新型背景下熱電發電機在傳統汽車中的應用研究分析

肖忠寶

（山西交通職業技術學院，山西 太原 030031）

1 引言

在制造業消耗的能源中，約有三分之一是作為大氣或冷卻系統的熱損失。這些排放過程的結果是效率低下和生產工廠無法利用過剩的能源。這些浪費的能量（熱量）估計超過10夸脫/年（1夸脫= 1015 Btu），相當于17.2億桶石油或127天進口原油供應。這些損失的能量大部分是“低質量的”，恢復起來既不實用也不經濟。一個部分廢熱，高達1.8夸脫/年，1被認為是機會進行熱回收的能量。正在考慮各種技術，包括熱電技術，以恢復和恢復將工業過程中的廢舊能源轉化為有用的電能。熱電（TE）技術于 1821年發現于半導體固體材料，當它產生電流時連接在一起，并承受著跨接點的溫差。這個屬性使產生直流電成為可能，方法是在 TE的一側施加余熱材料，而另一側暴露于較低或環境溫度環境。TE在1995年以前可用的材料產生了熱電轉換效率2%到5%的范圍，并且只在小范圍的應用中使用。然而，最近的重大量子阱和納米結構對TE的影響的科學認識的進展性能與現代薄層和納米尺度的制造技術相結合，為高性能的熱電創造了機會，先進的 TE材料與潛在的轉換效率超過 15%。這些先進的 TE材料的出現為回收廢熱提供了更高效，更經濟，更可靠的機會，這些材料相對被動的系統不產生噪音和振動。因此，熱電（TE）產生作為一項有前途的技術，在汽車工業領域，通過回收廢氣中的廢熱能量為各種類型的發動機減少油耗。

2 熱電發電機新興技術研究進展

采用經濟實用的余熱回收技術，余熱回收在經濟上是可行的，回收能源的特點是隨時可用。廢熱可以通過與其他材料/液體（如熱量）交換能量來回收能量或轉換為另一種形式的能量（如熱能轉換為電）。因此，微納米技術的進步為有效回收余熱的提供新的機會。確定TEG廢熱回收的關鍵應用程序是確定現有工藝流體之間的熱交換情況。熱電發電機（TEGs）的電壓輸出為不僅依賴于TE材料的塞貝克系數，而且還有安裝在TEGs中TE模塊（TEMs）的溫度差。

在熱電發電機中，塞貝克效應被用于利用材料對結之間的電勢將溫差直接轉換成電的過程。早在1958年，它就被提議為供電偏遠地區提取廢舊石油燈的熱量，用熱電發電機為無線電接收器提供電能。還有深空任務“旅行者”號由放射性同位素提供電能熱電發電機（RTGs）。最近，熱電發電機（TEGs）已經被使用通過人體釋放的熱量來驅動腕表。熱電器件的微型化是很有前途的，因為對一個小的設備可以集成大量的材料，這導致小溫差實現高電壓已經成為可能。實現這一點的一種方法是整合縮小“宏觀”的Peltier冷卻器。用垂直厚膜技術制備的熱電偶串聯連接。還有一個例子就是以BiTe合金為基礎的Peltier發電機，這是商業化的微型版本。在這些元素的生產工藝，每一種材料都是在20mm左右厚度的硅晶片上單獨由反應性離子蝕刻，然后結合在 1.12 mm2的芯片上，集成了12個熱電偶并提供67 w溫差的輸出功率5 k。

近年來國內外學者，進行了一系列研究來確定TEGs的熱回收性能。Cangies等人研究了TEMs冷、熱側表面溫度的冷卻劑溫度。他們還展示了功率輸出TEG的變化和轉換效率是冷卻劑的溫度的變化引起的。Thacher等人報道了冷卻劑溫度從363下降到303 K熱電模塊轉換的效率提高了25%左右，功率輸出沒有任何不良影響。Rezania等人進行了冷卻劑流量對TE溫度場的影響調查，他們發現最優的冷卻劑流量下，產生的最大凈功率輸出隨TE冷熱的平均溫差增加而增加。Karri等人對最佳的冷卻劑流量進行了分析確定，通過考慮需要的泵送功率來計算TEG的凈功率，以將冷卻劑最大化引入TEG中。

