高温差六梯度耦合热磁直转发电装置及发电方法

摘要

本发明涉及的是高温差热电形材六梯度耦合热磁直转发电装置及发电方法，其中高温差热电形材六梯度耦合热磁电直转发电装置包括两个以上四梯度耦合高效热电直转发电装置，各个四梯度耦合高效热电直转发电装置通过中间传热装置串联在一起，构成多层级磁控温热电直转发电装置，各层级四梯度耦合高效热电直转发电装置按照温度由高到低分梯度段串联；其中一级梯形热电材料棒两端产生温差，将一级高温端、一级低温端分别连接一级外伸电极和一级外输电联接器。本发明对于超高温大跨度温差的热电直转发电工艺中创新出多梯次分层级不同种类特征的热电材料应用在不同温度区间的梯级热电材料优选匹配组合方法，能最经济、最长寿、最高效地发挥热电转化作用。

说明书

技术领域

本发明涉及热静电发电技术，具体涉及高温差热电形材六梯度耦合热磁直转发电装置及发电方法。

背景技术

目前常用的热能（燃煤、燃油、燃气、地热、生物质及核电等）发电方法是热能给中间液体介质加热升温，产生汽化相变，利用蒸汽的体积膨胀动力驱动汽轮机，再带动发电机发电。

上述热能发电方法工艺复杂、设备繁多庞大、运动设备磨损断裂严重、维修量大、免修期短、运行时率低、厂房设备占地面积大、投资成本大，发电效率及经济效率较低。

近年来，无运动设备、无噪音、占地面积小的热电材料发电技术已有大量研究与实验。但由于提高材料ZT优值的矛盾性要求（既要高导电又要低导热）使材料的ZT优值很难大幅度提高。一般的热电材料的ZT优值不到1，好些的在2左右，高科技的量子点技术能达到约3.5，技术成本很高，也难以达到工业化生产。而且ZT优值的工业化发电的要求水平应在5至10以上。所以仅从材料自身技术很难达到上述ZT优值水平，也难以实现热电直转发电的工业经济要求。

发明内容

本发明的一个目的是提供高温差热电形材六梯度耦合热磁电直转发电装置，这种高温差热电形材六梯度耦合热磁电直转发电装置用于解决目前磁热变电技术的发电效率低的问题，本发明的另一个目的是提供高温差热电形材六梯度耦合热磁电直转发电装置的发电方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种高温差热电形材六梯度耦合热磁电直转发电装置包括两个以上四梯度耦合高效热电直转发电装置，各个四梯度耦合高效热电直转发电装置通过中间传热装置串联在一起，构成多层级磁控温热电直转发电装置，各层级四梯度耦合高效热电直转发电装置按照温度由高到低分梯度段串联；

其中一级热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置包括高温换热器、一级梯形热电材料棒、一级外伸电极、一级外输电联接器、一级梯级（电）磁铁装置、一级外输电路，将一级梯形热电材料棒的一端通过热源和高温换热器对其加热，形成一级高温端，一级梯形热电材料棒的另一端设置一级排出端传热器，使一级梯形热电材料棒两端产生温差，将一级高温端、一级低温端分别连接一级外伸电极和一级外输电联接器，两个一级外输电联接器与一级外输电路连接，一级外伸电极的材料与一级梯形热电材料棒材料为电位异性，

中间各级的热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置包括本级进入端传热器、本级梯形热电材料棒、本级外伸电极、本级外输电联接器、本级梯级（电）磁铁装置、本级外输电路，将本级梯形热电材料棒的一端通过本级进入端传热器对其加热，形成本级高温端，本级梯形热电材料棒的另一端设置本级排出端传热器，使本级梯形热电材料棒两端产生温差，将本级高温端、本级低温端分别连接本级外伸电极和本级外输电联接器，两个本级外输电联接器与本级外输电路连接，本级外伸电极的材料与本级梯形热电材料棒材料为电位异性；

