熱電發(fā)電技術(shù)的研究進(jìn)展

，，，

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

0 引 言

隨著能源價(jià)格的持續(xù)上漲，保護(hù)環(huán)境的意識(shí)不斷增強(qiáng)，提高能源利用效率，使用清潔無污染的新能源已經(jīng)成為了各國科研人員的研究熱點(diǎn)。熱電發(fā)電即是在有溫度差異的環(huán)境下，利用熱電材料的特殊性能，將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，是一種清潔無污染的發(fā)電方式，具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，熱電發(fā)電技術(shù)的研究主要方向是熱電發(fā)電材料的性能提升、熱電發(fā)電的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和相關(guān)的發(fā)電性能參數(shù)的優(yōu)化，并結(jié)合其他的產(chǎn)熱設(shè)備聯(lián)系在一起，分析整體結(jié)構(gòu)的發(fā)電特性。在文獻(xiàn)[1]中，由于熱力學(xué)的不可逆性，通過改變熱電發(fā)電的外部負(fù)載和設(shè)備材料的熱導(dǎo)率等參數(shù)，可以提高熱電發(fā)電裝置的發(fā)電性能。文獻(xiàn)[2]中通過高性能傳熱的材料和強(qiáng)制對(duì)流熱傳遞技術(shù)，優(yōu)化發(fā)電結(jié)構(gòu)，預(yù)測發(fā)電性能并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[3-5]通過結(jié)合太陽能吸熱產(chǎn)生的熱源，通過優(yōu)化熱電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)布置，充分利用太陽能的熱量和冷卻系統(tǒng)的溫差，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在結(jié)合熱電發(fā)電模塊的太陽能產(chǎn)品中，可以更有效的吸收太陽能的熱能。文獻(xiàn)[6]中，研究表明，在熱電發(fā)電裝置內(nèi)部，通過優(yōu)化布置熱電材料內(nèi)部的熱流傳遞的通道布置，可以減少傳遞過程中的熱阻，提高熱電材料的整體發(fā)電性能。

1 熱電發(fā)電的原理及熱電材料

熱電發(fā)電又稱為溫差發(fā)電。熱電效應(yīng)最初是由德國科學(xué)家于1821年發(fā)現(xiàn)的，通常稱為塞貝克效應(yīng)[7]。該效應(yīng)是指由兩種不同材料的半導(dǎo)體構(gòu)成的回路中，兩個(gè)連接端點(diǎn)的溫度不同時(shí)，連接端點(diǎn)間會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，并在回路中有電流。

1.1 工作原理

通過連接不同類型的半導(dǎo)體材料，在連接端形成一個(gè)PN結(jié)，如圖1所示，將PN結(jié)一端放置于熱端，另一端置于冷端，由于材料本身固有的特性，在溫度相同的情況下，通過熱激發(fā)作用，P型材料和N型材料內(nèi)部的電子和空穴對(duì)的濃度發(fā)生變化，形成電動(dòng)勢(shì)。

圖1 熱電發(fā)電的工作原理

1.2 熱電材料

熱電材料是指一種可以將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，具有塞貝克效應(yīng)、帕爾貼效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)[8]。熱電材料在環(huán)境溫度存在差異的條件下，會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。熱電材料通過溫差產(chǎn)生電能可以通過無量綱的熱電優(yōu)值ZT來評(píng)價(jià)。

式中：Z為熱電優(yōu)值系數(shù)；T為絕對(duì)溫度；α為塞貝克系數(shù)；σ為電導(dǎo)率；κ為熱導(dǎo)率[9]。

傳統(tǒng)的熱電材料可以根據(jù)工作溫度劃分為3個(gè)系列：碲化鉍(Bi-Te)及其合金類在300 ℃以下使用的低溫型熱電材料；碲化鉛(Pb-Te)及其合金類在500～700 ℃使用的中溫型熱電材料；鍺硅合金(Si-Ge)類可在1 000 ℃以上工作的高溫型熱電材料。

在文獻(xiàn)[10]中，介紹了(Bi,Sb)2Te3合金通過熔體旋甩(MS)和抗壓燒結(jié)(RPS)技術(shù)結(jié)合，并通過測量分析，表明相對(duì)于傳統(tǒng)的加工方式，RPS技術(shù)產(chǎn)生的熱電材料更適合工業(yè)應(yīng)用。文獻(xiàn)[11]中，通過對(duì)當(dāng)前納米結(jié)構(gòu)熱電材料技術(shù)的研究和討論，并認(rèn)為納米結(jié)構(gòu)的熱電材料具有良好的商業(yè)用途。文獻(xiàn)[12]通過介紹一種最新的潛在的半導(dǎo)體熱電材料，具有較高的塞貝克系數(shù)和極低的導(dǎo)熱率，并在室溫下證實(shí)了新型材料具有良好的熱電性能。

