基于溫差發電技術設計的一種新型溫差發電系統

梁歡，蒙郝杰，張盼輝，張燁，許外保，武才澤，林珂正，任曉娟，郭文濤

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安，710065；2.西安石油大學經濟管理學院，陜西西安，710065,3.西安航空學院，陜西西安，710089）

0 引言

溫差發電技術,又稱熱電發熱技術,溫差熱發電技術是一種利用高、低溫熱源之間的溫差,采用低沸點工作流體作為循環工質,在朗肯循環( Rankine Cycle,RC)基礎上,用高溫熱源加熱并蒸發循環工質產生的蒸汽推動透平發電的技術[1]。相較于其他各種傳統發電生產方法和技術形式溫差發電系統技術因其自身具有系統結構簡單而又易于人工操作,堅實耐用,無任何人工噪聲,使用壽命長等諸多優點,已在太空、深海無人環境供電、汽車余熱利用等特殊工況進行應用。目前燃料溫差復合發電的主要發展技術推進路線發展途徑比較細化的分為離子同位素燃料溫差復合發電、核反應堆燃料溫差復合發電、烴類堆燃料廢熱溫差復合發電、工業燃料廢熱溫差發電以及基于太陽能陽伏光電-太陽熱電池的復合溫差發電等多種主要技術發展路線,相較國外來說中國對于推進核反應堆燃料溫差復合發電這一方面的技術研究還比較少[2]，在工業廢熱發電領域起步晚，主要集中在理論研究階段，缺乏具體的實際應用。

溫差發電技術雖然已經開始逐漸趨于成熟，但是由于熱電材料以及技術水平的限制，在實際溫差發電裝置應用中，仍存在轉換效率低、發電時間短等問題[3]。針對這一問題目前國內外主要有以下幾個研究方向：尋找溫差發電原材料Bi2Te3的代替品，通過一些設備使溫差發電裝置的冷端和熱端溫差加大，改進熱電模塊[4]，熱電材料Bi2Te3改性等。如盧偉，楊仕清，梁桃華，竇瑤，史衛梅等人提出的通過摻雜、納米化、摻雜與納米化相結合的方法對 Bi2Te3進行改性[5]。Atouei等表明空心矩 形相變儲熱器置于溫差片熱端時，斷開熱源后，能夠延長兩倍的發電時長。Stupar等設計了一種含有相變材料的散熱器，此散熱器可在用電高峰期給電器提供保護，并可降低冷端溫度10～20℃[6]等

目前溫差發電技術在國內外應用前景廣闊，同時因為其清潔虛高的優點溫差發電技術對于緩解溫室效應引起的全球變暖，以及加速推動我國逐漸形成全球最大規模的能源供給體系,建成以煤炭、電力為主體,以石油、天然氣和其他可再生能源全面開發的綠色能源供給格局,促進了國民經濟與社會快速進步具有一定的促進作用。

1 技術原理

溫差發電技術原理主要是指利用高、低溫的熱源相互之間的溫差把熱能轉化為電能而實現的一種全新能源技術。溫差發電芯片(TEG)，也稱溫差發電電池。當溫差發電芯片兩面存在溫差時，p、n型半導體電偶臂同時驅動空穴和電子移動，輸出端會產生電勢差,形成閉合回路時，就會有持續的直流電流輸出。如下圖1所示。塞貝克效應(Seebeck effect)又名第一熱電效應,塞貝克效應(Seebeck effect)是一種泛指在兩種不同的導電性材料組合構成的閉合式回路中,當兩個連接點的溫度不同時,回路中所產生的電勢會使得熱能直接轉變成其他電能。當A和B的兩個相互結合之間位置處的周圍環境溫度平穩且溫度差別明顯,回路中的啟動端子處將自動產生這種溫度的電壓ΔV隨著啟動高溫端、低溫端所產生的溫度差ΔT增大而逐漸減小,同理亦然即

圖1 塞貝克效應原理圖

式中：ΔV為塞貝克電壓；T1為低溫端溫度、T2為高溫 端溫度；αS是兩種不同金屬電導體或半導體A和B的相對 塞貝克參數。

如圖2所示大量的各種熱電變頻轉換單元都是可以按照串聯、并接或者是串并聯相互結合的工作方式進行組合在一起從而構造出一個完整的各種熱電變頻轉換單元模塊[8]，從而實現將溫差轉化為電能的過程。

