石 峰,劉安邦,吳子華,謝華清,王元元,鄒佳樸,封 芬

(1.上海第二工業(yè)大學 環(huán)境與材料工程學院,上海201209;2.南京理工大學 能源與動力工程學院,南京210094)

0 引言

近年來,隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,不可再生資源的消耗量急劇增加。汽車產(chǎn)業(yè)作為我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一,全國各地各類汽車數(shù)量急劇增加。但與此同時,汽車發(fā)動機工作過程中,燃料燃燒產(chǎn)生的30%～45%化學能隨著汽車尾氣被排放至大氣中[1-3],不僅造成了巨大的能量損失,而且加劇了全球的氣候變暖。因此,如何提高汽車燃料利用率、減小環(huán)境污染,對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有至關重要的作用[4-5]。

溫差發(fā)電技術利用塞貝克效應,將低品質的熱能轉化成高品質的電能,具有零污染、結構簡單、無運動部件、無噪聲、堅固耐用、使用壽命長等優(yōu)點[6-8]。近年來,隨著具有更高熱電轉換效率的熱電材料被相繼發(fā)現(xiàn),溫差發(fā)電技術的發(fā)展進入了新領域,受到了國內外學者更多的關注[9-12]。因而,溫差發(fā)電技術在航空航天、交通工具、醫(yī)療器械等多個領域內的應用皆有發(fā)展,尤其在工業(yè)廢熱和汽車尾氣廢熱的回收利用領域有了長足的進步[13-14]。溫差發(fā)電技術的種種優(yōu)勢引起了寶馬、通用等汽車企業(yè)的關注。2007年,寶馬公司聯(lián)合偉世通公司以及馬洛公司研發(fā)了針對汽車尾氣廢熱回收利用的溫差發(fā)電裝置,使其燃油利用率提高了10%左右[15]。2013年,寶馬公司與福特等公司就汽車熱電余熱回收領域展開合作,對安裝在寶馬X6和林肯MKT上的溫差發(fā)電系統(tǒng)進行了測試,溫差發(fā)電系統(tǒng)在測試平臺產(chǎn)生了超過700 W的功率,在車載測試中產(chǎn)生了超過600 W的功率[16]。2016年,華能集團聯(lián)合太原理工大學對汽車廢熱回收利用的大功率溫差發(fā)電系統(tǒng)展開研究。實驗表明,溫差發(fā)電裝置輸出功率可達千萬級別,理論轉換效率接近10%[17]。

傳統(tǒng)的汽車尾氣發(fā)電系統(tǒng)通常以汽車尾氣作為熱源,以外界環(huán)境作為冷端,利用尾氣與環(huán)境之間的溫差進行發(fā)電。在停止供熱后,熱源溫度會迅速降低,發(fā)電能力隨之迅速下降。在實際汽車運行中,由于汽車運行狀態(tài)的變化,汽車尾氣溫度時常產(chǎn)生波動,導致系統(tǒng)輸出電壓不穩(wěn)定,對系統(tǒng)造成損害[18-21]。

為保持輸出電壓的平穩(wěn),部分研究人員在溫差發(fā)電模塊內部增設了相變儲熱模塊,利用相變材料(phase change material,PCM)相變過程中自身溫度不變的特性,維持冷熱兩端的溫差,以此來穩(wěn)定尾氣溫度下降時的輸出電壓。國內外相關研究結果已經(jīng)證明,裝載相變儲熱模塊能夠有效地提升溫差發(fā)電裝置的輸出功率。Jo等[22]研究發(fā)現(xiàn),帶有PCM的溫差發(fā)電裝置在熱源停止供熱后,系統(tǒng)輸出電壓斷崖式下降的現(xiàn)象得到了有效的緩解,并且產(chǎn)生了更多的電能。Mao等[23]研究了在溫差發(fā)電系統(tǒng)中嵌入PCM對溫差發(fā)電系統(tǒng)的影響,在嵌入PCM后,溫差發(fā)電系統(tǒng)最大輸出電壓提高了10.20%～13.70%,總電量平均提高31.60%。張星等[24]通過數(shù)值模擬方法比較了加裝相變結構前后溫差發(fā)電器性能的變化。結果表明,特定尺寸的相變結構可大幅提高發(fā)電器的輸出功率及轉化效率。

