專利名稱：級聯(lián)式熱電發(fā)電器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱電轉換技術領域，具體涉及一種級聯(lián)式熱電發(fā)電器。
背景技術：
熱電(thermoelectric)發(fā)電技術是利用熱電材料(thermoelectric materials) 的賽貝克(Seebeck)效應將熱能直接轉換成電能的技術，具有熱電器件體積小、可靠性高、 壽命長等特點，按熱電轉換原理，可以利用包括太陽能在內的所有熱源，可以用小面積獲得大功率的電力，因此在空間科學、軍事裝備、廢熱發(fā)電等技術領域發(fā)揮著重要作用，并且越來越受到人們的重視。熱電發(fā)電器一般為圓筒結構，并采用單級結構，即僅使用一種熱電材料或熱電器件。其結構是，熱源位于圓筒結構的中心，熱電器件分布于熱源外側并呈輻射狀，熱電發(fā)電器最外層為散熱結構，其中，熱電器件將來自熱源的熱能轉換成電能。熱電器件是把熱能直接轉換成電能的一種元件，通常由均質熱電材料構成；熱電材料是一種利用固體內部載流子運動實現(xiàn)熱能和電能直接相互轉換的功能材料，其兩端的溫差可以產生電壓。由于熱電材料的性能優(yōu)值Z (Z= α 2σ/K，其中α為Seebeck系數(shù)；ο為電導率；κ為熱導率)與材料使用溫度密切相關，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，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)，則由單種均質熱電材料構成的熱電發(fā)電器難以獲得最大的能量轉換效率，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) φ 報道了通過級聯(lián)、多段復合的方式提高材料熱電發(fā)電效率的實驗結果。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合熱電材料和級聯(lián)熱電器件的技術方案。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1至2種熱電材料層，從而緩和了熱應力的技術。日本專利特開
2006-2452Μ公開了在位于低溫段熱電轉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換用器件和夾持用部件，從而降低作用于熱電轉換用器件上的熱應力的同時降低熱損失的技術。然而，對于熱電材料的多段復合雖然能提高復合材料的整體發(fā)電效率，但由于各個分段材料不同，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率和熱導率不完全一致，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)域內會產生元素間的相互擴散及元素間的化學反應，使得材料的熱穩(wěn)定性受到影響，其次各個分段材料中最佳幾何尺寸要求差異較大時，難以獲得預期的熱電發(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)結構，要求級間的絕緣層具有高導熱和高電絕緣性，并且要具有足夠高的連接強度。由于級聯(lián)熱電器件實際使用溫度區(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)熱電器件內部出現(xiàn)過大的接觸電阻和接觸熱阻，從而導致熱電器件性能衰減甚至失效。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題包括提供一種級聯(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。為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種級聯(lián)式熱電發(fā)電器，包括產生熱量的熱源、將熱量轉換成電能的熱電發(fā)電部、及外殼，其中，所述熱電發(fā)電部包括從所述熱源沿熱量傳遞方向依次徑向向外設置的級聯(lián)的至少兩個熱電發(fā)電系統(tǒng)，所述級聯(lián)的至少兩個熱電發(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行熱電轉換。采用本發(fā)明，通過多個熱電發(fā)電系統(tǒng)的級聯(lián)，熱量從熱源經過各個溫度段的熱電發(fā)電系統(tǒng)傳遞至外殼，熱量經過各級熱電發(fā)電系統(tǒng)時產生溫差，隨即產生電能，且至少兩個熱電發(fā)電系統(tǒng)相對獨立，以便熱電發(fā)電系統(tǒng)可相對獨立地進行熱電轉換，即使在一個系統(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。在本發(fā)明中，也可以，各級熱電發(fā)電系統(tǒng)分別包括沿熱量傳遞方向依次徑向向外設置的集熱構件、熱電構件以及散熱構件，所述熱電構件的高溫側與所述集熱構件相連且所述熱電構件的低溫側與所述散熱構件相連，所述熱電構件從所述集熱構件接收熱量以進行熱電轉換并進一步向所述散熱構件傳遞熱量。采用本發(fā)明，有利于實現(xiàn)各級熱電發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉換。在本發(fā)明中，也可以，相鄰設置的兩級熱電發(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)的集熱構件。采用本發(fā)明，由于兩級熱電發(fā)電系統(tǒng)共用了散熱構件與集熱構件，因此保證了熱量傳遞的延續(xù)性，當一個系統(tǒng)處于失效狀態(tài)時，其他系統(tǒng)仍能正常工作。在本發(fā)明中，也可以，各級熱電發(fā)電系統(tǒng)分別根據(jù)其集熱構件處的溫度選擇具有不同工作溫度的熱電構件。采用本發(fā)明，各級熱電發(fā)電系統(tǒng)的熱電構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換效率。在本發(fā)明中，也可以，各級熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱構件和散熱構件為同軸設置的筒狀結構，所述熱電構件為多個徑向分布在所述集熱構件與散熱構件之間的熱電器件。采用本發(fā)明，可提高整個熱電發(fā)電器的熱電轉換效率。在本發(fā)明中，也可以，位于熱量傳遞方向最下位的熱電發(fā)電系統(tǒng)的散熱構件為所述級聯(lián)式熱電發(fā)電器的外殼。采用本發(fā)明，外殼可作為整個熱電發(fā)電器系統(tǒng)的散熱結構，熱量從熱源經過各個溫度段的熱電發(fā)電系統(tǒng)傳遞至外殼后，從外殼散發(fā)。 在本發(fā)明中，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)的熱電構件的低溫側與所述外殼之間以將各熱電發(fā)電系統(tǒng)中的各個構件壓緊的壓緊固
