熱電發(fā)電技術(shù)的研究進展

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(1.集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室，福建 廈門 361021)

0 引 言

隨著能源價格的持續(xù)上漲，保護環(huán)境的意識不斷增強，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。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)熱設備聯(lián)系在一起，分析整體結(jié)構(gòu)的發(fā)電特性。在文獻[1]中，由于熱力學的不可逆性，通過改變熱電發(fā)電的外部負載和設備材料的熱導率等參數(shù)，可以提高熱電發(fā)電裝置的發(fā)電性能。文獻[2]中通過高性能傳熱的材料和強制對流熱傳遞技術(shù)，優(yōu)化發(fā)電結(jié)構(gòu)，預測發(fā)電性能并通過實驗驗證。文獻[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，并通過實驗驗證，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[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。熱電效應最初是由德國科學家于1821年發(fā)現(xiàn)的，通常稱為塞貝克效應[7]。該效應是指由兩種不同材料的半導體構(gòu)成的回路中，兩個連接端點的溫度不同時，連接端點間會產(chǎn)生電動勢，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體材料，在連接端形成一個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)部的電子和空穴對的濃度發(fā)生變化，形成電動勢。

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、帕爾貼效應和湯姆遜效應[8]。熱電材料在環(huán)境溫度存在差異的條件下，會產(chǎn)生電動勢。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來評價。

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

傳統(tǒng)的熱電材料可以根據(jù)工作溫度劃分為3個系列：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[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)應用。文獻[11]中，通過對當前納米結(jié)構(gòu)熱電材料技術(shù)的研究和討論，并認為納米結(jié)構(gòu)的熱電材料具有良好的商業(yè)用途。文獻[12]通過介紹一種最新的潛在的半導體熱電材料，具有較高的塞貝克系數(shù)和極低的導熱率，并在室溫下證實了新型材料具有良好的熱電性能。

隨著科技的進步和材料合成技術(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

熱電發(fā)電主要是用于回收柴油機，汽油機等熱機排放廢氣的熱能，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，提高設備效率，減低整體的熱傳導率至關(guān)重要[13]。目前，具有代表性的熱電發(fā)電裝置的設計模型有以下幾種。

2.1 圓筒管道式

由美國HI-Z Technology公司設計制造，熱電發(fā)電的發(fā)電組件是一個圓筒型的結(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行冷卻，在熱電發(fā)電裝置背面的散熱器中心設置一個水冷通道，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，形成電動勢，產(chǎn)生電能。

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

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年研制了一臺用于汽車的熱電發(fā)電裝置的樣機[14]，整個熱電發(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并列的長方形，中間的長方形為發(fā)動機尾氣排放管道，上下排列的兩個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公司設計的多層結(jié)構(gòu)的熱電發(fā)電裝置，即是在熱機尾氣排放管道外圍，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)電模塊都是獨立的，即是可以根據(jù)負載的需求，調(diào)整熱電模塊的層數(shù)。同時還可以根據(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)設計與優(yōu)化

熱電發(fā)電裝置主要是運用半導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，同時不影響熱機原本的工作狀態(tài)。提高熱電模塊接收熱量時，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)時的一致性[16]。提高整個熱電發(fā)電裝置的工作效率。

3.2 冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化

半導體熱電材料轉(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)電模塊拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于單個的熱電發(fā)電模塊輸出功率較小，在實用過程中，需要將多組熱電發(fā)電模塊按照一定的拓撲結(jié)構(gòu)組合連接。在熱電發(fā)電模塊內(nèi)部的電路連接中，當各發(fā)電模塊輸出特性相同時，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)電裝置試驗平臺經(jīng)濟性缺乏保障，需要對整個試驗平臺進行模擬仿真分析，初步估算熱電發(fā)電裝置的工作性能，提高試驗的準確性和經(jīng)濟性。

4.1 CFD溫度場模擬分析

CFD是通過將流體中的各個物理參數(shù)作為計算空間和時間內(nèi)的離散點上的初始值，然后通過一定的代數(shù)關(guān)系，采用相應的算法，對整個流場中的物理參數(shù)進行迭代求解。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)電裝置的實體模型，并對整個工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，再設置熱電發(fā)電裝置中熱端的受熱邊界條件，和冷端流體的流動參數(shù)，通過采用相應的算法模型，迭代計算出整個熱電發(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)動力學特性的近代數(shù)值計算方法，模態(tài)是結(jié)構(gòu)的固有振動特性，模態(tài)參數(shù)一般包括固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等。通過模擬分析計算，可以獲取整個裝置結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，并可以評估裝置結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性[17-19]。在熱電發(fā)電裝置的設計制造中，需要對熱電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)進行評估分析，通過建立有限元模型，設置熱電發(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參數(shù)，并進行迭代計算，分析整個結(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和傳熱理論，通過動態(tài)模擬，分析評估熱電發(fā)電裝置的工作參數(shù)，并通過實驗分析驗證，符合動態(tài)響應特性的結(jié)果。可以根據(jù)動態(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；運用模擬分析軟件，計算提出優(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)濟性，促進熱電發(fā)電的發(fā)展應用。

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