專利名稱：帶有熱存儲單元的集成式熱發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明各實施例的技術(shù)領(lǐng)域涉及發(fā)電。具體而言，本發(fā)明各實施例涉及將熱能轉(zhuǎn) 換為電能。
背景技術(shù)：
隨著對能量需求的增加，化石燃料之外的替代能源成為未來能量供應(yīng)的關(guān)鍵方 向。熱-電能量是能夠轉(zhuǎn)換(比如將熱能轉(zhuǎn)換為電能)的替代能源。傳統(tǒng)的熱發(fā)電機在兩 種介質(zhì)之間存在有溫差時能夠產(chǎn)生電能。一旦在媒介內(nèi)存在有溫度梯度，充電載體比如電 子就從一個溫度區(qū)擴散或遷移至另一個溫度區(qū)。傳統(tǒng)熱-電發(fā)電機(下稱為“TEG”)設(shè)備收集來自熱能源比如太陽能的熱能以加 熱水產(chǎn)生蒸汽，其中該蒸汽隨后激勵機械渦輪機產(chǎn)生電能。通常，各TEG單元(cell)對維 護有較高的要求，且具有許多運動部件。由于傳統(tǒng)TEG單元的尺寸較大且功率輸出較低，所 以作為替代功率源是沒有吸引力的。與該傳統(tǒng)TEG單元相關(guān)的一個問題是，由熱能源提供的熱量可能不具有一貫性。 例如，由于太陽落山或多云天氣而導致熱量減少，則功率輸出會突然降低。在晴朗艷陽天后 的多云天里，由于缺少持續(xù)的熱量供應(yīng)，通常難以維持TEG單元的同樣水平的功率輸出。此 外，TEG系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出功率可能會降低，而且在把熱源去除(例如夜晚)時TEG系統(tǒng)產(chǎn)生 的輸出功率最終會停止。為了矯正此種缺陷，傳統(tǒng)的方法是使用外部電池來存儲白天產(chǎn)生 的過量能量，在夜晚時取回該存儲的電能。外部電池能夠增加額外的復雜性和整體系統(tǒng)成 本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種由熱能產(chǎn)生電能的方法和多層固態(tài)熱-電發(fā)電機(”MSTEG”)系 統(tǒng)。MSTEG系統(tǒng)包括熱層、調(diào)節(jié)層以及存儲層。在一個實施方式中，該熱層包括多個集成式 熱-電發(fā)電機(“ITEG”)設(shè)備，其中該集成式熱-電發(fā)電機(“ITEG”)設(shè)備被構(gòu)型為響應(yīng) 一定的熱條件而產(chǎn)生電能。取決于所使用的ITEG設(shè)備類型，該熱條件能夠是從200°C (攝 氏度)或更低至1200°C或更高之間的溫度范圍。該調(diào)節(jié)層包括淀積在熱層上的多個熱調(diào)節(jié) 器，其中該熱調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)溫度。該存儲層包括淀積在調(diào)節(jié)層上的一個或多個熱存儲槽，其中 每個熱存儲槽能夠存儲熱量。從下面所述的詳細描述、附圖、權(quán)利要求書中可顯而易見地看到本發(fā)明示例性實 施例的附加特點和優(yōu)點。


從下面針對本發(fā)明各種實施例的詳細描述以及本發(fā)明所附的附圖中可以更為完 全地理解本發(fā)明的示例性實施例，但是，這些描述和附圖不應(yīng)該被用來將本發(fā)明限制于具 體的實施例，相反僅僅是用于說明和理解。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例使用ITEG設(shè)備的MSTEG系統(tǒng)的方框圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例使用ITEG設(shè)備、能在不同溫度區(qū)運行的 MSTEG系統(tǒng)的方框圖；圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用ITEG設(shè)備具有多個熱存儲層的MSTEG 系統(tǒng)的方框圖；圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用ITEG設(shè)備、具有能在不同溫度區(qū)運行 的多個熱存儲槽的MSTEG系統(tǒng)的方框圖；圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用ITEG設(shè)備和多個熱腔室的MSTEG系統(tǒng) 的方框圖；圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用ITEG設(shè)備、帶有監(jiān)測層與層之間溫度 的熱傳感器的MSTEG系統(tǒng)的方框圖；圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用ITEG設(shè)備的MSTEG系統(tǒng)的三維框圖；圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用多個熱發(fā)電機(”TEG”)設(shè)備的ITEG 布局的方框圖；圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過串聯(lián)與并聯(lián)相結(jié)合而連接的TEG單元 陣列的方框圖；圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例通過MSTEG系統(tǒng)經(jīng)由熱能產(chǎn)生電能的工藝 的流程圖；以及圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例裝配MSTEG系統(tǒng)的工藝流程圖。
