專利名稱：改善的工業(yè)熱電發(fā)電機的制作方法
改善的工業(yè)熱電發(fā)電機
背景技術(shù)：
工業(yè)過程產(chǎn)生巨大量的熱能。根據(jù)至少一個調(diào)查，在美國的化學(xué)工
業(yè)、煉油廠以及林產(chǎn)品工業(yè)中產(chǎn)生的熱量的量在大約6000萬億Btu的量 級上。這個數(shù)量不包括在諸如鍋爐、食品、能源、金屬及冶金、采暖通 風(fēng)與空調(diào)(HVAC)和許多其它的工業(yè)的其它的過程和工業(yè)中產(chǎn)生的熱 量。6000萬億Btu相當于大約50億美元。在所述的6000萬億Btu中， 人們認為僅利用了 52%，剩余的能量被浪費掉或丟失到環(huán)境中。
已知大規(guī)模的熱電發(fā)電機。例如，美國專利4734139提供了形成有 與一系列的單獨的熱電半導(dǎo)體模塊接觸的熱側(cè)熱交換器的熱電發(fā)電機模 塊。所述半導(dǎo)體模塊被設(shè)置，使得熱量流過所述模塊。每個半導(dǎo)體模塊 被電連接，使得它們的輸出可被結(jié)合以產(chǎn)生大量的電力。
熱電材料根據(jù)已知的物理概念響應(yīng)于穿過熱電發(fā)電機的熱梯度產(chǎn)生 電流。
在工業(yè)環(huán)境中，為了抑制或最小化從所述熱過程流走的不必要的熱 量，通常隔離熱過程。這種熱隔離提高了所述過程的效率，而同時促進 其自身安裝的安全性。隔熱裝置可由幾個隔熱物層制成。依據(jù)于需要， 所述隔熱裝置的厚度通常從幾英寸變化至幾十英寸。
雖然利用熱電發(fā)電機把全部否則被浪費掉的工業(yè)熱能轉(zhuǎn)換成電能將 會是有用的，但對隔熱的真實世界需要通常抑制熱流(heat flow)的程度 使得簡單地把熱電發(fā)電機原理應(yīng)用于所述過程在成本上是高得負擔不起 的。而且，將隔熱物設(shè)置在熱電發(fā)電機的熱流通路中降低了穿過熱電發(fā) 電機的熱梯度，并且因此降低了發(fā)電效率。
提供能夠提供大量的電能的大規(guī)模的工業(yè)熱電發(fā)電機，同時給過程 提供隔熱性能在提高過程效率且收回否則丟失的能量方面將會代表非常 重要的一步。

發(fā)明內(nèi)容
提供了工業(yè)熱電發(fā)電組件和方法。提供了多個熱電發(fā)電元件。每個 元件具有第一側(cè)、與第一側(cè)相對的第二側(cè)以及橫向表面。隔熱材料圍繞 每個熱電元件的橫向表面。設(shè)置每個熱電元件的第一側(cè)接觸過程熱源， 且配置第二側(cè)使其暴露于周圍環(huán)境。所述多個熱電發(fā)電元件中的至少兩 個被串聯(lián)地連線。所述熱電發(fā)電元件是良好的隔熱物，所述熱電發(fā)電元 件給所述過程提供良好的隔熱。把熱量抑制在所述過程(這是所需要 的)中，所述熱量被傳換成電能。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的隔熱的熱電工業(yè)發(fā)電機的圖解視圖。
圖2是被串聯(lián)地連接的多個熱電發(fā)電模塊的示意圖。
圖3是相對于不同的熱梯度由四個熱電發(fā)電模塊產(chǎn)生的功率的曲線圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的圍繞過程流體管道設(shè)置的熱電發(fā)電組件 的圖解視圖。
圖5是在圖4中示出的系統(tǒng)的橫截面視圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的使用熱電發(fā)電機陣列的方法的流程圖。
具體實施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的絕熱的熱電工業(yè)發(fā)電機的圖解視圖。發(fā) 電機100包括鄰近隔熱層102設(shè)置且被封裝在隔熱層102中的多個分離 的熱電發(fā)電模塊。如圖1所示，可有大量的熱電模塊104嵌入在隔熱層 102中。被用于熱電發(fā)電模塊104的合適材料的示例包括III族、IV族和 V族半導(dǎo)體元素。這些材料對熱電發(fā)電特別有用，因為它們也是良好的 隔熱物。另外，通過用隔熱模塊102圍繞熱電發(fā)電模塊104，來自諸如化 學(xué)浴或熱管道的工業(yè)熱源的熱量被基本上集中，使得它流過熱發(fā)電模塊 104。另外，使用相對大量的分離的熱電發(fā)電模塊104有助于確保整個組 件100是相對柔性的和可適合于各種形狀。
