發(fā)動機余熱發(fā)電系統(tǒng)設計

發(fā)動機余熱發(fā)電系統(tǒng)設計,發(fā)動機,余熱,發(fā)電,系統(tǒng),設計 1 畢業(yè)設計（論文） 題 目 發(fā)動機余熱發(fā)電系統(tǒng)設計 Design of system for waste thermal of generator 姓 名 汪軍輝 學 號 3043120021 分 院 機電與能源分院 專業(yè)班級 04 機械電子（1）班 指導教師 宋瑞銀（博士） 完成時間 2008 年 05 月 20 日 寧波理工學院 2 畢業(yè)設計（論文）任務書 、、 題目： 發(fā)動機余熱發(fā)電系統(tǒng)設計 、、 分院 機電與能源分院 學生姓名 汪軍輝 專業(yè)班級 04 機電（1）班 學號 3043120021 發(fā)放日期 2007 年 12 月 、、 指導教師對畢業(yè)設計（論文）的進度安排及任務要求： 1、 主要任務與目標: 2、 主要內容與基本要求: 3、 計劃進度: 4、 主要參考文獻: 起訖日期： 2007 年 01 月 15 日 至 年 月 日 指導教師（簽名） 職稱 2007 年 01 月 15 日 、、 分院審核意見 3 負責人（簽名） 年 月 日 4 畢業(yè)設計（論文）工作記錄卡 姓 名： 日 期 寫 作 環(huán) 節(jié) 主 要 工 作 內 容 指導教師簽字 選 題 （選題） 開題報告 （搜集資料） 搜集資料 （開題報告） 初 稿 （總體方案設計分析） 二 稿 （設計計算和工作圖） 定 稿 （說明書撰寫） 5 注：設計類工作記錄卡寫作環(huán)節(jié)一欄按括號內要求填寫 畢業(yè)設計（論文）工作指導卡 姓 名 指 導 教 師 計劃進程表 日 期 工 作 內 容 完 成 情 況 指 導 教 師 檢 查 答 疑 記 錄 日 期 檢 查 答 疑 內 容 指導教師簽字 學 生 請 假 記 錄 日 期 請 假 原 因 指導教師簽字 I 中文摘要 隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）的快速發(fā)展，為MEMS 提供電能的微小型功率 器件（POWER MEMS）逐步得到了廣泛的研制。微小型熱電電源是其中得到 發(fā) 展的研究課題。 本文提出了發(fā)動機余熱發(fā)電系統(tǒng)設計方案，它是在發(fā)電器兩端施加強制溫 差并利用熱電效應將熱能轉換為電能的一種器件，它包括冷源、熱源和微小型 熱電發(fā)電器三險要部件，具有壽命長、可靠性高、無污染、安靜無噪聲和無可 動部件等優(yōu)點。 本文結合熱電堆式熱電發(fā)電器的理論模型，考慮到湯姆孫效應的影響，建 立了發(fā)動機余熱發(fā)電系統(tǒng)的模型。 關鍵詞：關鍵詞1：設計; 關鍵詞2：分析; 關鍵詞3：結構; 關鍵詞4：尺寸; 關鍵詞5：組合 II Abstract The widely use of MEMS prompted the extensive research of Power MEMS．Micro (small) thermoelectric generation device is one of the research programs for Power MEMS. In the paper, the design of system for waste thermal of generator was put forward, and the theory of which is put temperature in difference actively to two sides of the micro (small) thermoelectric generator. The device includes mainly three parts such as heat source, sink source and micro (small) thermoelectric generator etc, which has merits of quiet, long life-span for use, no pollution and having no movable components etc. Combined with perfect model of common thermoelectric generator, generator were built up based on such factors as the effect of Thomson effect ，then the design of system for waste thermal of generator were optimized. Key word: 1. design 2. analyze 3. configuration 4. size 5. Combination III 目 錄 中文摘要 英文摘要 第 1 章 緒 論 .....................................................1 1.1 課題研究的背景 ................................................1 1.2 課題研究的意義 ................................................2 1.3 國內外余熱發(fā)電的研究現(xiàn)狀 ......................................2 第 2 章 