新型背景下熱電發(fā)電機(jī)在傳統(tǒng)汽車中的應(yīng)用研究分析

肖忠寶

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031）

1 引言

在制造業(yè)消耗的能源中，約有三分之一是作為大氣或冷卻系統(tǒng)的熱損失。這些排放過程的結(jié)果是效率低下和生產(chǎn)工廠無法利用過剩的能源。這些浪費(fèi)的能量（熱量）估計(jì)超過10夸脫/年（1夸脫= 1015 Btu），相當(dāng)于17.2億桶石油或127天進(jìn)口原油供應(yīng)。這些損失的能量大部分是“低質(zhì)量的”，恢復(fù)起來既不實(shí)用也不經(jīng)濟(jì)。一個部分廢熱，高達(dá)1.8夸脫/年，1被認(rèn)為是機(jī)會進(jìn)行熱回收的能量。正在考慮各種技術(shù)，包括熱電技術(shù)，以恢復(fù)和恢復(fù)將工業(yè)過程中的廢舊能源轉(zhuǎn)化為有用的電能。熱電（TE）技術(shù)于 1821年發(fā)現(xiàn)于半導(dǎo)體固體材料，當(dāng)它產(chǎn)生電流時連接在一起，并承受著跨接點(diǎn)的溫差。這個屬性使產(chǎn)生直流電成為可能，方法是在 TE的一側(cè)施加余熱材料，而另一側(cè)暴露于較低或環(huán)境溫度環(huán)境。TE在1995年以前可用的材料產(chǎn)生了熱電轉(zhuǎn)換效率2%到5%的范圍，并且只在小范圍的應(yīng)用中使用。然而，最近的重大量子阱和納米結(jié)構(gòu)對TE的影響的科學(xué)認(rèn)識的進(jìn)展性能與現(xiàn)代薄層和納米尺度的制造技術(shù)相結(jié)合，為高性能的熱電創(chuàng)造了機(jī)會，先進(jìn)的 TE材料與潛在的轉(zhuǎn)換效率超過 15%。這些先進(jìn)的 TE材料的出現(xiàn)為回收廢熱提供了更高效，更經(jīng)濟(jì)，更可靠的機(jī)會，這些材料相對被動的系統(tǒng)不產(chǎn)生噪音和振動。因此，熱電（TE）產(chǎn)生作為一項(xiàng)有前途的技術(shù)，在汽車工業(yè)領(lǐng)域，通過回收廢氣中的廢熱能量為各種類型的發(fā)動機(jī)減少油耗。

2 熱電發(fā)電機(jī)新興技術(shù)研究進(jìn)展

采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的余熱回收技術(shù)，余熱回收在經(jīng)濟(jì)上是可行的，回收能源的特點(diǎn)是隨時可用。廢熱可以通過與其他材料/液體（如熱量）交換能量來回收能量或轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量（如熱能轉(zhuǎn)換為電）。因此，微納米技術(shù)的進(jìn)步為有效回收余熱的提供新的機(jī)會。確定TEG廢熱回收的關(guān)鍵應(yīng)用程序是確定現(xiàn)有工藝流體之間的熱交換情況。熱電發(fā)電機(jī)（TEGs）的電壓輸出為不僅依賴于TE材料的塞貝克系數(shù)，而且還有安裝在TEGs中TE模塊（TEMs）的溫度差。

在熱電發(fā)電機(jī)中，塞貝克效應(yīng)被用于利用材料對結(jié)之間的電勢將溫差直接轉(zhuǎn)換成電的過程。早在1958年，它就被提議為供電偏遠(yuǎn)地區(qū)提取廢舊石油燈的熱量，用熱電發(fā)電機(jī)為無線電接收器提供電能。還有深空任務(wù)“旅行者”號由放射性同位素提供電能熱電發(fā)電機(jī)（RTGs）。最近，熱電發(fā)電機(jī)（TEGs）已經(jīng)被使用通過人體釋放的熱量來驅(qū)動腕表。熱電器件的微型化是很有前途的，因?yàn)閷σ粋€小的設(shè)備可以集成大量的材料，這導(dǎo)致小溫差實(shí)現(xiàn)高電壓已經(jīng)成為可能。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是整合縮小“宏觀”的Peltier冷卻器。用垂直厚膜技術(shù)制備的熱電偶串聯(lián)連接。還有一個例子就是以BiTe合金為基礎(chǔ)的Peltier發(fā)電機(jī)，這是商業(yè)化的微型版本。在這些元素的生產(chǎn)工藝，每一種材料都是在20mm左右厚度的硅晶片上單獨(dú)由反應(yīng)性離子蝕刻，然后結(jié)合在 1.12 mm2的芯片上，集成了12個熱電偶并提供67 w溫差的輸出功率5 k。

近年來國內(nèi)外學(xué)者，進(jìn)行了一系列研究來確定TEGs的熱回收性能。Cangies等人研究了TEMs冷、熱側(cè)表面溫度的冷卻劑溫度。他們還展示了功率輸出TEG的變化和轉(zhuǎn)換效率是冷卻劑的溫度的變化引起的。Thacher等人報(bào)道了冷卻劑溫度從363下降到303 K熱電模塊轉(zhuǎn)換的效率提高了25%左右，功率輸出沒有任何不良影響。Rezania等人進(jìn)行了冷卻劑流量對TE溫度場的影響調(diào)查，他們發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的冷卻劑流量下，產(chǎn)生的最大凈功率輸出隨TE冷熱的平均溫差增加而增加。Karri等人對最佳的冷卻劑流量進(jìn)行了分析確定，通過考慮需要的泵送功率來計(jì)算TEG的凈功率，以將冷卻劑最大化引入TEG中。