然而,增加相變儲熱結構之后,將有可能大大增加熱源與熱電器件之間的熱阻。以本實驗設計的汽車尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)為例(見圖1),在溫差發(fā)電系統(tǒng)內部,熱量由熱源(熱風機風管)輸入,依次經(jīng)過相變儲熱模塊和熱電器件兩個界面,最終傳遞至冷端換熱器[25-26]。但是,因界面間接觸面粗糙度而產(chǎn)生的接觸熱阻極大地影響著熱量的傳遞過程[27]。Xuan等[28]研究了熱電模塊內外接觸界面對其性能的影響,發(fā)現(xiàn)內部接觸界面是影響熱電器件性能的主要因素。侯龍等[29]通過調節(jié)接觸壓力、間隙介質、接觸表面溫度等參數(shù)研究了接觸熱阻對溫差發(fā)電系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。Liu等[30]提出了一種測定單根光纖熱導率和接觸熱阻的新方法,并驗證了該方法的有效性。謝添璽等[31]通過實驗測量的方法,研究了較高導熱系數(shù)的界面間介質對于溫差發(fā)電系統(tǒng)性能的影響。結果表明,接觸熱阻減小,熱電器件兩側的實際溫差增加,最大輸出功率和轉化效率均有較大的提升。

圖1 熱量傳遞過程Fig.1 Process of heat transfer

由此可見,溫差發(fā)電系統(tǒng)內的接觸熱阻對其發(fā)電性能有著顯著的影響,本文通過工業(yè)熱風機模擬汽車運行實際工況,利用不同系數(shù)導熱硅脂,調控熱電器件與換熱器以及相變儲熱模塊間的接觸熱阻,研究了冷熱端接觸熱阻對PCM相變過程以及熱電器件發(fā)電過程的影響,分析了不同界面接觸熱阻對PCM耦合溫差發(fā)電系統(tǒng)性能的影響,為提高半導體溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率提供參考。

1 實驗系統(tǒng)

使用金章集團生產(chǎn)的通用熱風機為系統(tǒng)供熱,熱風機風管作為系統(tǒng)熱源,通過調節(jié)熱風機風速和溫度模擬汽車不同運行狀態(tài)。溫差發(fā)電裝置如圖2所示,每個熱電器件前后間隔5 mm,將10片型號為9500-199-100B的熱電器件(thermoelectric generator,TEG)熱電發(fā)電片串聯(lián)起來,外接15 ?電阻負載,并預留一對正負極接線用于記錄TEG的負載電壓。完成溫差發(fā)電裝置的組裝后,將其與相變儲熱模塊、熱風機風管、冷端換熱器沿水平方向疊放在一起并使用夾緊裝置使各組件貼緊。實驗測試系統(tǒng)如圖3所示,系統(tǒng)由熱風機、相變模塊、冷端換熱器、散熱器、恒溫槽、蠕動泵、定值電阻、數(shù)據(jù)采集器組成。通過工業(yè)熱風機輸出熱能,將換熱器的入口及出口使用硅膠軟管與恒溫水槽相連,確保冷卻水的入口溫度穩(wěn)定且符合實驗要求。另外在換熱器入口與恒溫水槽之間連接蠕動泵用于調節(jié)流體流速。分別在熱風機風管、相變儲熱模塊、冷端換熱器的入口和出口布置了4個測溫熱電偶,分別測量風管內空氣溫度、PCM溫度、冷端換熱器進、出水溫度,同時與TEG的接線一起接入數(shù)據(jù)采集器中,用于記錄溫度數(shù)據(jù)以及TEG的輸出電壓。接通電源,使用熱風機設定熱源溫度,持續(xù)加熱至4 000 s時停止加熱,記錄和分析TEG的輸出電壓變化。

