技术领域本发明涉及热能转换为电能技术领域，尤其是指一种热电转换装置结构。
背景技术：
现有技术中，半导体热电转换装置一般基于均匀掺杂的半导体电臂，在吸热发电过程中需要冷端、热端具备一定程度的温差，该装置无法在微小温差的自然空气环境中，或者近似相同海平面位置的海水中高效地吸收热能发电，限制获取能量的规模和便利性。即便具备了所需的温差条件，该温差发电装置的转换效率也多在10%以下，对热源能量的浪费较大，为了获得足够的功率，需要占用很大的面积、体积，成本较高。采用均质半导体电臂的热电转换装置，如果用于热量搬移应用，因为吸热转换的效率较低，因此对于以制冷为目的的应用而言，放热端释放热量大，容易导致较大温升，为了克服放热端的高温对装置吸热能力的影响，需要较大功率的外部辅助能源，功率消耗较大，效果不理想。并且为了维持吸热端的温度低于放热端，也必须依赖外部电源的电流输入，制冷效率不高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种热电转换装置结构，以提高热电转换效率。为达成上述目的，本发明的解决方案为：一种热电转换装置结构，包括一层基本结构，该基本结构包括绝缘导热介质、连接导体及至少一电臂；电臂位于绝缘导热介质之间，其中一侧绝缘导热介质作为绝缘热源介质，绝缘热源介质与热源形成热连接，另一侧绝缘导热介质作为绝缘散热介质；电臂中部整段或划分为多段之后的所有段或者部分段沿电流方向实施故意非均匀掺杂，具备该方向相同趋势的半导体属性强弱单调变化的分布状态，电臂两端部的一小段为均匀掺杂；电臂之间通过连接导体形成电连接，连接导体与电臂两端均匀掺杂部连接；其中一电臂的其中一均匀掺杂部与外部电路连接作为输入端，另一电臂的其中一均匀掺杂部与外部电路连接作为输出端。一种热电转换装置结构，由两层或两层以上基本结构叠合组成，每一层基本结构包括绝缘导热介质、连接导体及至少一电臂；相邻层与层基本结构之间通过绝缘导热介质连接，靠近热源的上一层基本结构与远离热源的下一层基本结构之间形成热串联，上一层基本结构的放热功率作为下一层基本结构的部分或主要热功率来源；设置在其中一外端基本结构外层的绝缘导热介质作为绝缘热源介质，绝缘热源介质与热源形成热连接，设置在另一外端基本结构外层的绝缘导热介质作为绝缘散热介质；每一层基本结构的电臂位于绝缘导热介质之间，电臂中部整段或划分为多段之后的所有段或部分段沿电流方向实施故意非均匀掺杂，具备该方向相同趋势的半导体属性强弱单调变化的分布状态，电臂两端为均匀掺杂；同一层基本结构的电臂之间通过连接导体形成电连接，连接导体与电臂两端均匀掺杂部连接；不同层基本结构的电臂之间形成电连接；其中一电臂的其中一均匀掺杂部与外部电路连接作为输入端，另一电臂的其中一均匀掺杂部与外部电路连接作为输出端。一种热电转换装置结构，由两组热电转换装置结构单元组成，其中一组热电转换装置结构单元的最外端作为绝缘散热介质的绝缘导热介质，与另一组热电转换装置结构单元的最外端作为绝缘散热介质的绝缘导热介质形成热连接，且两组热电转换装置结构单元的电臂形成电连接；其中一组热电转换装置结构单元的其中一电臂的其中一均匀掺杂部与外部电路连接作为输入端，另一组热电转换装置结构单元的其中一电臂的其中一均匀掺杂部与外部电路连接作为输出端；每一组热电转换装置结构单元由两层或两层以上基本结构叠合组成，每一层基本结构包括绝缘导热介质、连接导体及至少一电臂；相邻层与层基本结构之间通过绝缘导热介质连接，，靠近热源的上一层基本结构与远离热源的下一层基本结构之间形成热串联，上一层基本结构的放热功率作为下一层基本结构的部分或主要热功率来源；设置在其中一外端基本结构外层的绝缘导热介质作为绝缘热源介质，绝缘热源介质与热源形成热连接，设置在另一外端基本结构外层的绝缘导热介质作为绝缘散热介质；每一层基本结构的电臂位于绝缘导热介质之间，电臂中部整段或划分为多段之后的所有段或部分段沿电流方向实施故意非均匀掺杂，具备该方向相同趋势的半导体属性强弱单调变化的分布状态，电臂两端为均匀掺杂；同一层基本结构的电臂之间通过连接导体形成电连接，连接导体与电臂两端均匀掺杂部连接；不同层基本结构的电臂之间形成电连接。