專利名稱：溫差熱電偶單元組生電法及溫差熱電轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的方法，該方法將多個熱電偶單元串聯(lián)組成熱電偶單元組，使各熱電偶組產(chǎn)生的電動勢相疊加，以取得較高的總輸出電動勢，本發(fā)明還涉及利用其方法制成的溫差熱電轉(zhuǎn)換器。
近代以來，電力的發(fā)展十分迅速，發(fā)電的方式也多種多樣，在熱力發(fā)電這一方面，目前的方法主要是將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，再利用高溫高壓的機械能去帶動發(fā)電機發(fā)電，其能量轉(zhuǎn)換形式經(jīng)歷了熱能→機械能→電能三種能量形式，普遍存在污染嚴(yán)重，能量轉(zhuǎn)化率低的缺點，如果將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，少掉一個中間環(huán)節(jié)，能量轉(zhuǎn)化只經(jīng)歷熱能→電能兩種形式，將有可能使能量轉(zhuǎn)化率得以提高，目前出現(xiàn)了多種將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的方法，歐洲專利說明書EP142267就公布了這樣一種方法，其原理是利用熱能產(chǎn)生的高溫將某種物質(zhì)轉(zhuǎn)化成正負(fù)電荷混和在一起的等離子體，然后再將等離子體中的正負(fù)電荷分開，使正電荷集中在正極板上，負(fù)電荷集中在負(fù)極板上，從而在兩極板間產(chǎn)生電動勢，實現(xiàn)熱→電轉(zhuǎn)換，隨著保護環(huán)境的呼聲越來越高，目前日本和歐洲一些國家正致力于研究一種汽車用的氫氧燃料電池，僅英國就投入6億英鎊用于其開發(fā)，其原理是將氫氣和氧氣用一種特殊的薄膜分隔開來，氫氧在薄膜兩邊化合時產(chǎn)生電能，特點是無污染，但其燃料成本高，不易攜帶，且每次所帶燃料也有限，早在1821年，塞貝克(Seebeok)就發(fā)現(xiàn)了溫差電現(xiàn)象，但由于單個熱電偶能產(chǎn)生的電動勢很低，長期以來一直受到人們的忽視，至今仍未有人將其應(yīng)用于熱力發(fā)電。
本發(fā)明目的是基于溫差電現(xiàn)象原理，發(fā)明出溫差熱電偶單元組生電法，使熱能能夠直接，高效地轉(zhuǎn)化為電能，以提高燃料利用率，減少環(huán)境污染，并能以氣體或固體為燃料，緩解石油危機；為此，本發(fā)明還設(shè)計出將這種方法應(yīng)用于實際的熱電轉(zhuǎn)換裝置-溫差熱電轉(zhuǎn)換器，為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用塞貝克發(fā)現(xiàn)的溫差電現(xiàn)象原理，發(fā)明出溫差熱電偶單元組生電法，其構(gòu)思是每個熱電偶形成一個熱電偶單元，將多個相同這樣的熱電偶單元首尾串聯(lián)在一起組成熱電偶單元組，再與外部電路組成閉合回路，熱電偶單元組中每個熱電偶單元的高溫接頭都處于高溫區(qū)中，低溫接頭都處于低溫區(qū)中，多個熱電偶單元產(chǎn)生的電動勢相疊加，使熱電偶單元組的總電動勢等于所有熱電偶單元電動勢之和。
為將上述方法用于實際，本發(fā)明還設(shè)計出了溫差熱電轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)為外部有一燃燒室，其排氣口與發(fā)電系統(tǒng)的進氣口相連，發(fā)電系統(tǒng)由熱電偶組板，高溫區(qū)，低溫區(qū)組成，熱電偶組板是由許多相同的，彼此靠近的，長度在30CM以內(nèi)的熱電偶單元首尾串聯(lián)組成，各熱電偶單元金屬導(dǎo)體之間以及同一熱電偶單元兩根金屬導(dǎo)體間都用絕緣，絕熱且耐高溫的材料隔開，所有熱電偶單元的高溫接頭都處于高溫區(qū)中，低溫接頭都處于低溫區(qū)中，高溫區(qū)是一個有進氣口和排氣口的空間，用于通過高溫氣體或傳熱介質(zhì)；低溫區(qū)是一個有進水管和排水管的空間，用于通過冷水或其他降溫物質(zhì)，各熱電偶單元逐個串聯(lián)組成發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)部電路，再用導(dǎo)線將其發(fā)出的電能輸出到外部電路。
