Устройство для генерирования электрической энергии из теплопроводного материала
Изобретение относится к термоэлектрическому преобразованию энергии. Сущность: устройство (1) для генерирования электрической энергии включает по меньшей мере одну нагреваемую теплопроводную основу (2) по меньшей мере с одним выступом (3) и несколькими термоэлектрическими элементами (4), которые продольно установлены по меньшей мере на одном выступе (3). Термоэлектрическая эффективность каждого термоэлектрического элемента (4) и выдаваемая тепловая мощность по меньшей мере одного выступа (3) согласованы друг с другом. Технический результат: повышение эффективности преобразования энергии. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к устройству для генерирования электрической энергии из тепловой энергии, которая предоставляется в распоряжение с помощью теплопроводного материала. Такие устройства называются, например, термоэлектрическими генераторами и могут применяться в системах выпуска отработавших газов двигателей внутреннего сгорания автомобилей.
При очистке отработавших газов мобильных двигателей внутреннего сгорания, таких как, например, бензиновых двигателей и дизельных двигателей, в настоящее время пытаются обрабатывать отработавшие газы так, чтобы они выпускались в окружающую среду практически полностью очищенными. Кроме того, пытаются всякую форму выработанной без пользы энергии преобразовывать в полезную форму энергии.
Отработавший газ из двигателя автомобиля обладает тепловой энергией, которая посредством теплового контакта может быть перенесена на теплопроводный материал и с помощью термоэлектрического генератора преобразована в электрическую энергию, чтобы, например, наполнять аккумуляторную батарею или другой аккумулятор энергии и/или подводить необходимую энергию непосредственно электрическим потребителям. Тем самым, для эксплуатации автомобиля в распоряжении имеется энергия в большем объеме.
В большинстве случаев такой термоэлектрический генератор имеет множество электрических преобразовательных элементов. Термоэлектрические материала для этого являются материалами такого вида, что они могут эффективно преобразовывать тепловую энергию в электрическую энергию (эффект Зеебека) и наоборот (эффект Пельтье). «Эффект Зеебека» основан на явлении преобразования тепловой энергии в электрическую энергию и используется для генерирования термоэлектрической энергии. «Эффект Пельтье» - это инверсия эффекта Зеебека и явление, которое происходит с поглощением тепла и вызывается в связи с прохождением тока через различные материалы. Эффект Пельтье уже был предложен, например, для термоэлектрического охлаждения.
Предпочтительно, такие термоэлектрические преобразовательные элементы имеют множество термоэлектрических элементов, которые расположены между так называемой «горячей стороной» и так называемой «холодной стороной». Термоэлектрические элементы содержат, например, по меньшей мере два полупроводниковых прямоугольных параллелепипеда (легированных примесью р-типа и n-типа), которые на своей верхней стороне и нижней стороне (к «горячей стороне» или же «холодной стороне») взаимно соединены электрически проводящими перемычками. Керамические пластины или же керамические покрытия и/или сходные материалы служат для изоляции металлических перемычек и поэтому предпочтительно расположены между металлическими перемычками. Если по обе стороны полупроводникового прямоугольного параллелепипеда создается перепад температур, образуется электрический потенциал напряжения. При этом в одном месте контакта поглощается тепло («горячая сторона»), при этом электроны одной стороны попадают на энергетически более высокую зону проводимости следующего прямоугольного параллелепипеда. Тогда на другой стороне электроны могут высвобождать энергию, чтобы снова попасть на другую сторону более низким энергетическим уровнем («холодная сторона»). Таким образом, при соответствующем перепаде температур может возникать ток.
Применение соответствующих термоэлектрических генераторов в автомобилях, прежде всего легковых автомобилях, уже является известным в связи с тем, что термоэлектрические генераторы применяются в потоке отработавших газов, при этом тепловая энергия передается посредством теплового излучения. Однако, в последующем на переднем плане стоит применение термоэлектрических генераторов на массивных теплопроводящих поверхностях, так что тепловая энергия должна передаваться посредством теплопроводности. Но до сих пор генерирование электрической энергии из таких источников тепла является недостаточно эффективным.
Поэтому задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы, по меньшей мере, частично решить описанные со ссылкой на уровень техники проблемы. Прежде всего, должен быть разработан термоэлектрический генератор, который делает возможным улучшенную эффективность относительно преобразования имеющейся тепловой энергии в электрическую энергию и является пригодным и для (стационарной) длительной эксплуатации и для извлечения тепловой энергии из теплопроводного материала.
