熱管式溫差發(fā)電研究綜述

丁奕文 陳舜嘉 張程賓*

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，能源短缺問題帶來的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)重，余熱利用作為對(duì)廢熱進(jìn)行二次利用的一種技術(shù)，能夠有效提高能源的使用效率，受到了廣泛關(guān)注[1]。基于熱電材料塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電技術(shù)，可以有效地利用低溫余熱，將低品位熱能轉(zhuǎn)換為電能[2]。溫差發(fā)電是一種全固態(tài)的能量轉(zhuǎn)換形式，具有無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，無噪聲，體積小，安裝使用簡便和無污染物排放等特征[3]，在余熱回收利用[4-7]，航空航天[8]，太陽能發(fā)電[9-11]以及建筑節(jié)能[12]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。低品位熱源形式多樣，熱管作為一種基于蒸發(fā)冷凝相變傳熱原理的高性能傳熱器件[13-16]，具有優(yōu)越的傳熱性能。將熱管制成溫差發(fā)電系統(tǒng)中的換熱器，可以降低熱量損失并提升溫差發(fā)電效率[17]。目前，國內(nèi)外對(duì)熱管溫差發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了大量的理論與實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一系列研究成果，本文總結(jié)了近期各種類型熱管在溫差發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究并分析了其發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)其今后的發(fā)展方向做出展望。

1 毛細(xì)熱管在溫差發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用

目前提高溫差發(fā)電器性能主要有下列兩種途徑：溫差發(fā)電材料制備和溫差發(fā)電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。溫差發(fā)電材料制備的目的是尋找高優(yōu)值（ZT）的熱電材料，優(yōu)值是一個(gè)評(píng)判溫差發(fā)電材料性能指標(biāo)的無量綱量，優(yōu)值越高，溫差發(fā)電材料的性能越好，發(fā)電效率越高[18]。Zhang等人[19]制造了一種高效率納米結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電材料，該材料的發(fā)電密度為2.1W/cm2，效率為5.3%。Dharmaiah等人[20]優(yōu)化了熱電材料燒結(jié)過程中粉末尺寸和氧含量，使得塞貝克效應(yīng)提升了52%，在350K時(shí)優(yōu)值達(dá)到1.23。在2014年Zhao等人[21]通過降低熱導(dǎo)率等方法，制備出的SnSe熱電材料，優(yōu)值約為2.62，是目前優(yōu)值最高的材料。通過改變溫差發(fā)電器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)也能提升性能，Niu等人[22]發(fā)現(xiàn)，在溫差發(fā)電材料體積相同的情況下，將傳統(tǒng)的長方體結(jié)構(gòu)改為六面體結(jié)構(gòu)，可以顯著地提高輸出功率。Zhang等人[23]設(shè)計(jì)了一種用于尋找分段溫差發(fā)電器長度比的方法，這種方法可以提高輸出功率和溫差發(fā)電效率。Chen等人[24]通過多目標(biāo)優(yōu)化（multi objective genetic algorithm）方法對(duì)溫差發(fā)電器內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并利用數(shù)值模擬研究了改進(jìn)后的溫差發(fā)電器的性能，采用毛細(xì)熱管作為熱源收集廢熱，毛細(xì)熱管利用毛細(xì)力作為驅(qū)動(dòng)力[25]，導(dǎo)熱性能優(yōu)越，熱流密度可以達(dá)到20000W/m2。最終發(fā)現(xiàn)在熱流密度一定的情況下，溫差發(fā)電材料長度越長，輸出功率和效率越大。在溫差一定的情況下，溫差發(fā)電材料長度越短輸出功率越大，這一發(fā)現(xiàn)為提升溫差發(fā)電器的性能有著重大幫助。

