专利名称：级联式热电发电器的制作方法
技术领域：
本发明涉及热电转换技术领域，具体涉及一种级联式热电发电器。
背景技术：
热电(thermoelectric)发电技术是利用热电材料(thermoelectric materials) 的赛贝克(Seebeck)效应将热能直接转换成电能的技术，具有热电器件体积小、可靠性高、 寿命长等特点，按热电转换原理，可以利用包括太阳能在内的所有热源，可以用小面积获得大功率的电力，因此在空间科学、军事装备、废热发电等技术领域发挥着重要作用，并且越来越受到人们的重视。热电发电器一般为圆筒结构，并采用单级结构，即仅使用一种热电材料或热电器件。其结构是，热源位于圆筒结构的中心，热电器件分布于热源外侧并呈辐射状，热电发电器最外层为散热结构，其中，热电器件将来自热源的热能转换成电能。热电器件是把热能直接转换成电能的一种元件，通常由均质热电材料构成；热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料，其两端的温差可以产生电压。由于热电材料的性能优值Z (Z= α 2σ/K，其中α为Seebeck系数；ο为电导率；κ为热导率)与材料使用温度密切相关，每种热电材料的最佳工作温度区间只在某一特定的小范围内，超出最佳工作温度区间后热电材料的性能将急剧下降。如果热电材料(热电器件)的实际工作温度范围比较大(超过单种热电材料的工作温度范围)，则由单种均质热电材料构成的热电发电器难以获得最大的能量转换效率，因此沿温度梯度方向选用具有不同最佳工作温度的热电材料(热电器件)，并使之各自工作于其最佳工作温度区间，这样可以有效地提高热电发电效率。通过热电材料的多段(segment)组合或者热电器件的级联(cascade)可以提高热电发电效率° Kajikawa (The 20th International Conference on Thermoelectrics, Beijing, 2001:49-56)> El-Genk (Energ. Convers. Manage, 2005(46):1083-1105) φ 报道了通过级联、多段复合的方式提高材料热电发电效率的实验结果。此外，在日本特开
2005-19910，日本特开2006-245224，W096/15412，US6722140B2，US6662570B2，US6505468B2 等专利中也公开了各种多段复合热电材料和级联热电器件的技术方案。例如，日本专利特开2005-19910公开了在具有不相同的热膨胀率的不同热电材料之间插入了热膨胀率为两材料之间值的另外1至2种热电材料层，从而缓和了热应力的技术。日本专利特开
2006-2452Μ公开了在位于低温段热电转换用器件的上端部的绝缘性基板上，依次装载了高温段热电转换用器件和夹持用部件，从而降低作用于热电转换用器件上的热应力的同时降低热损失的技术。然而，对于热电材料的多段复合虽然能提高复合材料的整体发电效率，但由于各个分段材料不同，不同材料在连接界面处存在不匹配的膨胀系数，在高温下容易变形和开裂，并且由于不同热电材料的电导率和热导率不完全一致，在连接界面处会增加额外的接触电阻和接触热阻。此外，在长期高温作用下载界面处或邻近界面区域内会产生元素间的相互扩散及元素间的化学反应，使得材料的热稳定性受到影响，其次各个分段材料中最佳几何尺寸要求差异较大时，难以获得预期的热电发电效率。对于级联热电器件，一般级与级之间有绝缘层隔开，即级间串联结构，要求级间的绝缘层具有高导热和高电绝缘性，并且要具有足够高的连接强度。由于级联热电器件实际使用温度区间很大，级间绝缘层长期在高温和大温差条件下工作容易开裂，引起级联热电器件内部出现过大的接触电阻和接触热阻，从而导致热电器件性能衰减甚至失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题包括提供一种级联式热电发电器，其可在不影响发电器可靠性的前提下，提高发电器整体效率。