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基于热电的发电系统和方法

基于热电的发电系统和方法

一些实施例提供一种废热回收装置,其包括:排出管,其具有被配置为容纳排出流体流的柱形外壳;第一热交换器,其延伸穿过排出管的第一区域,该第一热交换器与柱形外壳热连通;排出管的第二区域,其延伸穿过排出管,该第二区域具有低排出流体压降;排出阀,其可操作地设置在第二区域内并且被配置为仅当排出流体的流速变得足够大而导致背压超过容许限度时允许排出流体流过第二区域;以及多个热电元件,其与外壳的外表面热连通。

尽管本文公开了某些优选实施例和示例,但是本发明的主题延伸超过具体公开的实施例中的示例到其他替换的实施例和/或用途,并且延伸至其修改和等价物。因此,权利要求的范围并不由如下所述的任何特殊实施例所限制。例如,在本文公开的任何方法或过程中,方法或者过程的行为或操作可以以任何适合的顺序实行,而不需要局限于任何特殊的所公开的顺序。各种操作可以被进而以有助于理解某些实施例的方式描述为多个离散操作;然而,描述顺序不应该被解读为暗示这些操作是依赖于顺序的。另外,本文描述的结构、系统和装置可以具体化为集成组件或分散组件。为了比较各种实施例,描述了这些实施例的某些方面和优点。所有这些方面或优点不需要由任何特殊的实施例获得。因此,例如,可以实行各种实施例以获得或优化如本文所教导的一个优点或一组优点,而不需要获得如本文也可能教导或建议的其他方面或优点。

图19示出包括在一些实施例中的进一步特征。图19中所示的参数之间的关系可以通过使用合适的控制算法(例如计算机系统的硬件和软件)和硬件控制被用于TEG或者整合到TEG中,从而改进性能。如下所述,横轴是流过要被控制的一部分TEG的电流。左侧的纵轴是TEG部分的热侧所吸收的热能。右侧的纵轴是该部分TEG两端的电压。点A是穿过该部分TEG的开路热通量,而点A,是相应的开路电压。点B,是当电压为零时的情况,并且点B是在零电压下的相应热通量。在这两种情况下,TEG的电力输出是零,因为电流或电压是零。点C示出在中间电流下的热侧热通量,例如最大化电力输出的热侧热通量。C'是相应的电压。图19显示出热通量以及因此由TEG从排出流汲取热能所产生的冷却量是电流的函数。因此,排出流在TEG系统出口处的温度可以通过控制经过TEG的电流在限值内调节。如果控制系统有能力反转电流或者提供负电压,则热通量可以有更大程度的变化。TEG可以提供改变排气性质的附加功能并因此改进总体系统性能。例如,图18中的C2级的出口温度可以被调节以改进排放控制或其他功能。在图19未示出的某些温度和流动条件下,点D可以稍微低于零,这意味着热通量被反转并且TEG加热。因此,蜂窝或者附着到TEG的其他催化转换器将被加热。因此,可以通过将电力施加到热连接的TEG来减少点火的时间或者工作温度。再生循环也可以运行。再生循环可能是有用的,尤其是如果TEG被整合到柴油机微粒过滤器中。TE元件可以被用于将热量抽入过滤器中以帮助去除烟尘并清理过滤器。

在某些实施例中,(多种)TE材料与热交换器结构例如金属或陶瓷蜂窝、汽缸、催化表面、平板、条材、管体等进行整合。热交换材料与金属环、陶瓷型材或任何其他高电导率结构处于良好热连通或热接触,该高电导率结构将TE装置、TE元件或其他TE部件热连接到热源并且使这些TE部件与热源和热交换器表面实际隔离。如果到热交换器的连接表面是导电的(例如含杂质的SiC、金属、导电液体等),则可以采用一个或更多个涂层,该涂层在工作条件的范围内提供良好的热连接和良好的电隔离。在某些实施例中,TEG被整合到系统内以实现多个功能,例如与催化转换器、燃烧室、协同发电机热源等的整合,而且TEG的存在提供增效的益处。也就是说,某些实施例的组合提供了下列一个或更多个优点:重量减轻、成本降低、体积减小、效率增加、附加功能(例如控制温度、将EGR功能增加到催化转换器)等。