圖2是被串聯(lián)地連接的許多熱電發(fā)電模塊的示意圖。通過把許多個熱電發(fā)電模塊104串聯(lián)地設(shè)置，從電路可獲得的總功率是從每個熱電發(fā) 電模塊104可獲得的功率的和。另外，通過串聯(lián)地布置適量的熱電發(fā)電
模塊104并且然后將結(jié)合的串聯(lián)電路彼此并聯(lián)地布置，可訂制電壓和/或 電流。這基本上產(chǎn)生了熱電發(fā)電模塊104矩陣。
圖3是相對于不同的熱梯度由四個熱電發(fā)電模塊產(chǎn)生的功率的曲線 圖。圖3顯示被結(jié)合的四個熱電發(fā)電模塊能夠用大約5(TC的熱梯度以4.4 伏產(chǎn)生總計183毫瓦。這意味著每個固態(tài)熱電發(fā)電模塊用5(TC的熱梯度 以1.1伏產(chǎn)生45.75毫瓦。推算熱電發(fā)電模塊的數(shù)量，對于1米長的隔熱 的熱電發(fā)電模塊100，可在一個特定行或直線嵌入20個熱電發(fā)電模塊 104。對于直徑為1英尺的管，外周將會是大約38英寸。在整個外周 上，可在列中嵌入20個熱電發(fā)電模塊104。因此，包含20個熱電發(fā)電模 塊長乘20個熱電發(fā)電模塊寬的整個陣列提供了一起相互協(xié)作的400個熱 電發(fā)電模塊104。所產(chǎn)生的功率被估算是45.75毫瓦X400-1.83千瓦。此 外，電壓被估算是1.1伏X400=440伏。這是可觀的工業(yè)發(fā)電。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的圍繞過程流體管道設(shè)置的組件100的圖 解視圖。組件100圍繞管106的外周設(shè)置，管106傳輸相對熱的過程流 體(過程流體是過程氣體、過程液體或是它們的一些組合)。在管106 中的過程流體相對室溫處于高溫。高溫在圖4中顯示為Th。t。另外，室溫 顯示為Te。ld。如圖4所示，每個熱電發(fā)電模塊104具有直接與管接觸并 且因此被保持在Th。t溫度的第一表面。每個熱電發(fā)電模塊還包括與第一表 面相對的第二表面。所述第二表面接觸周圍環(huán)境Te。ld。每個熱電模塊具 有在直接與隔熱材料接觸的第一表面和第二表面之間延伸的橫向表面。 因此每個熱電模塊104提供從與過程流體管道106的接觸處至周圍環(huán)境 108的直接的熱通路。整個熱梯度(Th。t-T^d)作用在熱電發(fā)電模塊104 上且依靠熱電發(fā)電模塊104產(chǎn)生電能。隔熱體102設(shè)置在熱電發(fā)電模塊 104之間且?guī)椭_保從過程流體管道106流出的所有熱能穿過熱電發(fā)電模 塊104。將各個熱電發(fā)電模塊104電連接在一起而提供一對端子110、 112，所述端子提供對由相互協(xié)作的熱電發(fā)電模塊104產(chǎn)生的電力的使 用。
端子110、 112可被連接至鄰近系統(tǒng)100設(shè)置以執(zhí)行一些需要的功能
7的局部裝置。例如，端子110、 112可被連接至現(xiàn)場裝置以給現(xiàn)場裝置供 電。這對于無線地通信的現(xiàn)場裝置特別有利。然而，考慮到從系統(tǒng)100
可獲得的可觀數(shù)量的功率，可以想象，端子110、 112可被連接至適合的
本質(zhì)安全柵和被用于基本上給整個有線的過程通信回路供電，其中，過
程通信回路上的一些節(jié)點無線地通信。因此，系統(tǒng)100可基本上給一個 或大量的現(xiàn)場裝置供電。
現(xiàn)場裝置是在諸如煉油廠和化學(xué)加工設(shè)施的工業(yè)環(huán)境中運行以便于 過程的控制的公知的裝置?，F(xiàn)場裝置的實例包括過程壓力變送器、過程 溫度變送器、過程流體流量變送器、過程物位變送器、閥致動器、電磁 線圈等等。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，端子IIO、 112也可被連接至儲存設(shè)施， 諸如電池組或電容器。在這點上，通過熱電發(fā)電模塊104被轉(zhuǎn)換成電能 的熱能可被儲存起來用于以后使用。這樣的以后使用的示例包括通過使 己儲存的電能穿過各個熱電發(fā)電模塊104以影響在管道106中流動的過 程流體的熱控制，使熱電發(fā)電模塊104的運行逆轉(zhuǎn)。因此，例如，當在 穩(wěn)態(tài)條件期間運行所述過程時，任何熱量損失可被轉(zhuǎn)化成儲存用于以后 使用的能量，否則將會浪費掉這些熱量。以后，如果所述過程需要被重 新啟動，且在管道106中的過程流體需要被加熱，那么已儲存的能量可 基本上被返回至過程流體管道106，以更快速地加熱在其中流動的過程流 體。