为了解决上述技术问题，本发明提供一种级联式热电发电器，包括产生热量的热源、将热量转换成电能的热电发电部、及外壳，其中，所述热电发电部包括从所述热源沿热量传递方向依次径向向外设置的级联的至少两个热电发电系统，所述级联的至少两个热电发电系统逐级传递热量，且各级热电发电系统分别用其接收到的热量进行热电转换。采用本发明，通过多个热电发电系统的级联，热量从热源经过各个温度段的热电发电系统传递至外壳，热量经过各级热电发电系统时产生温差，随即产生电能，且至少两个热电发电系统相对独立，以便热电发电系统可相对独立地进行热电转换，即使在一个系统失效的情况下，其他系统仍能正常工作。从而在保证了热电发电器的可靠性的前提下，扩大了热电发电器的工作温度区间，提高了热电发电器的整体效率。在本发明中，也可以，各级热电发电系统分别包括沿热量传递方向依次径向向外设置的集热构件、热电构件以及散热构件，所述热电构件的高温侧与所述集热构件相连且所述热电构件的低温侧与所述散热构件相连，所述热电构件从所述集热构件接收热量以进行热电转换并进一步向所述散热构件传递热量。采用本发明，有利于实现各级热电发电系统的热电转换。在本发明中，也可以，相邻设置的两级热电发电系统中，位于热量传递方向上位的上一级热电发电系统的散热构件为位于热量传递方向下位的下一级热电发电系统的集热构件。采用本发明，由于两级热电发电系统共用了散热构件与集热构件，因此保证了热量传递的延续性，当一个系统处于失效状态时，其他系统仍能正常工作。在本发明中，也可以，各级热电发电系统分别根据其集热构件处的温度选择具有不同工作温度的热电构件。采用本发明，各级热电发电系统的热电构件分别处于其各自的最佳工作温度，因此能获得最大的能量转换效率。在本发明中，也可以，各级热电发电系统的集热构件和散热构件为同轴设置的筒状结构，所述热电构件为多个径向分布在所述集热构件与散热构件之间的热电器件。采用本发明，可提高整个热电发电器的热电转换效率。在本发明中，也可以，位于热量传递方向最下位的热电发电系统的散热构件为所述级联式热电发电器的外壳。采用本发明，外壳可作为整个热电发电器系统的散热结构，热量从热源经过各个温度段的热电发电系统传递至外壳后，从外壳散发。 在本发明中，也可以，还包括连接于所述位于热量传递方向最下位的热电发电系统的热电构件的低温侧与所述外壳之间以将各热电发电系统中的各个构件压紧的压紧固
定装置。采用本发明，通过该压紧固定装置可以将各热电发电系统中的各个构件压紧，从而保持各热电构件与集热构件、散热构件之间的良好接触以保证热量的良好传递。在本发明中，也可以，还包括与所述压紧固定装置相连且紧贴设置于所述外壳的内侧的支撑构件。采用本发明，通过支撑部件的设置既可对压紧固定装置提供固定支持，又有利于热量的传递。在本发明中，也可以，所述压紧固定装置通过螺纹压紧方式或者弹簧压紧方式压紧各热电发电系统中的各个构件。采用本发明，压紧固定装置可以可靠而稳定地压紧各热电发电系统中的各个构件，保证热量的良好传递。在本发明中，也可以，在所述外壳的外表面上形成有多个径向分布的散热翅片。采用本发明，能使发电器内部的热量有效传递至外部，拉大热量传递方向上的温差，提高发电效率。在本发明中，也可以，在所述外壳的外表面上缠绕有螺旋式水管。采用本发明，通过在螺旋式水管中导入制冷流体，从而起到冷却外壳的作用，能使发电器内部的热量有效传递至外部，拉大热量传递方向上的温差，提高发电效率。 在本发明中，也可以，在所述外壳的外表面上设置有U型水管。采用本发明，通过在U型水管中导入制冷流体，能使发电器内部的热量有效传递至外部，拉大热量传递方向上的温差，提高发电效率。在本发明中，也可以，所述热源为具有封闭结构的热源。采用本发明，该热源结构简单，且无需与外部连通，从而以此构造的热电发电器结构简单，便于制造。