专利名称：热电发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用热电装置来发电的技术领域。
背景技术：
虽然知道热电装置可以用来发电已经很长时间了，但热电发电却很少利用，因为现在发电机设计的效率和这些发电机的功率密度太低。
历史上，固态发电系统(solid-state electrical powergenerating system)是由置于热源和散热器之间的TE模块或独立TE元件构成的。发电机中的这些部件被设计成没有移动部分。通常，用热和冷工作流体作为热源和冷源的系统利用风扇或泵将流体运送到组件。
在其它应用中，加压的空气和燃料在发电机内燃烧。而在其它应用中，例如在汽车废气功率转换器(automotive exhaust wastepower converter)中，热能通过排气系统被传递到发电机。在这些装置中，废热由提供冷却剂的外部风扇或由通过翅片式散热器进行的自由对流而散掉。
在诸如将原子核同位素用作热源的发电机这样的应用中，设计了单独的TE元件以产生电力。每个TE元件固定到热端上的同位素热源和冷端上的废热散热器。在操作中没有部件的移动。
描述固态TE发电的文章是书面构思的宇宙飞船应用(Angrist，Stanley W.著《Direct Energy Conversion》，Third Edition，Allynand Bacon，Inc.(Boston，1976).Chapter 4，pp.140-165)，其涉及的是将可靠性而不是效率作为基本目标的陆地(terrestrial)应用；或者是利用公式模型(Ikoma，K.等人的论文“Thermoelectric Module and Generator forGasoline Engine Vehicles，”17th International Conference onThermoelectrics，Nagoya，Japan，(1998)，pp.464-467)，但其未必为现今的应用优化了系统性能。故需要去开发和运用针对当前和将来用途的TE发电循环，所述用途包括废热利用，废热来自车辆废气和发动机冷却剂、工业工艺废热、和受益于发电过程的热电联产系统(co-genertionsystem)。
发明内容
新的热电异质结构、量子隧道、非常薄的板状、和沉积的热电材料以高功率密度运行，而且为更高的系统效率提供了可能性，其中所述功率密度显著高于先前大块材料通常运行的功率密度。另外，近来在热电(TE)材料和系统中的进展使人恢复了可能用TE来发电的兴趣。TE系统的固有性质、即便是有也是很少的移动部分、无噪声运行、以及环境友好和废能回收这两种前景都进一步使这种兴趣增加。
热电装置在高功率密度条件下的成功运行需要在TE模块的冷端和热端两侧上的高导热速度。实现这个要求的一个方式就是通过旋转设计，这种设计可以提供高流体流速，因此提供了高热功率通量(throughput)。在一个优选实施例中，在旋转系统中热交换器的一部分作为风扇叶片工作，从而有助于工作流体的流动，该旋转系统能够减小进入风扇的能量，简化系统设计并减小尺寸。
另外，如本技术领域所熟知的那样，在很多系统中可通过利用热管来提高导热速度。这些装置利用两相(液相和气相)流，将热函从一个表面传到另一个表面。如果要在一热源表面处散热，便用液体的汽化热来提取热能。蒸汽流到散热器处的较低温度表面，在此处蒸汽凝结，因而释放其汽化热。凝结的液体借助于毛细作用和/或重力返回到热源侧。
设计合理的热管是非常有效的，且能以非常低的温差传递大的热流(thermal flux)。高效运行的一些关键问题就在于液体返回的过程应该高效，而且整个热源侧应该在所有的时间都是湿的从而使液体一直能够汽化并带走热能。同样，重要的是冷的散热端不能积存液体，因为热管的工作流体通常是相对的不良热导体。所以，散热端应该高效地流出液体，以保持有效的表面热导率。
如在名称为“Improved Efficiency Thermoelectrics UtilizingThermal Isolation”的美国专利申请第09/844,818号中所描述的那样，与热绝缘结合的发电机可以进一步提高性能。
本申请公开内容的一个方面涉及热电发电系统，该系统具有形成组件的多个热电元件，它们在运行中具有较冷端和较热端。工作介质从所述多个热电元件中的至少一些元件的所述较冷端收集废热。收集废热后，所述工作介质被进一步加热，且随后向所述多个热电元件中的至少一些元件的所述较热端释放其热能的一部分，从而利用所述多个热电元件中的至少一些元件来发电。优选的是，至少一个电气系统传递来自所述组件的能量，且提供一个控制器以针对所需的特定应用来优化或控制运行。
在一个实施例中，所述工作流体是通过热源如太阳能、燃烧、同位素和其它热源而被加热的。在一个实施例中，所述工作介质是固体、流体，或固体和流体物质的混合。
在一个实施例中，所述多个热电元件中的至少一些热电元件被设计成例如多孔状或具有孔，从而让所述工作介质能够穿过它们。在该实施例中优选的是，在所述热电元件的所述较热端的方向上由所述工作介质进行对流传热。
在另一个实施例中，多个热交换器可以与所述热电元件的至少一些元件进行热交换(in thermal communication)。优选地，至少一些所述热交换器在工作介质运动的方向上是热绝缘的。
在又一个实施例中，所述多个热电元件中的至少一个元件被设计成能够在所述热电元件的所述较热端的方向上，通过所述工作介质来进行对流传热，且所述热电元件的其它元件中的至少若干个元件被设计成在工作介质运动的方向上提供热绝缘。
本申请公开内容的另一方面涉及一种用热电装置来发电的方法，该方法包括若干步骤。工作介质以一种能和多个热电元件进行热交换的方式移动，所述多个热电元件形成组件，其在运行中具有较冷端和较热端。热量从所述多个热电元件中的至少一些元件的所述较冷端被传递到所述工作介质，然后额外的热量被加到所述工作介质上。然后热能从所述工作介质被释放到所述多个热电元件中的至少一些元件的较热端，从而利用所述多个热电元件中的至少一些元件发电。
在一个实施例中，通过燃烧工作介质、提供太阳能加热、利用同位素、利用来自另一种处理的废热、或上述这些和其它热源的某种组合，来附加额外的热量。在另一个实施例中，在所述热电元件的所述较热端的方向上，由所述工作介质穿过至少一个热电元件通过对流来传热。
优选的是，该方法进一步包括控制发电以匹配一定指标，例如针对特定应用的最大效率、最大峰值功率输出、某种组合或某种其它指标。例如，可以控制所述工作介质的速度以优化运行参数，如效率。
通过以下对于优选实施例的更加详细的描述，本申请的说明书的这些方面和其它方面以及优点将会更加清楚。
图1A示出了一种传统TE发电机的零件。
图1B-1G示出一种热电发电机的总体配置，包括热端和冷端流体、电机和在TE模块间产生温差的换热片。电能是由热端流体流内的热能产生的。
图1H进一步示出了一种热电发电机的总体配置，其中工作流体的流动和压力使发电机装置旋转，因此不需要图1C和1D中的电机。
图2A示出了针对旋转固态发电机中大致轴向流体流的TE模块、热管和热交换器装置。
图2B示出了图2A中装置的详细的剖视图。
图2C示出了图2A中一部分装置的第二视图。
图3A示出了针对旋转发电机中大致径向流体流的TE模块、热管和热交换器装置的剖视图。
图3B示出了图3A中装置的详细的剖视图。
图4示出了一种轴流式发电机，其中热和冷流体在相同的大体方向上是彼此大致平行地流动的。该发电机利用热绝缘和热管来提高能量转换效率。
图5示出了一种辐流式发电机，其中热和冷流体在相同的大体方向上是彼此大致平行地流动的。该发电机利用热绝缘和热管来提高能量转换效率。
图6示出了一种轴流式发电机，其中热和冷流体是在彼此大致相反的方向上流动的。有利之处在于，TE模块和热交换器是热绝缘的，从而提高效率并提高了功率密度。
图7示出了一种辐流式发电机，其中热和冷流体是在彼此大致相反的方向上流动的。有利之处在于，TE模块是热绝缘的。利用热管来提高效率和功率密度。
图8示出一种发电机，其具有大致径向和轴向的流体。利用了固体导热的传热件来传递TE模块和热端翅片之间的热量。
图9示出了一种轴流式发电机的一部分，其中流体穿过TE元件或模块和热管，绕转子的转动轴以圆周方向流动。
图10示出了一种热电发电机的系统方框图。
图11示出了美国专利6,598,405中描述的对流式TE发电机中的部件。
图12A示出了一种传统TE发电机的运行，其中TE热端和冷端处于均匀温度，且冷端被热学连接到大散热器，而热端是加热的流动介质。
图12B示出了一种类似于图12A中发电机的发电机，但工作介质是通过流经热端板来冷却的。
图12C示出了一种TE发电机，其中热端和冷端有流动介质，且TE发电机的热端和冷端为恒温 图13A示出了一种叠式设计的TE系统，该系统利用废热能的回收来提高效率。
图13B示出了图13A中设计的透视图。
图13C示出了图13A所示的系统的运行。
图14A示出了一种TE发电机，其在相对低的温度下有效地运行，并利用相对高温的对流介质热源。
图14B示出了图14A所示的系统的运行。
