[發(fā)明專利]熱電發(fā)電機

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201780049686.5
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN109564441B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發(fā)明（設計）人: S.利尼金;A.庫佩曼
• 申請（專利權）人: 阿里埃勒科學創(chuàng)新有限公司
• 主分類號: G05F1/67
• 分類號: G05F1/67;H01L35/28
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 孫鵬;申屠偉進

一種用于為電子設備供電的設備包括在溫度梯度上應用的熱電發(fā)電機（TEG）。TEG單元的前饋和反饋控制的組合允許連續(xù)操作，其對于例如晝夜循環(huán)的持續(xù)時間上的溫度梯度的反轉是穩(wěn)健的。

技術領域和背景技術

本發(fā)明在其一些實施例中涉及熱電發(fā)電機。

熱電發(fā)電機基于塞貝克（Seebeck）效應。塞貝克效應是將溫度差直接轉換成電。塞貝克發(fā)現(xiàn)了：當由兩個地方中接合的兩個金屬形成閉環(huán)（其中在接合之間具有溫度差）的時候，羅盤針將會偏轉。這是因為金屬不同地響應于溫度差，其創(chuàng)建電流環(huán)路，并且因而產(chǎn)生磁場。效應是：在兩個不同的金屬或半導體之間存在溫度差的情況下創(chuàng)建電壓、熱電EMF，從而如果導體形成完整環(huán)路則在導體中引發(fā)連續(xù)的電流。所創(chuàng)建的電壓大約為每開爾文若干微伏。如圖1中所示，T₁和T₂是熱和冷溫度，其在A和B類型的材料之間限定熱10和冷12接合。溫度梯度使得在端子14和16之間出現(xiàn)電壓V。

現(xiàn)在參考圖2，圖2圖示了熱水管道20。圍繞熱水管道的是一層熱電發(fā)電機（TEG）22以及散熱器24，所述散熱器24將TEG連接到環(huán)境空氣。可以對如下作出估計：當行進通過管道的水設立了與環(huán)境空氣的溫度梯度的時候可用于收獲的能量的量。直徑足夠大以假定小面積的管道壁可以被認為是平坦的表面。事實上，圓形到多面體界面可以被插入以提供良好的熱接觸。

對于粗略的計算，我們還可以假定：在液體和壁之間的熱傳遞系數(shù)比在壁和環(huán)境空氣之間的熱傳遞系數(shù)更高得多。僅僅三到五年之前，收獲毫瓦的功率被認為是無意義的。

然而，現(xiàn)今存在眾多設備、諸如傳感器，其使用非常低的功率水平，并且其可以有用地是自主的，意味著不依賴于近旁的電力網(wǎng)或人力來取代電池。超低功率設備是現(xiàn)今電子裝備市場的大部分，并且功率節(jié)省也已經(jīng)變成重要的問題。眾多不同類型的設備（諸如無線傳感器、警報等等）使用鋰鎘電池作為電源，并且電池的工作循環(huán)需要每一或兩年的更換。這樣的設備的優(yōu)點是：它們可以在難以接近的地方運作，但是使用電池的主要問題是有人必須非常經(jīng)常地檢查并更換電池一次，因而使得這樣的設備遠不太經(jīng)濟并且因此限制其部署。

在鋰鎘電池情況下的另外的問題是：電池對環(huán)境不友好，并且不容易處理掉，尤其是在其中最需要遠離電力網(wǎng)的遠程感測的位置中的一些中。

問題的潛在解決方案是使用一種自主電源，其能夠從環(huán)境中生成能量。收獲廢熱是研究的流行主題，但是問題之一是要找到可以最多地（如果不是所有時間的話）使用的源。太陽能僅僅在太陽照射的時候可用。風能僅僅在起風的時候可用，并且溫度梯度傾向于在白天和夜間反轉，從而使得它們難以被開發(fā)。

此外，太陽能和風能兩者在被圍封的位置（諸如隧道、礦井、地下室、以及水管和下水道裝置）中不可用。如圖2中在熱管道上的常規(guī)構造的TEG層被構造用于在給定方向上的溫度梯度。為了使方向反轉，需要電流橋、DC到DC轉換器或類似的電路來用于功率優(yōu)化。在圖3中示出了示例，其示出TEG元件30，所述TEG元件30經(jīng)由控制系統(tǒng)34、DC/DC轉換器36和電容器38而被連接到負載32。

然而，電流橋或類似的電路并不高效，并且不能用于其中所意圖的輸出小于瓦特范圍的電路。然而，在一年的過程內使用1.2V輸出電壓的1000 mA·h鋰鎘電池的設備的平均功率消耗在大約140-200μW的范圍中。

因而，不需要來自自主能量源的大量功率來取代電池或為可再充電的電池充電并且持續(xù)設備的整個壽命。然而，能夠在接近100%的時間的任何時間提供低水平功率的合適自主能量源當前不可用。

發(fā)明內容

本實施例可以提供一種以如下方式利用不同熱容的主體之間的熱流的方法：所述方式可配置，適合用于毫瓦以及更少的低功率水平，并且在溫度梯度的反轉面中的晝夜溫度循環(huán)的過程上運作。本實施例因而可以提供一種用于為電子設備供電的設備，其包括在溫度梯度上應用的熱電發(fā)電機（TEG）單元。