溫差發(fā)電技術的研究進展及現(xiàn)狀-中文翻譯
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溫差發(fā)電技術的研究進展及現(xiàn)狀溫差發(fā)電又叫熱電發(fā)電,是一種綠色環(huán)保的發(fā)電方式。溫差發(fā)電技術具有結構簡單,堅固耐用,無運動部件,無噪聲,使用壽命長等優(yōu)點??梢院侠砝锰柲?、地熱能、工業(yè)余熱廢熱等低品位能源轉化成電能。溫差發(fā)電技術的研究最早開始于 20 世紀 40 年代。由于其顯著的優(yōu)點,溫差發(fā)電在航空、軍事等領域得到了廣泛的應用,美國,前蘇聯(lián)先后研發(fā)了數(shù)千個放射性同位素或核反應堆溫差發(fā)電器用作空問、海洋裝置的電源。隨著化石能源的日趨枯竭,美國、日本、歐盟等發(fā)達國家更加重視溫差發(fā)電技術在民用領域的研究,并取得了長足的進展。國內溫差發(fā)電方面的研究,主要集中在發(fā)電器理論和熱電材料制備方面的研究,旨在為溫差發(fā)電器的優(yōu)化提供理論指導和制備性能優(yōu)良的熱電材料,雖然我國是世界上最大的半導體熱電器件輸出國,但是在溫差發(fā)電器綜合設計和應用方面的研究還很欠缺,因此研究溫差發(fā)電有著非?,F(xiàn)實的意義。本文介紹了溫差發(fā)電技術的原理,回顧了國內外的研究進展及現(xiàn)狀,以常見的商用溫差電組件為例,對溫差發(fā)電中存在的發(fā)電效率低,溫差電組件使用壽命短,可靠性不高等問題進行了分析,并提出了應對策略。隨著熱電材料性能的提高和溫差電組件可靠性的增加,溫差發(fā)電應用前景廣闊。1 工作原理溫差發(fā)電是基于熱電材料的塞貝克效應發(fā)展起來的一種發(fā)電技術,將 P 型和 N型兩種不同類型的熱電材料(P 型是富空穴材料,N 型是富電子材料)一端相連形成一個 PN 結,置于高溫狀態(tài),另一端形成低溫,則由于熱激發(fā)作用,P N)型材料高溫端空穴(電子)濃度高于低溫端,因此在這種濃度梯度的驅動卜,空穴和電子就開始向低溫端擴散,從而形成電動勢,這樣熱電材料就通過高低溫端問的溫差完成了將高溫端輸入的熱能直接轉化成電能的過程。單獨的一個 PN 結,可形成的電動勢很小,而如果將很多這樣的 PN 結串聯(lián)起來,就可以得到足夠高的電壓,成為一個溫差發(fā)電器廠 2 國內外溫差發(fā)電技術的研究進展2.1 國外研究進展自 1821 年 Seebeck 發(fā)現(xiàn)塞貝克效應以來,國外對溫差發(fā)電進行了大量的研究,1947 年,第一臺溫差發(fā)電器問世,效率僅為 1.5%。1953 年,Loffe 院士研究小組成功研制出利用煤油燈、拖拉機熱量作熱源的溫差發(fā)電裝置,在用電困難地區(qū)作小功率電源之用。20 世紀 60 年代,一些具有較好熱電性能的材料,溫差發(fā)電的研究熱潮達到高峰,特別是前蘇聯(lián)和美國,由于國防、軍事等特殊行業(yè)的推動,溫差發(fā)電技術的應用發(fā)展迅速。到 20 世紀 60 年代末,前蘇聯(lián)先后制造了 1 000 多個放射性同位素溫差發(fā)電器(RTG),廣泛用于衛(wèi)星電源、燈塔和導航標識,其平均使用壽命超過 10 年。美國也不甘落后,其開發(fā)的 RTG 最長工作時問已超 30 年。1961 年 6 月美國 SNAP-3A 能源系統(tǒng)投入使用,輸出功率為2.7 W,發(fā)電效率 5.1%。 1977 年發(fā)射的木星、土星探測器上使用的 RTG輸出功率已達到 155 W。20 世紀 80 年代初,美國又完成 500-1 000 W 軍用溫差發(fā)電機的研制,并于 80 年代末正式進入部隊裝備。隨著能源危機和環(huán)境污染的加劇,人們開始關注溫差發(fā)電在廢余熱利用中的價值,很多國家已將發(fā)展溫差電技術列為中長期能源開發(fā)計劃。