陸冬平

(中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引 言

圖1 多種平臺(tái)裝載的大型高功率電子裝備

目前，部署于地面基地、車載、船/艦載和機(jī)載大型高功率電子裝備(如圖1所示)普遍具有功率高、用電量大、熱載荷與熱密度高等特征，對(duì)地面電力供應(yīng)能力、車輛和船舶類的內(nèi)燃機(jī)、飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電功率要求高，同時(shí)，對(duì)電子裝備的制冷或環(huán)境控制系統(tǒng)的熱交換能力要求高[1]。

為了滿足探測(cè)、對(duì)抗、通信等作戰(zhàn)任務(wù)需求，地面基地一部大型高密度組裝的有源相控陣?yán)走_(dá)裝備及配套的冷卻循環(huán)系統(tǒng)的耗電量達(dá)到1000 kW以上，同時(shí)，整個(gè)雷達(dá)基地需要冷卻循環(huán)系統(tǒng)向外界傳輸至少800 kW以上的總熱耗。隨著雷達(dá)系統(tǒng)工作時(shí)間的累積，整個(gè)環(huán)控系統(tǒng)的電力能耗隨之增加，使得地面基地的運(yùn)行成本和維護(hù)費(fèi)用非常高，并且大量的熱量排在附近的空氣中，容易污染環(huán)境。車輛和船載大型高功率雷達(dá)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行對(duì)由內(nèi)燃機(jī)或柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電系統(tǒng)輸出電能力要求達(dá)到500 kW，對(duì)承載遠(yuǎn)征平臺(tái)的燃料消耗頗大，不利于長(zhǎng)距離遠(yuǎn)程作戰(zhàn)。

在載機(jī)資源有限的前提下，空中預(yù)警平臺(tái)由于集成大量高熱流密度的先進(jìn)多樣化電子裝備，其正常工作和電子系統(tǒng)產(chǎn)生高達(dá)200 kW以上的熱載荷對(duì)載機(jī)的電力管理系統(tǒng)和冷卻循環(huán)系統(tǒng)提出更高的挑戰(zhàn)。E-3A預(yù)警雷達(dá)發(fā)射機(jī)就需要200 kW以上的電力，增加了載機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)的容量要求。“愛立眼”，A-50預(yù)警機(jī)單獨(dú)增加了一個(gè)輔助動(dòng)力單元為雷達(dá)等電子設(shè)備供電。

國(guó)外對(duì)機(jī)載平臺(tái)下高功率電子裝備的急劇提升的冷卻載荷需求，對(duì)綜合一體化熱/能源管理系統(tǒng)較多，解決不同工況模式下熱沉需求，能源按需匹配與能源利用率提升的系統(tǒng)綜合與優(yōu)化問題[3-5]。而對(duì)裝載高功率電子裝備平臺(tái)產(chǎn)生的熱能同級(jí)與升級(jí)使用的描述較少。因此，為了減輕高功率電子裝備對(duì)不同裝載平臺(tái)電力管理系統(tǒng)和冷卻循環(huán)系統(tǒng)不斷增加的電力和熱沉負(fù)荷，本文嘗試從熱能回收與綜合利用角度，闡述大型高功率電子裝備的“廢品變能源”的裝備技術(shù)，即回收系統(tǒng)排出的低品位熱能，將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、電能等可用能源，控制污染，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好。一方面，可實(shí)現(xiàn)部分能源供給，減輕電子裝備對(duì)平臺(tái)電力、動(dòng)力系統(tǒng)油耗需求。熱能轉(zhuǎn)換成的電能供應(yīng)可解決一定時(shí)間和空間能源不匹配矛盾，并且可直接利用熱能進(jìn)行平臺(tái)的相關(guān)溫度控制。另一方面，利用熱能回收轉(zhuǎn)換這類特殊方法消耗大量的熱載荷，滿足減少冷卻熱沉需求，起到熱載荷的削峰作用，達(dá)到系統(tǒng)散熱效率提升的設(shè)計(jì)理念[2]。

