专利名称：用于将热能转换成电能的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的利用热电元件将热能转换成电能的方法。
背景技术：
在本发明中在采用热电效应、特别是塞贝克(kebeck)效应和珀尔帖(Peltier) 效应的情况下实现从热能到电能的转换，这些效应由于存在温度差而引起(塞贝克效应)， 或相反产生温度差(珀尔帖效应)。传统的热电式的能量产生利用作为塞贝克效应已知的现象，使得在两种不同的分别具有不同的导电性和导热性并且至少在其一个端部上相互电连接的导电材料之间产生电势差或电压，前提是在相互连接的端部和相对的端部之间存在温度梯度。这里，这两种不同的材料电串联，但在热上是并联的。多个这种热电元件的电的串联线路和热的并联线路形成一种热电式的发电机。( “TEG(热电发电机)”)用于由多数一方面由热源以及另一方面由冷却装置得到的温度差获得电能。效率n已知地作为电功率P和总热流Q的商算出。
=!难_ 获得的电功率 η “ Q11 “输入的热能/单位时间所有目前已知的TEG的缺点在于，这种能量转换形式的效率较低(对于半导体TEG 为4-6%)。因此迫切需要明显地改善目前较低的效率以及开拓热电式能量产生的应用领域，这些应用领域目前为止保留已知的热力发电机和其它的电能的产生形式。由此可以在考虑相关费用的前提下明显扩展用于环保地以及保护资源的能量产生的应用可能性。热能能够以各种不同类型的方式容易地产生，因此不是必须依赖特定的、例如化石类的燃料。此外还能由大量的目前为止仅很少使用的或完全被忽略的热源提供热能。例如来自工业过程的废热、来自内燃机的废热、地热源、太阳热能等。这些热源的利用目前为止主要受到这样的限制，S卩，除了少数情况以外，这里所存在的温度水平或相对于周围温度的温度差通常太小，以至于不能为传统的热力发电机、如蒸汽机、蒸汽涡轮机等所利用。热电式的发电机可以在任何时间利用闲置的能量潜力，此外还提供简单的构造方式、没有活动部件的巨大优点，并且几乎是无需维护的。但目前仍非常小的4-6%的效率目前为止对于性价比是非常不利的。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种借助于用于利用热电效应的热电元件将热能转换成电能的方法，利用该方法能够实现更高的效率。本发明的目的通过根据权利要求1的特征的方法实现。据此，设想一种借助于至少一个用于利用热电效应的热电元件将热能转换成电能的方法，其中，所述热电元件由两个电串联的具有彼此不同的热电系数的热电臂构成，所述热电元件分别具有一个待加热的接触位置。此外待加热的接触位置相对于热电臂具有接触面，该接触面小于两个热电臂的 “平均总传导横截面”的值的5%。这里有利的是，由此，由于单位时间向热电发电机输送的热量尽可能限定在所产生的电功率的能量当量，明显提高了用于热电的能量生产的效率。为此根据本发明还设定，在可供使用的或可利用的温度水平上将TEG所需的热直接引入各个形成热电发电机的热电元件的待加热的、由不同的热电元件材料(A、B)构成的连接位置的根据本发明的特殊设计的接触-边界层中。此外借助于在闭合的电流回路中直接地以及与塞贝克效应同时并行出现的珀尔帖效应立即消耗输送给特殊设计的热的接触面且仅输送到那里的热量的较大部分并将其转换成电能。因此，对于可视为损失的沿形成各个热电元件的热电臂的热流剩余的热量与目前已知的系统相比明显更少。就是说，根据本发明这样来实现较高的效率，即与所有传统的系统不同，从被加热的接触位置到已冷却的接触位置的损失很大的热流不是通过特殊的材料特性来尽可能地阻止，而是在特殊的接触边界层上发生的能量转换中仅剩余较小的未使用的能够通过导热散发的热能余量。如在本说明书中还要详细说明的那样，附加于有利的转换过程，还通过附加的措施来限制沿臂材料的剩余的热流。这是这样来实现的，即形成各个热电元件的臂材料的传导横截面相互处于精确的事先确定的优化的比例关系，而不必因此改变所选择或提供的热电元件的总尺寸。这种横截面优化实现了效率附加的提高。本发明构成目前为止利用塞贝克效应工作的热电发电机的改进，该改进利用较为低廉的且可大量获得的结构原材料实现了较高的效率，这种效率用于能量生产的热电发电机也可以在这样的领域中使用，这些领域由于不成比例地高的成本和较低的效率目前为止不能使用上述类型的能量生产。根据本发明的方法特别适于环保地利用现有的资源，特别是也能使用(X)2中性 (无二氧化碳排放)的燃料和目前为止未被使用的热源，并且作为独立的、分散的热源能实施各种各样的任务。关于现有技术的概述自从塞贝克发现(1821)以来进行了大量的试验，通过将相应数量的热电元件连接在一起产生可利用的高电压，并由此简单且直接由热量获得电能。