包括热电发电机的伴热设备 |
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| 申请号 | CN200880124372.8 | 申请日 | 2008-12-17 | 公开(公告)号 | CN101971479A | 公开(公告)日 | 2011-02-09 |
| 申请人 | 大卫·约翰·佛西斯; | 发明人 | 大卫·约翰·佛西斯; | ||||
| 摘要 | 在使用来自 散热 加热器的热量加热循环 流体 的伴热系统中，使用热电生成模 块 生成用于向 循环 泵 供电的电。在吸热盘与热沉之间夹置热电发电模块，把此装备放置成吸热盘靠近散热发热器。管道回路穿 过热 沉，以使得通过从加热器 抽取 到热沉中的热量加热通过管道循环的流体。由于热电模块的热端与冷端之间的温差，模块产生电以向用于通过管道回路循环流体的泵供电。可以提供补充热量交换器构件以用于额外的流体加 热能 力 ，以及从而增加伴热回路可用热量的量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于发电的设备，其特征在于：所述设备包括催化加热器以及各自具有热端和冷端的多个热电模块，其中，热电模块的热端裸露于来自催化加热器的热量，热电模块的冷端邻近热沉进行导热，以使得热电模块产生用于向用来在伴热管道回路内循环加热流体的泵供电的电流，以及其中，伴热管道回路穿过热沉以消散来自其的热量。 |
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| 说明书全文 | 包括热电发电机的伴热设备技术领域背景技术[0002] 如下内容是公知的：使用来自催化加热器(如，Cata-DyneTM加热器，加拿大，艾伯塔，Edmonton的CCI Thermal Technologies公司制造)的热量以用于通过伴热环路进行循环，以用于诸如在寒冷气候下进行解冻或者防止井口结冰的目的。美国专利No.6,776,227(Beida等人)、No.7,138,093(McKay等人)、以及No.7,293,606(Benoit等人)中可以找到这些应用的实例。这些系统需要泵以通过伴热环路循环加热的流体。然而，由于伴热系统一般安装在遥远的地点(例如，加拿大北部的井场)，所以使用电驱动的泵常常并非实践性的选择，因为最近的电网会非常远。太阳能电能不是对此问题的理想解决方案，因为在非常冷的条件下即使并非连续地也需要大范围地操作泵，并且在这些时段中可用太阳光会最少(特别是在很北的地方)。相应地，使用由太阳能面板供电的电泵通常意味着配备大量电池备份以用于太阳不发光的时候。 [0003] 由于以上原因，需要更实践性的如下这些方法和系统：用于为与使用催化加热器的伴热系统相结合的电泵提供电能。本发明针对此需要。 发明内容[0004] 总体而言，本发明是用于加热循环流体的系统和设备，使用来自加热器(如，以天然气或丙烷为燃料的催化加热器)的热量既加热流体也发电以向泵供电以用于通过管道系统(如，伴热环路)循环流体。在特定实施例中，系统产生足够的电以用于循环泵的电能需要。 [0005] 按照本发明，电能以热电方式生成，使用来自合适加热器(优选地，催化加热器)的热量。热电发电的原理已经被理解和应用了许多年。已知(按照称为“塞贝克效应”的科学原理)：通过把热量从热电偶的一端(“热端”或“热结”)输送另一端(“冷端”或“冷结”)，在包括电串联并且热并联的“p型”(即，“正”)和“n型”(即，“负”)热电元件或模块的热电偶中可以产生电能。这将会生成与热电偶上(即，热端与冷端之间)的温度梯度成比例的电流。 [0006] 在本发明中，在吸热盘与热沉之间加置或“夹置”一个或更多个热电生成模块(一般称作“TEG模块”)。为了此专利文件的目的，将会把吸热盘、一个或更多个TEG模块、以及热沉中的任何装备均称作“TEG板”。把TEG板放置成其吸热盘靠近(优选地，一般平行于)散热加热器，在吸热盘与加热器之间存在空气空间。靠近吸热盘的TEG模块端因而将会是热端，TEG模块的其它端(即，靠近热沉)将会是冷端。管道环路穿过热沉，以使得将会通过从加热器抽取到热沉中的热量加热通过管道循环的流体。通过电泵循环流体。由于TEG模块的热端与冷端之间的温差(因从热沉到循环流体中的热量传送而增强)，TEG模块产生电能，以用于向泵供电，以及根据系统的总电能输出而用于其它应用。 [0007] 相应地，在本发明的一个实施例中，一种用于发电的设备，所述设备包括催化加热器以及各自具有热端和冷端的多个热电模块，其中，热电模块的热端裸露于来自催化加热器的热量，热电模块的冷端邻近热沉进行导热，以使得热电模块产生用于向用来在伴热管道回路内循环加热流体的泵供电的电流，以及其中，伴热管道回路穿过热沉以消散来自其的热量。 [0008] 在另一实施例中，本发明是一种用于发电的设备，其中，所述设备包括：第一吸热盘；具有第一端和第二端的热沉；以及各自具有热端和冷端的第一多个热电模块，所述模块电互连、并且夹置在吸热盘与热沉的第一端之间，它们的热端靠近吸热盘。当把所述设备放置得紧密靠近散热热源时，第一吸热盘与热源最近，来自散热热源的热量将会穿过第一吸热盘和热电模块并且进入热沉，从而启动热电模块以产生电。优选地，热沉包括导热材料(如，铜或铝)的一个或更多个块，每个所述块具有一个或更多个通道，以用于装载一个或更多个流体携带管道。 [0009] 在优选实施例中，所述设备包括： [0010] (a)具有输入口和输出口的收集器箱，所述收集器箱与管道回路流体互通，管道回路的输出口部件连接到箱的箱输出口，管道回路的返回部件连接到箱输入口；以及[0011] (b)用于通过管道回路循环流体的泵，所述泵由第一多个热电模块响应于来自第一散热加热器的热量通过其的流动产生的电能通电。 [0013] 现在将参照附图对本发明的实施例进行描述，其中，附图标记标注了相似的组件，以及其中： [0014] 图1是按照本发明第一实施例的与催化加热器相关联地装配的TEG板装备的横截面。 [0015] 图2是图1中所示TEG板的分解立体图。 [0016] 图3是按照本发明第一实施例的伴热系统的示意性立体图，结合了如图1和图2中所示的TEG板装备。 [0017] 图4是按照本发明第二实施例的伴热系统的示意性立体图。 [0018] 图5是按照本发明第三实施例的伴热系统的横截面。 [0019] 图6是如图4和图5中一样的TEG板布置的分解立体图，示例了示范性TEG模块布局。 [0020] 图7是结合了本发明“主”和“从”实施例的伴热系统的示意性布局。 具体实施方式[0022] 图1、图2、以及图3示例了按照本发明的热电生成设备的“TEG板”装备60的一个实施例。如图1中示意性示例出的，在吸热盘21(靠近模块8的热端8H)与热沉5(靠近模块8的冷端8C)之间夹置一组TEG模块8。每个TEG模块8具有正引线80P和负引线80N。虽然图中未示出相应的电连接细节，但按照已知原理和技术，适当地把来自成组TEG模块8的引线80P和80N电连接，以使得通过从TEG板60引出的电能输出口线缆82得到TEG模块组产生的所有电能，如图3中示意性示例出的。图2示例了一组模块8的一种可行配置(此处应当注意，本发明不有赖于使用任何特定数量或布置的TEG模块8)。 [0023] 把TEG板装备60放置成吸热盘21贴近第一催化加热器19的散热面19H，从而启动热电过程以生成可以用来向电泵供电以通过伴热环路循环加热流体的电流。优选地，在吸热盘21与第一催化加热器19之间将会提供空气空间23。吸热盘21应当尽可能地接近加热器19以使去往盘21的热量传送最大化，但不应太接近而干扰得到用于加热器19中正确催化反应的氧气。空气空间23的宽度是可变的以适合吸热盘21的尺寸以及针对具体应用的其它设计特点。 [0024] 可以使用托架或其它合适连接器(如附图标记30示意性表示出的)把热沉5装配到盘21上、以及把盘21装配到加热器19上。连接器30优选地将会被设计成并且其位置使得通过空气空间23的竖直空气流动的任何阻碍最小化。在优选实施例中，提供了热量交换器面盘(未示出)以覆盖热量交换器15，以使来自热量交换器15的热量损耗最小化并从而使去往通过管路15T流动的流体的热量传送最大化。为了类似的目的，可以可选地提供合适的覆盖盘或遮盖物(优选地，绝缘)以遮盖TEG板装备60。 [0025] 按照前述原理，电流强度将会根据从TEG模块组的热端到冷端经过的热量的总量而变化。因此，为了使给定数量的TEG模块生成的电流最大化，期望使模块热端向其裸露的热源的温度最大化，并且使冷端的温度最小化——换言之，使温度梯度最大化。 [0026] 给定催化加热器表面的维度将会基本上是固定的，所以增加热源的温度将会通常是一种选择。