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以热电发电机为核心的低温废热回收系统的实验与模拟

Cheng-Ting Hsu a, Gia-Yeh Huang b, Hsu-Shen Chu c, Ben Yu d, Da-Jeng Yao a,b,

a NanoEngineering研究所和新竹 30013，台湾，中华民国国立清华大学微系统公司

b国立清华大学机械工程动力系,新竹 30013，台湾，中华民国

c 材料和化学研究实验室,工业技术研究所,台湾新竹,中华民国

d 智慧生命技术有限公司，新竹，台湾，中华民国

摘要

在这个研究案例中，我们制造了一个由24个热电发电机组成的废热回收系统，它将收集来自机动车排气管的热并把它转化为电能。对本系统中的热电模块组件进行模拟与试验是为了对应用的可行性进行评价。为了统一能够改善热电发电机模块运行状况的内部热场，我们在模拟结果的基础上设置了喷溅块。除了模拟之外，系统也是经过特别设计与安装的。测量（尺寸？）随系统的连接至排气管道中部。系统的断路电压与最大输出功率具有制造温度差的功能。通过这些模拟与实验，带有热电发电机模块的发电机展现出其良好的经济效益。通过对本研究和我们前期的工作进行总结，我们得到的了能够提升机动车热电发电机效率的低温废热热电发电机系统的基本结论。

关键字 ︰余热 恢复 热电 发电机 排气管 模拟

1.简介

随着人们对环境保护的重视成都不断提高，热电技术正在被人们愈发广泛的研究。热电发电机可以通过简单且可靠的方式提供热电能源。此外热电发电机具有诸多优势，例如无移动零部件、相当环保。由于具有这些优点，使用热电发电机收集废热已经在很多产业领域中被人们所关注。并且在最近的30年中，更多的人开始关注应用这一热电技术来提高废热回收效率，利用包括地热能、发电厂、机动车等其他产业的多种热能。 [1–12].

然而，热电动力发电机的所面临的一个基本问题就是热-电转换效率相对比较低。全球的研究小组现在都在努力提升热电材料的转换效率，例如BiTe, ZnBe, CeFeSb, SiGe，甚至是新兴的纳米晶体和纳米线热电材料。

但是，纳米材料的缩尺使其很难真正应用于我们的日常生活，所以这种技术仍在开发阶段。对于废热回收发电机，有很多应用与机动车的概念性的设计，他们中的大多数都是使用 BiTe-based bulk热电材料，因为这种材料很容易买到。Hi-Z技术，尝试去发现并提升热电模块的效率。HZ-14模块是基于Bi₂Te₃的，理论和实验的效率提高到约5%。 Hi-Z实际装置的目标是达到20%效率值。设想，如果按照一千瓦计算，拥有此效率的热电发电机机组的燃料消耗就能下降12%到30%。对于机动车领域热电技术的应用，Hsiao and Chang 建立起了一个数学模型来预测附属于废热回收系统的热电发电机的运行表现。结果显示，热电发电机模块在排气管上的表现优于其在散热器上的表现。最近，Thacher et al.研究了通过将16台在高速时表现良好的BiTe-based 热电发电机模块进行一系列的连接，从一辆轻型货车的废气中进行废热回收的可行性 ，在这之后，Niu将58个 BiTe-based热电发电机模块连接，展示了使用热电发电机进行低温废热回收的巨大潜力，它拥有良好的转换效率（g4.44%）.为了提高性能，Gou提出了一些建议，例如提高废热温度、增加串联热电发电机模块，在合理范围内增大散热片表面积，增强冷段热转化能力。

在先前的研究中，我们设置了一个热敏电阻网对一对能帮助准确预测输出功率热电legs进行了分析。此外，我们还使用仿真模型来研究热场分布并进行系统输出功率的预测。这些结果都已经过实验的证实 [21,22]。在本研究中，我们会针对之前的工作进行进一步的研究，考虑提出哪一个相关的热电方程，模拟结果将被用来选择合适的散热器[22]。本研究旨在研究将废热能转化为电，尤其机动车和摩托车方面。下面的章节将介绍废热回收系统的设计，模拟，以及组装并达到回收能源目的的具体情况。