图15A示出了一种利用对流和热绝缘的热电联产(co-generation)发电机。
图15B示出了图15A所示系统的运行。
图16示出了一种发电系统，其中对流介质是固体。
图17A示出了一种废能回收系统，该系统使用在闭环中流动的对流流体。
图17B进一步示出了图17A所示系统的运行。
具体实施例方式本发明公开的发电机利用了新式热力学循环，其中来自TE元件的废热可以和附加热量一起再循环到较热端。还公开了将燃烧与TE发电机结合的方法。重点在于影响效率的因素，包括热端和冷端条件引起的影响，这些条件与新的热力学循环连用时提高效率。(见Bell，L.E.所著论文“Use of Thermal Isolation to Improve ThermoelectricSystem Operating Efficiency，”Proceedings 21stInternational Conferenceon Thermoelectrics，Long Beach，CA，August 2002 and Bell，L.E.，“Increased Thermoelectric System Thermodynamic Efficiency by Use ofConvective Heat Transport，”Proceedings 21stInternational Conference onThermoelectrics，Long Beach，CA，August 2002)。如果从冷端消除废热的可用方式强烈地影响系统效率，在这样的系统中用于发电的热能(热)源有特别优点。
这些设计在若干相关的固态发电技术，包括热离子(thermionic)、光子、磁热以及热电电力转换器中也有重要用途。
在所引用的专利申请或专利中详细描述了下列背景概念，每个专利申请或专利都在此参考引入，特别是(1)对流TE发电和热电联产(美国专利6,598,405)；(2)绝缘元件TE系统(美国专利6,539,725)；(3)绝缘元件叠式设计和高功率密度设计(2002年8月23日递交的美国专利申请10/227,398)。
在本说明书的上下文中，术语热电模块、TE模块、TE元件、或TE都是以其普通和惯常的含义而广义地使用的，该普通和惯常的含义为(1)常规热电转换器，例如由美国加利福尼亚州San Diego的Hi Z Technologies，Inc.生产的那些热电转换器；(2)量子隧道转换器；(3)热离子转换器；(4)磁热模块(magneto caloric module)，(5)利用热电、磁发电热或磁热、量子、隧道和热离子效应其中之一或其任意组合的元件；(6)以上(1)到(6)的任意组合、阵列、组件和其它结构。
在本说明书中，冷、热、较冷、较热等等用词都是相对术语，并不是指明一温度范围。例如，冷端热交换器可能实际对人的触觉来说是非常热的，但仍然比热端要冷。这些术语只是用来表示TE模块两端存在温度梯度。
另外，在本专利申请中所描述的实施例仅仅是例子，而并不是限制本发明，本发明是由权利要求限定的。
参考图1A可以进一步理解TE发电机的基本理论操作。一个或多个TE元件161和162被设置成在一端与热能源QH164有良好的热接触(thermal contact)，并在另一端与第一和第二散热器166有良好的热接触从而散掉废热QC167。温度为TH165的热能源164比温度为TC168的散热器166热。因为温差ΔT 169，热能从热能源164流到散热器166。一部分热能能够由合适的TE元件161、162转换成电能。
能量转换的效率φ等于输出负载171除以热输入功率QH164。
(1) 该效率也可以写作；(2)φ=(TH-TCQH)ηGT]]>
右边以括号括起的第一项为卡诺循环效率，且为根据热力学第二定律能得到的最大效率。第二项ηGT是特定转换过程的效率因数(小于1)。不管发电机是热离子、热电(狭义上)、光子、量子隧道、磁热，或它们的任意组合，发电机的这些性质都适用。因数ηGT代表一种特定类型发电机的特征性能。下标“GT”被用来表示“发电机类型”。例如，“GT”如果替换成“TE”，表示ηTE这种形式用于一种热电(狭义上的)材料系统。在这种情况下，理论上没有损失的理想效率值为；(3)ηTE=11+2(1+1+ZTAVE)ZTH]]>其中(4)Z=α2pλ]]>(5)TAVE=TC+TH2]]>(6)α＝材料系统净塞贝克系数(Seebeck Coefficient)(7)p＝材料系统平均电阻(8)λ＝材料系统平均热导率 这是一个公知的结果，在Angrist，Stanley W.的著作《DirectEnergy Conversion》，Third Edition，Allyn and Bacon，Inc.(Boston，1976).Chapter4，pp.140-165中有更详细的描述。
通常希望优化发电机的效率或输出功率。简言之，热电系统及其运行是如所述处于高效率状态。然而，这里的讨论适用于其它条件下的运行，且更通用地适用于其它TE系统。
图1B-1G示出了一种旋转式热电发电机100的大体配置。图1B是透视图。图1C是通过图1B中的狭槽126可以看到的转子组件135的视图。图1D是旋转式热电发电机100的剖视图。图1E-1G为发电机的不同部分提供了额外的细节。转子组件135(在图1C和图1D中最清楚地示出)由TE模块101组成，其在一侧与热端热交换器102，例如热传递翅片或换热片，有良好的热接触，在另一侧与冷端热交换器103，例如热传递翅片或换热片，有良好的热接触。隔热件109将热端和冷端隔开。隔热件109刚性连接到电机转子110的转子部件。在此所示的TE模块101用于示例目的，且包括TE元件104和电路129。在接触点124、125，导线123将TE模块101电连接到轴组件130的部件117、119，部件117、119是彼此电绝缘的，TE模块101、热端热交换器102、冷端热交换器103、隔热件107和109、导线123、电路129和轴部件117、119全体形成一个刚性的可旋转单元。
电机组件111通过轴承144(图1G)连接到电机转子110。接触滑环118与轴部件119电连接，接触滑环120与轴部件117电连接。导线122通过电路132和其它未示出的电路，例如电路板上的迹线或其它常规的电路连接，而被连到接触滑环118和120。导线122也通过电路板112和其它未示出的电路连接到电机组件111。
辐条113(图1B中最清楚地示出)以机械方式将内壁114(图1D)固定到电机底座116从而固定到电机组件111。热端流体过滤器128固定到外壳131，冷端流体过滤器127由叶片115支撑，并被固定到外壳131的延伸部分133。外壳中的开口126，例如狭槽，允许流体106、108穿过外壳131。热工作流体105、106(图1D和1E)被限制在由外壁131、开口126、隔热件109、过滤器128和TE模块101构成的腔室中。冷工作流体107、108受到内壁114、叶片115、外壳延伸部分133、电机底座116和过滤器127的限制。
热流体105穿过热端过滤器128并将热量传递到热端热交换器102。热端热交换器102和TE模块101之间的界面因此被加热。类似地，冷流体107穿过冷端过滤器127，并从冷端热交换器103吸热。因此，冷端热交换器103和TE模块101之间的界面被冷却。跨越TE模块101的温度梯度(热流)产生电能。电能通过导线123而被传送到接触点124、125，到达轴部件117、118，并通过接触滑环118、120到达导线122(在图1G中最清除地示出)。
电机组件111作用在电机转子110上，使得转子组件旋转。在一个实施例中，热交换器102、103被构造成翅片，这些翅片在纵向上定向成离开转子组件的旋转轴。在这种结构中，热交换器102、103有利地起到离心式风扇或鼓风机的风扇叶片的作用，从而连续地抽取工作流体105、107以保持在TE模块101两端的温差。跨越TE模块101的热流的一部分被连续地转换成电能。热工作流体105随着其穿过热端热交换器102而被冷却，并作为废流体106通过开口126排出。类似地，冷工作流体107随着其穿过冷端热交换器103而被加热，并作为废流体108通过开口126排出。
以下将利用下面附图中转子组件135的特定结构，来详细解释这种旋转式热电发电机的优点。热交换器热电模块作为一个单元旋转，使得一个或多个热交换器可以被用作风扇叶片来抽取工作流体。另外，在增加发电系统的效率和增加功率密度方面，可以获得旋转的其它优点和用途，如下面将进一步解释的那样。
图1E示出了发电机100的冷端和热端工作流体运动的更清楚的视图。TE模块101与热端热交换器102和冷端热交换器103有良好的热交换。这两端由隔热件109隔开。热端流体105和106由外壁131和隔热件109容纳。类似地，冷端流体107、108由内壁管道(innerwall duct)114和隔热件109容纳。电机转子110刚性地固定到隔热件109，使得隔热件109、TE模块101和热交换器102、103作为一个单元运动。导线123将TE模块101连接到旋转滑环118、120，如在图1G的讨论中更详细地描述的那样。电机转子110通过轴承144(图1G)连接到电机驱动器140和轴130(在图1G中详细地示出)。电线123连到TE模块101和轴130。