3 高效熱電發電機系統設計

TEGs的能量利用率之前沒有被深入研究過，它決定了整體的功率輸出性能和系統的效率。通過分析能量利用的結果，可以發現實驗參數對特定環境下的TEGs發電的影響，并對產量有一定的影響，很多學者改進了系統的設計和配置，提高了能源利用效率。為了檢查能量TEGs的利用效率、發電特性應該用幾個因素來徹底檢查。因此，在本研究中，設計分析了廢氣能量的流動，為了增加功率，減少排氣道與排氣道之間的傳熱面積，環境和材料的熱界面，使用具有較高的適應性。

一種使熱電發電機小型化的替代方法是以薄膜為基礎的熱電偶應用于各種傳感器的測量等應用紅外輻射、真空、氣體流動或熱通量。HSG-IMIT和Kundo首次采用了這種技術。n由摻雜單硅和鋁制成的熱電偶集成變成Si膜。類似的設備最近在中提出了改進的隔熱材料。

本文設計了一種熱電的設計與制造發電機用于現代汽車上，具有優化的熱流路徑，使最高溫差位于熱電偶之間連接。蜿蜒的熱電偶（n-poly-Si/Al）位于硅晶圓片上，采用薄膜技術制造實現高集成度。模塊化的制造過程也位使用其他的材料提供了機會，如耐蝕合金或自組織超晶格材料，提供優越的熱電性能。

圖1 新型熱電發電機系統設計

由于在平面內和跨平面結構的組合該裝置的設計和制作參見圖1。

熱通量引導于襯底平面到平面熱電偶垂直接頭，平面由高導熱導電性的金屬條紋組成。因此，來自周圍區域的熱通量垂直引入芯片的面積，引導通過熱電偶在一個平面方向，并釋放熱量垂直于底部區域。這樣的安排保證發電機與環境的熱耦合以及熱電偶上的最高溫度梯度。由于直接相關的電流和熱通量通過裝置，系統的設置也可以使用作為直接測量熱流或溫度的傳感器。對所制備的器件進行了仿真，其溫度場分布對稱合理，如圖2所示。

圖2 發電系統的溫度場仿真結果

模塊A（即熱電偶膜結構）涉及到熱電結構在基板上，基本上是由熱電偶構成的沉積在硅晶圓片材料上的曲流矩形，阻隔層SiO2使熱電堆絕緣，以防止電氣短路通過模塊B中制造的熱接觸結構，這樣允許使用各種熱電材料可以沉積在Si襯底上。對于汽車工作環境的考慮，其工作環境較為惡劣，由于這個原因，在這項工作中選擇了n摻雜的多晶硅和鋁的環境可適應性。

模塊B（即頂部熱控制器），主要功能為通過熱電頂部的熱連接器將熱量從頂部表面傳導到熱電偶。為此目的，金屬沉積在其中，熱通過絕緣 SU-8光刻膠形成的溝槽，該頂部的大面積用作設備的熱接觸墊。

在模塊C（即底部熱控制器）中，P-N結與其絕熱襯底通過背面DRIE工藝穿過襯底，這樣發電機的冷側冷端與底部熱端連接。第二個晶片粘合到背面實現良好的熱接觸并避免空洞污染。

這樣設計的熱電發電系統（p-Bi0.5Sb1.5Te3和n-Bi0.87Sb0.13）實際運行結果表明：在某家用車輛中應用，其輸出電壓9.51 mvk-1，這個值相比其他現有的基于薄膜的設備，其性能更加優良。

4 結果

綜上，本論文中，以方式制作薄膜提出了一種新穎的熱電發電機。其被分成三個模塊，第一個模塊涉及到在薄膜技術中沉積的熱電結構，第二和第三模塊包括產生高導熱的平面內結構所必需的溫度梯度，而熱流是垂直的（跨平面）通過設備。這樣，同時實現了高集成度熱電偶和熱接觸面積的最大，可為汽車行業的熱電發電及余熱利用提供參考。