（光学工程专业论文）大型天然气发动机温差发电系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 捅要 温差发电是一种全固态的能量转换方式，发电过程无需进行化学反应，所以具有 无噪声、无振动、无磨损消耗、无介质泄漏、重量轻、体积小、便于布置安装、工作 寿命长等诸多优点。已经广泛应用与航空航天、军事、长距离通讯中继、偏远地区供 电等特殊领域中。随着半导体温差材料技术和生产工艺的进步，在工业废热回收、太 阳能和地热能发电等应用领域必将得到更多应用。当前内燃机作为主要的动力机械， 在生产生活中发挥着重要的作用。但是受限于内燃机工作原理和内部结构，并不能将 燃料燃烧的热能有效的转化为机械能，大量能量以排气废热的形式消耗掉。在这种情 况下，基于热电效应的温差发电技术能够将发动机排气废热能转化为电能，进行回收 利用。 当前在我国市场上也有相对成熟的半导体温差发电模块产品，本文针对某型半导 体温差发电模块进行了一系列的研究。首先研究分析模块基本的热电性能参数、对温 差模块的热传递参数进行了分析计算，掌握了单个模块的热力学特性和温差环境下的 开路电压、模块内阻以及发电功率、发电效率等。为半导体温差发电系统的组建提供 了理论基础。设计了基于m a t l a b 的温差热电模块功率计算软件。 采用在油气田生产时应用的大型天然气发动机排气废热作为热源，组建了基于半 导体温差模块的阵列发电系统。对半导体温差阵列系统回收内燃机排气废热能量进行 发电的相关性能指标进行了实验研究和定量分析计算。 利用电子技术设计了基于单片机的热端温度自动检测和控制模块，为温差发电系 统提供更为稳定的温差环境。这不仅能够提高半导体温差发电系统的输出功率和发电 效率等关键特性参数，同时可防止温差模块的热端温度超过模块能够承载的工作温度 造成损坏。对于半导体温差阵列回收排气废热发电的电能，设计了相应的电源稳压控 制电路，使用铅酸蓄电池作为储能部件，对温差发电系统回收的电能进行存储。 最后，针对作为热源的大型天然气发动机排气消声器，设计合理的半导体温差发 电阵列系统安装结构；提出了建立温差发电系统的设计要点和相关方法，总结了能够 有效评定温差发电系统工作性能的参数指标。 。 关键词：温差模块：阵列；温差发电；单片机；温度自动控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t t h e r m o e l e c l r i cp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yi sa w a yo fs o l i d s t a t ee n e r g yc o n v e r s i o n , w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fn on o i s e ，n ov i b r a t i o n , n ow e a r i n gc o n s u m p t i o n , n om e d i a l e a k s ，l i g h tw e i g h t , s m a l ls i z e ，c o n v e n i e n ti ni n s t a l l a t i o na n dl o n gw o r k i n gl i f eb e c a u s eo f n oc h e m i c a lr e a c t i o n i th a sb e e nw i d e l yu s e di n a e r o s p a c e ，m i l i t a r y , l o n gd i s t a n c e c o m m u n i c a t i o nr e l a y , ar e m o t ea r e ap o w e rs u p p l ya n do t h e rs p e c i a lf i e l d w i t ht h ep r o g r e s s o fs e m i c o n d u c t o rt h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l s t e c h n o l o g y a n d p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , t h e r m o e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yw i l lh a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r i a l h e a tr e c o v e r y , s o l a ra n dg e o t h e r m a l e n e r g yg e n e r a t i o na n do t h e ra p p l i c a t i o nf i e l d s c u r r e n t l y , t h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e sp l a ya ni m p o r t a n tr o l e 嬲m a j o rp o w e r