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熱電發(fā)電機(jī)在傳統(tǒng)汽車中的應(yīng)用范文

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熱電發(fā)電機(jī)在傳統(tǒng)汽車中的應(yīng)用

摘要:十三五中,節(jié)能降耗是工業(yè)發(fā)展的重要主題,現(xiàn)代汽車行業(yè),余熱利用成為研究熱點(diǎn)。文章在分析現(xiàn)有的熱電發(fā)電機(jī)先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出一種新穎的熱電發(fā)電機(jī),其被分成三個(gè)模塊,第一個(gè)模塊涉及到在薄膜技術(shù)中沉積的熱電結(jié)構(gòu),第二和第三模塊包括產(chǎn)生高導(dǎo)熱的平面內(nèi)結(jié)構(gòu)所必需的溫度梯度,而熱流是垂直的(跨平面)通過(guò)設(shè)備。這樣,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高集成度熱電偶和熱接觸面積的最大,可為汽車行業(yè)的熱電發(fā)電及余熱利用提供參考。

關(guān)鍵詞:余熱利用;汽車熱電裝置;先進(jìn)技術(shù);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1引言

在制造業(yè)消耗的能源中,約有三分之一是作為大氣或冷卻系統(tǒng)的熱損失。這些排放過(guò)程的結(jié)果是效率低下和生產(chǎn)工廠無(wú)法利用過(guò)剩的能源。這些浪費(fèi)的能量(熱量)估計(jì)超過(guò)10夸脫/年(1夸脫=1015Btu),相當(dāng)于17.2億桶石油或127天進(jìn)口原油供應(yīng)。這些損失的能量大部分是“低質(zhì)量的”,恢復(fù)起來(lái)既不實(shí)用也不經(jīng)濟(jì)。一個(gè)部分廢熱,高達(dá)1.8夸脫/年,1被認(rèn)為是機(jī)會(huì)進(jìn)行熱回收的能量。正在考慮各種技術(shù),包括熱電技術(shù),以恢復(fù)和恢復(fù)將工業(yè)過(guò)程中的廢舊能源轉(zhuǎn)化為有用的電能。熱電(TE)技術(shù)于1821年發(fā)現(xiàn)于半導(dǎo)體固體材料,當(dāng)它產(chǎn)生電流時(shí)連接在一起,并承受著跨接點(diǎn)的溫差。這個(gè)屬性使產(chǎn)生直流電成為可能,方法是在TE的一側(cè)施加余熱材料,而另一側(cè)暴露于較低或環(huán)境溫度環(huán)境。TE在1995年以前可用的材料產(chǎn)生了熱電轉(zhuǎn)換效率2%到5%的范圍,并且只在小范圍的應(yīng)用中使用。然而,最近的重大量子阱和納米結(jié)構(gòu)對(duì)TE的影響的科學(xué)認(rèn)識(shí)的進(jìn)展性能與現(xiàn)代薄層和納米尺度的制造技術(shù)相結(jié)合,為高性能的熱電創(chuàng)造了機(jī)會(huì),先進(jìn)的TE材料與潛在的轉(zhuǎn)換效率超過(guò)15%。這些先進(jìn)的TE材料的出現(xiàn)為回收廢熱提供了更高效,更經(jīng)濟(jì),更可靠的機(jī)會(huì),這些材料相對(duì)被動(dòng)的系統(tǒng)不產(chǎn)生噪音和振動(dòng)。因此,熱電(TE)產(chǎn)生作為一項(xiàng)有前途的技術(shù),在汽車工業(yè)領(lǐng)域,通過(guò)回收廢氣中的廢熱能量為各種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)減少油耗。