Эти задачи решены с помощью устройства согласно признакам п.1 формулы изобретения. Благоприятные варианты устройства согласно изобретению указаны в сформулированных зависимых пунктах формулы изобретения. Следует указать на то, что отдельно приведенные в формуле изобретения признаки могут быть скомбинированы друг с другом любым, технологически рациональным образом и показывают другие варианты осуществления изобретения. Описание, прежде всего, в связи с фигурами, поясняет изобретение более широко и приводит дополнительные примеры осуществления изобретения.
Устройство для генерирования электрической энергии согласно изобретению содержит по меньшей мере одну нагреваемую теплопроводную основу по меньшей мере с одним выступом и термоэлектрическими элементами, которые продольно установлены по меньшей мере на одном выступе, при этом термоэлектрическая эффективность каждого термоэлектрического элемента и выдаваемая тепловая мощность по меньшей мере одного выступа согласованы друг с другом таким образом, что выдача тепловой мощности является однородной в направлении протяженности по меньшей мере одного выступа, и по меньшей мере один термоэлектрический элемент отделен по меньшей мере в частичной области от по меньшей мере одного выступа посредством по меньшей мере одного первого теплоизолятора и/или отделен по меньшей мере на частичном участке от по меньшей мере одной нагреваемой основы посредством по меньшей мере одного второго теплоизолятора.
В случае с этим устройством речь идет, прежде всего, о так называемом термоэлектрическом генераторе. Нагреваемая основа может быть образована, например, выпускным трубопроводом, частью двигателя внутреннего сгорания или другим металлическим телом. Также возможными являются и другие теплопроводные материалы. Предпочтительно, используются массивные тела с высокой теплоемкостью.
Нагрев основы может быть реализован за счет пламени, за счет потока отработавших газов, электрического нагревателя, воды и/или другого источника тепла. Основа, прежде всего, периодически нагревается и благодаря своей теплоемкости равномерно выдает тепло через противолежащую сторону. В качестве выступа следует рассматривать, например, шип, который выступает из нагреваемой основы с противоположной нагреву стороны. Предпочтительно, выполнено несколько выступов для того, чтобы увеличить поверхность материала и таким образом установить большее количество термоэлектрических элементов. В этой связи «установить» означает неотъемлемо закрепить, приклеить, припаять, приварить и т.д. или равномерно распределить по меньшей мере на 50% поверхности выступа, предпочтительно по меньшей мере на 80% поверхности выступа, особо предпочтительно по меньшей мере на 95% поверхности выступа. При этом термоэлектрические элементы размещаются на выступах так, что они находятся с ними в прямом термическом контакте. При этом нагреваемая основа образует разделение между горячей стороной и холодной стороной термоэлектрического элемента, при этом выступы простираются в направлении холодной стороны. Каждый выступ имеет, как правило, основание, вершину или же фронт, а также периферийную поверхность. Продольно в этой связи означает, что термоэлектрические элементы расположены на периферийной поверхности между основанием и вершиной или же фронтом и, или проходят параллельно этой поверхности и/или под углом к ней.
Прежде всего, основа является нагревательным элементом системы отопления при неработающем двигателе, так что расположенные на основе выступы вдаются в циркуляцию воды системы отопления при неработающем двигателе. Система отопления при неработающем двигателе пригодна, прежде всего, для применения в автомобилях и посредством предварительного нагрева охлаждающей жидкости опосредованно приводит к нагреву двигателя внутреннего сгорания, так что предотвращаются повреждения от холодного пуска двигателя. К тому же такая система отопления при неработающем двигателе делает возможным отопление внутреннего пространства автомобиля. Циркуляцией воды системы отопления при неработающем двигателе в этом случае образуется холодная сторона термоэлектрического генератора, так что расположенные на выступе термоэлектрические элементы позиционированы между горячей стороной (основа или же нагревательный элемент системы отопления при неработающем двигателе) и холодной стороной (охлаждающая жидкость).
Выступ простирается, прежде всего, на длину между основанием и вершиной максимально 40 мм (миллиметров), прежде всего максимально 20 мм. При расположении нескольких выступов на основе они, предпочтительно, имеют плотность максимально один выступ на квадратный сантиметр (1 выступ/см2).
В связи с тепловым потоком в выступе в направлении от нагреваемой основы, например, цилиндрический выступ имеет неоднородный температурный профиль и поэтому неоднородную выдачу тепловой мощности вдоль направления своей протяженности. Каждый термоэлектрический элемент имеет термоэлектрическую эффективность, которая для определенной разности температур достигает максимума (максимум эффективности). При этом понятие «термоэлектрическая эффективность» подразумевает частное от выданной электрической мощности и потребленной тепловой мощности. Для того чтобы достигнуть как можно более высокой эффективности для каждого термоэлектрического элемента, вид термоэлектрического элемента согласуется с соответствующей локальной температурой выступа и, тем самым, с разностью температур между горячей стороной и холодной стороной.
