[发明专利]级联式热电发电器

说明书

技术领域

本发明涉及热电转换技术领域，具体涉及一种级联式热电发电器。

背景技术

热电（thermoelectric）发电技术是利用热电材料（thermoelectric materials）的赛贝克（Seebeck）效应将热能直接转换成电能的技术，具有热电器件体积小、可靠性高、寿命长等特点，按热电转换原理，可以利用包括太阳能在内的所有热源，可以用小面积获得大功率的电力，因此在空间科学、军事装备、废热发电等技术领域发挥着重要作用，并且越来越受到人们的重视。

热电发电器一般为圆筒结构，并采用单级结构，即仅使用一种热电材料或热电器件。其结构是，热源位于圆筒结构的中心，热电器件分布于热源外侧并呈辐射状，热电发电器最外层为散热结构，其中，热电器件将来自热源的热能转换成电能。热电器件是把热能直接转换成电能的一种元件，通常由均质热电材料构成；热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料，其两端的温差可以产生电压。

由于热电材料的性能优值Z（Z＝α²σ/κ，其中α为Seebeck系数；σ为电导率；κ为热导率）与材料使用温度密切相关，每种热电材料的最佳工作温度区间只在某一特定的小范围内，超出最佳工作温度区间后热电材料的性能将急剧下降。如果热电材料（热电器件）的实际工作温度范围比较大（超过单种热电材料的工作温度范围），则由单种均质热电材料构成的热电发电器难以获得最大的能量转换效率，因此沿温度梯度方向选用具有不同最佳工作温度的热电材料（热电器件），并使之各自工作于其最佳工作温度区间，这样可以有效地提高热电发电效率。

通过热电材料的多段（segment）组合或者热电器件的级联（cascade）可以提高热电发电效率。Kajikawa（The 20^th International Conference on Thermoelectrics, Beijing, 2001:49-56）、El-Genk（Energ. Convers. Manage, 2005(46):1083-1105）等报道了通过级联、多段复合的方式提高材料热电发电效率的实验结果。此外，在日本特开2005-19910，日本特开2006-245224，WO96/15412，US6722140B2，US6662570B2，US6505468B2等专利中也公开了各种多段复合热电材料和级联热电器件的技术方案。例如，日本专利特开2005-19910公开了在具有不相同的热膨胀率的不同热电材料之间插入了热膨胀率为两材料之间值的另外1至2种热电材料层，从而缓和了热应力的技术。日本专利特开2006-245224公开了在位于低温段热电转换用器件的上端部的绝缘性基板上，依次装载了高温段热电转换用器件和夹持用部件，从而降低作用于热电转换用器件上的热应力的同时降低热损失的技术。

然而，对于热电材料的多段复合虽然能提高复合材料的整体发电效率，但由于各个分段材料不同，不同材料在连接界面处存在不匹配的膨胀系数，在高温下容易变形和开裂，并且由于不同热电材料的电导率和热导率不完全一致，在连接界面处会增加额外的接触电阻和接触热阻。此外，在长期高温作用下载界面处或邻近界面区域内会产生元素间的相互扩散及元素间的化学反应，使得材料的热稳定性受到影响，其次各个分段材料中最佳几何尺寸要求差异较大时，难以获得预期的热电发电效率。

对于级联热电器件，一般级与级之间有绝缘层隔开，即级间串联结构，要求级间的绝缘层具有高导热和高电绝缘性，并且要具有足够高的连接强度。由于级联热电器件实际使用温度区间很大，级间绝缘层长期在高温和大温差条件下工作容易开裂，引起级联热电器件内部出现过大的接触电阻和接触热阻，从而导致热电器件性能衰减甚至失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题包括提供一种级联式热电发电器，其可在不影响发电器可靠性的前提下，提高发电器整体效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种级联式热电发电器，包括产生热量的热源、将热量转换成电能的热电发电部、及外壳，其中，所述热电发电部包括从所述热源沿热量传递方向依次径向向外设置的级联的至少两个热电发电系统，所述级联的至少两个热电发电系统逐级传递热量，且各级热电发电系统分别用其接收到的热量进行热电转换。