【正文】 圖 46 散熱冷卻系統(tǒng)示意圖散熱片：通過對實驗的分析及其與實際相結(jié)合，本實驗所選用的散熱片的 基本尺寸（如圖 47 散熱片結(jié)構(gòu)圖所示），在實驗中共需要使用 12 塊散熱片。輔助材料：為了更好的完成高導熱系統(tǒng)，在實際組成中還需要使用一些輔 助材料，它們對熱量的傳遞起著不容忽視的作用 如：12 塊型號為 80*40*4 mm 的銅板，它主要是用來填充內(nèi)部的高度使鋁板與溫差發(fā)電模塊更好的接觸且傳 遞熱量。高阻隔熱材料：高阻隔熱材料在實驗裝置中主要是用于隔熱，保持鋁箱的 溫度。其中前三塊環(huán)氧樹脂板內(nèi)嵌在鋁箱中， 主要用于固定散熱片、溫差發(fā)電模塊。隔熱材料的選擇也起著非常重要的 作用，它可以阻止外部的熱量進入鋁箱而引起的內(nèi)部溫度過高。環(huán)氧樹脂板高阻隔熱材料金屬材料圖 43 高導熱系統(tǒng)裝配示意圖由圖 42 可以看出外部的熱量主要是通過鋁箱傳入，之所以選擇鋁材料是 因為其導熱性能好、質(zhì)量較輕且比較廉價。在本實驗搭建過程中應(yīng)主要解決如何產(chǎn)生更大的溫差，即如何使散熱孔中 的熱量更好的傳給發(fā)電模塊產(chǎn)生高溫面，如何構(gòu)建冷卻裝置使內(nèi)部更快的散熱。同時， 在電解過程中釋放大量的熱，而這些熱量絕大部分都通過散熱孔直接排放到大 氣中，不僅造成能量浪費而且污染環(huán)境。本實驗的研究內(nèi)容主要是對工廠生產(chǎn)中產(chǎn)生的工業(yè)廢氣、 余熱加以利用，實驗中主要是對鋁電解槽余熱發(fā)電技術(shù)進行研究，在鋁槽的槽 散熱孔的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上搭建溫差發(fā)電實驗裝置。在溫差達到最大時，其最大輸出功率大小受負載的影響，如圖 37 所示為 溫差達到最大時輸出功率的變化曲線。當溫差較小時負載的 變化對其輸出電流影響較小，隨著溫差的增大，負載的變化對其輸出電流影響約來越劇烈。 輸出電壓性能特點在不同溫差下對可變電阻的輸出電壓測量結(jié)果如表 2 所示：表 2 可變負載情況下溫差與輸出電壓輸出 溫差電阻 電壓10 20 30 40 50 60 80 歐1 歐 歐2 歐 歐3 歐4 歐5 歐6 歐7 歐8 歐9 歐10 歐2通過所測得的數(shù)據(jù)繪制溫差電壓曲線圖，如圖 34 所示：溫度電壓曲線輸出電壓 /U 4歐 6歐 8歐 10歐負載電阻 /歐10度20度30度40度50度60度80度圖 34 溫差電壓曲線通過繪制的溫差電壓曲線圖可以看出在負載不變時，溫差逐漸增大其輸出 電壓也隨之增大，但負載電阻越小時這種變化越不明顯。（圖 32 性能測試電路圖）冷 保溫材料 熱 面 面 半風 導扇 體 鋁發(fā) 片 熱量 Q電模 塊散熱 保溫材料片圖 31 性能測試原理圖無 + 紙 + 記 + 錄 +半導體發(fā)電模塊鋁片儀 AV220V圖 32 性能測試電路圖 空載下發(fā)電模塊性能的研究首先使實驗裝置無負載，在無負載的情況下對其溫差、輸出電壓進行測量， 其測量結(jié)果如表 1 所示：表 1 無負載情況下溫差與輸出電壓溫差05101520253035404550輸出電壓/ U01溫差556065707580859095100輸出電壓/ U通過實驗所測得的數(shù)據(jù)繪制溫差電壓曲線如圖 33 所示溫差電壓曲線4輸出電壓 / U3210y = + 0 20 40 60 80 100 120溫差 / 度圖 33 溫差電壓曲線在無負載的情況下對實驗裝置進行測量，對所得的數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果如 圖 所示。3 單一溫差發(fā)電模塊性能研究單一溫差發(fā)電模塊是指僅由一塊商用溫差 制 冷 片 組成的發(fā)電器，單塊發(fā)電 模塊性能特點的探討和研究不僅是對溫差發(fā)電的有益探索，而且也是研究多個 模塊組合時發(fā)電性能的必要基礎(chǔ)，因此有必要進行較詳細的實驗研究。熱電材料無氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)存在，而且在能量轉(zhuǎn)變過程中 沒有廢水、廢氣等污染物的排出，是一種對環(huán)境近乎零排放的能源材料，這對 于保護環(huán)境、改善人類生存與可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義，是一種十分理想的 電源。(3)安裝、使用簡便，控制和維護方便，可長期免維護工作。導熱絕緣體的作用是將熱量在整個面上散開，一般用氧化鋁陶瓷片等導熱絕緣材料。