專利名稱：級聯(lián)式熱電發(fā)電器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種級聯(lián)式熱電發(fā)電器。
背景技術(shù)：
熱電(thermoelectric)發(fā)電技術(shù)是利用熱電材料(thermoelectricmaterials)的賽貝克(Seebeck)效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，具有熱電器件體積小、可靠性高、壽命長等特點(diǎn)，按熱電轉(zhuǎn)換原理，可以利用包括太陽能在內(nèi)的所有熱源，可以用小面積獲得大功率的電力，因此在空間科學(xué)、軍事裝備、廢熱發(fā)電等技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，并且越來越受到人們的重視。熱電發(fā)電器一般為圓筒結(jié)構(gòu)，并采用單級結(jié)構(gòu)，即僅使用一種熱電材料或熱電器 件。其結(jié)構(gòu)是，熱源位于圓筒結(jié)構(gòu)的中心，熱電器件分布于熱源外側(cè)并呈輻射狀，熱電發(fā)電器最外層為散熱結(jié)構(gòu)，其中，熱電器件將來自熱源的熱能轉(zhuǎn)換成電能。熱電器件是把熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種元件，通常由均質(zhì)熱電材料構(gòu)成；熱電材料是一種利用固體內(nèi)部載流子運(yùn)動實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料，其兩端的溫差可以產(chǎn)生電壓。由于熱電材料的性能優(yōu)值Z (Z= a 2O/K，其中a為Seebeck系數(shù)；o為電導(dǎo)率；K為熱導(dǎo)率)與材料使用溫度密切相關(guān)，每種熱電材料的最佳工作溫度區(qū)間只在某一特定的小范圍內(nèi)，超出最佳工作溫度區(qū)間后熱電材料的性能將急劇下降。如果熱電材料(熱電器件)的實(shí)際工作溫度范圍比較大(超過單種熱電材料的工作溫度范圍)，則由單種均質(zhì)熱電材料構(gòu)成的熱電發(fā)電器難以獲得最大的能量轉(zhuǎn)換效率，因此沿溫度梯度方向選用具有不同最佳工作溫度的熱電材料(熱電器件)，并使之各自工作于其最佳工作溫度區(qū)間，這樣可以有效地提高熱電發(fā)電效率。通過熱電材料的多段(segment)組合或者熱電器件的級聯(lián)(cascade)可以提高熱電發(fā)電效率° Kajikawa (The 20th International Conference on Thermoelectrics,Beijing, 2001:49-56)、El-Genk (Energ. Convers. Manage, 2005 (46):1083-1105)等報(bào)道了通過級聯(lián)、多段復(fù)合的方式提高材料熱電發(fā)電效率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，在日本特開
2005-19910，日本特開2006-245224，W096/15412，US6722140B2，US6662570B2，US6505468B2等專利中也公開了各種多段復(fù)合熱電材料和級聯(lián)熱電器件的技術(shù)方案。例如，日本專利特開2005-19910公開了在具有不相同的熱膨脹率的不同熱電材料之間插入了熱膨脹率為兩材料之間值的另外I至2種熱電材料層，從而緩和了熱應(yīng)力的技術(shù)。日本專利特開
2006-245224公開了在位于低溫段熱電轉(zhuǎn)換用器件的上端部的絕緣性基板上，依次裝載了高溫段熱電轉(zhuǎn)換用器件和夾持用部件，從而降低作用于熱電轉(zhuǎn)換用器件上的熱應(yīng)力的同時(shí)降低熱損失的技術(shù)。然而，對于熱電材料的多段復(fù)合雖然能提高復(fù)合材料的整體發(fā)電效率，但由于各個(gè)分段材料不同，不同材料在連接界面處存在不匹配的膨脹系數(shù)，在高溫下容易變形和開裂，并且由于不同熱電材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率不完全一致，在連接界面處會增加額外的接觸電阻和接觸熱阻。此外，在長期高溫作用下載界面處或鄰近界面區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生元素間的相互擴(kuò)散及元素間的化學(xué)反應(yīng)，使得材料的熱穩(wěn)定性受到影響，其次各個(gè)分段材料中最佳幾何尺寸要求差異較大時(shí)，難以獲得預(yù)期的熱電發(fā)電效率。