具體實施例方式在使用采用ITEG設(shè)備的多層固態(tài)熱-電發(fā)電機用熱能產(chǎn)生電能的方法、系統(tǒng)和設(shè) 備的上下文中，描述了本發(fā)明的示例性實施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會認識到，下面對示例性實施例的詳細描述僅僅是示意性的， 而絕不是用于限制目的。其它的實施例本身會易于啟示獲知本披露內(nèi)容的技術(shù)人員?，F(xiàn)在 詳細地參照如圖所示的示例性實施例的實施。在整個附圖和下面的詳細描述中使用相同的 附圖標記來標示相同或類似部分?！耙粋€實施例”、“實施例”、“舉例實施例”、“各種實施例”、“示例性實施例”、“一個方 面”、“方面”、“示例性方面”、“各個方面”等表示如此描述的本發(fā)明的實施例可以包括特定 特征、結(jié)構(gòu)或特點，但是，并不是每一個實施例都必然地包括特定特征、結(jié)構(gòu)或特點。進一步 而言，術(shù)語“在一個實施例中”的重復使用并不是必然地指同一個實施例，盡管“在一個實施 例中”也可以指同一個實施例。出于簡潔目的，并不是實施方式的所有常見特征都在此展示和討論。當然，應(yīng)當理 解在對任何此種實際實施的開發(fā)中，必須制定各種與實施相關(guān)的決定以便實現(xiàn)開發(fā)者的
5具體目標，比如符合與應(yīng)用和商業(yè)相關(guān)的條件，并且這些具體目標會因?qū)嵤┓桨付煌?、?開發(fā)者而不同。而且，還會理解此種開發(fā)的努力可能是復雜且費時的，但是盡管如此，對于 本領(lǐng)域的獲知本披露內(nèi)容的人士而言在工程上會是一個日常任務(wù)?，F(xiàn)在詳細參照本發(fā)明的實施例，“集成式熱發(fā)電機與存儲系統(tǒng)”。盡管本發(fā)明可以 結(jié)合實施例進行描述，但是可以理解，它們不是用來將本發(fā)明限制于這些實施例。相反的 是，本發(fā)明的實施例旨在覆蓋可以被包括在由權(quán)利要求書、說明書、附圖限定的本發(fā)明的精 神和范圍內(nèi)的替換物、改型和等同物。本發(fā)明的實施例披露一種能由熱能產(chǎn)生電能的多層固態(tài)熱-電發(fā)電機(“MSTEG”) 系統(tǒng)。MSTEG系統(tǒng)包括熱層、調(diào)節(jié)層以及存儲層。在一個實施例中，熱層包括多個構(gòu)型為響 應(yīng)熱條件而產(chǎn)生電能的集成式熱-電發(fā)電機(“ITEG”)設(shè)備。該熱條件能夠是用于指定熱 層之一的&和Tim之間的溫度范圍。該調(diào)節(jié)層包括多個淀積在熱層上的熱調(diào)節(jié)器，其中熱 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)溫度。存儲層包括一個或多個淀積在調(diào)節(jié)層上的熱存儲槽，其中每個熱存儲槽 能夠存儲熱量。圖1是方框圖100，其示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例使用ITEG設(shè)備的MSTEG系統(tǒng)。 框圖100示出熱能源132和MSTEG系統(tǒng)，其中MSTEG系統(tǒng)包括熱收集表面102、熱存儲平面 (plane) 104、第一熱平面106、第二熱平面110。熱能源132可以是太陽熱輻射、地熱和/或 人工熱源。注意到，可以在區(qū)域108中淀積或添加額外熱平面。應(yīng)該注意到如果一個或多 個平面和/或?qū)颖惶砑拥娇驁D100或從該框圖100去除，則不會改變實施例的底層概念。熱收集表面102是MSTEG系統(tǒng)的一個暴露于外部熱源或外部熱能源132的表面區(qū) 域。熱收集表面102的一個功能是在表面102的熱暴露側(cè)101吸收熱能，隨后將該吸收的熱 能從表面102送至平面104-110。注意到，外部熱能源132包括太陽熱能、地熱、人工熱能源 以及生物質(zhì)熱反應(yīng)器之一或者太陽熱能、地熱、人工熱能源以及生物質(zhì)熱反應(yīng)器的結(jié)合。例 如，熱收集表面102可以用吸熱材料組裝，比如鋁、銅、碳、二氧化硼、二氧化硅、鈦，以及鋁、 銅、鈦、碳、二氧化硼、二氧化硅之一或多個的化合物。熱存儲平面104包括一個或多個在一段時間內(nèi)存儲熱量或熱能的熱吸收層。在一 個方面，熱存儲平面104包括一個或多個被稱為熱電池、熱槽、熱儲器或熱存儲的Thermal Tank (熱槽 )。熱存儲平面104能夠進一步包括絕緣層和存儲層，其中存儲層可以被分割 為存儲熱量的多個子層或塊。熱存儲平面104中的不同子層或塊存儲不同溫度的熱量。盡 管存儲層捕獲熱量，但絕緣層起維持或容放該熱量的作用。在吸收一定量的熱能或熱量后，為了固持該熱量，例如，熱槽的一部分或塊可以或 不會將其物理形態(tài)從固態(tài)改變至液態(tài)。當外部熱源132不再可得時，在其隨后的時間點釋 放存儲的熱量。在一個例子中，熱存儲表面104可以用吸熱材料和/或相變材料制造，比如 鋁、銅、碳、二氧化硼、二氧化硅、鈦，以及鋁、銅、鈦、碳、二氧化硼和/或二氧化硅之一或多 個的化合物。注意到，取決于應(yīng)用場合，熱槽 能夠被放置在MSTEG系統(tǒng)的底部或側(cè)面。第一熱平面106包括調(diào)節(jié)層126和熱層124，其中調(diào)節(jié)層126包括一個或多個調(diào)節(jié) 器128。調(diào)節(jié)器128調(diào)節(jié)在熱層124的溫度，并引導過量的熱量旁通過(繞過，bypass)熱 層124。在一個實施例中，調(diào)節(jié)層126包括調(diào)節(jié)器128陣列以利于管理熱量。調(diào)節(jié)器128可 以由微電子機械系統(tǒng)(“MEMS”)設(shè)備用半導體裝配工藝制造。替換地，調(diào)節(jié)器128也能夠 由與溫度相關(guān)的化合物材料制造，以利于熱量根據(jù)其溫度而通過。
