半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在鋁電解槽中的應(yīng)用研究

闞宗祥(香河?xùn)|方電子有限公司 065400）

半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在鋁電解槽中的應(yīng)用研究

闞宗祥
(香河?xùn)|方電子有限公司 065400）

測量鋁電解槽的散熱量、槽壁熱流密度及溫度，對半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)用于鋁電解槽的可行性進(jìn)行分析。結(jié)合鋁電解槽和半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)符合鋁電解槽特點(diǎn)的半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置，測量發(fā)電裝置的功率和效率。測試結(jié)果顯示半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)可用于鋁電解槽余熱發(fā)電。

半導(dǎo)體；溫差發(fā)電技術(shù)；鋁電解槽

0.引言

溫差發(fā)電技術(shù)是一種將熱能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿墓虘B(tài)能量轉(zhuǎn)化發(fā)電技術(shù)，與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)相比，溫差發(fā)電技術(shù)的體積和自重都具有明顯優(yōu)勢，因而溫差發(fā)電裝置的可移動(dòng)性和便攜性能更好[1]。溫差發(fā)電技術(shù)的原材料為熱能，無需其他能源，屬于綠色環(huán)保發(fā)電技術(shù)。半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)是一種基于半導(dǎo)體熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換材料的發(fā)電技術(shù)，由于半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的成本較高，該技術(shù)多用于高精尖領(lǐng)域，例如衛(wèi)星和電力系統(tǒng)[2]。隨著科技的不斷進(jìn)步，半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用成本大幅度降低，該技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來越廣，并且逐漸用于工業(yè)民用領(lǐng)域，本文主要對半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在鋁電解槽中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

1.半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于鋁電解槽的可行性分析

1.1 鋁電解槽特點(diǎn)

鋁電解槽是進(jìn)行鋁電解過程的主體設(shè)備，隨著鋁電解工藝水平提升，鋁電解槽容量及電流量也在不斷提高，造成單位面積散熱強(qiáng)度提高，鋁電解槽外殼溫度也更高。相關(guān)研究報(bào)道[3]，150～320kA容量的鋁電解槽，正常運(yùn)行狀態(tài)下鋁電解槽側(cè)部溫度在260～400℃。雖然化學(xué)能量轉(zhuǎn)化技術(shù)可回收能量，但是回收率低于50%，半數(shù)以上余熱未經(jīng)處理后直接排至大氣內(nèi)[4]。余熱排向大氣不僅造成能量損失，也容易導(dǎo)致鋁電解槽工作環(huán)境的溫度上升，影響鋁電解槽的性能。因此，基于鋁電解槽的熱損失較高問題，有必要使用溫差發(fā)電技術(shù)回收余熱，提高余熱利用率以及改善車間工作環(huán)境。

1.2 鋁電解槽側(cè)部散熱量分析

溫差發(fā)電技術(shù)所用熱能需要滿足一定條件，即熱能屬于低品位熱能。因此將半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)用于鋁電解槽前，需要對鋁電解槽的熱能進(jìn)行分析，判斷側(cè)部散熱量是否符合低品位熱能要求[5]。本研究根據(jù)電解槽總體散熱量判斷電解槽的熱能質(zhì)量，并采用基于電壓的電解槽散熱量計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，公式：

hb=I(Eb-E△H)…… ①

公式①中Eb=E槽- E母線- E均攤……②

公式①中hb、I、Eb、E△H、分別表示電解槽單位熱量損失、電流強(qiáng)度、熱平衡體系邊界內(nèi)電解槽的電壓降、當(dāng)量電壓；公式②中E槽、E母線、E均攤分別表示槽電壓、陰陽極母線壓降、母線均攤電壓。

從公式①可以看到鋁電解槽散熱量主要與電流強(qiáng)度、電壓降和當(dāng)量電壓有關(guān)，且關(guān)聯(lián)程度不同。在鋁電解槽中，電流和體系電壓屬于固定值，電流和體系電壓與溫度無關(guān)。當(dāng)量電壓屬于變量，溫度變化可引起當(dāng)量電壓發(fā)生變化。

鋁電解槽通過頂部、底部和側(cè)部散熱，各個(gè)部分的散熱效果與草體結(jié)構(gòu)有關(guān)。在穩(wěn)定運(yùn)行的電解槽中，各個(gè)部位的散熱量相對固定。本文所用鋁電解槽溫裝置主要通過電解槽側(cè)部發(fā)熱，在鋁電解槽容量范圍內(nèi)，側(cè)部槽殼散熱量占總散熱量的20%～27%，符合溫差發(fā)電技術(shù)對散熱量的要求。

