■ 張志偉 朱錕 王斌 牟園偉 袁善虎 韓玉琪 付玉/中國(guó)航發(fā)研究院

鄧元 祝薇 王瑤/北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

熱電材料是一種能實(shí)現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料，基于熱電材料加工的發(fā)電器件非常適合用作微小型電源。當(dāng)前，四代機(jī)動(dòng)力的能量利用率不足35%，逃逸熱能在數(shù)萬(wàn)千瓦以上，如果能捕獲和利用1%，則至少能提供數(shù)百千瓦的電能。本項(xiàng)目擬突破新型高效率高穩(wěn)定性熱電材料與發(fā)電器件的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)逃逸熱能的捕獲與利用，分階段逐步達(dá)到為航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器供電（0～1kW）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電（1～20kW）和電動(dòng)燃油泵供電（10～100kW）的目標(biāo)。

熱電材料是一種能實(shí)現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)換的固體功能材料?；诖朔N材料制作的熱電器件可利用溫差發(fā)電，也可在通電的情況下對(duì)部件進(jìn)行制冷，如圖1所示，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)機(jī)械部件、易控制、體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱發(fā)電的研究已有報(bào)道，但利用航空發(fā)動(dòng)機(jī)逃逸熱能發(fā)電的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。針對(duì)當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)能量利用率低的現(xiàn)狀，以中國(guó)航發(fā)研究院為主導(dǎo)的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)擬開展新型高效率高穩(wěn)定性熱電材料與器件余熱發(fā)電技術(shù)的研究，通過(guò)熱電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)對(duì)逃逸熱能進(jìn)行捕獲與再利用發(fā)電，實(shí)現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)附件系統(tǒng)供電，減輕整機(jī)的能量負(fù)荷。

溫差發(fā)電的熱電器件應(yīng)用研究

航天與軍事領(lǐng)域

圖1 熱電能量轉(zhuǎn)換原理圖

20世紀(jì)60年代，溫差發(fā)電首先應(yīng)用于航天、軍事等領(lǐng)域。美國(guó)和蘇聯(lián)研制了同位素溫差發(fā)電器，作為太陽(yáng)能電池的最佳替代動(dòng)力源，可在太陽(yáng)輻射量不足的外太空為衛(wèi)星和航天器提供穩(wěn)定持續(xù)的電能，如圖2(a)所示。美國(guó)海軍是海洋用放射性同位素溫差發(fā)電器的最大用戶，它的設(shè)計(jì)工作深度達(dá)10km，功率不小于1W，壽命長(zhǎng)達(dá)10年，用于在深海中為無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)供電，該系統(tǒng)作為美國(guó)導(dǎo)彈定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，也可用于光纖電纜。

交通領(lǐng)域

隨著納米技術(shù)和先進(jìn)材料合成技術(shù)的發(fā)展，熱電材料的性能不斷提高，溫差發(fā)電技術(shù)在民用領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用，尤其是在汽車、船舶等交通領(lǐng)域。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣所帶走的熱量占其所消耗燃料產(chǎn)生熱量的40%，殘余廢氣的溫度約在800℃，因此可以利用溫差發(fā)電技術(shù)回收汽車尾氣的余熱來(lái)發(fā)電，如圖2(b)所示。美國(guó)Hi-Z公司研制出熱電發(fā)電機(jī)，由72個(gè)HZ13模塊組成，每個(gè)HZ13模塊功率為13W，熱電發(fā)電機(jī)總長(zhǎng)為48.26cm，最大直徑為22.86cm，總質(zhì)量為13.6kg，最大功率為1068W。2008年在德國(guó)柏林舉辦的“溫差電技術(shù)-汽車工業(yè)的機(jī)遇”會(huì)議，展示了一輛裝有熱電發(fā)電器的轎車，該熱電發(fā)電器可為汽車提供600W電功率，滿足其30%的用電需要，減少燃料消耗5%以上。在寶馬公司與Amerigon公司、福特公司合作開展的溫差發(fā)電器項(xiàng)目中，溫差發(fā)電系統(tǒng)在測(cè)試中獲得超過(guò)700W的功率輸出，安裝在寶馬X6和林肯MKT上的溫差發(fā)電系統(tǒng)在道路測(cè)試中獲得超過(guò)450W的功率輸出。

