CN101517765A - 改善的工业热电发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了工业热电发电组件(100)和方法(200)。提供了多个热电发电元件(104)。每个元件具有第一侧面、与第一侧面相对的第二侧面以及横向表面。隔热材料(102)围绕每个热电元件(104)的横向表面。每个热电元件的第一侧面被设置为接触过程热源(106)，且第二侧面被配置为暴露于周围环境。所述多个热电发电元件(104)中的至少两个被用导线串联地连线。所述热电发电元件(104)是良好的隔热体，所述热电发电元件(104)给所述过程提供良好的隔热。把热能保留在所述过程(所需要的)中，而转换成电能。

Description

改善的工业热电发电机
背景技术
工业过程产生巨大量的热能。根据至少一个调查，在美国的化学工业、炼油厂以及林产品工业中产生的热量的量在大约6000万亿Btu的量级上。这个数量不包括在诸如锅炉、食品、能源、金属及冶金、采暖通风与空调(HVAC)和许多其它的工业的其它的过程和工业中产生的热量。6000万亿Btu相当于大约50亿美元。在所述的6000万亿Btu中，人们认为仅利用了52％，剩余的能量被浪费掉或丢失到环境中。
已知大规模的热电发电机。例如，美国专利4734139提供了形成有与一系列的单独的热电半导体模块接触的热侧热交换器的热电发电机模块。所述半导体模块被设置，使得热量流过所述模块。每个半导体模块被电连接，使得它们的输出可被结合以产生大量的电力。
热电材料根据已知的物理概念响应于穿过热电发电机的热梯度产生电流。
在工业环境中，为了抑制或最小化从所述热过程流走的不必要的热量，通常隔离热过程。这种热隔离提高了所述过程的效率，而同时促进其自身安装的安全性。隔热装置可由几个隔热物层制成。依据于需要，所述隔热装置的厚度通常从几英寸变化至几十英寸。
虽然利用热电发电机把全部否则被浪费掉的工业热能转换成电能将会是有用的，但对隔热的真实世界需要通常抑制热流(heat flow)的程度使得简单地把热电发电机原理应用于所述过程在成本上是高得负担不起的。而且，将隔热物设置在热电发电机的热流通路中降低了穿过热电发电机的热梯度，并且因此降低了发电效率。
提供能够提供大量的电能的大规模的工业热电发电机，同时给过程提供隔热性能在提高过程效率且收回否则丢失的能量方面将会代表非常重要的一步。
发明内容
提供了工业热电发电组件和方法。提供了多个热电发电元件。每个元件具有第一侧、与第一侧相对的第二侧以及横向表面。隔热材料围绕每个热电元件的横向表面。设置每个热电元件的第一侧接触过程热源，且配置第二侧使其暴露于周围环境。所述多个热电发电元件中的至少两个被串联地连线。所述热电发电元件是良好的隔热物，所述热电发电元件给所述过程提供良好的隔热。把热量抑制在所述过程(这是所需要的)中，所述热量被传换成电能。
附图说明
图1是根据本发明实施例的隔热的热电工业发电机的图解视图。
图2是被串联地连接的多个热电发电模块的示意图。
图3是相对于不同的热梯度由四个热电发电模块产生的功率的曲线图。
图4是根据本发明实施例的围绕过程流体管道设置的热电发电组件的图解视图。
图5是在图4中示出的系统的横截面视图。
图6是根据本发明实施例的使用热电发电机阵列的方法的流程图。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的绝热的热电工业发电机的图解视图。发电机100包括邻近隔热层102设置且被封装在隔热层102中的多个分离的热电发电模块。如图1所示，可有大量的热电模块104嵌入在隔热层102中。被用于热电发电模块104的合适材料的示例包括III族、IV族和V族半导体元素。这些材料对热电发电特别有用，因为它们也是良好的隔热物。另外，通过用隔热模块102围绕热电发电模块104，来自诸如化学浴或热管道的工业热源的热量被基本上集中，使得它流过热发电模块104。另外，使用相对大量的分离的热电发电模块104有助于确保整个组件100是相对柔性的和可适合于各种形状。
图2是被串联地连接的许多热电发电模块的示意图。通过把许多个热电发电模块104串联地设置，从电路可获得的总功率是从每个热电发电模块104可获得的功率的和。另外，通过串联地布置适量的热电发电模块104并且然后将结合的串联电路彼此并联地布置，可订制电压和/或电流。这基本上产生了热电发电模块104矩阵。
