丁奕文 陳舜嘉 張程賓*

東南大學能源與環(huán)境學院

0 引言

進入21世紀，能源短缺問題帶來的挑戰(zhàn)日益嚴重，余熱利用作為對廢熱進行二次利用的一種技術，能夠有效提高能源的使用效率，受到了廣泛關注[1]?；跓犭姴牧先惪诵臏夭畎l(fā)電技術，可以有效地利用低溫余熱，將低品位熱能轉換為電能[2]。溫差發(fā)電是一種全固態(tài)的能量轉換形式，具有無轉動部件，無噪聲，體積小，安裝使用簡便和無污染物排放等特征[3]，在余熱回收利用[4-7]，航空航天[8]，太陽能發(fā)電[9-11]以及建筑節(jié)能[12]等領域有著廣泛的應用。低品位熱源形式多樣，熱管作為一種基于蒸發(fā)冷凝相變傳熱原理的高性能傳熱器件[13-16]，具有優(yōu)越的傳熱性能。將熱管制成溫差發(fā)電系統(tǒng)中的換熱器，可以降低熱量損失并提升溫差發(fā)電效率[17]。目前，國內外對熱管溫差發(fā)電系統(tǒng)進行了大量的理論與實驗研究，并取得了一系列研究成果，本文總結了近期各種類型熱管在溫差發(fā)電系統(tǒng)中的應用研究并分析了其發(fā)展趨勢，對其今后的發(fā)展方向做出展望。

1 毛細熱管在溫差發(fā)電領域的應用

目前提高溫差發(fā)電器性能主要有下列兩種途徑：溫差發(fā)電材料制備和溫差發(fā)電器內部結構設計。溫差發(fā)電材料制備的目的是尋找高優(yōu)值（ZT）的熱電材料，優(yōu)值是一個評判溫差發(fā)電材料性能指標的無量綱量，優(yōu)值越高，溫差發(fā)電材料的性能越好，發(fā)電效率越高[18]。Zhang等人[19]制造了一種高效率納米結構的溫差發(fā)電材料，該材料的發(fā)電密度為2.1W/cm2，效率為5.3%。Dharmaiah等人[20]優(yōu)化了熱電材料燒結過程中粉末尺寸和氧含量，使得塞貝克效應提升了52%，在350K時優(yōu)值達到1.23。在2014年Zhao等人[21]通過降低熱導率等方法，制備出的SnSe熱電材料，優(yōu)值約為2.62，是目前優(yōu)值最高的材料。通過改變溫差發(fā)電器內部的結構也能提升性能，Niu等人[22]發(fā)現(xiàn)，在溫差發(fā)電材料體積相同的情況下，將傳統(tǒng)的長方體結構改為六面體結構，可以顯著地提高輸出功率。Zhang等人[23]設計了一種用于尋找分段溫差發(fā)電器長度比的方法，這種方法可以提高輸出功率和溫差發(fā)電效率。Chen等人[24]通過多目標優(yōu)化（multi objective genetic algorithm）方法對溫差發(fā)電器內部的幾何結構進行改進，并利用數(shù)值模擬研究了改進后的溫差發(fā)電器的性能，采用毛細熱管作為熱源收集廢熱，毛細熱管利用毛細力作為驅動力[25]，導熱性能優(yōu)越，熱流密度可以達到20000W/m2。最終發(fā)現(xiàn)在熱流密度一定的情況下，溫差發(fā)電材料長度越長，輸出功率和效率越大。在溫差一定的情況下，溫差發(fā)電材料長度越短輸出功率越大，這一發(fā)現(xiàn)為提升溫差發(fā)電器的性能有著重大幫助。