船舶所排出的高溫?zé)煔饧幢憬?jīng)過(guò)廢氣渦輪增壓器仍然有300℃左右，這部分煙氣將會(huì)帶走30%～40%的熱量，如果將這部分能量利用溫差發(fā)電技術(shù)回收利用，對(duì)船舶綠色運(yùn)營(yíng)有著重要意義。Michael Loupis等在Ecomarine項(xiàng)目中利用溫差發(fā)電技術(shù)回收柴油機(jī)廢氣余熱，利用幾乎免費(fèi)的海水作為冷源，回收裝置搭載了750塊溫差發(fā)電片，對(duì)一臺(tái)功率為1700kW的柴油機(jī)，預(yù)計(jì)回收效率為1.2%，可回收功率20.3kW。

圖2 溫差發(fā)電的熱電器件的應(yīng)用

工業(yè)余熱回收發(fā)電

溫差發(fā)電技術(shù)在工業(yè)廢熱余熱回收利用方面具有很大潛力，不僅節(jié)能環(huán)保、提高能源利用率，還可為企業(yè)節(jié)約燃料成本、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)外在火電廠排煙及汽輪機(jī)排汽余熱回收、煤爐余熱回收等方面展開大量的研究工作。日本、美國(guó)等近年圍繞廢熱、余熱等低品位熱能的利用開展了許多項(xiàng)目研究，如日本政府開展的固體廢物燃燒能源回收研究計(jì)劃，將溫差發(fā)電裝置安裝在垃圾焚燒爐上發(fā)電，不僅解決了大量垃圾的處理問(wèn)題，還有效利用焚燒垃圾所產(chǎn)生的熱量，達(dá)到廢熱合理利用的效果，如圖2(c)所示。

其他領(lǐng)域

溫差發(fā)電裝置只要有溫差存在即可發(fā)電，且攜帶方便。因此，在用電困難的高原氣象站、邊遠(yuǎn)山區(qū)、邊防哨所等地，如圖2(d)所示，可以利用半導(dǎo)體溫差發(fā)電作電源使用；穿越荒涼地區(qū)的天然氣和石油輸運(yùn)管道，可以利用溫差發(fā)電裝置作為金屬管道的陰極保護(hù)電源以及油氣輸運(yùn)狀態(tài)的檢測(cè)、通信、控制系統(tǒng)的電源等。國(guó)內(nèi)在熱電發(fā)電領(lǐng)域的研究起步較晚，還沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用，但有許多學(xué)者在理論研究方面開展了很多工作。

熱電發(fā)電器件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用探索

可行性分析

航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)外涵道存在普遍的溫差，而且航空發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量逃逸能量，其中大部分逃逸能量都以熱能的形式散失，如果通過(guò)熱電器件對(duì)這部分熱能進(jìn)行捕獲與再利用發(fā)電，則有望提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的能量利用率，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)逃逸熱能的轉(zhuǎn)換與利用。

當(dāng)前，四代機(jī)動(dòng)力的能量利用率不足35%，其逃逸能量在數(shù)萬(wàn)千瓦以上，如果能捕獲和利用1%，則至少能提供數(shù)百千瓦的電能，可基本滿足飛機(jī)的用電需求。因此，研究和開發(fā)熱電材料與器件對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)逃逸熱能進(jìn)行捕獲與再利用發(fā)電具有實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)際應(yīng)用時(shí)，因?yàn)橐媾R復(fù)雜的高溫高壓環(huán)境條件，所以對(duì)熱電材料與發(fā)電器件的要求更高。除了需要滿足材料的高熱電性能和發(fā)電器件的高轉(zhuǎn)換效率外，還要求熱電材料與發(fā)電器件具有耐高溫、耐腐蝕和耐沖擊性等較高的綜合性能。目前還未見(jiàn)相關(guān)研究的公開報(bào)道。

關(guān)鍵技術(shù)