圖2 TEG排布Fig.2 Arrangement of TEG

圖3 實驗裝置Fig.3 Experimental device

本文測試分析不同導熱系數(shù)的導熱硅脂對熱電性能的影響。如圖4所示,通過分別在TEG冷熱兩面與系統(tǒng)間填充不同導熱系數(shù)導熱硅脂的方法調控TEG兩側與系統(tǒng)間的接觸熱阻。然后將相變儲熱模塊、熱風機風管、冷端換熱器沿水平方向疊放在一起并使用夾緊裝置使各組件貼緊。啟動蠕動泵、恒溫冷卻槽,待冷端冷卻水溫度降至設定溫度,啟動熱風機加熱,開始記錄冷端換熱器進出水口水溫、PCM溫度、風管內部溫度以及TEG的輸出電壓。保持熱風機持續(xù)加熱狀態(tài)至約3 960 s,關停熱風機。待風管內部溫度、冷卻水溫度下降至實驗起始狀態(tài),停止記錄數(shù)據(jù),關閉冷卻槽、蠕動泵、熱風機,關閉電源。

圖4 導熱硅脂涂抹位置 (a)在TEG與相變儲熱模塊間;(b)在TEG與冷端換熱器間Fig.4 Application position of thermally conductive silicone grease (a)between the TEG and the heat storage module with PCM;(b)between the TEG and the cold end

2 實驗結果與分析

2.1 TEG冷、熱面的接觸熱阻對溫差發(fā)電系統(tǒng)的影響

恒溫槽設定溫度10℃,熱風機設定溫度400℃,分別在TEG熱面、冷面、雙面涂抹導熱系數(shù)1 W/(m·K)的導熱硅脂,調節(jié)TEG與系統(tǒng)間的界面接觸熱阻,研究不同位置的接觸熱阻對PCM溫度及系統(tǒng)輸出電壓的影響。

圖5為TEG僅在熱面、僅在冷面以及雙面均涂抹導熱系數(shù)1 W/(m·K)導熱硅脂時,PCM溫度隨時間的變化曲線。

圖5 不同位置涂抹導熱硅脂情況下PCM的溫度Fig.5 Temperatures of PCM with different layers by applying thermally conductive silicone grease

由圖可知,3種情況下PCM溫度在加熱階段隨時間而升高,但溫度提升的速度以及達到的最高溫度,均有著顯著的區(qū)別。在TEG冷面涂抹導熱硅脂時,溫度升高速度最快,且達到的最高溫度最高,達到225℃;在熱面涂抹導熱硅脂時,溫度上升速度顯著放緩,最高溫度達到205℃。上述兩種情況下,PCM分別在2 050 s和2 700 s時達到相變溫度196℃,開始發(fā)生相變。而在TEG雙面涂抹導熱硅脂的情況下,PCM溫度上升速度最慢且達到的最高溫度最低,僅達到186℃,未能發(fā)生相變。這可能是由于調節(jié)不同部位接觸熱阻對相變儲熱模塊儲熱能力的影響不同導致的。

為了進一步分析接觸熱阻對PCM相變過程的影響,實驗研究了接觸熱阻與冷端散熱器介質溫度之間的關系。圖6為在TEG僅在熱面、僅在冷面及雙面均涂抹導熱系數(shù)1 W/(m·K)導熱硅脂時冷卻水溫度隨時間的變化曲線。

圖6 不同位置涂抹導熱硅脂情況下冷端冷卻水平均溫度Fig.6 Average temperature of cooling water with different layers by applying thermally conductive silicone grease