通过热流体105加热热交换器102以及冷流体107冷却热交换器103，而产生TE模块101两端的温度梯度。热流体105进行冷却并排出，冷流体107则被加热并排出。冷流体105的运动是通过热交换器102部件的旋转而产生的，该热交换器部件起到鼓风机或径向风扇的叶片的作用。电机转子110和电机驱动器140产生旋转。流体流由外壳和隔热件引导。
图1F示出了TE模块101和热交换器102、103的剖视图。所示热交换器102、103为本领域公知的折叠的翅片，但可以是任何其它合适的热交换器设计，例如任何可在Kays，William M.及London，Alexander L.的著作《Compact Heat Exchangers，3rd Edition》，1984，McGraw-Hill，Inc中找到的有利的设计。可结合热管和任何其它技术以增强热传递。
图1G示出滑环组件的一个实施例的额外的细节，该滑环组件用于将TE模块101产生的电能传递到外部系统。该组件包括隔热件109中的导线123，其中一个导线123电连接到内轴119，第二个连到外轴117。电绝缘件142以机械方式将内轴119和外轴117连接起来。有利的是，外轴119是以机械方式连接到电机转子110和轴承144的。接触滑环118电连接到内轴119，而接触滑环120电连接到外轴117。
图1H示出了一种热电发电机的替换结构，其利用工作流体的流动和压力使发电机组件旋转，因而不需要图1D和1E中的电机。
如图1H所示，TE 101、热交换器102、103和包括热电发电机可旋转部分的相关部件如图1E中所示的那样，除了风扇150和隔热件105结合在一起从而形成一个可旋转的单元。轴承152、轴130、和辐条116、151形成可旋转部件的悬挂装置。
在运行中，工作流体105驱动风扇150。来自风扇的能量使可旋转的部件旋转。在这个实施例中，旋转的作用是吸取冷工作流体107，同时也提供在图2-7和图9的描述中所讨论的其它由旋转产生的优点。
所示风扇150为独立部件。通过使用其它具有热交换器的设计或其它部件可获得同样的功能，上述设计或部件的形状和位置被设计成能够利用较热、较冷和/或排放流体流中可获得的能量，以产生旋转。例如，这样的系统可以用在内燃机，如汽车中的内燃机的排出气流中。在这样一个实例中，仅仅是废热被转换成电能，而排出的流体流使旋转式热电组件转动。
电机转子110、隔热件109和142、及轴117和119作为一个单元旋转，并由轴承144支撑。滑环118、120将旋转单元内产生的电能传送到外部电路。滑环118、120可以是本领域任何已知的设计，且轴117、119可以是任何可行的导电或包括导电导线或部件的结构。电能传送部件和结构可以是把来自旋转单元的能量传递到外部电路的任何设计。
应该理解的是，虽然图1D-1G示出了单个转子组件，但也可设想有多个转子组件。
图2A示出了一种热电发电机的转子组件200的截面图，该发电机属于图1中大体显示的类型。转子组件200包括环形的TE模块201，其与外热管202的圆形阵列和内热管203的圆形阵列有良好的热接触。热端热交换器204与外热管202有良好的热接触，而冷端热交换器205与内热管203有良好的热接触。转子组件200围绕其旋转轴211是大致对称的。
在运行中，转子组件200绕其旋转轴211旋转。热流体(未示出)接触热端热交换器204，该热交换器将热流传递到外热管202，并传递到TE模块201的外表面。该热流的一部分被TE模块201转换成电能。废热流穿过内热管203，然后到达冷端热交换器205，且最后到达与冷端热交换器205接触的冷却流体(未示出)。
图2B示出了通过热管的转子组件200的更详细的截面视图。如图2A中所示，热管202和203热接触TE模块201。TE元件208和电路209组成了TE模块201。在一个优选实施例中，热管202、203由密封的壳体214、215构成，容纳热传递流体。在运行中，当转子组件200绕轴211旋转时，转动力会驱使液相的热传递流体离开特定热管202、203的旋转轴。由旋转引起的外向力的方向由箭头210所示。例如，在热管202中，液相流体206形成与气相流体的界面212。热端热交换器204与热端热管壳体214有良好热接触。同样，冷端热管203、215具有液相的热传递流体207和与气相的界面213。较冷端热交换器205与冷端热管壳体215有良好的热交换。
由转子组件200旋转引起的外向力迫使液相流体206和207到达图2B中所示的位置。热气(未示出)将来自外换热片204的热量传递到外热管壳体214。该热流使得液相流体206的一部分在热端气化。蒸气以与箭头210所示相反的方向朝内运动，因为它被密度更大的液相流体206取代。热管202中的气相流体接触热端热管壳体214与TE模块201的界面，将其热函的一部分传递到TE模块201，并凝结成液相流体。旋转引起的力驱使密集的液相部分按箭头210所示方向运动。随着更多的热量被热端热交换器204吸收、被传递到外热管壳体214、然后到达TE模块201的外表面，流体循环就重复运行。
同样地，来自TE模块201内侧的废热使内热管流体的液相流体207沸腾，并向内对流到内热管壳体215的内部。冷工作流体(未示出)移走来自较冷端热交换器205、和较冷端热管壳体215的邻近部分的热量。这样就引起流体207的凝结。液相流体在箭头210所示方向由离心力驱动，紧靠着TE模块201和内热管壳体215的界面聚积。这种循环持续地重复，使得流体持续地在一个位置汽化、在另一个位置凝结、并被离心力运送回第一位置。
由转子组件201旋转所产生的力可以是重力的数倍到数千倍，这取决于转子的尺寸和转速。这种离心力可以增强热管的热传递，从而使得转子组件200可以在更高的热流下以更小的热传递损失来运行。
图2C示出了图2A中的转子组件200沿着旋转轴211看下去的剖视图。TE模块201与外热管202和内热管203有良好的热接触。热交换器204、205，例如所示翅片，与热管202、203有良好的热接触。
图2C示出了单独的热管部段202、203和TE模块201。热工作流体(未示出)流过外换热片204和外热管202之间的通道216。同样地，冷工作流体(未示出)流经内换热片205和内热管203之间的内通道217。
图3示出了一种可选的热电发电机转子组件300，其中，工作流体大致径向流动。该剖视图表明，盘状的TE模块301与热端热管302和冷端热管303有良好的热接触。与热端热管302有良好热接触的是热交换器304，与较冷端热管303有良好热接触的是冷端热交换器305。转子组件300绕中心线310旋转，并绕中心线310大致对称。
在运行中，转子组件300例如由图1A中的电机驱动而绕中心线310旋转。热工作流体(未示出)在热端热交换器304(在该图中显示为翅片)与热端热管302之间大致径向上向外流动，将热量传递到热交换器304和外热管302，然后传送到TE模块301。同样地，冷工作流体(未示出)大致径向上向外流过中心侧热交换器303和较冷端热管305，通过较冷端热管303，以对流方式散掉来自TE模块301的热量。从较热端热管304到TE模块301出来、穿过较冷端热管305的热流的一部分被TE模块301转换成电能。
热管302、303(在该实施例中被设置成平的管状部段)的旋转有利地起到风扇叶片的作用，向外抽取热和冷工作流体(未示出)。有利的是，热交换器304、305和热管302、303被设置成能够最大化热传递和风扇的流体抽取作用。因此，转子组件300既有发电机功能，也有工作流体泵功能。
图3B所示为图3A中转子组件300的热管更详细的剖视图311。TE模块301包括TE元件309和电路310。TE模块301与热管302、303有良好的热接触。如同图2中的结构，较热端热管302包括密封的壳体312，其具有液相流体306和气相流体，两者之间具有界面314。同样地，较冷端热管303包括密封的壳体313，包含的流体具有液相307和气相，两者间有界面315。换热片304、305与热管302、303有良好的热交换。箭头308指向随转子组件绕轴线310旋转而产生的外向力的方向。
在运行中，所述外向力驱动热管302、303内的热传递流体的液相306、307朝外，形成液相306、307以及界面314和315。来自热端工作流体(未示出)、流过热端热交换器304的热流使部分流体306汽化，并凝结在TE模块301界面处的较热端热管壳体312上。同样，热流的一部分穿过TE模块301，到达其与较冷端热管壳体313的界面，并进入较冷端热管流体307，使流体307沸腾。由于热量因传递到较冷端热交换器305和较冷端工作流体(未示出)而散失，气相流体凝结在冷端热管壳体313的内部。这一热传递过程类似于在图2A、2B和图2C的更详细说明中的描述。