1 熱能回收與綜合利用集成系統(tǒng)方案

以循環(huán)液冷系統(tǒng)為例，圖2設(shè)計(jì)一種基于液冷循環(huán)系統(tǒng)回路上設(shè)計(jì)的一種熱能回收與綜合利用集成方案原理。液冷系統(tǒng)作為典型的大型高功率電子裝備的冷卻散熱系統(tǒng)，通過冷卻液介質(zhì)將高度集成的電子設(shè)備散發(fā)的熱量傳遞到地面或空中平臺(tái)的與外界冷環(huán)境接觸的熱交換器處，從而保障其在安全可靠溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。此方案，在液冷循環(huán)系統(tǒng)的回路中，平臺(tái)熱交換器前集成設(shè)計(jì)熱能回收與綜合利用系統(tǒng)。

該熱能回收與綜合利用集成系統(tǒng)方案，一方面需要進(jìn)行熱能的存儲(chǔ)并傳導(dǎo)運(yùn)用，即為熱能同級(jí)使用，將系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能直接以熱量形式作用于系統(tǒng)其他部位。通過設(shè)計(jì)相變儲(chǔ)熱與傳導(dǎo)模塊，利用相變材料、熱管和換熱器以傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射形式將熱量作用于所需溫度控制的對(duì)象，如工作艙內(nèi)溫度調(diào)節(jié)、冷卻液與燃油的預(yù)加熱以及生活用熱等方面，達(dá)到節(jié)能減排效果。

另一方面需要將熱能轉(zhuǎn)換為電能利用，即為熱能的升級(jí)使用，將熱能轉(zhuǎn)換為其它可利用的電能。通過設(shè)計(jì)熱電轉(zhuǎn)換模塊、存儲(chǔ)用電單元完成電力輸出，達(dá)到部分電力自主供應(yīng)能力。為提高低溫?zé)崮艿幕厥帐褂眯屎湍苡枚?，增?qiáng)傳熱推動(dòng)力等條件，設(shè)計(jì)低溫?zé)嵩瓷?jí)模塊。總體上，該方案熱能存儲(chǔ)傳導(dǎo)和回收轉(zhuǎn)換利用方案可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能源節(jié)約，并且通過減輕平臺(tái)熱交換器的熱載荷散熱總量，從而提高冷卻系統(tǒng)的散熱效率。

圖2 基于液冷循環(huán)系統(tǒng)的熱能回收與綜合利用集成方案原理圖

因此，本方案設(shè)計(jì)的熱能回收與綜合利用集成裝置主要由三類模塊組成：儲(chǔ)熱傳導(dǎo)模塊、低溫?zé)嵩瓷?jí)模塊與熱能轉(zhuǎn)換模塊，通過這些集成裝置完成熱能的同級(jí)與升級(jí)使用目的。

2 實(shí)現(xiàn)熱能“同級(jí)與升級(jí)”使用的關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)上述基于液冷循環(huán)系統(tǒng)的電子裝備熱能回收與綜合利用集成系統(tǒng)方案中，下文將闡述實(shí)現(xiàn)熱能“同級(jí)與升級(jí)”使用的關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀和需解決的關(guān)鍵問題。重點(diǎn)總結(jié)分析熱能同級(jí)使用中相變儲(chǔ)熱與傳導(dǎo)技術(shù)，熱能升級(jí)使用中熱能轉(zhuǎn)換技術(shù)與低溫?zé)崮苌?jí)技術(shù)。

2.1 相變儲(chǔ)熱與傳導(dǎo)技術(shù)

熱能的同級(jí)使用方式為利用高儲(chǔ)能密度和高導(dǎo)熱率的相變儲(chǔ)能材料的相變潛熱吸收大量熱載荷存儲(chǔ)起來，然后傳導(dǎo)至它處釋放使用。相變儲(chǔ)熱最早始于國(guó)內(nèi)外航天事業(yè)中熱載荷儲(chǔ)存與運(yùn)用的研究，作為一種被動(dòng)熱控技術(shù)為電子設(shè)備提供高等溫性、高熱穩(wěn)定性的溫度控制方法[6]。目前，由于相變儲(chǔ)能材料可以有效的節(jié)約資源和提高能源的使用率，在熱能回收利用、太陽能發(fā)電、電力削峰填谷和建筑保溫節(jié)能等領(lǐng)域得到廣泛的研究和應(yīng)用[7-9]。

