ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
THERMOELECTRIC DEVICE

Изобретение относится к устройству, содержащему термоэлектрический генератор с поглощающей тепло от источника тепла горячей стороной, отдающей тепло в теплоотвод холодной стороной и электрическими подключениями для отдачи электрической энергии с выходным напряжением, а также к электрической схеме с максимально допустимым входным напряжением, входы которой соединены с электрическими подключениями термоэлектрического генератора. Кроме того, изобретение относится к способу эксплуатации подобного устройства.
Термоэлектрический генератор, кратко называемый ТЭГ, представляет собой устройство, преобразующее тепловую энергию с использованием термоэлектрического эффекта в электрическую энергию.
Термоэлектрический эффект, называемый также эффектом Зеебека, описывает обратимое взаимодействие между температурой и электричеством. Напряжение Зеебека определяется с помощью формулы:
Seebeck
U=α×δT,
где
δT - разность температур между горячей и холодной стороной,
α - коэффициент Зеебека или термоэлектродвижущая сила.
Коэффициент Зеебека имеет размерность «электрическое напряжение x разность температур» (В/К). Величина коэффициента Зеебека является решающей для уровня напряжения Зеебека.
2
3
2
3
2
3
2
Термоэлектрический генератор состоит их легированных различным образом полупроводниковых материалов. Обычными полупроводниковыми материалами для термоэлектрических генераторов являются такие полупроводниковые материалы, как, прежде всего, BiTe, BiSe, SbTe, PbTe, SiGe или FeSi и материалы из них, содержащие примеси.
Seebeck
Обычный термоэлектрический генератор изготовлен из двух или нескольких небольших прямоугольных параллелепипедов из p- и n-легированного полупроводникового материала каждый, которые поочередно соединены между собой металлическими перемычками. Металлические перемычки одновременно образуют тепловые контактные поверхности и в большинстве случаев изолированы керамической пластиной. Различные прямоугольные параллелепипеды из p- и n-легированного полупроводникового материала электрически соединены последовательно. Керамические пластины имеют расстояние примерно 3-5 мм, между ними расположены, прежде всего впаяны, прямоугольные параллелепипеды. Одна из керамических пластин образует горячую, противоположная керамическая пластина - холодную сторону термоэлектрического генератора. Горячая сторона поглощает тепло от источника тепла, тогда как холодная сторона отдает тепло в теплоотвод. Путем создания разности температур δТ между горячей и холодной сторонами на подключениях термоэлектрического генератора создается напряжение Зеебека U.
Для увеличения КПД термоэлектрического генератора в ЕР 1287566 В1 раскрыты термоэлектрический элемент и модуль с несколькими электрически последовательно соединенными термоэлектрическими элементами. Термоэлектрический элемент имеет по меньшей мере один n-слой и по меньшей мере один p-слой одного или нескольких легированных полупроводников, причем n-слой (слои) и p-слой (слои) расположены с образованием по меньшей мере одного p-n-перехода. По меньшей мере один n-слой и по меньшей мере один p-слой электрически избирательно контактируют, и температурный градиент прилагается параллельно граничному слою (направление x) между по меньшей мере одним n- и p-слоями. По меньшей мере один p-n-переход выполнен по существу вдоль всего, предпочтительно наибольшего, протяжения n-слоя (слоев) и p-слоя (слоев) и тем самым по существу вдоль всего граничного слоя.
Вследствие температурного градиента вдоль обширной граничной p-n-поверхности возникает разность температур вдоль этого протяженного p-n-перехода между двух концов пакета p-n-слоев, которая приводит к тому, что КПД термоэлектрического элемента выше, чем в обычных термоэлектрических генераторах, не имеющих температурного градиента вдоль и внутри p-n-перехода. Термоэлектрические элементы расположены в модуле между двух пластин термически параллельно. Пластины служат для улучшенного теплового соединения как на холодной, так и на горячей стороне. Предпочтительно они выполнены как хорошие проводники тепла, состоящие прежде всего из керамических электрически непроводящих материалов. Раскрытие ЕР 1287566 В1, прежде всего, относительно конструкции термоэлектрических элементов (фиг.3) и модуля (фиг.13), а также подлежащих применению полупроводниковых материалов, в прямой форме включается в настоящую заявку.