图4以截面图示出另一种旋转发电机400的一侧。TE模块401热学连接到较冷端热交换器402和较热端热交换器403。在所示实施例中，较冷端热交换器402具有热管404和翅片406部段。同样地，较热端热交换器403具有热管404和翅片407部段。较冷工作流体408、410被由隔热件416、423、424以及管道412所形成的腔室限制。同样地，较热工作流体414和415被隔热件423、424以及外管道411所限制。转子隔热件416刚性连到电机转子417、交换器402的内部，且因此而连到TE模块401和热交换器403。导线420和护罩425刚性连接到TE模块401。同样，风扇叶片组件413刚性固定到TE模块401。轴组件419固定到电机转子417，并固定到轴承418。滑环组件421电连接到轴组件419。隔热件423和424被构造成形成迷宫式密封422。辐条409将最左边的轴承418连接到隔热件424和管道411。
由电机转子417、隔热件416和423、热管402和403、TE模块401、风扇叶片413、导线420、轴419和护罩425形成的组件作为一个单元旋转。风扇叶片413的旋转为热和冷工作流体408、410、414、415提供了驱动力。
热工作流体414从左方进入，并将热能传递到热端热交换器402，且随后传递到TE模块401。热工作流体414的流动是由风扇叶片413的旋转驱动的。同样，较冷工作流体408从左方进入，提取来自较冷端热交换器403和TE模块401的废热能。所产生的电能经过导线420，通过轴组件419和滑环组件421从旋转部分输出，如在图1F的讨论中更详细地描述的那样。
为了达到在名称为“Efficiency Thermoelectrics UtilizingThermal Isolation”、2001年4月27日递交的美国专利6,539,725中所述目的，热管402、403被分成彼此热绝缘的部段，其中上述申请在此结合引为参考。热管402、403内的热传递被离心加速度增强，如上所述，且因此而增大了热能传递的效率和系统能够运行的功率密度。通过利用离心力来增强热传递，整个装置可以更紧凑，并可以利用能够有利地在高热功率密度下运行的材料。
密封件422代表任何能合适地将热流体414与冷流体408隔开的密封结构，这些流体具有到静止边界的流动。在某些结构中，风扇413的抽吸功率与入口的几何形状结合，可以不再需要密封件422。另一方面，如果有一种风扇叶片413的外部替换装置(未示出)提供抽取热交换器402、403中的工作流体408、422的力，密封件422就可以起到提供较热和较冷工作流体408、422的间隔的作用。在这样的实施例中，风扇413可以省略，或者它的功能由一种替换性的流体泵装置补充。
图5示出一种发电机结构，其中热交换器作为风扇叶片工作。TE模块和热交换器在概念上类似于图3所示结构。转子组件500包括TE模块501、较冷流体热交换器502、较热流体热交换器503、隔热件515和517、辐条508以及电机转子509，所有这些部件彼此刚性连接，从而形成一个绕轴510旋转的刚性单元。较冷流体热交换器502具有与翅片504有良好热接触的热管。同样，较热流体热交换器503具有与翅片505有良好热接触的热管。隔热件515、517和管道507形成限制较热工作流体511、512的腔室。同样地，隔热件515、517和管道506形成一腔室，该腔室限制较冷工作流体513、514。密封件516形成于隔热件515、517内，以将较热工作流体511和较冷工作流体513隔开。
组件500借助电机转子509工作，产生使热交换器502、503转动的驱动力，而热交换器502、503又产生抽取作用，从而抽吸热和冷流体经过热交换器502、503以产生TE模块501两端的温度梯度。因此产生的电能被借助图1A-1E中所示的设计、或任何其它在该环境下可以接受的传送方法来提取，并传送到外部电路。
有利的是，可以在一单一组件内使用若干种工作流体。发电机，例如图4的发电机，可以有若干个热端工作流体源，每个具有不同的组成和/或温度。这种情况是可能发生的，例如，利用废热发电的系统具有利用来自锅炉、干燥机或类似装置的废热流体处理的若干个排气源。这样的多个工作流体源可通过壁411在沿着旋转轴的一个位置被引入，在此位置处热端工作流体422已经被冷却到一定温度，当其与附加的工作流体混合时，就有利地产生电能。在这种情况下，热流可以在其中一些热管402、407和翅片405、409内发生变化，因此在流体流动的方向上，TE模块101、热管402和407以及翅片405和409可能在它们的一部分和后续部分上具有不同的结构、尺寸、形状、和/或材料。同样，可利用隔热件和翅片结构来分隔不同流体。最后，可将一种以上冷端工作流体409、410与至少一种热端工作流体结合使用。
图6的设计也利用了图4所示的热管。图6中的组件600利用了美国专利申请第09/844,818号所描述的逆流，该申请在此参考引入。图6示出了另一种旋转式热电发电机的截面图。有利的是，这个实施例也利用热绝缘。发电机组件600也有转子组件，该转子组件由TE模块601，一对热绝缘的热交换器602和603、具有护罩607和614的风扇组件610和613、隔热件615、616、619、620、624、电机转子617和轴组件618构成。
较热端工作流体611、612被隔热件609、615、619、620、621限制。较冷端工作流体604、606被隔热件609、615、616、619、621和管道608限制。辐条605将轴承622连到隔热件615。
较冷端工作流体604从左方进入，吸收来自热交换器602的热能，因此使之冷却，并被风扇叶片610的离心作用径向向外地抽吸。风扇叶片610可以包含或不包含内罩607，该内罩被用来提供结构支撑，且作为部分密封件而使得较热工作流体611与较冷工作流体606隔开，并帮助引导较冷工作流体606的流动。较热工作流体611以径向向内的方向进入，将热能传递到较热端热交换器603，然后借助旋转风扇叶片613的作用径向向外抽取。护罩614可以用来增加风扇叶片613的结构刚度，并作为部分密封件将较冷工作流体604与排出的较热工作流体612分隔开，而且帮助引导较热工作流体612的流动。
图7示出了另一种旋转式热电发电机的截面图。图7所示设计被配置成以逆流运行。热交换器可包含或不包含用以增强热传递的热管。
图7示出了一种辐流式发电机700。转子组件包括TE模块701，具有翅片704、705的热交换器702、703，隔热件720，风扇叶片723，电机转子718以及轴719。轴承721将轴组件719固定到不转动管道717的内支撑707、辐条722和管道710。较热工作流体706、709被内支撑707、管道710、隔热件720、TE模块701和排出管道711限制。较冷工作流体712、713、714被排出管道711和716、隔热件720、TE模块701以及管道717限制。密封件715将较热工作流体709与较冷工作流体712隔开。
组件700利用在图6的说明中所讨论的大体同样类型的逆流来运行。它在大致径向的方向上运行，其中热端热交换器702有其翅片704，所述翅片作为旋转的风扇叶片工作，抽取较热工作流体706、709。较冷工作流体712、713、714服从一径向外向力以及作用在较冷端工作流体713、714上的一更大的径向外向力的净效应，其中所述径向外向力是由热交换器热管703和翅片704产生的，而所述更大的径向外向力是由风扇叶片723的旋转产生的。上述相反的力的净效应是使流体712、713、714沿图7中所示的方向流动。因为在风扇叶片723的位置产生更大的叶片力，与具有翅片705的热交换器703相比，风扇叶片723的叶片更长、且在径向向外的方向上延伸得更远。可选择地，流体706、709、712、713、714的运动的任何部分都可以由外部风扇或泵来产生。在这样的结构中，风扇723可以省掉，但这不是必须的。
通过在图1和图5-6中描述的方法和设计，或任何其它有利的方式，来产生并输送电能。
图8示出了一种发电机，其结合了径向和轴向的几何结构。总体装置800具有转动部分，该转动部分包括TE模块801、热交换器802和803、热分路804、隔热件811、风扇组件808和809、管道807、电机转子817和轴组件818。较冷工组流体805、815被护罩807、隔热件811、风扇管道808、和壁810限制。较热工作流体812、813被分路804、护罩807、隔热件811和816以及壁814限制。轴承819将转动轴组件818连到辐条806和壁810。
运行类似于先前对图7的描述，不同的是较冷工作流体805在大致轴向方向上流经热交换器802。如本图所示，热分路804和热交换器802、803可包含或可不包含热管。而且，热交换器802和803、TE模块801以及热分路804可以构造成或不构造成由热绝缘元件组成，如在名称为“Improved Efficiency Thermoelectrics Utilizing ThermalIsolation”、2001年4月27日递交的、申请号为09/844,818的美国专利申请中所描述的，该专利申请在此参考引入。
