石 峰,劉安邦,吳子華,謝華清,王元元,鄒佳樸,封 芬

(1.上海第二工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與材料工程學(xué)院,上海201209;2.南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,南京210094)

0 引言

近年來(lái),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,不可再生資源的消耗量急劇增加。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)之一,全國(guó)各地各類(lèi)汽車(chē)數(shù)量急劇增加。但與此同時(shí),汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,燃料燃燒產(chǎn)生的30%～45%化學(xué)能隨著汽車(chē)尾氣被排放至大氣中[1-3],不僅造成了巨大的能量損失,而且加劇了全球的氣候變暖。因此,如何提高汽車(chē)燃料利用率、減小環(huán)境污染,對(duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用[4-5]。

溫差發(fā)電技術(shù)利用塞貝克效應(yīng),將低品質(zhì)的熱能轉(zhuǎn)化成高品質(zhì)的電能,具有零污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲、堅(jiān)固耐用、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。近年來(lái),隨著具有更高熱電轉(zhuǎn)換效率的熱電材料被相繼發(fā)現(xiàn),溫差發(fā)電技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了新領(lǐng)域,受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者更多的關(guān)注[9-12]。因而,溫差發(fā)電技術(shù)在航空航天、交通工具、醫(yī)療器械等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用皆有發(fā)展,尤其在工業(yè)廢熱和汽車(chē)尾氣廢熱的回收利用領(lǐng)域有了長(zhǎng)足的進(jìn)步[13-14]。溫差發(fā)電技術(shù)的種種優(yōu)勢(shì)引起了寶馬、通用等汽車(chē)企業(yè)的關(guān)注。2007年,寶馬公司聯(lián)合偉世通公司以及馬洛公司研發(fā)了針對(duì)汽車(chē)尾氣廢熱回收利用的溫差發(fā)電裝置,使其燃油利用率提高了10%左右[15]。2013年,寶馬公司與福特等公司就汽車(chē)熱電余熱回收領(lǐng)域展開(kāi)合作,對(duì)安裝在寶馬X6和林肯MKT上的溫差發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試,溫差發(fā)電系統(tǒng)在測(cè)試平臺(tái)產(chǎn)生了超過(guò)700 W的功率,在車(chē)載測(cè)試中產(chǎn)生了超過(guò)600 W的功率[16]。2016年,華能集團(tuán)聯(lián)合太原理工大學(xué)對(duì)汽車(chē)廢熱回收利用的大功率溫差發(fā)電系統(tǒng)展開(kāi)研究。實(shí)驗(yàn)表明,溫差發(fā)電裝置輸出功率可達(dá)千萬(wàn)級(jí)別,理論轉(zhuǎn)換效率接近10%[17]。

傳統(tǒng)的汽車(chē)尾氣發(fā)電系統(tǒng)通常以汽車(chē)尾氣作為熱源,以外界環(huán)境作為冷端,利用尾氣與環(huán)境之間的溫差進(jìn)行發(fā)電。在停止供熱后,熱源溫度會(huì)迅速降低,發(fā)電能力隨之迅速下降。在實(shí)際汽車(chē)運(yùn)行中,由于汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的變化,汽車(chē)尾氣溫度時(shí)常產(chǎn)生波動(dòng),導(dǎo)致系統(tǒng)輸出電壓不穩(wěn)定,對(duì)系統(tǒng)造成損害[18-21]。

為保持輸出電壓的平穩(wěn),部分研究人員在溫差發(fā)電模塊內(nèi)部增設(shè)了相變儲(chǔ)熱模塊,利用相變材料(phase change material,PCM)相變過(guò)程中自身溫度不變的特性,維持冷熱兩端的溫差,以此來(lái)穩(wěn)定尾氣溫度下降時(shí)的輸出電壓。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果已經(jīng)證明,裝載相變儲(chǔ)熱模塊能夠有效地提升溫差發(fā)電裝置的輸出功率。Jo等[22]研究發(fā)現(xiàn),帶有PCM的溫差發(fā)電裝置在熱源停止供熱后,系統(tǒng)輸出電壓斷崖式下降的現(xiàn)象得到了有效的緩解,并且產(chǎn)生了更多的電能。Mao等[23]研究了在溫差發(fā)電系統(tǒng)中嵌入PCM對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)的影響,在嵌入PCM后,溫差發(fā)電系統(tǒng)最大輸出電壓提高了10.20%～13.70%,總電量平均提高31.60%。張星等[24]通過(guò)數(shù)值模擬方法比較了加裝相變結(jié)構(gòu)前后溫差發(fā)電器性能的變化。結(jié)果表明,特定尺寸的相變結(jié)構(gòu)可大幅提高發(fā)電器的輸出功率及轉(zhuǎn)化效率。

然而,增加相變儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)之后,將有可能大大增加熱源與熱電器件之間的熱阻。以本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電系統(tǒng)為例(見(jiàn)圖1),在溫差發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部,熱量由熱源(熱風(fēng)機(jī)風(fēng)管)輸入,依次經(jīng)過(guò)相變儲(chǔ)熱模塊和熱電器件兩個(gè)界面,最終傳遞至冷端換熱器[25-26]。但是,因界面間接觸面粗糙度而產(chǎn)生的接觸熱阻極大地影響著熱量的傳遞過(guò)程[27]。Xuan等[28]研究了熱電模塊內(nèi)外接觸界面對(duì)其性能的影響,發(fā)現(xiàn)內(nèi)部接觸界面是影響熱電器件性能的主要因素。侯龍等[29]通過(guò)調(diào)節(jié)接觸壓力、間隙介質(zhì)、接觸表面溫度等參數(shù)研究了接觸熱阻對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。Liu等[30]提出了一種測(cè)定單根光纖熱導(dǎo)率和接觸熱阻的新方法,并驗(yàn)證了該方法的有效性。謝添璽等[31]通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法,研究了較高導(dǎo)熱系數(shù)的界面間介質(zhì)對(duì)于溫差發(fā)電系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明,接觸熱阻減小,熱電器件兩側(cè)的實(shí)際溫差增加,最大輸出功率和轉(zhuǎn)化效率均有較大的提升。