圖5是圖4中示出的系統(tǒng)的剖視圖。圖5顯示被連接至各個熱電發(fā) 電元件116的多個熱導(dǎo)體板114，而且熱電發(fā)電元件116被連接至冷側(cè)熱 導(dǎo)體118。隔熱體102圍繞熱導(dǎo)體114和116，使得穿過系統(tǒng)的主要熱流 通過熱電發(fā)電元件116。當然，對于諸如大的化學(xué)浴的平坦的側(cè)面的具有 非常簡單幾何形狀的熱源，可極大地簡化或甚至可排除導(dǎo)體114、 118的 使用。
隔熱材料102可采用任何合適的形式。優(yōu)選地，隔熱材料102不是 導(dǎo)電性的且被選擇為經(jīng)得住過程流體管道被預(yù)期運行的最大溫度。非常 高的溫度的絕緣體106的例子包括固體和織物形式的陶瓷以及其他的無 機隔熱體。另外，對于低溫操作，可使用各種聚合物。這樣的聚合物的
8適合的例子包括氯丁 (二烯)橡膠和/或硅橡膠。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用熱電發(fā)電陣列的方法的流程圖。
方法200開始于框202。在框202，隔熱熱電發(fā)電陣列被熱連接至過程熱 源。如之前所述，過程熱源可包括高溫熱浴、傳送或儲存高溫過程流體 的過程流體管道或容納件、或其他適合的熱源。在框204，熱電發(fā)電陣列 產(chǎn)生電力和給至少一個被連接的現(xiàn)場裝置提供這種電力。這在框204處 被示出?，F(xiàn)場裝置可是過程變量變送器，框206;如框208所顯示的適合 無線通信或通過有線過程通信協(xié)議通信的通信裝置；如在框210顯示的 報警器(或者是產(chǎn)生視覺和/或聽覺報警的局部報警器，或者是通過過程 通信信號產(chǎn)生報警信號的報警器)；和/或如在框212處所顯示的能夠執(zhí) 行合適的算法或計算以相對于輸入信號提供有意義的診斷信息的診斷裝 置。然后，在框214處，被連接的現(xiàn)場裝置產(chǎn)生指示過程熱量的一些方 面的通信信號。因為來自熱電發(fā)電陣列的供電信號是基于在過程熱源和 周圍環(huán)境之間的溫度差，所以可以通過現(xiàn)場裝置把可獲得的功率的實際 水平用作診斷輸入。另外或作為選擇，現(xiàn)場裝置可僅使用連接至過程熱 源的溫度傳感器以直接測量溫度。另外，可通過現(xiàn)場裝置傳送其它適合 的過程變量和/或相關(guān)的信息。
雖然參考優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將 會意識到在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在形式和細節(jié)上進 行改變。例如，雖然針對固態(tài)模塊概括性地描述了所述熱電發(fā)電機模 塊，但也可使用納米級熱電材料，例如油漆或涂料。
權(quán)利要求
1.一種工業(yè)熱電發(fā)電組件，包括多個熱電發(fā)電模塊，每個模塊具有第一側(cè)面、與第一側(cè)面相對的第二側(cè)面、以及橫向表面；圍繞每個熱電模塊的橫向表面的隔熱材料；其中，每個熱電模塊的第一側(cè)面設(shè)置為接觸過程熱源，并且第二側(cè)面配置為暴露于周圍環(huán)境；及其中，多個熱電發(fā)電模塊中的至少兩個用導(dǎo)線串聯(lián)連線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，熱電發(fā)電模塊 中的至少一個是納米級的熱電發(fā)電模塊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述過程熱源 是化學(xué)浴。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述過程熱源 是過程流體管道。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述過程熱源 是蒸汽管道。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述過程熱源 是熱水管線。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述過程熱源 是熱流。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述過程熱源 是熱浴。