图9示出了一种集成式的TE模块和热交换器。组件900是TE模块901构成的环形阵列的一个部段，该环形阵列具有旋转中心909、具有翅片904的热交换器902、具有翅片905的热交换器903以及隔热件908。间隙906、907使翅片904、905的部段电绝缘，翅片904、905被连接到单独的热交换器902、903部分。运行时，举例来说一个热交换器903被冷却，而另一个热交换器902被加热，从而产生TE模块901上的温度梯度。由所得到的热流产生电能。
在这种结构中，TE模块901可以是单独的TE元件901，具有以大致圆形方向环绕一圆环流动的电流910，其中装置900是该圆环的一部分。在TE模块901是单独的热电元件的情况下，对电流910如图所示那样流动的部分，元件901可选择地是N-P类型(N-and-Ptype)。有利的是，热交换器902、903处于相邻TE元件901之间的那一部分是导电的。如果翅片904、905是导电的并与热交换器902、903电接触，则相邻翅片必须彼此电绝缘，如间隙906、907所示的那样。通过在电路的断开点，在一个或多个位置断开圆环状电流和连接到电路，可提取电能，如图7所示。
可选择的是，各组元件可位于相邻的热交换器903、902之间，从而形成TE模块901。这样的TE模块901可用串联和/或并联的方式电连接，而且可具有用于电绝缘的内部装置，因此便不需要间隙906、907。热端和冷端之间的热绝缘可以通过隔热件1008来保持。
如果热交换器902、903包含热管，有利的即是，工作流体冷却内热交换器903并加热外热交换器902。
图10示出热电发电系统1000的方框图。如图所示，该系统具有较热工作流体源1002、较冷工作流体源1004、发电机组件1006、流体排出口1008、和电能输出端1010。发电机组件1006是用以上所公开的任一实施例、或利用了本说明书所阐述原理的任一类似实施例来设置的。较热流体源1002为发电机组件1006提供热源。较冷流体源1004提供的工作流体源的温度足够地更冷，从而在发电机组件1006中产生热电模块两端的有利温度梯度。废工作流体在出口1008离开发电机组件。来自发电机组件1006的电能被提供于功率输出端1010。该系统1000只是一个大致示例性的系统，并不是限制本发明的发电机组件可被集成到一发电系统内的方式。
图11示出一种对流式热电发电系统1120。TE元件1121、1122在一端以恒定的温度TH1125与较热端板1123有良好的热交换，且因而与热源QH1124有良好的热交换。在另一端，TE元件1121、1122以恒定的温度TC1128与较冷端板或散热器1126有热交换，从而散掉废热QC1127。管道1136、1139包围TE元件1121、1122以及排出装置1140。负载1131通过导线1130连到TE 1121、1122。对流工作流体1133、1134和1135被管道1136和1139限制到穿过发电机1120的所需流动路径。较热端板1123与较冷端板1126之间的温差为ΔT 129。
在运行中，诸如空气这样的流体1133、1134被风扇1132所抽取，通过较冷端板1126、通过孔1137(或者是多孔板或者通过两者)、然后通过TE元件1121和1122(通过孔或多孔的TE)、且最终通过较热端板1123(通过孔1138、通过多孔的板、或者两者的结合)。随着流体1133、1134从较冷端板1126运送到较热端板1123，它就通过来自TE元件1121、1122的热传递而被加热。流体1135以温度TH1125通过排出装置1140排出。热量QH1124在较热端板1123处被提供给系统1120，并被部分转换成用于负载1131的电能。其热能的剩余部分由被加热的流体1135对流散掉，或者作为废热QC1127通过较冷端板1126排出。用于负载1131的电能是通过导线1130传送的。随着ΔT 1129增加，电能转换效率通常会增加。这种类型发电机运行的细节可以在美国专利6,598,405中找到。
这种设计的一个重要特性就是，热能QH1124的一部分被用来加热流体1133、1134，而不是通过较冷端板1126作为废热QC1127排出。因此，被加热的流体1135可以用作第二循环的一部分，在第二循环中，除了由发电机1120提供给负载1131的电能外，还产生电能。例如，通过排出装置1140排出的被加热流体1135可以与另一个发电机结构结合使用，如在图13-17中所公开的。可选择的是，发电机1120除了产生电能外，还能提供可燃烧的热流体源1135，例如空气，从而全部或部分地构成一热流体源，通过预热，其燃烧过程可以增强并更加有效。
为了更好地理解后面的利用图13-17中给出的对流热传递的提高效率的实施例，参考图12来简单描述发电机160在实际用于应用实践时的运行和效率。这段描述解释了在现实应用中效率是如何从理论可能性急剧降低的。
图12A示出了一种发电机1200，其中热能QH1205包含于初始温度为TH1204的工作介质1214中。较热端板1202具有基本均匀的温度TM212，与介质1214以及TE 1201的较热端有良好的热接触。TE 1201的较冷端与温度为TC1209的散热器1208有良好的热接触。废热能QC1210通过散热器1208排出发电机1200。用于负载1221的电能是由发电机1200产生的。对流介质1214进入发电机1200的温度TH1204与排出温度TM1212之间的温差将热能QM1203给予了TE 1201的较热端。TE 1201上的温度梯度是ΔTC1211。整个温差是ΔT1213。介质1214初始处于温度TC1206，并被施加的热能QH1205加热，施加的热能由竖直线1207表示。
温度为TH1204的工作介质1214将其热能的一部分QM1203传递到较热端板1202。工作介质1214然后以温度TM离开系统。从温度TM到TC的热能平衡被损失掉或浪费掉。效率φTE部分地是由公式(9)中括号内的卡诺项决定的。
(9)φTE=(TM-TCTM)ηTE]]> 当TM1212等于TC1204时，能量转换效率为零，而随着TM1212增加效率就增加。同样，当TM1212等于TH1204时，输入功率QH1205的被转换成热能部分QM1206的那部分QM1203也降为零。因此，某个介于TC1211和TH1204之间的TM1212会使效率最大。针对代表性实际假设的分析显示，发电机1200的效率是图1A中发电机160的理论上可实现效率的大约32％。因此很明显，当置于实际应用中时，发电机的效率远低于理论上可实现的效率。这种差异与加热工作介质1214从TC1206到TH1204相关，还与以下这种情况相关输入热能QH1205只有一部分可用作传到TE 1201的热能QM1203。
图12B示出了一种类似于发电机1200的发电机1220，但其中工作介质1239借助通过较热端板1202而从TH到TMH1231，被冷却了ΔTH1232。在此过程中，工作介质将热能QMH1223给予TE 1201，TE 1201在一侧与较热端板1202有良好热接触，在另一侧与较冷端板1228有良好热接触。工作流体1238初始处于温度TC1209，随着它通过较冷端板1225时吸收废热QMC1223，而升温ΔTC1234，到达温度TMC1233。用于负载1214的电能是由TE 1201产生的。工作介质1207以TC1206进入系统，并被输入热能源QH1205加热到温度TH1204。
在运行中，外部热能QH1205，例如由空气燃烧产生的热能，产生热工作介质1239，该热工作介质将热能QMH1223给予TE 1201的热端。未被转换成负载1221的电能的热能QMC1229则将工作流体1238加热到温度TMC1233，在此温度对流介质离开发电机1220。整个能量输入因此是QH1205，且与发电机1200中的情况相比，QMH1223部分受限制更多，因为较冷端板1228的温度为TMC1233，高于TC1209。如果工作介质1238、1239是相同材料且数量相等，或者具有大致相同的热容量，ΔTC1234将会在一定程度上小于ΔTH1232，这二者都不应为零，因为那样的话，热能QMH1223或QMC1229即会为零。同样，TMH1231减TMC1233的差也不应该为零，或下列效率(10)φ2B=TMH-THCTMH]]>为零。对典型条件的计算显示，效率φ2B是发电机160的理论效率的大约15％。效率低是因为对流介质将热能传递到TE和从TE传递热能的需求会显著地降低TE 1201两端的温差，并因此降低了卡诺效率。而且刚才提到的需求减少了总热输入中的被利用部分。
图12C示出了类似图12B中的发电机1220的一种发电机1240。描述是相同的，不同的是，温度为TMC1233的工作介质1238被热源QH1205加热了温度ΔTMR1242，而达到温度TH1204。
在运行中，进入工作介质1238的废热QMC1229被用来预热介质1238到温度TMC，因此热能QH1205只需要给予更少的热能就可以获得同样的运行效果、及对负载1221的电能输出。因此，以这种方式运行的效率是发电机160的效率的大约23％。因此，它显著大于发电机1220的效率，但与发电机160的理论效率比还是相当小的。