进一步，绝缘热源介质设置为平整表面，或为锯齿状表面，或为梳状表面，或为凹凸粗糙表面；绝缘导热介质为硬质或软质绝缘导热介质。进一步，连接导体设置在绝缘导热介质表面，或者部分嵌入绝缘导热介质中，或者全部嵌入绝缘导热介质中。进一步，前后分别连接两个不同电臂的连接导体，如果电流矢量方向是从P→导体→N，或从P+→导体→P-，或从N-→导体→N+，则全部或至少部分该类型导体与该层基本结构的散热绝缘介质相连，实现热连接；如果电势矢量是从N→导体→P，或从P-→导体→P+，或从N+→导体→N-，则全部或部分该类型导体与该层基本结构的热源绝缘介质相连，实现热连接。进一步，连接导体为金属，或石墨烯、碳纳米材料。进一步，电臂与连接导体的连接为平整表面接触，或者为锯齿状表面接触，或者为梳状表面接触，或者为凹凸粗糙表面接触。进一步，同一层基本结构的电臂之间的连接或不同层基本结构的电臂之间的连接为串联连接，或者为并联连接，或者为串联与并联混合连接；相互串联或并联连接的全部或至少部分半导体电臂，其中部非均匀掺杂段的半导体属性沿电流矢量方向从N到P，或从N+到N-，或从P-到P+。进一步，绝缘热源介质上设置电磁波吸波材料层，或者绝缘热源介质中加入吸波材料；或者选择电磁波吸收特性良好的绝缘导热材料作为绝缘热源介质。采用上述方案后，本发明至少包括一层基本结构，该基本结构包括绝缘导热介质、连接导体及至少一电臂；电臂中部整段或部分段沿电流方向实施故意非均匀掺杂，具备该方向半导体属性强弱单调变化的分布状态，电臂两端为均匀掺杂。利用电臂半导体属性分布梯度以及故意非均匀掺杂段相比连接导体连接节点更长的长度产生更大的电压差，并减少节点的抵抗电压占比，以此减少对温差的依赖或完全不需要温差，并在同等温度、温差条件下提高热电转换效率。电臂形成故意非均匀掺杂，可以分解为节点热电势落差和故意非均匀掺杂段热电势落差两个基本部分，其中配置故意非均匀掺杂段产生的热电势落差+ΔEc与输出电压同向，而节点热电势落差ΔEa和ΔEb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=ΔEc-(ΔEa+ΔEb)，或U=ΔEc-(ΔEa-ΔEb)，或U=ΔEc-(-ΔEa+ΔEb)。电臂可以配置一个放热节点，另一个节点和故意非均匀掺杂段都作为吸热部位，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，转换效率及功率得以提高。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ΔEc，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ΔEa或ΔEb的绝对值更大，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。