圖2 熱電轉換單元示意圖

溫差式發電技術是指通過把熱能直接轉換成電能,可以實現對低品位能源的有效綜合利用。由于近年來熱電轉換模塊的生產成本大幅度下降,同時因其所利用的中低溫余熱資源十分豐富并且其成本已經幾近達到了零、加上其運行費用成本也非常低,從而促進了溫差式發電在一些應用領域中的地位和價格,這就允許它們與其他現存的發電模型相比較。目前我國通過采用溫差式發電技術來綜合利用中低溫剩余熱電力資源所存在的一個最為突出的問題就是熱電轉換效率相對較低,提高熱電轉換效率主要包括兩個方法,一種是獲取一種ZT值高的熱電轉化材料,另一種則是對溫差發電系統的結構進行優化。溫差發電技術可以應用于許多領域。溫差發電技術由于其利用的能量來源全部都來自溫差,所以在發電過程中不需要產生化學反應,同時也是一種全固態的能源轉換發電系統。這種溫差發電系統在設計上具有不產生噪聲、不造成環境污染、耐磨損性好、使用壽命長、可靠度高等諸多優勢,因此在工業余熱和廢熱的處理上被人們廣泛的應用。

2 結構設計

本文設計的溫差發電系統由溫差發電芯片，導線,機械臂，黑色散熱片，散熱硅脂墊，蓄電池，外連設備所構成，溫差發電芯片熱端與黑色散熱片連接，溫差發電芯片冷端與散熱硅脂墊黏合并固定于機械臂上，由溫差發電芯片延伸出的導線連接蓄電池進行儲存電。如圖3、4、5，圖3為本溫差發電系統主視圖，圖4為圖1所示溫差發電系統的側視圖，圖5為A處結構放大圖。

圖3 溫差發電系統主視圖

圖4 溫差發電系統側視圖

圖5 A 處放大圖

該溫差發電系統，通過將溫差發電芯片熱端連接黑色散熱片進行吸熱提高溫度，摒棄了原有的通過熱輻射吸收熱量提高溫度的方法，改善了原有的通過單一熱傳導吸收熱量提高溫度的方法，將冷端與散熱硅脂墊黏合，能夠增大在有限的熱冷端溫度下溫差發電芯片兩端溫度差，提高了發電效率。

其次通過將溫差發電組與改裝有伸縮桿的機械臂相連，并且將溫差發電組與機械臂相連，與地面形成45°傾斜角，適應了不同地形，最后通過將溫差發電芯片與蓄電池相連，形成一種溫差發電系統，能夠實現邊發電邊儲存邊利用，不但減少了能量損失,提高了發電效率,而且也使其更加方便使用。如圖6所示，在此基礎上在原有單能發電基礎上于原先溫差發電組背側新添加熱端涂有黑色吸熱層的溫差發電芯片，同時在兩片溫差發電芯片冷端之間加有散熱裝置。通過添加熱端涂有黑色吸熱層的溫差發電芯片，實現了吸收太陽能輻射的熱能與地表熱能的一體化，從而實現雙能發電，進而在溫差捕獲方面最大的限度提高該產品發電效率。同時在兩片芯片的冷端添加并應用散熱裝置，可進一步提高兩片溫差發電芯片在工作時的冷熱端溫差。同原有系統對比，大大提高了熱電效率。

圖6 優選方案圖

圖中：1溫差發電組、2固定裝置、3外連設備、4蓄電池、5連桿（伸縮桿）、6導線、7導線、8導線、9連桿（伸縮桿）、10散熱硅脂墊、11溫差發電芯片、12黑色散熱片、13熱端涂有黑色吸熱層的溫差發電芯片、14散熱裝置。

參見圖3、4,主要構建溫差發電組1與機械伸縮連桿5連接構成。同時此裝置采用雙發電單元同時工作，其主體連接于固定裝置2上并由導線6連接產生關聯。固定裝置2由導線7、導線8與蓄電池4相連接，經由蓄電池4最終與外連設備3連接。當使用該溫差發電裝置時，首先,通過可自適用于多種地形的連桿(伸縮桿)5、9將溫差發電組A調整到最佳捕獲熱量位置，從而使得熱量最大限度經由黑色散熱片12傳導到溫差發電芯片11,同時在散熱硅脂墊10的作用下，使得溫差發電芯片11處于最大溫差狀態下。其次，由溫差發電芯片將所捕獲到的溫差轉化成電能可以通過導線7、導線8儲存于蓄電池4中，最終達到可供外連設備3穩定使用。通過設有黑色散熱片12的溫差發電組A吸收熱量形成溫差，通過導線6、7、8進行運輸送至蓄電池內進行儲存，實現了邊轉化邊儲存邊利用。通過用伸縮桿作為連桿5、9的機械臂進行不同長度及高度的調節適應于各種地形。

3 發電效率及經濟性分析

為進一步驗證實驗裝置的合理性與可行性，我們進行了原設備中的單一溫差發電組與優化設備中的單一溫差發電組間的數據收集實驗，并進行了數據的整理計算與合理外推估計以及經濟性分析。