m a c h i n e r yi np r o d u c t i o na n dl i f e b u tl i m i t e dt ow o r k i n gp r i n c i p l ea n di n t e r n a ls t r u c t u r e ， i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ec a n tt r a n s f o r mt h e f u e lb u m i n gh e a te n e r g yi n t om e c h a n i c a l e n e r g ye f f e c t i v e l y , al o to fe n e r g yw a s t e si nt h ef o r mo fe x h a u s th e a t i nt h i sc a s e ， t h e r m o e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yc o u l dr e c o v e r yg e n e r a t ef o re n g i n ee x h a u s t w a s t eh e a te f f e c t i v e l y t h e r ea r ea l s or e l a t i v em a t u r es e m i c o n d u c t o rt h e r m o e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o nm o d u l e p r o d u c t si nt h em a r k e to fo u rc o u n t r y t h et h e r m o e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o nm o d u l eh a s b e e ns t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s tt h eb a s i cp a r a m e t e r si n d e x e sh a v eb e e na n a l y s e d ，t h eh e a t t r a n s f e rp a r a m e t e r so ft h e r m o e l e c t r i cm o d u l eh a sb e e nc a l c u l a t e d ，t h et h e r m o d y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i co fs i n g l em o d u l ea n dt h e r m o e l e c t r i cp a r a m e t e r so fo p e n - c i r c u i t v o l t a g e ， m o d u l er e s i s t a n c e ，g e n e r a t i o np o w e ra n dp o w e rg e n e r a t i o ne f f i c i e n c yh a v eb e e nr e a l i z e d a n dat h e o r e t i c a lb a s i sh a sb e e np r o v i d e df o rt h e r m o e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m a t l a s tt h e r m o e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o nc a l c u l a t i o ns o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e db a s e do n m 魄t l a b u s i n gt h eh e a ts o u r c ew h i c hw a st h ee x h a u s tw a s t eh e a to ft h el a r g en a t u r a lg a s c o m b u s t i o ne n g i n e ，t h ea r r a yg e n e r a t i o ns y s t e mh a sb e e nb u i l tb a s eo ns e m i c o n d u c t o r t h e r m o e l e c t r i cm o d u l e s t u d y i n gt h er e l a t e dp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h es e m i c o n d u c t o r t h e r m o e l e c t r i cm o d u l ea r m yg e n e r a t i o ns y s t e mb a s e do np