用于可变热功率源的热电发电机
2020-01-09

用于可变热功率源的热电发电机

一种热电发电机包括第一热电段,其包括至少一个热电模块。该第一热电段具有带有流体压力从其中流过的工作流体。该热电发电机进一步包括第二热电段,其包括至少一个热电模块。该第二热电段可以配置为允许工作流体从其中流过。该热电发电机进一步包括至少第一可变流元件,在流体压力施加到第一可变流元件之后,该第一可变流元件可以移动。第一可变流元件改变第二热电段对从其中流过的工作流体的流动的流阻。

图17示意性地显示了用于流体连接热电段的另一方案。

图22是与使用温度响应可移动元件1208—致的操作多个TE模块1212的示例方法的流程图。方法2200包括在第一操作框2210中,使工作流体流过包括至少第一TE模块的第一TE段,流体具有温度。方法2200进一步包括在第二操作框2020中,当流体的温度超出临界温度时,使工作流体流过包括至少第二TE模块的第二TE段。方法2200进一步包括在第三操作框2230中,当流体的温度未超出临界温度时,阻止工作流体流过第二TE段。在某些这样的方法中,可以选择临界温度以提高多个TE模块的效率、改变多个TE模块的电功率输出特性或两者。

在某些实施例中,TE发电机1200进一步包括一个或多个不包括TE模块的管道1207。在某些实施例中,管道1207以并联方式与第一TE段1206和第二TE段1206流体连通。在某些实施例中,管道1207以串联方式与第一TE段和第二TE段中的至少一个流体连通。在某些实施例中,TE发电机1200可以进一步包括第二可变流元件1216,并且第二可变流元件1216(在将流体压力施加到第二可变流元件之后可以移动)可以至少改变管道1207对从其中流过的工作流体1210的流阻。例如,图19中示意性所示的示例实施例中的三个TE段1206以选择性并联方式与管道1207产生流体连通。在此示例中,第三可变流元件1216c(在将流体压力施加到第三可变流元件1216c之后可以移动)可以至少改变管道1207对从其中流过的工作流体1210的流阻。因此,管道1207通过为工作流体1210提供避免将热负载传到任何TE模块1212的流动路径来有效地起到旁路的作用。以此方式,管道1207允许TE发电机1200处理工作流体1210的流速,否则其可能在缺少旁路的情况下使TE模块1212的组合热容量超负荷。

在某些实施例中,热电发电机包括第一热电段,其包括至少一个热电模块。第一热电段具有从其中流过的工作流体,并且该流体具有温度。该热电发电机进一步包括第二热电段,其包括至少一个热电模块。第二热电段可以配置为允许工作流体从其中流过。该热电发电机进一步包括至少第一可变流元件,其被配置为响应于该第一可变流元件的温度而移动。第一可变流元件改变第二热电段对从其中流过的工作流体的流动的流阻。

TE段1206的TE模块1212可以以多种配置电连接。例如,在某些实施例中,TE模块1212可以以串联方式电连接,它们可以以并联方式电连接,或它们可以以串联和并联相结合的方式电连接。在某些实施例中,TE发电机1200包括以并联方式电相连接的TE模块1212的阵列,如图15中所示(下文将就此进行更为完全的探讨)。

图14描绘了热电发电机的实施例。

作为图9中所示的TE发电机919的示例,图10描绘了针对TE发电机919A的一个可能的实施例。TE系统919A具有三个TE发电机TEGl1011、TEG21012和TEG31013。在此实施例中,TE发电机1011、1012、1013中的每一个都与热侧管1003、1004热交换。热侧管1003、1004具有热侧流体1001、1002。类似地,冷侧管1008、1009包含冷侧工作流体1006、1007。热侧阀门V1、V2和V31005分别控制流向TE发电机TEGlIOlUTEG21012和TEG31013的热侧流体1001、1002的流量。相似地,冷侧阀门V4、V5和V61010分别控制流向TE发电机TEGl101UTEG21012和TEG31013的冷侧流体的流量。电气配线1014将TE发电机TEGl1011、TEG21012和TEG31013所产生的电能输送到车辆的其他部分。没有示出调节TE发电机919A工作的信息源和控制机构如燃料和空气质量流速、压力、排气温度、发动机RPM以及所有其他可用相关信息,以及到泵、阀门1005、1006和所有其他机构的连接。

图5是显示针对单个TE元件(单耦合)、N和P对TE元件(电偶)、或一组电偶的、输出电压和功率相对于电流的特性的示图。给出了针对固定冷侧温度的、在不同热侧温度处的值。通常,若干这类元件串联电连接以形成发电模块是有利的。如图7中所示(下文将详述),通常期望操作模块,使得在一个端,热工作流体进入并通过与发电机的TE元件的热侧热接触的热交换机。如图5中所示,在运行中,传递到TE电偶的热量冷却工作流体,使得例如该流体可以稍微进入600°C以上,使得第一TE电偶的热端工作在600°C,并且该流体冷却使得第二电偶工作在400°C以及第三电偶工作在200°C。由此,随着热流体冷却(通过将热能交给TE电偶上游),电偶的热侧温度逐渐变低。

如上文所述,尽管显示有三个TE发电机,但可以使用至少两个或更多的任意数量的TE发电机。每个TE发电机可以是工作在不同热侧和/或冷侧温度间的多个模块。