NO851421L - Termoelektrisk generator med variabel geometri med fundament av materialer som er forskjellige fra de termoelektriske halvleder basiselementer - Google Patents

Abstract

Termoelektrisk generator hvor den effektive totalkapasitet og/eller den effektive kraftkoeffisient optimeres ved å benytte termoelementer (10, 11) fremstilt av halvledermaterialer som understøttes på sokler (12,. 13) fremstilt av materialer som har gode elektriske og termiske ledningsegenskaper.

Description

Oppfinnelsen angår termoelektriske generatorer ifølge kravenes innledning.

Termoelektriske generatorer eller termokoblinger er fremstilt av to ulike materialer som er forbundet med hverandre i én ende, med de andre ender forbundet med en elektrisk belastning. De ender som er forbundet med hverandre har en høyere temperatur enn de andre ender. Temperaturdifferansen fremstiller en strøm og en vanlig bruk av termokoblingen er ved temperaturmåling.

Termosøyler kan oppbygges ved å forbinde termokoblinger eller termoelektriske generatorer i serier for å maksimere strøm- og spenningsuttak. Ved tilkobling av termokoblinger eller termoelektriske generatorer for å fremstille en termosøyle, plasseres en gruppe forbindelser i den varmere sone og den andre gruppe forbindelser i den kaldere sone.

Ved å forbinde mange slike termokoblinger eller termoelektriske generatorer i serier, kan fremstilling av elektrisitet med liten effekt oppnås. I foreliggende beskrivelse benyttes uttrykket "termoelektrisk generator" for termokobling eller termosøyle.

Utnyttelse av den reverserte effekt ved å tilføre elektrisitet til den termoelektriske generator istedenfor å la den termoelektriske generator utvikle elektrisitet, og ved å oppbevare den varme forbindelse i omgivelsesluft og den kalde forbindelse i en lukket sone som skal kjøles, kan en termoelektrisk generator benyttes som en kjøleinnretning, imidlertid med liten effekt.

Nye patenter har vært rettet mot forbedringer i termo-søylers effektivitet ved å øke forbindelsenes tverrsnittsareal slik at dette er større enn den varme forbindelses tverrsnittsareal, slik at dette er større enn tverrsnittsarealet for benene eller den kalde forbindelse, eksempelvis i US 4 251 290, US 4 251 291, US 2 257 822 og US 4 444 991. Selv om disse patenter angår forbedringer i effektiviteten ved hjelp av geometrien i forbindelsens tverrsnittsareal og benenes tverrsnittsareal, er de ikke innrettet mot optimering av systemets totale effektivitet eller det effektive energiuttak.

Oppfinnelsen angår en ny termoelektrisk generator hvormed den totale effektivitet og den effektive energikoef- fisient kan optimeres. Dette oppnås ved en termoelektrisk generator fremstilt av termoelementer av halvledermaterialer som holdes på sokler fremstilt av materialer med god elektrisk og termisk ledningsevne. Den termoelektriske generators opti-male størrelse og form, avhengig av de benyttede materialer, kan også fastlegges.

Det er derfor et mål for den foreliggende oppfinnelse

å øke effektuttaket fra det materiale som benyttes i det termoelektriske element, i forhold til kjent teknikk.

Det er videre et mål ved den foreliggende oppfinnelse

å øke en termoelektrisk generators driftseffektivitet.

Det er videre et mål ved oppfinnelsen å frembringe tilstrekkelig avstand mellom varmekilden og de varmenedsettende temperaturer for å opprettholde en stor forskjell i forbindelsens temperaturer.

Det er et ytterligere mål for oppfinnelsen å øke effektuttaket og strømtettheten med minsking av den mengde termoelektrisk halvledermateriale som benyttes.

Det er et ytterligere mål for oppfinnelsen å opprettholde en konstant effektivitet ved nedsettelse av den mengde termoelektrisk halvledermateriale som benyttes, ved å erstatte halvledermaterialet med et mindre kostbart sokkelmateriale.

Disse og andre mål og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse av oppbygningen og bruken, i henhold til tegningen hvor figur 1 i perspektiv viser den grunnleggende termoelektriske generator ifølge opp- ■ finnelsen, figur 2 viser den termoelektriske generator på figur 1, koblet i serie for å danne en termosøyle eller termoelektrisk generator, figur 3 viser grafisk effekten av en forand-ring av en kobbersokkels lengde overfor effektuttaket og effektiviteten av en termoelektrisk generator for en gitt lengde av et spesielt termoelektrisk materiale, især ismut tellur, figur 4 viser et diagram over effekten av enøkning av en kobbersokkels lengde når termoelementene holdes ved en fastlagt lengde, og figur 5 viser en typisk temperaturgradient for den termoelektriske generator ifølge oppfinnelsen.

Figur 1 viser termoelementer 10 og 11. Disse holdes

av sokler 12 og 13 og termoelementene 10 og 11 er koblet sam-men ved hjelp av en broleder 14. Soklenes 12 og 13 andre

ender er forbundet med en elektrisk belastning 15.