日本開展了一系列以“固體廢物燃燒能源回收研究計劃”為題的政府計劃,研究用于固體廢物焚燒爐的廢熱發(fā)電技術,將透平機和溫差發(fā)電機結合,實現(xiàn)不同規(guī)模垃圾焚燒熱的最大利用。2003 年 11 月美國能源部宣布資助太平洋西北國家實驗室、密西根技術大學等單位,重點支持他們在高性能熱電材料和應用技術方面的研究,特別是工業(yè)余熱廢熱的利用。近年來,對低品位熱源的利用成為溫差發(fā)電技術研究的大方向。Maneewan 等利用置于屋頂?shù)匿摪逦仗柲芗療嵘郎嘏c環(huán)境之問的溫差發(fā)電,帶動軸流風) L引導屋頂空氣自然對流,從而給屋頂降溫。Rida 等將溫差發(fā)電器熱端與該國一種做飯的火爐外壁連接,冷端置于空氣中,利用爐壁高溫與環(huán)境的溫差來發(fā)電,輸出功率達 4.2W。Hasebe 等利用夏日路面高溫做熱源,熱交換管為集熱器,采用 19 組溫差電組件,在熱管管內液體流速為 0.7 L/min 時,輸出功率 3.6 W Thacher 等在美國能源部和紐約州能源研究開發(fā)權利機構資助下開發(fā)的汽車尾氣余熱發(fā)電系統(tǒng),使用 20 組 HZ-20 溫差電組件,熱電材料為 Bi-Te 基材料,汽車時速 112 km/h 時,最大溫差 174 ,最大輸出功率 255 W, 2006 年,BSST的科學家和 BMW 聯(lián)合宣布,商用的汽車溫差發(fā)電器將于 2013 年投入使用。Douglas 等針對熱源動態(tài)變化情況,設計出多模塊交互回路溫差發(fā)電器,在相同熱源下,輸出功率最大提高 25%。2.2 國內研究進展國內在溫差發(fā)電方面的研究起步相對較晚,主要集中在理論和熱電材料的制備等方面的研究。陳金燦課題組從 20 世紀 80 年代開始對溫差發(fā)電器的基礎理論進行研究,對溫差發(fā)電器的性能進行優(yōu)化分析,得到很多有意義的成果no。屈健等李玉東等提出從火用的角度對低溫差下發(fā)電器的工作性能進行分析。賈磊等提出低溫及大溫差工況下湯姆遜熱對輸出功率的影響不可忽略的觀點。賈陽等建立溫差發(fā)電器熱電禍合分析模型,以數(shù)值計算的方法分析了熱電材料物性參數(shù)及其變化對發(fā)電器工作特性的影響,得出結論,材料的導熱系數(shù)、電阻率及塞貝克系數(shù)對發(fā)電器轉換效率的影響均為非線性,其中導熱系數(shù)的影響最明顯。德鵬等分析了溫差發(fā)電器的熱環(huán)境、回路中負載電阻等參數(shù)及溫差電單體對的連接方式對發(fā)電器工作性能的影響,得出提高溫差發(fā)電器熱端加熱熱流或增加冷端的換熱系數(shù)均能提高發(fā)電器的輸出功率及熱電轉換效率的結論。蘇景芳研究了系統(tǒng)與環(huán)境,系統(tǒng)與系統(tǒng)之問的熱流關系,對系統(tǒng)的性能特性作出優(yōu)化,建立溫差發(fā)電器優(yōu)化設計模型,同時以 VB 6.0(Mi-crosoft Visual Basic 6.0)語言作為開發(fā)工具,ActiveX 數(shù)據(jù)對象訪問數(shù)據(jù)庫,編寫了溫差發(fā)電器設計軟件。錢衛(wèi)強通過對低品位熱源半導體小溫差發(fā)電器性能的研究,總結了電動勢、內阻及輸功率等參數(shù)隨外電路、溫度、發(fā)電組件幾何尺寸等因素的變化規(guī)律,另外研究了串、并聯(lián)情況下溫差電組件的性能。李偉江從非平衡熱力學角度出發(fā),建立單層多電偶發(fā)電器在低溫差下穩(wěn)定工作的模型。研究溫差發(fā)電器在內部結構和外部換熱條件變化情況下的運行規(guī)律,與實驗相結合,得出最佳匹配系數(shù)下,輸出功率和發(fā)電效率均隨最大溫差近似呈線性變化,同時指出解決發(fā)電效率低的問題根本上依靠的是材料性能的改善。剛現(xiàn)東理論分析和實驗研究相結合,通過模擬坦克排氣筒附近區(qū)域制冷狀況,由降溫情況評估紅外隱身效果,得出以坦克尾氣余熱為熱源將溫差電技術應用于坦克紅外隱身完全可行的結論。