根據(jù)相變材料封裝和工作方式的不同，基于相變儲(chǔ)熱的回收系統(tǒng)大致可分為熱管換熱器、蓄熱式相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)、潛熱/顯熱復(fù)合儲(chǔ)熱材料三類[10]。其中，熱管換熱器在兩端溫差不大(10 ℃左右)的情況下，無需任何輔助動(dòng)力可將低溫?zé)崮芨咝Ъ皶r(shí)的傳遞至它處使用。熱管換熱器作為傳熱元件，其工作原理是將抽成一定真空的金屬密封管內(nèi)灌充導(dǎo)熱工質(zhì)，利用密閉管內(nèi)工質(zhì)的蒸發(fā)與冷凝過程進(jìn)行熱量的傳導(dǎo)。在密封管的加熱端，工質(zhì)汽化吸收大量潛熱，并通過熱管將熱量快速傳遞到熱源外。由于多數(shù)工質(zhì)潛熱能力大，較少蒸發(fā)量便可轉(zhuǎn)移大量的熱能，傳熱效果顯著。

蓄熱式和復(fù)合儲(chǔ)熱材料的相變儲(chǔ)能系統(tǒng)研究一般集中在有機(jī)物如石蠟、脂肪烴等，其相變潛熱高、無過冷和相分離、腐蝕性小和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。但其導(dǎo)熱率低，需加裝翅片和添加高熱導(dǎo)率的填充物，如金屬泡沫、多孔石墨、納米銅顆粒等方法形成復(fù)合相變儲(chǔ)能材料，提高其導(dǎo)熱能力。

目前，相變儲(chǔ)熱與傳導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用中存在一些問題，如提髙相變儲(chǔ)能材料的熱導(dǎo)系數(shù)，解決蓄熱式和復(fù)合相變儲(chǔ)能材料相變過程體積變化帶來的泄漏問題、安全性溫度和封裝問題。同時(shí)，還需要開展相變材料的基理性研究，開發(fā)儲(chǔ)能密度大且相變溫度范圍合適的材料，研究相變材料與封裝材料長(zhǎng)期使用的性能變化影響及措施。

2.2 熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)

熱能升級(jí)使用的核心技術(shù)為熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)。目前主要存在兩種方式：第一種為將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或者間接轉(zhuǎn)化為電能技術(shù)方法。該方面的研究熱點(diǎn)主要是基于有機(jī)朗肯(Organic Rankine Cycle，ORC)[11]或卡琳娜循環(huán)原理[12]將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能或液壓能等形式驅(qū)動(dòng)發(fā)電電機(jī)，再轉(zhuǎn)化成電能輸出和使用。第二種為將系統(tǒng)排出的熱量經(jīng)過熱電材料[13](堿金屬、熱光伏、半導(dǎo)體)之后直接進(jìn)行電功率輸出，可供電子元器件使用或存儲(chǔ)后用于其它處的熱電技術(shù)。下文將重點(diǎn)介紹基于有機(jī)朗肯循環(huán)的熱能發(fā)電技術(shù)和基于半導(dǎo)體的溫差發(fā)電技術(shù)的研究?jī)?nèi)容。

2.2.1基于有機(jī)朗肯循環(huán)的熱能發(fā)電

圖3為基于有機(jī)朗肯循環(huán)的熱能發(fā)電系統(tǒng)原理，通過采用低沸點(diǎn)的有機(jī)工質(zhì)相變吸熱特性，使得有機(jī)工質(zhì)由液體變成飽和/過熱蒸汽，然后通過膨脹機(jī)膨脹做功將回收的熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。此時(shí)的有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器中被冷卻為液態(tài)工質(zhì)，然后經(jīng)過工質(zhì)泵增壓流進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)過程。而卡琳娜循環(huán)上一種改進(jìn)的有機(jī)朗肯循環(huán)，是以氨-水混合物作為工質(zhì)，在一定的壓力下，氨-水混合物在變化溫度下沸騰(或凝結(jié))。目前，基于有機(jī)朗肯循環(huán)的發(fā)電原理已應(yīng)用于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱和空氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)回收發(fā)電，航天電源和推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)電等領(lǐng)域[14]。