В качестве альтернативы или дополнительно, тепловому потоку от выступа к термоэлектрическому элементу можно целенаправленно (частично) препятствовать или содействовать, например, чтобы добиться как можно более однородной выдачи тепловой мощности и таким образом реализовать адаптацию к заданной термоэлектрической эффективности термоэлектрического элемента.
Еще одна возможность адаптации температурного профиля заключатся в адаптации поперечного сечения выступа. Так, он может быть выбран, например, сужающимся и/или расширяющимся вдоль направления своей протяженности, (частично) состоять из пористого материала и/или иметь (частично) шероховатую поверхность.
Таким образом, эффективность термоэлектрического элемента может быть особо просто адаптирована к выдаваемой тепловой мощности выступа.
При этом, прежде всего, также предлагается, что термоэлектрические элементы установлены по меньшей мере на одном выступе продольно, то есть на периферийной поверхности. Также предпочтительно, чтобы все термоэлектрические элементы имели одинаковую электрическую эффективность (при обычной температуре использования). Кроме того, при этом предпочтительно, чтобы выдаваемая тепловая мощность по меньшей мере одного выступа на всей периферийной поверхности (например, относительно соответственно малой базовой поверхности) являлась однородной или же по существу одинаковой.
Для того чтобы адаптировать температурный профиль выступа, предлагается использовать первый теплоизолятор, который расположен (например, в виде покрытия) на выступе (прежде всего, на его периферийной поверхности) и уменьшает тепловой поток к термоэлектрическому элементу. При этом понятие «теплоизолятор» следует понимать так, что тепловой поток им не полностью предотвращается, а лишь сдерживается. Теплоизолятор может простираться на один или несколько частичных областей выступа или полностью перекрывать его. За счет внедренного между выступом и термоэлектрическим элементом теплоизолятора выступ, по меньшей мере, в частичных областях, уже больше не находится в прямом тепловом контакте с термоэлектрическим элементом, что выражается понятием «отделен».
Кроме того, предлагается использовать на выступе несколько термоэлектрических элементов, применять разные термоэлектрические элементы для разных выступов, а также выбирать разные термоэлектрические материалы или разные толщины материала для разных выступов.
Второй теплоизолятор, предпочтительно, расположен между ближайшим к основе (соседним) термоэлектрическим элементом и нагреваемой основой для того, чтобы избежать пиков в температурном профиле выступа на конце (основании) выступа со стороны основы и избежать отрицательного влияния (прежде всего, теплового излучения) на термоэлектрические элементы. Предпочтительно, вторым теплоизолятором тепловой поток подавляется полностью. Он может состоять из такого же материала, как и первый проводник тепла, но также иметь и другой материал. Второй теплоизолятор может быть, как ограничен областями около выступа, так и выполнен в виде покрытия на всей основе.
Согласно предпочтительному варианту устройства по меньшей мере один выступ на нагреваемой теплопроводной основе на периферийной поверхности имеет одинаковую температуру. Понятие «одинаковая» в этой связи означает, что идентичные термоэлектрические элементы являются применимыми на всей периферийной поверхности выступа. При этом основа или же выступ выполнен так, что предпочтительно достигаются разности температур менее чем 100°C, прежде всего менее чем 50°C, и совсем предпочтительно не более чем 20°C на периферийной поверхности, прежде всего во всех (динамических и/или статических) нагрузочных состояниях или состояниях нагрева. Прежде всего, температура отличается максимально на периферийной поверхности на 30% от максимума эффективности примененных термоэлектрических элементов, предпочтительно даже максимально лишь на 15%. Если по всей периферийной поверхности достигают одинаковых температур, отпадает требование применять разные термоэлектрические генераторы с разными максимумами эффективности для того, чтобы согласовать выдаваемую в каждом случае тепловую мощность с максимумом эффективности соответствующего генератора.