末级热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置包括末级进入端传热器、末级梯形热电材料棒、末级外伸电极、末级外输电联接器、末级梯级（电）磁铁装置、末级外输电路，将末级梯形热电材料棒的一端通过末级进入端传热器对其加热，形成末级高温端，末级梯形热电材料棒的另一端设置冷却器，使末级梯形热电材料棒两端产生温差，将末级高温端、末级低温端分别连接末级外伸电极和末级外输电联接器，两个末级外输电联接器与末级外输电路连接，末级外伸电极的材料与末级梯形热电材料棒材料为电位异性；

自一级梯形热电材料棒至末级梯形热电材料棒，各级梯形热电材料棒耐热温度依次降低，与相应级别的温度相适配；

任意一级的梯形热电材料棒外设置电绝缘层，电绝缘层外设置绝热保温层，梯形热电材料棒从高温端到低温端方向的截面积逐渐变小；梯级(电)磁铁装置横截面为弧形，使梯形热电材棒的周向产生环形磁力线，梯级(电)磁铁装置的轴向切面面积逐渐变小。

上述方案中四梯度耦合高效热电直转发电装置有四个，四个四梯度耦合高效热电直转发电装置通过中间传热装置串联在一起，构成四层级磁控温热电直转发电装置，一级四梯度耦合高效热电直转发电装置中超高温热源通过插入式换热器片对一级梯形热电材料棒一端加热，一级梯形热电材料棒为梯形超高温热电材料棒，一级梯级（电）磁铁装置提供的是超高强外磁场；一级排出端传热器连接二级四梯度耦合高效热电直转发电装置中的二级进入端传热器，二级进入端传热器对二级梯形热电材料棒一端见加热，二级梯形热电材料棒为梯形高温热电材料棒，二级梯级（电）磁铁装置提供的是高强外磁场；二级排出端传热器连接三级四梯度耦合高效热电直转发电装置中的三级进入端传热器，三级进入端传热器对三级梯形热电材料棒一端加热，三级梯形热电材料棒为梯形中温热电材料棒，三级梯级（电）磁铁装置提供的是中强外磁场；三级排出端传热器连接四级四梯度耦合高效热电直转发电装置中的四级进入端传热器，四级进入端传热器对四级梯形热电材料棒一端加热，四级梯形热电材料棒为梯形低温热电材料棒，四级梯级（电）磁铁装置提供的是低强外磁场，四级梯形热电材料棒另一端设置插入式冷却器片。各形材及参数强度的梯级变化是为了材料性能与参数强度之间及各种参数之间优化匹配，节约材料，提高效能。

上述高温差热电形材六梯度耦合热磁电直转发电装置的发电方法：

一级四梯度耦合高效热电直转发电装置中，超高温热源经插入式换热器片传热进入一级梯形热电材料棒，在一级梯形温度场及一级梯形超高强外磁场互动下，部分热流量转化为跃迁电子流动能量，电流能量被从一级电极外输，未能化成电能的剩余热量经一级排出端传热器及中间传热装置进入二级四梯度耦合高效热电直转发电装置的二级进入端传热器；

二级四梯度耦合高效热电直转发电装置中，二级进入端传热器将传递得到的热流量传热进入与高温相匹配的二级梯形热电材料棒，在二级梯形温度场及二级梯形高强外磁场互动下，部分热流量转化为跃迁电子流动能量，电流能量被从二级电极外输，未能化成电能的剩余热量经二级排出端传热器及中间传热装置进入三级四梯度耦合高效热电直转发电装置的三级进入端传热器；

三级四梯度耦合高效热电直转发电装置中，三级进入端传热器将传递得到的热流量传热进入与中温相匹配的三级梯形热电材料棒，在三级梯形温度场及三级梯形高强外磁场互动下，部分热流量转化为跃迁电子流动能量，电流能量被从三级电极外输，未能化成电能的剩余热量经三级排出端传热器及中间传热装置进入四级四梯度耦合高效热电直转发电装置的四级进入端传热器；

四级四梯度耦合高效热电直转发电装置中，四级进入端传热器将传递得到的热流量传热进入与低温相匹配的四级梯形热电材料棒，在四级梯形温度场及四级梯形高强外磁场互动下，部分热流量转化为跃迁电子流动能量，电流能量被从四级电极外输；