附图说明图1a为本发明绝缘导热介质与热源平面接触示意图；图1b为本发明绝缘导热介质与热源曲面接触示意图；图2a为本发明硬质绝缘导热介质结构示意图；图2b为本发明软质绝缘导热介质结构示意图；图3为本发明电臂掺杂梯度方向和非均匀掺杂位置结构示意图；图4a为本发明包括一层基本结构的示意图；图4b为本发明另一包括一层基本结构的示意图；图5a至图5d为本发明不同绝缘导热介质表面结构示意图；图6a为本发明同样P类型电臂电串联关系示意图；图6b为本发明同样P类型电臂电并联关系示意图；图7a为本发明连接导体与热源介质和散热介质实现热连接的示意图；图7b为本发明连接导体与热源介质和散热介质实现热连接的另一示意图；图8a至图8c为本发明连接导体与绝缘导热介质的三种不同位置关系示意图；图9为本发明三层同种半导体类型电臂组成的基本结构示意图；图10为本发明三层P、N类型电臂交替分布的基本结构示意图；图11为本发明上、下两组构成的可以双面吸热发电示意图；图12a及12b为本发明增设吸波材料吸收电磁波辐射能量的结构示意图；图13a至图13d为本发明电臂与连接导体的接触示意图。标号说明基本结构10绝缘导热介质1绝缘热源介质11绝缘散热介质12吸波材料层13连接导体2电臂3非均匀掺杂部31均匀掺杂部（32、33）热源4输入端51输出端52。具体实施方式以下结合附图及具体实施例对本发明做详细描述。参阅图1至图13d所示，本发明揭示的一种热电转换装置结构，包括一层基本结构10，如图4a至图8c所示，该基本结构10包括绝缘导热介质1、连接导体2及至少一电臂3。电臂3位于绝缘导热介质1之间，其中一侧绝缘导热介质1作为绝缘热源介质11，绝缘热源介质11与热源4形成热连接，另一侧绝缘导热介质1作为绝缘散热介质12。绝缘导热介质1都是电绝缘体，至少具备相当大电阻率的电不良导体，绝缘导热介质1可以为硬质或软质绝缘导热介质。如图5a至图5d所示，为增加热接触面积，绝缘热源介质1可以设置为平整表面，或为锯齿状表面，或为梳状表面，或为凹凸粗糙表面。如图1a及图1b所示，每一层绝缘导热介质1的中心面可能是处于同一个平面的平直形态，也可能是处于某一曲面的非平直形态。如图3所示，电臂3中部整段或部分段沿电流方向实施故意非均匀掺杂，形成非均匀掺杂部31，具备该方向相同趋势的半导体属性强弱单调变化的分布状态，电臂3两端为均匀掺杂，形成均匀掺杂部（32、33）；电臂3之间通过连接导体2形成电连接，连接导体2与电臂3两端均匀掺杂部（32或33）连接。所谓的相同趋势，是指半导体属性沿该方向从N到P，或从N+到N-，或从P-到P+的单调变化，或者相反方向的单调变化。所述连接导体2包括的单一材质的金属，包括多种金属调配组成的合金；也包括金属与非金属的合金，以及完全由非金属组成的导体，比如石墨、石墨烯、或其它碳纳米材料等。连接导体2与电臂3和绝缘导热介质1的接触表面可以是锯齿状或梳妆，或者是光滑平整，或者是微观凹凸粗糙结构。电臂3本身为半导体材料，与外部电路或其它电臂3之间需要一个中继对象进行电连接。考虑到电臂3半导体属性与该中继对象的半导体属性往往不同，二者的连接面存在半导体属性的断层式落差，因此他们之间不仅仅是电连接关系，在热电转换过程中还存在热连接关系，往往会形成节点，具备一定的促进或抵抗热电转换的作用。连接导体2的电阻率较小，是比较理想的实现电连接的材料，同时也是比较好的导热材料，无论其是吸热还是放热，都可以比较好的完成热量传递和流动。多个电臂3之间实现电连接，或者与外部电路之间要实现电连接，都需要通过连接导体2来作为中继。因此，电臂3两端为均匀掺杂，形成均匀掺杂部（32、33）。其中一电臂3的其中一均匀掺杂部（32或33）与外部电路连接作为输入端51，另一电臂3的其中一均匀掺杂部（32或33）与外部电路连接作为输出端52。如图9及图10所示，本发明揭示的一种热电转换装置结构，由两层以上基本结构10叠合组成，每一层基本结构10包括绝缘导热介质1、连接导体2及至少一电臂3。相邻层与层基本结构10之间通过绝缘导热介质1连接。