然而，热沉5具有用于通过吸收或消散来自模块8冷端的热量使冷端温度最小化的作用。热沉的有效性根据使用材料的属性(具体地，其导热能力)以及热沉的重量而变化。在本发明的优选实施例中，提供了热沉5，优选地，以导热系数高的材料(例如，铝、铜、或者其它导热金属、或者导热非金属或亚金属合成材料)厚块的形式。在使用铝热沉5的实施例中，优选地把铝进行阳极电镀(以用于更长的服务寿命)并涂刷成黑色或者一些其它的深色(以用于增强吸热)。按照特别优选的实施例，通过提供流体冷却(以穿过热沉5中通道50的流体管道52的形式)增强热沉5的有效性。热量从而将会从热沉5传送到管道52中流动的流体并被其带走，从而降低热沉5的温度。在替选实施例中，可以把合适的配合部件配合到通道50的末端，以便于连接到管道52，以使得管道52实际上并不穿过管道50。 [0027] 图3示例了如何把本发明的催化热量驱动热电发电系统与使用催化加热器加热循环伴热流体的传统伴热系统相整合的实例。示例设备的上部是包括流体收集器箱1(含有流体2(如，乙二醇))的伴热部件100。收集器箱1具有填料盖18，优选地，还具有细筛3以防止微粒污染物进入收集器箱1。还提供了合适设计的热量交换器15，在示例实施例中为公知类型的翅片管热量交换器，包括盘曲越过翅片15F(优选地涂刷成黑色以使吸热最大化)装备的管路15T(如，铜管路)。管路15T具有输入口端35和输出口端37。把第二催化加热器20放置成直接靠近热量交换器15以使得来自第二催化加热器20的热量将会传送到热量交换器15的翅片15F以及因此传送到通过热量交换器15的管路15T循环的流体。还提供了伴热管道的回路，出口部件16连接到管路15T的出口端，返回部件17连接到收集器箱1的上部区域(优选地与筛3上方的点处的填料盖18相关联，如图3中所示)。优选地提供热量交换器面盘(未示出)以覆盖热量交换器15，以使来自热量交换器15的热量损耗最小化并从而使去往通过管路15T流动的流体的热量传送最大化。 [0028] 在这种传统伴热设备中，进一步长度的管道或管线将会从收集器箱1的下部区域延伸到循环泵并且从泵延伸到热量交换器15的铜管路输入口端，从而完成封闭的流体管道回路。按照本发明，然而，伴热部件100通过如下方式与热电生成设备200耦合：通过热沉5(通过图3中的管道部件52)从收集器箱1的下部区域连结流体管道，随后通过热沉5(通过管道部件7)环回到电泵10(如，叶片泵)，以及因此通过管道部件11去往热量交换器15的管路15T的输入口端35。热电生成设备200的TEG模块组通过电能输出口线缆82电连接到泵10，以使得第一催化加热器19的致动将会使得生成去往电能泵10的电流。第二催化加热器20的致动将会使得通过管路15T流动的伴热流体2被加热，基于此，可以通过伴热输出口线路16(由泵10)把它传递给井口或者其它需要热量的对象。伴热流体2通过返回线路17流动去往收集器箱1以及因此通过热沉5。在向井口或者其它受热对象损耗热量后，穿过热沉5的流体2具有足够的能力吸收来自热沉5的热量；以此方式，通过热沉 5的流体2的循环在它到达热量交换器15之前有效地预加热流体2。 [0029] 本发明的设备优选地结合分流管道13以便于起动系统。如图2中所示，分流管道13沿着泵10与热量交换器15的管路15T的输入口端35之间的管道部件11在返回线路 17(优选地在接近收集器箱1的点处)与点X之间延伸(从而把管道部件11细分成泵10与点X之间的子管道11A、以及点X与结束端11T之间的子管道11B，如图3中所示)。在点X处提供分流阀门12。阀门12可在正常位置(流体自由地从子管道11A流入到子管道 11B中)与分流位置(阻止流体从子管道11A流入到子管道11B，而是转移到分流管道13)之间操作。此分流通路使得可以通过热沉5循环流体而无需通过热量交换器15和全部伴热管道回路(即，输出口部件16和返回部件17)循环流体(将会需要更可观的电能)。 [0030] 现在会参照图3和以下描述对系统的操作进行解释。为了便于理解系统，图3包括大量如下这些箭头A：用于表明通过系统中的管道和管路部件循环的流体2的流动方向。 [0031] 为了起动系统，开启向第一和第二催化加热器19和20的燃料供应(例如，天然气)，第一催化加热器19连接到电池电源以启动催化反应。随后把分流阀门2移动到分流位置。