e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t s a na u t o m a t i cc o n t r o ld e v i c eb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e rt od e t e c tt h eh o t i u n c t i o n t e m p e r a t u r ef o rt h et h e r m o e l e c t r i ca r r a yp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d t h i s d e v i c en o to n l yp r o v i d i n gam o r es t a b l et e m p e r a t u r ec o n d i t i o nf o rt h e r m o e l e c t r i cm o d u l e s t oi n c r e a s et h eo u t p u tp o w e rp a r a m e t e r s ，e f f i c i e n c yo fp o w e rg e n e r a t i o na n do t h e rk e y f e a t u r e s b u ta l s op r e v e n t i n gt h et e m p e r a t u r es u r p a s so ft h et h e r m o e l e c t r i cm o d u l em a x t e m p e r a t u r e a n dap o w e rr e g u l a t o rc o n t r o lc i r c u i tw h i c hs t e a d i e st h ee l e c t r i c i t yf l o wo f 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 ii 页 t h e r m o e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d e l e c t r i c a le n e r g yc a m ef r o m t h et h e r m o e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e ms t o r e di nt h el e a d a c i db a t t e r i e sa s e n e r g y s t o r a g ed e v i c e sf o rf u r t h e rr i s e i nf i n a lp a r to ft h i sp a p e r , t h em o u n t i n g t y p eo ft h et h e r m o e l e c t r i cp o w e ra r r a yf o rt h e e n g i n ee x h a u s t i n gp i p eh a sb e e nd e s i g n e d as e r i e so fe s s e n t i a lp o i n t sh a sb e e nm a d ef o r s e t t i n gu pt h et h e r m o e l e c t r i ca r r a yp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m a n dt h ee f f i c i e n tp a r a m e t e r s f o rv a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h e r m o e l e c t r i c p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mh a sb e e n s u m m a r i z e d k e yw o r d s ：t h e r m o e l e c t r i cm o d u l e s ；a r r a y ；t h e r m o e l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o n ； s i n g l e c h i p ；a u t o m a t i ct e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 1 1 1 环境污染与能源危机 第1 章绪论 随着人口增长和社会发展，人类对于能源的需求越来越大。18 世纪中叶的工业化， 在极大的推动人类科技文明发展、创造财富的同时，消耗了大量的能源并产生了严重 的环境污染问题。全球的资源紧缺和环境污染也日益严重限制着经济、社会和文化的 进一步发展，甚至逐渐成为威胁人类文明存在和继续发展的全球化问题。 蒸汽机的发明和广泛应用促使了产业革命和工业革命的发生，生产力得到了长足 进步。生产活动完成了从手工劳动向机械化大生产转变的重大飞跃，人类的生产能力 不再受限于身体结构和肌肉强度所提供的能力。