由于燃料在燃燒室內(nèi)集中燃燒，燃燒充分且燃燒過程平靜緩和，所以燃料利用率高，沒有噪音，固體，液體，氣體燃料都可在燃燒室里燃燒，只要放出熱量就可以對其加以轉(zhuǎn)化，所以對燃料性質(zhì)要求不高，可用汽油，天然氣，甚至煤粉作為燃料，特別是不用象汽油機那樣要對汽油進行鉛化處理，大大減輕了對環(huán)境的污染，另外，溫差熱電轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)很簡單，只由幾個部分組成，制造成本低。
燃料在燃燒室內(nèi)燃燒后放出的熱能，一部分被熱電偶單元吸收，用于產(chǎn)生電能；一部分被冷卻物質(zhì)帶走；另一部分隨氣體或?qū)峤橘|(zhì)從排氣管排出，如果將排氣管出來的導(dǎo)熱介質(zhì)重復(fù)利用其余熱，這一部分損失將很少，另外，如果將熱電偶單元的長度做得足夠長，使其能完全轉(zhuǎn)化從高溫接頭處所吸收到的熱能，則理論上由金屬導(dǎo)體從高溫區(qū)傳導(dǎo)至低溫區(qū)的熱損失將為零，這時由冷卻物質(zhì)帶走的熱量只是由于金屬導(dǎo)體存在內(nèi)電阻，電流流過內(nèi)部電路時產(chǎn)生的熱損耗，因此，這一部分的能量損失也很少，綜上所述，溫差熱電轉(zhuǎn)換器的能量轉(zhuǎn)化率是很高的。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。


圖1為由銅、鐵兩種金屬組成單個熱電偶的示意圖。
圖2為由多個熱電偶單元組成熱電偶單元組的示意圖。
圖3為多個熱電偶單元的金屬導(dǎo)體其橫截面在熱電偶單元組板內(nèi)的排列圖。
圖4為多個熱電偶單元的高溫或低溫接頭在熱電偶單元組板表面連接示意圖。
圖5為由兩塊熱電偶單元組板共用一高溫區(qū)，各使用一低溫區(qū)，且它們的內(nèi)電路相串聯(lián)組成一個發(fā)電系統(tǒng)的示意圖。
圖6為由一個燃燒室向多個熱電偶單元組供熱的示意圖。
圖7為熱氣流或傳熱介質(zhì)在高溫區(qū)內(nèi)的繞回示意圖。
圖8為一種高溫接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為一種低溫接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為在發(fā)電系統(tǒng)的進氣口前端加上降溫裝置示意圖。
圖1為由銅(2)和鐵(1)兩種金屬組成單個熱電偶的示意圖在金屬導(dǎo)體接頭處，左端接頭溫度(T1)高于右端接頭溫度(T2)，稱左端接頭為高溫接頭，右端接頭為低溫接頭，此時產(chǎn)生了在高溫接頭處由銅流向鐵的電流(3)，熱能在兩個地方轉(zhuǎn)化為電能其一是在高溫接頭和低溫接頭處產(chǎn)生兩個方向相反的電動勢，但在低溫接頭處產(chǎn)生的電動勢小于在高溫接頭處產(chǎn)生的電動勢，其代數(shù)和不為零，這個合電動勢稱為帕爾帖電動勢；其二是在兩根金屬導(dǎo)體內(nèi)部各產(chǎn)生一個從低溫接頭指向高溫接頭的電動勢，其方向相反，且代數(shù)和不為零，這個合電動勢稱為湯姆孫電動勢，整個熱電偶產(chǎn)生的電動勢為帕爾帖電動勢與湯姆孫電動勢之和，設(shè)金屬兩端溫度分別為T1和T2(T1＞T2)，按照物理理論，閉合回路產(chǎn)生的電動勢E為E=α(T1-T2)+0.5β(T1-T2)2(式1-1)其中α和β是與金屬性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，如果在上述熱電偶回路中再插入一段金屬導(dǎo)體，只要這段金屬兩端溫度相同，它對整個閉合回路的電動勢將不產(chǎn)生任何影響，這稱為中間金屬定律，因此，若金屬1和金屬2組成熱電偶有α1和β1，金屬2金屬3組成熱電偶有α2和β2,則金屬1和金屬3組成熱電偶就有(α1-α2)和(β1-β2)圖2為由多個熱電偶單元組成熱電偶單元組(4)的示意圖。