余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理與理論設計 .................................4 2.1 余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理 ............................................4 2.1.1 余熱發(fā)電器的原理 ..........................................4 2.1.2 塞貝克效應 ................................................4 2.1.3 帕爾帖效應 ................................................5 2.1.4 湯姆遜效應 ................................................6 2.2 余熱發(fā)電器的理論模型 ..........................................7 2.3 余熱發(fā)電系統(tǒng)的理論計算 ........................................7 2.3.1 余熱發(fā)電系統(tǒng)溫度梯度的計算 ................................7 2.3.2 單個電偶臂的功率計算和效率計算 ............................9 2.3.3 余熱發(fā)電系統(tǒng)的功率與效率的理論計算 .......................11 第 3 章 余熱發(fā)電系統(tǒng)的設計 .........................................13 3.1 熱電發(fā)生器結構分析 ...........................................13 3.2.1 美國普林斯頓大學研究的方案 ...............................13 3.2.2 美國普林斯頓大學研究的方案 ...............................15 3.2.3 熱電堆式熱電發(fā)電器 .......................................16 3.2 余熱電發(fā)電器模塊的設計 .......................................17 3.2.1 通氣管道的結構設計 .......................................18 3.2.2 通水管道的結構設計 .......................................20 3.2.3 余熱發(fā)電器的設計 .........................................22 3.2.4 余熱發(fā)電器的結構制作 .....................................26 3.2.5 余熱發(fā)電器的工藝設計 .....................................28 3.3 余熱發(fā)電器模塊的固定框架設計 .................................30 3.4 余熱發(fā)電器模塊和固定框架裝配 .................................32 3.5 余熱發(fā)電器模塊之間的連接部件 .................................32 第 4 章 總 結 ...................................................34 參考文獻 ...........................................................35 附錄 ...............................................................36 致謝 ...............................................................37 1 第 1 章 緒 論 1.1 課題研究的背景 我國建設節(jié)約型社會的現(xiàn)狀不容樂觀，進入 21 世紀以來，我國經濟社會繼 續(xù)保持了快速發(fā)展的勢頭，取得了有目共睹的偉大成就，也遭遇前所未曾有過 的資源約束和環(huán)境制約。針對這些情況，中央適時地提出了建設資源節(jié)約型、 環(huán)境友好性社會等一系列新的觀念和決策。 節(jié)約型社會目的是通過“ 加快建設 資源節(jié)約型社會，推動循環(huán)經濟發(fā)展。解決全面建設小康社會面臨的資源約束 和環(huán)境壓力問題。保障國民經濟持續(xù)快速協(xié)調健康發(fā)展(國辦發(fā)(2004330 號文件)， 強調在經濟活動中節(jié)約資源和保護環(huán)境的同等重要性，要求經濟效率和環(huán)境保 護并駕齊驅。要求人類發(fā)展生態(tài)經濟，追求以節(jié)約資源、能源和減少污染為前 提的生念經濟效率，要求人類在經濟活動中實現(xiàn)經濟與環(huán)境的協(xié)凋統(tǒng)一。目前， 建沒節(jié)約型社會多從節(jié)能技術、綠色技術、循環(huán)經濟等方面展開，這有利于節(jié) 約型社會建設的深入發(fā)展。在現(xiàn)在這個飛速發(fā)展的社會中交通無疑是很重要的 一塊，而汽車、飛機、船舶等交通運輸工具又是不可或缺的，而發(fā)動機是汽車、 飛機、船舶等交通運輸工具的核心部件，其應用范圍非常廣泛。