[發(fā)明專(zhuān)利]一種環(huán)形熱電發(fā)電器件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810784766.1
• 申請(qǐng)日: 2018-07-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109065697B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李小亞;呂平;廖錦城;顧明;夏緒貴;王超;陳立東
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類(lèi)號(hào): H01L35/08
• 分類(lèi)號(hào): H01L35/08;H01L35/32
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優(yōu)麗

本發(fā)明涉及一種環(huán)形熱電發(fā)電器件，所述環(huán)形熱電發(fā)電器件呈非閉環(huán)狀態(tài)，包括交替環(huán)形分布的p型熱電元件和n型熱電元件、用于連接相鄰p型熱電元件和n型熱電元件組成熱電對(duì)的內(nèi)環(huán)電極、以及用于連接相鄰熱電對(duì)中處于相鄰位置的P型熱電元件和n型熱電元件的外環(huán)電極。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種非平面熱源熱電發(fā)電器件，具體涉及一種環(huán)形熱電發(fā)電器件，屬于熱電發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

熱電發(fā)電技術(shù)利用半導(dǎo)體材料的賽貝克效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)換為電能，具有系統(tǒng)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)活動(dòng)部件、免維護(hù)、無(wú)噪音、無(wú)排放、可靠性高及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，在深空探測(cè)電源及特種軍用電源上獲得了重要應(yīng)用，在太陽(yáng)能光電-熱電復(fù)合發(fā)電、工業(yè)余廢熱——特別是汽車(chē)尾氣廢熱回收熱電發(fā)電方面具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，有可能成為當(dāng)今世界能源危機(jī)解決方案的重要組成部分(T.M.Tritt,Thermoelectricmaterials-Holey and unholey semiconductors,Science 283:804,1999)。

熱電發(fā)電器件是熱電發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，通常由多個(gè)p/n型半導(dǎo)體熱電元件構(gòu)成。由于熱電材料的賽貝克系數(shù)很小，單個(gè)熱電元件的輸出電壓低，為了獲得足夠高的電壓以便于實(shí)際使用，往往利用金屬或合金電極將一個(gè)p型熱電元件和一個(gè)n型熱電元件連接成熱電單偶(或者叫π形熱電元件)，再將多個(gè)熱電單偶按照導(dǎo)電串聯(lián)、導(dǎo)熱并聯(lián)的結(jié)構(gòu)連接起來(lái)組成熱電器件。

常見(jiàn)的熱電發(fā)電器件為由多個(gè)π形熱電元件組成的平面結(jié)構(gòu)，參見(jiàn)圖1中(a)。在該結(jié)構(gòu)中，p型和n型熱電元件以導(dǎo)電串聯(lián)和導(dǎo)熱并聯(lián)的方式集成在電絕緣而熱傳導(dǎo)良好的平行的陶瓷板間，這種結(jié)構(gòu)的熱電器件適用于平面熱源，即熱流方向垂直于陶瓷板。

但是，當(dāng)熱源為非平面時(shí)，這種傳統(tǒng)的平板式模塊熱電器件就不再適用，例如汽車(chē)、飛行器尾氣排放管道等，其圓弧形表面不僅不利于平板式模塊器件的安裝，更不利于熱量向熱電器件傳輸以建立溫差，對(duì)熱電器件的熱電轉(zhuǎn)換效率造成極大的影響。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，專(zhuān)利US2012/0174567A1、CN201420052870、CN201410846352、CN201410846295、CN201410626515、CN201410626099、CN201410039382和CN201420052870等公開(kāi)了以環(huán)形熱電發(fā)電器件集成的熱電發(fā)電器結(jié)構(gòu)(圖1中(b))，依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同，熱源可以從徑向和軸向與熱電元件進(jìn)行熱交換，與傳統(tǒng)由π型器件集成的發(fā)電器相比，明顯提高了熱交換效率。

盡管現(xiàn)有環(huán)形熱電發(fā)電器件的概念很好的滿足了尾氣排放管道的應(yīng)用要求，但是其實(shí)際應(yīng)用依然存在一些問(wèn)題?，F(xiàn)有環(huán)形熱電發(fā)電器件能夠適合于直徑較小的管狀熱源，而當(dāng)熱源直徑較大時(shí)，大尺寸塊體的熱電材料制備技術(shù)、元件加工技術(shù)和器件集成等制約了其實(shí)際應(yīng)用。對(duì)于那些直徑足夠大而又允許進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的熱源，可以沿?zé)嵩磮A周設(shè)計(jì)加工平面采用平板熱電器件進(jìn)行熱量回收發(fā)電；但是，對(duì)于那些空間有限而又不允許改進(jìn)設(shè)計(jì)的熱源，如無(wú)人機(jī)尾噴管的廢熱，特別是當(dāng)尾噴管部分為錐形結(jié)構(gòu)時(shí)(圖2)，現(xiàn)有的平板熱電器件和環(huán)形熱電發(fā)電器件都不能有效地進(jìn)行尾氣廢熱回收溫差發(fā)電，需要研發(fā)新型結(jié)構(gòu)的熱電發(fā)電器件。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于一種環(huán)形熱電發(fā)電器件，所述環(huán)形熱電發(fā)電器件呈非閉環(huán)狀態(tài)，包括交替環(huán)形分布的p型熱電元件和n型熱電元件、用于連接相鄰p型熱電元件和n型熱電元件組成熱電對(duì)的內(nèi)環(huán)電極、以及用于連接相鄰熱電對(duì)中處于相鄰位置的P型熱電元件和n型熱電元件的外環(huán)電極。

本發(fā)明的環(huán)形熱電發(fā)電器件可以利用多個(gè)p型、n型熱電元件環(huán)繞非平面熱源，以小平面貼合大平面，便于熱量的傳輸與器件的安置，可根據(jù)熱源直徑尺寸大小的不同而調(diào)節(jié)環(huán)形器件熱電對(duì)數(shù)目，或改變其熱電元件截面尺寸，從而滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，提高器件的發(fā)電效率與輸出功率密度，并有效地回收特殊形狀熱源的廢熱并進(jìn)行熱電發(fā)電。