[发明专利]具有中间回路的热电发电器

说明书

相关申请的横向参考

本发明涉及并且要求2005年6月28日提交的第60/694,746号题为Freedom Car & Vehicle Technologies Program的美国临时专利申请的权益。

联邦政府赞助研究与发展研究所的有关声明

美国政府可以要求由美国能源部授予的合同号第DE-FC26-04NT42279之下的，本发明或者本发明的部分中的某些权利。

技术领域

本申请涉及热电发电领域，并且更特别地，涉及用于改进来自热电材料的功率产生的系统，特别地在系统中在热电材料两侧的温度差异存在限制的情况下。

背景技术

热电材料是固态设备，当电流通过时其操作变为一边冷而另一边热。它们也可以通过维持热电材料两侧的温度差异产生电能。然而在许多操作条件下，热电发电器容易受到改变的热通量、热侧边热源温度、冷侧边温度、和其他可变的条件的联合的影响。另外，设备性质比如TE导热性、品质因数Z、热交换器性能通常都具有可以联合以大体上降低设备性能的范围。结果，与设计相比，性能变化和在预先确定的设定点操作可以导致性能退化。

任何不是100％效率的消耗能量的过程经常以热的形式产生废能量。例如，发动机产生大量的废热，表示发动机的低效率。已经考虑尝试捕获和使用一些这种废热的各种方法，以便增进任何类型的发动机的效率，比如机动车中的发动机。将热电材料用于机动车的排气系统已经被关注(见第6,986,247号题为Thermoelectric Catalytic Power Generatorwith Preheat的美国专利)。然而，排气系统在各温度和热通量变化很大。因此，因为热电发电器典型地被设计以在热侧边温度的小范围内有效地操作，所以使用废气用于热电发电器的热侧边不是最理想的。另外，用于被连接到发动机系统的热电发电器的合逻辑的冷侧边冷却剂是已经提供的发动机冷却剂。然而，冷却剂需要被维持在相当热的温度用于有效的发动机操作。因此，使用现有的冷却剂限制了可以在热电发电器两侧建立的温度梯度，由此限制了有效的废热回收。

发明内容

在过去，来自废热的热电(TE)发电受困于许多原因。描述的发明解决了一些这种过失，极大地改进了TE发电器的能力。所述改进通常通过在冷侧边提供中间回路、在热侧边提供中间回路或者在这两个侧边提供中间回路来获得，并且在一个实施例中，提供对中间回路或者多个回路的改进的控制。归因于从机动车发动机产生的废热的极大的可变性，本发明在使用来自机动车的发动机的废热作为热能源的热电发电系统的情况下被提出。这个实例允许发明特征的有效的公开。然而，本发明不限制于用于机动车或者甚至用于发动机的热电发电器。本发明在任何热电发电系统中具有应用。

为了使用热电材料有效地最大化废热回收系统的性能，在热电发电器模块(TGM)两侧维持最高的温度差异通常是理想的。这样做的一种方法是保持热侧边的温度尽可能高。另一种方法是更好地控制冷侧边温度。通过使用中间传热回路和对热侧边、冷侧边或者两者的那个回路的合适控制，可以获得功率产量和/或效率的显著改进。

在过去(见美国专利号第6,986,247)，TE模块已经被提议作为运送热流体的导管或者管道周围的内衬，比如机动车的排气系统。这提供了热流体和TE材料之间的直接的接触，这是所期望的，以最大化TE材料的热侧边的温度和在TE材料两侧的温差。这对于在那里热流体流动速率和温度不改变的静态系统可能是优良甚至最佳的。TE元件可以被设计以提供与热流体流动完善的阻抗匹配。这种阻抗匹配是重要的，因为元件几何结构可以极大地影响能够有效地被传送穿过TE元件的热量。对于静态系统，热电系统可以被设计成稳态操作在最大效率，稳态操作在最大功率输出，或者稳态操作在设计师可以接受的这两者的结合。

然而，当系统变为动态的的时候，在机动车由发动机驱动的情况下，在这里温度和热通量的范围变化很大，设计用于特定的调整条件的热电发电系统可能只生产其容量的一小部分，或者在某种操作条件下甚至变为无用的。在本发明中，通过提供分离的传热回路用于冷侧边、热侧边或者两者，并且提供合适的控制用于这样的一个或多个回路，在实际应用中可以获得使这样的系统切实可行的实质的改进。