隨著人類社會 的發(fā)展，發(fā)動機的數(shù)量急速增加。以汽車為例，2005 年汽車保有量達 3300 萬 臺，預計 2010 年將超過 7000 萬臺。與之相對應的是發(fā)動機數(shù)量的劇增和廢熱 的大量排放。調查研究表明，發(fā)動機燃料燃燒所發(fā)出的能量只有 34％～38％（柴油機）或 25％～28％（汽油機）被有效利用。其它的能量被排 放到發(fā)動機體外，僅由排氣帶走的熱量就占進入發(fā)動機中的燃料所產生熱量的 30％～45％。這一方面造成了較大的能源浪費，另一方面使周邊環(huán)境溫度升高， 帶來了城市的熱島效應等不良影響。熱污染首當其沖的受害者是水生物，由于 水溫升高使水中溶解氧減少，水體處于缺氧狀態(tài)，同時又使水生生物代謝率增 高而需要更多的氧，造成一些水生生物在熱效力作用下發(fā)育受阻或死亡，從而 影響環(huán)境和生態(tài)平衡。此外，河水水溫上升給一些致病微生物造成一個人工溫 床，使它們得以滋生、泛濫，引起疾病流行，危害人類健康。隨著人口和耗能 量的增長，城市排入大氣的熱量日益增多。按照熱力學定律，人類使用的全部 2 能量終將轉化為熱，傳入大氣，逸向太空。這樣，使地面反射太陽熱能的反射 率增高，吸收太陽輻射熱減少，沿地面空氣的熱減少，上升氣流減弱，阻礙云 雨形成，造成局部地區(qū)干旱，影響農作物生長。近一個世紀以來，地球大氣中 的二氧化碳不斷增加，氣候變暖，冰川積雪融化，使海水水位上升，一些原本 十分炎熱的城市，變得更熱。造成熱污染最根本的原因是能源未能被最有效、 最合理地利用。在其它工程機械、船舶、飛機運輸工具中，發(fā)動機對能量的利 用效率也存在同樣的效率低、能源浪費等問題。現(xiàn)代化國家的經濟發(fā)展和能源 有著密切的關系，在正常的情況下，經濟發(fā)展與能源之間存在著正相關，也就 是說，能源消費量越大，國民生產總值也越高。反之，能源不足就會影響國民 經濟的發(fā)展，甚至會造成巨大的損失。據(jù)分析，由于能源不足所引起的國民經 濟損失，約為能源本身價值的 20 到 60 倍。由此可見，不論哪個國家哪一個時 期，若要加快發(fā)展國民經濟，就必須保證能源消費量的相應增長。目前，我國 正處于改革開放的前期階段，要盡快發(fā)展社會主義經濟建設，除了其他的必要 條件外，還必須重視能源這一重要的物質基礎。因此，能源是我國更好地進行 社發(fā)濟的關鍵。一方面要增加能源的采集，另一方面還要注重提高能源的利用 率。 1.2 課題研究的意義 節(jié)能與環(huán)保是21 世紀人類面臨的嚴重問題。中國正處在持續(xù)發(fā)展的關鍵階 段, 開發(fā)新能源和充分利用低品位能源、廢能源具有重大意義。同時, 通過節(jié) 能可以節(jié)約大量燃料, 對于降低我國在二氧化碳, 二氧化硫和氮氧化物的排放 都具有直接的影響。我國在各種工業(yè)過程中存在大量的熱能浪費現(xiàn)象, 發(fā)展各 種環(huán)境友好的節(jié)能技術, 是十分重要的。 本課題的意義在于：一方面不僅提高了對能源的利用率，節(jié)約了能源，另 外一方面也減少了對大自然的熱污染，保護了環(huán)境。 1.3 國內外余熱發(fā)電的研究現(xiàn)狀 目前在微小型熱電發(fā)電器的研究方面，國外對微型熱電發(fā)電機研究比較完 善的有Princeton 大學、南加州大學和Michigan 大學。美國USC 空氣動力實 3 驗室于2000 年推出微型熱電發(fā)電機（MicroFire），德國Dresden 科技大學， 利用銅箔作為介質研發(fā)了一種微型熱電發(fā)電器，其面積為16*30mm^2,輸出電 壓達到250mV。美國和日本是目前國際上對熱電材料與工程研究投入最多的國 家。美國的研究主要側重于軍事、航天、理論和高科技方面日本的研究側重 于廢熱利用，同時相應地著力于耐高溫的陶瓷溫差電材料的研究在大尺寸的 范圍，熱電發(fā)電裝置已經取得實際的應用。國內研究現(xiàn)狀：熱電現(xiàn)象本身是 可逆的, 溫差發(fā)電和半導體致冷是熱電現(xiàn)象的兩個方面, 互相可逆?？赏?個PN 結, 若施加溫差則可用來發(fā)電,若對其通電, 則可用于在一端致冷。國 內對半導體致冷現(xiàn)象和應用研究具有一定水平, 目前已有商品器件和設備出 售, 但對溫差發(fā)電,則幾乎是一片空白. 這主要是因為我國在軍事高技術研究 能力方面相對落后, 未能刺激起足夠的需求. 隨著國際學術交流的廣泛開展, 國內不少學者到國外接觸了相關技術, 相信我國在這一領域相對落后的面貌 將逐漸改觀. 4 第 2 章 余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理與理論設計 2.1 余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理 2.1.1 余熱發(fā)電器的原理 余熱發(fā)電器主要是利用熱電材料的熱電效應產生電流而工作的。熱電效應 是電流引起的可逆熱效應和溫差引起的電效應的總稱，它包括塞貝克(Seebeck) 效應，帕爾帖(Peltier)效應和湯姆遜(Thomson)效應。這三個效應通過開爾文 (Kelvin)關系式聯(lián)系在一起。這三個效應奠定了熱力學熱電理論發(fā)展的基礎。 熱電效應還伴隨產生了其它效應：焦耳熱效應和傅立葉效應。下面分別介紹熱 電發(fā)電器的基本理論。 