在本发明中，也可以，所述热源为具有管道结构的热源。采用本发明，热源内部可通过与外部贯通，可以将如排气中的废热等从外壳的一端引入到热源内部，发生热传递后从另一端排出，使发电器能利用该热能产生电。在本发明中，也可以，在所述外壳轴向的两端分别安装有与所述热源的管道结构连通的管道转接接口或法兰。采用本发明，热源内部可通过管道转接接口或法兰与外部贯通，方便地将排气废热等从外壳的一端引入到热源内部，发生热传递后从另一端排出，使发电器能利用该热能产生电。在本发明中，也可以，所述管道转接接口或法兰由金属材料或者耐高温有机材料制成。采用本发明，有利于将外部的热量导入热电发电器内部，可提高整个发电器系统的发电效率。 在本发明中，也可以，所述管道转接接口或法兰通过螺纹紧固或者焊接的方式与所述外壳相连。采用本发明，可以更牢固地结合管道转接接口或法兰与外壳。在本发明中，也可以，所述热电构件为由SiGe合金材料、方钴矿或填充方钴矿热电材料、ZnSb3基热电材料、Bi2Te3基热电材料、半哈勒斯(half-Hesuler)化合物热电材料中的一种构成的热电构件。采用本发明，可有效地将热能转换为电能。在本发明中，也可以，位于热量传递方向最上位的热电发电系统的集热构件由高导热的石墨或金属材料制成。采用本发明，可提高该集热构件的集热性能。在本发明中，也可以，除了位于热量传递方向最上位的热电发电系统的集热构件以外的集热构件由高导热金属材料制成。采用本发明，可提高该集热构件的集热性能，并可进一步提高热量传递性能，有利于整个热电发电器的热电转换。优选地，上述高导热的金属材料可以是铜，铝，或合金材料。
图1为本发明第一实施例的翅片散热式级联热电发电器的示意图； 图2为图1所示的翅片散热式级联热电发电器的A-A线剖视图3为本发明第二实施例的螺旋水冷式级联热电发电器的示意图； 图4为图3所示的螺旋水冷式级联热电发电器的B-B线剖视图； 图5为本发明第三实施例的U型水冷式级联热电发电器的示意图； 图6为图5所示的U型水冷式级联热电发电器的C-C线剖视图； 图7为具有管道式热源的图1所示翅片散热式级联热电发电器的示意图； 图8为具有管道式热源的图3所示螺旋水冷式级联热电发电器的示意图； 图9为具有管道式热源的图5所示U型水冷式级联热电发电器的示意图。
具体实施例方式以下，参照附图，并结合下述实施例进一步说明本发明。应理解附图及下述实施例仅是示例性地说明本发明，并不是限定本发明，在本发明的宗旨和范围内，下述实施例可有多种变更。其中，各实施例中相同的部件以相同的附图标记标出，并不再详细描述。图1至图9分别示出了本发明级联式热电发电器的各个实施例。本发明的级联式热电发电器，包括产生热量的热源、将热量转换成电能的热电发电部、及外壳，其中，热电发电部包括从热源沿热量传递方向依次径向向外设置的级联的至少两个热电发电系统，该级联的至少两个热电发电系统逐级传递热量，且各级热电发电系统分别用其接收到的热量进行热电转换。本发明提供的级联式热电发电器不采用多段复合热电材料或级联热电发电器件，而是采用多个热电发电系统的级联。本发明级联式热电发电器中的上述至少两个热电发电系统相对独立，在一个系统失效的情况下，其他系统仍能正常工作。如图1 9所示，本发明的热电发电器10、20、30形状可以为大致圆柱形，其中心部设有热源1，热电发电系统依照热量传递方向围绕热源层层设置，热量从热源1经过各个温度段的热电发电系统传递至外壳8后，从外壳8散发。热量经过各级热电发电系统时产生温差，随即产生电能，而位于最外层的外壳8可作为整个热电发电器的散热装置。本发明通过将两个或两个以上的独立的热电发电系统组合起来，在保证了热电发电器的可靠性的前提下，扩大了热电发电器的工作温度区间，提高了热电发电器的整体效率。更具体的，在本发明的级联式热电发电器中，上述各级热电发电系统分别包括沿热量传递方向依次径向向外设置的集热器、热电器件以及散热器，热电器件的高温侧与集热器相连且该热电器件的低温侧与散热器相连，该热电器件从集热器接收热量以进行热电转换并进一步向散热器传递热量。