1 8 8 5 年，德国工程师卡尔奔驰( k a r l b e n z ) ，制成了世界上第一辆以汽油为燃料，以内燃机为动力源，主要用于人员乘坐 的现代汽车“奔驰一号车”。随着技术的进步，内燃机作为普遍采用的动力机械在经济 生活领域发挥着越来越巨大的作用，化石能源成为人类文明前进的重要驱动力之一。 但是由于内燃机工作原理和结构的制约，化石燃料燃烧提供的热能难以全部转化 为有效的机械能，其中汽油机的转化效率约2 0 3 0 ，而柴油机的转化效率约 3 0 - 4 5 ；燃烧废气排放和冷却介质耗散浪费掉了高达6 0 7 0 热能【1 1 9 】。这造成了 燃料的极大浪费，并且被认为是当今日益严重的温室效应形成的主因。与此同时化石 燃料燃烧后生成酸性气体，这些酸性气体排放进大气后形成的酸雨酸雾使得森林、草 场退化，湖泊酸化，各种水生动植物种群锐减，土壤丧失肥力、粮食减产，威胁和破 坏建筑物的安全性。而中东地区等化石能源主产区往往也成为敏感地区，为了争夺这 社会经济增长的“推进剂”，某些大国往往不惜发动战争，给当地人民造成空前的灾 难、难以弥补的经济损失和心灵创伤。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 2 新能源开发与能源回收利用 ， 毫无疑问，当前经济发展和社会进步都需要充足能源作为保障【2 】。上世纪7 0 年 代的原油价格暴涨为代表的“能源危机”发生以来，国际社会已经形成了节约能源的 共识。而对新能源的开发利用也逐渐成为学者和技术人员关注的热点，通过开发新材 料、使用新技术和引进新的生产工艺等手段来提升能源利用率。其中，希望通过对低 品位热能的利用来实现“开源节流”成为研究热点。太阳能、地热能的开采和利用是 完全无污染的，具有巨大的现实意义和经济价值，是为“开源”；针对现有的各种内 燃机及厂矿生产设备中产生的余热、废热利用也起到提升能源利用率、降低能耗的目 的，是为“节流。这两方面的研究和努力，为解决日益严重的环境问题和能源危机 指明了方向。 汽车产业集装备制造业大成，对上下游产业的推动作用非常显著，对经济发展、 提升人民生活品质起到了重要作用，在今后一段时期内都会是工业发展的中心。内燃 机是现代汽车的主要动力源，随着我国汽车的快速普及，能源消耗和环境污染问题逐 渐迫切起来。回收内燃机工作时没有转化为有效功的热能，进行有效利用显得具有实 际意义。这不仅能提高能源利用率，减缓不可再生能源的消耗速度，降低不菲的燃料 消费成本。同时也将极大的减少内燃机废气的排放，创造巨大的环境效益。截止2 0 0 9 年我国的汽车保有量超过6 2 0 0 万辆，汽车年消耗燃油超过了1 3 亿吨，超过全国燃油 消耗总量的6 成。根据现今内燃机评价标准，燃油中6 0 的能量没有得到有效利用， 即约有8 0 0 0 万吨以上的燃油是以排气废热的形式消耗掉的【3 1 。由此可见，站在节能 减排、提升能源利用率的角度，内燃机排气废热能量回收利用的研究工作具有巨大的 经济价值和现实意义【4 】。 对于排气废热和工业废热等低品位热能进行回收利用，在缓解当前社会资源紧缺 和能源利用率低的问题的同时，可以降低化石燃料这种不可再生资源开发和使用对于 环境造成的破坏。推而广之，也为日后对地热能、太阳能等低品位热能的开发使用积 累有益的基础【5 6 。 自2 0 世纪7 0 年代以来，国内外学者先后提出了使用半导体温差熟电模块 ( t h e r m o e l e c t r i cg e n e r a t o r ，t e g ) 将热能转化为电能进行存储和利用的思想，这为 低品位热能的开发使用提供了一种有效方法 7 1 。温差热电模块基于热电转换技术，模 块安置在热机上。紧贴热机的一侧作为温差热电模块的热端，置于室温中或加装冷却 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 装置的一侧作为冷端。由于热端和冷端之间温差的存在，根据半导体材料的热电效应 【89 】将产生电动势。通过组建这样的温差模块阵列，能获得一定的发电功率。 采用半导体温差热电模块来回收随燃烧废气排放到空气中的废热能量，由于热电 模块的热端吸收了部分理应传入内燃机冷源的热能并转化为电能，从能量转化利用的 角度看，将提高内燃机的工作效率【1 0 1 1 】；而减少了传入内燃机冷源的热量，将使得内 燃机的进气温度降低，内燃机的热效率将有所提高；排气管中排气压力也将相应降低， 这不仅能减少内燃机的排气能量损失，同时能够使排气噪声电平值下降。这可以简化 排气消声器结构，降低制造难度和成本。内燃机的排气废热因为具有梯级能量特征而 非常适合利用温差热电模块进行热能的回收利用【1 2 】。 使用半导体温差热电模块的发电设备具有静态的发电结构，发电系统中不存在旋 转部件，也不需要传动结构。具有结构简单、无运动部件、无噪声无振动、可靠性高 等诸多优点【1 3 】。安装和使用对原系统整体稳定性几乎不产生任何不良影响。可见温差 热电系统的布置实施对现有的内燃机系统具有一举多得的好处，非常具有现实意义。 1 2 半导体温差发电概述 1 2 1 热电效应与温差发电 热电学包含三个与热电转换有关的基本效应，它们是塞贝克效应，帕尔贴效应和 汤姆逊效应t g 。1 8 2 1 年，德国科学家塞贝克发现，当由两种不同的导体构成闭合回路 时，如果对其中的某个接头加热，周围会出现磁场，引起指南针的偏转。这个现象在 当时让他很困惑，并没有做出正确的解释。