热电发电装置与热电发电系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种热电发电装置与热电发电系统。热电发电装置包括一散热元件、一集热元件以及至少一热电发电模块。集热元件配置于散热元件的一侧，其中集热元件具有一第一面与相对于第一面的一第二面，集热元件适于以第一面面对热辐射源，以在一预设距离内不接触热辐射源而接收热辐射源的热能。热电发电模块配置于集热元件的第二面与散热元件之间并连接散热元件与集热元件，以通过散热元件与集热元件之间的温度差而发电，其中该集热元件的热辐射率大于0.8。另公开一种热电发电系统。
【专利说明】热电发电装置与热电发电系统
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种发电装置，且特别是涉及一种热电发电装置。
【背景技术】
[0002]近年来，在工业发展的趋势下，窑炉或是燃烧装置等因运转而产生大量废热的工业装置使用频繁，而这些工业装置所产生的热能会散逸至环境中而造成热污染。由于环境气候剧烈变化与能源短缺，人们的环保意识提高，而使相关的议题受到关注。因此，各种相关的解决方法因应而生，而热电发电便是其中之一。
[0003]热电发电(thermoelectric-generator, TEG)装置是一种能将热能转换成电能的装置，其利用由半导体材料制成的热电材料所组成的热电发电模块通过集热元件与散热元件之间的温度差而进行热电转换。因此，热电发电装置能经由回收前述的废热而转换成电能。此举除了可降低工业废热对环境的影响之外，也可为日益减少的能源开拓新来源，以达到节能减碳与减热发电等环保效益。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种热电发电装置，其具有良好的集热与发电效果。
[0005]本发明的另一目的在于提供一种热电发电系统，其具有良好的集热与发电效果。
[0006]为达上述目的，本发明提出一种热电发电装置，包括一散热元件、一集热元件以及至少一热电发电模块。集热元件配置于散热元件的一侧，其中集热元件具有一第一面与相对于第一面的一第二面，集热元件适于以第一面面对一热辐射源，以在一预设距离内不接触热辐射源而接收热辐射源的热能。热电发电模块配置于集热元件的第二面与散热元件之间并连接散热元件与集热元件，以通过散热元件与集热元件之间的温度差而发电，其中集热元件的热辐射率大于0.8。
[0007]本发明再提出一种热电发电系统，包括一热辐射源以及一热电发电装置。热电发电装置配置于热辐射源的一侧，以接收热辐射源的热能而发电。热电发电装置包括一散热元件、一集热元件以及至少一热电发电模块。集热元件配置于散热元件的一侧，其中集热元件具有一第一面与相对于第一面的一第二面，集热元件以第一面面对热辐射源，以在一预设距离内不接触热辐射源而接收热辐射源的热能。热电发电模块配置于集热元件的第二面与散热元件之间并连接散热元件与集热元件，以通过散热元件与集热元件之间的温度差而发电，其中集热元件的热辐射率大于0.8。
[0008]基于上述，本发明的热电发电装置与热电发电系统将集热元件面对热辐射源，以在预设距离内不接触热辐射源而接收热辐射源的热能，而热电发电模块配置于集热元件与散热元件之间，以通过散热元件与集热元件之间的温度差而发电。据此，本发明的热电发电装置与热电发电系统具有良好的集热与发电效果。
[0009]为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明一实施例的热电发电系统的示意图；
[0011]图2是图1的热电发电装置的示意图；
[0012]图3是图2的热电发电模块的示意图；
[0013]图4是本发明另一实施例的热电发电装置的示意图；
[0014]图5是本发明另一实施例的热电发电系统的示意图；
[0015]图6是图5的热电发电装置的示意图；
[0016]图7是图6的集热元件的示意图；
[0017]图8是本发明另一实施例的集热元件的示意图；
[0018]图9是本发明另一实施例的集热元件的示意图；
[0019]图10是本发明另一实施例的集热元件的示意图；
[0020]图11是图1的热电发电系统的集热方法的流程图。
[0021]主要元件符号说明
[0022]50:热电发电系统
[0023]52:热辐射源
[0024]100、100a、100b:热电发电装置
[0025]110:散热元件
[0026]120、120a、120b、120c、120d、120e:集热元件
[0027]122:绝热涂层
[0028]124:导热层
[0029]126、126c、126d、126e:集热鳍片
[0030]130:热电发电模块
[0031]132:P型热电元件
[0032]134:N型热电元件
[0033]136:基板
[0034]140:界面元件
[0035]D:预设距离
