基于温差发电技术设计的一种新型温差发电系统

梁欢，蒙郝杰，张盼辉，张烨，许外保，武才泽，林珂正，任晓娟，郭文涛

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安，710065；2.西安石油大学经济管理学院，陕西西安，710065,3.西安航空学院，陕西西安，710089）

0 引言

温差发电技术,又称热电发热技术,温差热发电技术是一种利用高、低温热源之间的温差,采用低沸点工作流体作为循环工质,在朗肯循环( Rankine Cycle,RC)基础上,用高温热源加热并蒸发循环工质产生的蒸汽推动透平发电的技术[1]。相较于其他各种传统发电生产方法和技术形式温差发电系统技术因其自身具有系统结构简单而又易于人工操作,坚实耐用,无任何人工噪声,使用寿命长等诸多优点,已在太空、深海无人环境供电、汽车余热利用等特殊工况进行应用。目前燃料温差复合发电的主要发展技术推进路线发展途径比较细化的分为离子同位素燃料温差复合发电、核反应堆燃料温差复合发电、烃类堆燃料废热温差复合发电、工业燃料废热温差发电以及基于太阳能阳伏光电-太阳热电池的复合温差发电等多种主要技术发展路线,相较国外来说中国对于推进核反应堆燃料温差复合发电这一方面的技术研究还比较少[2]，在工业废热发电领域起步晚，主要集中在理论研究阶段，缺乏具体的实际应用。

温差发电技术虽然已经开始逐渐趋于成熟，但是由于热电材料以及技术水平的限制，在实际温差发电装置应用中，仍存在转换效率低、发电时间短等问题[3]。针对这一问题目前国内外主要有以下几个研究方向：寻找温差发电原材料Bi2Te3的代替品，通过一些设备使温差发电装置的冷端和热端温差加大，改进热电模块[4]，热电材料Bi2Te3改性等。如卢伟，杨仕清，梁桃华，窦瑶，史卫梅等人提出的通过掺杂、纳米化、掺杂与纳米化相结合的方法对 Bi2Te3进行改性[5]。Atouei等表明空心矩 形相变储热器置于温差片热端时，断开热源后，能够延长两倍的发电时长。Stupar等设计了一种含有相变材料的散热器，此散热器可在用电高峰期给电器提供保护，并可降低冷端温度10～20℃[6]等

目前温差发电技术在国内外应用前景广阔，同时因为其清洁虚高的优点温差发电技术对于缓解温室效应引起的全球变暖，以及加速推动我国逐渐形成全球最大规模的能源供给体系,建成以煤炭、电力为主体,以石油、天然气和其他可再生能源全面开发的绿色能源供给格局,促进了国民经济与社会快速进步具有一定的促进作用。

1 技术原理

温差发电技术原理主要是指利用高、低温的热源相互之间的温差把热能转化为电能而实现的一种全新能源技术。温差发电芯片(TEG)，也称温差发电电池。当温差发电芯片两面存在温差时，p、n型半导体电偶臂同时驱动空穴和电子移动，输出端会产生电势差,形成闭合回路时，就会有持续的直流电流输出。如下图1所示。塞贝克效应(Seebeck effect)又名第一热电效应,塞贝克效应(Seebeck effect)是一种泛指在两种不同的导电性材料组合构成的闭合式回路中,当两个连接点的温度不同时,回路中所产生的电势会使得热能直接转变成其他电能。当A和B的两个相互结合之间位置处的周围环境温度平稳且温度差别明显,回路中的启动端子处将自动产生这种温度的电压ΔV随着启动高温端、低温端所产生的温度差ΔT增大而逐渐减小,同理亦然即

图1 塞贝克效应原理图

式中：ΔV为塞贝克电压；T1为低温端温度、T2为高温 端温度；αS是两种不同金属电导体或半导体A和B的相对 塞贝克参数。

如图2所示大量的各种热电变频转换单元都是可以按照串联、并接或者是串并联相互结合的工作方式进行组合在一起从而构造出一个完整的各种热电变频转换单元模块[8]，从而实现将温差转化为电能的过程。