Figur 2 viser de grunnleggende termoelektriske elementer forbundet i serie med ledere 16 som forbinder soklene 12 og 13.

Den termoelektriske generators effektivitet og effektuttak er avhengig av termoelementenes materialegenskaper.

Den grunnleggende oppbygning av en termoelektrisk generator består av to termoelement-materialer som danner en forbindelse i kontakt med varmekilden, mens termoelementets andre ender befinner seg i termisk kontakt med varmenedsettelsesstedet som har en lavere temperatur enn varmekilden. Elektrisk energi tilføres den eksterne motstand 15 (RE) proporsjonalt med temperaturdifferansen mellom varmekilden og kjølestedet og termokoblingens indre materialegenskaper. De indre materialegenskaper er Seebeck-koeffisienten OC , den termiske ledningsevne k og den elektriske ledningsevne Ved kombina-sjon av de indre materialegenskaper er termoelementets elektriske motstand R i forhold til de termiske elementers geometri som danner termokoblingen og de to grener av termokob-lingene som betegnes som positive p og negative n ledere hvor hver leder har konkrete Seebeck-koeffisienter:

hvor 1 er termoelementets lengde, S er termoelementets tverrsnittsareal og <5 er hvert termoelemen ts elektriske ledningsevne .

Termoelementets termiske ledningsevne k er

hvor k er den termiske ledningsevne. Ved å kombinere den termiske ledningsevne, den elektriske motstand og Seebeck-koef f isienten , er det grunnleggende termoelements totaleffekt:

Valg av de termoelektriske materialer bestemmes av mate-rialenes styrke og temperaturbegrensninger. Materialer med en høy Z-verdi kan benyttes ved høye temperaturdifferanser (mulig-het for en høy temperatur på varmekildens side) og gir større effektuttak. Den viktige overveielese ved konstruksjon av en termoelektrisk generator er å velge et materiale med en høy Z-verdi som også kan arbeide ved en spesiell driftskilde temperatur og deretter å optimere de geometriske parametre. Tilfredsstillende materialer for termoelektriske elementer er halvledere, eksempelvis vismut tellur, blytellur eller siliciumgermanium, avhengig av kildens temperatur.

En termoelektrisk generators maksimale effektivitet

kan defineres som den elektriske energi som leveres til en ytre krets, dividert med varmekildens energiforbruk. Den maksimale effektivitet er

er en reversibel maskins termodynamiske effektivitet og er reduksjonen i den maksimale effektivitet på grunn av ir-reversible tap med

og Tø er temperaturen i den nedkjølte forbindelse, målt i kelvin (k) og T1er lik temperaturen i kildeforbindelsen målt i kelvin (k) .

Kraftuttaket fra termoelementene finnes ved å kombinere sammenhengen mellom temperaturdifferansen og strømmen. Dette gir for kraftuttak pr termoelement:

Denne ligning indikerer følsomheten • for kraftuttaket

i forhold til Seebeck-koeffisienten, temperaturdifferansen og den indre motstand. Et mer generelt uttrykk for den foran om-talte kapasitet er å innføre en effektiv kapasitet Zeff. Den effektive kapasitet omfattet påvirkningene fra forbindelses-motstanden, de iboende gjennomsnittlige materialegenskaper og de termiske effekter mellom elementene. De resulterende uttrykk for effektivitet og effektuttak vil dermed uttrykke den effektive termiske ledningsevne:

Når K. er elementmaterialets termiske ledningsevne og den effektive indre motstand.er

hvor Rj er de samlede forbindelsesmotstander.

For å øke den effektive kapasitet Zeff/som defineres

er det nødvendig å senke Reffog/eller Keff.

Innen kjent teknikk er fremgangsmåten som idag benyttes for å senke Reff. og ^ eff for et gitt materiale, å jus-tere det termoelektriske elements geometri slik at produktet Keffx ^eff får et minimum for en gitt total forbindelsesmot-

stand og termisk ledningsevne mellom elementene.

Det ovenfor nevnte resulterer i

1. nedsettelse av den krevede mengde termoelektrisk halvledermateriale , 2. tverrsnittsarealavhengigheter i de termoelektriske halv-lederkoblingers elementer og 3. nedsettelse av konstruksjonsfleksibiliteten for varmekildens og kjølestedets strømningsmengder.

For å kunne unngå disse uønskede resultater økes ved

den foreliggende oppfinnelsen effektiviteten ved uttakseffekten fra en termoelektrisk generator ved å innføre holdesokler med materialegenskaper som er ulike fra de termiske elementers materialer, slik det er vist på figur 1.

Holdesoklenes 12 og 13 lengder strekker seg bak termoelementene 10 og 11 og justeres avhengig av temperaturegen-skapene i termoelementenes materiale for å optimere den effektive totalkapasitet Zeffeller den effektive effektkoeffi-sient Yeff.