熱層124包括熱腔室，該熱腔室含有ITEG設(shè)備122的MXN矩陣，其中M和N是整 數(shù)。下面將詳細討論的每個ITEG設(shè)備122，被構(gòu)型為響應(yīng)ITEG設(shè)備122周圍的環(huán)境溫度而 產(chǎn)生電能。在一個實施例中，位于熱層124中的ITEG設(shè)備122被構(gòu)型為在一個比如500°C 和700°C之間的特定溫度范圍內(nèi)以最優(yōu)效率運行。平面106-110的電能輸出被輸送給電網(wǎng)134以用于功率輸出。也被稱為輸出電路、 功率輸出單元、功率轉(zhuǎn)換設(shè)備等的電網(wǎng)134，能夠輸出各種電壓，比如6伏、12伏、或18伏。 替換地，輸出網(wǎng)134提供DC (直流)功率、AC (交流)功率和/或DC與AC功率。注意到， 電網(wǎng)134是可以編程的以選擇特定電壓水平。類似地，第二熱平面110包括調(diào)節(jié)層116和熱層114，其中調(diào)節(jié)層116包括一個或 多個調(diào)節(jié)器118。與調(diào)節(jié)器128類似，調(diào)節(jié)器118調(diào)節(jié)在熱層114處的溫度，并引導過量熱 量旁通過熱層114。調(diào)節(jié)層116包括調(diào)節(jié)器118陣列以利于管理熱量。與調(diào)節(jié)器128—樣， 調(diào)節(jié)器118可以使用MEMS技術(shù)通過半導體裝配工藝制造。替換地，調(diào)節(jié)器128也能由與溫 度相關(guān)的材料制造，以利于熱量響應(yīng)熱量的溫度而通過。熱層114包括含有ITEG設(shè)備112 的MXN矩陣的熱腔室。每個ITEG設(shè)備112被構(gòu)型為響應(yīng)ITEG周圍環(huán)境溫度而產(chǎn)生電能。區(qū)域108表明額外熱平面和存儲平面能夠根據(jù)應(yīng)用場合被添加。在一個實施例中，MSTEG系統(tǒng)還包括一個或多個熱通道150，該熱通道150允許熱 量在抵達其目標之前穿過或旁通過一個或多個平面或?qū)?。熱通?50被構(gòu)型為將不同量的 熱量152-160輸送至不同的層和/或平面。例如，當MSTEG系統(tǒng)過熱時，熱通道150將系統(tǒng) 的過量熱量160釋放以冷卻該系統(tǒng)。MSTEG系統(tǒng)包括由多個熱調(diào)節(jié)器分隔的多個熱腔室和多個ITEG設(shè)備。MSTEG系統(tǒng) 還包括熱槽 設(shè)計以含有用于熱存儲池(reservoir)的熱存儲層或柱。在從熱源132吸收 熱能后，熱能進入熱槽""所處的熱腔室。最后，熱量抵達第一級的熱調(diào)節(jié)器128，該熱調(diào)節(jié) 器128控制供給ITEG設(shè)備122來產(chǎn)生電能的熱量。當熱量的溫度與其熱電材料特性匹配 時，獲得熱電轉(zhuǎn)換的最優(yōu)效率。過量的熱量進入下一級的熱腔室，下一層的ITEG設(shè)備由該 下一級的熱腔室以其最優(yōu)效率產(chǎn)生電能。熱調(diào)節(jié)器118或128用來調(diào)節(jié)熱量，從而能夠?qū)?現(xiàn)每一層114或124的熱電轉(zhuǎn)換效率的改進和優(yōu)化。參照附圖1，當存在外部熱源132時，在熱收集表面102收集熱量，然后熱量抵達 熱槽 130。取決于熱槽 的容積，熱量能夠存儲于其中以待隨后使用。在一個例子中，熱 量的一部分進入熱槽 130中，而熱量的另一部分繼續(xù)行進到不同層。替換地，在熱槽,30 被完全充滿或存儲前，沒有熱量抵達層124或114。當外部熱源132減少和/或消失時，將存儲的熱量從熱槽 130釋放到層114或 124中的ITEG設(shè)備112或122中。注意到，在沒有外部熱源132之后，存儲的熱量使MSTEG 系統(tǒng)繼續(xù)產(chǎn)生電能。將熱量從熱槽 130釋放的持續(xù)時間取決于熱槽 130所用的媒介的比 熱容以及熱槽 130的尺寸和容積。例如，如果MSTEG系統(tǒng)使用在熱源大部分時間都存在的 場合，則可以采用小容積的熱槽 130來降低整體系統(tǒng)尺寸和成本而仍能維持一整天的足 夠功率輸出。如果MSTEG系統(tǒng)使用在熱源比如太陽能源周期地消失的場合的話，大容積的 熱槽 130可以被用來維持系統(tǒng)的連續(xù)輸出功率。替換地，熱槽 130通過降低功率波動比如功率浪涌進一步使功率輸出平滑。功率 波動能對電氣元件和/或器具產(chǎn)生危害。例如，當熱量供應(yīng)在一段時間缺少之后突然變得不可獲得時會產(chǎn)生波動。注意到，用于MSTEG系統(tǒng)的熱槽 130的容積可以是應(yīng)用特定的。 熱槽 130允許MSTEG系統(tǒng)在熱源132消失后在一段延伸時間內(nèi)產(chǎn)生電能。在運行期間，當存在熱源132時，熱槽,30在其媒介內(nèi)存儲熱能，該媒介具有比熱 容且由吸熱材料制成。當外部熱量隨著時間消失或緩慢減少時，存儲在熱槽 130中的熱能 釋放熱量以補償來自減少的外部熱源的熱損失。存儲在熱槽 130中的熱量的量取決于用 在設(shè)計中的如具體要求所規(guī)定的尺寸和熱材料。在一個方面，MSTEG系統(tǒng)以此種方式設(shè)計 為該系統(tǒng)能24小時地連續(xù)輸出電能。