图2 热电转换单元示意图

温差式发电技术是指通过把热能直接转换成电能,可以实现对低品位能源的有效综合利用。由于近年来热电转换模块的生产成本大幅度下降,同时因其所利用的中低温余热资源十分丰富并且其成本已经几近达到了零、加上其运行费用成本也非常低,从而促进了温差式发电在一些应用领域中的地位和价格,这就允许它们与其他现存的发电模型相比较。目前我国通过采用温差式发电技术来综合利用中低温剩余热电力资源所存在的一个最为突出的问题就是热电转换效率相对较低,提高热电转换效率主要包括两个方法,一种是获取一种ZT值高的热电转化材料,另一种则是对温差发电系统的结构进行优化。温差发电技术可以应用于许多领域。温差发电技术由于其利用的能量来源全部都来自温差,所以在发电过程中不需要产生化学反应,同时也是一种全固态的能源转换发电系统。这种温差发电系统在设计上具有不产生噪声、不造成环境污染、耐磨损性好、使用寿命长、可靠度高等诸多优势,因此在工业余热和废热的处理上被人们广泛的应用。

2 结构设计

本文设计的温差发电系统由温差发电芯片，导线,机械臂，黑色散热片，散热硅脂垫，蓄电池，外连设备所构成，温差发电芯片热端与黑色散热片连接，温差发电芯片冷端与散热硅脂垫黏合并固定于机械臂上，由温差发电芯片延伸出的导线连接蓄电池进行储存电。如图3、4、5，图3为本温差发电系统主视图，图4为图1所示温差发电系统的侧视图，图5为A处结构放大图。

图3 温差发电系统主视图

图4 温差发电系统侧视图

图5 A 处放大图

该温差发电系统，通过将温差发电芯片热端连接黑色散热片进行吸热提高温度，摒弃了原有的通过热辐射吸收热量提高温度的方法，改善了原有的通过单一热传导吸收热量提高温度的方法，将冷端与散热硅脂垫黏合，能够增大在有限的热冷端温度下温差发电芯片两端温度差，提高了发电效率。

其次通过将温差发电组与改装有伸缩杆的机械臂相连，并且将温差发电组与机械臂相连，与地面形成45°倾斜角，适应了不同地形，最后通过将温差发电芯片与蓄电池相连，形成一种温差发电系统，能够实现边发电边储存边利用，不但减少了能量损失,提高了发电效率,而且也使其更加方便使用。如图6所示，在此基础上在原有单能发电基础上于原先温差发电组背侧新添加热端涂有黑色吸热层的温差发电芯片，同时在两片温差发电芯片冷端之间加有散热装置。通过添加热端涂有黑色吸热层的温差发电芯片，实现了吸收太阳能辐射的热能与地表热能的一体化，从而实现双能发电，进而在温差捕获方面最大的限度提高该产品发电效率。同时在两片芯片的冷端添加并应用散热装置，可进一步提高两片温差发电芯片在工作时的冷热端温差。同原有系统对比，大大提高了热电效率。

图6 优选方案图

图中：1温差发电组、2固定装置、3外连设备、4蓄电池、5连杆（伸缩杆）、6导线、7导线、8导线、9连杆（伸缩杆）、10散热硅脂垫、11温差发电芯片、12黑色散热片、13热端涂有黑色吸热层的温差发电芯片、14散热装置。

参见图3、4,主要构建温差发电组1与机械伸缩连杆5连接构成。同时此装置采用双发电单元同时工作，其主体连接于固定装置2上并由导线6连接产生关联。固定装置2由导线7、导线8与蓄电池4相连接，经由蓄电池4最终与外连设备3连接。当使用该温差发电装置时，首先,通过可自适用于多种地形的连杆(伸缩杆)5、9将温差发电组A调整到最佳捕获热量位置，从而使得热量最大限度经由黑色散热片12传导到温差发电芯片11,同时在散热硅脂垫10的作用下，使得温差发电芯片11处于最大温差状态下。其次，由温差发电芯片将所捕获到的温差转化成电能可以通过导线7、导线8储存于蓄电池4中，最终达到可供外连设备3稳定使用。通过设有黑色散热片12的温差发电组A吸收热量形成温差，通过导线6、7、8进行运输送至蓄电池内进行储存，实现了边转化边储存边利用。通过用伸缩杆作为连杆5、9的机械臂进行不同长度及高度的调节适应于各种地形。

3 发电效率及经济性分析

为进一步验证实验装置的合理性与可行性，我们进行了原设备中的单一温差发电组与优化设备中的单一温差发电组间的数据收集实验，并进行了数据的整理计算与合理外推估计以及经济性分析。

3.1 发电效率探究

3.1.1 数据收集

此实验于实验室环境下通过对温差发电组以铝板来隔开恒温热源来对其进行加热从而产生较大温差，并随时间t变化而不断收集各个时间段中冷端温度T1与热端温度T2间的实验数据，最终进行汇总计算。从而模拟在不同温差情况下温差发电组的实际发电效率。