圖 2－1 熱電轉換工作原理 2.1.2 塞貝克效應 1821 年法國物理學家T.J.Seebeck 在考察 Bi-Cu 與Bi-Te 回路的電磁效 應時發(fā)現(xiàn)了熱電流、他的實驗表明，當由兩種不同導體材科構成的閉合回路的 兩個節(jié)點溫度不同時，回路中有熱電流產生，這就是Seebeck 效應如圖所示 5 圖 2-2 賽貝克效應圖 不同導體材料,a.b 兩端節(jié)點存在溫差⊿T 時，便會產生Seebeck 電勢⊿V， 定義Seebeck 電勢率αab=V/T,當⊿T→0 時,寫成: αab = dV/Dt （2－1） αab 稱為塞貝克系數(shù),其符號取決于組成熱電偶的材料本身及節(jié)點 的溫度/一般規(guī)定在低溫是a 到b,其值為正,他的大小取決于兩節(jié)點的溫度和金 屬導體的材料性質。 2.1.3 帕爾帖效應 1834 年,法國物理學家C.A.Peltier 觀察到當電流通過兩個不同導體的節(jié)點 時，在節(jié)點附近有溫度變化：當電流從某一方向流經回路的節(jié)點時，節(jié)點會變 冷，而當電流反向的時候，結點溫度會變熱。Lenz 于1838 年給出Peltier 效 應的本質特征。Peltier 效應顯示出熱電致冷的可能性。 Peltier 效應表明，流經兩種不同的導體組成的回路的結點的微小電流會產生 可逆的熱效應，在時間dt 內其熱量dQp 的大小與流過的電流I 成正比： dQp=πabIdt=πabq （2-2） 比例系數(shù)π ab 稱為Peltier 系數(shù)，也叫Peltier 電勢，q 是傳輸?shù)碾姾?。當?流由a 到b, πab 為正，dQ>0,吸熱：反之則放熱。πab 的大小與節(jié)點溫度及 熱電偶組成材料有關。Peltier 效應產生的原因是位于節(jié)點兩邊材料中載流子濃 6 度與Fermi 能級不一樣，當電流通過節(jié)點時，為了維持能量和電荷守恒必須與 環(huán)境交換能量。 2.1.4 湯姆遜效應 1854 年，Thomson 發(fā)現(xiàn)當電流通過一個單一導體，且該導體中存在溫度 梯度，就會有可逆的熱效應產生，稱為Thomson 效應，產生的熱為Thomson 熱。 Thomson 熱與通過的電流，經歷的時間成正比，假定溫度梯度較小： dQT =τ IdT / dx （2－3） 比例系數(shù)τ為湯姆遜（Thomson）系數(shù)。符號規(guī)則與Peltier 效應相同，當電流 流向熱端，dT>0 ，τ>0， dQ>0，吸熱。 三個熱電系數(shù)可以通過開爾文（Kelvin）關系式聯(lián)系起來： T 為絕對溫度。從上兩項關系式可導出單一材料的Seekeck 系數(shù)和Thomson系 數(shù)的關系： 從該關系式看出，如果知道Thomson 系數(shù)，就可以通過積分得到的單一材料 的Seebeck 系數(shù)。 可見，熱電效應是熱傳導和電傳導之間的一種可逆的交叉耦合效應。根據(jù)電導， 熱導的通常定義，可把這種熱—電偶合效應表示為： 矩陣表示形式為： 7 式中， ，分別是電流，熵流和熱流密度， ，以及 T 分別為電場強度、溫度差、電導率、 Seebeck 系數(shù)、熱導率和溫度。式(2—6a)表明了材料存在溫度差，則可以產生電流；反 之，式(2—6b)顯示了電流可以在材料中產生熱流。 2.2 余熱發(fā)電器的理論模型 描述熱電發(fā)電器熱電轉換性能的參數(shù)主要包括輸出功率和熱電轉換效率。對 微小型熱電發(fā)電機而言，還有質量（體積）比功率（或稱為輸出能量密度）等 性能指標。對普通尺寸熱電發(fā)電器，一般按照圖2－2 這種一對P、N 電偶臂簡 化模型進行分析計算。理想模型主要包括導熱覆蓋基板、導流層和電偶臂三部 分。當電偶臂兩端存在溫差時，P、N 結兩種不同熱電材料將產生塞貝克 （Seebeck）效應，故而在回路中產生電流。 圖 2－3 熱發(fā)電器單對電偶臂理想結構 2.3 余熱發(fā)電系統(tǒng)的理論計算 2.3.1 余熱發(fā)電系統(tǒng)溫度梯度的計算 圖2－2為理論的一對PN 電偶臂熱電發(fā)電器結構。一對PN 電偶臂熱電發(fā)電 器主要包括電絕緣導熱覆蓋片、導流銅片和焊料層。導熱覆蓋片為高導熱率 的絕緣片，冷熱端的材料、尺寸一樣，則可以得到三者的熱導率分別為： K c1 = K c2= K c3 = λ?? 1?? ??1?? ??1 λ?? 2?? ??2?? ??2 λ?? 3?? ??3?? ??3 （2－8） 8 容易推得總的熱導率為： Kａ = ????1 ????2 ????3????1????2 + ????1????3 + ????2????3 （2－9） 式中： λc 1 －導熱覆蓋基板有效熱導率； λc2 －導流片的有效熱導率； λc3－電偶臂有效熱導率； l c1－導熱覆蓋基板厚度； l c2－導流片厚度； lc3－電偶臂厚度； A c1－導熱覆蓋基板的面積； A c2－導流片的面積； A c3－電偶臂面積； K c1－導熱覆蓋基板導熱率； K c2－導流層導熱率； K c3－電偶臂導熱率。 導熱覆蓋基板的材料是氧化鋁陶瓷，有效熱導率λc 1（20 W/m. ℃～30 W/m.℃），這里設置導熱系數(shù)依次遞增 λc 1 = 5 W/m.℃ （存在接觸間隙） 導熱覆蓋基板厚度?。簂 c1 = 1 mm 導熱覆蓋基板的面積?。篈 c1= 100mm*100mm 導流片的材料是銅, 有效熱導率λc 2 = 401W/m.℃ （查自《傳熱學》趙鎮(zhèn)南 高等教育出版社 P492 附錄 3） 導流片厚度?。