對于級聯(lián)熱電器件，一般級與級之間有絕緣層隔開，即級間串聯(lián)結(jié)構(gòu)，要求級間的絕緣層具有高導(dǎo)熱和高電絕緣性，并且要具有足夠高的連接強(qiáng)度。由于級聯(lián)熱電器件實(shí)際使用溫度區(qū)間很大，級間絕緣層長期在高溫和大溫差條件下工作容易開裂，引起級聯(lián)熱電器件內(nèi)部出現(xiàn)過大的接觸電阻和接觸熱阻，從而導(dǎo)致熱電器件性能衰減甚至失效。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題包括提供ー種級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其可在不影響發(fā)電器可靠性的前提下，提高發(fā)電器整體效率。為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供ー種級聯(lián)式熱電發(fā)電器，包括產(chǎn)生熱量的熱源、將熱量轉(zhuǎn)換成電能的熱電發(fā)電部、及外殼，其中，所述熱電發(fā)電部包括從所述熱源 沿?zé)崃總鬟f方向依次徑向向外設(shè)置的級聯(lián)的至少兩個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)，所述級聯(lián)的至少兩個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)逐級傳遞熱量，且各級熱電發(fā)電系統(tǒng)分別用其接收到的熱量進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，且在所述外殼的外表面上纏繞有螺旋式水管。采用本實(shí)用新型，通過多個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)的級聯(lián)，熱量從熱源經(jīng)過各個(gè)溫度段的熱電發(fā)電系統(tǒng)傳遞至外殼，熱量經(jīng)過各級熱電發(fā)電系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生溫差，隨即產(chǎn)生電能，且至少兩個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)相對獨(dú)立，以便熱電發(fā)電系統(tǒng)可相對獨(dú)立地進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，即使在ー個(gè)系統(tǒng)失效的情況下，其他系統(tǒng)仍能正常工作。從而在保證了熱電發(fā)電器的可靠性的前提下，擴(kuò)大了熱電發(fā)電器的工作溫度區(qū)間，提高了熱電發(fā)電器的整體效率。還可以通過在螺旋式水管中導(dǎo)入制冷流體，從而起到冷卻外殼的作用，能使發(fā)電器內(nèi)部的熱量有效傳遞至外部，拉大熱量傳遞方向上的溫差，提高發(fā)電效率。在本實(shí)用新型中，也可以，各級熱電發(fā)電系統(tǒng)分別包括沿?zé)崃總鬟f方向依次徑向向外設(shè)置的集熱構(gòu)件、熱電構(gòu)件以及散熱構(gòu)件，所述熱電構(gòu)件的高溫側(cè)與所述集熱構(gòu)件相連且所述熱電構(gòu)件的低溫側(cè)與所述散熱構(gòu)件相連，所述熱電構(gòu)件從所述集熱構(gòu)件接收熱量以進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換并進(jìn)一歩向所述散熱構(gòu)件傳遞熱量。采用本實(shí)用新型，有利于實(shí)現(xiàn)各級熱電發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換。在本實(shí)用新型中，也可以，相鄰設(shè)置的兩級熱電發(fā)電系統(tǒng)中，位于熱量傳遞方向上位的上ー級熱電發(fā)電系統(tǒng)的散熱構(gòu)件為位于熱量傳遞方向下位的下ー級熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱構(gòu)件。采用本實(shí)用新型，由于兩級熱電發(fā)電系統(tǒng)共用了散熱構(gòu)件與集熱構(gòu)件，因此保證了熱量傳遞的延續(xù)性，當(dāng)ー個(gè)系統(tǒng)處于失效狀態(tài)時(shí)，其他系統(tǒng)仍能正常工作。