基于溫差發(fā)電技術(shù)設(shè)計(jì)的一種新型溫差發(fā)電系統(tǒng)

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(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安，710065；2.西安石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，陜西西安，710065,3.西安航空學(xué)院，陜西西安，710089）

0 引言

溫差發(fā)電技術(shù),又稱熱電發(fā)熱技術(shù),溫差熱發(fā)電技術(shù)是一種利用高、低溫?zé)嵩粗g的溫差,采用低沸點(diǎn)工作流體作為循環(huán)工質(zhì),在朗肯循環(huán)( Rankine Cycle,RC)基礎(chǔ)上,用高溫?zé)嵩醇訜岵⒄舭l(fā)循環(huán)工質(zhì)產(chǎn)生的蒸汽推動(dòng)透平發(fā)電的技術(shù)[1]。相較于其他各種傳統(tǒng)發(fā)電生產(chǎn)方法和技術(shù)形式溫差發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)因其自身具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而又易于人工操作,堅(jiān)實(shí)耐用,無任何人工噪聲,使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn),已在太空、深海無人環(huán)境供電、汽車余熱利用等特殊工況進(jìn)行應(yīng)用。目前燃料溫差復(fù)合發(fā)電的主要發(fā)展技術(shù)推進(jìn)路線發(fā)展途徑比較細(xì)化的分為離子同位素燃料溫差復(fù)合發(fā)電、核反應(yīng)堆燃料溫差復(fù)合發(fā)電、烴類堆燃料廢熱溫差復(fù)合發(fā)電、工業(yè)燃料廢熱溫差發(fā)電以及基于太陽能陽伏光電-太陽熱電池的復(fù)合溫差發(fā)電等多種主要技術(shù)發(fā)展路線,相較國(guó)外來說中國(guó)對(duì)于推進(jìn)核反應(yīng)堆燃料溫差復(fù)合發(fā)電這一方面的技術(shù)研究還比較少[2]，在工業(yè)廢熱發(fā)電領(lǐng)域起步晚，主要集中在理論研究階段，缺乏具體的實(shí)際應(yīng)用。

溫差發(fā)電技術(shù)雖然已經(jīng)開始逐漸趨于成熟，但是由于熱電材料以及技術(shù)水平的限制，在實(shí)際溫差發(fā)電裝置應(yīng)用中，仍存在轉(zhuǎn)換效率低、發(fā)電時(shí)間短等問題[3]。針對(duì)這一問題目前國(guó)內(nèi)外主要有以下幾個(gè)研究方向：尋找溫差發(fā)電原材料Bi2Te3的代替品，通過一些設(shè)備使溫差發(fā)電裝置的冷端和熱端溫差加大，改進(jìn)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(wèi)梅等人提出的通過摻雜、納米化、摻雜與納米化相結(jié)合的方法對(duì) Bi2Te3進(jìn)行改性[5]。Atouei等表明空心矩 形相變儲(chǔ)熱器置于溫差片熱端時(shí)，斷開熱源后，能夠延長(zhǎng)兩倍的發(fā)電時(shí)長(zhǎng)。Stupar等設(shè)計(jì)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(hù)，并可降低冷端溫度10～20℃[6]等

目前溫差發(fā)電技術(shù)在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用前景廣闊，同時(shí)因?yàn)槠淝鍧嵦摳叩膬?yōu)點(diǎn)溫差發(fā)電技術(shù)對(duì)于緩解溫室效應(yīng)引起的全球變暖，以及加速推動(dòng)我國(guó)逐漸形成全球最大規(guī)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(fā)的綠色能源供給格局,促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)快速進(jìn)步具有一定的促進(jìn)作用。

1 技術(shù)原理

溫差發(fā)電技術(shù)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(zhuǎn)化為電能而實(shí)現(xiàn)的一種全新能源技術(shù)。溫差發(fā)電芯片(TEG)，也稱溫差發(fā)電電池。當(dāng)溫差發(fā)電芯片兩面存在溫差時(shí)，p、n型半導(dǎo)體電偶臂同時(shí)驅(qū)動(dòng)空穴和電子移動(dòng)，輸出端會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差,形成閉合回路時(shí)，就會(huì)有持續(xù)的直流電流輸出。如下圖1所示。塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)又名第一熱電效應(yīng),塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)是一種泛指在兩種不同的導(dǎo)電性材料組合構(gòu)成的閉合式回路中,當(dāng)兩個(gè)連接點(diǎn)的溫度不同時(shí),回路中所產(chǎn)生的電勢(shì)會(huì)使得熱能直接轉(zhuǎn)變成其他電能。當(dāng)A和B的兩個(gè)相互結(jié)合之間位置處的周圍環(huán)境溫度平穩(wěn)且溫度差別明顯,回路中的啟動(dòng)端子處將自動(dòng)產(chǎn)生這種溫度的電壓ΔV隨著啟動(dòng)高溫端、低溫端所產(chǎn)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(yīng)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(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B的相對(duì) 塞貝克參數(shù)。