Justeringen av det parti av soklene 12 og 13 som strekker seg utover termoelementene 10 og 11 kan ha ikke bare en annen lengde, men også kreve et ulikt tverrsnittsareal i forhold til de tilhørende termoelementer slik det er vist på figur 1.

Av figur 3 sees at en økning av termoelementens mengde mens sokkelens mengde holdes konstant, resulterer i en nedsettelse av uttakseffekten og en økning i effektiviteten.

For en gitt lengde av termoelementene resulterer imidlertid en økning av sokkelens lengde, en økning i effektiviteten med en ekstremt liten nedsettelse av utgangseffekten, ved sammen-ligning av de stiplede kurver med de tilsvarende uttrukne kurver. Naturligvis vil enøkning av termoelementenes lengde utover en fastlagt verdi, øke effektiviteten marginalt. Kost-naden for å øke effektiviteten ved å øke termoelementets lengde vil øke hurtigere ennøkningen i effektiviteten. Ned-settelsen av utgangseffekten er direkte koblet til økningen i den elektriske motstand.

Av figur 4 sees at økning av soklenes lengde øker effektiviteten ved å nedsette den termiske ledningsevne. Ned-settelsen av utgangseffekten er relativt liten da sokkelens elektriske motstand er liten i forhold til termoelementets. Det totale resultat er en økning i den effektive totalkapasitet og dermed den termiske effektivitet.

Ved oppbygging av termoelementet på figur 1 kan et tynt lag av termoelementet anordnes på soklene 12 og 13, eksempelvis ved vakuumpålegging for således å frembringe termoelementene 10 og 11, idet disse kan ha ulike lengder og tverrsnitts-arealer. Termoelementets utgangseffekt/vekt har vist seg overlegen overfor tynne filmutforminger uten sokler. Da kost-nadene for termoelementets materiale er større enn soklenes, vil forholdet utgangseffekt/kostnad være bedre enn ved tynne filmutformninger uten sokler. Således er det mulig å maksimere bruken av tilgjengelig energi, å øke effektiviteten og å minimere mengden av det termoelektriske materiale som kre-ves samt å maksimere effektiviteten i henhold til termodyna-mikkens annen lov ved å underholde en krevende temperatur-differanse mellom varmekilden og kjøledelen.

Soklene kan oppbygges av materialer som eksempelvis kobber og kobberlegeringer eller aluminium og aluminiumlege-ringer. Soklene har relativt høy termisk ledningsevne i forhold til de termoelektriske elementer slik at temperaturen på termoelementets kalde forbindelsesside vil nærme seg temperaturene for kjøleanordningen og endringen i totaleffektivi-teten er meget liten.

Figur 5 viser en temperaturprofil. Da soklene er opp-bygget av et materiale med lavere elektrisk motstand enn de termoelektriske elementer vil den termoelektriske generator i henhold til oppfinnelsen, innenfor det samme rom mellom varmekilden og kjøleanordningen, ha samme potensial med større elektrisk kraftuttak. Målsettingen er å øke den effektive kapasitet og dermed den totale effektivitet for en gitt forskjell mellom temperaturene i varmekilden og kjøle-anordningen.

Claims (6)

1. Termoelektrisk generator karakterisert ved at den har to ben med ulike termoelementer forbundet med hverandre i én ende hvor hvert termoelement understøttes over størstedelen av sin lengde av en sokkel og at hver sokkel strekker seg utenfor enden av hvert termoelements ben.

2. Generator ifølge krav 1/karakterisert ved at sokkelen er forbundet med en tilsvarende sokkel i, en ytterligere tilkoblet termoelektrisk generator.

3. Generator ifølge krav 1, karakterisert ved at termoelementene er fremstilt av materialer innenfor gruppen vismut, tellur, blytellur og siliciumgermanium.

4. Generator ifølge krav 1, karakterisert ved at soklene er fremstilt av materialer innenfor gruppen aluminium og aluminiumslegeringer, og kobber og kobberlegeringer.

5. Generator ifølge krav 2, karakterisert ved at sokkelen og sokkelens tverrsnittsareal velges ved å optimere den effektive totalkapasitet (Zeff ) for den termoelektriske generator i henhold til ligningen:

hvor <Xn er summen av Seebeck-koeffisientene i en serie med ben i den termoelektriske generator, og (Xn br er summen av Seebeck-koeefisientene i de andre ben i den termoelektriske generator, og hvor Reff er den effektive indre motstand i systemet og Kejf er den effektive termiske ledningsevne i den termoelektriske generator.

6. Generator ifølge krav 2, karakterisert ved at soklenes lengde og tverrsnittsareal velges for å optimere den effektive ef f ektkoef f isient ("^eff ) f° r ^en termoelektriske generator i henhold til følgende ligning:

hvor o{ n er summen av Seebeck-koeefisienten i en serie ben i den termoelektriske generator og £)( p er summen av Seebeck-koef f isientene i den termoelektriske generators andre ben, og hvor Reff er systemets effektive indre motstand.