圖3 基于有機(jī)朗肯循環(huán)的熱能發(fā)電系統(tǒng)原理

圖3所示的熱能發(fā)電系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵組成，其研究與應(yīng)用開發(fā)主要集中在有機(jī)工質(zhì)、膨脹機(jī)以及有機(jī)朗肯循環(huán)的優(yōu)化等方面。

首先，根據(jù)飽和蒸汽狀態(tài)工質(zhì)的 T-s 圖曲線斜率dT/ds的不同，可將有機(jī)工質(zhì)分為干工質(zhì)、濕工質(zhì)及等熵工質(zhì)三類，對(duì)工質(zhì)的分類如圖4所示。當(dāng)dT/ds>0時(shí)為干工質(zhì)，如R113，R123，R245fa等。當(dāng)dT/ds→∞時(shí)為等熵工質(zhì)，如R141b等。當(dāng)dT/ds<0時(shí)為濕工質(zhì)，如水、氨、丙烷、苯等[15]。

圖4 根據(jù)T-s圖對(duì)工質(zhì)的分類

由于，干工質(zhì)和等熵工質(zhì)在高溫高壓飽和蒸汽狀態(tài)下經(jīng)膨脹做功后處于過熱蒸汽狀態(tài)，而濕工質(zhì)的飽和蒸汽膨脹后處于兩相區(qū)內(nèi)，容易產(chǎn)生液滴，對(duì)透平葉片造成侵蝕的現(xiàn)象。因此，通常情況下，有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)選擇干工質(zhì)和等熵工質(zhì)?？紤]到工質(zhì)的特性對(duì)有機(jī)朗肯的熱力循環(huán)效率、做功能力和相關(guān)設(shè)備的安全影響大。開發(fā)具有合適的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度、較高的動(dòng)力循環(huán)效率、良好的傳熱性能以及環(huán)保無毒等不同類型的有機(jī)工質(zhì)是研究的熱點(diǎn)。目前，常用于有機(jī)朗肯的純工質(zhì)有各種氟利昂、烷類等。

其次，膨脹機(jī)作為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的核心部件。根據(jù)其運(yùn)動(dòng)形式和結(jié)構(gòu)特征，可分為速度式和容積式兩種膨脹機(jī)。速度式有向心式透平和軸流式透平膨脹機(jī)。容積式有螺桿式、禍旋式、旋葉式、擺線式等膨脹機(jī)。具體基本結(jié)構(gòu)型式，如圖5所示?？紤]到膨脹機(jī)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力源流量和壓力、最大輸出功率和熱功轉(zhuǎn)換效率的影響，目前應(yīng)用較多的膨脹機(jī)為禍旋式、螺桿式及透平式[16-17]。

為了提升有機(jī)朗肯系統(tǒng)的綜合效率，大量研究主要集中在有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)分析以及對(duì)循環(huán)系統(tǒng)核心部件的優(yōu)化。同時(shí)，考慮到不同的冷熱源條件和實(shí)際應(yīng)用限制環(huán)境，大量研究集中在傳統(tǒng)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展出新型循環(huán)與優(yōu)化集成系統(tǒng)和多種熱源組合的聯(lián)供系統(tǒng)。如中低溫太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與噴射式制冷、輻射供暖等技術(shù)結(jié)合的多聯(lián)供系統(tǒng)[18]、噴射式制冷技術(shù)與有機(jī)朗肯循環(huán)結(jié)合的冷電聯(lián)供系統(tǒng)[19]、太陽能熱發(fā)電與地?zé)嵩?、LNG冷凝、生物質(zhì)能等多種冷熱源的復(fù)合系統(tǒng)等[20]。多聯(lián)合動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)的能源綜合利用較高，可實(shí)現(xiàn)制冷、熱和發(fā)電的同時(shí)輸出，能夠提升系統(tǒng)的綜合效率，其聯(lián)供系統(tǒng)如圖6所示。