任意一级四梯度耦合高效热电直转发电装置的发电方法：

将某级梯形热电材料棒的一端加热，形成高温热电材料棒，使某级梯形热电材料棒两端产生温差，空间上温度是变化的，存在温度差异，形成温度梯度;

某级梯形热电材料棒两端产生电压，此时沿高温热电材料棒垂直方向施加周向环形外磁场，则在高温热电材料棒垂直方向上得到附加电压，产生霍尔电压现象，提高高温热电材料棒的电动势；对于确定材料的梯形热电材料棒，不同的温度对应不同磁强度的优化匹配，周向环形外磁场沿温度梯度方向也是梯度变化的;

热流量在某级梯形热电材料棒流动过程中不断被转化为电能，热流量从某级梯形热电材料棒高温端向低温端扩散过程中，热量值是逐渐减少的，形成热流量梯度；

某级梯形热电材料棒横截面积自高温端至低温端逐渐变小，形成梯度材料；

由于外加磁场强度与材料温度及材料截面积大小相匹配，磁场强度也设计为梯度分布的；

某级梯形热电材料棒的原子出现不规则混乱振动，当外部环境施加强磁场时，在磁感应力作用下，将强制限制不规则振动原子自身磁矩的混乱状态，从而强制其按一定方向有序排列，形成一定规则的磁畴；外部强磁场强制高温材料的磁化，从而抑制了原子的混乱振动，降低高温热电材料棒温度，即磁消热效应；

某级梯形热电材料棒中的原子及电子在磁场中做往复运动，每一个振动循环都将提高一次电子的能级，当电子能级高到一定程度时，电子将脱离原子核的束缚向低能级环境运行，产生量子化跃迁效应，磁场中所有的原子电子的能级变化均以此类推，形成了电子的定向流动，形成热振动磁增电的量子化现象，也称为热磁共振效应；

涡旋磁力线中的粒子热振动将产生安培电流，而该电流在磁场的作用下又将产生与粒子热振动方向相反的电磁阻力，从而抑制了粒子热振动，形成热阻降温效果；

磁场的强制磁化，使热振动引起的原子及电子磁矩杂乱现象被强制统一到外磁场方向，由原来的升温消磁居里温度现象转变为升磁消热增电的热电效应；

磁化电流的表面效应，某级梯形热电材料棒周围的环形磁力线在高温热电材料棒表面纵向上形成右手法则的磁化电流，磁温差发电电流通过外伸电极向外输电。

以往仅从材料自身成份与结构上较难大幅度提高热电材料的ZT优值，难以解决“高导电低导热”的矛盾需求。而采用内外相互作用的热磁共振效应，可以达到高导电低导热的特殊热电材料要求。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明对于超高温大跨度温差的热电直转发电工艺中创新出多梯次分层级不同种类特征的热电材料应用在不同温度区间的梯级热电材料优选匹配组合方法。此梯级串联方法使得高中低温的热电材料都能最经济、最长寿、最高效地发挥热电转化作用。2、本发明首次提出了多层级分流已转电能的外输工艺，有利于提升下一层级余热的热磁电转化效率。及时移出系统中的反应物，有利于反应的进一步转换。