各级热电发电系统的集热器和散热器为同轴设置的筒状结构，并具有径向分布在集热器与散热器之间的多个热电器件。对于上述热电发电器，相邻设置的两级热电发电系统中，位于热量传递方向上位的上一级热电发电系统的散热器为位于热量传递方向下位的下一级热电发电系统的集热器。由于两级热电发电系统共用了散热器与集热器，因此保证了热量传递的延续性，当一个系统处于失效状态时，其他系统仍能正常工作。而且，各级热电发电系统的热电器件可由不同的热电材料构成，各级热电器件(热电材料)沿温度梯度方向具有不同的最佳工作温度。由于各级热电发电系统的热电器件分别处于其各自的最佳工作温度，因此能获得最大的能量转换效率。在本发明中使用的热电材料可以为SiGe合金材料、方钴矿或填充方钴矿(如CoSb3 基)热电材料、ZnSb3基热电材料、Bi2Te3基热电材料、half-Hesuler化合物(如^NiSn基、 TiCoSb基等)热电材料中的一种。其中，SiGe合金材料的工作温度为700 1000°C ；方钴矿或填充方钴矿热电材料的工作温度为350 600 ；ZnSb3基热电材料的工作温度为200 4000C ；Bi2Te3基热电材料的工作温度为25 300°C ；half-Hesuler化合物的工作温度为 300 500"C。各级热电发电系统可分别根据其集热器处的温度选择具有不同工作温度的热电材料以构成热电器件。在具体的实施例中，例如在选择位于热量传递方向最上位(高温段) 的热电发电系统的热电材料时，可根据热源温度选择。在选择下位热电发电系统(低温段) 的热电材料时，可根据与该热电发电系统相邻的上位热电发电系统的热电材料的低温侧温度选择。本发明中，位于热量传递方向最上位的一级热电发电系统的集热器用高导热材料制成，该高导热材料可以是石墨、铜、铝或合金材料，除了该级集热器以外的其他级集热器可以采用高导热金属材料制成，该高导热金属材料可以是铜、铝或合金材料。这样，可进一步提高热量传递性能。 如图2、4和6所示，在本发明的级联式热电发电器中，还包括连接于位于热量传递方向最下位的热电发电系统的热电器件的低温侧与外壳之间的压紧固定装置6。通过该压紧固定装置6可以将各热电发电系统中的各个构件压紧，从而保持各热电器件与集热器之间的良好接触以保证热量的良好传递。 此外，在本发明的级联式热电发电器中，还包括与压紧固定装置6相连且紧贴设置于外壳8的内侧的支撑部件7。压紧固定装置6与支撑部件7连接，支撑部件7又与级联热电发电器的外壳8紧密接触，热量通过压紧固定装置6和支撑部件7继续传递，最终到达外壳8。外壳8也是整个系统的整体散热结构。该支撑部件7的设置既可对压紧固定装置 6提供支持，又有利于热量的传递。本发明的热电发电器的外壳8为整个热电发电器系统的散热结构，其可为具有各种散热结构的外壳，详细结构将在下文进行描述。通过这些散热结构，热量能很快从外壳上散发掉，从而拉大整个系统在热量传递方向上的温差，提高整个发电系统的发电效率。下面结合附图对本发明的级联热电发电器的三个实施例进行说明，各实施例中相同的部件以相同的附图标记表示。以下实施例采用了两个热电发电系统，分别为高温段发电系统和低温段发电系统，但是并不限于此，也可以是三个或三个以上的组合。实施例1