傳統(tǒng)的溫差發(fā)電研究沒有考慮回收溫差發(fā)電器冷端的熱量并進(jìn)行再利用，為此Remeli等人[26-27]設(shè)計(jì)了一種將毛細(xì)熱管和溫差發(fā)電器相結(jié)合的新型余熱回收利用發(fā)電裝置，如圖1[27]所示，選用毛細(xì)熱管主要是利用了毛細(xì)熱管導(dǎo)熱性好的特性以及可以逆重力傳熱。該裝置使用了8塊碲化鉍材料的溫差發(fā)電器，使用的熱管是日本Fujikura公司制造的毛細(xì)熱管，該熱管內(nèi)部有75組0.075mm深的凹槽，凹槽內(nèi)充滿了600根銅制吸液芯，熱管的工質(zhì)為水。為了探究該系統(tǒng)在不同工況下的性能，Remel等人首先進(jìn)行了理論建模，通過理論模型來初步估計(jì)該系統(tǒng)的性能，減少了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)備工作，接著通過實(shí)驗(yàn)研究了溫差發(fā)電器的熱特性和電特性，并將實(shí)驗(yàn)中獲得的參數(shù)用在理論模型中，用于確定該余熱回收溫差發(fā)電系統(tǒng)的最佳性能參數(shù)。最終建模結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠在2kW的廢熱中回收1.345kW的熱量并發(fā)出10.39W電能，證明該溫差發(fā)電系統(tǒng)是一種有效的能量回收的方式。

圖1 熱管聯(lián)合溫差發(fā)電實(shí)驗(yàn)圖

Kim等人[28]使用10根毛細(xì)熱管將熱量從汽車排氣管狹小的空間導(dǎo)出到外部大空間進(jìn)行溫差發(fā)電。該熱管材質(zhì)為銅，內(nèi)徑為20mm，工質(zhì)為水，具有很好的導(dǎo)熱性，在不需要泵的情況下，能夠?qū)⒋罅康臒醾鬟f到指定位置。該裝置的結(jié)構(gòu)如圖2[28]所示，熱管的蒸發(fā)段插在排氣管中，將尾氣的熱量帶到冷凝段的大面積鋁板上，從而加熱其上的溫差發(fā)電器進(jìn)行發(fā)電，經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)最大發(fā)電功率能達(dá)到350W，此時(shí)溫差發(fā)電器熱端溫度為170℃左右。

圖2 汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)物圖

2 重力熱管在溫差發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用

Orr等人[29]設(shè)計(jì)了一套汽車尾氣溫差發(fā)電裝置，如圖3[29]所示，該裝置中使用了銅水熱管和萘熱管，都是采用重力作為驅(qū)動(dòng)力[30]。銅水熱管的作用是將尾氣的熱量高效地傳遞到溫差發(fā)電器上，萘熱管則是作為一個(gè)熱開關(guān)對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。萘熱管的工作溫度區(qū)間是250℃至450℃，當(dāng)溫度低于250℃時(shí)，萘熱管不工作，當(dāng)尾氣溫度高于250℃時(shí)，萘熱管作為保護(hù)裝置開始工作，將多余的煙氣的熱量導(dǎo)出，降低尾氣溫度，防止高溫尾氣燒毀溫差發(fā)電器。該系統(tǒng)使用了8個(gè)75mm×75mm的溫差發(fā)電器，最大能夠產(chǎn)生54W的電能。

圖3 使用萘熱管的汽車尾氣溫差發(fā)電裝置

Kim等人[31]設(shè)計(jì)了一種利用客車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的溫差發(fā)電裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖4[31]所示，溫差發(fā)電器的熱端與一個(gè)金屬空腔板相接觸，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水在金屬空腔板中充分流動(dòng)，進(jìn)行熱量的傳遞，溫差發(fā)電器的冷端連接有金屬板，金屬板中插有128根重力熱管，利用熱管導(dǎo)熱性能好的特性，將溫差發(fā)電器冷端的熱量帶走，最終通過重力熱管冷凝段上的散熱器將熱量傳遞到空氣中。在車速為80km/h時(shí)，溫差發(fā)電器最大發(fā)電功率為75W，溫差發(fā)電器的效率為2.1%，整個(gè)溫差發(fā)電裝置對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水余熱的使用效率為0.3%。該余熱回收溫差發(fā)電裝置有著良好的余熱回收效果和散熱效果，可以替代傳統(tǒng)的汽車散熱器。