此外，當熱源134產(chǎn)生的熱量的量隨著時間波動時， 熱槽 130消除或降低功率浪涌。在一個方面，能夠響應(yīng)外部熱源產(chǎn)生電能的MSTEG系統(tǒng)包括第一熱層、第一調(diào)節(jié) 層以及第一存儲層。該第一熱層包括多個構(gòu)型為響應(yīng)第一熱條件而產(chǎn)生電能的第一 ITEG 設(shè)備。該第一 ITEG設(shè)備被組織為陣列構(gòu)型，使第一 ITEG設(shè)備的至少一部分串聯(lián)連接。替 換地，許多第一 ITEG設(shè)備被組織為陣列構(gòu)型，使第一 ITEG設(shè)備的至少一部分并聯(lián)連接。注 意到，第一熱條件是與第一熱層相關(guān)的溫度。第一調(diào)節(jié)層包括多個淀積在第一熱層上的熱調(diào)節(jié)器。該多個熱調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)溫度或 溫度范圍。該熱調(diào)節(jié)器包括能夠檢測和/或監(jiān)測溫度的熱傳感器。該熱調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)與第一 熱層相關(guān)的溫度。第一存儲層包括一個或多個淀積在第一調(diào)節(jié)層上的第一熱存儲槽，其中每個第一 熱存儲槽能夠存儲熱量。在一個實施例中，MSTEG系統(tǒng)還包括第二熱層、第二調(diào)節(jié)層和第二 存儲層。第二熱層包括構(gòu)型為響應(yīng)第二熱條件而產(chǎn)生電能的第二 ITEG設(shè)備。第二熱層淀 積在第一存儲層上。第二調(diào)節(jié)層包括淀積在第二熱層上的熱調(diào)節(jié)器，其中熱調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)溫度。第二存儲層包括一個或多個放置在第二調(diào)節(jié)層上的第二熱存儲槽，其中每個第二 熱存儲槽能夠存儲熱量。MSTEG系統(tǒng)還包括淀積在第二存儲層上的熱收集表面，其中熱收集 表面能夠吸收來自熱源的熱量。在一個方面，散熱通道被構(gòu)造為穿過多層以傳遞熱量。應(yīng) 該注意到，每個熱存儲槽通過預定輻射計劃將存儲的熱量傳播過多層。第二 TEG單元被構(gòu) 型為在比第一 TEG單元提供電能所處溫度更高的溫度下產(chǎn)生電能。在一個方面，第一熱存 儲槽和第二熱存儲槽被構(gòu)型為存儲不同溫度的熱量。再參照附圖1，MSTEG系統(tǒng)是可以擴展的且取決于構(gòu)型能產(chǎn)生大的輸出功率。例 如，帶有三層ITEG設(shè)備且在每一層有3個相同ITEG設(shè)備的系統(tǒng)，具有總共9個ITEG設(shè)備 和三種類型的帶有不同熱電材料的ITEG設(shè)備。例如，帶有三層ITEG設(shè)備和3個相同ITEG 設(shè)備的系統(tǒng)的輸出功率大于帶有三層且每層有1個ITEG設(shè)備的系統(tǒng)的輸出功率。類似地， 帶有三層ITEG設(shè)備且每層有1個ITEG設(shè)備的系統(tǒng)具有比帶有僅二層ITEG設(shè)備且每層有 1個ITEG設(shè)備的系統(tǒng)要高的輸出功率。使用本發(fā)明采用先進熱電材料以及嵌入熱存儲設(shè)備的實施例的優(yōu)點是，提供簡易 又成本有效的方法來全天候產(chǎn)生功率。盡管熱源可以是太陽能、地熱、商業(yè)功率設(shè)備的熱蒸 汽、工業(yè)設(shè)備(industrial plants)以及生物燃料之一，MSTEG系統(tǒng)能夠以相對較少的運動 部件由熱源產(chǎn)生電能。圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用ITEG設(shè)備、能在各個溫度區(qū)運行的 MSTEG系統(tǒng)的方框圖200?？驁D200包括熱源132和含有七個平面202-214的MSTEG系統(tǒng)。每個平面可以包括一個或多個容放多個ITEG設(shè)備的熱腔室。在一個實施例中，MSTEG系統(tǒng) 還包括一個或多個熱通道150，其中每個熱通道150允許熱量在抵達其目的地前穿過或旁 通過一個或多個平面或?qū)?。熱通?50被構(gòu)型為將不同量的熱量輸送到不同層或平面。當 MSTEG系統(tǒng)過熱時，熱通道150將額外的熱量從系統(tǒng)輸送到冷卻層214。應(yīng)該注意到，如果 一個或多個平面或?qū)颖惶砑拥娇驁D200或從其去除，不會改變實施例的底層概念。平面202類似于圖1的熱收集表面102，是MSTEG系統(tǒng)暴露于外部熱能源132以吸 收熱量的表面。平面204類似于圖1的熱存儲平面104，能夠在一段時間內(nèi)存儲熱量。平 面206-212包括四個被構(gòu)型為在不同溫度區(qū)域或從Tn到Ttl范圍運行的熱平面。與圖1的 第一熱平面106類似，平面206-212的每一個包括含有調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)層和含有ITEG設(shè)備的 熱層。平面214是能夠提供對MSTEG系統(tǒng)過熱管理的冷卻層。在一個方面，冷卻層使用水 來冷卻系統(tǒng)，從而冷卻層可以在冷卻系統(tǒng)時提供溫水或熱水。在一個實施例中，熱平面206被構(gòu)型為在之間的溫度范圍運行，其中Tn 表示第N個熱平面處的溫度，N可以是任何實的整數(shù)。例如，Tn可以是1200°C而Tim可以 是900°C。盡管熱平面208能被構(gòu)型為在Tim和T2之間的溫度范圍運行，熱平面210可以 在T2和T1之間的溫度范圍運行，其中TN_i、T2和T1例如可以分別是900°C、700°C和500°C。 