因此，如果发电机在实际应用时以如此低的效率运行，就希望确定其它能够利用图11所示对流介质例如废热流体的设计，从而以更高的效率和更高的功率级提供电能。图13示出了一种叠式设计的发电机1300，该类型发电机在名称为“Compact，High EfficiencyThermoelectric Systems”的美国专利申请第10/227,398号中作了讨论，其被设计成能够作为燃料动力驱动(fuel-powered)的辅助发电机、远程发电机、或类似的发电机运行。
有利的是，发电机1300包括一种导电类型的TE元件1301，此种TE元件与相反导电类型的TE元件1304相交错。TE材料与热交换器1302、1305有良好的电接触和热接触，且与它们成90°，并与其它热交换器1306、1303有良好的热接触。这点从图13B的透视图中看得更清楚。连接热交换器1302的是管路1309，该管路有利地为电绝缘体并具有非常低的热导率。同样，管路1314连接热交换器1303。空气或其它流体1307进入入口管路1308并在出口管路1310排出。类似地，排出流体1316通过入口管路1320和热交换器1306进入，并在出口管路1315排出。流体1307运动的大体方向由箭头1307、1321所示。排出气体1316的大体方向由箭头1313表示。负载1317通过导线1322被连接到端部热交换器1302和1306。管路1310被连接到燃烧器1311，工作流体例如空气1312穿过该燃烧器，如同来自燃料箱1318的燃料1323那样。阀1319控制燃料流。图中未示的是鼓风机或泵，用以提供空气1307到发电机1300。优选的是，可以通过一反馈控制系统来控制阀，从而适应于不同的条件。
在运行中，空气1312与燃料1323一起燃烧，而阀1319控制燃料1323的流速。上述混合物在燃烧时将空气1312加热到所需温度。排出气体进入热交换器1306，在此处一部分空气的热能通过TE1301、1304，大体上按照公式(2)产生电能。在此过程中，进入的空气1321在通过管路1310进入燃烧器1311之前被逐步加热升温。随着排出气体1316继续穿过其它的热交换器1303，它逐步被冷却，将其热能释放到TE元件1301、1304，且在每个阶段增加了为负载1317产生的能量。来自该过程的一部分废热在进入的空气1307穿过热交换器1302时逐渐使其加热。
可以用图中未示阀1323和空气供应控制装置一起，来控制排出气体1312的温度，从而调节输出到负载1317的电能和发电机1300的效率。
可以利用任何其它燃料系统，如氢氧系统。气体燃料例如丙烷也可以和空气1307一道进入同样类型的第二发电机。燃烧后，排出气体可以被适当地分配，以向上述两个发电机提供热源。另外，热源可以来自原子核同位素衰变、太阳能、或任何其它热源。与图示的相比，发电机1300可具有更多或更少的热交换器1302和1303以及TE元件1301和1304。同样地，TE元件1301、1304可以替换成TE模块或任何其它合适的固态能量转换器。电线1322和负载1317的特性可相应地改变，并可由系统设计者针对特定应用规定。如果用太阳能、核能或外部燃烧系统来向系统传递热能，空气1307、1312、1316可以由任意合适的流体来取代，从而上述系统可以被设计成封闭式或开放式的回路系统。如果热交换器1302、1303、1306与TE元件1301、1304电绝缘，介质就可以是液态金属，例如水银，或有利地是用于高温用途的毒性较小的水银置换合金(mercury replacement alloy)，例如NaK、伍德金属(Wood’s metal)或任何其它合适的液态材料。
图13C示出发电机1300的运行示意图1323。来自燃烧器1311的排出气体以温度TCM1324进入，且与热交换器1303、1306有良好的热交换，而上述热交换器又与TE 1301、1304有良好热交换。排出气体1316以温度TMH1324离开。同样地，温度为TC1326的空气1307、1321和1310被逐步加热到温度TCM1324。来自排出气未转换成电能的那部分废热(未示出)，穿过TE 1301、1304而进入热交换器1302、1305和空气1307内。热源以燃烧器1311和燃料1318的形式向发电机1320提供热能。
跨越温差的热流，例如TMH1324和TC1302之间、TH1325和TCM1324之间、和在示意图1320的其它位置间的热流，按照公式(2)产生穿过每个TE 1301、1304的电能。由发电机1300的TE元件1301、1304产生的所有这种电能的总和、与来自燃烧器1311的热能之比，就是系统效率。关于这种设计，如果忽略系统损失和风扇(或鼓风机)功率，精细的计算显示效率在理论上可以达到发电机160的效率的大约130％。实际结果可能相当低，其范围在发电机160的效率的40％到70％之间。然而，如以上解释的那样，如果发电机160实际运行时的运行效率是12％-25％，在实际应用中，发电机1300运行的效率可以是发电机160的效率的多倍。因此，效率就可以显著高于发电机1220和1240所产生的效率。
图14A示出的发电机1400以线性阵列的结构，利用了美国专利第6,539,725号中所讲授的热绝缘和本申请公开内容的再循环。发电机1400具有与较热端热交换器1402和较冷端热交换器1403有良好热接触的TE元件1401或TE元件的阵列。空气1407进入鼓风机1408，且随后进入到冷端热交换器1403的入口1406。被加热的空气1410在腔室1411内与通过管道1413进入的高温燃烧产物1412或其它热流体混合。被加热的空气混合物1410穿过较热端热交换器1402，且空气混合物1414通过排出装置1416离开外壳1409。外壳1409封装此装置。负载1415连接到TE元件1401。间隙1405将单独的各对TE元件1401与热交换器1402和1403分隔开并热绝缘。
运行类似于发电机1300，只不过TE元件1401与热和冷端热交换器1402和1403是成对设置的，从而实现热绝缘。运行时，TE元件或模块两端的温差产生电能，该电能被收集并传送到负载1415。此系统的效率与图13A中发电机1300的效率大约相同。
空气1407、1410和1414可以被替换成液体、固体、气体的任意组合、液体和固体介质例如浆体、泡沫、分布于流体中的微小颗粒、或任何其它有利的介质。如发电机1300那样，任何热源都可被用来在混合室1411处提供热能。最后，如果用泵或电机和驱动系统替换鼓风机1408，对流介质就能以闭环形式运行。在该闭环系统中，排出物1414经过一定冷却后以某种方式返回入口。
图14B示出了图14A中发电机1400运行的示意图1420。温度为TG的热气1412将热能QH对流给混合室1411，因此将较冷端对流介质1421的温度从TMC1425到TH1427升高了ΔTM1428。较热端流体1410冷却并以温度TMH1426排出。TE元件1401与热端1410和冷端1406对流介质有良好的热接触。较冷端流体1406以温度TC1424进入并以温度TMC1425离开。负载1415电连接到TE元件1401。
运行中，如果有至少四十个带有热绝缘的热交换器，以此耦合到至少二十个TE元件1401，对流介质1406、1410中的温度分布1421、1422将呈现为接近平滑的斜线，如图14B中所示。在这些条件下，如果按照公式(2)让每个热绝缘的TE部分1401提供电能，并用各自的热和冷端温度替换该公式中的TH和TC，效率可以是相对地高。也可以用更少的TE元件1401，并产生一般在一定程度上更低的效率。
图15A示出了一种热电联产系统1500，其具有对流发电部分和绝缘元件的发电部分。发电机1500具有风扇1511，散热器1512，对流TE 1502，对流介质1504，较热端电极1505，热源1506，较热液体1511、1508，耦合到多个TE元件1501的多个热绝缘的热交换器1507，出口1509以及外壳1510。风扇1511经过散热器1512抽取对流流体1503，该散热器与对流TE 1502的较冷端有良好的热接触，对流介质1504穿过对流TE 1502，这可以用多孔热电材料或穿过热电材料的孔或任何其它类似方式来实现。对流介质1504穿过对流TE 1502，并通过较热端电极1505离开，且经过热源1506。较热端电极1505可以是多孔的或带有孔，以允许通过对流介质1504。被加热的流体1511、1508穿过多个热绝缘的热交换器1507，并在出口1509排出。TE元件1501的较冷端与散热器1512有良好的热接触。发电机外壳1510容纳此装置。
在运行中，处于较冷温度的对流介质1503被风扇或泵1511抽取穿过发电机1500。它首先穿过散热器1512的一部分(通过孔或散热器的多孔部分)，然后穿过对流TE 1502。对流TE 1502的运行如在图11的描述中简单提到的那样。对流流体1504通过较热端电极1505，并且有利的是，通过热源1506而离开。热源1506可以是催化燃烧器或任何其它合适的热源。所产生的热源的一部分传递到TE 1502，并在发电机1500的那部分产生电能。由热源1506所产生的热能平衡穿过热交换器1507，并在其热能的一部分或有利地接近全部的热能被热交换器1507所提取和通过后离开TE 1501。TE元件1501也产生电能，该电能可以与来自对流TE 1502的电能结合。