3.1.2 数据计算

通过实验所收集到的数据信息，结合塞贝克效应电势差的计算公式：

式中：

T1—冷端温度

T2—热端温度

SA—铜的塞贝克系数

SB—锑化铋塞贝克系数

V—电势

且SA与SB此温度区间中不易随温度的变化而变化，上式即可表示成如下形式：

根据实验温差条件，测得原设备及优化设备单一温差发电组的发电数据结果，并通过对得出的实验数据进行分析，得出当温差由35.3℃上升到112.7℃时，电压、电功率整体稳步上升，且两组设备在此温差变化下电压差值由0.48V扩大到1.8V，并且两组设备的电功率差值也由0.072W扩大到0.736W，由此可见在温差在一个较小区间变动时，发电效率将有大幅提升。同时将优化设备单一温差发电组与原设备单一温差发电组数据对比分别绘制出温差变化与电压变化对比图（图 7）、温差变化与电流变化对比图（图 8）、温差变化与发电功率变化对比图（图 9）从而更加直观获得到优化后的设备的发电优势：

图7 温差变化与电压变化对比图

图8 温差变化与电流变化对比图

图9 温差变化与发电功率变化对比图

通过将改进前后的单一温差发电组做对比，发现功率增幅均在40%左右，且预计在温差达200℃以上时增幅会突破50%，并且在发电效率上会有一个质的转变，为了更直观的体现功率增幅，特绘制了改进前后功率变化趋势图（图10）。

图10 改进前后功率变化趋势图

3.2 经济性分析

基于温差发电技术设计的一种温差发电系统是利用低品位热能实现电能转化的装置。因其研究方向不同于其他发电方式，所以能够拥有低成本、寿命长、无污染等优点，装置的经济性也由此体现。

通过对装置经济性进行分析，了解到因目前热电转换成本下降且低温余热资源丰富、成本可低至不计,所以进一步对制造该装置成本进行核算，发现集中花费于芯片制造和其他硬件材料上，即后期的销货成本；经过对该装置的构造及原理分析，发现其拥有使用寿命长、免维护的特性，所以设备运行期间的大部分资金消耗仅来源于设备折旧，并且极大地降低装置的运行成本；在环境治理方面，因该装置利用新能源环保无污染的特点，所以能省去环境污染处理方面的投入，提高该装置的经济效益。

4 结论与展望

由实验数据可得，实验环境温差越大，温差发电设备所产生的开路电压越大；且随着温差逐步拉大所产生的电压与电流也逐渐加大，功率也稳步提升，发电情况也趋于稳定。在对设备完成优化后，无论是电压还是电流在效果提升方面都十分显著，并且在相同温差条件下，优化设备同原设备比较，优化后的设备发电效率显著高于原未有优化的设备。

从整体上看，该温差发电设备都在较高程度上最大限度利用现实温差进行发电，将原有较难开发利用的热差资源又重新利用起来，转换为可供人们直接利用的电力资源，且具有一定的环保理念。若将该装置适当扩大化，则亦将产生更高的电源转化率，从而进一步提升发电效率。

在创新方面，该设备特殊的设计结构使得其可以适用于多种地形。并且其多角度可调节的机械臂设计使得该设备可以任意调整温差获取角度，从而可以在一定区域中自由切换至温差较为巨大的区域进行温差捕获。该设备此种机械设计理念极大程度上提高了该设备的灵活多变性，设计方案也十分新颖，具有较高的创新性。

在经济方面，该装置项目与区域及所在地互适性较强，对资源利用和环境保护具有重要的价值和意义。后期随着材料水平的不断提高，发电效率的不断提高，逐步促进产品结构、技术结构调整，提升产业层次。在该装置企业经济效益持续增长的同时，可以带动相关产业的发展，热电行业将会迎来一个高速发展的新时期。

并且从长远角度来看，在材料与设备跟进的基础上，可以进一步向海洋领域扩展，利用洋流或海域温差实现对某些海洋平台设备进行稳定供电。同时该温差发电设备可以作为一种新型发电模组搭载到其他设备当中，充当所搭载设备后备闲置电源的供电系统，从而利用所装载设备工作时所产生的无法利用的散热余温来向该设备后备电源进行供电。针对这一领域的开发利用，进而可以扩展到一些电子设备领域，甚至可以进军国防军事领域。