基于熱電效應(yīng)的燃?xì)庠铍姶蚧鸸╇娧b置的研究

陳高遠(yuǎn) 高翰林 鞠松林 余文軒 李坤林

摘要：本文主要闡述了一種集成了燃?xì)庥酂峄厥?、溫差發(fā)電、相變蓄熱、傳熱材料等多項(xiàng)技術(shù)，且便于安裝的附加裝置，利用燃?xì)庠畹挠酂岚l(fā)電，來(lái)減少燃?xì)庠铍姶蚧鹧b置的電量和電池消耗。

關(guān)鍵詞：燃?xì)庠睿粶夭畎l(fā)電；熱電效應(yīng)；相變蓄熱；髙導(dǎo)熱材料

中圖分類(lèi)號(hào)：TM913

如今，能源技術(shù)的發(fā)展嚴(yán)重受制于能源的短缺，這一問(wèn)題已經(jīng)十分突出，社會(huì)發(fā)展消耗了大量的化石能源的同時(shí)，還帶來(lái)了大量的環(huán)境污染問(wèn)題。能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)稱(chēng)為各國(guó)不得不面對(duì)的重大社會(huì)問(wèn)題。

隨著科技的日新月異，家用燃?xì)庠钭哌M(jìn)了千家萬(wàn)戶(hù)。但在為日常生活提供方便的同時(shí)，還帶來(lái)了大量的能源浪費(fèi)。國(guó)家發(fā)改委2004年發(fā)布的《節(jié)能中長(zhǎng)期專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》中提出，到2010年，家用燃?xì)庠顭嵝市柽_(dá)到60%～65%.但是，國(guó)家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測(cè)結(jié)果顯示，目前我國(guó)臺(tái)式燃?xì)庠畹臒嵝势毡闉?5%～58%，至于嵌入式燃?xì)庠畹臒嵝势毡槎荚?2%～55%，熱效率超過(guò)60% 的燃?xì)庠罹弑壤坏?%[1]

由此，我們想到是否可以利用燃?xì)庠畹挠酂岚l(fā)電，來(lái)減少燃?xì)庠铍姶蚧鹧b置的電量和電池消耗。為此引進(jìn)溫差發(fā)電的相關(guān)理論。

1 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

（1）溫差發(fā)電技術(shù)。

溫差發(fā)電主要利用熱電效應(yīng)，通過(guò)熱電轉(zhuǎn)換材料實(shí)現(xiàn)電能與熱能之間的轉(zhuǎn)化，熱電轉(zhuǎn)換材料有三個(gè)基本效應(yīng)，即：Seebeck（塞貝克）效應(yīng)、Thomson（湯姆遜）效應(yīng) 、Politer（珀耳帖）效應(yīng)。

溫差發(fā)電技術(shù)是利用溫差電材料的塞貝克效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)換成電能的一種新型 清潔能源技術(shù)，使用溫差發(fā)電技術(shù)的溫差發(fā)電器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)污染， 無(wú)噪聲，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可將低品味的熱能（如工業(yè)廢熱，發(fā)動(dòng)機(jī)余熱等）回收重利 用以提高能源使用效率。

a.塞貝克效應(yīng)。

由兩種不同導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成的閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)保持在不同溫度TI、T2時(shí)，回路中將有電流流過(guò)，此回路稱(chēng)熱電回路，回路中出現(xiàn)的電流稱(chēng)為熱電流，回路中出現(xiàn)的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為塞貝克電動(dòng)勢(shì)，此效應(yīng)稱(chēng)為塞貝克效應(yīng).熱電回路中存在熱電動(dòng)勢(shì)E^B，將回路斷開(kāi)，斷開(kāi)處便出現(xiàn)電勢(shì)差△U=Uab，△U與△T有關(guān)（△T=T1-T2），當(dāng)△T很小時(shí)，△V與△T成正比關(guān)系，b.溫差發(fā)電片結(jié)構(gòu)。

如下圖所示。溫差發(fā)電片由碲化鉍合金制成的n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體，通過(guò)焊錫連接在金屬片上，構(gòu)成一個(gè)回路，外殼用陶瓷保護(hù)，邊緣有些型號(hào)使用硅膠封裝，在回路兩端通過(guò)導(dǎo)線引出電流。當(dāng)有溫差時(shí)，基于賽貝克效應(yīng)，在回路之間就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。