十多年之后，法国科学家波尔贴发现，如 果对两种不同金属构成的回路通电，接口处的温度会发生变化。不过波尔贴并不知道 这种现象和塞贝克效应之间的联系。到1 8 3 8 年，楞次才揭露出波尔贴效应本质。 随着热力学的发展，到1 9 世纪中期，研究的重点逐渐集中到各种形式能量的转 换上。1 8 5 5 年，汤姆逊发现了塞贝克效应和波尔贴效应之间的联系，并推导了第三种 热电效应存在的必然性，后来他通过实验的方法验证了此语言，证明了汤姆逊效应的 存在。这个发现推动了热力学的持续发展，并且对温差电学的发展起到突破性的推进 作用。 ， 进入2 0 世纪之后，人们对于温差电现象的关注再度出现热潮。随着固体物理学 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 和材料学的发展进步，在半导体材料研究领域发现塞贝克系数可能高于1 0 0 u v k 。1 9 4 7 年，t e l k e s 制造出了发电效率为5 的温差发电器。1 9 4 9 年，前苏联科学院院士i o f f e 提出半导体热电理论，并且在实际的生产应用中完成了大量的研究工作。1 9 5 3 年的温 差电家用冰箱，制冷效率约为2 0 e 1 4 1 ；同时研制出了使用煤油灯和拖拉机等作为热源 的温差发电装置，作为不便于接入电网地区的小功率电源【4 1 。到了上世纪5 0 年代后 期，i o f f e 的研究团队从理论和实验上证明了通过两种或以上的半导体形成的固溶体， 即通过参杂，能够具有较高的优值系数1 1 3 1 。这为材料学中研制新型的半导体温差电材 料来提高温差电性能打开了广阔的前景。据此，温差电材料的研究也取得了突破性进 展，发现迄今为止仍然是高性能的温差电制冷和发电材料，如p b t e ，s i t e ，b i ：t e 。等。 虽然从后期的研究中，未能找到具有更为优良的温差电性能材料，但是温差发电 和制冷器件的生产研制和推广应用方面却取得长足的进步。这使得温差发电和制冷技 术的应用进入了现实生活。 1 2 2 温差发电技术在国际上的研究与应用 温差发电技术基于材料研究的发展进步，在应用领域的研究起始于上世纪4 0 年 代。初期的应用集中在航空航天和军事领域，数十年的研究发展后，在上世纪6 0 年 代成功的在宇航器上实现了长时间的稳定供电。美国的专门应用研究机构能源部 空间防御动力系统办公室认为温差发电技术是“性能可靠、维修少、在极端恶劣环境 下长时间工作的动力技术”。但即使如此，由于热电转换效率低下，温差发电技术的 应用在民用领域仍然较少。直到近几年，随着环境问题的凸显和能源危机的日益严重， 大量人力物力投入了温差电技术的研究中，使得一批高性能热电材料研制成功，才使 得温差电技术在民用领域的应用成为可能和必要的。 半导体温差发电器可以配合不同热源工作，例如以同位素为热源的半导体温差发 电器，使用烃燃料作为热源的半导体温差发电器，针对低品位热能和废热为热源的半 导体温差发电器对于提升能源利用率是有益的【”】。 ( 1 ) 放射性同位素作为热源的半导体温差发电器 随着阿波罗号航天器在上世纪6 0 年代末成功登陆月球，人类对于太空的研究就 进入了一个新的时期，人类希望对广阔的星际空间进行全面的探索。要达成这样的目 标，如何在空寂的宇宙空间获取足量的能源成为需要首先解决的问题。国外科学家提 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 出使用同位素作为热源的半导体温差发电器作为解决方案，它具有热量稳定、结构紧 凑、性能稳定和使用寿命长等诸多优点，非常适合作为宇航器的发电系统。通过温差 发电技术，硬币大小的放射性同位素热源能提供超过二十年持续不断的电能供应，其 他任何一种能源技术都难以望其项背。 美国的国家航空航天局( n a s a ) 在阿波罗之后的多个宇航器上均安装了各种以放 射性同位素为热源的温差发电器【5 】。如图1 - 1 所示为放射性同位素发电系统剖面图。 图卜1 放射性同位素温差发电系统剖面图 在上世纪8 0 年代，美国完成了1 k w 级别的军用温差发电器的研制，主要应用在 潜水艇和远程信号传递等方面。由于温差发电器的最大优点是工作时无噪声、无旋转 和振动器件，具有高隐蔽性，装备在潜艇中在提供稳定供电的同时降低被发现的可能 性。而为了保证海下复杂环境中信号传递的稳定和准确性，布置的无线电信号转发系 统也需要充足稳定的电力保证，同样需要同位素温差发电系统的支持。 由于具备性能稳定和无需维护等优点，在不易发电和输送的边远地区的供电领域 同位素半导体温差发电器发挥着重要作用。现在已经广泛应用在南北极、无人沙漠和 原始森林中的微波信号中继站、无人值守航标灯、原油输送管道的阴极保护等设备中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 - 2 原油输送管道的阴极保护设备 ( 2 ) 以低品位热和废热作为热源的半导体温差发电器 当今的社会经济发展得益于大工业时代的到来，炼钢工业、水泥工业、化工工业、 造纸业等当今最主要的工业都应用温度控制进程，在生产中产生的废气和废液中都包 含庞大的余热能量；内燃机等热机工作时，更有5 0 以上的能量以废热的形式耗散掉 了。工业生产是当今的能源消耗大户，如何对工业余热进行合理有效的利用作为一个 突破口，解决能源短缺问题引起越来越多人的兴趣。