半導體溫差發電技術在鋁電解槽中的應用研究

闞宗祥(香河東方電子有限公司 065400）

半導體溫差發電技術在鋁電解槽中的應用研究

闞宗祥
(香河東方電子有限公司 065400）

測量鋁電解槽的散熱量、槽壁熱流密度及溫度，對半導體溫差發電技術用于鋁電解槽的可行性進行分析。結合鋁電解槽和半導體溫差發電技術的特點，設計符合鋁電解槽特點的半導體溫差發電裝置，測量發電裝置的功率和效率。測試結果顯示半導體溫差發電技術可用于鋁電解槽余熱發電。

半導體；溫差發電技術；鋁電解槽

0.引言

溫差發電技術是一種將熱能直接轉變為電能的固態能量轉化發電技術，與傳統發電技術相比，溫差發電技術的體積和自重都具有明顯優勢，因而溫差發電裝置的可移動性和便攜性能更好[1]。溫差發電技術的原材料為熱能，無需其他能源，屬于綠色環保發電技術。半導體溫差發電技術是一種基于半導體熱點轉換材料的發電技術，由于半導體溫差發電技術的成本較高，該技術多用于高精尖領域，例如衛星和電力系統[2]。隨著科技的不斷進步，半導體溫差發電技術的應用成本大幅度降低，該技術的應用范圍也越來越廣，并且逐漸用于工業民用領域，本文主要對半導體溫差發電技術在鋁電解槽中的應用進行研究。

1.半導體溫差發電技術應用于鋁電解槽的可行性分析

1.1 鋁電解槽特點

鋁電解槽是進行鋁電解過程的主體設備，隨著鋁電解工藝水平提升，鋁電解槽容量及電流量也在不斷提高，造成單位面積散熱強度提高，鋁電解槽外殼溫度也更高。相關研究報道[3]，150～320kA容量的鋁電解槽，正常運行狀態下鋁電解槽側部溫度在260～400℃。雖然化學能量轉化技術可回收能量，但是回收率低于50%，半數以上余熱未經處理后直接排至大氣內[4]。余熱排向大氣不僅造成能量損失，也容易導致鋁電解槽工作環境的溫度上升，影響鋁電解槽的性能。因此，基于鋁電解槽的熱損失較高問題，有必要使用溫差發電技術回收余熱，提高余熱利用率以及改善車間工作環境。

1.2 鋁電解槽側部散熱量分析

溫差發電技術所用熱能需要滿足一定條件，即熱能屬于低品位熱能。因此將半導體溫差發電技術用于鋁電解槽前，需要對鋁電解槽的熱能進行分析，判斷側部散熱量是否符合低品位熱能要求[5]。本研究根據電解槽總體散熱量判斷電解槽的熱能質量，并采用基于電壓的電解槽散熱量計算公式進行計算，公式：

hb=I(Eb-E△H)…… ①

公式①中Eb=E槽- E母線- E均攤……②

公式①中hb、I、Eb、E△H、分別表示電解槽單位熱量損失、電流強度、熱平衡體系邊界內電解槽的電壓降、當量電壓；公式②中E槽、E母線、E均攤分別表示槽電壓、陰陽極母線壓降、母線均攤電壓。

從公式①可以看到鋁電解槽散熱量主要與電流強度、電壓降和當量電壓有關，且關聯程度不同。在鋁電解槽中，電流和體系電壓屬于固定值，電流和體系電壓與溫度無關。當量電壓屬于變量，溫度變化可引起當量電壓發生變化。

鋁電解槽通過頂部、底部和側部散熱，各個部分的散熱效果與草體結構有關。在穩定運行的電解槽中，各個部位的散熱量相對固定。本文所用鋁電解槽溫裝置主要通過電解槽側部發熱，在鋁電解槽容量范圍內，側部槽殼散熱量占總散熱量的20%～27%，符合溫差發電技術對散熱量的要求。

1.3 散熱孔溫度計熱流密度分析

溫差發電技術要求溫差符合一定標準，熱量才能轉化為電能。因而需要對鋁電解槽散熱孔溫度和熱流密度進行測試。本文使用紅外測溫儀和熱流儀測試某企業320 kA系列預焙鋁電解槽散熱溫度和熱流密度，并選擇15個散熱孔進行分析。現場結果顯示，15個散熱孔的溫度在301～44℃，熱流密度在6342～9371 W·m-2，符合溫差發電技術對溫差的要求。

1.4 可行性研究

內可轉換熱能3520.8W，輸出電能29.4kW/h，可作為企業照明用電。

2.鋁電解槽余熱溫差發電裝置設計

根據鋁電解槽側部散熱孔的尺寸，將半導體溫差發電裝置分為四個部分：鋁電解槽散熱孔壁、高導熱模塊、溫差發電模塊和冷卻模塊，溫差發電模塊為核心，負責熱能轉化。高溫導熱及冷卻模塊的底座采用鋁片設計，提高導熱系數。模塊周邊使用高效隔熱材料包括，隔熱材料的熱導系數為0.012 W(m·K)，可有效降發電裝置內部熱損效率。電能輸出負載電路及控制裝置采用采用三層框架設計，自上而下分為散熱模塊、裝置框架和導熱模塊，各個轉換裝置串聯若干個溫差發電模塊。

根據發電裝置的內阻及相關測試數據，本實驗條件下發電裝置的輸出功率維持在20 W左右，詳細結果見表1?，F場測試結果顯示，100℃溫差條件下單個熱電轉換裝置可滿足4個5W節能燈穩定工作。對裝置連續測試20h，結果顯示發電裝置運行穩定，未出現異常。

表1 熱電轉換裝置測試結果

3.結語

目前鋁電解槽熱能利用率低，熱損高，不僅帶來環境污染問題，更造成能源浪費，將半導體溫差發電技術用于鋁電解槽中可以降低熱量損失，提高能源利用率，為企業創造經濟效益。但是應用半導體溫發電技術還需要解決成本問題和發電裝置對現場設備的影響，而且本研究結果顯示熱點轉換效率仍不高，還需要熱傳和熱阻入手，提高轉換效率

[1]張韜,周孑民,黃學章,等. 半導體溫差發電技術在鋁電解槽中的應用研究[J].熱科學與技術,2010,01:58-63.

[2]馮平,溫亞東,石俊,等. 淺談溫差發電的模擬實驗及應用前景[J]. 機電信息,2013,21:36-37.

[3]黃學章,張承麗,陳崗,等. 鋁電解槽側壁余熱溫差發電的應用[J]. 電源技術,2013,09:1580-1584.

[4]黃學章,包涵,周孑民,等. 鋁電解槽側壁余熱利用的半導體溫差發電裝置設計[J]. 輕金屬,2011,09:33-37.

[5]周乃君,郭勇,王曉元,等. 鋁電解槽側壁換熱體系的計算建模與應用[J]. 湖南有色金屬,2014,02:49-51.

[6]何為,王世,學. ZT值溫度依存性對溫差發電器熱電性能的影響[J]. 熱科學與技術,2014,03:245-249.

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