3、本发明提出的“热磁电效应”正好可实现热阻降温效果及导电增能效果，此项工艺技术从根本上解决了“导电阻热”的矛盾要求。

4、本发明创新实现了“热（流）、温（度）、磁（强）、电（输）、形（状）、材（质）六梯度”耦合高效热磁直转发电新工艺方法。

附图说明

图1是大跨度温差工作温度区间与梯度级热电材料选择优化匹配流程图。

图2是立式多级层（四层）热温磁电形材六梯度耦合高效热直转发电转换塔装置示意图。

图中：1低强外磁场；2中强外磁场；3高强外磁场；4超高强外磁场； 5插入式冷却器片；6梯形低温热电材料棒；7梯形中温热电材料棒；8梯形高温热电材料棒；9梯形超高温热电材料棒；10插入式换热器片，11超高温热源，12绝热保温层，13中间传热装置，14一级排出端传热器，15二级进入端传热器，16一级外伸电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1、图2所示，这种高温差热电形材六梯度耦合热磁电直转发电装置包括四个四梯度耦合高效热电直转发电装置，四个四梯度耦合高效热电直转发电装置通过中间传热装置串联在一起，构成四层级磁控温热电直转发电装置，四层级四梯度耦合高效热电直转发电装置按照温度由高到低分梯度段串联。一级四梯度耦合高效热电直转发电装置中超高温热源11通过插入式换热器片10对一级梯形热电材料棒一端加热，一级梯形热电材料棒为梯形超高温热电材料棒9，一级梯级（电）磁铁装置提供的是超高强外磁场4；一级排出端传热器14连接二级四梯度耦合高效热电直转发电装置中的二级进入端传热器15，二级进入端传热器15对二级梯形热电材料棒一端加热，二级梯形热电材料棒为梯形高温热电材料棒8，二级梯级（电）磁铁装置提供的是高强外磁场3；二级排出端传热器连接三级四梯度耦合高效热电直转发电装置中的三级进入端传热器，三级进入端传热器对三级梯形热电材料棒一端加热，三级梯形热电材料棒为梯形中温热电材料棒7，三级梯级（电）磁铁装置提供的是中强外磁场2；三级排出端传热器连接四级四梯度耦合高效热电直转发电装置中的四级进入端传热器，四级进入端传热器对四级梯形热电材料棒一端加热，四级梯形热电材料棒为梯形低温热电材料棒6，四级梯级（电）磁铁装置提供的是低强外磁场1，四级梯形热电材料棒另一端设置插入式冷却器片5。

其中一级热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置包括高温换热器、一级梯形热电材料棒、一级外伸电极16、一级外输电联接器、一级梯级（电）磁铁装置、一级外输电路，将一级梯形热电材料棒的一端通过热源和高温换热器对其加热，形成一级高温端，一级梯形热电材料棒的另一端设置一级排出端传热器14，使一级梯形热电材料棒两端产生温差，将一级高温端、一级低温端分别连接一级外伸电极16和一级外输电联接器，两个一级外输电联接器与一级外输电路连接，一级外伸电极16的材料与一级梯形热电材料棒材料为电位异性，

二级热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置和三级热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置结构相同，其中二级热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置包括二级进入端传热器15、二级梯形热电材料棒、二级外伸电极、二级外输电联接器、二级梯级（电）磁铁装置、二级外输电路，将二级梯形热电材料棒的一端通过二级进入端传热器15对其加热，形成二级高温端，二级梯形热电材料棒的另一端设置二级排出端传热器，使二级梯形热电材料棒两端产生温差，将二级高温端、二级低温端分别连接二级外伸电极和二级外输电联接器，两个二级外输电联接器与二级外输电路连接，二级外伸电极的材料与二级梯形热电材料棒材料为电位异性。

本实施方式中，末级热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置为四级热温磁形四梯度耦合高效热电直转发电装置，包括四级进入端传热器、四级梯形热电材料棒、四级外伸电极、四级外输电联接器、四级梯级（电）磁铁装置、四级外输电路，将四级梯形热电材料棒的一端通过四级进入端传热器对其加热，形成四级高温端，四级梯形热电材料棒的另一端设置插入式冷却器片5，使四级梯形热电材料棒两端产生温差，将四级高温端、四级低温端分别连接四级外伸电极和四级外输电联接器，两个四级外输电联接器与四级外输电路连接，四级外伸电极的材料与四级梯形热电材料棒材料为电位异性；

各梯形热电材料棒外均设置电绝缘层，防止电流损失及漏电安全防护，电绝缘层外设置绝热保温层12，以防止热量向外散失；外伸电极的材料与梯形热电材料棒材料为电位异性，按照热电材料理论中seebeck第一热电效应，连接主热电材料（棒）的循环电路材料必须与主材料是电位异性，即一个是P型（positive），另一个必须是N型（negative）。既起到“P-N”结的作用又承担电极作用。