在本實(shí)用新型中，也可以，各級熱電發(fā)電系統(tǒng)分別根據(jù)其集熱構(gòu)件處的溫度選擇具有不同工作溫度的熱電構(gòu)件。采用本實(shí)用新型，各級熱電發(fā)電系統(tǒng)的熱電構(gòu)件分別處于其各自的最佳工作溫度，因此能獲得最大的能量轉(zhuǎn)換效率。在本實(shí)用新型中，也可以，各級熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱構(gòu)件和散熱構(gòu)件為同軸設(shè)置的筒狀結(jié)構(gòu)，所述熱電構(gòu)件為多個(gè)徑向分布在所述集熱構(gòu)件與散熱構(gòu)件之間的熱電器件。采用本實(shí)用新型，可提高整個(gè)熱電發(fā)電器的熱電轉(zhuǎn)換效率。[0019]在本實(shí)用新型中，也可以，位于熱量傳遞方向最下位的熱電發(fā)電系統(tǒng)的散熱構(gòu)件為所述級聯(lián)式熱電發(fā)電器的外殼。采用本實(shí)用新型，外殼可作為整個(gè)熱電發(fā)電器系統(tǒng)的散熱結(jié)構(gòu)，熱量從熱源經(jīng)過各個(gè)溫度段的熱電發(fā)電系統(tǒng)傳遞至外殼后，從外殼散發(fā)。在本實(shí)用新型中，也可以，還包括連接于所述位于熱量傳遞方向最下位的熱電發(fā)電系統(tǒng)的熱電構(gòu)件的低溫側(cè)與所述外殼之間以將各熱電發(fā)電系統(tǒng)中的各個(gè)構(gòu)件壓緊的壓緊固定裝置。采用本實(shí)用新型，通過該壓緊固定裝置可以將各熱電發(fā)電系統(tǒng)中的各個(gè)構(gòu)件壓緊，從而保持各熱電構(gòu)件與集熱構(gòu)件、散熱構(gòu)件之間的良好接觸以保證熱量的良好傳遞。在本實(shí)用新型中，也可以，還包括與所述壓緊固定裝置相連且緊貼設(shè)置于所述外殼的內(nèi)側(cè)的支撐構(gòu)件。采用本實(shí)用新型，通過支撐部件的設(shè)置既可對壓緊固定裝置提供固定支持，又有利于熱量的傳遞。在本實(shí)用新型中，也可以，所述壓緊固定裝置通過螺紋壓緊方式或者彈簧壓緊方式壓緊各熱電發(fā)電系統(tǒng)中的各個(gè)構(gòu)件。采用本實(shí)用新型，壓緊固定裝置可以可靠而穩(wěn)定地壓緊各熱電發(fā)電系統(tǒng)中的各個(gè)構(gòu)件，保證熱量的良好傳遞。在本實(shí)用新型中，也可以，所述熱源為具有封閉結(jié)構(gòu)的熱源。采用本實(shí)用新型，該熱源結(jié)構(gòu)簡單，且無需與外部連通，從而以此構(gòu)造的熱電發(fā)電器結(jié)構(gòu)簡單，便于制造。在本實(shí)用新型中，也可以，所述熱源為具有管道結(jié)構(gòu)的熱源。采用本實(shí)用新型，熱源內(nèi)部可通過與外部貫通，可以將如排氣中的廢熱等從外殼的一端引入到熱源內(nèi)部，發(fā)生熱傳遞后從另一端排出，使發(fā)電器能利用該熱能產(chǎn)生電。在本實(shí)用新型中，也可以，在所述外殼軸向的兩端分別安裝有與所述熱源的管道結(jié)構(gòu)連通的管道轉(zhuǎn)接接口或法蘭。采用本實(shí)用新型，熱源內(nèi)部可通過管道轉(zhuǎn)接接口或法蘭與外部貫通，方便地將排氣廢熱等從外殼的一端引入到熱源內(nèi)部，發(fā)生熱傳遞后從另一端排出，使發(fā)電器能利用該熱能產(chǎn)生電。在本實(shí)用新型中，也可以，所述管道轉(zhuǎn)接接口或法蘭由金屬材料或者耐高溫有機(jī)材料制成。采用本實(shí)用新型，有利于將外部的熱量導(dǎo)入熱電發(fā)電器內(nèi)部，可提高整個(gè)發(fā)電器系統(tǒng)的發(fā)電效率。在本實(shí)用新型中，也可以，所述管道轉(zhuǎn)接接口或法蘭通過螺紋緊固或者焊接的方式與所述外殼相連。采用本實(shí)用新型，可以更牢固地結(jié)合管道轉(zhuǎn)接接口或法蘭與外殼。在本實(shí)用新型中，也可以，所述熱電構(gòu)件為由SiGe合金材料、方鈷礦或填充方鈷礦熱電材料、ZnSb3基熱電材料、Bi2Te3基熱電材料、半哈勒斯(half-Hesuler)化合物熱電材料中的一種構(gòu)成的熱電構(gòu)件。采用本實(shí)用新型，可有效地將熱能轉(zhuǎn)換為電能。