2熱電發(fā)電機(jī)新興技術(shù)研究進(jìn)展

采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的余熱回收技術(shù),余熱回收在經(jīng)濟(jì)上是可行的,回收能源的特點(diǎn)是隨時(shí)可用。廢熱可以通過(guò)與其他材料/液體(如熱量)交換能量來(lái)回收能量或轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量(如熱能轉(zhuǎn)換為電)。因此,微納米技術(shù)的進(jìn)步為有效回收余熱的提供新的機(jī)會(huì)。確定TEG廢熱回收的關(guān)鍵應(yīng)用程序是確定現(xiàn)有工藝流體之間的熱交換情況。熱電發(fā)電機(jī)(TEGs)的電壓輸出為不僅依賴于TE材料的塞貝克系數(shù),而且還有安裝在TEGs中TE模塊(TEMs)的溫度差。在熱電發(fā)電機(jī)中,塞貝克效應(yīng)被用于利用材料對(duì)結(jié)之間的電勢(shì)將溫差直接轉(zhuǎn)換成電的過(guò)程。早在1958年,它就被提議為供電偏遠(yuǎn)地區(qū)提取廢舊石油燈的熱量,用熱電發(fā)電機(jī)為無(wú)線電接收器提供電能。還有深空任務(wù)“旅行者”號(hào)由放射性同位素提供電能熱電發(fā)電機(jī)(RTGs)。最近,熱電發(fā)電機(jī)(TEGs)已經(jīng)被使用通過(guò)人體釋放的熱量來(lái)驅(qū)動(dòng)腕表。熱電器件的微型化是很有前途的,因?yàn)閷?duì)一個(gè)小的設(shè)備可以集成大量的材料,這導(dǎo)致小溫差實(shí)現(xiàn)高電壓已經(jīng)成為可能。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種方法是整合縮小“宏觀”的Peltier冷卻器。用垂直厚膜技術(shù)制備的熱電偶串聯(lián)連接。還有一個(gè)例子就是以BiTe合金為基礎(chǔ)的Peltier發(fā)電機(jī),這是商業(yè)化的微型版本。在這些元素的生產(chǎn)工藝,每一種材料都是在20mm左右厚度的硅晶片上單獨(dú)由反應(yīng)性離子蝕刻,然后結(jié)合在1.12mm2的芯片上,集成了12個(gè)熱電偶并提供67w溫差的輸出功率5k。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者,進(jìn)行了一系列研究來(lái)確定TEGs的熱回收性能。Cangies等人研究了TEMs冷、熱側(cè)表面溫度的冷卻劑溫度。他們還展示了功率輸出TEG的變化和轉(zhuǎn)換效率是冷卻劑的溫度的變化引起的。Thacher等人報(bào)道了冷卻劑溫度從363下降到303K熱電模塊轉(zhuǎn)換的效率提高了25%左右,功率輸出沒(méi)有任何不良影響。Rezania等人進(jìn)行了冷卻劑流量對(duì)TE溫度場(chǎng)的影響調(diào)查,他們發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的冷卻劑流量下,產(chǎn)生的最大凈功率輸出隨TE冷熱的平均溫差增加而增加。Karri等人對(duì)最佳的冷卻劑流量進(jìn)行了分析確定,通過(guò)考慮需要的泵送功率來(lái)計(jì)算TEG的凈功率,以將冷卻劑最大化引入TEG中。

3高效熱電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TEGs的能量利用率之前沒(méi)有被深入研究過(guò),它決定了整體的功率輸出性能和系統(tǒng)的效率。通過(guò)分析能量利用的結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)特定環(huán)境下的TEGs發(fā)電的影響,并對(duì)產(chǎn)量有一定的影響,很多學(xué)者改進(jìn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置,提高了能源利用效率。為了檢查能量TEGs的利用效率、發(fā)電特性應(yīng)該用幾個(gè)因素來(lái)徹底檢查。因此,在本研究中,設(shè)計(jì)分析了廢氣能量的流動(dòng),為了增加功率,減少排氣道與排氣道之間的傳熱面積,環(huán)境和材料的熱界面,使用具有較高的適應(yīng)性。一種使熱電發(fā)電機(jī)小型化的替代方法是以薄膜為基礎(chǔ)的熱電偶應(yīng)用于各種傳感器的測(cè)量等應(yīng)用紅外輻射、真空、氣體流動(dòng)或熱通量。HSG-IMIT和Kundo首次采用了這種技術(shù)。n由摻雜單硅和鋁制成的熱電偶集成變成Si膜。類似的設(shè)備最近在中提出了改進(jìn)的隔熱材料。本文設(shè)計(jì)了一種熱電的設(shè)計(jì)與制造發(fā)電機(jī)用于現(xiàn)代汽車上,具有優(yōu)化的熱流路徑,使最高溫差位于熱電偶之間連接。

