闞宗祥(香河東方電子有限公司 065400）

半導體溫差發(fā)電技術在鋁電解槽中的應用研究

闞宗祥
(香河東方電子有限公司 065400）

測量鋁電解槽的散熱量、槽壁熱流密度及溫度，對半導體溫差發(fā)電技術用于鋁電解槽的可行性進行分析。結合鋁電解槽和半導體溫差發(fā)電技術的特點，設計符合鋁電解槽特點的半導體溫差發(fā)電裝置，測量發(fā)電裝置的功率和效率。測試結果顯示半導體溫差發(fā)電技術可用于鋁電解槽余熱發(fā)電。

半導體；溫差發(fā)電技術；鋁電解槽

0.引言

溫差發(fā)電技術是一種將熱能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿墓虘B(tài)能量轉(zhuǎn)化發(fā)電技術，與傳統(tǒng)發(fā)電技術相比，溫差發(fā)電技術的體積和自重都具有明顯優(yōu)勢，因而溫差發(fā)電裝置的可移動性和便攜性能更好[1]。溫差發(fā)電技術的原材料為熱能，無需其他能源，屬于綠色環(huán)保發(fā)電技術。半導體溫差發(fā)電技術是一種基于半導體熱點轉(zhuǎn)換材料的發(fā)電技術，由于半導體溫差發(fā)電技術的成本較高，該技術多用于高精尖領域，例如衛(wèi)星和電力系統(tǒng)[2]。隨著科技的不斷進步，半導體溫差發(fā)電技術的應用成本大幅度降低，該技術的應用范圍也越來越廣，并且逐漸用于工業(yè)民用領域，本文主要對半導體溫差發(fā)電技術在鋁電解槽中的應用進行研究。

1.半導體溫差發(fā)電技術應用于鋁電解槽的可行性分析

1.1 鋁電解槽特點

鋁電解槽是進行鋁電解過程的主體設備，隨著鋁電解工藝水平提升，鋁電解槽容量及電流量也在不斷提高，造成單位面積散熱強度提高，鋁電解槽外殼溫度也更高。相關研究報道[3]，150～320kA容量的鋁電解槽，正常運行狀態(tài)下鋁電解槽側(cè)部溫度在260～400℃。雖然化學能量轉(zhuǎn)化技術可回收能量，但是回收率低于50%，半數(shù)以上余熱未經(jīng)處理后直接排至大氣內(nèi)[4]。余熱排向大氣不僅造成能量損失，也容易導致鋁電解槽工作環(huán)境的溫度上升，影響鋁電解槽的性能。因此，基于鋁電解槽的熱損失較高問題，有必要使用溫差發(fā)電技術回收余熱，提高余熱利用率以及改善車間工作環(huán)境。

1.2 鋁電解槽側(cè)部散熱量分析

溫差發(fā)電技術所用熱能需要滿足一定條件，即熱能屬于低品位熱能。因此將半導體溫差發(fā)電技術用于鋁電解槽前，需要對鋁電解槽的熱能進行分析，判斷側(cè)部散熱量是否符合低品位熱能要求[5]。本研究根據(jù)電解槽總體散熱量判斷電解槽的熱能質(zhì)量，并采用基于電壓的電解槽散熱量計算公式進行計算，公式：

hb=I(Eb-E△H)…… ①

公式①中Eb=E槽- E母線- E均攤……②

公式①中hb、I、Eb、E△H、分別表示電解槽單位熱量損失、電流強度、熱平衡體系邊界內(nèi)電解槽的電壓降、當量電壓；公式②中E槽、E母線、E均攤分別表示槽電壓、陰陽極母線壓降、母線均攤電壓。

從公式①可以看到鋁電解槽散熱量主要與電流強度、電壓降和當量電壓有關，且關聯(lián)程度不同。在鋁電解槽中，電流和體系電壓屬于固定值，電流和體系電壓與溫度無關。當量電壓屬于變量，溫度變化可引起當量電壓發(fā)生變化。

鋁電解槽通過頂部、底部和側(cè)部散熱，各個部分的散熱效果與草體結構有關。在穩(wěn)定運行的電解槽中，各個部位的散熱量相對固定。本文所用鋁電解槽溫裝置主要通過電解槽側(cè)部發(fā)熱，在鋁電解槽容量范圍內(nèi)，側(cè)部槽殼散熱量占總散熱量的20%～27%，符合溫差發(fā)電技術對散熱量的要求。

1.3 散熱孔溫度計熱流密度分析

溫差發(fā)電技術要求溫差符合一定標準，熱量才能轉(zhuǎn)化為電能。因而需要對鋁電解槽散熱孔溫度和熱流密度進行測試。本文使用紅外測溫儀和熱流儀測試某企業(yè)320 kA系列預焙鋁電解槽散熱溫度和熱流密度，并選擇15個散熱孔進行分析?，F(xiàn)場結果顯示，15個散熱孔的溫度在301～44℃，熱流密度在6342～9371 W·m-2，符合溫差發(fā)電技術對溫差的要求。

1.4 可行性研究

內(nèi)可轉(zhuǎn)換熱能3520.8W，輸出電能29.4kW/h，可作為企業(yè)照明用電。

2.鋁電解槽余熱溫差發(fā)電裝置設計

根據(jù)鋁電解槽側(cè)部散熱孔的尺寸，將半導體溫差發(fā)電裝置分為四個部分：鋁電解槽散熱孔壁、高導熱模塊、溫差發(fā)電模塊和冷卻模塊，溫差發(fā)電模塊為核心，負責熱能轉(zhuǎn)化。高溫導熱及冷卻模塊的底座采用鋁片設計，提高導熱系數(shù)。模塊周邊使用高效隔熱材料包括，隔熱材料的熱導系數(shù)為0.012 W(m·K)，可有效降發(fā)電裝置內(nèi)部熱損效率。電能輸出負載電路及控制裝置采用采用三層框架設計，自上而下分為散熱模塊、裝置框架和導熱模塊，各個轉(zhuǎn)換裝置串聯(lián)若干個溫差發(fā)電模塊。

根據(jù)發(fā)電裝置的內(nèi)阻及相關測試數(shù)據(jù)，本實驗條件下發(fā)電裝置的輸出功率維持在20 W左右，詳細結果見表1?，F(xiàn)場測試結果顯示，100℃溫差條件下單個熱電轉(zhuǎn)換裝置可滿足4個5W節(jié)能燈穩(wěn)定工作。對裝置連續(xù)測試20h，結果顯示發(fā)電裝置運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常。

表1 熱電轉(zhuǎn)換裝置測試結果

3.結語

目前鋁電解槽熱能利用率低，熱損高，不僅帶來環(huán)境污染問題，更造成能源浪費，將半導體溫差發(fā)電技術用于鋁電解槽中可以降低熱量損失，提高能源利用率，為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟效益。但是應用半導體溫發(fā)電技術還需要解決成本問題和發(fā)電裝置對現(xiàn)場設備的影響，而且本研究結果顯示熱點轉(zhuǎn)換效率仍不高，還需要熱傳和熱阻入手，提高轉(zhuǎn)換效率

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