進一步而言，熱平面212可以被設(shè)定為在200°C或之下之間的溫度范圍處運行以產(chǎn)生電能。 取決于所使用的材料，可以在平面之間改變溫度范圍。而且，可以添加、會合和/或去除額 外的熱平面和/或熱存儲平面，即取決于系統(tǒng)設(shè)計規(guī)格，N值能夠相應(yīng)地改變。 圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用ITEG設(shè)備、具有多個熱存儲層的MSTEG 系統(tǒng)的方框圖300?？驁D300示出熱能源132和MSTEG系統(tǒng)，該MSTEG系統(tǒng)包括熱收集表面 102、熱存儲平面104、第一熱平面106、第二熱平面110。熱能源132可以是太陽能熱輻射、 地熱和/或人工熱源。注意到，可以在區(qū)域108中淀積或添加額外的熱平面。圖3所示的MSTEG系統(tǒng)類似于圖1所示的MSTEG系統(tǒng)，不同處在于框圖300的 MSTEG系統(tǒng)包括多個熱存儲層302。在一個方面，每個熱平面包括存儲層302、調(diào)節(jié)層116或 126、以及熱層114或124。在一個實施例中，熱存儲層302包括一個或多個熱槽 306，其中 每個熱槽"1306能夠在外部熱供應(yīng)減少時釋放熱量。帶有熱存儲單元的ITEG設(shè)備示出在有 或沒有持續(xù)的外部熱供應(yīng)時通過持續(xù)的熱供應(yīng)產(chǎn)生電能的有效方式。熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠使用熱調(diào)節(jié)器和多個熱腔室輸出所需的輸出功率。熱腔室用來容 放熱調(diào)節(jié)器以及單個或多個TEG單元。在一個實施例中，用絕緣和熱反射器材料制造腔室 以防止腔室的熱量損失。熱調(diào)節(jié)器用來調(diào)節(jié)在熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)的熱腔室內(nèi)的溫度，通過獲得 與ITEG設(shè)備中使用的熱電材料類型匹配的特定溫度范圍而實現(xiàn)最優(yōu)的功率輸出。由熱調(diào) 節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)確定所需的輸出功率，該熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括多個TEG單元、熱腔室和熱調(diào)節(jié)器。 會認識到其他實施方案也是可能的(例如將一個或多個平面與其他平面結(jié)合，和/或可以 不必執(zhí)行本發(fā)明的一個或多個方面)。圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用ITEG設(shè)備、具有多個熱存儲槽，能在 不同溫度區(qū)域運行的MSTEG系統(tǒng)的方框圖400?？驁D400包括熱源132和MSTEG系統(tǒng)，該 MSTEG系統(tǒng)還包括七個平面202-214。每個平面可以包括一個或多個容放多個ITEG設(shè)備的 熱腔室。在一個實施例中，MSTEG系統(tǒng)還包括一個或多個熱通道150，其中熱通道150允許 熱量在抵達其目的地之前穿過或旁通過一個或多個平面或?qū)?。?yīng)注意到，如果將一個或多
9個平面或?qū)犹砑拥娇驁D400或從其去除，不會改變實施例的底層概念。圖4的MSTEG系統(tǒng)類似于圖2的MSTEG系統(tǒng)，不同處在于框圖400中的MSTEG系 統(tǒng)包括多個熱存儲層402-406。在一個方面，每個熱層402-406包括一個或多個存儲熱量的 熱槽 306。每個熱層402-406能根據(jù)各個熱平面周圍的環(huán)境溫度釋放熱量408-412。圖5是示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例，使用ITEG設(shè)備和多個熱腔室的MSTEG系統(tǒng) 的方框圖510。熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)500包括多個熱腔室510、多個熱調(diào)節(jié)器520、以及多個ITEG設(shè) 備540、550。在一個例子中，ITEG設(shè)備540、550由不同熱電材料制造，從而它們能在不同 溫度范圍運行。熱調(diào)節(jié)器520用來調(diào)節(jié)ITEG設(shè)備540、550的每個熱腔室內(nèi)的溫度。例如， ITEGb550具有在700°C運行的熱電特性，而ITEGB540具有在450°C運行的熱電特性。當在 700°C將熱量施加入第一熱腔室510且對其調(diào)節(jié)時，ITEGb550設(shè)備產(chǎn)生具有最大輸出功率 的更為所需的效率。然后，在450°C過量的廢熱通過熱調(diào)節(jié)器520被傳送至下一個熱腔室 510。ITEGa540設(shè)備在與ITEGb550運行的溫度范圍不同的溫度范圍產(chǎn)生具有最大輸出功率 的最優(yōu)效率。所產(chǎn)生的輸出功率是ITEG設(shè)備540、550兩個獨立層的功率之和。注意到輸 出功率的量可以取決于層的數(shù)量以及每層中所用的ITEG設(shè)備540、550的數(shù)量。熱腔室510是一個容納產(chǎn)生電能的ITEG設(shè)備540、550的空間。多層絕緣材料和 反射器形成熱腔室的壁，幫助最小化熱損失。