Соответствующее родовому понятию устройство раскрывается в DE 102008023806 А1. Устройство встроено в выпускную систему автомобиля, в которой так называемая горячая сторона ТЭГ с возможностью теплопроводности соединяется с выпускным трубопроводом выпускного тракта, тогда как холодная сторона ТЭГ термически соединена, например, с передающим охлаждающую жидкость трубопроводом для охлаждающей жидкости системы охлаждения двигателя автомобиля. Электрически ТЭГ с помощью стыковочного устройства постоянного напряжения в форме преобразователя напряжения постоянного тока подключен к бортовой сети автомобиля. Устройство из ТЭГ и преобразователя напряжения постоянного тока существенно улучшает энергетический КПД автомобиля. Однако подключение устройства к выпускной системе автомобиля предполагает новую конструкцию выпускной системы. Выпускная система содержит канал для отработавших газов, имеющий две параллельно идущие канальные части для отработавших газов, причем канальные части для отработавших газов ниже по потоку снова соединены. Одна из обеих канальных частей для отработавших газов термически соединена с термоэлектрическим генератором, причем в канале для отработавших газов имеется по меньшей мере один орган переключения для управления потоком отработавших газов таким образом, что в зависимости от включенного положения органа переключения поток отработавших газов протекает только через первую канальную часть для отработавших газов, только через вторую канальную часть для отработавших газов или пропорционально через обе канальных части для отработавших газов. Далее предусмотрено управляющее устройство для управления по меньшей мере одним органом переключения. Выходное напряжение расположенного в канальной части для отработавших газов термоэлектрического генератора примерно пропорционально разности температур между горячей и холодной сторонами термоэлектрического генератора. Во избежание повреждений соединенного с термоэлектрическим генератором преобразователя напряжения постоянного тока и бортовой сети автомобиля вследствие слишком высокого выходного напряжения термоэлектрического генератора в определенных рабочих режимах необходимо направлять слишком горячие отработавшие газы мимо термоэлектрического генератора. С помощью этого решения с байпасом можно рассчитать термоэлектрический генератор для средних мощностей двигателя и тем самым для температур и массовых расходов отработавших газов, составляющих большую часть ездового цикла. Далее преобразователь напряжения постоянного тока может быть рассчитан на наиболее часто используемый диапазон мощностей. Существенный недостаток уровня техники заключается, однако, в том, что выпускная система должна иметь две параллельно проходящие канальные части для отработавших газов и, кроме того, в выпускной тракт должны быть встроены управляемые органы переключения.
Исходя из этого уровня техники, в основе изобретения лежит задача создания устройства ранее названного типа, которое почти независимо от величины разности температур между горячей и холодной сторонами термоэлектрического генератора можно соединить с источником тепла, прежде всего выпускной системой двигателя внутреннего сгорания (ДВС), причем должны быть предотвращены повреждения соединенной с термоэлектрическим генератором электрической схемы вследствие превышения ее максимально допустимого входного напряжения без изменений в источнике тепла, прежде всего в выпускной системе.
Эта задача в устройстве ранее описанного рода решена за счет того, что термоэлектрический генератор содержит по меньшей мере один термоэлектрический элемент, состоящий соответственно из по меньшей мере одного n-слоя и по меньшей мере одного p-слоя термоэлектрического материала с образованием по меньшей мере одного образованного вдоль граничного слоя p-n-перехода, причем температурный градиент может быть приложен параллельно граничному слою между горячей и холодной сторонами термоэлектрического генератора, и n- и p-слои термоэлектрического генератора имеют толщину, при которой насыщение выходного напряжения наступает ниже или при достижении максимально допустимого входного напряжения электрической схемы.
Термоэлектрический генератор содержит по меньшей мере один известный из ЕР 1287566 В1 термоэлектрический элемент. Превышение максимально допустимого входного напряжения электрической схемы предотвращается тем, что выходное напряжение термоэлектрического генератора, начиная с определенной разности температур между горячей и холодной сторонами, заметно не повышается. Это насыщение выходного напряжения происходит предпочтительно при достижении максимально допустимого входного напряжения или немного ниже его. Повреждения электрической схемы и последующих компонентов эффективно предотвращаются без дорогостоящих вмешательств в источник тепла или теплоотвод. Прежде всего при подключении устройства согласно изобретению к выпускной системе автомобиля канальная часть для отработавших газов как байпас для слишком горячих отработавших газов больше не требуется. Помимо этого становятся ненужными органы переключения, а также управляющее устройство для управления органами переключения.
В термоэлектрическом генераторе, содержащем по меньшей мере один известный из ЕР 1287566 В1 термоэлектрический элемент, наступление насыщения выходного напряжения зависит от того, насколько передающая способность термоэлектрических слоев и эффективность генерации p-n-перехода, к которому приложен температурный градиент, согласованы между собой. При постоянных параметрах, прежде всего таких, как длина и ширина термоэлектрического генератора, легирующая примесь и плотность дефектов, характеристика насыщения термоэлектрического генератора предпочтительно задается с помощью толщины n- и p-слоев. По мере увеличения толщины повышается значение, при котором наступает насыщение выходного напряжения. Следовательно, путем изменения толщины слоев термоэлектрический генератор можно согласовать с максимально допустимым входным напряжением электрической схемы.