各熱電偶單元的高溫接頭都處于同一側(cè)，低溫接頭都處于另一側(cè)。這個熱電偶單元組產(chǎn)生的總電動勢E總為各熱電偶單元所產(chǎn)生的電動勢之和E總=E1+E2+E3+···(式1-2)設(shè)這個熱電偶單元組的內(nèi)部電阻為r，與外部電阻為R的用電器(6)組成一個閉合回路。按照閉合回路的歐姆定律，整個電源的總功率P總為P總=E總2÷(R+r)(式1-3)其輸出功率P為P=P總×[R÷(R+r)] (式1-4)其系統(tǒng)效率n為n=P/P總=R/(R+r)(式1-5)內(nèi)部電阻r的計算可利用電阻率公式r=ρL/S(式1-6)ρ為金屬導(dǎo)體的電阻率，L為其長度，S為其橫截面積。
同時，當(dāng)金屬導(dǎo)體溫度升高時，其電阻率ρ也會升高，其公式為ρ=ρ0(1+at) (式1-7)ρ0是金屬在0℃時的電阻率，a是一個與金屬性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，t是金屬的溫度。
單個熱電偶產(chǎn)生的電動勢很小，但是若將多個熱電偶單元串聯(lián)起來組成熱電偶單元組，由(式1-2)可知，其總電動勢E總將會提高，又由(式1-1)可知，電動勢是溫差的二次函數(shù)，溫度上升會使電動勢增加得很快，因此，通過串聯(lián)和升溫這兩條途徑，就可以得到足夠大的總電動勢E總。
從(式1-3)中可以看出，當(dāng)E總為一定值時，總功率P總與(R+r)成反比，所以要想增加熱電偶單元組的總功率P總，必須盡可能減小內(nèi)，外電阻之和(R+r)。
從(式1-5)中可以看出，系統(tǒng)效率n與R/(R+r)成正比，也即是說，外電阻阻值R占系統(tǒng)總阻值(R+r)的比重越大，系統(tǒng)效率就越高。
所以，欲想使多個熱電偶單元串聯(lián)組成為一個較理想的電源，必須從增加串聯(lián)的熱電偶個數(shù)，升溫，減小內(nèi)外電阻之和，增加外電阻在總電阻中的比重這四個方面入手。
利用上述原理獲得電源的方法在此命名為溫差熱電偶單元組生電法。
圖3為多個熱電偶單元的金屬導(dǎo)體其橫截面在熱電偶單元組板內(nèi)的排列示意圖，圖中顯示出各熱電偶單元相互間緊密排列，金屬間的空隙很小，空隙中的填充材料可選用石棉等能起到絕熱，絕緣且耐高溫的材料，假設(shè)組成每個熱電偶單元的兩種金屬導(dǎo)體長度都是10CM，橫截面積都是0.9×0.9=0.81CM2.各金屬導(dǎo)體兩兩相距1CM(中間縫隙寬為0.2CM)，排列面積為50×50=2500CM2，整個熱電偶單元組板尺寸則為50CM×50CM×10CM，圖4為多個熱電偶單元的高溫接頭或低溫接頭在熱電偶單元組板表面連接示意圖，從圖中可看出，熱電偶單元的串聯(lián)方式是先從熱電偶單元組板一側(cè)起依次橫向連接成一排，連到另一側(cè)的邊緣時，再從這一側(cè)起連下一排到對側(cè)，以此類推。
圖5為由兩塊熱電偶單元組板共用一高溫區(qū)，各使用一低溫區(qū)，且它們的內(nèi)電路相串聯(lián)組成一個發(fā)電系統(tǒng)的示意圖，圖中顯示的是發(fā)電系統(tǒng)沿?zé)犭娕冀M板(8)厚度方向的一個截面，高溫氣體從進氣口(12)進入高溫區(qū)(9)，與高溫接頭(17)進行熱交換后，其溫度降低，最后從排氣口(13)排出，若為傳熱介質(zhì)，則它從排氣口出來后，一部分又返回燃燒室(23)里重新進行加熱，另一部分則進入流量控制室(27)里，這樣使熱損失最少，同樣，冷卻水或冷卻氣體從進水管(10)進入，將低溫接頭(16)降溫后，從排水管(11)排出，最好使高溫物質(zhì)在高溫區(qū)中的流向與冷卻物質(zhì)在低溫區(qū)(7)中的流向相反，這樣有助于熱電偶單元(14)充分吸收熱能，熱電偶單元組產(chǎn)生的電能由導(dǎo)線輸出到外部(18)。