[0039]在本實(shí)用新型中，也可以，位于熱量傳遞方向最上位的熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱構(gòu)件由高導(dǎo)熱的石墨或金屬材料制成。采用本實(shí)用新型，可提高該集熱構(gòu)件的集熱性能。在本實(shí)用新型中，也可以，除了位于熱量傳遞方向最上位的熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱構(gòu)件以外的集熱構(gòu)件由高導(dǎo)熱金屬材料制成。采用本實(shí)用新型，可提高該集熱構(gòu)件的集熱性能，并可進(jìn)一歩提高熱量傳遞性能，有利于整個(gè)熱電發(fā)電器的熱電轉(zhuǎn)換。優(yōu)選地，上述高導(dǎo)熱的金屬材料可以是銅，鋁，或合金材料。

圖I為本實(shí)用新型第一實(shí)施例的翅片散熱式級聯(lián)熱電發(fā)電器的示意圖； 圖2為圖I所示的翅片散熱式級聯(lián)熱電發(fā)電器的A-A線剖視圖；圖3為本實(shí)用新型第二實(shí)施例的螺旋水冷式級聯(lián)熱電發(fā)電器的示意圖；圖4為圖3所示的螺旋水冷式級聯(lián)熱電發(fā)電器的B-B線剖視圖；圖5為本實(shí)用新型第三實(shí)施例的U型水冷式級聯(lián)熱電發(fā)電器的示意圖；圖6為圖5所示的U型水冷式級聯(lián)熱電發(fā)電器的C-C線剖視圖；圖7為具有管道式熱源的圖I所示翅片散熱式級聯(lián)熱電發(fā)電器的示意圖；圖8為具有管道式熱源的圖3所示螺旋水冷式級聯(lián)熱電發(fā)電器的示意圖；圖9為具有管道式熱源的圖5所示U型水冷式級聯(lián)熱電發(fā)電器的示意圖。
具體實(shí)施方式
以下，參照附圖，并結(jié)合下述實(shí)施例進(jìn)ー步說明本實(shí)用新型。應(yīng)理解附圖及下述實(shí)施例僅是示例性地說明本實(shí)用新型，并不是限定本實(shí)用新型，在本實(shí)用新型的宗g和范圍內(nèi)，下述實(shí)施例可有多種變更。其中，各實(shí)施例中相同的部件以相同的附圖標(biāo)記標(biāo)出，并不再詳細(xì)描述。圖I至圖9分別示出了本實(shí)用新型級聯(lián)式熱電發(fā)電器的各個(gè)實(shí)施例。本實(shí)用新型的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，包括產(chǎn)生熱量的熱源、將熱量轉(zhuǎn)換成電能的熱電發(fā)電部、及外殼，其中，熱電發(fā)電部包括從熱源沿?zé)崃總鬟f方向依次徑向向外設(shè)置的級聯(lián)的至少兩個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)，該級聯(lián)的至少兩個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)逐級傳遞熱量，且各級熱電發(fā)電系統(tǒng)分別用其接收到的熱量進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。本實(shí)用新型提供的級聯(lián)式熱電發(fā)電器不采用多段復(fù)合熱電材料或級聯(lián)熱電發(fā)電器件，而是采用多個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)的級聯(lián)。本實(shí)用新型級聯(lián)式熱電發(fā)電器中的上述至少兩個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)相對獨(dú)立，在ー個(gè)系統(tǒng)失效的情況下，其他系統(tǒng)仍能正常エ作。如圖I 9所示，本實(shí)用新型的熱電發(fā)電器10、20、30形狀可以為大致圓柱形，其中心部設(shè)有熱源1，熱電發(fā)電系統(tǒng)依照熱量傳遞方向圍繞熱源層層設(shè)置，熱量從熱源I經(jīng)過各個(gè)溫度段的熱電發(fā)電系統(tǒng)傳遞至外殼8后，從外殼8散發(fā)。熱量經(jīng)過各級熱電發(fā)電系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生溫差，隨即產(chǎn)生電能，而位于最外層的外殼8可作為整個(gè)熱電發(fā)電器的散熱裝置。本實(shí)用新型通過將兩個(gè)或兩個(gè)以上的獨(dú)立的熱電發(fā)電系統(tǒng)組合起來，在保證了熱電發(fā)電器的可靠性的前提下，擴(kuò)大了熱電發(fā)電器的工作溫度區(qū)間，提高了熱電發(fā)電器的整體效率。