设置在其中一外端基本结构10外层的绝缘导热介质1作为绝缘热源介质11，绝缘热源介质11与热源4形成热连接，设置在另一外端基本结构10外层的绝缘导热介质1作为绝缘散热介质12。每一层基本结构10的电臂3位于绝缘导热介质1之间，电臂3中部沿电流方向实施故意非均匀掺杂，具备该方向相同趋势的半导体属性强弱单调变化的分布状态，电臂3两端为均匀掺杂。同一层基本结构10的电臂3之间通过连接导体2形成电连接，连接导体2与电臂3两端均匀掺杂部（32或33）连接；不同层基本结构10的电臂3之间形成电连接。其中一电臂3的其中一均匀掺杂部（32或33）与外部电路连接作为输入端51，另一电臂3的其中一均匀掺杂部（32或33）与外部电路连接作为输出端52。如图8a至图8c所示，连接导体2设置在绝缘导热介质1表面，或者部分嵌入绝缘导热介质1中，或者全部嵌入绝缘导热介质1中。如图13a至图13d所示，电臂3与连接导体2连接为平整表面接触，或者为锯齿状表面接触，或者为梳状表面接触，或者为凹凸粗糙表面接触。如图6a及图6b所示，同一层基本结构10的电臂3之间的连接或不同层基本结构10的电臂3之间的连接为串联连接，或者为并联连接，或者为串联与并联混合连接。同一层基本结构10中包含有多个电臂3时，多个电臂3需要进行相互电连接，可以采用串联、并联或串并结合的连接形式。对于实施了单调非均匀掺杂的电臂3而言，两个同为P或同为N半导体类型的，一个电臂3中半导体属性最强的一端与另一个电臂3中半导体属性最弱的一端进行电连接，形成两个电臂3串联的形式，包括P+与P-、N+与N-，如果两个同类型电臂3的半导体属性最强的两端或最弱的两端进行电连接，则形成两电臂3并联的形式，包括P+与P+、N+与N+、P-与P-、N-与N-；对于两个分别为P和N类型的半导体电臂3，各自半导体属性最强的两端或最弱的两端相互电连接，都形成两个电臂3串联的形式，包括P+与N+、P-与N-，如果某一个电臂3半导体属性最强的一端与另一个其它类型电臂3半导体属性最弱的一端相互电连接，则形成两个电臂3并联的形式，包括P+与N-、P-与N+；同一层基本结构10中可以只有单一串联或单一并联的电连接形式，也可以同时有两种电连接形式。如图9所示，电臂3同为P型或同为N型半导体。其中任意一层基本结构10的电臂3数量为M(h)*N(h)，其中X轴方向有M(h)个电臂3，Y轴方向有N(h)个电臂3，且都同为P型或N型半导体，每一个电臂3中间部分都沿平行于X轴正方向或反方向实施了单调变化的非均匀掺杂，具备从P-到P+，或从N+到N-的半导体属性强弱单调变化的分布形态。按照热源4在最上方位置，装置为平面结构的情况为例，建立标准坐标系，各层基本结构10都平行于X-Y平面，任意一层沿Z轴从上往下依次是：热源4、绝缘热源介质11、电臂3、连接导体2、绝缘散热介质12。热能量流动路径之一是：热源4-->绝缘热源介质11-->电臂3-->连接导体2-->绝缘散热介质12；电能量流动路径是：外部电路-->电臂3-->连接导体2-->电臂3-->外部电路。任意一层基本结构10的最上方必须将绝缘热源介质11的上表面与热源4进行热连接，其下表面与电臂3非均匀掺杂部分的上表面或更多表面进行热连接。与电臂3的连接面中必须包括全部或部分非均匀掺杂的电臂段的表面，该部分是吸热发电的主力。任意一层基本结构10内，沿X轴方向，在Y轴位置上存在M(h)个电臂，其中相邻电臂3之间的最靠近端部连接到同一连接导体2，实现串联形式的电连接。不同Y轴位置的M(h)个电臂，其半导体属性变化分布的方向可以相同，也可以部分相同，部分相反，相互实现电连接。最终形成串联、并联或串并结合的电路关系。两个相互电连接的电臂3沿电流方向的掺杂梯度方向相同时，比如同为P-到P+或相反；或同为N+到N-或相反时，他们之间为电串联的关系，反之则视作对外电并联的关系。