由圖可知,只在TEG冷面與冷端換熱器之間涂抹導熱硅脂時,TEG與相變模塊間的接觸熱阻較大,相變模塊中的熱量不能有效導出,PCM溫度在3種情況下最高,且冷端冷卻水平均溫度最低,最高時僅達到19℃;只在熱面涂抹導熱硅脂時,由于減小了TEG與PCM之間的熱阻,增大了TEG與PCM之間界面?zhèn)鳠崮芰?會一定程度地削弱相變模塊的儲熱能力,使PCM的溫度降低,此時的TEG就起到了肋片散熱的作用,又因為整個溫差發(fā)電系統(tǒng)由石棉包裹,由相變模塊導出的熱量大部分還是由冷端冷卻水帶走,所以冷卻水平均溫度比在冷面涂抹導熱硅脂時要高,最高達到21℃;雙面涂抹導熱硅脂時,冷卻水平均溫度達到最高。因為在TEG雙面涂抹導熱硅脂時,由于同時有效減小了相變模塊與冷端換熱器之間的熱阻,所以由風管傳遞至相變模塊的熱量并不能有效地被相變模塊儲存,而是更多地通過TEG傳遞至冷端換熱器,使冷卻水平均溫度升高,從而導致PCM未能發(fā)生相變。

不同接觸熱阻工況下,TEG輸出電壓隨時間的變化曲線進一步證實了這一實驗現(xiàn)象(見圖7)。由圖可知,在TEG僅在熱面、僅在冷面以及雙面均涂抹導熱系數(shù)1 W/(m·K)導熱硅脂的3種條件下,系統(tǒng)輸出電壓從高到低的排序依次為:雙面涂抹>冷面涂抹>熱面涂抹,且在雙面涂抹時系統(tǒng)輸出的電壓顯著高于另外兩種情況。可知在雙面涂抹時,通過TEG的熱流量最大,由熱風機風管發(fā)出的熱量能夠最為順利地通過TEG傳遞至冷端換熱器,但與此同時,由于PCM并未發(fā)生相變,所以電壓曲線在下降過程中并未放緩。雖然在TEG雙面涂抹導熱硅脂時系統(tǒng)輸出的電壓最高,但由于削弱了相變儲熱模塊的儲熱能力,導致PCM穩(wěn)定電壓的作用失效。在冷面、熱面涂抹時,在4 250 s～4 450 s間出現(xiàn)了電壓緩慢下降平臺,對應了PCM凝固放熱階段,與圖5結果一致。

圖7 不同位置涂抹導熱硅脂情況下輸出電壓Fig.7 Output voltage with different layers by applying thermally conductive silicone grease

2.2 相變儲熱模塊與TEG熱面間界面接觸熱阻對PCM的影響

恒溫槽設定溫度10℃,熱風機設定溫度為400℃,通過在TEG熱面與相變儲熱模塊間涂抹導熱系數(shù)分別為1、3 W/(m·K)導熱硅脂,調節(jié)TEG與冷端換熱器間的界面接觸熱阻,研究不同接觸熱阻對于PCM溫度及系統(tǒng)輸出功率的影響。

圖8為TEG熱面與相變儲熱模塊間分別涂抹導熱系數(shù)分別為1、3 W/(m·K)導熱硅脂時,儲熱模塊中PCM溫度隨時間的變化曲線?？梢钥闯?在填充了更高導熱系數(shù)的間隙介質后,PCM溫度上升的速度明顯加快;冷卻階段前,同時間內PCM達到的溫度更高,達到的最高溫度比低導熱系數(shù)時約高26℃。

圖8 TEG熱端涂抹不同導熱系數(shù)導熱硅脂時PCM的溫度Fig.8 Temperature of PCM with hot end of TEG by applying thermally conductive silicone grease of different thermal conductivity

圖9 顯示在涂抹更高導熱系數(shù)的導熱硅脂的情況下,PCM溫度上升速度明顯更快,達到相變溫度(196℃)的時間提前了約800 s,且在加熱至相變溫度196℃ 后,PCM溫度上升速度顯然更快。這是因為在冷熱源溫度恒定時,接觸面之間添加更高導熱系數(shù)導熱硅脂后,冷熱源間的總體熱阻減小,熱流量增加,同時間內相變儲熱模塊獲得的熱量更多,溫度上升更快。