隨著科技的進(jìn)步和材料合成技術(shù)的發(fā)展，熱電材料由傳統(tǒng)的選材目標(biāo)轉(zhuǎn)化為各種新型的新型材料。其中新型的熱電材料主要分為：金屬氧化物熱電材料、Skutterudite熱電材料、金屬硅化物型熱電材料、納米超晶格熱電材料、電子晶體-聲子玻璃熱電材料等。相對(duì)與傳統(tǒng)的熱電材料，新型的熱電材料的ZT值和材料的抗氧化性能方面都具有一定的提升。

2 結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)

熱電發(fā)電主要是用于回收柴油機(jī)，汽油機(jī)等熱機(jī)排放廢氣的熱能，因而在結(jié)構(gòu)布置上，主要是以廢氣管道的布置為依據(jù)，合理的布置熱電偶和換熱器，提高換熱效率，同時(shí)在熱電偶的冷端面布置散熱器，保證熱電發(fā)電組件的持續(xù)有效的工作環(huán)境。并由于熱電發(fā)電模塊的熱轉(zhuǎn)換效率有限，提高設(shè)備效率，減低整體的熱傳導(dǎo)率至關(guān)重要[13]。目前，具有代表性的熱電發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)模型有以下幾種。

2.1 圓筒管道式

由美國HI-Z Technology公司設(shè)計(jì)制造，熱電發(fā)電的發(fā)電組件是一個(gè)圓筒型的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，熱電發(fā)電裝置的換熱器的截面為等邊多邊形管道，在內(nèi)層管道壁上布置縱向的肋片提高換熱效率，同時(shí)將熱電發(fā)電裝置的高溫面布置在換熱器表面，并通過彈簧和螺栓將其固定。熱電發(fā)電裝置的冷卻系統(tǒng)是通過水冷的方式進(jìn)行冷卻，在熱電發(fā)電裝置背面的散熱器中心設(shè)置一個(gè)水冷通道，并將散熱片固定在熱電發(fā)電組件的低溫面。通過管道中心流通的高溫廢氣和冷卻水的溫差，形成電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生電能。

熱電發(fā)電組件中，其中熱電偶采用的半導(dǎo)體合金熱電材料Bi-Te，換熱器的肋片采用的導(dǎo)熱材料是碳鋼，冷卻部分中的導(dǎo)熱材料采用鋁。

圖2 圓筒式管道式截面注：1.蝶形彈簧；2.熱電發(fā)電組件；3.換熱器；4.散熱器；5.冷卻液流通管道；6.固定螺栓；7.框架

2.2 立方箱體式

日本Nissan汽車公司1998年研制了一臺(tái)用于汽車的熱電發(fā)電裝置的樣機(jī)[14]，整個(gè)熱電發(fā)電裝置的組件結(jié)構(gòu)外形為立方體形，如圖3所示，其縱向截面形狀為三個(gè)并列的長方形，中間的長方形為發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放管道，上下排列的兩個(gè)管道為冷卻水流管道，將換熱器布置在尾氣排放管道表面，并在換熱器內(nèi)部布置加強(qiáng)換熱的肋片。熱電偶高溫面則是固定在換熱器的另一端面，低溫面則是直接貼緊冷卻水流管道。在熱電發(fā)電組件中，熱電偶使用的半導(dǎo)體合金材料為Si-Ge，換熱器采用的是SUS304合金材料，冷卻面使用金屬鋁。

圖3 立方箱體式截面

2.3 層疊平板式

美國BSST公司設(shè)計(jì)的多層結(jié)構(gòu)的熱電發(fā)電裝置，即是在熱機(jī)尾氣排放管道外圍，排列布置多層的小型的熱電發(fā)電模塊。同時(shí)在每層的外圍安裝冷卻流體管道，與最內(nèi)層的熱源管道形成溫差環(huán)境。由于每層發(fā)電模塊都是獨(dú)立的，即是可以根據(jù)負(fù)載的需求，調(diào)整熱電模塊的層數(shù)。同時(shí)還可以根據(jù)熱源管道中溫度的分布情況，合理的調(diào)整熱電模塊的布置，提高整體結(jié)構(gòu)的空間利用率。

3 熱電發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

熱電發(fā)電裝置主要是運(yùn)用半導(dǎo)體材料通過溫差將高溫部分的熱能轉(zhuǎn)化為電能，由于高溫端的熱能并不能直接全部與熱電發(fā)電模塊中的熱電偶接觸，無法吸收全部的熱能，因此，需要提高熱電偶高溫面接收的熱量。熱機(jī)排放尾氣管道中的熱量是通過換熱器傳遞到熱電偶的高溫面，在傳遞過程中需要換熱器具有良好的換熱效果，同時(shí)不影響熱機(jī)原本的工作狀態(tài)。提高熱電模塊接收熱量時(shí)，為了獲得更高且穩(wěn)定的電壓和輸出功率，還需要保證熱端溫度低于熱電偶可承受的最高溫度且各熱電發(fā)電模塊接收的熱端溫度分布均勻[15]，使熱電發(fā)電裝置中各模塊的發(fā)電效能相近，提高各模塊在相互串并聯(lián)時(shí)的一致性[16]。提高整個(gè)熱電發(fā)電裝置的工作效率。