当电臂3都为同种类型半导体时，所有金属节点都是既有吸热又有放热，放热量大于吸热量，与下方散热介质进行热连接，因此通常把其下表面或侧面或二者同时，与下方散热介质直接接触或通过导热辅材间接接触，形成热连接，以方便散热。如图10所示，相邻电臂3分别由P型和N型两种类型的半导体交替排列构成的。其中任意一层基本结构10的电臂数量为M(h)*N(h)，其中X轴方向有M(h)个电臂，Y轴方向有N(h)个电臂，任意一层Y轴位置上，沿X轴方向分布的电臂3分别由P型和N型半导体交替排列组成，其沿同一方向的半导体属性单调变化的形态是P-到P+和N+到N-，或相反。Y轴位置上的M(h)个电臂3相互实现电连接。不同Y轴位置上的多组电臂3也实现电连接。当P和N两类型半导体电臂3进行电连接时，同一个连接导体2的两个节点在装置吸热发电过程中是同时吸热或同时是放热的，其中一部分是吸热，另一部分是放热的。其中吸热的连接导体2要与绝缘热源介质11进行热连接，而放热的连接导体2与绝缘散热介质12进行热连接。因为两种导热介质的位置不同，因而不同的连接导体2需要在不同位置，与相应的热介质进行热连接。判断连接导体2是放热还是吸热，N型电臂中掺杂浓度较低，体现出N-属性的一端，以及P型电臂中掺杂浓度较低的P-一端，与之相连的连接导体2都视作发电过程中吸热的，与绝缘热源介质11靠近或直接或间接接触，形成热连接；相反的，N型和P型电臂中掺杂浓度较浓的，分别体现N+和P+属性的一端，与之相连的连接导体2在发电过程中都是放热的，与绝缘散热介质12靠近或直接或间接接触，形成热连接。如图7a及图7b所示，连接导体2可以看做均质材料，其自身内部无法在均匀等温环境或一般温差条件下形成明显热电势落差，连接导体2与半导体电臂相连的接面，也就是连接节点，在热电转换过程形成吸热或放热，在装置内部，大部分连接导体2都分别与两个或更多个电臂3相连，存在两个或更多个连接节点。根据连接导体2在吸热发电过程中所分别承担主要吸热或主要放热的角色的不同，它们分别需要与绝缘热源介质11或绝缘散热介质12进行热连接。判断连接导体2吸热为主，还是放热为主的依据是：连接导体2内部最大电流和矢量的输入方向一端与输出方向一端所连接的电臂3端部的半导体属性是从P到N，或从P+到P-，或从N-到N+时，该连接导体2在装置吸热发电过程中是主要放热的，需要与绝缘散热介质12进行热连接，反之则是主要吸热的，需要与绝缘热源介质11进行热连接。以基本层结构10处于坐标系X-Y平面平行方向内，绝缘热源介质11在上方，绝缘散热介质12在下方的情况为例：与之相连的连接导体2，如果是主要吸热的，则需要将连接导体2的上表面或侧表面或二者同时与上层的绝缘热源介质11靠近或直接接触，或通过导热辅材间接接触，形成热连接；如果是完全放热或同时存在放热和吸热的，则需要将该连接导体2的下表面或侧面或二者同时与下层的绝缘散热介质12靠近或直接接触，或通过导热辅材间接接触，形成热连接。如图12a所示，绝缘热源介质11上设置吸波材料层13，或者绝缘热源介质11中加入吸波材料，如图12b所示。热源按照传递热能量途径的不同，分为接触传导和非接触的辐射传导两种，狭义的热电转换往往是指装置与热源直接或通过导热介质或辅材间接接触所形成的的热传导形式。类似太阳能发电等应用，热源并非是接触的实体，而是携带能量的电磁波。为了适应该应用，在其最外部吸热发电过程中吸热的绝缘热源介质11外侧表面，增设一层或多层适宜于吸收某些波长范围电磁波的吸波材料，或者直接将这一层或多层吸波材料配置为装置的热源介质。通过这些吸波材料吸收某些电磁波，将其能量转换为材料的温度热能量，再提供给更内层的热源介质或者装置的电臂，节点等吸热发电部位，进行热电转换。