更具體的，在本實(shí)用新型的級聯(lián)式熱電發(fā)電器中，上述各級熱電發(fā)電系統(tǒng)分別包括沿?zé)崃總鬟f方向依次徑向向外設(shè)置的集熱器、熱電器件以及散熱器，熱電器件的高溫側(cè)與集熱器相連且該熱電器件的低溫側(cè)與散熱器相連，該熱電器件從集熱器接收熱量以進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換并進(jìn)一步向散熱器傳遞熱量。各級熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱器和散熱器為同軸設(shè)置的筒狀結(jié)構(gòu)，并具有徑向分布在集熱器與散熱器之間的多個(gè)熱電器件。對于上述熱電發(fā)電器，相鄰設(shè)置的兩級熱電發(fā)電系統(tǒng)中，位于熱量傳遞方向上位的上一級熱電發(fā)電系統(tǒng)的散熱器為位于熱量傳遞方向下位的下一級熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱器。由于兩級熱電發(fā)電系統(tǒng)共用了散熱器與集熱器，因此保證了熱量傳遞的延續(xù)性，當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)處于失效狀態(tài)時(shí)，其他系統(tǒng)仍能正常工作。而且，各級熱電發(fā)電系統(tǒng)的熱電器件可由不同的熱電材料構(gòu)成，各級熱電器件(熱電材料)沿溫度梯度方向具有不同的最佳工作溫度。由于各級熱電發(fā)電系統(tǒng)的熱電器件分別處于其各自的最佳工作溫度，因此能獲得最大的能量轉(zhuǎn)換效率。在本實(shí)用新型中使用的熱電材料可以為SiGe合金材料、方鈷礦或填充方鈷礦(如CoSb3基)熱電材料、ZnSb3基熱電材料、Bi2Te3基熱電材料、half-Hesuler化合物(如ZrNiSn基、TiCoSb基等)熱電材料中的一種。其中，SiGe合金材料的工作溫度為700 1000°C ；方鈷礦或填充方鈷礦熱電材料的工作溫度為350 600 ；ZnSb3基熱電材料的工作溫度為200 400°C ；Bi2Te3基熱電材料的工作溫度為25 300°C ；half-Hesuler化合物的工作溫度為300 5000C o各級熱電發(fā)電系統(tǒng)可分別根據(jù)其集熱器處的溫度選擇具有不同工作溫度的熱電材料以構(gòu)成熱電器件。在具體的實(shí)施例中，例如在選擇位于熱量傳遞方向最上位(高溫段)的熱電發(fā)電系統(tǒng)的熱電材料時(shí)，可根據(jù)熱源溫度選擇。在選擇下位熱電發(fā)電系統(tǒng)(低溫段)的熱電材料時(shí)，可根據(jù)與該熱電發(fā)電系統(tǒng)相鄰的上位熱電發(fā)電系統(tǒng)的熱電材料的低溫側(cè)溫度選擇。本實(shí)用新型中，位于熱量傳遞方向最上位的一級熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱器用高導(dǎo)熱材料制成，該高導(dǎo)熱材料可以是石墨、銅、鋁或合金材料，除了該級集熱器以外的其他級集熱器可以采用高導(dǎo)熱金屬材料制成，該高導(dǎo)熱金屬材料可以是銅、鋁或合金材料。這樣，可進(jìn)一步提高熱量傳遞性能。如圖2、4和6所示，在本實(shí)用新型的級聯(lián)式熱電發(fā)電器中，還包括連接于位于熱量傳遞方向最下位的熱電發(fā)電系統(tǒng)的熱電器件的低溫側(cè)與外殼之間的壓緊固定裝置6。通過該壓緊固定裝置6可以將各熱電發(fā)電系統(tǒng)中的各個(gè)構(gòu)件壓緊，從而保持各熱電器件與集熱器之間的良好接觸以保證熱量的良好傳遞。此外，在本實(shí)用新型的級聯(lián)式熱電發(fā)電器中，還包括與壓緊固定裝置6相連且緊貼設(shè)置于外殼8的內(nèi)側(cè)的支撐部件7。壓緊固定裝置6與支撐部件7連接，支撐部件7又與級聯(lián)熱電發(fā)電器的外殼8緊密接觸，熱量通過壓緊固定裝置6和支撐部件7繼續(xù)傳遞，最終到達(dá)外殼8。外殼8也是整個(gè)系統(tǒng)的整體散熱結(jié)構(gòu)。該支撐部件7的設(shè)置既可對壓緊固定裝置6提供支持，又有利于熱量的傳遞。本實(shí)用新型的熱電發(fā)電器的外殼8為整個(gè)熱電發(fā)電器系統(tǒng)的散熱結(jié)構(gòu)，其可為具有各種散熱結(jié)構(gòu)的外殼，詳細(xì)結(jié)構(gòu)將在下文進(jìn)行描述。