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述過程熱源 是熱交換器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述過程熱源 是過程流體容納件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，進一步包括可操作地 連接至多個熱電發(fā)電模塊的至少一個現(xiàn)場裝置，由多個熱電模塊提供的 電能給所述至少一個現(xiàn)場裝置供電。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述現(xiàn)場裝 置提供過程通信。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述現(xiàn)場裝 置是過程變量變送器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述現(xiàn)場裝 置提供關(guān)于過程熱源的診斷功能。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述現(xiàn)場裝 置提供關(guān)于過程熱源的警報。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，進一步包括可操作地連接至多個熱電發(fā)電模塊的電儲存裝置。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述電儲存 裝置包括至少一個可充電電池。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述電儲存 裝置包括至少一個電容器。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述組件發(fā)電 大約1.8千瓦。
20. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，每個熱電發(fā)電 模塊是固態(tài)熱電發(fā)電模塊。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，當每個熱電 發(fā)電模塊暴露于大約50攝氏度的熱梯度時，每個熱電發(fā)電模塊產(chǎn)生大約 45毫瓦的電能。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的工業(yè)熱電發(fā)電組件，其中，所述熱電發(fā)電 模塊被嵌入隔熱材料中。
23. —種回收過程系統(tǒng)中的廢棄熱量的方法，所述方法包括 熱連接多個熱電模塊至過程系統(tǒng)中的熱源，每個熱電模塊具有第一和第二側(cè)面、以及在其間的橫向表面；對熱電模塊的橫向表面進行熱隔離；和用導(dǎo)線連線多個熱電模塊，使得至少兩個熱電模塊彼此串聯(lián)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進一步包括連接至少一個現(xiàn)場裝 置至所述多個熱電模塊。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進一步包括在電儲存裝置中存儲 至少一些電力。
全文摘要
本發(fā)明提供了工業(yè)熱電發(fā)電組件(100)和方法(200)。提供了多個熱電發(fā)電元件(104)。每個元件具有第一側(cè)面、與第一側(cè)面相對的第二側(cè)面以及橫向表面。隔熱材料(102)圍繞每個熱電元件(104)的橫向表面。每個熱電元件的第一側(cè)面被設(shè)置為接觸過程熱源(106)，且第二側(cè)面被配置為暴露于周圍環(huán)境。所述多個熱電發(fā)電元件(104)中的至少兩個被用導(dǎo)線串聯(lián)地連線。所述熱電發(fā)電元件(104)是良好的隔熱體，所述熱電發(fā)電元件(104)給所述過程提供良好的隔熱。把熱能保留在所述過程(所需要的)中，而轉(zhuǎn)換成電能。
文檔編號H01L35/32GK101517765SQ200780035867
公開日2009年8月26日 申請日期2007年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月28日
發(fā)明者斯瓦潘·卡克拉博堤 申請人:羅斯蒙德公司