新型背景下热电发电机在传统汽车中的应用研究分析

肖忠宝

（山西交通职业技术学院，山西 太原 030031）

1 引言

在制造业消耗的能源中，约有三分之一是作为大气或冷却系统的热损失。这些排放过程的结果是效率低下和生产工厂无法利用过剩的能源。这些浪费的能量（热量）估计超过10夸脱/年（1夸脱= 1015 Btu），相当于17.2亿桶石油或127天进口原油供应。这些损失的能量大部分是“低质量的”，恢复起来既不实用也不经济。一个部分废热，高达1.8夸脱/年，1被认为是机会进行热回收的能量。正在考虑各种技术，包括热电技术，以恢复和恢复将工业过程中的废旧能源转化为有用的电能。热电（TE）技术于 1821年发现于半导体固体材料，当它产生电流时连接在一起，并承受着跨接点的温差。这个属性使产生直流电成为可能，方法是在 TE的一侧施加余热材料，而另一侧暴露于较低或环境温度环境。TE在1995年以前可用的材料产生了热电转换效率2%到5%的范围，并且只在小范围的应用中使用。然而，最近的重大量子阱和纳米结构对TE的影响的科学认识的进展性能与现代薄层和纳米尺度的制造技术相结合，为高性能的热电创造了机会，先进的 TE材料与潜在的转换效率超过 15%。这些先进的 TE材料的出现为回收废热提供了更高效，更经济，更可靠的机会，这些材料相对被动的系统不产生噪音和振动。因此，热电（TE）产生作为一项有前途的技术，在汽车工业领域，通过回收废气中的废热能量为各种类型的发动机减少油耗。

2 热电发电机新兴技术研究进展

采用经济实用的余热回收技术，余热回收在经济上是可行的，回收能源的特点是随时可用。废热可以通过与其他材料/液体（如热量）交换能量来回收能量或转换为另一种形式的能量（如热能转换为电）。因此，微纳米技术的进步为有效回收余热的提供新的机会。确定TEG废热回收的关键应用程序是确定现有工艺流体之间的热交换情况。热电发电机（TEGs）的电压输出为不仅依赖于TE材料的塞贝克系数，而且还有安装在TEGs中TE模块（TEMs）的温度差。

在热电发电机中，塞贝克效应被用于利用材料对结之间的电势将温差直接转换成电的过程。早在1958年，它就被提议为供电偏远地区提取废旧石油灯的热量，用热电发电机为无线电接收器提供电能。还有深空任务“旅行者”号由放射性同位素提供电能热电发电机（RTGs）。最近，热电发电机（TEGs）已经被使用通过人体释放的热量来驱动腕表。热电器件的微型化是很有前途的，因为对一个小的设备可以集成大量的材料，这导致小温差实现高电压已经成为可能。实现这一点的一种方法是整合缩小“宏观”的Peltier冷却器。用垂直厚膜技术制备的热电偶串联连接。还有一个例子就是以BiTe合金为基础的Peltier发电机，这是商业化的微型版本。在这些元素的生产工艺，每一种材料都是在20mm左右厚度的硅晶片上单独由反应性离子蚀刻，然后结合在 1.12 mm2的芯片上，集成了12个热电偶并提供67 w温差的输出功率5 k。

近年来国内外学者，进行了一系列研究来确定TEGs的热回收性能。Cangies等人研究了TEMs冷、热侧表面温度的冷却剂温度。他们还展示了功率输出TEG的变化和转换效率是冷却剂的温度的变化引起的。Thacher等人报道了冷却剂温度从363下降到303 K热电模块转换的效率提高了25%左右，功率输出没有任何不良影响。Rezania等人进行了冷却剂流量对TE温度场的影响调查，他们发现最优的冷却剂流量下，产生的最大净功率输出随TE冷热的平均温差增加而增加。Karri等人对最佳的冷却剂流量进行了分析确定，通过考虑需要的泵送功率来计算TEG的净功率，以将冷却剂最大化引入TEG中。

3 高效热电发电机系统设计

TEGs的能量利用率之前没有被深入研究过，它决定了整体的功率输出性能和系统的效率。通过分析能量利用的结果，可以发现实验参数对特定环境下的TEGs发电的影响，并对产量有一定的影响，很多学者改进了系统的设计和配置，提高了能源利用效率。为了检查能量TEGs的利用效率、发电特性应该用几个因素来彻底检查。因此，在本研究中，设计分析了废气能量的流动，为了增加功率，减少排气道与排气道之间的传热面积，环境和材料的热界面，使用具有较高的适应性。

一种使热电发电机小型化的替代方法是以薄膜为基础的热电偶应用于各种传感器的测量等应用红外辐射、真空、气体流动或热通量。HSG-IMIT和Kundo首次采用了这种技术。n由掺杂单硅和铝制成的热电偶集成变成Si膜。类似的设备最近在中提出了改进的隔热材料。

本文设计了一种热电的设计与制造发电机用于现代汽车上，具有优化的热流路径，使最高温差位于热电偶之间连接。蜿蜒的热电偶（n-poly-Si/Al）位于硅晶圆片上，采用薄膜技术制造实现高集成度。模块化的制造过程也位使用其他的材料提供了机会，如耐蚀合金或自组织超晶格材料，提供优越的热电性能。

图1 新型热电发电机系统设计

由于在平面内和跨平面结构的组合该装置的设计和制作参见图1。

热通量引导于衬底平面到平面热电偶垂直接头，平面由高导热导电性的金属条纹组成。因此，来自周围区域的热通量垂直引入芯片的面积，引导通过热电偶在一个平面方向，并释放热量垂直于底部区域。这样的安排保证发电机与环境的热耦合以及热电偶上的最高温度梯度。由于直接相关的电流和热通量通过装置，系统的设置也可以使用作为直接测量热流或温度的传感器。对所制备的器件进行了仿真，其温度场分布对称合理，如图2所示。

图2 发电系统的温度场仿真结果

模块A（即热电偶膜结构）涉及到热电结构在基板上，基本上是由热电偶构成的沉积在硅晶圆片材料上的曲流矩形，阻隔层SiO2使热电堆绝缘，以防止电气短路通过模块B中制造的热接触结构，这样允许使用各种热电材料可以沉积在Si衬底上。对于汽车工作环境的考虑，其工作环境较为恶劣，由于这个原因，在这项工作中选择了n掺杂的多晶硅和铝的环境可适应性。

模块B（即顶部热控制器），主要功能为通过热电顶部的热连接器将热量从顶部表面传导到热电偶。为此目的，金属沉积在其中，热通过绝缘 SU-8光刻胶形成的沟槽，该顶部的大面积用作设备的热接触垫。

在模块C（即底部热控制器）中，P-N结与其绝热衬底通过背面DRIE工艺穿过衬底，这样发电机的冷侧冷端与底部热端连接。第二个晶片粘合到背面实现良好的热接触并避免空洞污染。

这样设计的热电发电系统（p-Bi0.5Sb1.5Te3和n-Bi0.87Sb0.13）实际运行结果表明：在某家用车辆中应用，其输出电压9.51 mvk-1，这个值相比其他现有的基于薄膜的设备，其性能更加优良。

4 结果

综上，本论文中，以方式制作薄膜提出了一种新颖的热电发电机。其被分成三个模块，第一个模块涉及到在薄膜技术中沉积的热电结构，第二和第三模块包括产生高导热的平面内结构所必需的温度梯度，而热流是垂直的（跨平面）通过设备。这样，同时实现了高集成度热电偶和热接触面积的最大，可为汽车行业的热电发电及余热利用提供参考。