3.1 發(fā)電效率目前,溫差發(fā)電的效率一般為 5%-7%,遠低于火力發(fā)電的 40%。最主要的原因是熱電材料性能不理想,另一方面是發(fā)電器的匹配問題廠。3.1.1 熱電材料的限制熱電材料作為熱電器件的核心部分,性能的好壞直接決定器件效能的優(yōu)劣。優(yōu)值 ZT 是衡量熱電材料性能最重要的參數(shù)。ZT 值越高,材料的熱電性能越好,能量轉換效率越高。Bi 2T3;室溫下 ZT 值 1 左右,是使用最廣泛的熱電材料。但是以;Bi 2T3材料制作的溫差發(fā)電器發(fā)電效率依然低于 10。如果能把材料的 ZT值提高到 3 左右,溫差發(fā)電將可以與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相媲美。為此,人們積極尋找和開發(fā)具有較高優(yōu)值的新型熱電材料,目前的研究熱點有:鉆基氧化物熱電材料、準晶體材料、超晶格薄膜熱電材料、納米熱電材料等。Terasaki 等首次發(fā)現(xiàn) NaCo2O4單晶在室溫卜具有較高的 Seebeck 系數(shù),較低的電阻率和較低的熱導率,為此引起人們的關注,但是 NaCo2O4在空氣中易潮解且超過 1 073 K 時易揮發(fā),所以人們把目光轉向另一種鉆基氧化物 Ca-Co-O 系。Funahashi 的研究預測:Ca 2Co2O5在 T873 K 時,ZT=1.2 一 2.7。準晶體熱電材料 1984 年由Shechtman 等首次發(fā)現(xiàn),近年來引起關注。這種材料熱力學穩(wěn)定性好,電阻率高,具有負的導熱系數(shù),故導電性能好,導熱性能低。有研究預言室溫下可得到 ZT=1.6 的準晶體熱電材料。超晶格是由兩種材料的半導體單晶薄膜周期性交替生長形成的多層異質結構,每層薄膜含幾個以至幾一個原子層。由于這種特殊結構,半導體超晶格中的電子(或空穴)能量將出現(xiàn)新的量子化,進而引起態(tài)密度的提高,因此超晶格材料具有許多新的特性。Venkatasubramanian 等采用金屬有機化合物氣相沉積(MOCVE)法將 Bi-Te 基合金制備成超晶格薄膜,300K 時 ZT 值達到2.4。Dresselhaus 對 Bi 納米線及量子阱系統(tǒng)的大量研究后預言,通過超晶格量子限制效應可以得到 ZT 值大于 3 的材料。納米熱電材料是熱電材料的另一研究熱點,浙江大學在此領域成果卓著。趙新兵等研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng) Bi-Te 基熱電材料中添加 15%的含有 Bi2T3;納米管粉末,可以使材料的熱電性能提高 20%左右。Cao 等采用水熱合成法熱壓后得到 ZT=1.28 的(Bi,Sb) 2Te3;納米熱電材料。ZHAO等通過納米粉末摻雜,制得 ZT 值均超過 1.5 的 Bi2Te3-Sb2Te3 和 GeTe-AgSbTe2納米結構材料。3.1.2 匹配問題溫差發(fā)電器的輸出功率和發(fā)電效率與高溫端溫度(T h) 。低溫端溫度(Tc),溫差發(fā)電回路電流(I),負載電阻(R),發(fā)電器內阻(r)等因素密切相關。在不同條件下,溫差發(fā)電器的性能差別較大。屈健等應用有限時問熱力學理論對半導體溫差發(fā)電器的工作性能進行了分析,得到溫差發(fā)電存在最佳參數(shù)工作區(qū)的結論。潘玉灼等采用非平衡態(tài)熱力學優(yōu)化控制理論分析溫差電模型,數(shù)值模擬結果表明:最匹配參數(shù)工作條件下輸出功率和發(fā)電效率可分別提高 39%和 20%發(fā)電器熱設計也是影響發(fā)電效率的重要因素。為了保持較高的溫差,往往在發(fā)電器低溫端增加散熱裝置,以使熱量及時散失。