傳統(tǒng)的溫差發(fā)電研究沒有考慮回收溫差發(fā)電器冷端的熱量并進行再利用，為此Remeli等人[26-27]設計了一種將毛細熱管和溫差發(fā)電器相結合的新型余熱回收利用發(fā)電裝置，如圖1[27]所示，選用毛細熱管主要是利用了毛細熱管導熱性好的特性以及可以逆重力傳熱。該裝置使用了8塊碲化鉍材料的溫差發(fā)電器，使用的熱管是日本Fujikura公司制造的毛細熱管，該熱管內部有75組0.075mm深的凹槽，凹槽內充滿了600根銅制吸液芯，熱管的工質為水。為了探究該系統(tǒng)在不同工況下的性能，Remel等人首先進行了理論建模，通過理論模型來初步估計該系統(tǒng)的性能，減少了實驗環(huán)節(jié)的準備工作，接著通過實驗研究了溫差發(fā)電器的熱特性和電特性，并將實驗中獲得的參數(shù)用在理論模型中，用于確定該余熱回收溫差發(fā)電系統(tǒng)的最佳性能參數(shù)。最終建模結果表明，該系統(tǒng)能夠在2kW的廢熱中回收1.345kW的熱量并發(fā)出10.39W電能，證明該溫差發(fā)電系統(tǒng)是一種有效的能量回收的方式。

圖1 熱管聯(lián)合溫差發(fā)電實驗圖

Kim等人[28]使用10根毛細熱管將熱量從汽車排氣管狹小的空間導出到外部大空間進行溫差發(fā)電。該熱管材質為銅，內徑為20mm，工質為水，具有很好的導熱性，在不需要泵的情況下，能夠將大量的熱傳遞到指定位置。該裝置的結構如圖2[28]所示，熱管的蒸發(fā)段插在排氣管中，將尾氣的熱量帶到冷凝段的大面積鋁板上，從而加熱其上的溫差發(fā)電器進行發(fā)電，經(jīng)測試，該系統(tǒng)最大發(fā)電功率能達到350W，此時溫差發(fā)電器熱端溫度為170℃左右。

圖2 汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)的實物圖

2 重力熱管在溫差發(fā)電領域的應用

Orr等人[29]設計了一套汽車尾氣溫差發(fā)電裝置，如圖3[29]所示，該裝置中使用了銅水熱管和萘熱管，都是采用重力作為驅動力[30]。銅水熱管的作用是將尾氣的熱量高效地傳遞到溫差發(fā)電器上，萘熱管則是作為一個熱開關對溫差發(fā)電系統(tǒng)進行保護。萘熱管的工作溫度區(qū)間是250℃至450℃，當溫度低于250℃時，萘熱管不工作，當尾氣溫度高于250℃時，萘熱管作為保護裝置開始工作，將多余的煙氣的熱量導出，降低尾氣溫度，防止高溫尾氣燒毀溫差發(fā)電器。該系統(tǒng)使用了8個75mm×75mm的溫差發(fā)電器，最大能夠產(chǎn)生54W的電能。

圖3 使用萘熱管的汽車尾氣溫差發(fā)電裝置

Kim等人[31]設計了一種利用客車發(fā)動機冷卻水的溫差發(fā)電裝置，該裝置的結構圖如圖4[31]所示，溫差發(fā)電器的熱端與一個金屬空腔板相接觸，發(fā)動機冷卻水在金屬空腔板中充分流動，進行熱量的傳遞，溫差發(fā)電器的冷端連接有金屬板，金屬板中插有128根重力熱管，利用熱管導熱性能好的特性，將溫差發(fā)電器冷端的熱量帶走，最終通過重力熱管冷凝段上的散熱器將熱量傳遞到空氣中。在車速為80km/h時，溫差發(fā)電器最大發(fā)電功率為75W，溫差發(fā)電器的效率為2.1%，整個溫差發(fā)電裝置對發(fā)動機冷卻水余熱的使用效率為0.3%。該余熱回收溫差發(fā)電裝置有著良好的余熱回收效果和散熱效果，可以替代傳統(tǒng)的汽車散熱器。