[0036]R:热辐射范围
[0037]S1:第一面
[0038]S2:第二面
【具体实施方式】
[0039]图1是本发明一实施例的热电发电系统的示意图。图2是图1的热电发电装置的示意图。请参考图1与图2，在本实施例中，热电发电系统50包括热辐射源52以及热电发电装置100。热辐射源52例如是锅炉或是燃烧装置等因运转而产生热能的装置，且其热能是以热辐射的方式散逸至装置的外部，但本发明不限制热辐射源52的种类与型式。热电发电装置100配置于热辐射源52的一侧，以接收热辐射源52的热能而发电。
[0040]在本实施例中，热电发电装置100包括散热元件110、集热元件120、热电发电模块130以及两界面元件140。散热元件110例如是空气冷却系统或水冷系统。集热元件120 可通过挤型(extrusion)、压铸(diecasting)、冲压(stamping)、锻造(forging)、折弯(bending)或金属粉末注塑成型(metal injection molding)等加工方式加工而成。集热元件120配置于散热元件110的一侧，其中集热元件120具有第一面SI与相对于第一面SI的第二面S2，而集热元件120以第一面SI面对热辐射源52，以在预设距离D内不接触热辐射源52而接收热辐射源52的热能。因此，集热元件120的温度大于散热元件110的温度，而使两者之间存在温度差。
[0041]另一方面，在本实施例中，热电发电模块130配置于集热元件120的第二面S2与散热元件110之间并连接散热元件110与集热元件120，以通过散热元件110与集热元件120之间的温度差而发电。两界面元件140分别配置于热电发电模块130与集热元件120之间以及热电发电模块130与散热元件110之间。界面元件140的材料例如是导热膏、导热胶或石墨片等具有高热传导率的材料，以提高散热元件110与集热元件120将温度传递至热电发电模块130的效率。然而，本发明不限制散热元件110、集热元件120与界面元件140的材料或型式，任何具有相似功能的材料或元件都能应用于本发明。
[0042]图3是图2的热电发电模块的示意图。请参考图1与图3，具体而言，在本实施例中，热电发电模块130包括多个P型热电元件132与多个N型热电元件134。这些P型热电元件132与N型热电元件134互相串联，并以焊料(未绘示)固定于两基板136 (冷端基板与热端基板)之间，以使热电发电模块130通过基板136传递散热元件110与集热元件120之间的温度差而通过P型热电元件132与N型热电元件134发电。此外，在其他实施例中，热电发电装置可包括多个热电发电模块130。热电发电模块130互相串联或并联而配置于集热元件120的第二面S2与散热元件110之间并连接散热元件110与集热元件120，但本发明不限制热电发电模块130的数量。
[0043]此外，在本实施例中，集热元件120的第二面S2未接触热电发电模块130的部分具有绝热涂层122。因此，在集热元件120的第一面SI面对热辐射源52并接收热辐射源52的热能之后，热能可直接从集热元件120的第二面S2接触热电发电模块130的部分传递至热电发电模块130，而不从集热元件120的第二面S2未接触热电发电模块130的部分散逸至外界，以确保集热元件120传递至热电发电模块130的热能与散热元件110之间的温度差足以使热电发电模块130具有可接受的发电效果。
[0044]另一方面，选用具有高热辐射率、高热传导率以及高比表面积的材料制作集热元件120，可在固定的预设距离D内有效地收集热辐射源52所辐射出的热能，也可增加散热元件110与集热元件120之间的温度差而提高热电发电模块130的发电效率。具有高热辐射率、高热传导率以及高比表面积的材料例如是因具有黑色外观而具有高热辐射率的材料，或是具有粗糖的表面(闻比表面积)而容易接收热能(闻热福射率)的材料，也可为具有闻热传导率而不易反射所接收的热能并容易将热能传递至热电发热模块130的材料。因此，集热元件120的材料可选用多孔性材料或含碳复合材料，也可经过表面阳极电黑处理或者涂布具有上述特性的涂层，以使集热元件120的热辐射率大于0.8而能有效的接收热能。
[0045]在本实施例中，集热元件120的材料为多孔性材料例如是发泡石墨。发泡石墨的比表面积大于2000 (m2/m3)，热传导率大于1000 (W/mK)，而热辐射率约为0.9。因此，发泡石墨同时具有高热辐射率、高热传导率以及高比表面积的特性，以使集热元件120能在预设距离D内有效地收集热辐射源52的热能，并将热能快速地传递至热电发电模块130，以提高热电发电模块130的发电效率。然而，在其他实施例中，集热元件120的材料可为含碳复合材料，例如是碳纤维铝基复合材料、碳纤维铜基复合材料、石墨铝基复合材料或是石墨铜基复合材料。举例而言，石墨铝基复合材料的热传导率介于200 (W/mK)至600 (W/mK)之间，而热辐射率约为0.85，也能使集热元件120有效地收集热辐射源52的热能，并将热能快速地传递至热电发电模块130，但本发明不以此为限制。