通過這些散熱結(jié)構(gòu)，熱量能很快從外売上散發(fā)掉，從而拉大整個(gè)系統(tǒng)在熱量傳遞方向上的溫差，提高整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的級聯(lián)熱電發(fā)電器的三個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明，各實(shí)施例中相同的部件以相同的附圖標(biāo)記表示。以下實(shí)施例采用了兩個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)，分別為高溫段發(fā)電系統(tǒng)和低溫段發(fā)電系統(tǒng)，但是并不限于此，也可以是三個(gè)或三個(gè)以上的組合。實(shí)施例I圖I為本實(shí)用新型第一實(shí)施例的翅片散熱式級聯(lián)熱電發(fā)電器10的示意圖；圖2為圖I所示的翅片散熱式級聯(lián)熱電發(fā)電器10的A-A線剖視圖。從圖I和圖2中可以看出，該熱電發(fā)電器10具有大致圓柱形的外殼8 ;在外殼8的中心設(shè)有與外殼 8同軸且產(chǎn)生熱量的圓筒狀熱源I ;在外殼8與熱源I之間形成有將熱量轉(zhuǎn)換成電能的由高溫段發(fā)電系統(tǒng)和低溫段發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成的發(fā)電部，高溫段發(fā)電系統(tǒng)包括與外殼8同軸并與熱源I外壁緊密接觸的筒狀的高溫段集熱器2、以一定間隔放射狀設(shè)置在高溫段集熱器2外表面上的高溫段熱電器件(熱電材料)3以及與外殼8同軸并與高溫段熱電器件3的低溫端緊密接觸的高溫段散熱器4，低溫段發(fā)電系統(tǒng)包括與高溫段散熱器4共用的低溫段集熱器4、在低溫段集熱器4外表面以一定間隔設(shè)置的低溫段熱電器件5。其中，高溫段集熱器2將熱量傳遞至高溫段熱電器件3，高溫段熱電器件3沿?zé)崃總鬟f方向產(chǎn)生溫差，由此產(chǎn)生電能，高溫段熱電器件3的低溫端與低溫段集熱器4相連，熱量通過低溫段集熱器4繼續(xù)傳遞至低溫段熱電器件5，該低溫段熱電器件5沿?zé)崃總鬟f方向同樣產(chǎn)生溫差，隨即產(chǎn)生電能，并進(jìn)一歩向外傳遞熱量。在本實(shí)施例中，該熱電發(fā)電器10還包括與低溫段熱電器件5的低溫端相連的壓緊固定裝置6，用于保持各熱電器件3、5與兩個(gè)集熱器2、4之間的良好接觸以保證熱量的良好傳遞。本實(shí)用新型中該壓緊固定裝置6的壓緊固定方式可以采用螺紋壓緊方式，或者彈簧壓緊方式。該壓緊固定裝置6還與支撐部件7連接，支撐部件7又與外殼8緊密接觸。熱量通過壓緊固定裝置6和支撐部件7繼續(xù)傳遞，最終到達(dá)外殼8。該支撐部件7既可起到固定并支持壓緊固定裝置6的作用，又由于其與外殼8緊密接觸，因而有利于熱量的傳遞。另外，在本實(shí)施例中，在外殼8的外表面上還形成有多個(gè)徑向分布的散熱翅片9。在外殼表面以一定間隔放射狀形成散熱翅片有利于整個(gè)發(fā)電器的散熱。通過這些散熱翅片9，熱量能很快從外殼8上散發(fā)掉。更優(yōu)選地，上述高溫段熱電器件3、低溫段熱電器件5、壓緊固定裝置6以及散熱翅片9形成在一條直線上，因此能使內(nèi)部的熱量有效傳遞至外部，拉大熱量傳遞方向上的溫差，提高發(fā)電效率。熱源I可以是封閉式也可以是管道式，作為熱源可以采用排氣廢熱等熱介質(zhì)。熱源I為具有管道結(jié)構(gòu)的熱源時(shí)，在外殼8軸向的兩端安裝有與熱源的管道結(jié)構(gòu)連通的管道轉(zhuǎn)接接ロ或法蘭12。圖7示出了該具有管道式熱源的圖I所示翅片散熱式級聯(lián)熱電發(fā)電器的示意圖。從圖7中可以看出，熱源內(nèi)部可通過管道轉(zhuǎn)接接ロ 12與外部貫通，可以將如排氣中的廢熱等從外殼8的一端引入到熱源內(nèi)部，發(fā)生熱傳遞后從另一端排出，使發(fā)電器10能利用該熱能產(chǎn)生電。該管道轉(zhuǎn)接接ロ或法蘭12與外殼8的連接方式可以為螺紋緊固或者焊接，這樣可以更牢固地結(jié)合。實(shí)施例2圖3為本實(shí)用新型第二實(shí)施例的螺旋水冷式級聯(lián)熱電發(fā)電器的示意圖；圖4為圖3所示的螺旋水冷式級聯(lián)熱電發(fā)電器的B-B線剖視圖；且圖8為具有管道式熱源的圖3所示螺旋水冷式級聯(lián)熱電發(fā)電器的示意圖。