熱腔室510的尺寸確定其能容納的ITEG設(shè)備 540,550的最大數(shù)量。此外，其熱絕緣壁的有效性確定熱量被保持在熱腔室510內(nèi)的持續(xù)時 間，以產(chǎn)生恒定和連續(xù)的輸出功率供應(yīng)。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用ITEG設(shè)備、帶有熱傳感器，用于監(jiān)測各 層之間的溫度的MSTEG系統(tǒng)的方框圖。熱調(diào)節(jié)器520將兩個容納ITEG設(shè)備540、550的相 鄰熱腔室510隔開。在ITEG設(shè)備540、550的熱側(cè)有一個熱傳感器監(jiān)測溫度。當溫度太低 不能獲得最優(yōu)輸出功率時，它允許更多的熱量從底層流向當前層。與此相反的是，當溫度太 高時，它阻止熱量從底層流動，甚至可以將熱量釋放到上層，嘗試獲得由ITEG設(shè)備540、550 的當前層所需的用于最優(yōu)輸出功率的溫度。圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用ITEG設(shè)備的MSTEG系統(tǒng)的三維方框圖 700?？驁D700包括熱源134和MSTEG系統(tǒng)，該MSTEG系統(tǒng)包括熱收集表面132、熱存儲平面 104、四個熱平面706-710。每個熱平面706-710包括多個未示的層，還包括由連接714連接 的ITEG設(shè)備712陣列。根據(jù)應(yīng)用場合，ITEG設(shè)備的MXN矩陣的尺寸可以變化。應(yīng)該注意 到，如果將一個或多個平面添加到框圖400或從其去除，不會改變實施例的底層概念。圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，使用多個TEG單元的ITEG設(shè)備800的布局 的方框圖。ITEG設(shè)備800包括許多布置成MXN矩陣陣列構(gòu)型的小型(或微型)TEG單元 802。由于每個TEG單元802的輸出功率的量非常小，可以是毫瓦的數(shù)量級，在矩陣陣列中 連接多個TEG單元能夠提高功率輸出。MXN陣列的尺寸取決于設(shè)備的所需物理尺寸以及按 所需的電流(單位安培)和電壓(單位伏特)表述的輸出功率量。來自TEG單元810陣列 的功率輸出的累計或積累的最終量可以是瓦特和/或千瓦的數(shù)量級。正輸出終端804和負 輸出終端806用于功率輸出。帶有預設(shè)電壓和電流輸出的ITEG設(shè)備包括基礎(chǔ)TEG單元，該 TEG單元可以復制為TEG單元的大型陣列以形成ITEG設(shè)備。在一個方面，MXN矩陣陣列中 的TEG單元能夠通過并聯(lián)和串聯(lián)構(gòu)型產(chǎn)生預設(shè)的電壓和電流輸出。圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過串聯(lián)和并聯(lián)相結(jié)合而連接的TEG單元
10陣列的方框圖900?？驁D900包括TEG單元的矩陣，放置在熱腔室內(nèi)用于響應(yīng)熱腔室周圍的 環(huán)境溫度而產(chǎn)生電能。在一個方面，TEG單元的矩陣通過連接810-820、902-904互連，其中 TEG單元串聯(lián)906、并聯(lián)908或采用串聯(lián)906和并聯(lián)908相結(jié)合的方式連接。注意到，每個 TEG單元能取決于并聯(lián)或串聯(lián)構(gòu)型產(chǎn)生一定的以伏特計的電壓或以安培計的電流。參照圖9，取決于以電壓和電流計的功率輸出的要求，TEG單元的MXN陣列能夠按 并聯(lián)和/或串聯(lián)的方式構(gòu)型。TEG單元的并聯(lián)構(gòu)型通過將每個并聯(lián)連接的TEG單元的單個 輸出電流相加提供了較高的電流輸出。TEG單元的串聯(lián)構(gòu)型通過將每個并聯(lián)連接的TEG單 元的單個輸出電壓相加提供了較高的輸出電壓。例如，如圖9所示，TEG單元的50X40矩陣 中的每個TEG單元對每一行908為并聯(lián)布線而對列906為串聯(lián)布線，如果每個TEG單元能 夠產(chǎn)生100毫瓦和150毫安，則TEG單元的矩陣的電壓輸出是5伏(100 X IO"3X 50 = 5. 0V) 和6安培(150 X Kr3 X 40 = 6. OA)。最終的輸出功率為5. 0X6. 0 = 30瓦。應(yīng)注意到，互 連設(shè)計獨立于布置在矩陣陣列中的單個TEG單元。因此，為了設(shè)計和實施ITEG設(shè)備，柔性 互連和/或可編程互連能夠提供附加的柔性和伸展性。本發(fā)明示例性實施例包括各種下面描述的加工步驟。該實施例的各個步驟可以機 器或計算機可執(zhí)行指令來實施。這些指令能被用來使以指令編程的通用目的或特殊目的 系統(tǒng)執(zhí)行本發(fā)明示例性實施例的步驟。替換地，本發(fā)明示例性實施例的各個步驟可以由含 有用于執(zhí)行各個步驟的硬布線邏輯的特定硬件元件來執(zhí)行，或者由編程計算機元件和定制 (custom)硬件元件的任何結(jié)合來執(zhí)行。盡管要參照Internet來描述本發(fā)明的實施例，但在 此描述的方法和設(shè)備同等地適用于其它網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)或其它數(shù)據(jù)通信環(huán)境。圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，通過MSTEG系統(tǒng)經(jīng)由熱能產(chǎn)生電能的工藝 的流程圖1000。