3.1 發電效率探究

3.1.1 數據收集

此實驗于實驗室環境下通過對溫差發電組以鋁板來隔開恒溫熱源來對其進行加熱從而產生較大溫差，并隨時間t變化而不斷收集各個時間段中冷端溫度T1與熱端溫度T2間的實驗數據，最終進行匯總計算。從而模擬在不同溫差情況下溫差發電組的實際發電效率。

3.1.2 數據計算

通過實驗所收集到的數據信息，結合塞貝克效應電勢差的計算公式：

式中：

T1—冷端溫度

T2—熱端溫度

SA—銅的塞貝克系數

SB—銻化鉍塞貝克系數

V—電勢

且SA與SB此溫度區間中不易隨溫度的變化而變化，上式即可表示成如下形式：

根據實驗溫差條件，測得原設備及優化設備單一溫差發電組的發電數據結果，并通過對得出的實驗數據進行分析，得出當溫差由35.3℃上升到112.7℃時，電壓、電功率整體穩步上升，且兩組設備在此溫差變化下電壓差值由0.48V擴大到1.8V，并且兩組設備的電功率差值也由0.072W擴大到0.736W，由此可見在溫差在一個較小區間變動時，發電效率將有大幅提升。同時將優化設備單一溫差發電組與原設備單一溫差發電組數據對比分別繪制出溫差變化與電壓變化對比圖（圖 7）、溫差變化與電流變化對比圖（圖 8）、溫差變化與發電功率變化對比圖（圖 9）從而更加直觀獲得到優化后的設備的發電優勢：

圖7 溫差變化與電壓變化對比圖

圖8 溫差變化與電流變化對比圖

圖9 溫差變化與發電功率變化對比圖

通過將改進前后的單一溫差發電組做對比，發現功率增幅均在40%左右，且預計在溫差達200℃以上時增幅會突破50%，并且在發電效率上會有一個質的轉變，為了更直觀的體現功率增幅，特繪制了改進前后功率變化趨勢圖（圖10）。

圖10 改進前后功率變化趨勢圖

3.2 經濟性分析

基于溫差發電技術設計的一種溫差發電系統是利用低品位熱能實現電能轉化的裝置。因其研究方向不同于其他發電方式，所以能夠擁有低成本、壽命長、無污染等優點，裝置的經濟性也由此體現。

通過對裝置經濟性進行分析，了解到因目前熱電轉換成本下降且低溫余熱資源豐富、成本可低至不計,所以進一步對制造該裝置成本進行核算，發現集中花費于芯片制造和其他硬件材料上，即后期的銷貨成本；經過對該裝置的構造及原理分析，發現其擁有使用壽命長、免維護的特性，所以設備運行期間的大部分資金消耗僅來源于設備折舊，并且極大地降低裝置的運行成本；在環境治理方面，因該裝置利用新能源環保無污染的特點，所以能省去環境污染處理方面的投入，提高該裝置的經濟效益。

4 結論與展望

由實驗數據可得，實驗環境溫差越大，溫差發電設備所產生的開路電壓越大；且隨著溫差逐步拉大所產生的電壓與電流也逐漸加大，功率也穩步提升，發電情況也趨于穩定。在對設備完成優化后，無論是電壓還是電流在效果提升方面都十分顯著，并且在相同溫差條件下，優化設備同原設備比較，優化后的設備發電效率顯著高于原未有優化的設備。

從整體上看，該溫差發電設備都在較高程度上最大限度利用現實溫差進行發電，將原有較難開發利用的熱差資源又重新利用起來，轉換為可供人們直接利用的電力資源，且具有一定的環保理念。若將該裝置適當擴大化，則亦將產生更高的電源轉化率，從而進一步提升發電效率。

在創新方面，該設備特殊的設計結構使得其可以適用于多種地形。并且其多角度可調節的機械臂設計使得該設備可以任意調整溫差獲取角度，從而可以在一定區域中自由切換至溫差較為巨大的區域進行溫差捕獲。該設備此種機械設計理念極大程度上提高了該設備的靈活多變性，設計方案也十分新穎，具有較高的創新性。

在經濟方面，該裝置項目與區域及所在地互適性較強，對資源利用和環境保護具有重要的價值和意義。后期隨著材料水平的不斷提高，發電效率的不斷提高，逐步促進產品結構、技術結構調整，提升產業層次。在該裝置企業經濟效益持續增長的同時，可以帶動相關產業的發展，熱電行業將會迎來一個高速發展的新時期。

并且從長遠角度來看，在材料與設備跟進的基礎上，可以進一步向海洋領域擴展，利用洋流或海域溫差實現對某些海洋平臺設備進行穩定供電。同時該溫差發電設備可以作為一種新型發電模組搭載到其他設備當中，充當所搭載設備后備閑置電源的供電系統，從而利用所裝載設備工作時所產生的無法利用的散熱余溫來向該設備后備電源進行供電。針對這一領域的開發利用，進而可以擴展到一些電子設備領域，甚至可以進軍國防軍事領域。