图3是相对于不同的热梯度由四个热电发电模块产生的功率的曲线图。图3显示被结合的四个热电发电模块能够用大约50℃的热梯度以4.4伏产生总计183毫瓦。这意味着每个固态热电发电模块用50℃的热梯度以1.1伏产生45.75毫瓦。推算热电发电模块的数量，对于1米长的隔热的热电发电模块100，可在一个特定行或直线嵌入20个热电发电模块104。对于直径为1英尺的管，外周将会是大约38英寸。在整个外周上，可在列中嵌入20个热电发电模块104。因此，包含20个热电发电模块长乘20个热电发电模块宽的整个阵列提供了一起相互协作的400个热电发电模块104。所产生的功率被估算是45.75毫瓦×400＝1.83千瓦。此外，电压被估算是1.1伏×400＝440伏。这是可观的工业发电。
图4是根据本发明实施例的围绕过程流体管道设置的组件100的图解视图。组件100围绕管106的外周设置，管106传输相对热的过程流体(过程流体是过程气体、过程液体或是它们的一些组合)。在管106中的过程流体相对室温处于高温。高温在图4中显示为Thot。另外，室温显示为Tcold。如图4所示，每个热电发电模块104具有直接与管接触并且因此被保持在Thot温度的第一表面。每个热电发电模块还包括与第一表面相对的第二表面。所述第二表面接触周围环境Tcold。每个热电模块具有在直接与隔热材料接触的第一表面和第二表面之间延伸的横向表面。因此每个热电模块104提供从与过程流体管道106的接触处至周围环境108的直接的热通路。整个热梯度(Thot-Tcold)作用在热电发电模块104上且依靠热电发电模块104产生电能。隔热体102设置在热电发电模块104之间且帮助确保从过程流体管道106流出的所有热能穿过热电发电模块104。将各个热电发电模块104电连接在一起而提供一对端子110、112，所述端子提供对由相互协作的热电发电模块104产生的电力的使用。
端子110、112可被连接至邻近系统100设置以执行一些需要的功能的局部装置。例如，端子110、112可被连接至现场装置以给现场装置供电。这对于无线地通信的现场装置特别有利。然而，考虑到从系统100可获得的可观数量的功率，可以想象，端子110、112可被连接至适合的本质安全栅和被用于基本上给整个有线的过程通信回路供电，其中，过程通信回路上的一些节点无线地通信。因此，系统100可基本上给一个或大量的现场装置供电。
现场装置是在诸如炼油厂和化学加工设施的工业环境中运行以便于过程的控制的公知的装置。现场装置的实例包括过程压力变送器、过程温度变送器、过程流体流量变送器、过程物位变送器、阀致动器、电磁线圈等等。
根据本发明的另一实施例，端子110、112也可被连接至储存设施，诸如电池组或电容器。在这点上，通过热电发电模块104被转换成电能的热能可被储存起来用于以后使用。这样的以后使用的示例包括通过使已储存的电能穿过各个热电发电模块104以影响在管道106中流动的过程流体的热控制，使热电发电模块104的运行逆转。因此，例如，当在稳态条件期间运行所述过程时，任何热量损失可被转化成储存用于以后使用的能量，否则将会浪费掉这些热量。以后，如果所述过程需要被重新启动，且在管道106中的过程流体需要被加热，那么已储存的能量可基本上被返回至过程流体管道106，以更快速地加热在其中流动的过程流体。
图5是图4中示出的系统的剖视图。图5显示被连接至各个热电发电元件116的多个热导体板114，而且热电发电元件116被连接至冷侧热导体118。隔热体102围绕热导体114和116，使得穿过系统的主要热流通过热电发电元件116。当然，对于诸如大的化学浴的平坦的侧面的具有非常简单几何形状的热源，可极大地简化或甚至可排除导体114、118的使用。
隔热材料102可采用任何合适的形式。优选地，隔热材料102不是导电性的且被选择为经得住过程流体管道被预期运行的最大温度。非常高的温度的绝缘体106的例子包括固体和织物形式的陶瓷以及其他的无机隔热体。另外，对于低温操作，可使用各种聚合物。这样的聚合物的适合的例子包括氯丁(二烯)橡胶和/或硅橡胶。