圖6為由一個燃燒室(19)向多個熱電偶單元組(20)供熱的示意圖，一個發(fā)電系統(tǒng)可以包含多個熱電偶單元組，為滿足實際需要，可將這些熱電偶單元組的電路進行串聯(lián)，并聯(lián)或混聯(lián)，各熱電偶單元組并列排列，相鄰熱電偶單元組之間可共用一個高溫區(qū)或低溫區(qū)，但為了提高染料利用率，最好只使用一個燃燒室為它們提供熱能。
圖7為熱氣流或傳熱介質(zhì)在高溫區(qū)內(nèi)的繞回示意圖，如果熱氣流或傳熱介質(zhì)在高溫區(qū)內(nèi)直接通過不能充分地和熱電偶單元交換熱能，則采取多次繞回的辦法。
圖8為一種高溫接頭的結(jié)構(gòu)示意圖，為充分交換熱能，可將高溫接頭的連接面積做大一些，另外，為防止熱電偶金屬和高溫物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，或者由于溫度過高被氧化，應(yīng)在其表面鍍上一層氧化膜(21)。
圖9為一種低溫接頭的結(jié)構(gòu)示意圖，為防止冷卻水和低溫接頭直接接觸導(dǎo)電而引起短路，應(yīng)使用絕緣性較的材料(22)將它們隔開。
圖10為在發(fā)電系統(tǒng)的進氣口前端加上降溫裝置示意圖，如果進入圖5高溫區(qū)中的高溫物質(zhì)的溫度高于熱電偶金屬熔點較低的那種金屬，將導(dǎo)致金屬熔化，因此在高溫物質(zhì)進入進氣口之前預(yù)先將其降溫(當(dāng)然也可采取其他辦法)，進氣口前端有一個能測高溫的鉑銠-鉑熱電偶溫度計(25)，它將進入進氣口的高溫物質(zhì)的溫度反饋回流量控制器(27)，流量控制器據(jù)此確定常溫空氣(28)或從排氣管中流回來的傳熱介質(zhì)(28)其流量的大小，從流量控制器中出來的物質(zhì)在降溫室(24)中和從燃燒室(23)中出來的熱流相混和，最后混和流進入到發(fā)電系統(tǒng)的高溫區(qū)(26)。
為了顯示其應(yīng)用前景，現(xiàn)舉一例計算說明之。
例兩塊熱電偶組板上共串聯(lián)了10000個熱電偶單元，每個熱電偶單元長10CM，金屬導(dǎo)體橫截面積為0.5CM2，平均溫差(T1-T2)=600℃，平均溫度t=400℃，平均電阻率ρ=5*10-8(歐*米)，平均a=5*10-3(℃-1)，熱電偶金屬采用銻和鉍，外部用電器的電阻R=6歐姆，現(xiàn)對其輸出功率P進行計算。
解由[式1-7]，ρ=ρ0(1+αt)解由[式1-7]， ρ=ρ0(1+αt)=5*10-8*(1+5*10-3*400)=1.5*10-7歐*米由[式1-6]， r=ρL/S=1.5*10-7*10000*2*0.1/(0.5*10-4)=6歐姆由[式1-1]， E=α(T1-T2)+0.5β(T1-T2)2=80*10-6*8600+0.5*0.6*10-6*6002=0.1578v由[式1-2]，E總=E1+E2+E3+…=10000*0.1578=1578v由[式1-3]和[式1-4]，P=P總*[R/(R+r)]=[E2/(R+r)]*[R/(R+r)]=[1578*1578/(6+6)]*[6/(6+6)]=103753.5w=104kw
權(quán)利要求
1．一種將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的方法，利用溫差熱電偶原理，其特征在于每個熱電偶形成一個熱電偶單元(14)，將多個相同這樣的熱電偶單元首尾串聯(lián)在一起組成熱電偶單元組(4)，再與外部電路組(5)和(6)成閉合回路，熱電偶單元組中每個熱電偶單元的高溫接頭(17)都處于高溫區(qū)(9)中，低溫接頭(16)都處于低溫區(qū)(7)中，多個熱電偶單元產(chǎn)生的電動勢相疊加，使熱電偶單元組的總電動勢等于所有熱電偶單元電動勢之和。