圖5 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的膨脹機(jī)

圖6 基于有機(jī)朗肯循環(huán)的多種熱源的聯(lián)供系統(tǒng)

2.2.2基于半導(dǎo)體的溫差發(fā)電技術(shù)

圖7為基于半導(dǎo)體的溫差發(fā)電技術(shù)原理示意。它是一種利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電的方法，即在兩種不同材料的半導(dǎo)體構(gòu)成的回路中，當(dāng)一端處于高溫狀態(tài)，另一端處于低溫狀態(tài)時(shí)，回路中便可產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。它是一種靜態(tài)的固體發(fā)電器件，不包含機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，體積小、重量輕、工作壽命長(zhǎng)且工作過程中無振動(dòng)與噪音，不受環(huán)境條件的限制。美國(guó)能源部甚至將其稱為“可長(zhǎng)時(shí)間在苛刻環(huán)境下工作的能源技術(shù)”，對(duì)推動(dòng)新能源的利用有著積極作用[21]。目前，該技術(shù)主要應(yīng)用于太陽能、海洋能、工業(yè)余熱廢熱和軍事電源管理等領(lǐng)域中[22-25]。

圖7 基于半導(dǎo)體的溫差熱電技術(shù)

基于半導(dǎo)體的溫差熱電技術(shù)的回路中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)計(jì)算公式如下：

ε=α(Th-Tl)

式中：ε為電動(dòng)勢(shì)；Th為高溫端溫度；Tl為低溫端溫度；α為熱電材料的塞貝克系數(shù)。

由上述公式可知，提高溫差、熱源溫度和熱電材料的塞貝克系數(shù)可提高發(fā)電量。

目前，關(guān)于溫差發(fā)電技術(shù)的研究主要集中在熱電功能材料自身性能和高效轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方向[26]。一方面，通過提高材料的塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率或降低熱導(dǎo)率來提高材料的熱電優(yōu)值ZT(如圖8所示)，提高熱電發(fā)電性能[27-28]。表1為常見半導(dǎo)體材料的塞貝克系數(shù)。

圖8 不同溫度范圍發(fā)電材料的優(yōu)值系數(shù)ZT的變化

從表中數(shù)據(jù)可知，不同材料的塞貝克系數(shù)不同，相同材料作為不同類型的半導(dǎo)體時(shí)塞貝克系數(shù)也不同，對(duì)發(fā)電性能有著重要影響。

表1 常見半導(dǎo)體材料的塞貝克系數(shù)

一方面，通過設(shè)計(jì)平板式溫差發(fā)電器、圓筒式溫差發(fā)電器、卷筒與螺旋式溫差發(fā)電器以及不同梯度熱電材料等結(jié)構(gòu)型式(如圖9所示)，提高熱電器件的性能[29-32]。

2.2.3低溫?zé)崮苌?jí)技術(shù)

針對(duì)電子裝備的液冷循環(huán)系統(tǒng)的冷卻液帶出的熱能溫度范圍在30～40 ℃左右，屬于低溫品質(zhì)熱能。為提高低溫?zé)崮芑厥招屎湍苡枚?，增?qiáng)低溫?zé)嵩吹膫鳠嵬苿?dòng)力等條件，高效的低溫?zé)崮苌?jí)利用技術(shù)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。低溫?zé)崮苌?jí)利用通過對(duì)低溫?zé)崮苓M(jìn)行加工改造，提高熱能溫度品質(zhì)或轉(zhuǎn)變成機(jī)械功輸出。熱泵技術(shù)作為最主要的低溫余熱升級(jí)利用技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，可將低溫?zé)嵩赐ㄟ^熱泵等設(shè)備升級(jí)熱能品質(zhì)。