3.2 冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

半導(dǎo)體熱電材料轉(zhuǎn)換高溫部分的熱能是需要在溫差的環(huán)境中進(jìn)行，如何布置熱電發(fā)電裝置中熱電偶的散熱系統(tǒng)尤為重要。采用何種冷卻方式和冷卻介質(zhì)需要根據(jù)熱電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行優(yōu)化，確保熱電發(fā)電模塊的工作環(huán)境。

3.3 熱電發(fā)電模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于單個(gè)的熱電發(fā)電模塊輸出功率較小，在實(shí)用過程中，需要將多組熱電發(fā)電模塊按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合連接。在熱電發(fā)電模塊內(nèi)部的電路連接中，當(dāng)各發(fā)電模塊輸出特性相同時(shí)，通過串聯(lián)連接，可以提高熱電發(fā)電裝置的輸出電壓；通過并聯(lián)連接，則可在電壓不變的情況下增加電流的輸出。即是可以根據(jù)用電器的負(fù)載要求，合適的調(diào)整各熱電發(fā)電模塊的連接組合方式，提高熱電發(fā)電裝置的工作效率。但由于在各熱電發(fā)電模塊在發(fā)電過程中并不能保證熱電偶高溫面接收的熱量相同，所以需要在發(fā)電過程中監(jiān)測各熱電發(fā)電模塊的輸出特性，并調(diào)整各模塊間的連接方式，將輸出特性相近的模塊進(jìn)行連接組合，減少不同輸出特性的發(fā)電模塊在連接過程中的連接損失。

4 熱電發(fā)電裝置的仿真研究

在熱電發(fā)電的研究過程中，需要研究熱電發(fā)電模塊的高溫面和低溫面的溫度分布，以及熱電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。但由于直接搭建熱電發(fā)電裝置試驗(yàn)平臺(tái)經(jīng)濟(jì)性缺乏保障，需要對(duì)整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行模擬仿真分析，初步估算熱電發(fā)電裝置的工作性能，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性。

4.1 CFD溫度場模擬分析

CFD是通過將流體中的各個(gè)物理參數(shù)作為計(jì)算空間和時(shí)間內(nèi)的離散點(diǎn)上的初始值，然后通過一定的代數(shù)關(guān)系，采用相應(yīng)的算法，對(duì)整個(gè)流場中的物理參數(shù)進(jìn)行迭代求解。在分析熱電發(fā)電裝置內(nèi)部發(fā)電模塊的溫度場分布過程中，可以通過建立熱電發(fā)電裝置的實(shí)體模型，并對(duì)整個(gè)工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再設(shè)置熱電發(fā)電裝置中熱端的受熱邊界條件，和冷端流體的流動(dòng)參數(shù)，通過采用相應(yīng)的算法模型，迭代計(jì)算出整個(gè)熱電發(fā)電裝置在工作中的溫度分布，并可以根據(jù)溫度分布情況，估算出熱電發(fā)電的輸出特性。

4.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是一種研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的近代數(shù)值計(jì)算方法，模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，模態(tài)參數(shù)一般包括固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等。通過模擬分析計(jì)算，可以獲取整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，并可以評(píng)估裝置結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性[17-19]。在熱電發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)制造中，需要對(duì)熱電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估分析，通過建立有限元模型，設(shè)置熱電發(fā)電裝置中的材料屬性和工作環(huán)境中熱端和冷端的流體流動(dòng)參數(shù)，并進(jìn)行迭代計(jì)算，分析整個(gè)結(jié)構(gòu)在工作中的穩(wěn)定性和可靠性。在基于熱電發(fā)電模塊中的熱電效應(yīng)和傳熱理論，通過動(dòng)態(tài)模擬，分析評(píng)估熱電發(fā)電裝置的工作參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證，符合動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的結(jié)果?？梢愿鶕?jù)動(dòng)態(tài)模型的研究分析熱電發(fā)電裝置的發(fā)電性能[20-22]。

5 結(jié)束語

在解決能源危機(jī)的過程中，如何更加有效的利用能源是目前需要研究的關(guān)鍵。通過對(duì)熱電發(fā)電技術(shù)的研究，可以充分利用一些廢熱中的能量，提高能源的利用效率。針對(duì)國內(nèi)外的熱電技術(shù)研究現(xiàn)狀的分析：提高熱電材料的熱電性能、優(yōu)化熱電模塊的傳熱結(jié)構(gòu)、合理布置熱電發(fā)電組件；運(yùn)用模擬分析軟件，計(jì)算提出優(yōu)化的熱電發(fā)電裝置，減少熱電發(fā)電成本是今后熱電發(fā)電技術(shù)的主要方向。提高熱電發(fā)電裝置的熱轉(zhuǎn)換效率，提高熱電發(fā)電在開發(fā)利用過程中的經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)熱電發(fā)電的發(fā)展應(yīng)用。

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