尽管在从车辆排气流中回收能量的背景下以示例的方式展示了以上描述,但本文所述的实施例可以用于其他类型的热能回收系统。例如,这些实施例可以结合工业辅助发电机或工业流程使用,例如可以与水泥处理、铝提取、生铁熔炼或存在材料自身及其热含量可能浪费的任何情形相关联。在这些情况下,这些实施例也可以用于在某些应用中产生主要电力,例如用于远程发电以发送信号、充电电池组和提高热电效率。它有可能被用于飞机、车辆的辅助动力装置,从而当其主发动机关闭时为电力装置供电,或者在车辆中为HVAC供电。通过足够高效的热电转换,废热回收发电机可以在至少一些情况下替代车辆的主发动机。

多组分路132、134可以以串联/并联方式电连接,从而获得可靠性和工作电压的适当平衡。分路可以使供给(provis1ns)成群地附加到多个TE元件130,从而获得TE元件的稳定性、长久性和可靠性。在一些实施例中,热侧热交换器的热功率密度和冷侧热交换器的热功率密度之间的差异被减少或最小化。例如,分路132、134可以被配置以匹配热侧和冷侧热交换器的热功率密度。来自壁体120的热能可以经由热侧分路134传送到热电元件130。冷侧分路132的热能可以使用任何适合的技术耗散或者减少,包括暴露于外界空气的热交换器散热片、循环冷却系统、其他冷却结构或者这些技术的组合。

一些实施例实现下列一个或更多个功能:

在某些实施例中,提供一种热电发电器。该热电发电器可以包括至少一个热交换器和实际整合到至少一个热交换器中的至少一个燃烧室。该热电发电器也可以包括至少一个较热侧分路和至少一个较冷侧分路,该至少一个较热侧分路与至少一个热交换器实际整合并与该热交换器热连通。至少一个热电元件可以被夹在至少一个较热侧分路和至少一个较冷侧分路之间,并且该至少一个热交换器可以与至少一个热电元件基本上电隔离。

TE模块的冷侧可以与冷却流体热连接,该冷却流体通常比高温区域110更冷,由此创建TE元件130的热侧和冷侧之间的温度梯度。冷却流体可以是外界空气、液体冷却剂、其他流动或滞留流体或者这些流体的组合。冷却流体可以被容纳在导管或者通道内,并且流体可以被引导穿过这种导管或通道以建立与TE元件130的实质热接触,便于热能在TE元件130的冷侧和冷却流体之间传递。热能可以经由一个或更多个冷侧分路132传送。与TE元件130热接触的流体的流速或压力可能受流量调节器例如叶片、泵、阀门、流体旁通器或其他装置或者这些装置的组合的影响。流体的运动可以增加热能从TE元件130到流体的传送率,由此增加TE元件的热侧和冷侧之间的温差。热交换器同样可以增加TE元件的冷侧和流体之间的热能传送。例如,散热片可以增加表面积,热能由此可以释放到周围流体中。

一些实施例包括一个或更多个成本降低和简化特征。按照用于适应、修改和使用所公开的TEG系统中的特征的改进方式描述了一些特征的整合,例如大功率密度TE设计、如图9中所示的层叠设计、TEG架构以及TEG整合到车辆中。简化特征包括如图1IA和IlB所示将TE元件放置在圆环构造IlOOaUlOOb中,而不是单独地和/或在单独模块中。圆环1100可以由整体构件1108构造成,或者可以由被一个或更多个间隙1106分开的多个圆环构件1102、1104构造成。间隙1106可以被配置为使圆环构件1102、1104彼此电隔离或热隔离。额外的简化特征可以包括一个或更多个流量控制阀的整合以及合并TEG与其他系统(例如消声器或其他排气系统部件)。

技术领域

如图18所示,上述排气温度的降低可以被用于某些实施例以冷却全部排气或为转移而受控的部分排气,从而替代柴油和汽油动力发动机中EGR系统中的热交换器。这种功能通过将EGR系统的全部或部分合并到增强的催化转换器组件中来提供废热回收电力以及减少排放。

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