圖9相變材料初始相變時間Fig.9 Initial phase change time of PCM

圖10 為降溫階段(4 000～6 000 s)在TEG熱面與相變儲熱模塊間填充不同導熱系數(shù)導熱硅脂情況下,相變模塊溫度隨時間的變化?？芍谕磕▽嵯禂?shù)1 W/(m·K)導熱硅脂時,PCM的最高溫度為212℃,在4 350 s時開始發(fā)生液-固相變,在4 650 s時完成相變過程,相變放熱階段持續(xù)約300 s;在涂抹導熱系數(shù)3 W/(m·K)導熱硅脂時,PCM的最高溫度為238℃,在4 390 s時開始發(fā)生相變,4 600 s時完成相變過程,相變放熱階段約持續(xù)210 s。由此可知,在涂抹更高導熱系數(shù)導熱硅脂的情況下,相變模塊達到的最高溫度更高,冷卻至相變溫度196℃所需的時間更長,但相變放熱過程時間明顯減少。因為在冷卻階段,相變儲熱模塊代替風管成為系統(tǒng)熱源,在PCM溫度降至相變溫度196℃ 時,PCM開始發(fā)生凝固,此時PCM溫度不變,且PCM凝固所放出的熱量相同,由于在相變儲熱模塊與TEG間填充了更高導熱系數(shù)的介質,導致單位時間內PCM釋放的熱量更多,所以使凝固放熱階段的持續(xù)時間縮短。

圖10 PCM相變持續(xù)時間Fig.10 Time of duration of PCM phase change

TEG輸出電壓的大小取決于TEG冷熱兩端的溫差,冷端冷卻水溫度變化對熱電發(fā)電性能具有一定的影響。圖11為在TEG與相變儲熱模塊間填充不同導熱系數(shù)間隙介質情況下,冷端冷卻水溫度隨時間的變化曲線。由圖可知,在TEG熱面涂抹導熱系數(shù)分別為1、3 W/(m·K)的兩種導熱硅脂時,冷卻水溫度相差較小,最大溫差不超過1.5℃,在4 000 s加熱至最高溫度時以及降溫階段,相差不超過0.5℃。由此可見,在TEG熱面與相變儲熱模塊間填充更高導熱系數(shù)的間隙介質對冷端冷卻水的溫度影響較小。這是因為TEG冷面與換熱器間兩個壁面受表面粗糙度的影響存在著空隙,接觸面積通常很小,接觸熱阻較大,所以TEG冷面上的熱量很難傳遞至換熱器,因而在熱面涂抹不同導熱系數(shù)導熱硅脂對冷端冷卻水溫度影響不大。

圖11 TEG熱端涂抹不同導熱系數(shù)導熱硅脂時冷卻水平均溫度Fig.11 Average temperature of cooling water with hot end of TEG by applying thermally conductive silicone grease of different thermal conductivity

2.3 冷端換熱器與TEG冷面間接觸熱阻對PCM的影響

恒溫槽設定溫度10℃,熱風機設定溫度400℃,通過在TEG冷面與冷端換熱器間涂抹導熱系數(shù)分別為1、3 W/(m·K)導熱硅脂,調節(jié)TEG與冷端換熱器間的界面接觸熱阻,研究不同接觸熱阻對于PCM溫度以及系統(tǒng)輸出功率的影響。

圖12為換熱器冷卻水平均溫度隨時間的變化曲線。由圖可知,在冷端換熱器與TEG間填充更高導熱系數(shù)間隙介質時,換熱器冷卻水平均溫度高于涂抹低導熱系數(shù)導熱硅脂時的溫度,在加熱至最高溫度時,相差溫度約為2℃?？芍赥EG冷面與換熱器間涂抹更高導熱系數(shù)的介質對冷端冷卻水平均溫度有一定的提升效果,但提升并不顯著。這是因為冷端冷卻水一直在被恒溫水箱冷卻,冷端帶走的熱量不能直觀的表示出來,但是相較于調節(jié)TEG熱面與相變儲熱模塊之間接觸熱阻時冷卻水的溫度變化,此時冷端溫度的變化較為明顯。