如圖2所示大量的各種熱電變頻轉(zhuǎn)換單元都是可以按照串聯(lián)、并接或者是串并聯(lián)相互結(jié)合的工作方式進(jìn)行組合在一起從而構(gòu)造出一個(gè)完整的各種熱電變頻轉(zhuǎn)換單元模塊[8]，從而實(shí)現(xiàn)將溫差轉(zhuǎn)化為電能的過程。

圖2 熱電轉(zhuǎn)換單元示意圖

溫差式發(fā)電技術(shù)是指通過把熱能直接轉(zhuǎn)換成電能,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低品位能源的有效綜合利用。由于近年來熱電轉(zhuǎn)換模塊的生產(chǎn)成本大幅度下降,同時(shí)因其所利用的中低溫余熱資源十分豐富并且其成本已經(jīng)幾近達(dá)到了零、加上其運(yùn)行費(fèi)用成本也非常低,從而促進(jìn)了溫差式發(fā)電在一些應(yīng)用領(lǐng)域中的地位和價(jià)格,這就允許它們與其他現(xiàn)存的發(fā)電模型相比較。目前我國(guó)通過采用溫差式發(fā)電技術(shù)來綜合利用中低溫剩余熱電力資源所存在的一個(gè)最為突出的問題就是熱電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低,提高熱電轉(zhuǎn)換效率主要包括兩個(gè)方法,一種是獲取一種ZT值高的熱電轉(zhuǎn)化材料,另一種則是對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。溫差發(fā)電技術(shù)可以應(yīng)用于許多領(lǐng)域。溫差發(fā)電技術(shù)由于其利用的能量來源全部都來自溫差,所以在發(fā)電過程中不需要產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),同時(shí)也是一種全固態(tài)的能源轉(zhuǎn)換發(fā)電系統(tǒng)。這種溫差發(fā)電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上具有不產(chǎn)生噪聲、不造成環(huán)境污染、耐磨損性好、使用壽命長(zhǎng)、可靠度高等諸多優(yōu)勢(shì),因此在工業(yè)余熱和廢熱的處理上被人們廣泛的應(yīng)用。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的溫差發(fā)電系統(tǒng)由溫差發(fā)電芯片，導(dǎo)線,機(jī)械臂，黑色散熱片，散熱硅脂墊，蓄電池，外連設(shè)備所構(gòu)成，溫差發(fā)電芯片熱端與黑色散熱片連接，溫差發(fā)電芯片冷端與散熱硅脂墊黏合并固定于機(jī)械臂上，由溫差發(fā)電芯片延伸出的導(dǎo)線連接蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)存電。如圖3、4、5，圖3為本溫差發(fā)電系統(tǒng)主視圖，圖4為圖1所示溫差發(fā)電系統(tǒng)的側(cè)視圖，圖5為A處結(jié)構(gòu)放大圖。

圖3 溫差發(fā)電系統(tǒng)主視圖

圖4 溫差發(fā)電系統(tǒng)側(cè)視圖

圖5 A 處放大圖

該溫差發(fā)電系統(tǒng)，通過將溫差發(fā)電芯片熱端連接黑色散熱片進(jìn)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(dǎo)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(fā)電芯片兩端溫度差，提高了發(fā)電效率。

其次通過將溫差發(fā)電組與改裝有伸縮桿的機(jī)械臂相連，并且將溫差發(fā)電組與機(jī)械臂相連，與地面形成45°傾斜角，適應(yīng)了不同地形，最后通過將溫差發(fā)電芯片與蓄電池相連，形成一種溫差發(fā)電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)邊發(fā)電邊儲(chǔ)存邊利用，不但減少了能量損失,提高了發(fā)電效率,而且也使其更加方便使用。如圖6所示，在此基礎(chǔ)上在原有單能發(fā)電基礎(chǔ)上于原先溫差發(fā)電組背側(cè)新添加熱端涂有黑色吸熱層的溫差發(fā)電芯片，同時(shí)在兩片溫差發(fā)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(fā)電芯片，實(shí)現(xiàn)了吸收太陽能輻射的熱能與地表熱能的一體化，從而實(shí)現(xiàn)雙能發(fā)電，進(jìn)而在溫差捕獲方面最大的限度提高該產(chǎn)品發(fā)電效率。同時(shí)在兩片芯片的冷端添加并應(yīng)用散熱裝置，可進(jìn)一步提高兩片溫差發(fā)電芯片在工作時(shí)的冷熱端溫差。同原有系統(tǒng)對(duì)比，大大提高了熱電效率。

