热电发电技术的研究进展

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(1.集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021；2.福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建 厦门 361021)

0 引 言

随着能源价格的持续上涨，保护环境的意识不断增强，提高能源利用效率，使用清洁无污染的新能源已经成为了各国科研人员的研究热点。热电发电即是在有温度差异的环境下，利用热电材料的特殊性能，将热能直接转换成电能，是一种清洁无污染的发电方式，具有广泛的应用前景。

目前，热电发电技术的研究主要方向是热电发电材料的性能提升、热电发电的结构优化和相关的发电性能参数的优化，并结合其他的产热设备联系在一起，分析整体结构的发电特性。在文献[1]中，由于热力学的不可逆性，通过改变热电发电的外部负载和设备材料的热导率等参数，可以提高热电发电装置的发电性能。文献[2]中通过高性能传热的材料和强制对流热传递技术，优化发电结构，预测发电性能并通过实验验证。文献[3-5]通过结合太阳能吸热产生的热源，通过优化热电发电装置的结构布置，充分利用太阳能的热量和冷却系统的温差，并通过实验验证，在结合热电发电模块的太阳能产品中，可以更有效的吸收太阳能的热能。文献[6]中，研究表明，在热电发电装置内部，通过优化布置热电材料内部的热流传递的通道布置，可以减少传递过程中的热阻，提高热电材料的整体发电性能。

1 热电发电的原理及热电材料

热电发电又称为温差发电。热电效应最初是由德国科学家于1821年发现的，通常称为塞贝克效应[7]。该效应是指由两种不同材料的半导体构成的回路中，两个连接端点的温度不同时，连接端点间会产生电动势，并在回路中有电流。

1.1 工作原理

通过连接不同类型的半导体材料，在连接端形成一个PN结，如图1所示，将PN结一端放置于热端，另一端置于冷端，由于材料本身固有的特性，在温度相同的情况下，通过热激发作用，P型材料和N型材料内部的电子和空穴对的浓度发生变化，形成电动势。

图1 热电发电的工作原理

1.2 热电材料

热电材料是指一种可以将热能和电能相互转换的功能材料，具有塞贝克效应、帕尔贴效应和汤姆逊效应[8]。热电材料在环境温度存在差异的条件下，会产生电动势。热电材料通过温差产生电能可以通过无量纲的热电优值ZT来评价。

式中：Z为热电优值系数；T为绝对温度；α为塞贝克系数；σ为电导率；κ为热导率[9]。

传统的热电材料可以根据工作温度划分为3个系列：碲化铋(Bi-Te)及其合金类在300 ℃以下使用的低温型热电材料；碲化铅(Pb-Te)及其合金类在500～700 ℃使用的中温型热电材料；锗硅合金(Si-Ge)类可在1 000 ℃以上工作的高温型热电材料。

在文献[10]中，介绍了(Bi,Sb)2Te3合金通过熔体旋甩(MS)和抗压烧结(RPS)技术结合，并通过测量分析，表明相对于传统的加工方式，RPS技术产生的热电材料更适合工业应用。文献[11]中，通过对当前纳米结构热电材料技术的研究和讨论，并认为纳米结构的热电材料具有良好的商业用途。文献[12]通过介绍一种最新的潜在的半导体热电材料，具有较高的塞贝克系数和极低的导热率，并在室温下证实了新型材料具有良好的热电性能。

随着科技的进步和材料合成技术的发展，热电材料由传统的选材目标转化为各种新型的新型材料。其中新型的热电材料主要分为：金属氧化物热电材料、Skutterudite热电材料、金属硅化物型热电材料、纳米超晶格热电材料、电子晶体-声子玻璃热电材料等。相对与传统的热电材料，新型的热电材料的ZT值和材料的抗氧化性能方面都具有一定的提升。

2 结构布置特点

热电发电主要是用于回收柴油机，汽油机等热机排放废气的热能，因而在结构布置上，主要是以废气管道的布置为依据，合理的布置热电偶和换热器，提高换热效率，同时在热电偶的冷端面布置散热器，保证热电发电组件的持续有效的工作环境。并由于热电发电模块的热转换效率有限，提高设备效率，减低整体的热传导率至关重要[13]。目前，具有代表性的热电发电装置的设计模型有以下几种。

2.1 圆筒管道式

由美国HI-Z Technology公司设计制造，热电发电的发电组件是一个圆筒型的结构，如图2所示，热电发电装置的换热器的截面为等边多边形管道，在内层管道壁上布置纵向的肋片提高换热效率，同时将热电发电装置的高温面布置在换热器表面，并通过弹簧和螺栓将其固定。热电发电装置的冷却系统是通过水冷的方式进行冷却，在热电发电装置背面的散热器中心设置一个水冷通道，并将散热片固定在热电发电组件的低温面。通过管道中心流通的高温废气和冷却水的温差，形成电动势，产生电能。