從圖3、4和8中可以看出，本實(shí)施例2與實(shí)施例I的區(qū)別點(diǎn)在于在發(fā)電器的外殼8的外表面上纏繞有螺旋式水管11，其他與實(shí)施例I相同的結(jié)構(gòu)在此不再詳述。該螺旋式水管11中可以導(dǎo)入制冷流體，從而起到冷卻外殼的作用。通過具有冷卻作用的螺旋式水管11，能進(jìn)一步拉大整個(gè)系統(tǒng)的溫差，提高整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。實(shí)施例3圖5為本實(shí)用新型第三實(shí)施例的U型水冷式級聯(lián)熱電發(fā)電器的示意圖；圖6為圖5所示的U型水冷式級聯(lián)熱電發(fā)電器的C-C線剖視圖；圖9為具有管道式熱源的圖5所示U型水冷式級聯(lián)熱電發(fā)電器的示意圖。從圖5、6和9中可以看出，本實(shí)施例3與實(shí)施例I的區(qū)別點(diǎn)在于發(fā)電器的外殼8的外表面上設(shè)置有U型水管13，該U型水管13中可以導(dǎo)入制冷流體，從而起到冷卻外殼的作用。通過具有冷卻作用的U型水管13，能進(jìn)一步拉大整個(gè)系統(tǒng)的溫差，提高整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。通過上述這些散熱結(jié)構(gòu)，熱量能很快從外殼上散發(fā)掉，從而拉大整個(gè)系統(tǒng)在熱量傳遞方向上的溫差，提高整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。采用本實(shí)用新型的級聯(lián)式熱電發(fā)電器可特別有效地將熱能轉(zhuǎn)換成電能，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，且發(fā)電效率高。
權(quán)利要求1.一種級聯(lián)式熱電發(fā)電器，包括產(chǎn)生熱量的熱源、將熱量轉(zhuǎn)換成電能的熱電發(fā)電部、及外殼，其特征在于所述熱電發(fā)電部包括從所述熱源沿?zé)崃總鬟f方向依次徑向向外設(shè)置的級聯(lián)的至少兩個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)，所述級聯(lián)的至少兩個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)逐級傳遞熱量，且各級熱電發(fā)電系統(tǒng)分別用其接收到的熱量進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，且在所述外殼的外表面上纏繞有螺旋式水管。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，各級熱電發(fā)電系統(tǒng)分別包括沿?zé)崃總鬟f方向依次徑向向外設(shè)置的集熱構(gòu)件、熱電構(gòu)件以及散熱構(gòu)件，所述熱電構(gòu)件的高溫側(cè)與所述集熱構(gòu)件相連且所述熱電構(gòu)件的低溫側(cè)與所述散熱構(gòu)件相連，所述熱電構(gòu)件從所述集熱構(gòu)件接收熱量以進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換并進(jìn)一步向所述散熱構(gòu)件傳遞熱量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，相鄰設(shè)置的兩級熱電發(fā)電系統(tǒng)中，位于熱量傳遞方向上位的上一級熱電發(fā)電系統(tǒng)的散熱構(gòu)件為位于熱量傳遞方向下位的下一級熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱構(gòu)件。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，各級熱電發(fā)電系統(tǒng)分別根據(jù)其集熱構(gòu)件處的溫度選擇具有不同工作溫度的熱電構(gòu)件。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，各級熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱構(gòu)件和散熱構(gòu)件為同軸設(shè)置的筒狀結(jié)構(gòu)，所述熱電構(gòu)件為多個(gè)徑向分布在所述集熱構(gòu)件與散熱構(gòu)件之間的熱電器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，位于熱量傳遞方向最下位的熱電發(fā)電系統(tǒng)的散熱構(gòu)件為所述級聯(lián)式熱電發(fā)電器的外殼。