圖6 優(yōu)選方案圖

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

參見圖3、4,主要構(gòu)建溫差發(fā)電組1與機(jī)械伸縮連桿5連接構(gòu)成。同時(shí)此裝置采用雙發(fā)電單元同時(shí)工作，其主體連接于固定裝置2上并由導(dǎo)線6連接產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。固定裝置2由導(dǎo)線7、導(dǎo)線8與蓄電池4相連接，經(jīng)由蓄電池4最終與外連設(shè)備3連接。當(dāng)使用該溫差發(fā)電裝置時(shí)，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(fā)電組A調(diào)整到最佳捕獲熱量位置，從而使得熱量最大限度經(jīng)由黑色散熱片12傳導(dǎo)到溫差發(fā)電芯片11,同時(shí)在散熱硅脂墊10的作用下，使得溫差發(fā)電芯片11處于最大溫差狀態(tài)下。其次，由溫差發(fā)電芯片將所捕獲到的溫差轉(zhuǎn)化成電能可以通過導(dǎo)線7、導(dǎo)線8儲(chǔ)存于蓄電池4中，最終達(dá)到可供外連設(shè)備3穩(wěn)定使用。通過設(shè)有黑色散熱片12的溫差發(fā)電組A吸收熱量形成溫差，通過導(dǎo)線6、7、8進(jìn)行運(yùn)輸送至蓄電池內(nèi)進(jìn)行儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)了邊轉(zhuǎn)化邊儲(chǔ)存邊利用。通過用伸縮桿作為連桿5、9的機(jī)械臂進(jìn)行不同長(zhǎng)度及高度的調(diào)節(jié)適應(yīng)于各種地形。

3 發(fā)電效率及經(jīng)濟(jì)性分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置的合理性與可行性，我們進(jìn)行了原設(shè)備中的單一溫差發(fā)電組與優(yōu)化設(shè)備中的單一溫差發(fā)電組間的數(shù)據(jù)收集實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)的整理計(jì)算與合理外推估計(jì)以及經(jīng)濟(jì)性分析。

3.1 發(fā)電效率探究

3.1.1 數(shù)據(jù)收集

此實(shí)驗(yàn)于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下通過對(duì)溫差發(fā)電組以鋁板來隔開恒溫?zé)嵩磥韺?duì)其進(jìn)行加熱從而產(chǎn)生較大溫差，并隨時(shí)間t變化而不斷收集各個(gè)時(shí)間段中冷端溫度T1與熱端溫度T2間的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終進(jìn)行匯總計(jì)算。從而模擬在不同溫差情況下溫差發(fā)電組的實(shí)際發(fā)電效率。

3.1.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

通過實(shí)驗(yàn)所收集到的數(shù)據(jù)信息，結(jié)合塞貝克效應(yīng)電勢(shì)差的計(jì)算公式：

式中：

T1—冷端溫度

T2—熱端溫度

SA—銅的塞貝克系數(shù)

SB—銻化鉍塞貝克系數(shù)

V—電勢(shì)

且SA與SB此溫度區(qū)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(jù)實(shí)驗(yàn)溫差條件，測(cè)得原設(shè)備及優(yōu)化設(shè)備單一溫差發(fā)電組的發(fā)電數(shù)據(jù)結(jié)果，并通過對(duì)得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出當(dāng)溫差由35.3℃上升到112.7℃時(shí)，電壓、電功率整體穩(wěn)步上升，且兩組設(shè)備在此溫差變化下電壓差值由0.48V擴(kuò)大到1.8V，并且兩組設(shè)備的電功率差值也由0.072W擴(kuò)大到0.736W，由此可見在溫差在一個(gè)較小區(qū)間變動(dòng)時(shí)，發(fā)電效率將有大幅提升。同時(shí)將優(yōu)化設(shè)備單一溫差發(fā)電組與原設(shè)備單一溫差發(fā)電組數(shù)據(jù)對(duì)比分別繪制出溫差變化與電壓變化對(duì)比圖（圖 7）、溫差變化與電流變化對(duì)比圖（圖 8）、溫差變化與發(fā)電功率變化對(duì)比圖（圖 9）從而更加直觀獲得到優(yōu)化后的設(shè)備的發(fā)電優(yōu)勢(shì)：

圖7 溫差變化與電壓變化對(duì)比圖

圖8 溫差變化與電流變化對(duì)比圖

圖9 溫差變化與發(fā)電功率變化對(duì)比圖

通過將改進(jìn)前后的單一溫差發(fā)電組做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)功率增幅均在40%左右，且預(yù)計(jì)在溫差達(dá)200℃以上時(shí)增幅會(huì)突破50%，并且在發(fā)電效率上會(huì)有一個(gè)質(zhì)的轉(zhuǎn)變，為了更直觀的體現(xiàn)功率增幅，特繪制了改進(jìn)前后功率變化趨勢(shì)圖（圖10）。