图6是根据本发明的实施例的使用热电发电阵列的方法的流程图。方法200开始于框202。在框202，隔热热电发电阵列被热连接至过程热源。如之前所述，过程热源可包括高温热浴、传送或储存高温过程流体的过程流体管道或容纳件、或其他适合的热源。在框204，热电发电阵列产生电力和给至少一个被连接的现场装置提供这种电力。这在框204处被示出。现场装置可是过程变量变送器，框206；如框208所显示的适合无线通信或通过有线过程通信协议通信的通信装置；如在框210显示的报警器(或者是产生视觉和/或听觉报警的局部报警器，或者是通过过程通信信号产生报警信号的报警器)；和/或如在框212处所显示的能够执行合适的算法或计算以相对于输入信号提供有意义的诊断信息的诊断装置。然后，在框214处，被连接的现场装置产生指示过程热量的一些方面的通信信号。因为来自热电发电阵列的供电信号是基于在过程热源和周围环境之间的温度差，所以可以通过现场装置把可获得的功率的实际水平用作诊断输入。另外或作为选择，现场装置可仅使用连接至过程热源的温度传感器以直接测量温度。另外，可通过现场装置传送其它适合的过程变量和/或相关的信息。
虽然参考优选的实施例对本发明进行了描述，但本领域技术人员将会意识到在不背离本发明的精神和范围的情况下，可在形式和细节上进行改变。例如，虽然针对固态模块概括性地描述了所述热电发电机模块，但也可使用纳米级热电材料，例如油漆或涂料。

Claims (25)

1.一种工业热电发电组件，包括：
多个热电发电模块，每个模块具有第一侧面、与第一侧面相对的第二侧面、以及横向表面；
围绕每个热电模块的横向表面的隔热材料；
其中，每个热电模块的第一侧面设置为接触过程热源，并且第二侧面配置为暴露于周围环境；及
其中，多个热电发电模块中的至少两个用导线串联连线。
2.根据权利要求1所述的工业热电发电组件，其中，热电发电模块中的至少一个是纳米级的热电发电模块。
3.根据权利要求1所述的工业热电发电组件，其中，所述过程热源是化学浴。
4.根据权利要求1所述的工业热电发电组件，其中，所述过程热源是过程流体管道。
5.根据权利要求4所述的工业热电发电组件，其中，所述过程热源是蒸汽管道。
6.根据权利要求1所述的工业热电发电组件，其中，所述过程热源是热水管线。
7.根据权利要求1所述的工业热电发电组件，其中，所述过程热源是热流。
8.根据权利要求1所述的工业热电发电组件，其中，所述过程热源是热浴。
9.根据权利要求1所述的工业热电发电组件，其中，所述过程热源是热交换器。
10.根据权利要求1所述的工业热电发电组件，其中，所述过程热源是过程流体容纳件。
11.根据权利要求1所述的工业热电发电组件，进一步包括可操作地连接至多个热电发电模块的至少一个现场装置，由多个热电模块提供的电能给所述至少一个现场装置供电。
12.根据权利要求11所述的工业热电发电组件，其中，所述现场装置提供过程通信。
13.根据权利要求11所述的工业热电发电组件，其中，所述现场装置是过程变量变送器。
14.根据权利要求11所述的工业热电发电组件，其中，所述现场装置提供关于过程热源的诊断功能。
15.根据权利要求11所述的工业热电发电组件，其中，所述现场装置提供关于过程热源的警报。
16.根据权利要求1所述的工业热电发电组件，进一步包括可操作地连接至多个热电发电模块的电储存装置。
17.根据权利要求16所述的工业热电发电组件，其中，所述电储存装置包括至少一个可充电电池。
18.根据权利要求16所述的工业热电发电组件，其中，所述电储存装置包括至少一个电容器。
19.根据权利要求1所述的工业热电发电组件，其中，所述组件发电大约1.8千瓦。
20.根据权利要求1所述的工业热电发电组件，其中，每个热电发电模块是固态热电发电模块。
21.根据权利要求20所述的工业热电发电组件，其中，当每个热电发电模块暴露于大约50摄氏度的热梯度时，每个热电发电模块产生大约45毫瓦的电能。
22.根据权利要求1所述的工业热电发电组件，其中，所述热电发电模块被嵌入隔热材料中。
23.一种回收过程系统中的废弃热量的方法，所述方法包括：
热连接多个热电模块至过程系统中的热源，每个热电模块具有第一和第二侧面、以及在其间的横向表面；
对热电模块的横向表面进行热隔离；和
用导线连线多个热电模块，使得至少两个热电模块彼此串联。
24.根据权利要求23所述的方法，进一步包括连接至少一个现场装置至所述多个热电模块。
25.根据权利要求23所述的方法，进一步包括在电储存装置中存储至少一些电力。
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