[0046]在本实施例中，热辐射源52可为具有凹凸表面或为转动式热辐射源，例如是旋转式的工业用窑炉(kiln)。因此，一般常见的接触式(贴合式)热电发电装置无法通过接触此类装置的外壁而将直接热能传递至热电发电装置。然而，本实施例的集热元件120适于以第一面SI面对热辐射源52，以在预设距离D内不接触热辐射源52而接收热辐射源52的热能，并使热电发电模块130通过散热元件110与集热元件120之间的温度差而发电。因此，只要将热电发电装置100的集热元件120设置于热辐射源52的一侧而与热辐射源52相隔预设距离D (预设距离D通常是数公分至数十公分)，即可有效地收集热辐射源52的热能。据此，本发明的热电发电装置100与热电发电系统50具有良好的集热与发电效果。
[0047]图4是本发明另一实施例的热电发电装置的示意图。请参考图4，在本实施例中，热电发电装置IOOa与热电发电装置100的主要差异在于，热电发电装置IOOa的集热元件120a具有导热层124。导热层124配置于集热元件120a的表面上，以提升集热元件120a的热辐射率。具体而言，集热元件120a的材料可以是多孔性材料例如是发泡金属，其中发泡金属可为发泡铝或发泡铜，但本发明不以此为限制。这类发泡金属通过其多孔性与金属特性而具有高比表面积与高热传导率，但其热辐射率较不如前述的发泡石墨与含碳复合材料。因此，由这类发泡金属所制成的集热元件120a可通过在其表面上配置导热层124，例如是通过表面阳极电黑处理而配置于集热元件120a的表面的表面阳极电黑处理层，以使集热元件120a的外观呈现黑色而提升集热元件120a的热辐射率。
[0048]另一方面，集热元件120a的材料也可为金属，例如是铝或铜。由这类金属所制成的集热元件120a也可通过在其表面上通过表面阳极电黑处理而配置导热层124，以提升集热元件120a的热辐射率。此外，由这类金属所制成的集热元件120a也可通过喷涂制作工艺而在其表面上配置导热层124，例如是通过喷涂高热辐射率材料(热辐射率大于0.7)而配置于集热元件120a上的喷涂层，以提升集热元件120a的热辐射率，但本发明不限制集热元件120a与导热层124的材料以及导热层124的配置方式。
[0049]图5是本发明另一实施例的热电发电系统的示意图。图6是图5的热电发电装置的示意图。图7是图6的集热元件的示意图。请参考图5至图7,在本实施例中,热电发电装置IOOb与热电发电装置100的主要差异在于，热电发电装置IOOb的集热元件120b具有多个集热鳍片126。集热鳍片126位于集热元件120b的第一面SI并面对热辐射源52而接收热辐射源52的热能，其中集热鳍片126为片状结构，而集热鳍片126布满集热元件120b的第一面SI，如图7所示。因此，集热元件120b可通过集热鳍片126而提高集热元件120b的表面积，进而提高集热元件120b接收热能的效能(热传导率)。在其他实施例中，集热元件也可依据需求调整集热鳍片的形状与排列方式，本发明不以此为限制。
[0050]图8是本发明另一实施例的集热元件的示意图。图9是本发明另一实施例的集热元件的示意图。图10是本发明另一实施例的集热元件的示意图。请参考图8至图10，在这些实施例中，集热元件分别依据使用需求而具有不同形状或排列方式的集热鳍片。在图8的实施例中，集热元件120c的集热鳍片126c为弧形的片状结构，且这些集热鳍片126c在集热元件120c的第一面SI的中间排列成放射状。在图9的实施例中，集热元件120d的集热鳍片126d为圆柱状结构，且这些集热鳍片126d布满集热元件120d的第一面SI。在图10的实施例中，集热元件120e的集热鳍片126e为圆柱状结构，且这些集热鳍片126e在集热元件120e的第一面SI的中间排列成圆形。由上述实施例可知，热电发电装置能依据需求而调整集热鳍片的形状或排列方式，以使热电发电装置具有良好的集热与发电效果。
[0051]图11是图1的热电发电系统的集热方法的流程图。请参考图1与图11，在本实施例中，集热方法适于使热电发电装置100的集热元件120收集热辐射源52的热能。集热方法包括下列步骤:在步骤SllO中，将集热元件120设置于热辐射源52的热辐射范围R内且与热辐射源52相隔预设距离D而不接触热辐射源52。在步骤S120中，通过集热元件120接收热辐射源52所辐射出的热能。