簂 c2= 1 mm 導流片面積取: A c 2= 21mm*1mm 電偶臂材料是 Bi2Se3，有效熱導率λc 3 = 140 W/m. ℃ 電偶臂厚度取：l c3= 16.4 mm 電偶臂面積取: A c 3= 3mm*3mm 所以： 9 K c1 = = 50 W/℃ K c2 = =8.421 W/℃ λ?? 1?? ??1?? ??1 λ?? 2?? ??2?? ??2 K c3 = = 0.077 W/℃ λ?? 3?? ??3?? ??3 Kａ = =0.076 W/℃ ????1 ????2 ????3????1????2 + ????1????3 + ????2????3 傅立葉效應 Qk= (Th-Tc) = K T ?????? 設：熱端溫度啟始為800℃ 冷端溫度為20℃ 所以：Qk總= K ａ T總 = 0.076 W/℃ * 780℃ =10.184 W Qk1= K c1 T1 = Qk2= K c2 T2 = Qk3= K c3 T3 = Qk總 = 10.184W 所以： T1 = 0.2 ℃ T2 =1.2 ℃ T3 = 132.3 ℃ ? ? 2.3.2 單個電偶臂的功率計算和效率計算 按照牛頓熱力學定律，熱電發(fā)電器電偶臂兩端存在溫差時，產生熱流。電 偶臂從熱源吸收的熱量為帕爾特熱、焦耳熱和傳導熱三部分之和，即： 式中： η －發(fā)電效率； P －輸出到負載上的電能； I －回路中產生的電流； Q h －熱端的熱流； Q l －低溫熱源從低溫端吸收的熱流； R L －負載電阻； R －電偶臂的內阻； αNP －塞貝克（Seebeck ）系數(shù)； 10 K －熱傳導系數(shù)； T1 ′ －熱源溫度； T2 ′－冷源溫度。 由電流回路，消除未知量電流I ，可以得到發(fā)電器的輸出功率P 為： （2－12） 由上述三式可得到熱電發(fā)電器的轉換效率為: 上述公式中，內阻R 為P 、N 半導體電偶臂的電阻，其計算公式為: （2－14） 式中： ρN －N 型電偶臂電導率； L N －N 型電偶臂臂長；A N －N 型 電偶臂截面積； ρP －P 型電偶臂電導率；L P －P 型電偶臂臂長； P －P 型電 偶臂截面積。 ρN ＝ ρP＝5 根據(jù)實驗得出 L /A ＝ 0.55mm αNP= － 200（ μv/℃） R＝0.00275 Ω T1 ′＝800℃－0.2℃ －1.2℃＝798.6℃ T2 ′＝798.6℃－132.3℃＝666.3 ℃ T1 ′－ T2 ′＝132.3℃ 當 R L＝R 時，功率最大 所以： 11 2.3.3 余熱發(fā)電系統(tǒng)的功率與效率的理論計算 熱電發(fā)電器電偶臂截面尺寸為 3mm×3mm，高度為 16.4mm，電偶臂對數(shù) 199 對。 選擇開始水溫為：20 ℃ 水的流量為：q1 ＝ v1*s 末溫為 25℃ 選擇尾氣溫度為：800℃ 尾氣的流速為：v2＝3 m/s 末溫為100℃ 水的比熱C1＝4200 j/kg*℃ 尾氣的比熱 C2=1003 j/kg*℃ 水的密度 ρ1＝1000kg/ 尾氣的密度 ρ1＝1.29kg/ ?? 3 ??3 假設：忽略熱的損耗，則 Q水＝Q氣 Q= C*M* ＝C*ρ*V* =C*ρ*v*s*t* 設： S 水道 ＝ S 氣道 t1 ＝ t2 則 C1*ρ1*q1* 1＝C2*ρ 2*v 2* 2 ?? 1=C2*??2*v 2*2 C1*??1*1 =1.28??/?? 現(xiàn)在假設有三個模塊組成余熱發(fā)電系統(tǒng) P= =152.8W∴ 3×4×199×0.064?? = C M C ρ V =C ρ v s（通氣管道截面??熱 × × = × × × × × × 積） t×× 選擇尾氣溫度為：800℃ 末溫為100℃ 尾氣的比熱 C2= 1003 j/kg*℃ 尾氣的密度 ρ 1＝1.29 kg/ ??3 尾氣的流速為：v2＝1 m/s t= = = 0.104 s ???? 3×0.104 ??1 ??/?? s（通氣管道截面積）= 0.1 0.1 = 0.01 = 700 ℃× ??2 = C M C ρ V =C ρ v s t∴ ??熱 × × = × × × × × ××× 2825.8 W= 12 =∴ ??=????熱 152.8 ??2825.8 ??=0.054×100%=5.4% 13 第 3 章 余熱發(fā)電系統(tǒng)的設計 3.1 熱電發(fā)生器結構分析 歸納起來在目前研究和應用比較普遍和成功的結構上，熱電發(fā)電器主要有 微卷式，熱電堆和薄膜熱電發(fā)電器等等幾種結構。我們在這里選擇3種來進行說 明講解，再進行性能和優(yōu)、缺點比較從而選出我們所需要的發(fā)生器類型來進行 研究分析和優(yōu)化。 3.2.1 美國普林斯頓大學研究的方案 圖 3-1 SWISS ROLL 在此裝置中，雙盤旋的管道是燃氣化學反應的場所，所以稱為SWISS ROLL，我們也稱為微卷式電熱發(fā)生器，他的尺寸大小大約為 12.5mm*12.5mm*5mm，材料為氧化鋁陶瓷，通過Daestro 微加工方法實現(xiàn)三維實 物，管道寬度為0.075mm,燃料和空氣由泵注入通道，在Swiss Roll 中心通過兩 個電極點燃，引發(fā)燃料的持續(xù)燃燒．燃料燃燒后的廢氣通過管道排出。普林斯 頓大學研究了包括氫、甲烷、甲醇和乙醇等燃料，由于大部分的燃料進行持續(xù) 催化燃燒需要一定的初始溫度（300oC 以上）才能持續(xù)燃燒，需要通過其他熱 源進行預熱，其中氫氣可在室溫下開始催化反應．研究還表明在300oC 以上時， 氫氣和空氣的混合氣可以在較大范圍的比例下反應，反應產生的熱量從2瓦到12 14 瓦，經過熱電轉換，能點燃100 毫瓦的燈泡。 與此相類似的還有南加州大學的方案，他們運用的也是Swills Roll 的結 構，是名叫Micro-fire 的微型電源系統(tǒng)，他是用電化學微機械加工技術 （EFAB）將微燃機。