梯级电磁铁装置横截面为弧形，使梯形热电材棒的周围向产生环形磁力线，梯级（电）磁铁装置的横截面积逐渐变小，且其与高温端相对应的一端厚度大于其与低温端相对应一端的厚度。长条（电）磁铁的横截面应选用弧形，以使梯形（或锥形）热电材棒的周向产生环形（弧形）磁力线，按照安培环流定律的右手法则，有利于在材料棒上形成温差方向的安培电流。

热源可以选用任何种类的热源：燃煤、燃油、燃气、生物质热、核能热、地热、火山热、温泉余热、工业余热、太阳能热、海水温差及化学热等所有热源，即通用热源发电原则。

高温换热器，在高温端的换热器，通过较高的面容比，把热源热传递给梯形（锥形）热电材料的高温端。

梯形热电材料棒，由于热电的转换，热量值从高温端向低温度过程中其热量值是不恒定的，而是逐渐减少的（减少的热量被转化为电能）。所以若继续使用等径棒材将是一种低效浪费的工况。因此，使用逐渐变小的梯形（或锥形）热电材料棒达到热流量密度等效原则。

高温差热电形材六梯度耦合热磁电直转发电装置的发电方法：

一级四梯度耦合高效热电直转发电装置中，超高温热源11经插入式换热器片10传热进入一级梯形热电材料棒，在一级梯形温度场及一级梯形超高强外磁场互动下，部分热流量转化为跃迁电子流动能量，电流能量从一级电极外输，未能转化成电能的剩余热量经一级排出端传热器14及中间传热装置13进入二级四梯度耦合高效热电直转发电装置的二级进入端传热器15；

二级四梯度耦合高效热电直转发电装置中，二级进入端传热器15将传递得到的热流量传热进入与高温相匹配的二级梯形热电材料棒，在二级梯形温度场及二级梯形高强外磁场互动下，部分热流量转化为跃迁电子流动能量，电流能量被从二级电极外输，未能转化成电能的剩余热量经二级排出端传热器及中间传热装置13进入三级四梯度耦合高效热电直转发电装置的三级进入端传热器；

三级四梯度耦合高效热电直转发电装置中，三级进入端传热器将传递得到的热流量传热进入与中温相匹配的三级梯形热电材料棒，在三级梯形温度场及三级梯形高强外磁场互动下，部分热流量转化为跃迁电子流动能量，电流能量被从三级电极外输，未能化成电能的剩余热量经三级排出端传热器及中间传热装置进入四级四梯度耦合高效热电直转发电装置的四级进入端传热器；

四级四梯度耦合高效热电直转发电装置中，四级进入端传热器将传递得到的热流量传热进入与低温相匹配的四级梯形热电材料棒，在四级梯形温度场及四级梯形高强外磁场互动下，部分热流量转化为跃迁电子流动能量，电流能量被从四级电极外输；

任意一级四梯度耦合高效热电直转发电装置的发电方法：

将某级梯形热电材料棒的一端加热，形成高温热电材料棒，使某级梯形热电材料棒两端产生温差，空间上温度是变化的，存在温度差异，形成温度梯度;

某级梯形热电材料棒两端产生电压，此时沿高温热电材料棒垂直方向施加周向环形外磁场，则在高温热电材料棒垂直方向上得到附加电压，产生霍尔电压现象，提高高温热电材料棒的电动势；对于确定材料的梯形热电材料棒，不同的温度对应不同磁强度的优化匹配，周向环形外磁场沿温度梯度方向也是梯度变化的;

热流量在某级梯形热电材料棒流动过程中不断被转化为电能，热流量从某级梯形热电材料棒高温端向低温端扩散过程中，热量值是逐渐减少的，形成热流量梯度；

某级梯形热电材料棒横截面积自高温端至低温端逐渐变小，形成梯度材料；

由于外加磁场强度与材料温度及材料截面积大小相匹配，磁场强度也设计为梯度分布的；

某级梯形热电材料棒的原子出现不规则混乱振动，当外部环境施加强磁场时，在磁感应力作用下，将限制不规则振动原子自身磁矩的混乱状态，从而强制其按一定方向有序排列，形成一定规则的磁畴；外部强磁场强制高温材料的磁化，从而抑制了原子的混乱振动，降低高温热电材料棒温度，即磁消热效应；