圖4 熱管和溫差發(fā)電系統(tǒng)結構圖

鹽梯度太陽池是一種收集太陽能的集熱器和儲熱器，池水吸收太陽輻射溫度升高，上層池水的熱量通過對流傳熱和輻射傳熱散失到外界空氣中，下層池水不與外界空氣產(chǎn)生對流傳熱，因此能夠將太陽輻射的熱量儲存下來。下層池水儲存了較多的熱量，溫度升高，鹽的溶解度增大，使得這部分水密度增大，不會發(fā)生像普通水池中由于密度差形成對流，這樣鹽梯度太陽池能夠將太陽能作為熱能收集并儲存很長時間。在鹽梯度太陽池中，上下溫差能夠達到40-60℃[32]。Singh等人[33]設計了一種鹽梯度太陽池發(fā)電裝置，如圖5[33]所示，利用重力熱管，將下層高溫池水的熱量導入水池上部，和上層低溫池水形成溫差，進行溫差發(fā)電。該裝置包含了16個溫差發(fā)電器，在27℃的溫差下，能夠產(chǎn)生3.7W的電能，由于不含任何轉動部件，能夠在偏遠的地區(qū)長期運行，是一種簡單可靠的發(fā)電系統(tǒng)。

圖5 利用熱管和溫差發(fā)電系統(tǒng)的鹽梯度太陽池原理圖

He等人[34]設計了一種太陽能溫差發(fā)電系統(tǒng)，將玻璃材質的重力熱管和溫差發(fā)電器相結合，實現(xiàn)加熱水和發(fā)電的功能。溫差發(fā)電器熱端放在熱管的冷凝段，冷端與水槽相連，熱管將太陽能的熱量儲存并傳遞給溫差發(fā)電器進行發(fā)電，并將剩余的熱量加熱水，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的效果。該系統(tǒng)在水溫45℃和太陽能密度大于600W/m2時，效率大于1%。

3 平板熱管在溫差發(fā)電領域的應用

Liu等人[35]設計了一種針對大溫差跨度下的兩級溫差發(fā)電系統(tǒng)，如圖6[35]所示。為了提升兩級發(fā)電系統(tǒng)的性能，減少兩級之間的熱阻，利用平板熱管熱擴散性好以及溫差小的特性[36]，采用平板熱管作為熱擴散器件，將熱管引入第一級和第二級溫差發(fā)電裝置中[37]。該系統(tǒng)在熱端溫度為200℃時能夠發(fā)出250W的電能，系統(tǒng)的效率為5.37%，相比同樣工況下的單級溫差發(fā)電系統(tǒng)，效率提升了32%。

圖6 兩級溫差發(fā)電系統(tǒng)原理圖

4 可變導熱管在溫差發(fā)電領域的應用

可變導熱管的概念最先是由Turner和Bienert在1969年提出的[38]，在可變導熱管冷凝段上方的膨脹罐中充入一些不凝氣體，這些不凝氣體和工質氣體是相互分離的，不凝氣體部分處于冷凝段中，使得該部分停止傳熱。當工質蒸汽壓力變化時，不凝結氣體的壓力與工質蒸汽的壓力相平衡，從而調節(jié)冷凝段的工作長度，冷凝段長度的不同意味著對外散熱能力的不同。在高熱負荷條件下，熱端吸收熱量變多，工質蒸汽壓力變大，擠壓不凝氣體使其占據(jù)長度減小，冷凝段長度變長，向外部釋放更多的熱量。在低熱負荷條件下，熱端吸收熱量變少，工質蒸汽壓力變小，不凝氣體膨脹導致其占據(jù)長度增加，冷凝段長度縮短，熱管向外部傳熱量減小。該熱管通過調節(jié)不凝結氣體占據(jù)冷凝管的長度調節(jié)熱管冷凝段的工作長度，保持熱管工作溫度維持恒定，從而實現(xiàn)可變導熱和恒溫控制。