（2）髙導(dǎo)熱材料。

在本小組的裝置中主要運(yùn)用了兩種：髙導(dǎo)熱石墨和髙導(dǎo)熱硅膠。

a.髙導(dǎo)熱石墨。

髙導(dǎo)熱石墨是一種全新的導(dǎo)熱散熱材料，利用石墨獨(dú)特的層片狀分子結(jié)構(gòu)，使其組為一種非金屬材料，卻有良好的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，同時(shí)化學(xué)穩(wěn)定性良好，還具有潤(rùn)滑性，良好的可塑性等一些良好的工藝性能。通過(guò)化學(xué)方法高溫高壓下得到的石墨化薄膜，具有獨(dú)特的晶粒取向，可以在平面內(nèi)沿兩個(gè)方向均勻?qū)?，?dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1200W/m·K，是銅的3-4倍。片層狀結(jié)構(gòu)可很好地適應(yīng)任何表面，產(chǎn)品均勻散熱的同時(shí)也在厚度方面提供熱隔離，屏蔽熱源與組件的同時(shí)改進(jìn)消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的性能。因此導(dǎo)熱石墨在電子，通信，照明，航空及國(guó)防軍工等許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

b.髙導(dǎo)熱硅脂。

在散熱時(shí)，溫度較高的熱源需要和散熱的髙導(dǎo)熱石墨緊密接觸，髙導(dǎo)熱石墨的散熱效果才能達(dá)到最佳。但由于加工精度的限制，實(shí)際使用時(shí)熱源和髙導(dǎo)熱石墨之間總會(huì)留有空隙，這些空隙被空氣填充，而空氣卻是熱的不良導(dǎo)體，導(dǎo)熱系數(shù)只有0.024-0.031W/m·K，這就造成了髙導(dǎo)熱石墨良好的導(dǎo)熱性難以發(fā)揮，導(dǎo)熱效率大大降低。而髙導(dǎo)熱硅脂就就是一種高導(dǎo)熱率的界面材料，用于消除見(jiàn)面之間的空隙，排除空氣。高導(dǎo)熱硅脂是一類(lèi)以硅油為基體、導(dǎo)熱粉體為填料（主要是金屬，金屬氧化物，或是石墨，碳化硅等導(dǎo)熱性良好的非金屬粉末），并添加功能助劑，經(jīng)混合研磨加工而成的產(chǎn)品，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)4 W/m·K以上，用以填充熱源于散熱器之間的空隙，可大大提升散熱效率。

c.相變蓄熱。

相變蓄熱是通過(guò)材料的相變來(lái)儲(chǔ)存熱量的理論。當(dāng)晶體材料發(fā)生相變?nèi)缒袒蛞夯瘯?huì)吸收大量的能量并且在此過(guò)程中溫度不會(huì)發(fā)生明顯的變化。這在工業(yè)生產(chǎn)中，是一個(gè)非常有利的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)相變的方式，在工業(yè)中可以比較方便的控制相變體系反應(yīng)的大概溫度和時(shí)間，使系統(tǒng)能保持在一個(gè)較為恒定的溫度。應(yīng)用于溫差發(fā)電裝置時(shí)，可以比較方便的維持溫差發(fā)電片冷熱端的溫度，使溫差發(fā)電片等發(fā)出較為穩(wěn)定的電流，并持續(xù)足夠的時(shí)間。上文在余雪妹等人的研究小組中使用的液浴控溫法在原理上有些相似。液浴控溫法是通過(guò)水的液-氣相變來(lái)散熱，但由于水蒸發(fā)相變?yōu)闅怏w是體積膨脹過(guò)大，難以存放在同一容器內(nèi)，所以并不能持續(xù)的維持溫度。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，應(yīng)用得最多的還是固-液相變蓄熱。通過(guò)選擇合適的相變蓄熱材料，可以把系統(tǒng)的溫度控制在熔點(diǎn)左右。

相變蓄熱在實(shí)際應(yīng)用中還有一個(gè)難題，那就是封裝問(wèn)題。如果使用傳統(tǒng)的封裝方式，封裝的容器比較大，心部難以融化，會(huì)造成儲(chǔ)能效果和恒溫效果下降。但現(xiàn)在可以用高分子材料把相變材料封裝近直徑1-100微米的微膠囊中，使得相變材料在發(fā)生固-液轉(zhuǎn)變時(shí)，材料的外皮仍為固態(tài)，這就大大提高了相變系統(tǒng)的導(dǎo)熱性，擴(kuò)大了相變材料的應(yīng)用范圍。本例中通過(guò)大相變蓄熱微膠囊混合進(jìn)油和水中，可以達(dá)到良好的蓄熱恒溫效果。

本文提供了一種這類(lèi)溫差發(fā)電裝置的利用方向，通過(guò)讓耗能較少的耗能器使用這些較為零碎的能源來(lái)讓諸如溫差發(fā)電，壓力發(fā)電這樣的能源也能真正為節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)，這也可能是未來(lái)這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向之一。

參考文獻(xiàn)：

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[3]鄭宇康.基于溫差發(fā)電技術(shù)的節(jié)能環(huán)保燃?xì)庠畹难兄?中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2016，11（上）：91-92.

[4]范平.柔性薄膜溫差發(fā)電裝置.裝置專(zhuān)利 CN 204614820 U.