如前所述，加装半导体温差发电 器，回收这部分能源，可以以很低的成本增加设备的稳定性、节约能源，为企业和社 会带来巨大的经济效益和具有深远影响的环境效益。图卜3 所示为利用余热余气的单 位拖动发电机。 图1 - 3 余热余气的单位拖动发电机 太阳的辐射热能与以之相伴海洋温差热能、来源于地壳内部的地热能等都是取之 不尽、用之不竭的无污染能源。开发和利用这些热能资源成为当今国际社会广泛关注 的热点。如果采用半导体温差发电器件组成的发电系统，能够大幅度简化现有自然热 发电系统能量转换部件的结构，使其在无运动部件、无噪声运行、无需经常维护的条 件下直接获取自然热能，必将获得良好的经济效益。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 美国密西西比州立大学的s t e v e n s 教授通过研究指出，可以利用地表和地下温差 现象进行发电，如图卜4 所示。这种方式的发电器性能稳定、寿命长、在恶劣天气条 件甚至黑夜中也能够提供连续稳定的电能，可用于长时间无人干预的小型通信设备和 远距离传感器；而美国卡尔迪夫大学的r o w e 教授利用人们沐浴完后浴缸里剩余的热 水进行了温差发电的尝试，并且成功使一台彩色电视机正常工作超过5 0 分钟。据他 推算，如果采用该系统发电，只需运行3 年，产生的电能成本就与传统电力公司的发 电成本一致。 图卜4 利用地热的半导体温差发电设备 随着我国经济的高速发展，人民的生活水平也得到快速的提高，现在工业文明的 标志汽车作为重要的交通工具开始进入普通家庭。这在扩展人们生活圈和提升生 活品质的同时，亦引起了许多社会及环境问题。汽车普及率的提升，加大了城市道路 的压力，引起严重的城市空气污染问题。于此同时，人们对于化石能源，特别是汽柴 油的依赖逐渐加深。当前中国原油消耗中超过5 0 依赖于国际市场的进口，这不仅加 重了国际能源危机，而且对我国的能源安全构成威胁。所以科研人员和工程技术人员 一直努力使半导体温差发电技术应用在汽车上，回收发动机排气废热中的能量进行发 电，成为辅助电源的一种解决方案，这有助于研制生产更低能耗的环保型汽车。温差 发电技术在降低发动机能耗、提高能源综合利用率和减少汽车尾气污染物等方面都大 有裨益，图卜5 显示了汽油机汽车燃料的消耗情况【l j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图1 - 5 汽油机汽车燃油消耗分布 由此可见，采用半导体温差发电的方式回收传统内燃机工作时的废热能量，有助 于提高能源利用率。回收的电能能够对车载电气设备进行供电，成为汽车电源的有效 补充。理论研究表明，将温差发电技术应用到汽车中，有望降低2 0 的燃油消耗，可 以提供一辆中型车的电气设备使用的电能。 2 0 0 4 年克拉逊大学和德菲公司共同研制预期发电量为3 0 0 w 的热电转换系统，在 通用s i e r r a 皮卡进行装配。设计方案中使用两组共1 6 枚h z - 2 0 型热电模块，在碳钢 制成的废热通道和铝制的水套之间进行安装。同年1 1 月，b s s t 公司与美国能源部 f r e e d o mc a r 公司签订合同，成为了针对适合于乘用车尾气废热发电研究的核心成员。 研究小组希望能在燃油经济性提高1 成的同时降低排放。翌年3 月，美国通用汽车、 宝马汽车和俄亥俄州州立大学共同进行温差发电项目的研究。这项研究希望通过汽车 排气废热发电，驱动车载电动机工作，为汽车提供辅助的输出动力。该项热电设备己 经应用在雪佛兰的s u b u r b a n 车型上，并且完成了5 万公里的实车测试试验。试验显 示该设备能够节省燃油约1 0 【2 1 1 。而如图1 - 6 所示的m a c k 柴油机上的温差发电机， 其安置在排气管壁上，不占用空间排列紧凑。 图卜6 温差发电器装配在柴油机车上 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 外国学者在热电技术上的研究工作有一定的领先，美国、德国和日本等发达国家 已经在该技术的研究和应用上都取得一定的进展。 当前，美国的研究和应用集中在航空航天和军事等高科技领域；日本则在废热利 用和垃圾处理发电领域处于领先，并且因为日本列岛地区拥有丰富的地热资源，对于 地热能的开发利用也处于领先位置；欧盟各国凭借先进的材料技术，在小功率发电器、 传感器和信号中继器等可以采用温差发电设备的研究制造富有优势【5 】。 国外比较有代表性的研究机构主要有美国能源部、b s s t 、h i z 、b m w 、g m 、 f o r d 、t o y o t a 、n i s s a n 、俄亥俄州立大学、俄罗斯联邦科学中心物理与能源工 程研究所( s s c r f i p p e ) 等【1 21 6 1 。 1 2 3 温差发电技术在国内的研究与应用 我国在半导体热电制冷方面的研究应用具备一定的领先水平，也已经形成相关产 业集群，具有竞争优势。但是对于温差发电的研究和应用由于起步晚，与国际先进水 平仍然有差距。在当前科技强国战略指导下，随着材料科学和生产工艺的进步，温差 发电技术的应用在航空航天、军事、化工和能源领域的经济效益和应用价值日渐凸显， 我国也加大了对于半导体温差热电技术的开发利用的力度，希望能够赶超国际先进水 平并早日实现相关行业的产业化经营。 在上世纪六、七十年代时包括中科院半导体研究所、浙江大学等知名研究机构都 投入到了半导体温差发电技术的探索和研究。