在框圖1002，能夠?qū)嵤┯蒑STEG系統(tǒng)提供的功能的工藝，可以接納來自熱 能源的熱能。例如，該工藝被構(gòu)型為吸收來自太陽能源、地熱源、工業(yè)設(shè)備以及生物質(zhì)熱源 的熱量。在框圖1004，該工藝將熱能的第一部分存儲于也被稱為熱槽 的熱存儲池中。在 一個方面，該工藝能夠?qū)⒉煌臒崃看鎯τ诎礋岽鎯踊虿蹣?gòu)造的不同的熱子存儲池中。在框圖1006，該工藝經(jīng)由散熱通道或熱通道引導熱能的第二部分旁通過含有至少 一個熱存儲池的熱存儲層。該工藝允許熱量從含有熱槽的存儲層輻射至第一熱層。在框圖1008，該工藝能夠感測熱能的第二部分的第一溫度范圍和第二溫度范圍。 在一個方面，每一層或平面的溫度由一個或幾個溫度傳感器監(jiān)測。在框圖1010，該工藝在含有第一 ITEG設(shè)備的第一熱層調(diào)節(jié)第一溫度范圍。在一個 方面，該工藝能夠在第一熱層維持預定的溫度范圍以在一段時間內(nèi)產(chǎn)生電能。在框圖1012，該工藝被構(gòu)型為響應(yīng)第一溫度范圍由ITEG系統(tǒng)產(chǎn)生電能。在感測第 二溫度范圍的第一子范圍和第二溫度范圍的第二子范圍時，該工藝在含有ITEG系統(tǒng)的第 二熱層散播第二溫度范圍的第一子范圍。該工藝響應(yīng)第一子溫度范圍由第二 ITEG系統(tǒng)產(chǎn) 生電能。圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例裝配MSTEG系統(tǒng)的工藝的流程圖1100。在 框圖1102，該工藝在襯底上淀積多個TEG單元。在框圖1104，該工藝在第一 TEG單元上形 成運行來產(chǎn)生電能的第一熱腔室。在框圖1106，能夠調(diào)節(jié)溫度的多個第一熱調(diào)節(jié)器淀積于 第一熱腔室上。在將第二 TEG單元淀積于多個第一熱調(diào)節(jié)器上時，在第二 TEG單元上形成運行來產(chǎn)生電能的第二熱腔室。隨后，該工藝在第二熱腔室上淀積能調(diào)節(jié)溫度的第二熱調(diào) 節(jié)器。在框圖1108，含有一個或多個熱電池的熱存儲層淀積于熱調(diào)節(jié)器上用于存儲熱量。 熱收集表面淀積于熱存儲層用于吸熱。從以上描述可知，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會明白，此種帶有存儲系統(tǒng)的集成式 熱-電發(fā)電機的當前設(shè)計可以全天候地白天和晚上產(chǎn)生高水平的電能。使用太陽能熱量、 功率工廠的熱能、工業(yè)設(shè)備、地熱和生物質(zhì)能產(chǎn)生電能，幫助世界減少對全球自然資源比如 化石燃料、煤炭等的消耗。此外，在該設(shè)計中所用的材料具有極少的有害物質(zhì)，與太陽能PV 技術(shù)不同，太陽能PV技術(shù)使用硅和硅工藝技術(shù)，在其壽命終止或升級此系統(tǒng)時，由于要處 置這些材料而有害于環(huán)境。由于熱源是現(xiàn)成地從自然界獲得的，所以對通過當前設(shè)計來獲 得可供消費的電能的可行性基本是沒有限制的。盡管已示出和描述了本發(fā)明的特定實施例，但是，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會顯然明白 根據(jù)在此的教導，可以進行一些修改和改型而不會脫離本發(fā)明的該示例性實施例及其擴展 的方面。因此，后附的權(quán)利要求書用于將落入本發(fā)明的該(些)示例性實施例的真正精神 和范圍內(nèi)的所有此種修改和改型都囊括入其范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種能產(chǎn)生電能的設(shè)備，其包括第一熱層，其包括多個第一集成式熱發(fā)電機(“ITEG”)設(shè)備，該第一集成式熱發(fā)電機(“ITEG”)設(shè)備被構(gòu)型為響應(yīng)第一熱條件而產(chǎn)生電能；第一調(diào)節(jié)層，其包括多個淀積于所述第一熱層上的熱調(diào)節(jié)器，其中該多個熱調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)溫度；以及第一存儲層，其包括一個或多個淀積于所述第一調(diào)節(jié)層上的第一熱存儲槽，其中每個第一熱存儲槽能夠存儲熱量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括第二熱層，其包括多個第二 ITEG設(shè)備，該第二 ITEG設(shè)備構(gòu)型為響應(yīng)第二熱條件而產(chǎn)生 電能，其中該第二熱層淀積于所述第一存儲層上；第二調(diào)節(jié)層，其包括多個設(shè)置于所述第二熱層上的熱調(diào)節(jié)器；其中該多個熱調(diào)節(jié)器調(diào) 節(jié)溫度；以及第二存儲層，其包括一個或多個設(shè)置于所述第二調(diào)節(jié)層上的第二熱存儲槽，其中每個 第二熱存儲槽能夠存儲熱量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，還包括淀積于所述第二存儲層上的熱收集表面，其中 該熱收集表面能夠吸收來自熱源的熱量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，還包括多個被構(gòu)造為穿過多個層的作熱傳遞用的散熱 通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中多個第一ITEG設(shè)備被組織為陣列構(gòu)型，其中多個 第一 