圖4 熱管和溫差發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

鹽梯度太陽池是一種收集太陽能的集熱器和儲(chǔ)熱器，池水吸收太陽輻射溫度升高，上層池水的熱量通過對(duì)流傳熱和輻射傳熱散失到外界空氣中，下層池水不與外界空氣產(chǎn)生對(duì)流傳熱，因此能夠?qū)⑻栞椛涞臒崃績?chǔ)存下來。下層池水儲(chǔ)存了較多的熱量，溫度升高，鹽的溶解度增大，使得這部分水密度增大，不會(huì)發(fā)生像普通水池中由于密度差形成對(duì)流，這樣鹽梯度太陽池能夠?qū)⑻柲茏鳛闊崮苁占?chǔ)存很長時(shí)間。在鹽梯度太陽池中，上下溫差能夠達(dá)到40-60℃[32]。Singh等人[33]設(shè)計(jì)了一種鹽梯度太陽池發(fā)電裝置，如圖5[33]所示，利用重力熱管，將下層高溫池水的熱量導(dǎo)入水池上部，和上層低溫池水形成溫差，進(jìn)行溫差發(fā)電。該裝置包含了16個(gè)溫差發(fā)電器，在27℃的溫差下，能夠產(chǎn)生3.7W的電能，由于不含任何轉(zhuǎn)動(dòng)部件，能夠在偏遠(yuǎn)的地區(qū)長期運(yùn)行，是一種簡單可靠的發(fā)電系統(tǒng)。

圖5 利用熱管和溫差發(fā)電系統(tǒng)的鹽梯度太陽池原理圖

He等人[34]設(shè)計(jì)了一種太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)，將玻璃材質(zhì)的重力熱管和溫差發(fā)電器相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)加熱水和發(fā)電的功能。溫差發(fā)電器熱端放在熱管的冷凝段，冷端與水槽相連，熱管將太陽能的熱量儲(chǔ)存并傳遞給溫差發(fā)電器進(jìn)行發(fā)電，并將剩余的熱量加熱水，實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的效果。該系統(tǒng)在水溫45℃和太陽能密度大于600W/m2時(shí)，效率大于1%。

3 平板熱管在溫差發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用

Liu等人[35]設(shè)計(jì)了一種針對(duì)大溫差跨度下的兩級(jí)溫差發(fā)電系統(tǒng)，如圖6[35]所示。為了提升兩級(jí)發(fā)電系統(tǒng)的性能，減少兩級(jí)之間的熱阻，利用平板熱管熱擴(kuò)散性好以及溫差小的特性[36]，采用平板熱管作為熱擴(kuò)散器件，將熱管引入第一級(jí)和第二級(jí)溫差發(fā)電裝置中[37]。該系統(tǒng)在熱端溫度為200℃時(shí)能夠發(fā)出250W的電能，系統(tǒng)的效率為5.37%，相比同樣工況下的單級(jí)溫差發(fā)電系統(tǒng)，效率提升了32%。

圖6 兩級(jí)溫差發(fā)電系統(tǒng)原理圖

4 可變導(dǎo)熱管在溫差發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用

可變導(dǎo)熱管的概念最先是由Turner和Bienert在1969年提出的[38]，在可變導(dǎo)熱管冷凝段上方的膨脹罐中充入一些不凝氣體，這些不凝氣體和工質(zhì)氣體是相互分離的，不凝氣體部分處于冷凝段中，使得該部分停止傳熱。當(dāng)工質(zhì)蒸汽壓力變化時(shí)，不凝結(jié)氣體的壓力與工質(zhì)蒸汽的壓力相平衡，從而調(diào)節(jié)冷凝段的工作長度，冷凝段長度的不同意味著對(duì)外散熱能力的不同。在高熱負(fù)荷條件下，熱端吸收熱量變多，工質(zhì)蒸汽壓力變大，擠壓不凝氣體使其占據(jù)長度減小，冷凝段長度變長，向外部釋放更多的熱量。在低熱負(fù)荷條件下，熱端吸收熱量變少，工質(zhì)蒸汽壓力變小，不凝氣體膨脹導(dǎo)致其占據(jù)長度增加，冷凝段長度縮短，熱管向外部傳熱量減小。該熱管通過調(diào)節(jié)不凝結(jié)氣體占據(jù)冷凝管的長度調(diào)節(jié)熱管冷凝段的工作長度，保持熱管工作溫度維持恒定，從而實(shí)現(xiàn)可變導(dǎo)熱和恒溫控制。