在19世纪下半期已经使用了不同类型的当时称其为“热电堆(Thermosaule)” 的装置，这些装置可以替代当时常见的铅酸蓄电池元件。在这种情况下，已知Noblile、Noe、 Clamond、Markus, Gulcher, Raub和Cox热电堆。Raub热电堆和Cox热电堆尽管当时大多小于的已经认识到的特别低的使用效率但已经可以产生如此多的电能，使得它们可以在商业上使用。随着西门子公司的能够产生多倍的电压和功率的Dynamo发电机的发明，在二十世纪初期热电堆逐渐被遗忘了。当然大约在二十世纪中期半导体的发现提供了新的热电材料，这种热点材料可以产生进一步提高的塞贝克电压和较高的效率。
由ρ半导体材料和η半导体材料组成的热电元件的串联形成了当前热电发电机和珀尔帖元件的基础。由于从工程物理的角度珀尔帖元件和热电元件之间不存在区别，热电元件的串联原则上不仅可以用于从热量中产生能量(热电发电机)，也可以用于加热系统和冷却系统。半导体热电元件的高效的效率明显高于原来的金属热电元件的效率，但尽管对新材料的深入研究直到二十世纪末期仅以不大的程度得到改进。目前用于民用的由半导体材料制成的热电发电机仍只是处于大约4% -6%的效率。对于军用和航天领域目前数量级在约或略高。只是在近几年才提出改善效率的新的解决途径。为了提高热电能量转换的效率，存在两种原则上的解决方案。—方面从一开始直到今日采取的途径，产生实现较高的热电压且还具有可用的电导性的材料，不会同时成比例地提高导热性。另一种且最近才大量出现的解决途径在于，较少地专注于较高的塞贝克系数值，而是集中于对导热性的阻碍，而不会也出现电导性的成比例的损失。后面提到的新的解决途径的代表是目前受欢迎的“超晶格量子阱”技术的方法。 “量子阱”技术目前能够实现大约11 %的数量级的效率并且目前处于实用的测试阶段。此外该技术基于这样的物理现象，由半导体材料组成的特别薄的、仅几个纳米厚的层在其电导性方面仅受到不明显的阻碍，而在其导热性上受到明显的阻碍。按照该技术制成的热电材料具有一种由在每毫米厚度数万个平行的且通过绝缘的中间层分开的层构成的结构。为此的制造方法特别复杂且费用高。同样新的、但仍处于试验室阶段的解决途径在于，以由纳米颗粒构成的半导体材料实现“量子阱”技术的效应。数量明显更多的公开文献记载了按传统半导体技术的热电式的发电机，其中，特征性的部分涉及整个设备或部件的有利的、面向应用的设计，但不涉及生产能量的半导体模块的效率的改进。另一些公开文献也记载了按薄层技术的传统半导体热电元件在载体材料上的串联线路的制造并且可能还有其微型化。最后还已知涉及改进的半导体材料的组成成分和制造的公开文献。 本发明同样遵循了当今这样的基本观点，即，这样来提高效率，尽可能限制通过沿热电臂从加热的接触位置朝要保持冷却的接触位置的方向出现的散热/导热的损失。与已知的现有技术不同，这里没有应用如下方法，即借助于材料技术减小所采用的热电材料的基本导热性。此外本发明基于如下事实，S卩，如果在两个热电臂之间也只存在一个微小的形成过渡区的接触位置，其中存在对温度梯度有决定性影响的温度，则也能由温度梯度与材料特有的相对塞贝克系数相结合而以完整的大小获得热电压。热损失仍然是不可避免的且也要计算在内。但这种不可避免的损失的数量级仅达到在目前已知的系统中出现的损失的一小部分。
下面借助于附图和说明来描述本发明。各附图以非常简化的示意图示出图Ia示出没有横截面优化的标准热电元件；图Ib示出横截面优化至最小电阻的热电元件；
图Ic示出横截面优化至最小热流量的热电元件；图加示出“点状”设置的最小化的接触区的基本示例；图2b示出最小化的接触桥的仰视图；图2c示出热电元件的剖视图以及热输入；图2d示出接触桥以及其热屏蔽；图3a示出“线状”设置的最小化的接触区的基本示例；图北示出“线状”设置的接触区的仰视图；图3c示出热电元件的剖视图以及热输入；图3d示出接触桥以及其热屏蔽；图4示出借助于成型的热载体对两个热电元件的热输入；图5示出具有在“线状的”接触区上构成的“热电片”和其“热电脚”的热电元件；图6a示出热电元件的具有倒圆的臂轮廓和“热电片”以及“热电脚”的优选的结构形式；图6b示出热电元件的剖视图以及热输入；图6c示出两个串联的热电元件的优选的结构形式的剖视图以及其热输入；图7示出按照本发明的基本原理设计的、圆柱形结构形式的热电发电机；图8示出按照本发明的基本原理设计的、平面结构形式的热电发电机的局部；图9示出热电元件布置结构的一个可选的实施例，其中两个热电臂A、B具有接近楔形的结构；图10示出由两个接近楔形的热电臂A、B构成的热电元件布置结构的另一个实施例，热电臂A、B具有热桥；图11示出按薄层技术实施的热电元件布置结构的一个实施例；图12示出热电元件布置结构的一个实施例，具有构造成棱锥状的热电臂A、B的对。