图1为本发明第一实施例的翅片散热式级联热电发电器10的示意图；图2为图1所示的翅片散热式级联热电发电器10的A-A线剖视图。从图1和图2中可以看出，该热电发电器10具有大致圆柱形的外壳8 ；在外壳8的中心设有与外壳8同轴且产生热量的圆筒状热源1 ；在外壳8与热源1之间形成有将热量转换成电能的由高温段发电系统和低温段发电系统构成的发电部，高温段发电系统包括与外壳8同轴并与热源1外壁紧密接触的筒状的高温段集热器2、以一定间隔放射状设置在高温段集热器2外表面上的高温段热电器件(热电材料)3以及与外壳8同轴并与高温段热电器件3的低温端紧密接触的高温段散热器4， 低温段发电系统包括与高温段散热器4共用的低温段集热器4、在低温段集热器4外表面以一定间隔设置的低温段热电器件5。其中，高温段集热器2将热量传递至高温段热电器件 3，高温段热电器件3沿热量传递方向产生温差，由此产生电能，高温段热电器件3的低温端与低温段集热器4相连，热量通过低温段集热器4继续传递至低温段热电器件5，该低温段热电器件5沿热量传递方向同样产生温差，随即产生电能，并进一步向外传递热量。在本实施例中，该热电发电器10还包括与低温段热电器件5的低温端相连的压紧固定装置6，用于保持各热电器件3、5与两个集热器2、4之间的良好接触以保证热量的良好传递。本发明中该压紧固定装置6的压紧固定方式可以采用螺纹压紧方式，或者弹簧压紧方式。该压紧固定装置6还与支撑部件7连接，支撑部件7又与外壳8紧密接触。热量通过压紧固定装置6和支撑部件7继续传递，最终到达外壳8。该支撑部件7既可起到固定并支持压紧固定装置6的作用，又由于其与外壳8紧密接触，因而有利于热量的传递。另外，在本实施例中，在外壳8的外表面上还形成有多个径向分布的散热翅片9。 在外壳表面以一定间隔放射状形成散热翅片有利于整个发电器的散热。通过这些散热翅片 9，热量能很快从外壳8上散发掉。更优选地，上述高温段热电器件3、低温段热电器件5、压紧固定装置6以及散热翅片9形成在一条直线上，因此能使内部的热量有效传递至外部，拉大热量传递方向上的温差，提高发电效率。热源1可以是封闭式也可以是管道式，作为热源可以采用排气废热等热介质。热源1为具有管道结构的热源时，在外壳8轴向的两端安装有与热源的管道结构连通的管道转接接口或法兰12。图7示出了该具有管道式热源的图1所示翅片散热式级联热电发电器的示意图。从图7中可以看出，热源内部可通过管道转接接口 12与外部贯通，可以将如排气中的废热等从外壳8的一端引入到热源内部，发生热传递后从另一端排出，使发电器10能利用该热能产生电。该管道转接接口或法兰12与外壳8的连接方式可以为螺纹紧固或者焊接，这样可以更牢固地结合。实施例2
图3为本发明第二实施例的螺旋水冷式级联热电发电器的示意图；图4为图3所示的螺旋水冷式级联热电发电器的B-B线剖视图；且图8为具有管道式热源的图3所示螺旋水冷式级联热电发电器的示意图。从图3、4和8中可以看出，本实施例2与实施例1的区别点在于在发电器的外壳8的外表面上缠绕有螺旋式水管11，其他与实施例1相同的结构在此不再详述。该螺旋式水管11中可以导入制冷流体，从而起到冷却外壳的作用。通过具有冷却作用的螺旋式水管11，能进一步拉大整个系统的温差，提高整个发电系统的发电效率。实施例3
图5为本发明第三实施例的U型水冷式级联热电发电器的示意图；图6为图5所示的 U型水冷式级联热电发电器的C-C线剖视图；图9为具有管道式热源的图5所示U型水冷式级联热电发电器的示意图。从图5、6和9中可以看出，本实施例3与实施例1的区别点在于发电器的外壳8的外表面上设置有U型水管13，该U型水管13中可以导入制冷流体， 从而起到冷却外壳的作用。通过具有冷却作用的U型水管13，能进一步拉大整个系统的温差，提高整个发电系统的发电效率。通过上述这些散热结构，热量能很快从外壳上散发掉，从而拉大整个系统在热量传递方向上的温差，提高整个发电系统的发电效率。采用本发明的级联式热电发电器可特别有效地将热能转换成电能，系统稳定性强，且发电效率高。
权利要求
1.一种级联式热电发电器，包括产生热量的热源、将热量转换成电能的热电发电部、及外壳，其特征在于所述热电发电部包括从所述热源沿热量传递方向依次径向向外设置的级联的至少两个热电发电系统，所述级联的至少两个热电发电系统逐级传递热量，且各级热电发电系统分别用其接收到的热量进行热电转换。