В публикации о термоэлектрическом генераторе согласно ЕР 1287566 B1 "Gerhard Span et al: Miniaturized TEG with thermal generator of free carries", Physica Status Soldi (PRL) - Rapid Research Letters, том 1, н-р. 6, 1 ноября 2007, страницы 241-243, дополнительно описывается, что контакты термоэлектрического элемента согласно ЕР 1287566 B1 на холодной стороне являются соединяемыми с сопротивлением нагрузки, в котором течет внешний ток. Из изображений публикации можно понять, как различные термические сопротивления термоэлектрического генератора влияют на эффективность. На одном из изображений показано, что с уменьшающейся длиной и увеличивающейся толщиной термоэлектрически активного слоя термоэлектрический материал между горячей и холодной стороной становится лучше проводимым, за счет чего пригодная разность температур и тем самым эффективность становятся меньшими.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство содержит источник тепла, термически соединенный с горячей стороной термоэлектрического генератора. Термическое соединение может осуществляться, например, с помощью теплообменника. В качестве источника тепла служит прежде всего компонент выпускной системы ДВС, причем благодаря устройству согласно изобретению не требуется конструктивная адаптация выпускной системы.
Далее изобретение подробнее поясняется с помощью рисунков. Показаны на:
Фиг.1 схематическое изображение устройства согласно изобретению,
Фиг.2 изображение выходного напряжения термоэлектрических генераторов разной конструкции согласно фиг.1 в зависимости от разности температур,
Фиг.3 изображение удельной мощности термоэлектрических генераторов разной конструкции в зависимости от прилагаемой разности температур,
Фиг.4 изображение коэффициента Зеебека для n-легированного кремния с различными концентрациями примеси, и
Фиг.5 изображение коэффициента Зеебека для р-легированного кремния с различными концентрациями примеси.
На фиг.1 показано устройство согласно изобретению с известным из ЕР 1287566 В1 термоэлектрическим генератором (1), содержащим в изображенном примере осуществления упрощенно только один термоэлектрический элемент, который состоит из одного p-слоя (2) из термоэлектрического материала и одного n-слоя (3) из термоэлектрического материала с образованием вдоль граничного слоя p-n-перехода (4). На верхнем торце пакета полупроводниковых слоев термоэлектрический генератор (1) имеет горячую сторону (5), а на противоположном торце - холодную сторону (6). Вдоль граничного слоя между горячей и холодной сторонами (5, 6) может быть приложен температурный градиент, причем горячая сторона поглощает тепло от не показанного источника тепла, например выпускной системы ДВС, а холодная сторона отдает тепло в теплоотвод, например в трубопровод для охлаждающей жидкости ДВС или в окружающий воздух. При приложенной разности температур между горячей и холодной сторонами (5, 6) носители зарядов (электроны и дырки) термически генерируются на горячей стороне (5) p-n-перехода (4) в зоне (7) генерации. Носители зарядов разделяются посредством встроенного потенциала p-n-перехода (4) раздельно и посредством эффекта Зеебека и переносятся в n- и p-слое от горячей стороны (5) к холодной стороне (6). На холодной стороне (6) носители зарядов отводятся через электрические подключения (8a, 8b) в форме контактов. Электрические подключения (8a, 8b) термоэлектрического генератора (1) соединены с электрической схемой (9), то есть с преобразователем напряжения постоянного тока. Преобразователь напряжения постоянного тока служит для подключения произведенной термоэлектрическим генератором (1) электрической энергии к схематически показанной бортовой сети (10) автомобиля.
Термоэлектрический генератор (1) при нарастающих разностях температур имеет два рабочих диапазона - диапазон ограниченной генерации и диапазон ограниченного переноса. В диапазоне ограниченной генерации большая часть генерированных на горячей стороне (5) носителей зарядов отводится на электрические подключения (8a, 8b). Количество генерированных носителей зарядов экспоненциально растет с температурой, причем вследствие теплопроводности термоэлектрического генератора (1) вдоль p-n-перехода (4) устанавливается соответствующий температурный градиент. Если при повышенных температурах в диапазоне ограниченного переноса для определенной толщины n- и p-слоев (2, 3) генерируется избыток носителей зарядов, то вдоль n- и p-слоев устанавливается новое равновесие и носители зарядов снова рекомбинируют на своем пути к электрическим подключениям (8a, 8b). Вытекая отсюда, получается сначала сравнительно слабо нарастающее с ростом разности температур, а затем насыщающее выходное напряжение.