微熱發(fā)電機和熱交換器集成在一個微器件中。他們設計了 微型和中型的兩種方案，如下圖 圖 3-2 Swiss Roll 的2 維和3 維的結構模型 這就是這種Swiss Roll 的2 維和3 維的結構模型。研究人員通過控制氣體燃 料的流入來改變火焰燃燒溫度，采用熱電偶測定發(fā)電器不同位置的溫度，并通 過氣相色譜儀分析燃燒后的氣體成分來進行相關實驗分析發(fā)電器中，微型和中 型燃燒器的管徑分別問0.13mm 和3mm,分別研究了低速流動、長時間停留、低 溫，高速流動、短時間停留、高溫兩種情況，獲得了詳細的無焰燃燒可持續(xù)進 行的溫度范圍，以及在結構中的溫度分布仿真。得到的仿真結果如圖3-3所示。 15 圖 3-3 Swiss Roll溫度分布仿真 實驗研究還表明，三維的Swiss Roll 結構能減少熱量的損失 3.2.2 美國普林斯頓大學研究的方案 這是由德國斯圖加特大學研制的In-Plane 微型熱電發(fā)生器，如下圖 圖 3-4 In-Plane 微型熱電發(fā)生器 In-Plane 型微熱電發(fā)電器件的結構可以用 IC 的薄膜工藝，方便地形成半 導體電偶臂之間的金屬電連接導流層，因而與標準IC 工藝兼容。英國Cardiff 大學的熱電研究中心先后采用藍寶石上的硅膜和石英上的多晶硅膜作為熱電 材料，制作了為心臟起搏器供電的微型熱電發(fā)電器件。其測試器件大小為： 5mm*10mm*0.45mm，為了測試的目的，內含不同數(shù)量和尺寸的熱電臂。測 試結果表明，每個長、寬、高分別為450μm, 100μm,0.4μm 的熱電偶在兩種薄 膜材料內的塞貝克電壓都可以達到0.5mV/K 左右。使用熱導率較低的石英時， 由于襯底熱泄露大大降低，器件能量轉換效率可提高50 倍,德國斯圖加特大學 16 用晶體硅微加工技術，制造了橋結構的In-Plane 型微熱電發(fā)電器件。 其測試 器件由硅材料構成，P 型和N 型的熱電臂長寬分別為500μm 和7μm，通過在 中間10μm 厚的硅薄膜上摻雜形成，摻雜深度為lμm，熱電偶連接的數(shù)量有 10 個。這種結構用襯底的垂直側面提供溫差，因而襯底內部與熱電臂平行的 熱流損失得到了降低。實驗結果為，襯底垂直側面溫差為10K 時,器件的熱電 功率達到1.5μm 。 3.2.3 熱電堆式熱電發(fā)電器 它是由美國噴氣動力實驗室（JPL）研制的 Cross-Plane。如下圖 圖 3-5 Cross-Plane 這種器件的結構和普通的Cross-Plane 型微熱電制冷器件是一樣，Cross- Plane 結構微熱電制冷器件的原理和傳統(tǒng)的體熱電制冷器件非常類似，只是 襯底和熱電偶臂本體半導體材料換成了薄膜材料，由于在這種結構的制冷器 中，熱流的方向與襯底表面垂直故有如此稱呼。兩層襯底為發(fā)電器的冷端和 熱端中間夾著連接在一起的熱電偶。其原理是：根據(jù)塞貝克效應，當發(fā)電器 熱端和冷端存在溫差時，會在回路中產生電流。他們擯棄了體技術，而采用 了厚膜Bi2Te3 合金材料，在保持熱電臂截面積與長度之比不變的條件下，縮 小熱電臂，提高了熱電功率單位體積內的密度。同時，一個微熱電發(fā)電器件 連接數(shù)萬個熱電偶，以在低溫差下獲得伏特級的高電壓，此微熱電發(fā)電器件 的另一特點是，其制造工藝結合了電化學淀積和集成電路的刻蝕工藝。實際 的測試器件由2300 個熱電偶連成，熱電臂的長度為50μm,直徑為6μm,在 17 8.5K 溫差下，可以以4.1V 的電壓提供22mw 的功率。實驗結果表明，以上方 法完全可以用于MEMS 微系統(tǒng)，為其提供微型電源。目前，JPL 正在研究用P 型和N 型Bi2T3, 納米線代替厚膜合金，便用類似的方法實現(xiàn)更小尺寸的半導 體電偶臂。 JPL 的Cross-Plane 微熱電發(fā)生器件雖然能達到很高的功率密度值，但 是某些應用場合卻需要更低的微瓦級功率，如小型傳感器和放大器線路的供 電。另外這種Cross-Plane 結構固有的缺點就是，熱電偶臂之間的金屬導流 層不容易制造。 當然發(fā)電器的結構還有很多，如自停止多晶硅金屬結構微熱電發(fā)電器等 等，但是就我們目前的選取的幾種經過上述分析比較得出的結果是：微卷式 熱電轉換器熱損失比較小，對熱能的利用率比較高，但其微加工比較困難； 同時由于熱電材料沿溫度梯度方向線性串聯(lián)排列，每一部分熱電材料的溫差 事實上不大，使其產生的功率也受到了限制。薄膜式熱電發(fā)電方案從微加工 技術方面來說是比較成熟的，其體積尺寸也比較小．但其產生的功率普通較 低，一般只有微瓦級熱電堆的PN 結相對于溫度場是并聯(lián)結構，每一對PN 結 均有相同的溫差，故每一對PN結串聯(lián)后，產生的功率相對較大另外，其熱源 腔可以設計得相對較大，燃料的燃燒，溫控等相對容易，但其熱損失比微卷 式發(fā)電器要大。 我們在這里選擇熱電堆式熱電發(fā)生器作為熱電電源的核心部件來設計。 3.2 余熱發(fā)電器模塊的設計 熱電堆式微小型熱電發(fā)電器主要包括上下導熱覆蓋片、導流片、焊料層、 PN 結電偶臂和輸出導線等部分。微小型熱電發(fā)電器的輸出功率和效率受到接 觸內阻、湯姆孫效應和溫度變化的影響以及導熱覆蓋片、導流片和焊料層對 導熱系數(shù)的影響（該設計中由于體積較大，故可忽略焊料層對導熱系數(shù)的影 響）。 熱電發(fā)電器模塊的設計主要包括水流道、氣流道和熱電發(fā)電偶臂的結構設 計。設計這個模塊的整體形狀要以熱量的最大利用為目標。 我考慮過的形狀有：微卷式（SwissRoll）、熱電堆和薄膜熱電發(fā)電器 。 