圖10 改進(jìn)前后功率變化趨勢(shì)圖

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

基于溫差發(fā)電技術(shù)設(shè)計(jì)的一種溫差發(fā)電系統(tǒng)是利用低品位熱能實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化的裝置。因其研究方向不同于其他發(fā)電方式，所以能夠擁有低成本、壽命長(zhǎng)、無污染等優(yōu)點(diǎn)，裝置的經(jīng)濟(jì)性也由此體現(xiàn)。

通過對(duì)裝置經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，了解到因目前熱電轉(zhuǎn)換成本下降且低溫余熱資源豐富、成本可低至不計(jì),所以進(jìn)一步對(duì)制造該裝置成本進(jìn)行核算，發(fā)現(xiàn)集中花費(fèi)于芯片制造和其他硬件材料上，即后期的銷貨成本；經(jīng)過對(duì)該裝置的構(gòu)造及原理分析，發(fā)現(xiàn)其擁有使用壽命長(zhǎng)、免維護(hù)的特性，所以設(shè)備運(yùn)行期間的大部分資金消耗僅來源于設(shè)備折舊，并且極大地降低裝置的運(yùn)行成本；在環(huán)境治理方面，因該裝置利用新能源環(huán)保無污染的特點(diǎn)，所以能省去環(huán)境污染處理方面的投入，提高該裝置的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論與展望

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫差越大，溫差發(fā)電設(shè)備所產(chǎn)生的開路電壓越大；且隨著溫差逐步拉大所產(chǎn)生的電壓與電流也逐漸加大，功率也穩(wěn)步提升，發(fā)電情況也趨于穩(wěn)定。在對(duì)設(shè)備完成優(yōu)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(yōu)化設(shè)備同原設(shè)備比較，優(yōu)化后的設(shè)備發(fā)電效率顯著高于原未有優(yōu)化的設(shè)備。

從整體上看，該溫差發(fā)電設(shè)備都在較高程度上最大限度利用現(xiàn)實(shí)溫差進(jìn)行發(fā)電，將原有較難開發(fā)利用的熱差資源又重新利用起來，轉(zhuǎn)換為可供人們直接利用的電力資源，且具有一定的環(huán)保理念。若將該裝置適當(dāng)擴(kuò)大化，則亦將產(chǎn)生更高的電源轉(zhuǎn)化率，從而進(jìn)一步提升發(fā)電效率。

在創(chuàng)新方面，該設(shè)備特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)使得其可以適用于多種地形。并且其多角度可調(diào)節(jié)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)使得該設(shè)備可以任意調(diào)整溫差獲取角度，從而可以在一定區(qū)域中自由切換至溫差較為巨大的區(qū)域進(jìn)行溫差捕獲。該設(shè)備此種機(jī)械設(shè)計(jì)理念極大程度上提高了該設(shè)備的靈活多變性，設(shè)計(jì)方案也十分新穎，具有較高的創(chuàng)新性。

在經(jīng)濟(jì)方面，該裝置項(xiàng)目與區(qū)域及所在地互適性較強(qiáng)，對(duì)資源利用和環(huán)境保護(hù)具有重要的價(jià)值和意義。后期隨著材料水平的不斷提高，發(fā)電效率的不斷提高，逐步促進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、技術(shù)結(jié)構(gòu)調(diào)整，提升產(chǎn)業(yè)層次。在該裝置企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益持續(xù)增長(zhǎng)的同時(shí)，可以帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，熱電行業(yè)將會(huì)迎來一個(gè)高速發(fā)展的新時(shí)期。

并且從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來看，在材料與設(shè)備跟進(jìn)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步向海洋領(lǐng)域擴(kuò)展，利用洋流或海域溫差實(shí)現(xiàn)對(duì)某些海洋平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定供電。同時(shí)該溫差發(fā)電設(shè)備可以作為一種新型發(fā)電模組搭載到其他設(shè)備當(dāng)中，充當(dāng)所搭載設(shè)備后備閑置電源的供電系統(tǒng)，從而利用所裝載設(shè)備工作時(shí)所產(chǎn)生的無法利用的散熱余溫來向該設(shè)備后備電源進(jìn)行供電。針對(duì)這一領(lǐng)域的開發(fā)利用，進(jìn)而可以擴(kuò)展到一些電子設(shè)備領(lǐng)域，甚至可以進(jìn)軍國(guó)防軍事領(lǐng)域。