高溫面高溫面溫度低溫面低溫面溫度可變負載輸出電流圖 24 半導體溫差發(fā)電示意發(fā)電原理可簡述如下：將兩種不同類型（N 型和 P 型）的半導體熱電轉(zhuǎn)換 材料的一端結(jié)合并將其置于高溫狀態(tài)另一端開路并給以低溫。通過優(yōu)化設(shè)計，在相同質(zhì)量 的半導體用料情況下，用串聯(lián)的方式將若干較小的 np 電偶連接起來，就形成了半導體溫差發(fā)電模塊[14]。當在器件的兩端建立一個溫差，使高溫端保持 Th ，低溫端保持 Tc ，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，將產(chǎn)生一個電壓，若將回路中接入負載電阻，則將有電流流過，電流方向在 N 極中由冷端流向熱端，P 極中由熱端流向冷端。Z 值可表示為：a 2sZ =l或無量綱常數(shù) ZT：2（211）ZT = a sTl（212）而熱導率由晶格熱導率 lL 和電子熱導率 l E 兩部分組成，即 l = lL + lE ，故無量綱優(yōu)值可寫為下式表示：ZT =a 2sT（213）式中： Z——優(yōu)值；T——絕對溫度；s ——電導率；a ——塞貝克系數(shù)；l ——熱導率；L——洛倫茲數(shù)。 一般因這種熱交換是二級效應(yīng)，它在電路的熱分析計其中處于次要地位，可以 忽略不計。與周圍環(huán)境的熱交換溫度梯度圖 23 湯姆遜效應(yīng)示意圖如果習慣電流方向和溫度梯度的方向一致時有吸熱現(xiàn)象，則湯姆遜系數(shù)t 為 正值。對 p ab 也有一個規(guī)定符號的問題，這必須與 a ab 一致。 珀爾帖效應(yīng)當直流電通過兩種不同導電材料構(gòu)成的回路時，結(jié)點(junction)上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象（圖 22），這是法國人珀爾帖最早發(fā)現(xiàn)的，1834 年首次發(fā)表于法 國《物理和化學年鑒》上，因此這個現(xiàn)象稱為珀爾帖效應(yīng)[10,11]。若用 a a 和a b 來表示材料 1 和 2 的絕對塞貝克系數(shù)，其數(shù)值可由開爾文關(guān)系 式得到式（22）、（23）：242。實際上，這種理想材料只能是處在極低溫度下的超導體。通常規(guī)定：同一接頭處，若電流由導體 b 流入導體 a，則塞貝克系數(shù) a ab 就 為負。a = lim DUabDG 174。這種電動勢就稱為塞貝克電動勢，又稱溫差 電動勢。而另 外兩種效應(yīng)即焦耳效應(yīng)和傅立葉效應(yīng)則是不可逆效應(yīng)。并在實驗室搭建仿鋁電解槽散 熱孔的結(jié)構(gòu)實驗測試系統(tǒng)，對設(shè)計的余熱發(fā)電裝置的性能加以實驗分析，測試 電源的輸出電壓、輸出功率和工作時間等參數(shù)。本論文主要從以下幾個方面進行研究：（1） 通過查閱國內(nèi)外文獻，對半導體溫差發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動 態(tài)作簡單概述，并指出溫差發(fā)電的發(fā)展趨勢。隨著能源 供需矛盾的日趨突出，如何最大限度的提高能源的利用效率己成為世界各國普 遍關(guān)注的問題。目前鋁電解槽側(cè)部槽殼溫度多在 270～300℃左右，大量的 余熱從此處直接排向空氣中，不僅造成巨大的能量損失，而且惡化了電解車間 的工作環(huán)境。 鋁工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、水泥工業(yè)、各種氣體壓縮泵站以及垃圾焚燒的廢熱數(shù)量也 是巨大的，工業(yè)余熱的合理利用是解決能源短缺問題的一個重要方面。溫差電技術(shù)的應(yīng)用一直 局限于高科技和軍事、航天領(lǐng)域。綜合目前的研究情況來看，溫差發(fā)電 在這方面顯示出了優(yōu)越性，是將此類能源直接轉(zhuǎn)換為可以直接利用的二次能源—電能的有效途徑之一。在這些轉(zhuǎn)換方式中，一般都涉及到熱能和機械能的 相互轉(zhuǎn)換，因而有工質(zhì)的循環(huán)和運動的機械部件。此外，各行各業(yè)余熱和廢熱的回收潛力十分巨大，而且，隨著環(huán)保意識的 加強以及對未來傳統(tǒng)能源匱乏的擔心，充分利用余熱和工業(yè)廢熱的呼聲己高于 單純經(jīng)濟性的考慮。據(jù)統(tǒng)計，每年中國陸地接收的太陽輻射 總量，相當于 24000 億噸標煤，全國總面積 2/3 地區(qū)年日照時間都超過 2000 小時[5]。