Далее в качестве примера приведены некоторые материалы для термоэлектрических элементов и максимальная температура их применения:
| n-тип | Bi2Te3 | [ок. 250°C] |
| PbTe | [ок. 500°C] | |
| Ba0,3Co3,95Ni0,05Sb12 | [ок. 600°C] | |
| Bay(Co, Ni)4Sb12 | [ок. 600°C] | |
| CoSb3 | [ок. 700°C] | |
| Ba8Ga16Ge30 | [ок. 850°C] | |
| La2Te3 | [ок. 1100°C] | |
| SiGe | [ок. 1000°C] | |
| Mg2(Si, Sn) | [ок. 700°C] | |
| p-тип | (Bi, Sb)2TE3 | [ок. 200°C] |
| Zn4Sb3 | [ок. 380°C] | |
| TAGS | [ок. 600°C] | |
| PbTe | [ок. 500°C] | |
| SnTe | [ок. 600°C] | |
| CeFe4Sb12 | [ок. 700°C] | |
| Yb14MnSb11 | [ок. 1000°C] | |
| SiGe | [ок. 1000°C] | |
| Mg2(Si, Sb) | [ок. 600°C] |
Согласно еще одному предпочтительному варианту устройства по меньшей мере один выступ имеет осевое направление и разные площади поперечного сечения вдоль осевого направления, причем изменение площади поперечного сечения влияет на температурный профиль выступа таком образом, что он (температурный профиль) согласован с термоэлектрической эффективностью по меньшей мере одного термоэлектрического элемента.
В качестве осевого направления, как правило, подразумевается направление протяженности выступа от основания к вершине или же фронту. Площадь поперечного сечения выступа рассматривается в плоскости перпендикулярно осевому направлению, так что нормаль поверхности проходит параллельно осевому направлению. При этом выступ выполнен так, что он имеет разные площади поперечного сечения вдоль осевого направления. При этом площади поперечного сечения могут отличаться, например, по своей форму или контуру, размеру, пористости и/или теплопроводным свойствам материала. За счет изменения площади поперечного сечения путь теплового потока сокращается или удлиняется или же ему создаются препятствия или создается благоприятствие, так что получается разное излучение тепловой энергии по периферийной поверхности и вдоль осевого направления. Таким образом может быть целенаправленно оказано влияние на температурный профиль выступа, так что он, в свою очередь, будет согласован с термоэлектрической эффективностью термоэлектрического элемента.
Согласно еще одному предпочтительному варианту устройства по меньшей мере два термоэлектрических элемента имеют одинаковые максимумы эффективности.
Если применяется несколько термоэлектрических элементов, то предпочтительно используются термоэлектрические элементы с одинаковыми максимумами эффективности, так что требуется адаптация максимума эффективности и выдаваемой тепловой мощности друг к другу только указанными выше способами, а адаптация материалов может отпадать. Таким образом, предпочтительно все термоэлектрические элементы, которые установлены на периферийной поверхности выступа, имеют одинаковые максимумы эффективности.
Особо предпочтительно изобретение находит применение в автомобиле, прежде всего в легковом автомобиле с двигателем внутреннего сгорания.
Изобретение и технический контекст иллюстрируются на схематических фигурах. Следует указать на то, что на фигурах показаны особо предпочтительные конструктивные варианты, однако изобретение ими не ограничено. Показано на:
фиг.1: первый конструктивный вариант устройства с адаптированным в поперечном сечении выступом,
фиг.2: второй конструктивный вариант устройства с адаптированным в поперечном сечении выступом, а также дополнительным первым теплоизолятором,
фиг.3: третий конструктивный вариант устройства с несколькими термоэлектрическими элементами,
фиг.4: интеграция устройства для генерирования электрической энергии из горячих отработавших газов автомобиля, и
фиг.5: автомобиль с соответствующим устройством.
Фиг.1 иллюстрирует первый конструктивный вариант устройства 1 с нагреваемой нагревательным устройством 13 (например, горелкой) основой 2 и с выступом 3, на котором продольно установлен термоэлектрический элемент 4, который охлаждается охлаждающим устройством 14. Выступ 3 на частичных участках 7 отделен от нагреваемой основы 2 вторыми теплоизоляторами 15, в результате чего предотвращаются температурные пики на основании 18 выступа 3. Кроме того, выступ 3 имеет разные вдоль своего осевого направления 8 площади 9 поперечного сечения, за счет чего выдаваемая выступом 3 тепловая мощность адаптирована к эффективности термоэлектрического элемента 4. В показанном здесь варианте термоэлектрический элемент 4 простирается от основания 18 вдоль периферийной поверхности 17 до фронта 16 выступа 3. Однако, в принципе, количество и ориентация или же расположение термоэлектрических элементов 4 для адаптации могут быть выполнены различными.
На последующих фигурах приведены частично одинаковые детали, которые там обозначены теми же самыми ссылочными обозначениями.