一旦进行第一催化加热器19中的催化反应，加热器19就开始把红外线热量导向到吸热盘21，开始TEG模块8中的热电生成过程。在一个测试的试验系统中，当热电生成的电能达到约0.7伏特的电压时，泵10开始缓慢旋转，并开始通过分流通路以及通过热沉5移动流体。电压随着流体开始穿过热沉5立刻上冲。随后可以把第一催化加热器19从电池电源断开。随后可以通过把它连接到电池电源来致动第二催化加热器20(可以在建立好第二催化加热器20中的催化反应之后把它断开)。 [0032] 当电压达到足够高的等级(在测试系统中约5伏特)时，可以把分流阀门12移动到正常位置，从而允许流体通过整个系统进行循环。热电生成设备将会继续增加向泵10提供的电压直到它达到稳定的等级为止(在测试系统中大约30分钟)。可以通过简单地关断气供应来关闭系统。随着第一催化加热器19生成的热量消散，向泵10提供的电能将会减少，直到泵10停止为止。 [0033] 本领域技术人员将会很容易理解本系统的益处。主要的优点是，只要存在用于催化加热器的燃料，就将会存在连续的电能以致动循环泵。这消除了对于外部电能供应的需要，并且消除了使用太阳能电能首要缺点中的一个缺点(例如，间断或间歇的电能生成；需要大量蓄电池备份)。系统的所需电池电能只是需要启动催化加热器(或加热器)中的催化反应。 [0034] 图4示例了使用单个催化加热器19加热循环流体以及生成电能的替选实施例。在此实施例的主要配置中，流体2在它穿过管道52以及一对热沉5的过程中被加热。如图4中所示，然而，可以可选地在催化加热器19上方装配补充热量交换器装置70(如，翅片管部件，如图4中示例出的)以用于增强流体加热，把(任何合适类型的)补充热量交换器70结合到主流体管道回路中。优选地，把补充热量交换器70遮盖在排气口罩(图4中未示出)内以使补充热量交换器70向其裸露的残余热量的量最大化。在结合补充热量交换器70的实施例中，在结束端11T优选地提供第二阀门72，第二阀门72可在第一位置(允许流体通过补充热量交换器70循环以及因此进入到管道输出口部件16中)与第二位置(允许流体2绕开补充热量交换器70并直接流动到管道输出口部件16中)之间操作。 [0035] 图4中所示的实施例使用一对伸长热沉5，以增加系统的流体加热能力以及便于使用更大量的TEG模块，从而增加系统的发电能力。在此热沉布置中，管道通过两个热沉5环回。本领域技术人员将会很容易理解，可以在不脱离本发明范围和原理的情况下把一个或更多个额外热沉结合到其中或者系统的其它替选实施例中。 [0036] 图5示例了图4中所示实施例的变型，使用装配在调整或“双”TEG板装备(具有两个电独立TEG模块电路)的任一侧上的一对催化加热器19。如图5中所示，热沉5(在图5的特定实施例中提供了两个热沉5)夹置在一对吸热盘21之间，在每个热沉5的每侧提供了一组TEG模块8以夹置在相应热沉5与吸热盘21之间。图5中示出了托架30和交叉部件32以示例出用于把加热器19装配到双TEG板装备以及用于把两个吸热盘21互连的装置。然而，本领域技术人员将会理解，这些叙述只是概念性的，本发明不以任何方式限于使用任何特定类型的装配或连接装置。 [0037] 将会立即明显的是，本实施例使用于加热循环流体2以及用于发电的可用热量的量加倍，而不增加所需热沉5的数量。当然，需要或者期望调整热沉5的尺寸(以及可能地，材料属性)，以优化此布置的操作优点，但总体上使用给定数量的较大热沉5比重量等同的更大数量的较小热沉5更有效率。 [0038] 使用两个电独立TEG模块电路便于使用生成的电能用于不同的目的。例如，每个TEG模块电路可以具有其自身的单独一套电能输出口线缆82(图5中未示出)以使得从一个TEG模块电路输出的电能可以专用于向流体循环泵10通电，来自另一电路的电能用于电池充电或者其它目的。可替选地，可以把所有TEG模块连接起来以使得单个的一套电能输出口线缆82携带系统的全部电输出。 [0039] 图5示例了放置在催化加热器70上方的补充热量交换器元件70，但这种补充热量交换器元件70是可选的以及并非关键的。在具有补充热量交换器元件70以及没有补充热量交换器元件70的实施例中，均如图5中所示在加热器/TEG板装备上方优选地提供排气罩80。在具有补充热量交换器元件70的实施例中，优选地把所述热量交换器元件70遮盖在排气罩80内，以使热量交换器元件70的热量裸露最大化。 [0040] 将会很容易理解，本发明的替选实施例可以只使用单个加热器19以及只使用一个TEG板装备(而非图5中所示的双TEG板)，具有或者没有补充热量交换器元件70，具有或者没有排气罩80。一个替选实施例使用被配置成部分地或者完全地容纳流体收集箱1(将会因而裸露以消耗来自加热器19(在某些实施例中，还有加热器20)的热量)的排气罩80。 [0041] 图6示例了使用一对伸长热沉5(如，图4和图5中所示)的实施例的优选TEG模块布置。如前面注意到的，然而，本发明不限于任何特定数量或布置的TEG模块8，本领域技术人员将会理解，可以存在许多替选TEG模块布置。 [0042] 虽然未具体示例，在需要较大流体加热和发电能力的应用中可以使用：使用四个催化加热器的进一步实施例。此实施例将会实质上结合如图5中的系统，在一对下部催化加热器之间放置“双”TEG板，外加在一对上部催化加热器之间的双TEG板上方放置的补充热量交换器。实质上，此替选实施例将会形成图3中示例的实施例的双倍版本。 [0043] 图7示意性示例了如何把本发明的多个实施例结合到伴热通路或建筑物加热系统中的一个实例。在示例布局中，按照本发明设备选定实施例的“主”单元90(以泵(图7中未示出)以及相关联的流体收集器箱1完成)用于主要的流体加热和发电目的以通过管道系统93循环加热的流体，以为建筑物B提供热量(或者，以通过伴热通路循环加热的流体，以加热井口或者其它设施)。示例建筑物加热系统还结合了“从”单元92，也可以是按照本发明的任何选定实施例的，但不需要泵或者相关联的流体收集器箱。从单元92产生额外的电能，并且还作为有效的热量交换器以增加循环流体的温度。从单元92还(或者可替选地)可以用来提供主要的或者补充的电能以用于为一个或更多个电池(未示出)充电，以用于起动主单元90或者用于其它期望的目的。在优选实施例中，从单元92将会总体上如图4或图5中所示，但并非必定包括补充热量交换器70。 [0044] 如图7中所示，流体管道系统93向建筑物B中安装的合适散热器元件94(如，已知类型的液体循环翅片基板加热器)提供加热的流体。方向箭头A表明通过管道系统93和散热器94流动的流体的方向。结合到管道/散热器系统中的一个或更多个第二级加热器95可以可选地提供额外热量。第二级加热器95可以是任何合适的类型，包括本发明设备的选定实施例(虽然第二级加热器95将会并非必定需要发电能力)、或者与图3中所示设备的上部100类似的热量交换器/催化加热器组合(即，没有TEG板)。 [0045] 图8示意性示例了用于使用TEG板装备向流体循环泵通电而同时为电池充电的一个可行系统(按照本发明设备的选定实施例)。图8示出了具有从TEG板60去往泵10的流体管道7、并且具有电能输出口线缆82的TEG板装备60。为了清楚和简洁起见，图8中未示出与TEG板60相关联的催化加热器19和其它构件。使用如图8中所示的并行通路，电能输出口线缆82连接到DC(即，直流)转换器或电荷控制器84，而补充电能线缆85从DC转换器84去往蓄电池86的端子(从而为电池86充电)，额外的补充电能线缆87从电池86的端子伸出以向流体循环泵10通电。 [0046] 本发明设备的各种实施例优选地将会结合如下这种热安全开关：与热沉5相关联并且电连接到可操作用以关断向加热器19和20流动的燃料气体(如，天然气或丙烷)的开关。热安全开关将会包括用于感测热沉5温度的温度探针。在热沉5的温度升高到预定温度探针设置以上(由于泵10的故障或者任何其它原因)的情况下，热安全开关将会关断燃料气体供应。本发明的本领域技术人员将会理解，可以使用或者很容易采用各种已知技术提供用于本发明的热安全关断装置。 [0047] 本领域技术人员还将会很容易理解，在不脱离本发明实质概念的情况下可以设计出本发明的各种修改，所有这些修改均落入本发明及其所附权利要求的范围内。应当特别理解，本发明不限于示例实施例，在本发明的工作没有任何实质性结果改变的情况下对要求保护元件或特征的变型进行替换将不会形成脱离本发明的范围。 [0048] 在此专利文件中，以非限制性的方式使用词语“包括”以意指包括随该词语之后的内容，但不排除未具体提及的内容。通过不定冠词“一”对元件的引用不排除可以存在多于一个元件，除非上下文清楚地需要存在一个并且只有一个这种元件。 |
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