Chein 研究指出當器件熱阻大于散熱器最大熱阻時,散熱器將小能夠散走器件產(chǎn)生的熱量,因此與溫差發(fā)電器匹配的冷端散熱方式也是影響發(fā)電器性能的重要因素。目前主要的散熱方式有:風冷、液冷和相變散熱。風冷又分為自然風冷和強制風冷。自然風冷換熱器是一定形狀的翅片散熱器。熱阻大小與翅片密度、散熱器面積直接相關。目前溫差發(fā)電器中應用較多的是強制風冷,散熱器(如熱沉)與風扇結合,低溫端熱量傳導到更大面積的翅片上,借助強制散熱將熱量散失到空氣中。熱阻取決于風速,風速越大,熱阻越小。強制風冷可有效地提高散熱器的對流換熱系數(shù),減小散熱面積,而且結構簡單,易于實現(xiàn),因而應用廣泛。因液體的單位熱容較氣體大,因而液冷比風冷有更好的冷卻效果,研究表明液冷換熱系數(shù)比自然風冷散熱大100 -1000 倍,熱阻大小主要與液體的流速有關,流速越大,熱阻越低。目前應用的液體散熱方式主要有液體噴射冷卻、微通道液體冷卻和宏觀水冷管路冷卻。相變散熱是利用相變材料相態(tài)變化時吸收熱量來散熱。這種散熱方式適用于問歇式工作場合,目前研究最多的是帶相變熱虹吸管散熱。Esartet 的研究結果表明帶相變熱虹吸管可明顯提高熱流在傳熱面的均勻性,減小熱阻,散熱較好。3.2 可靠性問題3.2.1 和機械應力的存在以常見的三明治式溫差電組件為例,要達到較高的發(fā)電效率,通常要求發(fā)電組件冷熱端之問形成較大溫差,這將造成冷端連接片收縮或熱端連接片膨脹,從而產(chǎn)生機械應力。機械應力的存在使得剛性的接頭或 P,N 電臂很容易斷裂,最終可能導致溫差電偶的損壞,從而縮短了溫差電組件的使用壽命。為了小增加電阻,要求過渡層厚度小超過 0.3 mm;(3)改變基體材料。金屬化陶瓷片由于強度高、導熱性好、價格低廉,因而成為目前使用最廣泛的基體材料。但是陶瓷片硬度大,極易造成 P,N 電臂折斷。如果采用有一定柔性而又能起支撐作用的新材料來代替陶瓷片,通過基體的柔性來緩解機械應力,將能有效地解決電臂斷裂的問題。3.2.2 環(huán)境因索(1)濕氣。焊接處至少存在熱電材料、焊料和連接片材料三種物質。濕氣進入,在冷接頭附近結露,形成原電池,從而在接頭處產(chǎn)生電解腐蝕作用,導致焊接處電阻增大,最終焊接頭完全損壞。最好使溫差電組件工作在真空卜,或者填充隔熱材料加以保護;(2)高溫。高溫可以加速器件的損壞。原因為焊接處焊料氧化和升華;加速了銅等雜質向熱電材料內部擴散。有報道 300 K 時,雜質的擴散速率為 10-6 cm/s雜質擴散引起材料塞貝克系數(shù)和電導率迅速減小。目前常用的解決辦法是在銅連接片和元件端面鍍鎳,但是鍍鎳工藝尚不理想。4 結論由于獨特的優(yōu)勢,溫差發(fā)電技術在航天、軍用領域展示了很好的應用前景。同時,作為一種綠色環(huán)保的發(fā)電方式,近年來民用領域的應用同樣發(fā)展迅速。盡管目前溫差發(fā)電的效率普遍低于 10%,但隨著新型高性能熱電材料以及性能可靠的溫差發(fā)電器的研究與開發(fā),溫差發(fā)電技術將會更大地發(fā)揮其在低品位能源利用方面的優(yōu)勢。結合目前國內外溫差發(fā)電技術的研究進展可以從以下三個方面展開工作:(1)溫差發(fā)電效率低的問題首先應該從熱電材料性能的提高上來突破。摻雜、準晶體結構、低維化、超晶格結構及納米技術均能有效地提高熱電優(yōu)值,因而成為熱電材料的發(fā)展方向;(2)通過 ANSYS 等數(shù)值仿真模擬和實驗研究相結合的辦法,對溫差發(fā)電器相關參數(shù)進行優(yōu)化。同時對高低溫端實施合理的熱管理,使溫差發(fā)電器工作在最匹配條件下,也是提高發(fā)電效率的重要途徑;(3)溫差發(fā)電應用日益廣泛,作為系統(tǒng)的一部分,溫差電組件可靠性問題不容忽略。結構的改善可以有效地減小機械應力,一些輔助措施可以降低環(huán)境因素的影響,但是依然有許多需要完善的工作。- 配套講稿:
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