目前成熟商用的溫差發(fā)電器材質(zhì)通常為碲化鉍，這種溫差發(fā)電器能夠承受的溫度有限，一般為200℃左右，高于這個(gè)溫度會(huì)導(dǎo)致溫差發(fā)電器燒毀失效。可變導(dǎo)熱管通過控制冷凝段的長度改變傳熱量，從而維持工作溫度保持恒定。通過對(duì)熱管內(nèi)部的壓力進(jìn)行提前設(shè)定，可以獲得想要的工質(zhì)沸騰溫度，從而與相應(yīng)的溫差發(fā)電器進(jìn)行匹配，能夠高效地將熱量降溫傳遞而不降低其品質(zhì)。Brito等人和Martins等人對(duì)可變導(dǎo)熱管進(jìn)行了許多研究[39-43]，研究了使用可變導(dǎo)熱管在盡可能減少能量損失的條件下，對(duì)高溫余熱進(jìn)行降溫利用。除此以外，Brito提出使用可變導(dǎo)熱管改變冷凝段的長度，調(diào)整其上溫差發(fā)電器的工作數(shù)量，在不降低每個(gè)溫差發(fā)電器熱端溫度的情況下，調(diào)整系統(tǒng)的輸出功率。Martin則側(cè)重于調(diào)整可變導(dǎo)熱管內(nèi)工質(zhì)的種類和壓力，如圖7[42]所示，使用了水和導(dǎo)熱姆A作為工質(zhì)并改變其壓力，研究了如何實(shí)現(xiàn)工作溫度的調(diào)整和增大傳熱量，從而提高溫差發(fā)電效率。

圖7 具有20L膨脹罐的可變導(dǎo)熱管和溫差發(fā)電系統(tǒng)原理圖

5 環(huán)路熱管在溫差發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用

環(huán)路熱管能夠在小溫差、長距離的條件下高效地傳遞熱量，通過減小流動(dòng)壓降和增加吸液芯，相比傳統(tǒng)熱管，顯著增加了傳熱距離[44]。Jang等[45]設(shè)計(jì)了一種利用環(huán)路熱管的溫差發(fā)電裝置，如圖8[45]所示，用于對(duì)汽車尾氣中余熱進(jìn)行回收利用。環(huán)路熱管的蒸發(fā)段放置在排氣管道中，環(huán)路熱管的冷凝段插入一些金屬塊中，在金屬塊的表面放置有溫差發(fā)電器，溫差發(fā)電器的冷端由風(fēng)冷進(jìn)行冷卻。環(huán)路熱管可以將熱量進(jìn)行長距離輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)將狹小空間內(nèi)的熱量導(dǎo)出到外部大空間的目標(biāo)，在排氣管中尾氣溫度為170℃的情況下，輸出電壓為1.3V。

圖8 利用環(huán)路熱管的汽車尾氣溫差發(fā)電裝置

6 結(jié)語與展望

熱管是一種利用氣液相變進(jìn)行傳熱的高效傳熱器件，具有極高的導(dǎo)熱率，能夠?qū)崃窟M(jìn)行快速傳遞。此外熱管和溫差發(fā)電器都不具備任何轉(zhuǎn)動(dòng)部件，壽命長可靠性高，兩者結(jié)合，可以形成一種高性能溫差發(fā)電系統(tǒng)。然而目前熱管在溫差發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用大多都不是很深入，大多是采用現(xiàn)成的溫差發(fā)電器和熱管進(jìn)行結(jié)合使用，其溫差發(fā)電性能還存在提升空間。為了解決這些問題，進(jìn)一步提高溫差發(fā)電性能和效率，下一步工作主要是：

1）從理論和實(shí)驗(yàn)方面對(duì)熱管的換熱原理和特性進(jìn)一步研究，尋找并制造適合溫差發(fā)電器工作環(huán)境的熱管，從而提升溫差發(fā)電系統(tǒng)性能。

2）進(jìn)一步優(yōu)化溫差發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)集成度及均溫性，提升溫差發(fā)電系統(tǒng)工作效率和可靠性。

3）針對(duì)不同類型低溫?zé)嵩矗瑥恼麄€(gè)余熱回收系統(tǒng)的層面對(duì)熱管以及溫差發(fā)電器的選型，匹配等方面的研究需要進(jìn)一步開展。

4）進(jìn)一步開展異形熱管如旋轉(zhuǎn)熱管，平板熱管和脈動(dòng)熱管等在溫差發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，拓展溫差發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域。