因 此，如果能把這類熱源有效利用起來，那對于節(jié)約能源、緩解能源危機具有舉 足輕重的作用。因此，解決環(huán)境和能源問題己經(jīng)成為刻不容緩的艱巨任務(wù)。 而自然界中存在的常規(guī)能源，包括石油、天然氣和煤炭的數(shù)量是十分有限的， 有資料顯示：上述能源的動態(tài)儲量保證年限分別是 33 年、39 年和 83 年[2]，即 使是新發(fā)展的核能原料——鈾的保證年限也僅有 47 年。而溫差發(fā)電能 夠促進能源結(jié)構(gòu)的多元化，緩解能源危機，其具有很強的穩(wěn)定性且無污染，如 放射性同位素溫差電源，但溫差發(fā)電技術(shù)相對來說發(fā)展較慢，主要集中在軍事、 航天等領(lǐng)域，目前正爭取在民用上取得突破；而且其技術(shù)主要被美、日、歐等 發(fā)達國家所掌握，國內(nèi)尚處于剛起步階段。s power output voltage and power to carry out the collection, summing up a series of relevant laws, derived from the best power output 。溫差電效應(yīng)是半導體溫差發(fā)電的理論基礎(chǔ)，本文在對其基本原理進行簡 單說明的同時對半導體溫差發(fā)電的工作原理作了清晰的闡述。以 半 導 體 溫 差 發(fā) 電 模塊制造的溫差發(fā)電器，只要有溫差存在即可以 發(fā)電。 and then, in accordance with the basic principles of cooling holes with aluminium cell structure design structures using the waste heat experimental device, And in the laboratory structures imitation aluminium cell structure of the cooling testing system, the experimental device39。后者在近 20 年取得了明顯 進展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，尤其在民用方面，由于傳統(tǒng)制冷工質(zhì)氟利昂對大氣 臭氧層的破壞，溫差電制冷技術(shù)由于其對環(huán)境無污染的優(yōu)點引起極大關(guān)注，據(jù) 估計，近幾年來的商用溫差電致冷器市場以每年高速率遞增[13]。隨著世界范圍內(nèi)人口的增長， 人類對于能源的需求量也隨之迅速增加，大約每 5 年能源消耗量就增長一倍。自“911事件之后，人們對核電站的安全保護問題也提出了疑問，甚至連國際原子能機構(gòu)也認為，保護核電站免受空中襲擊基乎是難以做到的，許多國家都在重新評價核電發(fā)展問題[3]。這里所說的低品位熱源，主要有兩個特點：一是熱源溫度較低；二是熱源 溫度不穩(wěn)定，這些特點決定了低品位熱源是目前比較難以利用的一類熱源。我國具有比較豐富的太陽能資源，根據(jù)全國 700 多個氣象臺站長期觀測積 累的資料表明，中國各地的太陽輻射全年總量大致在 103 — 103 MJ/ m2之間，其平均值約為 102 MJ/ m2 。利用熱帶表層被太陽曬熱的海水和 800 米 深處的冷海水的溫差發(fā)電已有應(yīng)用實例[6]。例如，在火力發(fā)電(或核電)站，化學能(或核能)先經(jīng)燃燒(或核裂變)轉(zhuǎn)換成熱能，再通過熱機的工作轉(zhuǎn)換成機械能，最后再由發(fā)電機轉(zhuǎn)換成電能。能量直接轉(zhuǎn)換就是指和傳統(tǒng)方 式相比減少了中間環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)換方式。 溫差發(fā)電的發(fā)展趨勢長久以來，因為受到生產(chǎn)成本和轉(zhuǎn)換效率的限制。 內(nèi)燃機、汽輪機等熱機燃料所產(chǎn)生的能量 50%以上都以熱能的方式被浪費了。近年來，隨著鋁電解工業(yè)水平的不斷提高，電解槽 容量或電流不斷增大，電解槽單位面積的散熱強度亦不斷增大，進而導致側(cè)部 槽殼溫度隨之升高。由于溫差發(fā)電器的發(fā)電效率 的高低直接由溫差大小決定，因此傳統(tǒng)上主要將半導體溫差發(fā)電器應(yīng)用于中高溫差(溫差大于 300K)領(lǐng)域，而在更廣泛的低溫差領(lǐng)域則應(yīng)用的很少。此外，應(yīng)