Переход от диапазона ограниченной генерации в диапазон ограниченного переноса и тем самым к разности температур, при которой наступает насыщение выходного напряжения, зависит, таким образом, от передающей способности n- и p-слоев (2, 3) и эффективности генерации p-n-перехода (4). При заданных параметрах, таких как длина термоэлектрического генератора, легирующая примесь и плотность дефектов, характеристику переноса n- и p-слоя (2, 3) можно проще всего установить поэтому путем изменения толщины (11) n- и p-слоев (2, 3). Типичные толщины p- и n-слоев лежат в области 10-100 мкм, тогда как типичная длина термоэлектрического генератора лежит в миллиметровой области.
Приведенные выше пояснения показывают, что посредством определения толщины n- и p-слоев (2, 3) можно регулировать максимальное выходное напряжение термоэлектрического генератора (1). Вследствие этого максимальное выходное напряжение термоэлектрического генератора (1) в устройстве согласно изобретению можно согласовать с максимально допустимым входным напряжением электрической схемы (9).
На фиг.2 показана зависимость между толщиной n- и p-слоев (2, 3) и насыщением выходного напряжения. На фиг.2 пунктирной линией показана характеристика обычного термоэлектрического генератора, в котором выходное напряжение нарастает пропорционально разности температур между горячей и холодной сторонами термоэлектрического генератора. Сплошные линии относятся к характеристике выходного напряжения термоэлектрического генератора (1), в котором посредством толщины (11) n- и p-слоев (2, 3) происходит насыщение выходного напряжения при различных значениях выходного напряжения. Насыщение выходного напряжения нарастает по мере увеличения толщины p- и n-слоев (2, 3). Для минимальной в сравнении толщины (11) p- и n-слоев (2, 3) насыщение наступает при выходном напряжении (S1), для средней толщины (11) при выходном напряжении (S2) и для максимальной толщины (11) при выходном напряжении (S3). Поскольку n- и p-слои (2, 3) большой толщины имеют повышенную передающую способность носителей зарядов, разность температур, при которой наступает насыщение выходных напряжений (S1-S3), соответственно смещается вверх.
На фиг.3 показано, что при сравнительно низких разностях температур оказываются благоприятными более тонкие n- и p-слои (2, 3), т.к. вследствие меньшей разности температур в зоне генерации (7) может генерироваться и эффективно переноситься n- и p-слоями (2, 3) к подключениям (8a, 8b) меньшее количество носителей зарядов. С увеличением разностей температур для более толстых n- и p-слоев (2, 3) получается более высокая удельная мощность. Из фиг.3 также понятно, что выходная мощность обычного термоэлектрического генератора нарастает почти квадратично с разностью температур, тогда как выходная мощность термоэлектрического генератора (1) с разностью температур нарастает поначалу экспоненциально, то есть более чем квадратично, и при довольно высоких разностях температур ограничена насыщением выходного напряжения. Благодаря такой характеристике термоэлектрического генератора (1) выходная мощность по сравнению с термоэлектрическим генератором обычной конструкции может быть оптимизирована для определенной разности температур. Поэтому устройство можно особенно эффективно согласовать с выпускной системой ДВС, который работает в среднем диапазоне мощностей.
Свободные носители зарядов и тем самым проводимость, а также коэффициент Зеебека в полупроводнике материала задаются посредством легирующих примесей материала. Различают так называемые беспримесные и примесные полупроводники, причем каждый полупроводник с ростом температуры попадает в беспримесный диапазон. В то время как в примесном полупроводнике только один вид зарядов (то есть или электроны, или дырки, в зависимости от вида легирующей примеси) обеспечивает передачу электричества, в беспримесном полупроводнике вследствие термической генерации существуют оба типа зарядов. Поскольку термический дрейф действует на оба типа зарядов в одном направлении (от тепла к холоду), носители зарядов несут заряды с разными знаками и коэффициенты Зеебека тоже имеют разные знаки, то коэффициент Зеебека легированного полупроводника на переходе от примесного диапазона к беспримесному сильно падает вследствие долей дополнительно возникающих носителей зарядов с неправильным знаком (электронов в p-области полупроводника, дырок в n-области полупроводника) (фиг.4, 5). На фигурах показаны значения для легированных различным образом кремниевых образцов, основная характеристика для других полупроводниковых материалов аналогична. На основании названной выше характеристики путем легирования полупроводникового материала с n- и р-областями можно задать насыщение выходного напряжения.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 термоэлектрический генератор
2 p-слой
3 n-слой
4 p-n-переход
5 горячая сторона
6 холодная сторона
7 зона генерации
8a, b электрические подключения
9 электрическая схема
10 бортовая сеть
11 толщина