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，還包括連接于所述位于熱量傳遞方向最下位的熱電發(fā)電系統(tǒng)的熱電構(gòu)件的低溫側(cè)與所述外殼之間以將各熱電發(fā)電系統(tǒng)中的各個(gè)構(gòu)件壓緊的壓緊固定裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，還包括與所述壓緊固定裝置相連且緊貼設(shè)置于所述外殼的內(nèi)側(cè)的支撐構(gòu)件。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，所述壓緊固定裝置通過螺紋 壓緊方式或者彈簧壓緊方式壓緊各熱電發(fā)電系統(tǒng)中的各個(gè)構(gòu)件。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，所述熱源為具有封閉結(jié)構(gòu)的熱源。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，所述熱源為具有管道結(jié)構(gòu)的熱源。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，在所述外殼軸向的兩端分別安裝有與所述熱源的管道結(jié)構(gòu)連通的管道轉(zhuǎn)接接口或法蘭。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，所述管道轉(zhuǎn)接接口或法蘭由金屬材料或者耐高溫有機(jī)材料制成。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，所述管道轉(zhuǎn)接接口或法蘭通過螺紋緊固或者焊接的方式與所述外殼相連。
15.根據(jù)權(quán)利要求2至9中任一項(xiàng)所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，所述熱電構(gòu)件為由SiGe合金材料、方鈷礦或填充方鈷礦熱電材料、ZnSb3基熱電材料、Bi2Te3基熱電材料、半哈勒斯化合物熱電材料中的一種構(gòu)成的熱電構(gòu)件。
16.根據(jù)權(quán)利要求2至9中任一項(xiàng)所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，位于熱量傳遞方向最上位的熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱構(gòu)件由高導(dǎo)熱的石墨或金屬材料制成。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，除了位于熱量傳遞方向最上位的熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱構(gòu)件以外的集熱構(gòu)件由高導(dǎo)熱金屬材料制成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種級聯(lián)式熱電發(fā)電器，包括產(chǎn)生熱量的熱源、將熱量轉(zhuǎn)換成電能的熱電發(fā)電部、及外殼，其中，所述熱電發(fā)電部包括從所述熱源沿?zé)崃總鬟f方向依次徑向向外設(shè)置的級聯(lián)的至少兩個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)，所述級聯(lián)的至少兩個(gè)熱電發(fā)電系統(tǒng)逐級傳遞熱量，且各級熱電發(fā)電系統(tǒng)分別用其接收到的熱量進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，且在所述外殼的外表面上纏繞有螺旋式水管。
文檔編號H02N11/00GK202475321SQ20122000444
公開日2012年10月3日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者吳汀, 尹湘林, 柏勝強(qiáng), 陳立東 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所