熱泵作為一種高效熱能轉(zhuǎn)換裝置，通過熱力循環(huán)將熱能由低溫處移至高溫處，此過程消耗少量高品質(zhì)能源如機(jī)械能、電能等[33]。熱泵主要分為壓縮式和吸收式兩種[34]。前者利用系統(tǒng)中工質(zhì)的物態(tài)變化實(shí)現(xiàn)供熱，通過機(jī)械功驅(qū)動(dòng)工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)，連續(xù)地將熱量從低溫?zé)嵩磦魉偷礁邷匚?。后者利用系統(tǒng)中工質(zhì)的蒸發(fā)和吸收循環(huán)進(jìn)行工作，消耗部分高品位熱能，將低溫?zé)嵩次諢崃坎⒐┙o熱用戶。利用熱泵技術(shù)可將30～40 ℃的低溫?zé)嵩瓷郎?0～90 ℃。一般400 W熱泵即可產(chǎn)生1.5 kW電爐所制的熱量。但是，熱泵技術(shù)需消耗高品位能源作為代價(jià)，如氟氯昂類工質(zhì)。同時(shí)，熱泵的熱效率受溫度的高低直接影響，溫度低，則效率低。因此改善熱泵在不同溫度下的使用靈活性，提高余熱回收效率是未來研究重點(diǎn)。

圖9 熱電功能結(jié)構(gòu)型式

變熱器又稱第二類吸收式熱泵，通過介質(zhì)熱力性能的變化從低品位熱源(如60～100 ℃熱源) 中獲取中品位熱量，理論溫升最高可達(dá)120 ℃左右，具有能耗低、安全可靠以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，實(shí)際應(yīng)用較多的變熱器是以溴化鋰/水為工質(zhì)的系統(tǒng)，淘汰破壞臭氧層的工質(zhì)類型，減少溫室效應(yīng)的發(fā)生。利用變熱器技術(shù)進(jìn)行低溫余熱回收，可以將50～100 ℃ 的熱轉(zhuǎn)變成中品位可用熱源，最高輸出溫度可達(dá)150 ℃[35]。受限于變熱器的技術(shù)，以及低溫余熱回收方面低的熱效率，可通過改善工質(zhì)傳熱性能、減少工質(zhì)循環(huán)阻力入手等方面入手，積極拓展雙效和多級(jí)吸收式變熱器應(yīng)用。真空蒸發(fā)技術(shù)是國(guó)外的一項(xiàng)先進(jìn)低溫余熱回收技術(shù)，原理是根據(jù)溶液沸點(diǎn)隨外壓減小而降低的性質(zhì)，使得蒸發(fā)在低于100 ℃的溫度下進(jìn)行，排除了熱源的溫度限制，拓寬了其選擇性。

3 平臺(tái)的適用性與技術(shù)發(fā)展方向

針對(duì)不同裝載平臺(tái)的實(shí)際約束條件(地面基地、船艦載、機(jī)載)，如空間尺寸、重量和系統(tǒng)的復(fù)雜性和差異性，電子裝備的低溫?zé)崮芑厥张c綜合利用集成系統(tǒng)須根據(jù)熱源的溫度范圍、集成系統(tǒng)的綜合性能以及裝載平臺(tái)的特征等方面進(jìn)行技術(shù)的組合性選擇確定。目前，熱能回收與綜合利用集成系統(tǒng)可供選擇的技術(shù)路線組合如圖10所示。

圖10 熱能回收與綜合利用集成可供選擇技術(shù)路線組合

首先，從裝載平臺(tái)可承載重量、可利用的空間、系統(tǒng)可靠性角度來分析，地面基地、車載、船/艦載以及機(jī)載平臺(tái)呈現(xiàn)依次遞減趨勢(shì)。在熱能升級(jí)使用技術(shù)中，相比于基于有機(jī)朗肯循環(huán)的熱電轉(zhuǎn)換裝置，基于半導(dǎo)體的溫差發(fā)電裝置能耗低、空間占比小、載重較輕，可以減少因?yàn)槠渥陨硐到y(tǒng)重量的增加而帶來的移動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)如發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)的額外油耗。