具体实施例方式首先要确定，在不同说明的实施方式中，相同的部件用相同的附图标记或相同的构件名称示出，其中，包含在整个说明书中的公开内容可以有利地延伸到具有相同的附图标记或相同的构件名称的相同的部件上。在说明书中所选择的位置说明，例如上、下、侧等涉及当前描述的以及示出的附图并在位置改变时能有利地转移到新的位置。此外所示的和所述的不同的实施例的单个的特征或特征组合本身也可以构成独立的、发明性的或根据本发明的解决方案。在本说明书中所有值范围的数据可以理解为，所述数据包括任意的和所有的部分范围，例如数据1至10理解为，包括从下限1和上限10出发的所有的部分范围，即所有的以下限1或更大的值开始并且以上限10或更小的值结束的部分范围，例如1至1. 7，或3. 2 至 8. 1，或 5.5 至 10。本发明基于下面的简要说明的物理现象和效应。·在闭合的热电的电流回路中塞贝克效应和珀尔帖效应不可分地相互联系。在热电元件被加热的接触面上同时和直接出现上述两种效应，并且两种效应分别只是同一个物理的能量转换过程的一部分。·即使当在两个热电臂之间要加热的连接位置(接触位置)仅具有在完全利用通过热电臂的传导横截面提供的接触面存在的导通的横截面的很小的一部分时，在热电元件中也产生完整大小的热电压。·为了维持产生电压的温度梯度，仅在显著减小的接触面中输送所需的热能就足够了。·为此每单位时间引入的热量尽管仅是否则要耗费的热量的非直接成比例的一部分，也是在对应于总传导横截面的或构造得更大面积的接触面时的热量。 热量向两个热电臂之间的显著减小的导通的连接位置中的导入可以利用周围相应的热绝缘部按目的地在该连接部位上进行。为此存在以下原则上的可能性通过热的气体或液体，以及通过必要时集中的、热作用的辐射实现“点状地”或“线形地”分布的、狭窄地限定到最小化的接触区上的直接加热。与相应成形的、导热的固体发生“点状地”或“线形地”分布的、狭窄地集中到最小化的接触区的导热的接触。是借助于(优选薄的)导热性好以及导电性好的层将热量直接引入较小的接触区，所述层在对应于显著减小的接触区的尺寸的横截面上将两个热电臂的材料连接并且优选、但不是必须地向外加长、拓宽、加厚并且可以由此将从外界吸收的热量引导到小的接触面上。·从热能到电能的转换只在连接热电臂的、被加热的接触边界面的分子层中(且仅在此)发生。 这是由于热激励的电子在固体中有效的、特别短的在纳米范围的“平均自由路程长度”。·在闭合的、热电导体回路中由于所产生的热电压形成的电流强度仅遵循欧姆定律且因此仅通过闭合的导体回路的总电阻限定。 在闭合的热电导体回路中由于所产生的热电压而存在的电流强度和电流方向通过珀尔帖效应的作用机理从加热的接触边界层(且仅在此)带走刚好与所述产生的电功率的能量当量相一致的热量。·加热的接触区相对于热电臂的平均的传导横截面越小，则每单位时间通过珀尔帖作用机理从接触面提取且因此带走的热能的成比例的部分越高，以获得用于在热电导体回路中建立的电功率的能量当量。·这是这样实现的，即在其传导横截面上显著减小的用于在闭合导体回路中流动的电流的接触面构成明显的横截面缩小部。由此在该横截面缩小部中存在相应高的电流密度。珀尔帖作用机理以及因此每单位时间单元从接触面提取的热量与存在于接触面中的电流密度成正比。·从接触边界面中的热量提取直接地进行并引起接触面的同样直接的冷却。必须持续地补充该热损失，以便维持存在于闭合的电流回路中的电功率。 通过加热的接触面的直接邻接的分子区域产生对在两边存在的材料质量的任何加热不对能量转换有直接的贡献，而是被视为限定效率的热损失。
·由于最小化的、由需加热的接触横截面引起的每个热电元件的欧姆内电阻的升高引起电功率的减小。该功率损失在根据本发明的热电元件的构型中明显小于推测的情况并且仅在40% -50%的数量级中变动。显著减小的、加热的接触面在邻接的热电臂上的热损失与此相比要小得多。由此较小的功率和所出现的(热) 损失之间的比值发生变化，这最终导致效率的提高。从以上的阐述可知，为了获得较高的热电效率需要一种方法，该方法的目的具体在于，在理想情况下每单位时间给形成热电发电机的多个单个的热电元件分别仅分配与由相应的热电元件产生的电功率的能量能效相对应的热量。此外该所需的热量应位于最高的可应用的温度水平上。理论上由此可以实现极高的效率。为此根据本发明的解决途径通过相比于热电臂的传导横截面具有极大减小的传导横截面的连接接触实现，尽可能仅在该最小化的传导横截面上提供所需的温度水平。但目前为止在实际中必须还进行折衷。本发明体现了这种折衷并且已经在较高效率的方向上实现了明显的进步。这是这样实现的在每个热电元件的两个热电臂之间的需加热的连接位置仅具有这样一个接触连接面，该接触连接面最大为每个热电元件的两个热电臂的“平均总传导横截面”的5%、但优选更少。此外作为热电元件的“平均总传导横截面”适用任何这样的真实的或假想的值，如果将形成热电元件的两个热电臂中的每一个的材料体积与其相应的引导通过的电流的长度相关联，就得到该值。适用如下关系