圖12 TEG冷端涂抹不同導熱系數(shù)導熱硅脂時冷端冷卻水平均溫度Fig.12 Average temperature of cooling water with cold end of TEG by applying thermally conductive silicone grease of different thermal conductivity

圖13 為TEG冷面與冷端換熱器之間填充不同導熱系數(shù)間隙介質情況下PCM溫度隨時間變化的曲線。由圖可知,在填充更高導熱系數(shù)間隙介質情況下,PCM溫度隨時間變化曲線僅略高于涂抹低導熱系數(shù)間隙介質時的曲線,二者溫差較小。這是因為在涂抹高導熱系數(shù)導熱硅脂時,雖然熱源與換熱器間總熱阻減小,二者之間的熱流量增加,但受TEG熱面與換熱器間兩個壁面表面粗糙度的影響存在著空隙,接觸熱阻較大,因而相變儲熱模塊中儲存的熱量很難傳遞至TEG熱面,最終導致在冷端換熱器與TEG間涂抹不同導熱系數(shù)導熱硅脂時,PCM溫度相差很小。由此可知調控TEG與換熱器之間的接觸熱阻對熱端PCM的影響較小。

圖13 TEG冷端涂抹不同導熱系數(shù)導熱硅脂時PCM溫度Fig.13 Temperature of PCM with cold end of TEG by applying thermally conductive silicone grease of different thermal conductivity

2.4 接觸熱阻對系統(tǒng)輸出電壓的影響

圖14 為分別在TEG冷、熱面涂抹不同導熱系數(shù)時,溫差發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓隨時間的變化曲線。由圖可知,減小TEG任意一側與系統(tǒng)間的接觸熱阻均能有效提升系統(tǒng)輸出電壓。相較于減小TEG熱面與系統(tǒng)的接觸熱阻,減小TEG冷面與系統(tǒng)的接觸熱阻對于提升系統(tǒng)輸出電壓的效果更為明顯。但是,在TEG冷面涂抹導熱硅脂時,PCM對于電壓的穩(wěn)定效果并不顯著,電壓的下降速度過快。主要原因有兩個:一是因為TEG熱面與相變儲熱模塊間兩個壁面受表面粗糙度的影響存在著空隙,實際接觸面積很小,接觸熱阻較大,PCM在凝固放熱階段釋放的熱量很難有效地傳遞至TEG的熱面;二是相較于在TEG熱面涂抹導熱硅脂,在TEG冷面與換熱器之間涂抹導熱硅脂能使冷端冷卻水在冷卻階段水溫下降得更快,導致TEG冷熱兩面間的溫差下降速度變快,使電壓的穩(wěn)定階段并不明顯,削弱了PCM穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓的能力(見圖15)。

圖14 不同位置涂抹導熱硅脂輸出電壓Fig.14 Output voltage with optimizing heat conduction of different layers by applying thermally conductive silicone grease

圖15 冷卻階段冷卻水平均溫度Fig.15 Average temperature of cooling water at cooling stage

3 結 論

本文針對TEG冷熱兩側與溫差發(fā)電系統(tǒng)間的接觸熱阻問題,系統(tǒng)研究了TEG與發(fā)電系統(tǒng)間的接觸熱阻對于PCM和系統(tǒng)輸出電壓的影響,得到如下結論:

(1)同時減小TEG兩側與系統(tǒng)間的接觸熱阻可以有效提升系統(tǒng)的輸出電壓,但相變儲熱模塊的儲熱能力可能會被削弱,甚至失去穩(wěn)定電壓的作用。

(2)減小TEG兩側任意一側與發(fā)電系統(tǒng)間的接觸熱阻,均能有效的提高系統(tǒng)的輸出功率,但減小TEG冷面與換熱器間的接觸熱阻,系統(tǒng)的輸出功率提升效果更為顯著。與此同時,PCM穩(wěn)定電壓的作用會有一定程度的削弱。