定裝置。采用本發(fā)明，通過該壓緊固定裝置可以將各熱電發(fā)電系統(tǒng)中的各個構件壓緊，從而保持各熱電構件與集熱構件、散熱構件之間的良好接觸以保證熱量的良好傳遞。在本發(fā)明中，也可以，還包括與所述壓緊固定裝置相連且緊貼設置于所述外殼的內側的支撐構件。采用本發(fā)明，通過支撐部件的設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。在本發(fā)明中，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)中的各個構件。采用本發(fā)明，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)中的各個構件，保證熱量的良好傳遞。在本發(fā)明中，也可以，在所述外殼的外表面上形成有多個徑向分布的散熱翅片。采用本發(fā)明，能使發(fā)電器內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。在本發(fā)明中，也可以，在所述外殼的外表面上纏繞有螺旋式水管。采用本發(fā)明，通過在螺旋式水管中導入制冷流體，從而起到冷卻外殼的作用，能使發(fā)電器內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。 在本發(fā)明中，也可以，在所述外殼的外表面上設置有U型水管。采用本發(fā)明，通過在U型水管中導入制冷流體，能使發(fā)電器內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。在本發(fā)明中，也可以，所述熱源為具有封閉結構的熱源。采用本發(fā)明，該熱源結構簡單，且無需與外部連通，從而以此構造的熱電發(fā)電器結構簡單，便于制造。在本發(fā)明中，也可以，所述熱源為具有管道結構的熱源。采用本發(fā)明，熱源內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生電。在本發(fā)明中，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構連通的管道轉接接口或法蘭。采用本發(fā)明，熱源內部可通過管道轉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生電。在本發(fā)明中，也可以，所述管道轉接接口或法蘭由金屬材料或者耐高溫有機材料制成。采用本發(fā)明，有利于將外部的熱量導入熱電發(fā)電器內部，可提高整個發(fā)電器系統(tǒng)的發(fā)電效率。 在本發(fā)明中，也可以，所述管道轉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。采用本發(fā)明，可以更牢固地結合管道轉接接口或法蘭與外殼。在本發(fā)明中，也可以，所述熱電構件為由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成的熱電構件。采用本發(fā)明，可有效地將熱能轉換為電能。在本發(fā)明中，也可以，位于熱量傳遞方向最上位的熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱構件由高導熱的石墨或金屬材料制成。采用本發(fā)明，可提高該集熱構件的集熱性能。在本發(fā)明中，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)的集熱構件以外的集熱構件由高導熱金屬材料制成。采用本發(fā)明，可提高該集熱構件的集熱性能，并可進一步提高熱量傳遞性能，有利于整個熱電發(fā)電器的熱電轉換。優(yōu)選地，上述高導熱的金屬材料可以是銅，鋁，或合金材料。


圖1為本發(fā)明第一實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1所示的翅片散熱式級聯(lián)熱電發(fā)電器的A-A線剖視圖3為本發(fā)明第二實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為本發(fā)明第三實施例的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1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。
具體實施例方式以下，參照附圖，并結合下述實施例進一步說明本發(fā)明。應理解附圖及下述實施例僅是示例性地說明本發(fā)明，并不是限定本發(fā)明，在本發(fā)明的宗旨和范圍內，下述實施例可有多種變更。其中，各實施例中相同的部件以相同的附圖標記標出，并不再詳細描述。圖1至圖9分別示出了本發(fā)明級聯(lián)式熱電發(fā)電器的各個實施例。本發(fā)明的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，包括產生熱量的熱源、將熱量轉換成電能的熱電發(fā)電部、及外殼，其中，熱電發(fā)電部包括從熱源沿熱量傳遞方向依次徑向向外設置的級聯(lián)的至少兩個熱電發(fā)電系統(tǒng)，該級聯(lián)的至少兩個熱電發(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行熱電轉換。本發(fā)明提供的級聯(lián)式熱電發(fā)電器不采用多段復合熱電材料或級聯(lián)熱電發(fā)電器件，而是采用多個熱電發(fā)電系統(tǒng)的級聯(lián)。本發(fā)明級聯(lián)式熱電發(fā)電器中的上述至少兩個熱電發(fā)電系統(tǒng)相對獨立，在一個系統(tǒng)失效的情況下，其他系統(tǒng)仍能正常工作。如圖1 9所示，本發(fā)明的熱電發(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置，熱量從熱源1經過各個溫度段的熱電發(fā)電系統(tǒng)傳遞至外殼8后，從外殼8散發(fā)。熱量經過各級熱電發(fā)電系統(tǒng)時產生溫差，隨即產生電能，而位于最外層的外殼8可作為整個熱電發(fā)電器的散熱裝置。