现今国内的研究工作主要由高校承担， 如清华大学【1 7 】、浙江大学、同济大学、吉林工业大学、华南理工大学、武汉理工大学 在由 寺亍。 西安交通大学的陈浩在国内首次研究了半导体热电堆发电的问题，给出了分析公 式、求解方法并进行了实验验证，为国内的温差发电的设计和发展奠定了理论基础。 浙江大学的钱剑锋研究了热电器件的热电性质，给出了热电式电源的设计方案并设计 了实际可用的设备，进行了针对性的仿真和优化。吉林工业大学的董桂田以国产解放 1 4 1 的排气废热温差发电进行了研究，通过计算给出了项目实施的可行性，证明了热 电系统的经济性【1 剐。同济大学使用有限时间热力学理论对温差热电模块发电器的工作 性能进行分析研究，推导出在内外均不可逆条件下温差发电器输出功率和输出效率的 表达式瞄】。华南理工大学针对排气管热流的换热的研究，提出采用内置轴向网装热电 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o k 转换模块和多级级联结构，并且将冷热源进行分离的研究思路【1 1 1 7 】。武汉理工大学的 邓亚东等对于汽车尾气发电装置以及系统的布置问题进行了深入的研究，并且建立了 台架试验台、同时进行了数据采集和系统仿真的工作【2 1 1 。结合温差发电器件主要的热 电性能参数，清华大学搭建了温差发电器热电性能的测试平台，并在此基础上进行了 相关的热电性能测试，获得较为精确的理想效果c 2 3 】。 获得国家科技部2 0 0 3 年科技型中小企业创新基金6 0 万元资助的厦门纳米克热电 电子有限公司从2 0 0 1 年开始对于半导体温差发电技术进行自主研发，成功开发出拥 有自主知识产权的半导体热电模块产品。在输出功率、耐温性能和疲劳性能等多项关 键指标都达到国际先进水平的同时，其制造成本仅为国外同类产品的2 0 。这标志着 半导体温差发电技术作为一种新能源解决方案，有望正式进入产业化发展时代。 值得肯定的是，我国在半导体温差发电技术上的研究和应用已经初见成效。但应 该看到与国外先进水平仍有较大的差距【2 0 2 4 2 5 1 。虽然有国家指导和政府在政策上的优 惠，但由于缺乏相关配套技术，尤其是材料技术和生产工艺方面的限制，市场的接受 度并不高。在相关的产业化应用和商业化运营上，比较落后。所以，应该给予半导体 温差发电技术更大的重视，进一步加大对于该技术的研究开发投入，引入更多的利益 相关方，促进相关产业的形成与发展。 1 3 本文的研究内容与技术路线 现今的能源紧缺问题凸显，环境污染问题日益严峻，积极开发新能源成为当务之 急。提高传统动力机械的能源利用率，对于生产生活中的废热加以利用也很有现实意 义。现在大型内燃机广泛应用于油井和气田的生产中，在消耗燃料的同时也会像普通 内燃机一样随着排气损耗大量的能量。使用半导体温差热电技术，对于这部分排气废 热加以回收利用，提高了能源综合利用率、降低排气噪声和环境污染。 本文在这样的工程背景下，通过对热电模块热力学理论分析和计算、结合电子技 术和自动控制理论，建立实验台架，探讨一种适合大型内燃机排气废热回收发电方案。 本文的研究内容和拟采用的技术路线如下： ( 1 ) 在研究掌握半导体温差热电模块的温差电动势a 、电导率o 、热导率k 、优 值z 等基本参数的基础上，结合大型油井用消声器的尺寸和表面温度参数，讨论半导 体温差模块安装布置区域。根据半导体温差模块的具体参数特性，比较温度控制方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 以及相应的经济成本，设计安装方案。 ( 2 ) 在理论分析计算基础上，通过实验方式探讨在不同温度条件下，半导体温 差发电模块阵列对废热能量利用率、系统发电功率等关键性能参数的影响；研究探讨 不同负载条件下的半导体温差发电系统最大输出功率与最佳发电效率的关系。 ( 3 ) 在前述工作的基础上，利用电子技术和自动控制方法，设计相应的温度自 动控制模块，使半导体温差发电阵列的热端工作温度处在适合的温度区间中，分析发 电的输出特性；研究设计合理的降压稳压电路对半导体温差发电系统的输出电流进行 滤波和稳压，从而实现回收电能的存储和利用。 ( 4 ) 根据以上的研究工作，结合具体的工程环境建立温差发电阵列在大型天然 气发动机排气消声器的安装方案，并总结了建立温差发电系统的设计要点和评价参 数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第2 章温差发电的理论基础 温差热电材料具有对电能和热能这两种形式的能量进行转化的特性。热力学中的 热电理论是温差发电的理论基础，利用热电基本效应，使得温差发电的应用成为现实。 金属导体所具有的温差电效应是非常微弱的，不能够完成热电转换的实际应用。而材 料科学的发展，特别是固体物理学的研究突破和半导体冶金技术的长足进步使得满足 温差发电条件的热电材料逐步出现，并得到了越来越广泛的应用。本章主要介绍温差 发电中的基本热电效应和相关的性能参数指标，并且分析热电材料这些参数问的相互 关系。 2 1 基本热电效应 热电效应又称为温差电效应闭，是指物体在受热时，电子( 洞) 在随着温度梯度 从高温区向低温区移动的过程中，所产生的电荷堆积现象。这个现象用t h e r m o p o w e r ( q ) 的参数来测量，其定义式为： q = 去 协 其中，e 是因电荷堆积产生的电场强度；一d t 是温度梯度。 