蜿蜒的熱電偶(n-poly-Si/Al)位于硅晶圓片上,采用薄膜技術(shù)制造實(shí)現(xiàn)高集成度。模塊化的制造過(guò)程也位使用其他的材料提供了機(jī)會(huì),如耐蝕合金或自組織超晶格材料,提供優(yōu)越的熱電性能。熱通量引導(dǎo)于襯底平面到平面熱電偶垂直接頭,平面由高導(dǎo)熱導(dǎo)電性的金屬條紋組成。因此,來(lái)自周圍區(qū)域的熱通量垂直引入芯片的面積,引導(dǎo)通過(guò)熱電偶在一個(gè)平面方向,并釋放熱量垂直于底部區(qū)域。這樣的安排保證發(fā)電機(jī)與環(huán)境的熱耦合以及熱電偶上的最高溫度梯度。由于直接相關(guān)的電流和熱通量通過(guò)裝置,系統(tǒng)的設(shè)置也可以使用作為直接測(cè)量熱流或溫度的傳感器。對(duì)所制備的器件進(jìn)行了仿真,其溫度場(chǎng)分布對(duì)稱合理。模塊A(即熱電偶膜結(jié)構(gòu))涉及到熱電結(jié)構(gòu)在基板上,基本上是由熱電偶構(gòu)成的沉積在硅晶圓片材料上的曲流矩形,阻隔層SiO2使熱電堆絕緣,以防止電氣短路通過(guò)模塊B中制造的熱接觸結(jié)構(gòu),這樣允許使用各種熱電材料可以沉積在Si襯底上。對(duì)于汽車工作環(huán)境的考慮,其工作環(huán)境較為惡劣,由于這個(gè)原因,在這項(xiàng)工作中選擇了n摻雜的多晶硅和鋁的環(huán)境可適應(yīng)性。模塊B(即頂部熱控制器),主要功能為通過(guò)熱電頂部的熱連接器將熱量從頂部表面?zhèn)鲗?dǎo)到熱電偶。為此目的,金屬沉積在其中,熱通過(guò)絕緣SU-8光刻膠形成的溝槽,該頂部的大面積用作設(shè)備的熱接觸墊。在模塊C(即底部熱控制器)中,P-N結(jié)與其絕熱襯底通過(guò)背面DRIE工藝穿過(guò)襯底,這樣發(fā)電機(jī)的冷側(cè)冷端與底部熱端連接。第二個(gè)晶片粘合到背面實(shí)現(xiàn)良好的熱接觸并避免空洞污染。這樣設(shè)計(jì)的熱電發(fā)電系統(tǒng)(p-Bi0.5Sb1.5Te3和n-Bi0.87Sb0.13)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明:在某家用車輛中應(yīng)用,其輸出電壓9.51mvk−1,這個(gè)值相比其他現(xiàn)有的基于薄膜的設(shè)備,其性能更加優(yōu)良。

4結(jié)果

綜上,本論文中,以方式制作薄膜提出了一種新穎的熱電發(fā)電機(jī)。其被分成三個(gè)模塊,第一個(gè)模塊涉及到在薄膜技術(shù)中沉積的熱電結(jié)構(gòu),第二和第三模塊包括產(chǎn)生高導(dǎo)熱的平面內(nèi)結(jié)構(gòu)所必需的溫度梯度,而熱流是垂直的(跨平面)通過(guò)設(shè)備。這樣,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高集成度熱電偶和熱接觸面積的最大,可為汽車行業(yè)的熱電發(fā)電及余熱利用提供參考。

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作者:肖忠寶 單位:山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院

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