18 微卷式（SwissRoll）熱電轉換器熱損失比較小，對熱能的利用率比較高，但 其微加工比較困難所以沒有采用。由資料可知：薄膜式熱電發(fā)電方案從微加 工技術方面來說是比較成熟的，其體積尺寸也比較小，但其產生的功率普遍 較低，一般只有微瓦級，所以在設計中也沒有予以采用。而熱電堆的PN結相 對于溫度場是并聯(lián)結構，每一對PN 結均有相同的溫差，故每一對PN結串聯(lián)后， 產生的功率相對較大，最終選擇了熱電堆式熱電發(fā)電器作為熱電電源的核心 部件來設計。設計流道是以熱量的最大利用為目標的，所以我考慮到了“雙 管形熱電發(fā)電器”和“方形熱電發(fā)電器”，雙管形熱電發(fā)電器的熱量利用率 雖然比方形熱電發(fā)電器要高，但其應用于實際當中制作方面要求較高而且維 修不方便，方形熱電發(fā)電器不但具有較高的熱利用率而且后期用于實際中制 作方便，維修簡單，所以最后在我和老師的討論下決定設計方形熱電發(fā)電器 模塊。 下面我以簡圖的形式來介紹一下方形熱電發(fā)電器電偶臂的具體組成： 圖 3-6 方形熱電發(fā)電器電偶臂 下面的是余熱發(fā)電器系統(tǒng)的水、氣流向簡圖： 19 圖 3-7 發(fā)電器系統(tǒng)的水、氣流向簡圖 3.2.1 通氣管道的結構設計 位于發(fā)電器模塊中心的是一通氣管道，材料為導熱較好的銅，在管道的內 部加了一井字形的材料為銅的導熱肋板，提高整個管道的導熱率，提高整體的 熱利用率。 圖 3－8 通氣管道 位于通氣管道外面的是連接通氣管道，其材料為鋁合金 （4.5％Cu，1.5%Mg，0.6%Mn）,其安裝方式是為底部四邊用 75％和 95％的鉛錫 20 合金焊接在通氣管道的四邊上。通氣管道的這種隆起設計是為了將尾氣分散導 入通氣管道，避免尾氣堵塞，也可以將尾氣中的余熱更好的被銅片吸收傳遞給 導熱層，提高熱利用率。 圖 3-9 通氣管道連接零件 3.2.2 通水管道的結構設計 位于通氣管道外面的是兩對尺寸不一但形狀一樣的通水管道，其材料為鋁 合金（4.5％Cu，1.5%Mg，0.6%Mn） ，該管道的元件有：2 個管道接頭、三塊鋁 合金板（兩塊小的規(guī)格為：182.8*20*2,還有一塊大的規(guī)格為：405.6*104*2） 。 管道的制作步驟為：管接頭用 75％和 95％的鉛錫合金焊接在打好孔的小 鋁合金板上，焊接時避免產生空隙，防止以后漏水的現(xiàn)象產生，然后將那塊大 的鋁合金按照圖紙折好，用 75％和 95％的鉛錫合金焊接好，最后整體焊接，最 后水檢查看是否有漏水現(xiàn)象的產生，及時將漏水處的漏洞修補好，以備以后正 常使用。 21 圖 3－10 通水管道（1） 通水管道（2）的制作方式是一樣的，只是材料的規(guī)格不一樣的，總的一點 要求就是：焊接完畢后進行水檢，查看何處漏水，及時進行修補，避免后期漏 水。 22 圖 3－11 通水管道（2） 3.2.3 余熱發(fā)電器的設計 發(fā)電電偶臂主要包括導熱覆蓋基板、導流層和電偶臂三部分。當電偶臂兩 端存在溫差時，P 、N 結兩種不同熱電材料將產生塞貝克（Seebeck）效應，故 而在回路中產生電流。 圖 3－12 電偶臂的理論圖形 位于通氣管道和通水管道的中間是PN 電偶臂熱電發(fā)電器，一對PN 電偶臂 熱電發(fā)電器主要包括電絕緣導熱覆蓋片、導流銅片和PN 電偶臂，導熱覆蓋層采 用95％的氧化鋁陶瓷，導流層為導銅片，焊料層為75％和95％的鉛錫合金以及 23 導電銀膠和耐高溫銀膠。電偶臂材料是 Bi2Se3，熱電發(fā)電器電偶臂截面尺寸為 3mm×3mm，高度為16.4mm，電偶臂對數(shù)199對。由前面的理論分析知道，選用的 熱電材料賽貝克系數(shù)越高越好，同時，也希望該材料能耐高溫（溫差越大，熱 電材料的賽貝克電壓就越大） 。 圖 3-13 電絕緣導熱覆蓋片 24 圖 3-14 導流層 25 圖 3-15 電偶臂 電偶臂中的電流流向如下圖所示： 圖 3-16 電偶臂中電流的流向 26 3.2.4 余熱發(fā)電器的結構制作 普通熱電堆式熱電發(fā)電器主要包括氧化鋁陶瓷片制作加工，熱電材料的配 制、PN半導體材料的制作，熱電發(fā)電器的裝配等幾部分工藝，其制作工藝也呈 規(guī)模化、集成化特點。 小型熱電電源的結構包括陶瓷基板、銅導流層、焊料層、熱電偶電偶臂以 及引出導線等幾部分。其加工工藝如圖3－17。 下面來介紹熱電發(fā)電器制作工藝： （1） 陶瓷基板的選用與制作 陶瓷基板上的導流層則主要采取覆蓋鋁層工藝，也有部分廠家采用滲銅工 藝形成。導流層陣列見圖3－18，圖左和圖右分別覆蓋基板導流層陣列圖形以及 半導體電偶臂陣列結構圖。根據(jù)基板導流層陣列，這里用SU-8 膠制作出焊料層 掩模，見圖3－19，掩模的通孔和基板導流層重合并壓合緊固。然后在方形槽內 注入高溫導電銀膠，從而形成需要的焊料層。 （2） 熱電材料的選用與電偶臂的制作 和普通熱電發(fā)電器熱電材料制作工藝一樣，將碲化鉍材料以及一些添加劑 按照一定比例配方，在920K 以上的高溫下融化，再進行晶棒的拉制，切片，晶 粒的切割等工藝，從而得到我們所需要的PN 熱電電偶臂顆粒。采用專門定制的 模具，見圖3－20，將P 型電偶臂顆粒和N 型電偶臂顆粒間隔排列模具的方槽中。 27 圖 3－17 小型熱電發(fā)電器加工工藝框圖 圖 3－18 發(fā)電器覆蓋基板導流層結構 28 圖 3－19 焊料層掩模 圖 3－20 小型電偶臂陣列模具 （3） 發(fā)電器的裝配與封裝 將P、N 型電偶臂顆粒依次間隔排列在專用模具中后，再將模具對準氧化鋁 陶瓷下覆蓋基板，讓P、N 電偶臂對牢導流層，通過焊料層將電偶臂與覆蓋層粘 接在一起。