本發(fā)明通過將兩個或兩個以上的獨立的熱電發(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，在本發(fā)明的級聯(lián)式熱電發(fā)電器中，上述各級熱電發(fā)電系統(tǒng)分別包括沿熱量傳遞方向依次徑向向外設置的集熱器、熱電器件以及散熱器，熱電器件的高溫側與集熱器相連且該熱電器件的低溫側與散熱器相連，該熱電器件從集熱器接收熱量以進行熱電轉換并進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置的筒狀結構，并具有徑向分布在集熱器與散熱器之間的多個熱電器件。對于上述熱電發(fā)電器，相鄰設置的兩級熱電發(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，當一個系統(tǒng)處于失效狀態(tài)時，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換效率。在本發(fā)明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^NiSn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 4000C ；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 300 500"C。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成熱電器件。在具體的實施例中，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，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，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溫度選擇。本發(fā)明中，位于熱量傳遞方向最上位的一級熱電發(fā)電系統(tǒng)的集熱器用高導熱材料制成，該高導熱材料可以是石墨、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熱金屬材料制成，該高導熱金屬材料可以是銅、鋁或合金材料。這樣，可進一步提高熱量傳遞性能。 如圖2、4和6所示，在本發(fā)明的級聯(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)中的各個構件壓緊，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，在本發(fā)明的級聯(lián)式熱電發(fā)電器中，還包括與壓緊固定裝置6相連且緊貼設置于外殼8的內側的支撐部件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，最終到達外殼8。外殼8也是整個系統(tǒng)的整體散熱結構。該支撐部件7的設置既可對壓緊固定裝置 6提供支持，又有利于熱量的傳遞。本發(fā)明的熱電發(fā)電器的外殼8為整個熱電發(fā)電器系統(tǒng)的散熱結構，其可為具有各種散熱結構的外殼，詳細結構將在下文進行描述。通過這些散熱結構，熱量能很快從外殼上散發(fā)掉，從而拉大整個系統(tǒng)在熱量傳遞方向上的溫差，提高整個發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。下面結合附圖對本發(fā)明的級聯(lián)熱電發(fā)電器的三個實施例進行說明，各實施例中相同的部件以相同的附圖標記表示。以下實施例采用了兩個熱電發(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，也可以是三個或三個以上的組合。實施例1
圖1為本發(fā)明第一實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1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1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的中心設有與外殼8同軸且產生熱量的圓筒狀熱源1 ；在外殼8與熱源1之間形成有將熱量轉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1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沿熱量傳遞方向產生溫差，由此產生電能，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沿熱量傳遞方向同樣產生溫差，隨即產生電能，并進一步向外傳遞熱量。在本實施例中，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與兩個集熱器2、4之間的良好接觸以保證熱量的良好傳遞。本發(fā)明中該壓緊固定裝置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，在本實施例中，在外殼8的外表面上還形成有多個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1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。熱源1為具有管道結構的熱源時，在外殼8軸向的兩端安裝有與熱源的管道結構連通的管道轉接接口或法蘭12。圖7示出了該具有管道式熱源的圖1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，熱源內部可通過管道轉接接口 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能利用該熱能產生電。該管道轉接接口或法蘭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合。實施例2
圖3為本發(fā)明第二實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，本實施例2與實施例1的區(qū)別點在于在發(fā)電器的外殼8的外表面上纏繞有螺旋式水管11，其他與實施例1相同的結構在此不再詳述。該螺旋式水管11中可以導入制冷流體，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，能進一步拉大整個系統(tǒng)的溫差，提高整個發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。實施例3