熱能的捕獲與利用是國(guó)際研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)，本項(xiàng)目提出利用熱電材料與器件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)逃逸熱能進(jìn)行捕獲與再利用是一項(xiàng)多技術(shù)的協(xié)同創(chuàng)新，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要有：高性能耐高溫?zé)犭姴牧详P(guān)鍵技術(shù)，包括材料的能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化、納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、納米材料批量制備和高溫快速燒結(jié)等；具有耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊等高綜合性能的高轉(zhuǎn)換率熱電發(fā)電器件關(guān)鍵技術(shù)，包括熱電發(fā)電原理器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高性能電極制備、器件的集成加工制造與封裝等；熱電器件與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的集成關(guān)鍵技術(shù)，包括熱電發(fā)電原理器件與航空發(fā)動(dòng)機(jī)間的連接技術(shù)、器件的合理布局仿真及器件集成后對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能的影響仿真評(píng)估等。

為實(shí)現(xiàn)熱電發(fā)電器件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用，項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)主要從以下幾方面開展研究工作：以耐高溫?zé)犭姴牧蠟檠芯繉?duì)象，通過(guò)納米手段提升熱電材料的ZT值；開發(fā)耐高溫電極材料，降低熱電材料與電極間的接觸電阻和接觸熱阻，并改善不同材料間的擴(kuò)散性能和界面性能；開發(fā)高穩(wěn)定性封裝材料并改進(jìn)器件的集成工藝，提升熱電器件的耐高溫、耐腐蝕和耐沖擊等綜合性能；探索熱電發(fā)電器件與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的連接技術(shù)，并對(duì)器件的布局及集成后對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能的影響進(jìn)行仿真評(píng)估。

希望突破新型高效率高穩(wěn)定性熱電材料與發(fā)電器件的關(guān)鍵技術(shù)，研究開發(fā)出可應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)逃逸熱能捕獲與利用的熱電材料與器件，分階段逐步達(dá)到為航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器供電（0～1kW）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電（1～20kW）和電動(dòng)燃油泵供電（10～100kW）的目標(biāo)。

階段性成果

圖3 無(wú)源無(wú)線溫度傳感器

采用溶膠凝膠法與高能球磨法，成功制備出P型Ca3Co4O9和N型CaMnO3納米粉體材料，材料為結(jié)晶性較好的多晶顆粒組成，單個(gè)顆粒粒徑約為100nm。對(duì)P型Ca3Co4O9和N型CaMnO3分別進(jìn)行Ag和Bi元素?fù)诫s，并結(jié)合放電等離子燒結(jié)制備出Ca3-xAgxCo4O9和Ca1-xBixMnO3納米復(fù)合塊體材料，900K時(shí)Ca2.8Ag0.2Co4O9和Ca0.97Bi0.03MnO3的ZT值分別達(dá)到0.3和0.2，與目前國(guó)際報(bào)道的最優(yōu)值相當(dāng)。

在電極材料方面，提出“過(guò)渡層”設(shè)計(jì)和“第二相”強(qiáng)化思路，實(shí)現(xiàn)了器件冷端熱量與外界的快速傳熱。通過(guò)系統(tǒng)熱能管理與仿真計(jì)算，得出提高熱電器件性能的關(guān)鍵在于優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)熱流沿?zé)犭娕急鄱ㄏ蛄鲃?dòng)，避免無(wú)效熱損失，提高熱電臂兩端溫差。在優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加工出熱電發(fā)電原理器件，實(shí)現(xiàn)熱電器件直接利用體溫獲得3.3V電壓，能驅(qū)動(dòng)電路與傳感器工作。

在熱電發(fā)電器件的基礎(chǔ)上成功開發(fā)出無(wú)源無(wú)線溫度傳感器，結(jié)合后端無(wú)線通信模塊和射頻通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳感器的自供電和信號(hào)傳輸?shù)臒o(wú)線化，解決了戶外傳感器的供電難題，實(shí)測(cè)傳感器信號(hào)的收發(fā)距離達(dá)100m以上，如圖3所示。

結(jié)束語(yǔ)

雖然熱電材料與器件在能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域存在巨大的應(yīng)用潛力，但目前熱電材料與器件的轉(zhuǎn)換效率和可靠性較低，在一定程度上制約了其大規(guī)模應(yīng)用。探索高性能熱電材料、提高熱電器件的轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性、拓展應(yīng)用范圍等都是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。