权利要求
1.一种借助于热电效应将热转换成电能的方法，其中，将至少两个、优选多个的热电元件按串联或并联或以两种连接方式的组合相互连接，所述热电元件分别至少由两个不同的引起塞贝克效应的被称为热电臂的材料构成，所述热电元件分别具有需加热的接触位置， 其特征在于，采用下面的方法步骤a)需加热的接触位置具有相对于热电臂的接触面，该接触面小于从下面的关系式中得出的“平均总传导横截面”的5%ω=VA/IA+VB/IB其中W=两个热电臂的平均总传导横截面 Va=热电臂A的体积 Vb =热电臂B的体积 Ia=热电臂A的传导长度 Ib=热电臂B的传导长度b)将从外部输入的热能直接地仅输送到接触位置或由接触位置形成的接触面上；c)将从外部输入的热能仅以有限的量输送到接触位置或由接触位置形成的接触面上， 所述有限的量相当于由各热电元件产生的电功率加上通过进入邻接的热电臂中的散热而出现的损失的能量当量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设置隔离元件，通过所述隔离元件在侧面、即在第一通过面(F1)的周边上限定用于热流(Q)和电流(7、7’ )的第一通过面(F1)15
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述隔离元件通过隔热的材料层(6)构成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一通过面(F1)通过将两个热电臂(A、B)电连接的第一接触桥⑴的表面形成。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一通过面(F1)与热桥(11)连接，其中，由热桥(11)的比热导率和隔离元件的比热导率的比值具有大于IO5的值。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)的横截面关于一个与用于热流(Q)和电流(7、7’)的第一通过面(F1)和第二通过面(F)相交的平面构造成具有至少近似圆弧形以及凸形的边界。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)的横截面关于一个与第一通过面(F1)和第二通过面(F)相交的平面构造成梯形的。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)以截棱锥的形式设计， 其中，第一通过面(F1)和第二通过面(F)形成截棱锥的底面或顶面。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述热桥(11)构造成板形的(以“热电片”的形状)并以狭窄的端侧与第一通过面(F1)连接。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)的至少一种材料由包括金属、半导体和矿物的组中选出。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)的至少一种材料由包括天然或人工的方钴矿的组中选出。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)按薄层技术构成。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)的尺寸按照针对最小的串联电阻的横截面优化原则设计。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述热电臂(A、B)的尺寸按照针对最高的并联热阻的横截面优化原则设计。
全文摘要
本发明涉及一种利用至少一个热电元件将热能转换成电能的设备，其中，热电元件由两个电串联的热电臂(A、B)构成，并且热电元件具有用于热流(Q)和用于电流(7、7’)的第一通过面(F1)和第二通过面(F)。此外，第一通过面(F1)的值小于第二通过面(F)的值的5％。
文档编号H01L35/32GK102265418SQ200980151728
公开日2011年11月30日 申请日期2009年11月11日 优先权日2008年11月14日
发明者赖因霍尔德·科布鲁内, 赫伯特·卡尔·富克斯 申请人:赖因霍尔德·科布鲁内, 赫伯特·卡尔·富克斯