热电发电组件中，其中热电偶采用的半导体合金热电材料Bi-Te，换热器的肋片采用的导热材料是碳钢，冷却部分中的导热材料采用铝。

图2 圆筒式管道式截面注：1.蝶形弹簧；2.热电发电组件；3.换热器；4.散热器；5.冷却液流通管道；6.固定螺栓；7.框架

2.2 立方箱体式

日本Nissan汽车公司1998年研制了一台用于汽车的热电发电装置的样机[14]，整个热电发电装置的组件结构外形为立方体形，如图3所示，其纵向截面形状为三个并列的长方形，中间的长方形为发动机尾气排放管道，上下排列的两个管道为冷却水流管道，将换热器布置在尾气排放管道表面，并在换热器内部布置加强换热的肋片。热电偶高温面则是固定在换热器的另一端面，低温面则是直接贴紧冷却水流管道。在热电发电组件中，热电偶使用的半导体合金材料为Si-Ge，换热器采用的是SUS304合金材料，冷却面使用金属铝。

图3 立方箱体式截面

2.3 层叠平板式

美国BSST公司设计的多层结构的热电发电装置，即是在热机尾气排放管道外围，排列布置多层的小型的热电发电模块。同时在每层的外围安装冷却流体管道，与最内层的热源管道形成温差环境。由于每层发电模块都是独立的，即是可以根据负载的需求，调整热电模块的层数。同时还可以根据热源管道中温度的分布情况，合理的调整热电模块的布置，提高整体结构的空间利用率。

3 热电发电的关键技术

3.1 换热器的结构设计与优化

热电发电装置主要是运用半导体材料通过温差将高温部分的热能转化为电能，由于高温端的热能并不能直接全部与热电发电模块中的热电偶接触，无法吸收全部的热能，因此，需要提高热电偶高温面接收的热量。热机排放尾气管道中的热量是通过换热器传递到热电偶的高温面，在传递过程中需要换热器具有良好的换热效果，同时不影响热机原本的工作状态。提高热电模块接收热量时，为了获得更高且稳定的电压和输出功率，还需要保证热端温度低于热电偶可承受的最高温度且各热电发电模块接收的热端温度分布均匀[15]，使热电发电装置中各模块的发电效能相近，提高各模块在相互串并联时的一致性[16]。提高整个热电发电装置的工作效率。

3.2 冷却系统的结构设计与优化

半导体热电材料转换高温部分的热能是需要在温差的环境中进行，如何布置热电发电装置中热电偶的散热系统尤为重要。采用何种冷却方式和冷却介质需要根据热电发电装置的结构布置进行优化，确保热电发电模块的工作环境。

3.3 热电发电模块拓扑结构优化

由于单个的热电发电模块输出功率较小，在实用过程中，需要将多组热电发电模块按照一定的拓扑结构组合连接。在热电发电模块内部的电路连接中，当各发电模块输出特性相同时，通过串联连接，可以提高热电发电装置的输出电压；通过并联连接，则可在电压不变的情况下增加电流的输出。即是可以根据用电器的负载要求，合适的调整各热电发电模块的连接组合方式，提高热电发电装置的工作效率。但由于在各热电发电模块在发电过程中并不能保证热电偶高温面接收的热量相同，所以需要在发电过程中监测各热电发电模块的输出特性，并调整各模块间的连接方式，将输出特性相近的模块进行连接组合，减少不同输出特性的发电模块在连接过程中的连接损失。

4 热电发电装置的仿真研究

在热电发电的研究过程中，需要研究热电发电模块的高温面和低温面的温度分布，以及热电发电装置结构的稳定性和可靠性。但由于直接搭建热电发电装置试验平台经济性缺乏保障，需要对整个试验平台进行模拟仿真分析，初步估算热电发电装置的工作性能，提高试验的准确性和经济性。

4.1 CFD温度场模拟分析

CFD是通过将流体中的各个物理参数作为计算空间和时间内的离散点上的初始值，然后通过一定的代数关系，采用相应的算法，对整个流场中的物理参数进行迭代求解。在分析热电发电装置内部发电模块的温度场分布过程中，可以通过建立热电发电装置的实体模型，并对整个工作环境和结构进行网格划分，再设置热电发电装置中热端的受热边界条件，和冷端流体的流动参数，通过采用相应的算法模型，迭代计算出整个热电发电装置在工作中的温度分布，并可以根据温度分布情况，估算出热电发电的输出特性。

4.2 模态分析

模态分析是一种研究系统结构动力学特性的近代数值计算方法，模态是结构的固有振动特性，模态参数一般包括固有频率、阻尼比和模态振型等。通过模拟分析计算，可以获取整个装置结构的模态参数，并可以评估装置结构的稳定性和可靠性[17-19]。在热电发电装置的设计制造中，需要对热电发电装置的结构进行评估分析，通过建立有限元模型，设置热电发电装置中的材料属性和工作环境中热端和冷端的流体流动参数，并进行迭代计算，分析整个结构在工作中的稳定性和可靠性。在基于热电发电模块中的热电效应和传热理论，通过动态模拟，分析评估热电发电装置的工作参数，并通过实验分析验证，符合动态响应特性的结果。可以根据动态模型的研究分析热电发电装置的发电性能[20-22]。

5 结束语

在解决能源危机的过程中，如何更加有效的利用能源是目前需要研究的关键。通过对热电发电技术的研究，可以充分利用一些废热中的能量，提高能源的利用效率。针对国内外的热电技术研究现状的分析：提高热电材料的热电性能、优化热电模块的传热结构、合理布置热电发电组件；运用模拟分析软件，计算提出优化的热电发电装置，减少热电发电成本是今后热电发电技术的主要方向。提高热电发电装置的热转换效率，提高热电发电在开发利用过程中的经济性，促进热电发电的发展应用。

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