而热电效应是对赛贝克效应( s e e b e e ke f f e c t ) ，帕尔贴效应( p e l t i e re f f e c t ) 和汤 姆逊效应( t h o m s o ne f f e c t ) 这三种效应的一个统称。与温差电效应相伴产生的还有 焦耳效应和傅里叶效应。 2 1 1 塞贝克效应 t 8 2 1 年，德国人托马斯塞贝克发现由两种不同的金属构成的回路中，如果接口 处的温度不同，周围会出现磁场。经过进一步的试验研究，证明了回路中有电动势的 存在。后来讲这种电动势称为温差电动势，而把这种现象称为塞贝克效应或者热电第 一效应。 如图2 1 ，由两种不同的材料a 与b 构成的回路中，在接触点温度不同的时候， 回路中会出现电流。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 t 1 图2 - 1 塞贝克效应示意图 现假设接触口1 和接触口2 处在不同的温度下( 接触口1 温度为t 1 ，接触口2 温度为t 2 ，t i t 2 ) 。则该回路的开路位置p 和q 之间，会出现电位差，这就是塞贝克 电压，其定义式为式2 2 ，常用单位u v k 。 k = ( 互一互) ( 2 2 ) 当接触口之间的温差丁= 五一正不大的时候，上式为线性关系，是常数，被 称为两种材料的相对塞贝克系数，其定义式为： ：盟 。(2-3) 2 等d l 塞贝克效应中的电位差有正有负，所以塞贝克系数也有正负之分。如果电流在接 触口1 由导体a 进入导体b ，规定此塞贝克系数为正值，反之则为负值。由此可见， 塞贝克系数的数值和正负仅仅取决于导体之间的热电特性，与温度梯度的大小和方向 无关。 塞贝克系数也称为温差电动势率，它的物理本质实际上是在温度梯度作用下的导 体内部载流子分布变化。假设某一导体棒的一端为高温端，而另一端为低温端，则可 以将导体内的自由电子看作是介质中的气体。根据分子的热运动现象显然高温端的自 由电子平均动能是高于低温端，从整体上来看就会出现电子向低温端迁移聚集的现 象。这样的电子积累到一定的程度会产生内建电场，阻止自由电子继续向低温端的迁 移而达到平衡的状态。 上述的假设仅仅考虑了自由电子作为载流子。但是实际上，有可能存在两种载流 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 子。比如在半导体材料中，就含有带负电的自由电子和带正电的空穴。p 型半导体材 料的载流子是带正电的空穴，塞贝克效应也会使空穴从高温端向低温端迁移。注意空 穴是带正电的载流子，达到平衡时产生的内建电场的场强方向与n 型半导体在相同条 件下的塞贝克效应形成的电场场强方向相反。在实际应用中半导体热电材料组成的热 电偶每摄氏度温差只能产生几百微伏的电动势，所以通常需要将一定数量的半导体热 电偶进行串联。这也正是利用了p 型和n 型半导体的塞贝克电压极性相反的性质，以 此制作出来的热电模块就能产生一定的温差电动势了。如图2 - 2 所示为多对半导体热 电偶进行串联组成半导体温差模块示意图。 2 1 2 帕尔贴效应 图2 - 2 半导体热电偶串联示意图 法国科学家波尔贴在1 8 3 4 年发现，两种不同金属构成的回路中，如果回路中有 电流，两个接头之间会产生温差，这个现象可以看做塞贝克现象的反面。此现象被称 为波尔贴现象或者热电第二效应。 如图2 3 ，当两种不同的材料a 和b 构成闭合回路时，如果回路中有直流电源， 两材料的接触头间将产生温差并且出现吸热与放热现象，这种吸热和放热端会随电流 方向发生变化。 叶 v p 、 图2 - 3 帕尔贴效应示意图 呻 0 p - 、1 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 长期的热电研究表明，吸热和放热的量q 与回路中的导电材料，材料间接触头 的温度以及电路中施加的直流电流大小有关。现假设电流是由材料a 流向材料b 的， ) j l j z , 在接触头1 处的吸热量q 应有： q p o ci d t = 氕曲i d l = n b q ( 2 - 4 ) 上式中i 是电流强度，q 是流过的电荷量，t 是单位时间，是帕尔贴系数。回 路中的电流由a 流向b 时，a a , 大于零，接触头1 吸热，接触头2 放热，y 寸i - f _ 值； 反之他小于零，接触头2 吸热，接触头1 放热，为负值。 实际上，当今生活中使用的冰箱、冰柜等制冷系统中就是广泛的采用了这种半导 体制冷原理。 2 1 3 汤姆逊效应 1 8 5 6 年，爱尔兰科学家汤姆逊利用由他创立的热力学原理对前述两种热电效应进 行全面的研究分析，成功将本以为毫无关系的塞贝克系数和帕尔贴系数联系起来。汤 姆逊同时得出结论，认为必然存在一种新的温差电效应。当电流在温度不均匀的导体 中流动时，除因导体电阻而产生不可逆的焦耳热以外，还会吸收或者放出一部分后称 为汤姆逊热的热量；或者当金属导体两端的温度不同时，导体两端会形成电势差。后 将此现象称为汤姆逊效应，又称为热电第三效应，如图2 - 4 所示。 汤姆逊效应中放出( 或吸收) 的热称为汤姆逊热，汤姆逊热与通过导体的电流， 通电的时间成正比。 图2 4 汤姆逊效应示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 现假定温度梯度很小，则有： d o t = r l d t d t d r ( 2 5 ) 其