1.3 散熱孔溫度計(jì)熱流密度分析

溫差發(fā)電技術(shù)要求溫差符合一定標(biāo)準(zhǔn)，熱量才能轉(zhuǎn)化為電能。因而需要對鋁電解槽散熱孔溫度和熱流密度進(jìn)行測試。本文使用紅外測溫儀和熱流儀測試某企業(yè)320 kA系列預(yù)焙鋁電解槽散熱溫度和熱流密度，并選擇15個(gè)散熱孔進(jìn)行分析?，F(xiàn)場結(jié)果顯示，15個(gè)散熱孔的溫度在301～44℃，熱流密度在6342～9371 W·m-2，符合溫差發(fā)電技術(shù)對溫差的要求。

1.4 可行性研究

內(nèi)可轉(zhuǎn)換熱能3520.8W，輸出電能29.4kW/h，可作為企業(yè)照明用電。

2.鋁電解槽余熱溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)鋁電解槽側(cè)部散熱孔的尺寸，將半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置分為四個(gè)部分：鋁電解槽散熱孔壁、高導(dǎo)熱模塊、溫差發(fā)電模塊和冷卻模塊，溫差發(fā)電模塊為核心，負(fù)責(zé)熱能轉(zhuǎn)化。高溫導(dǎo)熱及冷卻模塊的底座采用鋁片設(shè)計(jì)，提高導(dǎo)熱系數(shù)。模塊周邊使用高效隔熱材料包括，隔熱材料的熱導(dǎo)系數(shù)為0.012 W(m·K)，可有效降發(fā)電裝置內(nèi)部熱損效率。電能輸出負(fù)載電路及控制裝置采用采用三層框架設(shè)計(jì)，自上而下分為散熱模塊、裝置框架和導(dǎo)熱模塊，各個(gè)轉(zhuǎn)換裝置串聯(lián)若干個(gè)溫差發(fā)電模塊。

根據(jù)發(fā)電裝置的內(nèi)阻及相關(guān)測試數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)條件下發(fā)電裝置的輸出功率維持在20 W左右，詳細(xì)結(jié)果見表1?，F(xiàn)場測試結(jié)果顯示，100℃溫差條件下單個(gè)熱電轉(zhuǎn)換裝置可滿足4個(gè)5W節(jié)能燈穩(wěn)定工作。對裝置連續(xù)測試20h，結(jié)果顯示發(fā)電裝置運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常。

表1 熱電轉(zhuǎn)換裝置測試結(jié)果

3.結(jié)語

目前鋁電解槽熱能利用率低，熱損高，不僅帶來環(huán)境污染問題，更造成能源浪費(fèi)，將半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)用于鋁電解槽中可以降低熱量損失，提高能源利用率，為企業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。但是應(yīng)用半導(dǎo)體溫發(fā)電技術(shù)還需要解決成本問題和發(fā)電裝置對現(xiàn)場設(shè)備的影響，而且本研究結(jié)果顯示熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換效率仍不高，還需要熱傳和熱阻入手，提高轉(zhuǎn)換效率

[1]張韜,周孑民,黃學(xué)章,等. 半導(dǎo)體溫差發(fā)電技術(shù)在鋁電解槽中的應(yīng)用研究[J].熱科學(xué)與技術(shù),2010,01:58-63.

[2]馮平,溫亞東,石俊,等. 淺談溫差發(fā)電的模擬實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用前景[J]. 機(jī)電信息,2013,21:36-37.

[3]黃學(xué)章,張承麗,陳崗,等. 鋁電解槽側(cè)壁余熱溫差發(fā)電的應(yīng)用[J]. 電源技術(shù),2013,09:1580-1584.

[4]黃學(xué)章,包涵,周孑民,等. 鋁電解槽側(cè)壁余熱利用的半導(dǎo)體溫差發(fā)電裝置設(shè)計(jì)[J]. 輕金屬,2011,09:33-37.

[5]周乃君,郭勇,王曉元,等. 鋁電解槽側(cè)壁換熱體系的計(jì)算建模與應(yīng)用[J]. 湖南有色金屬,2014,02:49-51.

[6]何為,王世,學(xué). ZT值溫度依存性對溫差發(fā)電器熱電性能的影響[J]. 熱科學(xué)與技術(shù),2014,03:245-249.

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