除了空气1503外，可以使用其它对流介质。具体地说，热电联产发电机(co-generator)1500可以有利地在闭环系统中使用低粘性油，例如低分子量硅油，在该闭环系统中风扇1511被泵所替换。而且，对流TE 1502可以被具有有效外部传热能力的固态TE元件替换，如在美国专利第6,598,405号中公开的结构，或者是被任何其它内部或外部传热方法取代。如果对流TE 1502与对流介质电绝缘，可以使用液态金属或固态对流介质。
图15B示出了热电发电机1500运行的示意图。TE1 1501表示一个TE组件，该组件的运行如同一绝缘TE元件的阵列，其较热端1521的温度从左边的温度TH1522降到右下方的THM1525，其较冷端的温度为TC1523。第二TE发电机TE2 1502利用的对流发电技术如美国专利6,598,405所述，其较热端的温度为TH1522，较冷端的温度为TC1523。热源QH1524将热能给予对流介质1503，该介质进入穿过对流TE 1502，并作为被加热流体1511、1508离开，从而绕过热绝缘的TE元件1501。
如果对流介质1521中几乎所有的热能都是通过热绝缘的TE1 1501来提取的，而TE1 1501和对流TE2 1502是以接近最佳效率运行的，对于ZTH从1.0到2.5的热电材料而言，热电联产发电机1500的效率大致与发电机160理论上可能的效率相同。
图16示出了一种发电机1600，其利用固体对流介质来产生电能。发电机1600具有多个TE元件1601，负载1614，第一和第二传导介质1602、1606，第一安装轴1605，第二安装轴1608，隔热板1604，热能源1611，较热端热交换器1613，以及较冷端热交换器1609。优选的是，静止的TE元件1601电连接到负载1614，并与第一和第二运动介质1602、1606电绝缘但有良好的热接触。对于图16中所示的实施例，第一和第二运动介质1602、1606如图所示是盘形。优选地，TE元件1601形成TE材料块，其从第一和第二运动介质的盘形的大致外径延伸到大致内径处。在一个优选实施例中，TE元件1601稍微小于盘的宽度，因而没有正好达到第一和第二运动介质盘1602、1606的外圆和内圆。由电机或其它驱动机构(未示出)驱动的第一侧轴(sideshaft)1605固定到隔热板1604，而该隔热板又固定到第一对流移动介质1602，因此这三部分形成一单个移动部分。第二转动轴1608以类似的方式连到第二隔热板(未示出)和第二对流运动介质1606。箭头1603和1607分别表示运动介质1602和1606的运动方向。热源1611向较热端热交换器1613提供热能QH1612，该热交换器与第一和第二运动介质1602、1606有良好的热接触并将热能传递给第一和第二运动介质1602、1606。同样地，在与较热端热交换器1613相隔约180度处，较冷端热交换器1609与第一和第二运动介质1602、1606有良好的热接触。较冷端热交换器1609从运动介质1602和1606提取废热能QC1610。有利的是，运动介质1602、1606在图16中的竖直方向上和轴向上有非常良好的热导率，而在转动方向1603和1607上有非常低的热导率。以这种方式，即可获得与美国专利6,539,725所讲授内容一致的热绝缘。这可以通过以下的方式获得，即，通过环氧树脂固定材料，将小的铜切片(类似于饼的切片)结合在一起，使得这些铜切片形成第一和第二运动介质，并且在运动方向上比TE元件1601之间的间隙薄。通过这种方式，从TE到TE的任何热传导都被最小化。可选择的是，传导介质1602和1606由层压材料制成，该层压材料由高热导率材料例如铜片组成，被定向成其宽度和长度处于轴向和径向平面内，而各层之间由低热导率环氧粘合剂隔开以在径向上降低热导率。图中未示的热脂(thermal grease)、液态金属薄层或任何其它合适的热传递材料，都可以将运动介质1602和1606热学连接到热交换器1609和1613。
运行类似于示意图14B，只不过运动介质1602、1606将热能直接传递到TE元件1601。图14中的名称和示意图用来描述发电机1600的运行。
在运行中，从热源1611获得的热能QH被热交换器1613传送到运动介质1602，随着该运动介质通过在箭头1603所示方向上的运动离开与热交换器1613接触的区域，运动介质的温度升高到TH。在与温度为TC1424的热交换器1609热接触之前，随着运动介质1602冷却到温度TMH1426，离开热交换器1613的运动介质1602将热能传递到TE元件1601。运动介质1602在冷却到TC之后，继续在箭头1603所示方向上，朝向较热端热交换器1613运动。同时，第二运动介质1606也借助与较冷端热交换器1609接触，而被冷却到TC1424。随着第二运动介质1606转动，它与TE元件1601有良好的热接触并从它们的冷端提取废热。在该过程中，第二运动介质1606被加热到温度TMC1415。较热端热交换器1613然后将第二侧介质1606加热到TH1427。运动介质1602、1606和TE元件1601的温度分布因此而类似于温度分布曲线1422和1421。一旦运动介质1602上的一点通过、且被热交换器1609冷却到TC1424，运动介质1602就成为发电机1600的第二部分较冷端的一部分；而一旦第二运动介质1606上的一点被热交换器1613加热到TH1427，它就成为发电机1600的热端的一部分。热能QH1612可来自热源1611，该热源可以是任何合适的热源例如同位素、催化燃烧器或火焰。较热端热交换器1613和热能源1611可以被外部的热能源QH1612所取代，例如集中式太阳能辐射、或任何其它合适的非接触源QH1612。如果热源QH1612随时间而变化，可变化轴1605、1608的转速以将TH1427维持在所需的温度。另外，通过控制TMC1425与TMH1426之间的差异，可以改变转速，从而改变效率。应该理解的是运动介质盘1602、1606也可以如上所述由液态金属构成。
为了控制速度，在一个优选实施例中，设置控制器1640以自适应地控制轴1605、1608的速度，该控制器至少以较热温度传感器1642和较冷温度传感器1644作为输入。通过使用步进式或伺服电机，这些轴的速度可以非常简单地通过具有合适反馈的控制器1640来控制。可提供反馈以监测盘的热端和冷端的温度，从而可随条件的改变来改变速度，以维持合适的运行极限。例如，如果热源是功率随时间而变化的废热系统，并且废热随着时间而变得更热或更冷，就可以为控制系统提供反馈，以在废热增加的时候使盘加速，而在废热减少的时候使盘减速。这样的控制系统可以被编程以维持最高水平的效率、最高水平的功率输出、或这二者的组合，该组合可以针对特定的应用，为发电机的运行产生特定的所需最佳点(sweet spot)。应指出的是，可以通过相当缓慢地使盘运动来获得非常高的效率，从而使出口温度TMH低于TMC一定的数量，借此使得所需要增加的补充热量(boost heat)的级别低。通过这种方式，大部分热量在所述系统内再循环，极少有损失浪费。可以为图13-17中任一个实施例提供类似的控制系统，从而控制工作介质运动的速度。
图17示出一种以废热能作为动力的发电机1700系统。作为一特定实例，示出了一种来自车辆发动机1705的排出系统1706的废热能回收。排出介质1713通过催化转换器1707、逆流热交换器1704、消声器(muffler)1708以及出口1709。多个TE元件1701与运动介质1702和1703有良好的热接触，所述运动介质在箭头1714、1715和1716所示的方向上运动。运动介质1702、1703穿过辐射器1710、泵1711并穿过热交换器1704。负载1712连接到TE元件1701。
在运行中，来自发动机1705的排出介质1713被催化转换器1707处理并进入逆流热交换器1704，在此处排出介质1713将热能传递给运动介质1702、1703。被冷却的排出介质1713在出口1709离开。被加热的介质1703将热能传递给TE元件1701，从而冷却被加热的介质1703。运动介质在其通过辐射器1710时被进一步冷却。有利的是，工作介质1702和1703为单种液体，该液体通过图17中所示的闭环结构被泵1711抽取。所产生的电能被传送到负载1712。
如在发电机1600的描述中所述，泵1711的速度可以改变，从而调节性能并补偿来自发动机1705的排出介质1713输出的变化。
图17B示出了图17A中发电机1700运行的示意图1720。热能源QH1721在逆流热交换器1704处与介质1702、1703接触。热端介质1702以温度TH1723离开热交换器1704，并以温度TMH1724进入辐射器1710。废热能QC1725在该点离开所述系统。较热介质1703在其经过TE元件1701和辐射器1710时冷却到温度TC1726。该介质然后通过泵1711绕过较冷端上的TE元件1701，以温度TMC1722进入热交换器1704。
