熱電轉(zhuǎn)換微能源系統(tǒng)中關(guān)鍵熱物理問題的研究

世界范圍內(nèi)能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境惡化催促著人們尋找新能源及能源利用新方法。熱電轉(zhuǎn)換裝置因其結(jié)構(gòu)簡單、無需制冷劑、無機(jī)械傳動部分、無磨損、無噪聲、壽命長、可靠性高等優(yōu)點越來越受到人們重視，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用和軍用領(lǐng)域。而在熱電轉(zhuǎn)換微能源系統(tǒng)中，熱電轉(zhuǎn)換效率受熱電裝置高溫端散熱工況和材料自身熱電性能的影響較大。因此尋找新型高效散熱方式，以及開發(fā)材料熱電性能表征系統(tǒng)已經(jīng)成為熱電轉(zhuǎn)換裝置中關(guān)鍵熱物理問題。 本項目基于上述兩個關(guān)鍵熱物理問題，開展了相應(yīng)研究工作。采用基于數(shù)字信號處理的虛擬鎖相技術(shù)，通過對通1-Omega交流電的熱電材料兩端1-Omega，2-Omega和3-Omega電壓成分的同時采集和分析處理，獲得熱電材料的電導(dǎo)率，熱導(dǎo)率，Seebeck系數(shù)和熱電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)值系數(shù)。為了解決熱電轉(zhuǎn)換裝置性能評估問題，本項目基于直流瞬態(tài)Harman法測量優(yōu)值系數(shù)原理，搭建了熱電器件綜合性能表征實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)同時測量無量綱優(yōu)值系數(shù)（ZT值）、Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率以及熱導(dǎo)率等熱電性能參數(shù)，并通過測試商業(yè)碲化鉍基熱電器件驗證了本實驗臺測量結(jié)果的可靠性。在此基礎(chǔ)上，制作和改進(jìn)了具有不同夾層結(jié)構(gòu)的新型熱電器件，并對其開展了熱電性能評估。實驗結(jié)果表明，室溫下具有夾層結(jié)構(gòu)熱電器件ZT值普遍小于常規(guī)碲化鉍純半導(dǎo)體器件，但是Seebeck系數(shù)卻比常規(guī)器件大；同時夾層結(jié)構(gòu)熱電器件的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率均大于常規(guī)器件值。 另外，為了探索新型高效散熱方式用于解決熱電器件熱端散熱，本項目研究了微通道內(nèi)納米流體強(qiáng)化換熱特性，以期采用在熱電裝置熱端端面開鑿矩形微槽道，并通以水基多壁碳納米管(MWCNT)納米流體的方式解決高效熱電轉(zhuǎn)換裝置中大熱流密度散熱難題。通過實驗測量了納米流體微細(xì)管內(nèi)對流換熱系數(shù)和沿程阻力特性，結(jié)果表明，納米流體能夠顯著強(qiáng)化對流換熱系數(shù)，并且沿程摩擦系數(shù)與去離子水的值相近，表明納米流體強(qiáng)化傳熱的同時泵功消耗并沒有大幅增加,具有工業(yè)應(yīng)用價值。

熱電轉(zhuǎn)換微能源系統(tǒng)可實現(xiàn)熱、電直接相互轉(zhuǎn)換，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、無污染、無噪聲等優(yōu)點，在發(fā)電、制冷、恒溫控制及溫度測量等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。但目前由于科學(xué)技術(shù)的限制，效率低成為制約其應(yīng)用的根本原因。本課題從熱物理角度進(jìn)行系統(tǒng)熱電性能綜合研究；找到提高熱電轉(zhuǎn)換效率的有效途徑，并進(jìn)一步建立熱電轉(zhuǎn)換效率的測試評估系統(tǒng)。研究中擬采用飛秒激光泵浦－探測熱反射法實現(xiàn)對金屬和半導(dǎo)體內(nèi)部及不同界面的能量傳遞特性的超快探測和精確測量；采用基于數(shù)字信號處理的虛擬鎖相技術(shù)，通過對通1-Omega交流電的熱電材料兩端1-Omega，2-Omega和3-Omega電壓成分的同時采集和分析處理，獲得熱電材料的電導(dǎo)率，熱導(dǎo)率，Seebeck系數(shù)和熱電轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)值系數(shù)，進(jìn)一步開發(fā)新型虛擬鎖相熱電轉(zhuǎn)換綜合測試評價系統(tǒng)；在此基礎(chǔ)上，尋找降低系統(tǒng)熱損失和對系統(tǒng)進(jìn)行整體熱管理的新方法、新結(jié)構(gòu)，并對新系統(tǒng)進(jìn)行試制和實驗分析。

熱電轉(zhuǎn)換器也是一種熱機(jī)，它從高溫?zé)嵩次鼰?，向低溫?zé)嵩捶艧幔⒉糠譄徂D(zhuǎn)換成為電功。因此它的理論最高效率仍然是卡諾循環(huán)效率。由于各種損失的存在，熱電轉(zhuǎn)換器的效率與卡諾循環(huán)限制相去甚遠(yuǎn)。理論分析表明熱電轉(zhuǎn)換器的效率能夠大于10%，但實際建成裝置的效率大都遠(yuǎn)低于這個值，隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展，熱電轉(zhuǎn)換器的效率接近20%是個合理的目標(biāo)。至于應(yīng)用，可在非洲偏遠(yuǎn)地區(qū)用油燈的余熱為收音機(jī)供電，可在海洋上用海水溫差驅(qū)動聲納浮標(biāo)。

隨著冷熱電能源需求的不斷增加，可以同時提供電能、冷能和熱能的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)正蓬勃發(fā)展。不同于傳統(tǒng)微電網(wǎng)，對其的研究需從多種角度出發(fā)，依托冷熱電能的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，實現(xiàn)冷熱電混合能源的整體最優(yōu)。然而，就應(yīng)對冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度研究方面，尚缺少一套完整的設(shè)備建模、綜合評估、調(diào)峰調(diào)蓄、需求側(cè)響應(yīng)分析以及利用其消納分布式新能源的技術(shù)方法，這是本項目旨在解決的核心問題。主要研究內(nèi)容包括：1）冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)混合能源特性分析、優(yōu)化配置和綜合評估技術(shù)研究；2）冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)調(diào)峰調(diào)蓄關(guān)鍵技術(shù)及需求側(cè)響應(yīng)研究；3）冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)消納分布式新能源技術(shù)研究。從而建立冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)多時間尺度多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，探索規(guī)?；娔芴娲膽?yīng)用模式。為多能源互補(bǔ)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方法提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)，提升能源綜合利用效率，促進(jìn)可再生能源的就地平衡和消納，為國家的能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

在我們的現(xiàn)代生活中，大到工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸，小到日常生活，每天都在消耗著大量的能量，然而這些能量并沒有得到充分的利用。在能量的利用過程中，總有一部分能量未能得到利用，而是轉(zhuǎn)化為熱能散失掉了。應(yīng)用熱電材料進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換可以利用這部分能量。