某级梯形热电材料棒中的原子及电子在磁场中做往复运动，每一个振动循环都将提高一次电子的能级，当电子能级高到一定程度时，电子将脱离原子核的束缚向低能级环境运行，产生量子化跃迁效应，磁场中所有的原子电子的能级变化均以此类推，形成了电子的定向流动，形成热振动磁增电的量子化现象，也称为热磁共振效应；

涡旋磁力线中的粒子热振动将产生安培电流，而该电流在磁场的作用下又将产生与粒子热振动方向相反的电磁阻力，从而抑制了粒子热振动，形成热阻降温效果；

磁场的强制磁化，使热振动引起的原子及电子磁矩杂乱现象被强制统一到外磁场方向，由原来的升温消磁居里温度现象转变为升磁消热增电的热电效应；

磁化电流的表面效应，某级梯形热电材料棒周围的环形磁力线在高温热电材料棒表面纵向上形成右手法则的磁化电流，磁温差发电电流通过外伸电极向外输电。

四梯度耦合高效热电直转发电装置热磁电直转的基本原理：

热是微观粒子（分子、原子等）不规则振动的表现，是一种微观振动动力能量。当对其施加强磁场时，将出现下列振动磁电现象：

1、如果外加磁场强度超过其“居里温度”对应的消磁强度，则振动粒子（分子、原子、电子等）在磁矩磁化下将被强制重新排列，原子磁矩及电子磁矩等将形成统一方向的铁磁现象。同时微观粒子的不规则振动现象也受到抑制，材料体的温度也随之下降。这就是“居里温度”效应（热消磁）的逆效应、“磁消热效应”。为热振动能的降温转化成电势能打下基础。

2、涡旋磁场能级跃进效应

电场是位势场，移动一圈回到原点，其电场强度环积分永远为零。而磁场是涡旋场，粒子移动（振动）一圈回到原点后其磁场强度的环积分不为零，即电子的能级提高了，出现热磁共振效应，在不断的热振动中当电子能级超过原子核束缚力时，该电子将脱离原子核而流向低能级区域，出现了电子能级跃进流动现象。为形成电势能的电流流动打下基础。

3、磁化电流效应

周向环形磁场可在材料表层感应出磁化电流，电流方向符合安培环路定律的右手法则。

4、电流磁增压的“霍尔电压”效应

按照seebeck第一热电效应，当金属（或半导体等）材料棒两端存在温差时，由于位置区域能级的差距，将产生电动势而形成电流。

此时若用外磁场对材料棒中的电流施加洛伦兹电磁力，则在材料棒的横向将产生被称为“霍尔电压”的附加电压，这为电动势的提高打下基础。

5、ZT优值的热磁效应

热电材料中最重要得参数之一是较高的ZT优值。几十年来无数科学家进行了大量繁重的研究与实验，但在效果上还没取得明显的突破性成果，ZT优值很难超过3.5，更不用说工业化要求的5以上。分析其主要原因可知，用常规思路大幅提高ZT优值是很难达到的。因为提高ZT优值的条件是一对明显对立矛盾的要求，即热电材料同时具备高导电性及低导热性。因此，仅靠热电材料的内因是难以大幅度提高ZT优值，本发明在材料的外部环境寻找解决方法。