3 高效熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TEGs的能量利用率之前沒有被深入研究過，它決定了整體的功率輸出性能和系統(tǒng)的效率。通過分析能量利用的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對特定環(huán)境下的TEGs發(fā)電的影響，并對產(chǎn)量有一定的影響，很多學(xué)者改進(jìn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置，提高了能源利用效率。為了檢查能量TEGs的利用效率、發(fā)電特性應(yīng)該用幾個因素來徹底檢查。因此，在本研究中，設(shè)計(jì)分析了廢氣能量的流動，為了增加功率，減少排氣道與排氣道之間的傳熱面積，環(huán)境和材料的熱界面，使用具有較高的適應(yīng)性。

一種使熱電發(fā)電機(jī)小型化的替代方法是以薄膜為基礎(chǔ)的熱電偶應(yīng)用于各種傳感器的測量等應(yīng)用紅外輻射、真空、氣體流動或熱通量。HSG-IMIT和Kundo首次采用了這種技術(shù)。n由摻雜單硅和鋁制成的熱電偶集成變成Si膜。類似的設(shè)備最近在中提出了改進(jìn)的隔熱材料。

本文設(shè)計(jì)了一種熱電的設(shè)計(jì)與制造發(fā)電機(jī)用于現(xiàn)代汽車上，具有優(yōu)化的熱流路徑，使最高溫差位于熱電偶之間連接。蜿蜒的熱電偶（n-poly-Si/Al）位于硅晶圓片上，采用薄膜技術(shù)制造實(shí)現(xiàn)高集成度。模塊化的制造過程也位使用其他的材料提供了機(jī)會，如耐蝕合金或自組織超晶格材料，提供優(yōu)越的熱電性能。

圖1 新型熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于在平面內(nèi)和跨平面結(jié)構(gòu)的組合該裝置的設(shè)計(jì)和制作參見圖1。

熱通量引導(dǎo)于襯底平面到平面熱電偶垂直接頭，平面由高導(dǎo)熱導(dǎo)電性的金屬條紋組成。因此，來自周圍區(qū)域的熱通量垂直引入芯片的面積，引導(dǎo)通過熱電偶在一個平面方向，并釋放熱量垂直于底部區(qū)域。這樣的安排保證發(fā)電機(jī)與環(huán)境的熱耦合以及熱電偶上的最高溫度梯度。由于直接相關(guān)的電流和熱通量通過裝置，系統(tǒng)的設(shè)置也可以使用作為直接測量熱流或溫度的傳感器。對所制備的器件進(jìn)行了仿真，其溫度場分布對稱合理，如圖2所示。

圖2 發(fā)電系統(tǒng)的溫度場仿真結(jié)果

模塊A（即熱電偶膜結(jié)構(gòu)）涉及到熱電結(jié)構(gòu)在基板上，基本上是由熱電偶構(gòu)成的沉積在硅晶圓片材料上的曲流矩形，阻隔層SiO2使熱電堆絕緣，以防止電氣短路通過模塊B中制造的熱接觸結(jié)構(gòu)，這樣允許使用各種熱電材料可以沉積在Si襯底上。對于汽車工作環(huán)境的考慮，其工作環(huán)境較為惡劣，由于這個原因，在這項(xiàng)工作中選擇了n摻雜的多晶硅和鋁的環(huán)境可適應(yīng)性。

模塊B（即頂部熱控制器），主要功能為通過熱電頂部的熱連接器將熱量從頂部表面?zhèn)鲗?dǎo)到熱電偶。為此目的，金屬沉積在其中，熱通過絕緣 SU-8光刻膠形成的溝槽，該頂部的大面積用作設(shè)備的熱接觸墊。

在模塊C（即底部熱控制器）中，P-N結(jié)與其絕熱襯底通過背面DRIE工藝穿過襯底，這樣發(fā)電機(jī)的冷側(cè)冷端與底部熱端連接。第二個晶片粘合到背面實(shí)現(xiàn)良好的熱接觸并避免空洞污染。

這樣設(shè)計(jì)的熱電發(fā)電系統(tǒng)（p-Bi0.5Sb1.5Te3和n-Bi0.87Sb0.13）實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：在某家用車輛中應(yīng)用，其輸出電壓9.51 mvk-1，這個值相比其他現(xiàn)有的基于薄膜的設(shè)備，其性能更加優(yōu)良。

4 結(jié)果

綜上，本論文中，以方式制作薄膜提出了一種新穎的熱電發(fā)電機(jī)。其被分成三個模塊，第一個模塊涉及到在薄膜技術(shù)中沉積的熱電結(jié)構(gòu)，第二和第三模塊包括產(chǎn)生高導(dǎo)熱的平面內(nèi)結(jié)構(gòu)所必需的溫度梯度，而熱流是垂直的（跨平面）通過設(shè)備。這樣，同時實(shí)現(xiàn)了高集成度熱電偶和熱接觸面積的最大，可為汽車行業(yè)的熱電發(fā)電及余熱利用提供參考。