2.实验装置

此废热回收系统是为机动车排气管设计的。热电发电机模块（MH400302055, Wise Life Technology, Taiwan）进行电串联与热并联，这些模块被放置在有废气通过的铝热交换器的表面。图表1展示了废热回收系统的原理图。本实验装置中也安装了一些测量仪器。一个电源（HP 6032A system power supply）用于驱动这些风扇为散热片降温。热电发电机模块的冷热面嵌入T形热电偶来记录测量时的温度。将高功率电阻器组串联到用来为最佳功率捕捉匹配负载的系统上。 连接安培表与伏特表分别用来测量电路中的电流和外部负载电阻的电压。

3.模拟分析

3.1. 系统框架

作为先前研究的第一代废热回收系统的延续，第二代的产品与第一代产品相比增加了尺寸，如图表2所示。尺寸的长度由27扩展到54厘米，宽度由17扩展到23.6厘米，高度由23.6扩展到29.6厘米。此外，热电发电机的数量也由8增加到24.

图 2. 第二代废热回收系统模型.

表 1本系列模拟中的临界条件

表1给出了这个系列模拟中各个要素的临街条件及尺寸，热量管理解决方案的系统设计利用的是市场上可以买到的计算流体动力学的软件及热仿真软件。所选择的的热电模块的限制限定了热端工作流体的允许温度一般都低于573K。所以，573K的特定温度被作为模拟中的排气温度。对外流来说，轴流式通风机（Minebea–Matsushita 2410ML-04 W-B86）的流速为 1.04 10 ² m³ s ¹ （数据来源于供应商）。因此，当环境温度设定为300K时，此速度下的风扇流量需要考虑在本次模拟之中 。

图1， ,实验用废热回收系统示意图 1: 机动车排气管. 2: 废气通过的热交换器. 3: 热电发电机模块. 4: 散热器 5: 轴流式风机. 6: 热电偶. 7: 电源. 8: 高功率电阻器组 9: 安培表. 10: 伏特表.

3.2. 热场分布

值得注意的是，在组装系统之前进行模拟将有助于进一步设计。就这个具体案例来说，汽车排气管的直径是65毫米，但是这个废热回收系统的热交换机的宽度是设计为236毫米的。在废气气流穿过排气管进入系统时，通道会突然变宽，这会导致热交换器内热场分布不均衡。也就是说，大部分热量会集中在热交换器的中部，只有小部分的热能够穿过两层，如图表3a所示。这会严重影响热电发电机的总体性能。因此附着于两侧的热电发电机模块比安装在中部的热电发电机模块性能表现会更差。为改善这种情况，我们在进气口通道突然变宽处安装了slopping block，如图表3b 和4c所示。喷溅块把热源分为三部分，这可以使热的分布更加均衡，两侧的热电发电机模块运行状况也会得到改善。在图表3a和b的模拟中，环境温度设定为300K,但是系统中的热可能会积累，环境温度可能会在短时间内升高。忽略这一短暂的现象，我们在稳定状态中获得了图表3展示的运行结果。

图 3. 稳定状态热场分布图: (a) 和(b)分别显示的是，铝制热交换器进气口通道突然变宽处有 slopping block 和没有 slopping block 的情况

4. 测量

4.1. 系统设置

为评估这个研究案例的输出性能，设置了废热回收系统，如图表4.图表4a例举了应用了199对TElegs的热电发电机模块。我们在表格2中列出了一对TE legs的几何性质和输运性质。图表4b和c分别是进气口罩和排气口罩的照片，可以明显的看到，在做过模拟实验后，我们在进气口处安装了slopping block。图表4d的照片中是19翅片的铝制散热器，它作为热交换器来提取废热。图表4e展现的是半成品系统。热电发电机模块上的铜质散热片和轴流式通风机（Minebea–Matsushita 2410ML-04 W-B86） 在热电发电机的冷端降低降低温度来形成更大的温差。图4e中的胶木框的作用是固定和区分热电发电机模块的位置。这种胶木框是一种有效的隔热材料，可以防止热能的流失。图4f是废热回收系统的照片。把两个19翅片的铝制散热器作为废气通过的热交换器安装在相反位置。翅片结构组成的热交换装置比先前研究试验中讨论的无翅片结构更高效。本系统中，散热片和热交换器中间放置了24个热电发电机模块。其他各个部件的具体尺寸列在表格1中。为了降低接触热阻，在热电发电机模块的两侧都统一涂抹了热传介质材料和散热膏。

图4. 废热回收系统图: (a) 热电发电机模块 (b) 排气口封盖. (c) 通道突然变宽处安装的slopping block. (d) 19翅片铝制散热器. (e) 与(f) 半成品与成品系统

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