然后再用焊料將導出引線與導流層出口粘接在一起。采取同樣方式 將上覆蓋基板與電偶臂顆粒粘接。等導電膠凝固后，將發(fā)電器置于高溫恒溫爐 中靜置10 小時以上，讓焊料充分和電偶臂導流層充分焊合。高溫爐溫度保持在 450K～550K 的范圍。在高溫爐中靜置一段時間后，將發(fā)電器取出，用電阻儀初 步測試引線兩端的電阻，如電阻不是無窮大（一般在1～10 歐姆的范圍），說 明焊合正常。此時用高溫硅膠把發(fā)電器四周封合固化，以起到保護作用。這樣， 熱電發(fā)電器的制作就完成。該工藝與杭州建華半導體致冷器有限公合作，初步 試制獲得成功。 3.2.5 余熱發(fā)電器的工藝設計 熱電發(fā)電器電偶臂的截面尺寸一般在1mm2 及以上，顆粒尺寸相對較大， 熱電材料的切割相對比較容易。將PN 結電偶臂置于專用的模具中進行陣列，一 般可采用手工方法，總的加工相對容易。具體流程圖如圖3－21。 現(xiàn)具體闡述如下： 在加工好帶導流層的陶瓷基板后，接下來就是電偶臂的制作。由于電偶臂 尺寸小，材料脆性較大，故這里采用了硅模工藝，即首先制作好一種帶方孔陣 列的硅模，然后注入熔融的熱電材料，和發(fā)電器覆蓋基板焊合后，再去除原有 29 的硅模，留下熱電電偶臂。 具體硅模工藝如下：根據(jù)設計的熱電發(fā)電器，制作出掩模膠片，用于光刻 膠曝光。選擇拋光硅片，其厚度為0.3mm~0.5mm，尺寸為8”。先清洗硅片，用 氫氟酸緩沖劑作為腐蝕液去除表面的二氧化硅。然后放在涂膠機上涂一層光刻 膠PMMA（聚甲基丙烯酸甲脂）。光刻膠厚度達到50 微米左右。經過曝光顯影， 光刻膠在硅片表面形成方孔陣列，然后通過深度光刻，使硅片形成方孔陣列， 該方孔陣列不是通孔而是一個方形槽陣列。然后在去除掉硅片上的光刻膠。翻 轉硅片，在另外一面涂上光刻膠，重復曝光顯影、光刻、清洗等工作，在另一 面形成方形槽陣列。兩面的方形槽呈間隔排列。這就制成了我們需要的硅模。 在高溫爐中，分別將P 型和N 型半導體電偶臂材料置于石英容器中進行高溫加 熱，直至熔化（熔化溫度在650℃左右）。然后將P 型熱電材料注入到硅模一面 的方形槽中。待硅模冷卻，P 型材料固化后，翻轉硅模，將N 型熱電材料注入 到硅模另外一面的方形槽中。再次待硅模冷卻，熱電材料固化。最后對硅模兩 面進行研磨，直至露出熱電電偶臂，并根據(jù)需要的熱電電偶臂高度，確定研磨 量和研磨后硅模的厚度。經過電偶臂與焊料層的鍵合、發(fā)電器的切割封裝后， 就得到需要的熱電發(fā)電器。 通過圖形表示。整個工藝主要包括涂膠、曝光顯影、光刻、鑄模以及鍵合 封裝等工藝，主要反應了硅模和電偶臂的制作工藝。 30 圖 3－21 微型熱發(fā)電器制作工藝流程 3.3 余熱發(fā)電器模塊的固定框架設計 發(fā)電器模塊的固定框架的材料是：硬度較高的不銹鋼材料。固定框的形狀 是將內部的元件包緊在一起，固定框的兩端用自加工的螺絲螺母加以固定，并 施加一定的鎖緊力，使得內部的元件不能移動，保證整個機構能正常的工作。 頂端留下一定的間隙是為了將該發(fā)電機構連接固定到車體上。具體的安裝手段 以及自加工的螺絲螺母的詳細請看附錄上的 圖紙。 31 圖 3-22 固定框架 32 3.4 余熱發(fā)電器模塊和固定框架裝配 圖 3-23 余熱發(fā)電器模塊 裝配的主要要求是：確保每一個部分緊密的結合在一起，避免產生過多間隙 使得電阻增大。 3.5 余熱發(fā)電器模塊之間的連接部件 模塊之間的連接件采用外部購買的不銹鋼編織軟管，購買的單位為：上海 滬旋旋轉接頭廠，該單位供應的 RL 型金屬軟管，內管是 EPDM（三元乙丙橡膠） 的，耐高溫高壓，外表是不繡鋼絲編織而成，材質:銅芯銅帽 鋁絲/不銹鋼絲或 者是銅芯鋅帽 鋁絲/不繡剛絲，我現(xiàn)在在我的設計中選用的材質是: 銅芯鋅帽、 不繡剛絲外套。在該公司購買的金屬軟管的長度可以根據(jù)自己的需求設定，在 這里軟管的長度盡量可以選的短一點以節(jié)約空間，另外在汽車排放尾氣管道上 加工一定量的螺紋以連接該金屬軟管。由于在該設計中沒有多少壓力的要求， 所以可以在一定程度上降低金屬軟管的壓力要求，以減少軟管的成本。 通水管道 電偶臂 導熱肋板 通氣管道 道 緊定框架 電絕緣導熱 層、導流層 33 圖 3-24 金屬軟管選購表 34 第 4 章 總 結 在進行發(fā)動機余熱發(fā)電系統(tǒng)設計的開始我首先了解了有關于熱電的一些基礎 理論和國內外有關于這一領域的相關論文，認識到了這一設計對以后能源的利 用有著很大的意義，同時也了解了熱電發(fā)電的原理和主要計算過程，在此基礎 上我開始動手設計我的發(fā)動機余熱發(fā)電系統(tǒng)的設計，首先是考慮如何將余熱利 用最大化，于是最開始聯(lián)想到了美國普林斯頓大學研究方案的形狀，但是意識 到后期制作和維修方面的問題，所以沒有再想下去，于是第二種方案應運而生- -方形包圍余熱發(fā)電器，這種想法在后期的制作方面比較簡單而且熱利用率也比 較好，不足的是比較笨重，難看，存在一點熱散失。一些結構、尺寸方面還有 些地方有待樓偉同學的優(yōu)化。通過這次的畢業(yè)設計使我有幸接觸到了很多新的 領域的知識，不僅開闊了自己的眼界，而且也考驗了我活用知識的能力。這次 設計不僅增強我個人的自信，也培養(yǎng)了與他人的團結和作精神。 35 參考文獻 [1] 童志義, 趙曉東. 國外MEMS 器件現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 電子工業(yè)專用設備, 2002,31(4):200-206. 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