目前成熟商用的溫差發(fā)電器材質通常為碲化鉍，這種溫差發(fā)電器能夠承受的溫度有限，一般為200℃左右，高于這個溫度會導致溫差發(fā)電器燒毀失效?？勺儗峁芡ㄟ^控制冷凝段的長度改變傳熱量，從而維持工作溫度保持恒定。通過對熱管內部的壓力進行提前設定，可以獲得想要的工質沸騰溫度，從而與相應的溫差發(fā)電器進行匹配，能夠高效地將熱量降溫傳遞而不降低其品質。Brito等人和Martins等人對可變導熱管進行了許多研究[39-43]，研究了使用可變導熱管在盡可能減少能量損失的條件下，對高溫余熱進行降溫利用。除此以外，Brito提出使用可變導熱管改變冷凝段的長度，調整其上溫差發(fā)電器的工作數(shù)量，在不降低每個溫差發(fā)電器熱端溫度的情況下，調整系統(tǒng)的輸出功率。Martin則側重于調整可變導熱管內工質的種類和壓力，如圖7[42]所示，使用了水和導熱姆A作為工質并改變其壓力，研究了如何實現(xiàn)工作溫度的調整和增大傳熱量，從而提高溫差發(fā)電效率。

圖7 具有20L膨脹罐的可變導熱管和溫差發(fā)電系統(tǒng)原理圖

5 環(huán)路熱管在溫差發(fā)電領域的應用

環(huán)路熱管能夠在小溫差、長距離的條件下高效地傳遞熱量，通過減小流動壓降和增加吸液芯，相比傳統(tǒng)熱管，顯著增加了傳熱距離[44]。Jang等[45]設計了一種利用環(huán)路熱管的溫差發(fā)電裝置，如圖8[45]所示，用于對汽車尾氣中余熱進行回收利用。環(huán)路熱管的蒸發(fā)段放置在排氣管道中，環(huán)路熱管的冷凝段插入一些金屬塊中，在金屬塊的表面放置有溫差發(fā)電器，溫差發(fā)電器的冷端由風冷進行冷卻。環(huán)路熱管可以將熱量進行長距離輸運，實現(xiàn)將狹小空間內的熱量導出到外部大空間的目標，在排氣管中尾氣溫度為170℃的情況下，輸出電壓為1.3V。

圖8 利用環(huán)路熱管的汽車尾氣溫差發(fā)電裝置

6 結語與展望

熱管是一種利用氣液相變進行傳熱的高效傳熱器件，具有極高的導熱率，能夠將熱量進行快速傳遞。此外熱管和溫差發(fā)電器都不具備任何轉動部件，壽命長可靠性高，兩者結合，可以形成一種高性能溫差發(fā)電系統(tǒng)。然而目前熱管在溫差發(fā)電領域的應用大多都不是很深入，大多是采用現(xiàn)成的溫差發(fā)電器和熱管進行結合使用，其溫差發(fā)電性能還存在提升空間。為了解決這些問題，進一步提高溫差發(fā)電性能和效率，下一步工作主要是：

1）從理論和實驗方面對熱管的換熱原理和特性進一步研究，尋找并制造適合溫差發(fā)電器工作環(huán)境的熱管，從而提升溫差發(fā)電系統(tǒng)性能。

2）進一步優(yōu)化溫差發(fā)電系統(tǒng)結構設計，提高了系統(tǒng)集成度及均溫性，提升溫差發(fā)電系統(tǒng)工作效率和可靠性。

3）針對不同類型低溫熱源，從整個余熱回收系統(tǒng)的層面對熱管以及溫差發(fā)電器的選型，匹配等方面的研究需要進一步開展。

4）進一步開展異形熱管如旋轉熱管，平板熱管和脈動熱管等在溫差發(fā)電系統(tǒng)中的應用研究，拓展溫差發(fā)電應用領域。