圖5為本發(fā)明第三實施例的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，本實施例3與實施例1的區(qū)別點在于發(fā)電器的外殼8的外表面上設置有U型水管13，該U型水管13中可以導入制冷流體， 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，能進一步拉大整個系統(tǒng)的溫差，提高整個發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。通過上述這些散熱結構，熱量能很快從外殼上散發(fā)掉，從而拉大整個系統(tǒng)在熱量傳遞方向上的溫差，提高整個發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。采用本發(fā)明的級聯(lián)式熱電發(fā)電器可特別有效地將熱能轉換成電能，系統(tǒng)穩(wěn)定性強，且發(fā)電效率高。
權利要求
1.一種級聯(lián)式熱電發(fā)電器，包括產生熱量的熱源、將熱量轉換成電能的熱電發(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熱量傳遞方向依次徑向向外設置的級聯(lián)的至少兩個熱電發(fā)電系統(tǒng)，所述級聯(lián)的至少兩個熱電發(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行熱電轉換。
2.根據(jù)權利要求1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)分別包括沿熱量傳遞方向依次徑向向外設置的集熱構件、熱電構件以及散熱構件，所述熱電構件的高溫側與所述集熱構件相連且所述熱電構件的低溫側與所述散熱構件相連，所述熱電構件從所述集熱構件接收熱量以進行熱電轉換并進一步向所述散熱構件傳遞熱量。
3.根據(jù)權利要求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)的集熱構件。
4.根據(jù)權利要求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)其集熱構件處的溫度選擇具有不同工作溫度的熱電構件。
5.根據(jù)權利要求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)的集熱構件和散熱構件為同軸設置的筒狀結構，所述熱電構件為多個徑向分布在所述集熱構件與散熱構件之間的熱電器件。
6.根據(jù)權利要求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)的散熱構件為所述級聯(lián)式熱電發(fā)電器的外殼。
7.根據(jù)權利要求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)的熱電構件的低溫側與所述外殼之間以將各熱電發(fā)電系統(tǒng)中的各個構件壓緊的壓緊固定裝置。
8.根據(jù)權利要求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置于所述外殼的內側的支撐構件。
9.根據(jù)權利要求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)中的各個構件。
10.根據(jù)權利要求1所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，在所述外殼的外表面上形成有多個徑向分布的散熱翅片。
11.根據(jù)權利要求1所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，在所述外殼的外表面上纏繞有螺旋式水管。
12.根據(jù)權利要求1所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，在所述外殼的外表面上設置有U型水管。
13.根據(jù)權利要求1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構的熱源。
14.根據(jù)權利要求1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構的熱源。
15.根據(jù)權利要求14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構連通的管道轉接接口或法蘭。
16.根據(jù)權利要求15所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，所述管道轉接接口或法蘭由金屬材料或者耐高溫有機材料制成。
17.根據(jù)權利要求14所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，所述管道轉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。
18.根據(jù)權利要求2至9中任一項所述的級聯(lián)式熱電發(fā)電器，其特征在于，所述熱電構件為由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成的熱電構件。
19.根據(jù)權利要求2至9中任一項所述的級聯(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)的集熱構件由高導熱的石墨或金屬材料制成。
20.根據(jù)權利要求19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)的集熱構件以外的集熱構件由高導熱金屬材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種級聯(lián)式熱電發(fā)電器，包括產生熱量的熱源、將熱量轉換成電能的熱電發(fā)電部、及外殼，其中，所述熱電發(fā)電部包括從所述熱源沿熱量傳遞方向依次徑向向外設置的級聯(lián)的至少兩個熱電發(fā)電系統(tǒng)，所述級聯(lián)的至少兩個熱電發(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行熱電轉換。
文檔編號H02N11/00GK102412762SQ201210003098
公開日2012年4月11日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權日2012年1月6日
發(fā)明者吳汀, 尹湘林, 柏勝強, 陳立東 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所