2.根据权利要求1所述的级联式热电发电器，其特征在于，各级热电发电系统分别包括沿热量传递方向依次径向向外设置的集热构件、热电构件以及散热构件，所述热电构件的高温侧与所述集热构件相连且所述热电构件的低温侧与所述散热构件相连，所述热电构件从所述集热构件接收热量以进行热电转换并进一步向所述散热构件传递热量。
3.根据权利要求2所述的级联式热电发电器，其特征在于，相邻设置的两级热电发电系统中，位于热量传递方向上位的上一级热电发电系统的散热构件为位于热量传递方向下位的下一级热电发电系统的集热构件。
4.根据权利要求2所述的级联式热电发电器，其特征在于，各级热电发电系统分别根据其集热构件处的温度选择具有不同工作温度的热电构件。
5.根据权利要求2所述的级联式热电发电器，其特征在于，各级热电发电系统的集热构件和散热构件为同轴设置的筒状结构，所述热电构件为多个径向分布在所述集热构件与散热构件之间的热电器件。
6.根据权利要求2所述的级联式热电发电器，其特征在于，位于热量传递方向最下位的热电发电系统的散热构件为所述级联式热电发电器的外壳。
7.根据权利要求6所述的级联式热电发电器，其特征在于，还包括连接于所述位于热量传递方向最下位的热电发电系统的热电构件的低温侧与所述外壳之间以将各热电发电系统中的各个构件压紧的压紧固定装置。
8.根据权利要求7所述的级联式热电发电器，其特征在于，还包括与所述压紧固定装置相连且紧贴设置于所述外壳的内侧的支撑构件。
9.根据权利要求7所述的级联式热电发电器，其特征在于，所述压紧固定装置通过螺纹压紧方式或者弹簧压紧方式压紧各热电发电系统中的各个构件。
10.根据权利要求1所述的级联式热电发电器，其特征在于，在所述外壳的外表面上形成有多个径向分布的散热翅片。
11.根据权利要求1所述的级联式热电发电器，其特征在于，在所述外壳的外表面上缠绕有螺旋式水管。
12.根据权利要求1所述的级联式热电发电器，其特征在于，在所述外壳的外表面上设置有U型水管。
13.根据权利要求1所述的级联式热电发电器，其特征在于，所述热源为具有封闭结构的热源。
14.根据权利要求1所述的级联式热电发电器，其特征在于，所述热源为具有管道结构的热源。
15.根据权利要求14所述的级联式热电发电器，其特征在于，在所述外壳轴向的两端分别安装有与所述热源的管道结构连通的管道转接接口或法兰。
16.根据权利要求15所述的级联式热电发电器，其特征在于，所述管道转接接口或法兰由金属材料或者耐高温有机材料制成。
17.根据权利要求14所述的级联式热电发电器，其特征在于，所述管道转接接口或法兰通过螺纹紧固或者焊接的方式与所述外壳相连。
18.根据权利要求2至9中任一项所述的级联式热电发电器，其特征在于，所述热电构件为由SiGe合金材料、方钴矿或填充方钴矿热电材料、ZnSb3基热电材料、Bi2Te3基热电材料、半哈勒斯化合物热电材料中的一种构成的热电构件。
19.根据权利要求2至9中任一项所述的级联式热电发电器，其特征在于，位于热量传递方向最上位的热电发电系统的集热构件由高导热的石墨或金属材料制成。
20.根据权利要求19所述的级联式热电发电器，其特征在于，除了位于热量传递方向最上位的热电发电系统的集热构件以外的集热构件由高导热金属材料制成。
全文摘要
本发明涉及一种级联式热电发电器，包括产生热量的热源、将热量转换成电能的热电发电部、及外壳，其中，所述热电发电部包括从所述热源沿热量传递方向依次径向向外设置的级联的至少两个热电发电系统，所述级联的至少两个热电发电系统逐级传递热量，且各级热电发电系统分别用其接收到的热量进行热电转换。
文档编号H02N11/00GK102412762SQ201210003098
公开日2012年4月11日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者吴汀, 尹湘林, 柏胜强, 陈立东 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所