磁可消温阻热、磁可增能增电。因此，很好地同时解决了热电材料的阻热导电性。

综上，热磁直电发电中，材料的温度分布变化数值与外加磁场的分布变化数值必须有一定关联匹配性。可称为“温磁”配性。

1、外加磁场强度应大于该“居里温度”消磁效应所对应的磁场强度，但也不易太大，也应考虑成本及效率问题。

2、因材料棒的热源端温度高，远端温度低，空间上温度是变化的，存在温度差异，形成温度梯度。

3、因对于确定的热电材料，不同的温度对应不同磁强度的优化匹配，所以，外加磁场沿温度梯度方向也应是梯度变化的。这就产生了温磁双梯耦合热电直转新工艺。

4、因热流量在流动过程中不断被转化为电能，其热流量是逐渐变小形成热流量梯度。

5、由于温度梯度、热流梯度、磁场梯度的实现，为了提高热电材料利用率，现要求材料横截面积应逐渐变小，形成梯锥形材料。从而，达到四梯度设计原则。

但若采用一个四梯度耦合高效热电直转发电装置发电存在的问题：不仅温差材料的低温端的温度、热流量、磁强度都比高温端大幅减小。形成（阶梯）梯度参数工况，而且材料的热电性参数与温度的高低相差性大。高温热电材料与低温热电材料在组成成份、结构排列、电热机理、制备方法、制造成本、ZT优值、使用环境及使用寿命等多项性能指标上有很大差异。

因此，本发明采用多级梯度连接工艺，把适合不同温度区间的高、中、低温热电材料组合搭配，形成梯度串联结构，可提高大跨度温差热能的利用率，充分发挥不同温度区间对应热电材料的热电转化率，提高材料的使用寿命，降低系统热电材料的成本。有利于促进热电材料直接发电的方法的工业化及商业化发展。

本发明高、中、低温梯度级热电材料优化匹配方法：

高温环境对热电材料的结构强度、相态变化、应力应变开裂、热胀变形、晶格能级振动、载流子动能变化、材料成分变化、制造工艺及成本等指标都有重大影响。

为了降低材料成本，提高热电材料的直电转化率，可按温度的高低与适配的热电材料科学进行匹配优化。

温料等级匹配矩阵表：

符号含义：

√——代表热电材料种类的选择与其工作温度区间的匹配性好

×——代表热电材料种类的选择与其工作温度区间的匹配性差

由上表看出，只有对角线上匹配关系，既工作环境温度区间与耐温热电材料相对等级的匹配才是优化的匹配。

热电材料的适温性是很重要的性能。比如，热电材料的相态变化就对温度有很高的敏感性。

例如：过渡金属硫化铜体系中。Cu

由此看出，在大跨度温差工作环境中，在不同的温度区间，应选用对应等级的热电材料，才能充分发挥热电材料的功能，延长热电材料的寿命。

因此，本发明形成“热、温、磁、电、形、材六梯度”耦合高效热直转发电装置及方法，六个梯度如下：

参阅图2，本发明一个实施例为：立式多级层（四层）热温磁电形材六梯度耦合高效热直转发电转换塔装置，塔底部设置保温层11，其工作过程如下：

1、第一磁级转换塔超高温工作流程

2、第二级转换塔高温工作流程

剩余热流量进入与高温相匹配的耐高温梯型热电材料棒。

其工作原理及工艺流程与上述1相同，电流能量被及时从第二层级电极外输，形成二级外输电。

3、第三级转换塔中温工作流程

剩余热流量进入与中温相匹配的耐中温梯形热电材料棒。

其工作原理及工艺流程与上述1相同，电流能量被及时从第三层级电极外输，形成三级外输电。

4、第四层级转换塔低温工作流程

剩余热量进入适合低温也能热磁电直转的耐低温梯形热电材料棒中。

其工作原理及工艺流程与上述1相同，电流能量被及时从第四层级电极外输，形成四级外输电。

5、插入式冷却器是小型辅助散热器

它的工作主要有两个，一是交换塔开机工作时可迅速降低出口末端温度，形成较大温差，有利于热电材料中载流子产生与流动，也有利于磁场中电子能级升高后的电子迁跃。二是在系统出现某些问题（比如磁控温不稳定时），该小型冷却器也起到辅助降温作用。

6、因每个层级转换塔输出的电能量存在差异，所以需要配套多电源电能汇集系统。

由于使用多层级磁控温的热电直转方式，最后未转化电能的剩余热量将很少。余热温度基本接近大气环境的温度。基本无废热排放。热电能转化效率较高。