在运行中，介质1702、1703以闭环方式被抽取穿过热交换器1704，在此处介质吸收热能QH1721，并以温度TH1723离开。介质1702将热能传递给TE元件1701，借此将介质1702冷却到TMH1724。废热能QC1725被辐射器1710从系统中排出，且在此过程中将较热介质1703冷却到TC1726。现在被冷却的介质1702吸收来自TE元件1701冷端的废热能，且在此过程中将介质1702加热到温度TMC1722。由通过TE元件1701的热流所产生的能量被传递到负载1712。这个过程在运行中持续地发生。
应指出的是，在图13-17的不同发电系统中的TE元件两端，除了从单个TE元件的较热端到较冷端的梯度之外，从该组件的一端到该组件另一端，TE元件可以在显著不同的温度下运行。因此有利的是，TE元件被设计成在不同的运行温度和条件下最好地运行。例如，对于在较热温度下运行的TE元件，TE元件可以用不同于在较冷的温度下运行的那些TE元件的TE材料制成。例如，对于较热的TE元件来说，TE元件可以由确实适于更热运行温度的材料制成，例如硅锗(SiliconGermanium)或类似材料，而对于较冷TE元件，TE元件可以由诸如碲化铋的材料制成。特定地适于较热或较冷的运行温度的其它材料是已知的。
另一种有利地适应图13-17中发电机中TE元件的不同运行温度的方式，就是以不一致的方式来构造单个TE元件，例如用第一材料制造出至少一些TE元件的较冷端部分，而用第二TE材料制造出相同TE元件的较热端部分。换言之，单个TE元件是由至少两种不同的材料制成的，从而产生已知的单耦合TE元件。这两种材料也可以是同样的TE材料，但TE元件的较热端和较冷端的掺杂方式是不同的。例如，在TE元件的较冷端以第一浓度级掺杂而在较热端以不同的浓度级掺杂，可提供对应于最佳运行的合适特性。可选择或可结合的是，可在每个TE元件或至少一些TE元件的较热端，使用不同于较冷端的掺杂剂。
在另一实施例中，TE元件的构造可根据温度变化，而理想地在以所述组件上稳定变化的方式变化。更实际的是，TE元件可以被分成操作范围组，且TE元件被适当地构造成对应于操作范围。例如，如图17B所示，温度分布曲线表示该系统中TE元件两端的运行温度，穿过温度分布曲线中间的虚线表示构造TE元件的一种方式。在该图的左边，一小部分TE元件，或没有哪部分TE元件是用适于在较冷温度下运行的第一TE材料构造的，而TE元件的全部或大部分是由第二TE材料构造的，该第二材料具有更好的适于在较热温度下运行的特性。在该组件的右侧，每个TE元件的全部或大部分是由具有更好地适于在较冷温度下运行的特性的TE材料构造的，且每个TE元件没有一个部分，或只有小部分是由具有更好地适于在较热温度下运行的特性的TE材料构造的。应该清楚的是，由更好地适于在较热端运行的TE材料构造的每个TE元件的比例或部分，或至少一些TE元件，是图17B中的上部；而由更好地适于较冷温度的TE材料构造的每个TE元件的部分或至少一些TE元件，是图17B中的底部。虚线标出这种材料的理论分布。实际上，可将TE元件分组成两类或更多类，而不是较为昂贵地在每个TE元件中逐渐变化。例如，一组TE元件是由90％/10％部分构成的，一组是以50％/50％构成的，而一组是以10％/90％构成的，其中规定是(较热材料％)/(较冷材料％)。其它比例也是可行的。
应指出的是，虽然图17的实施例用于讨论，但TE构造的这个原理适用于任何TE系统，在该系统中在组件两端的运行温度是不同的。
在本申请中的各项讲授内容可通过任何有利的方式结合。这种结合是本发明的一部分。同样，名称为“Improved EfficiencyThermoelectrics Utilizing Thermal Isolation”的美国专利6,539,725以及与旋转式热交换器相关的名称为“Thermoelectric Heat Exchanger”的美国专利申请09/971539的讲授内容可被用于与本申请结合，从而在本申请的原理上产生变型。例如，在一个实施例中，热和/或冷端的热交换器可以被设置成一些部分与热交换器的其它部分基本热绝缘。同样地，在一个实施例中，热电模块的一些部分与热电模块的其它部分热绝缘。
而且，图13-17中的各种对流发电机可以被结合在一起，从而提供一种能在两个不同级别下运行的发电机。
因此，本发明并不局限于任何特定的实施例或具体的公开内容。反之，本发明是由所附权利要求确定的，在权利要求中使用的术语具有其普通和惯常的含义。
权利要求
1.一种热电发电系统，包括多个热电元件，其形成一组件，在运行中具有较冷端和较热端，其中工作介质从所述多个热电元件中的至少一些元件的所述较冷端收集废热；且其中在收集所述废热之后，所述工作介质被进一步加热，并随后向所述多个热电元件中的至少一些元件的所述较热端释放其热能的一部分，以利用所述多个热电元件中的至少一些元件来发电；至少一个电气系统，其传送来自所述组件的能量。
2.根据权利要求1所述的热电发电系统，其中所述工作流体是由热源来加热的。
3.根据权利要求2所述的热电发电系统，其中所述热源是燃烧。
4.根据权利要求2所述的热电发电系统，其中所述热源是太阳能。
5.根据权利要求2所述的热电发电系统，其中所述热源是同位素。
6.根据权利要求1所述的热电发电系统，其中所述工作介质是固体。
7.根据权利要求1所述的热电发电系统，其中所述工作介质是流体。
8.根据权利要求1所述的热电发电系统，其中所述工作介质通过燃烧所述工作流体而被加热。
9.根据权利要求1所述的热电发电系统，其中所述工作介质是固体和流体的混合物。
10.根据权利要求1所述的热电发电系统，其中所述多个热电元件中的至少一些元件被设计成能够让所述工作介质穿过它们。
11.根据权利要求10所述的热电发电系统，其中所述多个热电元件中的至少一些元件是多孔的。
12.根据权利要求1所述的热电发电系统，其中所述多个热电元件中的至少一些被设置成能在所述组件的所述较热端的方向上由所述工作介质进行对流传热。
13.根据权利要求1所述的热电发电系统，进一步包括一发电控制器。
14.根据权利要求13所述的热电发电系统，其中所述发电控制器控制所述工作介质运动的速度。
15.根据权利要求1所述的热电发电系统，进一步包括多个热交换器，其中至少一些所述热交换器可与所述热电元件中的至少一些元件进行热交换。
16.根据权利要求15所述的热电发电系统，其中至少一些所述热交换器在工作介质运动的方向提供热绝缘。
17.根据权利要求1所述的热电发电系统，其中所述多个热电元件中的至少一个元件被设计成能够在所述组件的所述较热端的方向上由所述工作介质来进行对流传热，且所述热电元件的其它元件中的至少若干个元件被设计成在工作介质运动的方向上提供热绝缘。
18.根据权利要求17所述的热电发电系统，其中所述工作介质是工作流体，且其中所述工作流体通过所述多个热电元件中的至少一个元件进行对流传热，并因此而被加热。
19.一种利用热电发电系统发电的方法，该方法包括以下步骤移动工作介质，以使其与多个热电元件进行热交换，所述多个热电元件形成一组件，该组件在运行中具有较冷端和较热端；使热量从所述多个热电元件中的至少一些元件的较冷端传递到所述工作介质；附加另外的热量到所述工作介质；使热量从所述工作介质释放到所述多个热电元件中的至少一些元件的较热端，由此利用所述多个热电元件中的至少一些元件发电。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述附加另外的热量的步骤包括燃烧所述工作介质。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述附加另外的热量的步骤包括用太阳能加热所述工作介质。
22.根据权利要求19所述的方法，进一步包括使所述工作介质穿过所述多个热电元件中的至少一些元件。
23.根据权利要求19所述的方法，进一步包括在所述热电元件的至少一个元件的较热端的方向上，由所述工作介质进行对流传热。
24.根据权利要求19所述的方法，进一步包括控制发电以匹配一指标。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述指标是效率。
26.根据权利要求24所述的方法，进一步包括控制所述工作介质运动的速度。
27.根据权利要求19所述的方法，进一步包括在所述工作介质运动的方向上使所述热电元件中的至少一些元件热绝缘。
全文摘要
一种热电发电系统，包括形成组件的多个热电元件，其在运行中具有较冷端和较热端，其中工作介质从所述多个热电元件中的至少一些元件的所述较冷端收集废热，收集所述废热后，所述工作介质被进一步加热，然后向所述多个热电元件中的至少一些元件的所述较热端释放其热能的一部分，从而利用所述多个热电元件中的至少一些元件来发电。
文档编号F25B33/00GK1853337SQ200480026626
公开日2006年10月25日 申请日期2004年8月16日 优先权日2003年8月18日
发明者L·E·贝尔 申请人:Bsst有限责任公司