变化的热源，比如机 动车排气的输出效率。如所显示的，TE系统1100具有三个TE发电机 TEG1 1104、 TEG2 1105和TEG3 1106，其与热侧热源1101有良好的热 交流。在机动车的实例中，这可以是排气或者另一种热流体。热侧热源 1101优选地流过热侧管道1102。在这种实施方案中，热侧热管道被分为 三个热侧管道llll、 1112、 1113，其每一个被设计成运载热源1101的一 部分。在图11中，热侧热源1101通过三个热侧管道1111、 1112和1113 与TE发电机TEG1 1104、 TEG2 1105和TEG3 1106进行热交流。输出阀 门1108控制热侧流体1103作为输出。在冷侧管道1114、 1115中的冷侧 流体1109、 lllO冷却TE发电机TEG1 1104、 TEG2 1105和TEG3 1106。 冷侧流体1109的流量由阀门V" V2和V3 1107控制。0055TE系统919B的运转遵循针对图9和10所描述的原理，但是热 侧工作流体906被忽视，且热功率在没有分离的热侧工作流体回路下被 传输。例如，在这种实施方案中，排气流过管道1101，而没有提供分离 的工作流体。在本发明的这种实施方案中，TE发电机TEG1 1104、 TEG2 1105和TEG3 1106通过与热排气有热交流的热侧热交换器(未显示)被 耦连，比如通过直接耦连、插入到排气流、热管或者任何其他适合的机 构中。和图IO中一样，在图11中优选描述了不同容量的三个TE发电机 TEG11104、 TEG2 1105和TEG3 1106。阀门V!、 V^V3， 1107，和未显示的其他装置、泵、传感器和其他的机构控制冷侧工作流体iiio的流动。在运转中，阀门1108控制到TE模块TEG1 1104、TEG2 1105和TEG3 1106的排气流量。依赖于输入条件，各种TE发电机TEG1 1104、 TEG2 1105和TEG3 1106参与使用所期望的电输出。排气阀门V4 1108可以是 一个或者更多个阀门。
0056如上面提到的，尽管显示了三个TE发电机，但是也可以使用至 少两个或者更多的仵何教量的TE发电和, 毎一个TF,发电机可以县在不同热侧和/或冷侧温度之间运转的多个模块。0057进一步地，作为本发明的一部分，排气流量可以被引导通过任 何或者全部的热侧路径，从而改变不与电力生产相关的性能，例如，调 节排气反压，提高燃烧效率、调节热散发，或者任何其它的原因。另外， TE模块的构架被设计，使得在从流体流回收废热的情况下，装置可以调 节噪声或者燃烧特征以包括下列的全部或者部分部件回气管、催化转 化器、微粒捕获或处理、或者任何其它和在整体系统运转中有用的设备 的期望集成。
权利要求
1.一种热电发电系统，其包括热功率源；热电发电机，其具有至少两个热电模块；热功率传送系统，其可控制用于从所述热功率源向所述至少两个热电模块中的一个传送热功率，以及从所述热功率源向所述至少两个热电模块的两者传送热功率；和控制器，其与所述热功率传送系统通信，以提供对于热功率传送的控制。
2. 根据权利要求1所述的热电发电系统，其中所述热功率传送系统是 可控制的，以将热功率从所述热功率源传送到所述至少两个热电模块中的 一个，以及将热功率从所述热功率源传送到所述至少两个热电模块中的另 一个和传送到所述至少两个热电模块的两者。
3. 根据权利要求1所述的热电发电机，其中所述热功率传送系统使用 热侧工作流体，并且其中所述热侧工作流体的流动速率是经由所述控制器 可控制的。
4. 根据权利要求l所述的热电发电机，进一步包括适于从所述热电发 电机移去废热的输出，所述控制器与所述输出通信以控制由所述输出提供 的冷却条件。
5. 根据权利要求4所述的热电发电机，进一步包括与所述输出热交流 的冷侧工作流体，其中所述控制器适于控制所述冷侧工作流体流动速度， 以控制所述热电模块的运转属性。
6. —种和发动机一起使用的热电发电系统，所述系统包括 热电发电机，其具有适于从热功率源接收热功率的输入，并且还具有 适于从所述热电发电机移去废热的输出；输出传送系统，其适于将所述废热引导到至少两个位置；和控制器，其与所述输出传送系统通信，所述控制器适于选择所述至少两个位置中的至少一个用于所述废热的传送。
7. 根据权利要求5所述的热电发电系统，其中所述至少两个位置中的 一个是所述发动机的冷却器。
8. 根据权利要求6所述的热电发电系统，其中所述内燃机处于适于运 载乘客的交通工具中，并且其中所述至少两个位置中的一个是乘客舱。
9. 根据权利要求6所述的热电发电系统，其中所述控制器适于控制从所述冷侧的废热移除，且其中所述控制器使得所述热电发电机随着所述热 功率变化而充分高效地运转。
10. 根据权利要求6所述的热电发电系统，其中所述热电发电机具有 至少两个热电模块，并且其中所述控制器在某些条件下将热功率引导到所 述两个热电模块中的至少一个，以及在改变热功率的其他条件下将热功率 引导到所述至少两个热电模块的两者。
11. 根据权利要求6所述的方法，其中所述热电发电机具有至少三个热 电模块，且其中所述控制器将热功率引导到所述热电模块中的任何一个。
12. —种从可变的热功率源发电的方法，所述方法包括如下步骤-将热功率弓I导到热电发电机的热侧输入； 从所述热电发电机的冷侧输出移除废热；以使得所述热电发电机随着所述热功率变化而充分高效地运转的方式 控制热功率的引导。
13. 根据权利要求12所述的方法，进一步包括如下步骤控制废热从 所述冷侧输出的移除，以使得所述热电发电机随着所述热功率变化而充分高效地运转。
14. 根据权利要求12所述的方法，其中所述热电发电机具有至少两个热电模块，所述控制步骤包括在某些条件下将热功率引导到所述两个热 电模块中的至少一个，以及在改变热功率的其他条件下将热功率引导到所 述至少两个热电模块的两者。
15. 根据权利要求12所述的方法，其中所述热电发电机具有至少三个 热电模块，所述控制步骤包括将热功率引导到所述热电模块中的任何一个。
16. 根据权利要求14所述的方法，其中所述热电模块中的至少两个属性不同，所述控制步骤进一步包括将热功率引导到所述热电模块的任何结合，以达到基本最佳的运转效率。
17. 根据权利要求14所述的方法，其中所述热电模块中的至少两个属性不同，所述控制步骤进一步包括将热功率引导到所述热电模块的任何结合，以达到基本最大的运转功率。
18. 根据权利要求14所述的方法，其中所述热电模块中的至少两个属性不同，所述控制步骤进一步包括将热功率引导到所述热电模块的任何结合，以达到运转效率和电力生产的希望的运转水平。
全文摘要
使用热电发电机的传统发电系统被设计为对于单一运转条件最有效率地运转。本发明提供一种发电系统，其中热电特性、热功率流和发电机的运转特性被监视和控制，这样以可变的热功率输入可以保持较高的工作效率和/或较高的输出功率。这样的系统在可变的热功率源系统中是特别有益的，比如从内燃机排气产生的废热重新获得动力。
文档编号H01L35/30GK101213679SQ200680023523
公开日2008年7月2日 申请日期2006年6月28日 优先权日2005年6月28日
发明者D·T·可瑞恩, L·E·贝尔 申请人:Bsst有限责任公司