其次，從熱電轉(zhuǎn)換效率角度分析，由于高功率電子裝備的冷卻系統(tǒng)排出的熱量屬于低溫?zé)嵩?，而大量研究的熱源屬于中高溫品質(zhì)，溫度至少在200 ℃以上。如冶煉窯爐、加熱爐、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等工業(yè)熱源和廢熱。現(xiàn)有的基于半導(dǎo)體的溫差發(fā)電技術(shù)由于低溫?zé)崮芤约盁犭娖骷陨硇阅艿蛯?dǎo)致的熱電轉(zhuǎn)換效率和電功率輸出低，但可滿足日常照明等低功率用電需求。大功率電力的需求可通過增加單獨(dú)的低溫?zé)崮苌?jí)模塊提高發(fā)電效率，但是其需要消耗少量高品質(zhì)能源，如氟等。而基于有機(jī)朗肯的低溫?zé)崮馨l(fā)電效率可增加20%的發(fā)電量[36]。因此，基于有機(jī)朗肯發(fā)電系統(tǒng)系裝置較為復(fù)雜，所需空間重量較大，適用于具有較大空間的地面基地發(fā)揮作用。同時(shí)，可該發(fā)電裝置與利用其它能源結(jié)合，如太陽能，地?zé)崮艿?，形成多種模式工作運(yùn)行的聯(lián)供系統(tǒng)，滿足更多的電力需求。

總體上，為了盡可能多的消耗熱載荷總量，提高液冷循環(huán)系統(tǒng)的散熱效率，熱能回收與利用集成系統(tǒng)需要提高熱能利用率，尤其是熱電轉(zhuǎn)換效率。隨著裝載平臺(tái)對(duì)熱能回收轉(zhuǎn)化裝置的重量空間要求越來越嚴(yán)格，熱能回收轉(zhuǎn)換利用系統(tǒng)需朝著小型化、輕量化、一體化趨勢(shì)發(fā)展。一方面，不同技術(shù)裝置如相變儲(chǔ)熱與傳導(dǎo)模塊、有機(jī)朗肯發(fā)電模塊、低溫?zé)崮苌?jí)利用模塊以及半導(dǎo)體溫差發(fā)電模塊等之間緊密結(jié)合，發(fā)展一體化多功能結(jié)構(gòu)集成方案。另一方面，為了獲得較優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)性能，如冷卻系統(tǒng)的熱載荷消耗總量(散熱需求)、熱能直接存儲(chǔ)使用、熱電轉(zhuǎn)換效率和輸出電性能等參數(shù)，需要綜合優(yōu)化管理熱能回收與綜合利用集成系統(tǒng)的能量傳遞和轉(zhuǎn)換過程。

最后，根據(jù)不同裝載平臺(tái)中已有的冷卻循環(huán)/蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)，充分進(jìn)行不同單元模塊之間相互配合，合理安排相變儲(chǔ)熱和熱管傳導(dǎo)、低溫?zé)崮苌?jí)轉(zhuǎn)換裝置、熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)與平臺(tái)冷卻循環(huán)系統(tǒng)或蒸發(fā)制冷循環(huán)系統(tǒng)的有效組合，減少零部件數(shù)量，減輕質(zhì)量和成本，既保證熱能高效回收利用，又能增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性。

4 結(jié) 語

高功率電子裝備的熱能回收與綜合利用技術(shù)，可減少環(huán)控系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷，通過能量收集與轉(zhuǎn)化可維持平臺(tái)運(yùn)行的部分能源需求，減輕系統(tǒng)廢物排放的缺點(diǎn)，促進(jìn)能源的可再生持續(xù)型。但是，其熱源動(dòng)態(tài)溫度范圍較窄，系統(tǒng)排放的大量低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)換為自身系統(tǒng)的可用能源效率較低，熱能回收效率低。隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，高轉(zhuǎn)換效率的熱電材料、小型輕量化的發(fā)電裝置的發(fā)展，在現(xiàn)有冷卻循環(huán)/蒸發(fā)新歡制冷系統(tǒng)上集成高效的熱能回收與利用模塊化系統(tǒng)，為電子裝備的綜合一體化熱/能量管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，現(xiàn)有電子裝備平臺(tái)的升級(jí)改進(jìn)與提升能源使用效率具有一定的參考價(jià)值。