2．一種利用權(quán)利要求1所述方法制成的溫差熱電轉(zhuǎn)換器，由一個燃燒室向發(fā)電系統(tǒng)供電，其特征在于具有多個相同的首尾串聯(lián)的熱電偶單元(14)，每個熱電偶單元的長度在30CM以內(nèi)，且彼此長度相等，各熱電偶單元彼此離得很近，各金屬導(dǎo)體(1)和(2)之間用絕緣絕熱且耐高溫的材料(15)分隔開，大量相同這樣的熱電偶單元以這種連接方式組成一塊板狀的熱電偶單元組板(8)，其厚度為每個熱電偶單元的長度，其面積為所有金屬導(dǎo)體橫截面積之和加上金屬導(dǎo)體之間分隔材料(15)的橫截面積，熱電偶單元組板一側(cè)表面處于高溫區(qū)(9)中，另一側(cè)表面處于低溫區(qū)(7)中，熱電偶單元組的兩個電極用導(dǎo)線接出，將其產(chǎn)生的電能輸出到外部電路(18)。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫區(qū)入口，為防止進入高溫區(qū)的物質(zhì)溫度過高使高溫區(qū)內(nèi)金屬熔化，在其進入之前要將其適當(dāng)降溫，在入口管內(nèi)安裝一個鉑銠-鉑熱電偶溫度計(25)，將進入高溫區(qū)物質(zhì)的溫度反饋給一個流量控制器(27)，流量控制器用于調(diào)節(jié)降溫物質(zhì)(28)的流量大小，從流量控制器中出來的降溫介質(zhì)與從燃燒室(23)中出來的高溫介質(zhì)在混和室(24)中進行混和后，再進入發(fā)電系統(tǒng)(26)。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的降溫物質(zhì)，若高溫物質(zhì)為氣體，則采用常溫空氣作降溫物質(zhì)，此時排氣口(13)中直接將氣體排出外部，不再進行循環(huán)，若高溫物質(zhì)為傳熱介質(zhì)，為減少熱損失，將排氣口(13)中出來的傳熱介質(zhì)再分成兩部分一部分流回燃燒室(23)升溫，另一部分流入流量控制器。
5．根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電偶單元組板(8)，可將多個這樣的組板其電路用導(dǎo)線串聯(lián)，并聯(lián)或混聯(lián)在一起，組板一側(cè)之間兩兩隔開一段踞離，中間為公共的高溫區(qū)或低溫區(qū)。
6．根據(jù)權(quán)利要求2所述的高溫物質(zhì)，可以為直接燃燒后的高溫氣體，或一種熱導(dǎo)率較好的傳熱介質(zhì)。
7．根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱電偶單元金屬，可以為純金屬或合金。
8．根據(jù)權(quán)利要求2所述的接頭，在高溫接頭表面鍍上一層氧化膜(21)防止其被氧化，在低溫接頭和冷卻物質(zhì)之間用絕緣材料(22)隔開，以防止冷卻物質(zhì)和低溫接頭直接接觸造成短路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的方法,并依此方法設(shè)計出了溫差熱電轉(zhuǎn)換器。將多個相同的熱電偶單元(14)串聯(lián)起來,組成板狀的熱電偶單元組板(8),構(gòu)成一個電源的內(nèi)部電路,每個熱電偶單元的高溫接頭(17)都處于高溫區(qū)(9)中,低溫接頭都處于低溫區(qū)(7)中,熱電偶單元組的總電動勢等于各個熱電偶單元電動勢制和,可將熱能高效轉(zhuǎn)化為電能,并且對燃料性質(zhì)要求不高。
文檔編號H02N10/00GK1223496SQ98113410
公開日1999年7月21日 申請日期1998年1月12日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月12日
發(fā)明者朱長青 申請人:朱長青