类似太阳能发电的应用，不仅可以利用光生电动势的直接光-->电的转换，还可以利用我们所配置的光-->热-->电的转换形式。事实上普通依靠P/N结方式的太阳能电池，往往是吸收太阳光中较短波长的电磁波，而温度能量较高的长波长电磁波因为能量不够高，往往直接转换为电池板的温升，并没有被有效转换，形成浪费，而我们的装置则恰恰适应于对这些较长波长的电磁波的吸收和转换。同样为了增大电磁波的接收面积，或者增大吸波材料与绝缘导热介质1或电臂3，或连接导体2的接触传热面积，其表面可以采取除了平整光滑表面以外，还可以包括但不仅限于锯齿状或梳妆，或微观上被处理为具备凹凸结构，表面粗糙的结构等。如图11所示，一种热电转换装置结构，由两组热电转换装置结构单元组成，其中一组热电转换装置结构单元的最外端作为绝缘散热介质12的绝缘导热介质1，与另一组热电转换装置结构单元的最外端作为绝缘散热介质12的绝缘导热介质1形成热连接，且两组热电转换装置结构单元的电臂3形成电连接；其中一组热电转换装置结构单元的其中一电臂3的其中一均匀掺杂部（32或33）与外部电路连接作为输入端51，另一组热电转换装置结构单元的其中一电臂3的其中一均匀掺杂部（32或33）与外部电路连接作为输出端52。每一组热电转换装置结构单元由两层以上基本结构10叠合组成，每一层基本结构10包括绝缘导热介质1、连接导体2及至少一电臂3；相邻层与层基本结构10之间通过绝缘导热介质1连接；设置在其中一外端基本结构10外层的绝缘导热介质1作为绝缘热源介质11，绝缘热源介质11与热源4形成热连接，设置在另一外端基本结构10外层的绝缘导热介质1作为绝缘散热介质12；每一层基本结构10的电臂3位于绝缘导热介质1之间，电臂3中部整段或部分段沿电流方向实施故意非均匀掺杂，具备该方向相同趋势的半导体属性强弱单调变化的分布状态，电臂3两端为均匀掺杂；同一层基本结构10的电臂之间通过连接导体2形成电连接，连接导体2与电臂3两端均匀掺杂部（32或33）连接；不同层基本结构的电臂3之间形成电连接。配置两组热电转换装置结构单元，第一组有HA层基本结构，第二组有HB层基本结构，A组最外层热源介质在上方，发电过程中吸收上方热源的热功率进行热电转换；B组最外层热源介质在下方，发电过程中吸收下方热源的热功率进行热电转换。两组热电转换装置结构单元的绝缘散热介质12共用或相互贴合在一起，实现热连接。两组热电转换装置结构单元还需要实现电连接。两组热电转换装置结构单元的结构相似，从坐标系Z轴来观察，位置刚好颠倒。其中任意一层基本结构10内，沿X轴和Y轴方向分别布置有M(h)和N(h)个电臂，同一层中所有电臂3中间部分整段或部分段都沿X轴正方向或反方向实施了某一方向单调变化的非均匀掺杂，具备沿同一方向相同趋势单调变化的半导体属性分布状态。同样Y轴位置上的M(h)个电臂，沿X轴方向每相邻两个连接在同一个连接导体2上，实现串联形式的电连接；同样X轴位置上的N(h)个电臂，沿Y轴方向每两个连接在同一连接导体2上，实现并联形式的电连接。每一个电臂3的上表面和下表面都分别与绝缘导热介质1进行热连接。每一组热电转换装置结构单元中任意两相邻层的电臂3掺杂变化方向相反，相互实现串联形式的电连接，并叠合在一起，上一层与下一层之间共用一层绝缘导热介质1。上一组热电转换装置结构单元最下一层绝缘散热介质，与下一组热电转换装置最上一层绝缘散热介质共用。吸热发电过程中，两组热电转换装置同时从上方和下方的热源4中吸收热功率，同时朝对方释放一部分热功率；而在通电流搬移热量过程中，通过控制电流方向，既可以实现朝上、下两面同时吸热，也可以实现朝两侧外部同时放热。以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。