На фиг.2 показан второй конструктивный вариант устройства 1. Выступ 3 в частичных областях 6 за счет первого теплоизолятора 5 отделен от термоэлектрических элементов 4 и имеет разные вдоль осевого направления 8 площади 9 поперечного сечения. Также и первый теплоизолятор 5 также имеет разные поперечные сечения, которые адаптированы к площадям 9 поперечного сечения выступа 3. Термоэлектрические элементы 4 продольно установлены на выступе 3, а также первом теплоизоляторе 5 и вторым теплоизолятором 15 отделены от нагреваемой основы 2. Адаптация выдаваемой тепловой мощности к эффективности термоэлектрического элемента 4 в этом конструктивном примере происходит, как посредством геометрии первого теплоизолятора 5, так и посредством разных площадей 9 поперечного сечения выступа 3.
На фиг.3 показан третий конструктивный вариант устройства 1. Термоэлектрические элементы 4 за счет второго теплоизолятора 15 отделены от нагреваемой основы 2. Адаптация выдаваемой тепловой мощности выступа к эффективности термоэлектрических элементов 4 происходит за счет того, что термоэлектрические элементы 4 снабжены разными максимумами эффективности.
Фиг.4 иллюстрирует выдаваемую тепловую мощность выступа 3. Левый график показывает цилиндрический выступ 3 без первого теплоизолятора 5. При этом выдаваемая тепловая мощность Р уменьшается вдоль осевого направления 8 от основания к фронту. Правый график показывает выступ 3 с первым теплоизолятором 5, а также разными площадями 9 поперечного сечения выступа 3 в осевом направлении 8. Выдаваемая тепловая мощность Р увеличивается вдоль осевого направления 8 выступа 3.
На фиг.5 показан автомобиль 10 с двигателем 11 внутреннего сгорания, который производит отработавший газ 12, который отводится по системе выпуска отработавшего газа, которая находится в тепловом контакте с устройством 1. При этом из тепловой энергии отработавшего газа 12 автомобиля 10 может генерироваться электрическая энергия. При этом является предпочтительным, что нагрев термоэлектрического генератора обеспечивается не (только одним) отработавшим газом, но, кроме того, предусмотрена по меньшей мере одна горелка и/или электрический нагреватель, который обеспечивает массивную плиту основания постоянным подводом тепла.
| ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ | |
| 1 | Устройство |
| 2 | Основа |
| 3 | Выступ |
| 4 | Термоэлектрический элемент |
| 5 | Первый теплоизолятор |
| 6 | Частичная область |
| 7 | Частичный участок |
| 8 | Осевое направление |
| 9 | Площадь поперечного сечения |
| 10 | Автомобиль |
| 11 | Двигатель внутреннего сгорания |
| 12 | Отработавший газ |
| 13 | Нагревательное устройство |
| 14 | Охлаждающее устройство |
| 15 | Второй теплоизолятор |
| 16 | Фронт |
| 17 | Периферийная поверхность |
| 18 | Основание |
1. Устройство (1) для генерирования электрической энергии, включающее в себя по меньшей мере одну нагреваемую теплопроводную основу (2) по меньшей мере с одним выступом (3) и несколькими термоэлектрическими элементами (4), которые продольно установлены по меньшей мере на одном выступе (3), при этом термоэлектрическая эффективность каждого термоэлектрического элемента (4) и выдаваемая тепловая мощность по меньшей мере одного выступа (3) согласованы друг с другом таким образом, что выдача тепловой мощности является однородной в направлении (8) протяженности по меньшей мере одного выступа, и по меньшей мере один термоэлектрический элемент (4):
- отделен по меньшей мере в частичной области (6) от по меньшей мере одного выступа (3) посредством по меньшей мере одного первого теплоизолятора (5) и/или
- отделен по меньшей мере на частичном участке (7) от по меньшей мере одной нагреваемой основы (2) посредством по меньшей мере одного второго теплоизолятора (15).
2. Устройство (1) по п.1, в котором по меньшей мере один выступ на нагреваемой теплопроводной основе (2) имеет на периферийной поверхности (17) одинаковую температуру.
3. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором по меньшей мере один выступ (3) имеет осевое направление (8) и разные площади (9) поперечного сечения вдоль осевого направления (8), причем изменение площади (9) поперечного сечения влияет на температурный профиль выступа (3) таким образом, что он согласован с термоэлектрической эффективностью по меньшей мере одного термоэлектрического элемента (4).
4. Устройство (1) по п.1 или 2, в котором по меньшей мере два термоэлектрических элемента (4) имеют одинаковые максимумы эффективности.
5. Устройство (1) по п.3, в котором по меньшей мере два термоэлектрических элемента (4) имеют одинаковые максимумы эффективности.