ITEG設(shè)備的至少一部分串聯(lián)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中多個第一ITEG設(shè)備被組織為陣列構(gòu)型，其中多個 第一 ITEG設(shè)備的至少一部分并聯(lián)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述第一熱條件是與所述第一熱層相關(guān)的溫度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述多個熱調(diào)節(jié)器包括多個能夠檢測溫度的熱傳感器；以及其中所述多個熱調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)與所述第一熱層相關(guān)的溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中每個熱存儲槽通過預定輻射計劃在多層內(nèi)散播存 儲的熱量。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中所述第二TEG單元被構(gòu)型為在比所述第一 TEG單 元產(chǎn)生電能所處溫度更高的溫度下產(chǎn)生電能。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述第一熱存儲槽和所述第二熱存儲槽被構(gòu)型 為存儲不同溫度的熱量。
12.—種產(chǎn)生電能的方法，其包括接收來自熱能源的熱能；將所述熱能的第一部分存儲在熱存儲池中；將所述熱能的第二部分經(jīng)由散熱通道引導穿過含有至少一個熱存儲池的熱存儲層；感測來自熱能第二部分的第一溫度范圍和第二溫度范圍；在含有多個第一集成式熱發(fā)電機(“ITEG”)設(shè)備的第一熱層處調(diào)節(jié)所述第一溫度范 圍；以及響應(yīng)所述第一溫度范圍，由所述多個第一 ITEG設(shè)備產(chǎn)生電能。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括感測所述第二溫度范圍的第一子范圍和所述第二溫度范圍的第二子范圍； 在含有多個第二 ITEG設(shè)備的第二熱層處，散播所述第二溫度范圍的第一子范圍；以及 響應(yīng)所述第一子溫度范圍，由所述多個第二 ITEG設(shè)備產(chǎn)生電能。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中從熱能源接收熱能的步驟包括從太陽能源、地 熱源、工業(yè)設(shè)備以及生物質(zhì)能之一吸收熱量。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中將所述熱能的第一部分存儲于熱存儲池的步驟 包括將熱量存儲于熱槽。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中將所述熱能的第二部分引導穿過熱存儲的步驟 包括允許熱量從含有熱槽的存儲層輻射至所述第一熱層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中在第一熱層調(diào)節(jié)所述第一溫度范圍的步驟包括 在所述第一熱層維持預定溫度范圍以產(chǎn)生電能。
18.—種裝配發(fā)電機的方法，其包括在襯底上淀積多個第一集成式熱發(fā)電機(“ITEG “)設(shè)備；在所述多個第一 ITEG設(shè)備上形成運行來產(chǎn)生電能的第一熱腔室；在所述第一腔室上淀積能調(diào)節(jié)溫度的多個第一熱調(diào)節(jié)器；以及在所述多個熱調(diào)節(jié)器上淀積用于存儲熱量的含有一個或多個熱電池的熱存儲層。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，還包括在所述熱存儲層上淀積吸收熱量的熱收集表
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中在所述第一熱腔室上淀積多個第一熱調(diào)節(jié)器的 步驟還包括在所述多個第一熱調(diào)節(jié)器上淀積多個第二 ITEG設(shè)備； 在所述多個第二 ITEG設(shè)備上形成運行來產(chǎn)生電能的第二熱腔室；以及 在所述第二熱腔室上淀積能調(diào)節(jié)溫度的多個第二熱調(diào)節(jié)器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種能夠由熱能產(chǎn)生電能的多層固態(tài)熱-電發(fā)電機(“MSTEG”)系統(tǒng)。MSTEG系統(tǒng)包括熱層、調(diào)節(jié)層和存儲層。在一個實施例中，熱層包括多個構(gòu)型為響應(yīng)一定熱條件產(chǎn)生電能的集成式熱-電發(fā)電機(“ITEG”)設(shè)備。例如，該熱條件可以是用于某一層的在900℃(攝氏)和1200℃(攝氏)之間的溫差。調(diào)節(jié)層包括多個淀積在熱層上的熱調(diào)節(jié)器，其中熱調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)溫度。存儲層包括一個或多個淀積在調(diào)節(jié)層上的熱存儲槽，其中每個熱存儲槽能存儲熱量。
文檔編號H02N11/00GK101931346SQ20101020419
公開日2010年12月29日 申請日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者郭元樂, 黃育麟 申請人:黃育麟;郭元樂