[0052]具体而言，热辐射源52依据其种类与运作条件而具有不同的热辐射范围R。将集热元件120设置于热辐射源52的热辐射范围R内，以确保集热元件120能接收热辐射源52。此外，热辐射源52具有凹凸表面或为转动式热辐射源。将集热元件120配置于热辐射源52的一侧，并与热辐射源52相隔预设距离D而不接触热辐射源52，其中预设距离D可依据实际需求而调整，以在不影响热辐射源52的运作的前提下接收热能。因此，集热元件120能接收热辐射源52所辐射出的热能并传递至热电发电装置100的热电发电模块130，以使热电发电模块130通过散热元件110与集热元件120之间的温度差而发电。另外，在其他实施例中，集热元件120b具有集热鳍片126 (如图5所示)。因此，集热元件120b能以集热鳍片126面对热辐射源52而接收热辐射源52所辐射出的热能。据此，本发明的集热方法具有良好的集热效果。
[0053]实际测量不同实施例的热电发热装置，其中热辐射源52为旋转式的工业用窑炉，其外部炉壁的温度约为300°C至320°C，而热电发热装置与热辐射源52相隔预设距离D (约为10公分至20公分)而不接触热辐射源52。在前述的条件下，以材料为含碳复合材料且具有集热鳍片的集热元件而言，其连接集热元件的热电发电模块的热端温度为110°C，而热电发电装置的发电功率为7.5瓦(W)。以材料为铝且经过表面阳极电黑处理并具有集热鳍片的集热元件而言，其连接集热元件的热电发电模块的热端温度为90°C，而热电发电装置的发电功率为5.5瓦。以材料为铝但未经过表面阳极电黑处理且不具有集热鳍片的集热元件而言，其连接集热元件的热电发电模块的热端温度为80°C，而热电发电装置的发电功率仅为3.7瓦。因此，选择具有高热辐射率、高热传导率以及高比表面积的材料制作集热元件，或者选择配置集热鳍片，可使热电发电装置与热电发电系统具有良好的集热与发电效果。
[0054]综上所述，本发明的热电发电装置与热电发电系统将集热元件面对热辐射源，以在预设距离内不接触热辐射源而接收热辐射源的热能，其中集热元件的材料为具有高热辐射率、高热传导率以及高比表面积的材料，以提高集热元件接收热辐射源的热能的效率。热电发电模块配置于集热元件与散热元件之间，以通过散热元件与集热元件之间的温度差而发电。据此，本发明的热电发电装置与热电发电系统具有良好的集热与发电效果。此外，本发明的集热方法将集热元件设置于热辐射源的热辐射范围内，以在预设距离内不接触热辐射源而接收热辐射源的热能。据此，本发明的集热方法具有良好的集热效果。[0055] 虽然已结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属【技术领域】中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。
【权利要求】
1.一种热电发电装置，包括: 散热元件； 集热兀件，配置于该散热兀件的一侧，其中该集热兀件具有第一面与相对于该第一面的第二面，该集热元件适于以该第一面面对该热辐射源，以在一预设距离内不接触该热辐射源而接收该热辐射源的热能；以及 至少一热电发电模块，配置于该集热元件的该第二面与该散热元件之间并连接该散热元件与该集热元件，以通过该散热元件与该集热元件之间的温度差而发电，其中该集热元件的热辐射率大于0.8。
2.如权利要求1所述的热电发电装置，其中该集热元件的材料包括多孔性材料或含碳复合材料。
3.如权利要求1所述的热电发电装置，其中该集热元件具有多个集热鳍片，位于该集热元件的该第一面并适于面对该热辐射源而接收该热辐射源的热能。
4.如权利要求1所述的热电发电装置，还包括: 两界面元件，分别配置于该热电发电模块与该集热元件之间以及该热电发电模块与该散热元件之间。
5.一种热电发电系统，包括: 热辐射源；以及 热电发电装置，配置于该热辐射源的一侧，以接收该热辐射源的热能而发电，该热电发电装置包括: 散热元件； 集热兀件，配置于该散热兀件的一侧，其中该集热兀件具有第一面与相对于该第一面的第二面，该集热元件以该第一面面对该热辐射源，以在一预设距离内不接触该热辐射源而接收该热辐射源的热能；以及 至少一热电发电模块，配置于该集热元件的该第二面与该散热元件之间并连接该散热元件与该集热元件，以通过该散热元件与该集热元件之间的温度差而发电，其中该集热元件的热辐射率大于0.8。
6.如权利要求5所述的热电发电系统，其中该集热元件的材料包括多孔性材料或含碳复合材料。
7.如权利要求5所述的热电发电系统，其中该集热元件具有多个集热鳍片，位于该集热元件的该第一面并面对该热辐射源而接收该热辐射源的热能。
8.如权利要求5所述的热电发电系统，其中该热电发电装置还包括: 两界面元件，分别配置于该热电发电模块与该集热元件之间以及该热电发电模块与该散热元件之间。
9.如权利要求5所述的热电发电系统，其中该热辐射源具有凹凸表面或为转动式热辐射源。
【文档编号】H01L35/02GK103872235SQ201210580808
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月27日 优先权日:2012年12月10日
【发明者】翁震灼, 黄振东, 徐振庭, 朱旭山 申请人:财团法人工业技术研究院