圖1 熱量傳遞過(guò)程Fig.1 Process of heat transfer

由此可見(jiàn),溫差發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的接觸熱阻對(duì)其發(fā)電性能有著顯著的影響,本文通過(guò)工業(yè)熱風(fēng)機(jī)模擬汽車(chē)運(yùn)行實(shí)際工況,利用不同系數(shù)導(dǎo)熱硅脂,調(diào)控?zé)犭娖骷c換熱器以及相變儲(chǔ)熱模塊間的接觸熱阻,研究了冷熱端接觸熱阻對(duì)PCM相變過(guò)程以及熱電器件發(fā)電過(guò)程的影響,分析了不同界面接觸熱阻對(duì)PCM耦合溫差發(fā)電系統(tǒng)性能的影響,為提高半導(dǎo)體溫差發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

使用金章集團(tuán)生產(chǎn)的通用熱風(fēng)機(jī)為系統(tǒng)供熱,熱風(fēng)機(jī)風(fēng)管作為系統(tǒng)熱源,通過(guò)調(diào)節(jié)熱風(fēng)機(jī)風(fēng)速和溫度模擬汽車(chē)不同運(yùn)行狀態(tài)。溫差發(fā)電裝置如圖2所示,每個(gè)熱電器件前后間隔5 mm,將10片型號(hào)為9500-199-100B的熱電器件(thermoelectric generator,TEG)熱電發(fā)電片串聯(lián)起來(lái),外接15 ?電阻負(fù)載,并預(yù)留一對(duì)正負(fù)極接線用于記錄TEG的負(fù)載電壓。完成溫差發(fā)電裝置的組裝后,將其與相變儲(chǔ)熱模塊、熱風(fēng)機(jī)風(fēng)管、冷端換熱器沿水平方向疊放在一起并使用夾緊裝置使各組件貼緊。實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示,系統(tǒng)由熱風(fēng)機(jī)、相變模塊、冷端換熱器、散熱器、恒溫槽、蠕動(dòng)泵、定值電阻、數(shù)據(jù)采集器組成。通過(guò)工業(yè)熱風(fēng)機(jī)輸出熱能,將換熱器的入口及出口使用硅膠軟管與恒溫水槽相連,確保冷卻水的入口溫度穩(wěn)定且符合實(shí)驗(yàn)要求。另外在換熱器入口與恒溫水槽之間連接蠕動(dòng)泵用于調(diào)節(jié)流體流速。分別在熱風(fēng)機(jī)風(fēng)管、相變儲(chǔ)熱模塊、冷端換熱器的入口和出口布置了4個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕?分別測(cè)量風(fēng)管內(nèi)空氣溫度、PCM溫度、冷端換熱器進(jìn)、出水溫度,同時(shí)與TEG的接線一起接入數(shù)據(jù)采集器中,用于記錄溫度數(shù)據(jù)以及TEG的輸出電壓。接通電源,使用熱風(fēng)機(jī)設(shè)定熱源溫度,持續(xù)加熱至4 000 s時(shí)停止加熱,記錄和分析TEG的輸出電壓變化。

圖2 TEG排布Fig.2 Arrangement of TEG

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Experimental device

本文測(cè)試分析不同導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱硅脂對(duì)熱電性能的影響。如圖4所示,通過(guò)分別在TEG冷熱兩面與系統(tǒng)間填充不同導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅脂的方法調(diào)控TEG兩側(cè)與系統(tǒng)間的接觸熱阻。然后將相變儲(chǔ)熱模塊、熱風(fēng)機(jī)風(fēng)管、冷端換熱器沿水平方向疊放在一起并使用夾緊裝置使各組件貼緊。啟動(dòng)蠕動(dòng)泵、恒溫冷卻槽,待冷端冷卻水溫度降至設(shè)定溫度,啟動(dòng)熱風(fēng)機(jī)加熱,開(kāi)始記錄冷端換熱器進(jìn)出水口水溫、PCM溫度、風(fēng)管內(nèi)部溫度以及TEG的輸出電壓。保持熱風(fēng)機(jī)持續(xù)加熱狀態(tài)至約3 960 s,關(guān)停熱風(fēng)機(jī)。待風(fēng)管內(nèi)部溫度、冷卻水溫度下降至實(shí)驗(yàn)起始狀態(tài),停止記錄數(shù)據(jù),關(guān)閉冷卻槽、蠕動(dòng)泵、熱風(fēng)機(jī),關(guān)閉電源。

圖4 導(dǎo)熱硅脂涂抹位置 (a)在TEG與相變儲(chǔ)熱模塊間;(b)在TEG與冷端換熱器間Fig.4 Application position of thermally conductive silicone grease (a)between the TEG and the heat storage module with PCM;(b)between the TEG and the cold end

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 TEG冷、熱面的接觸熱阻對(duì)溫差發(fā)電系統(tǒng)的影響

恒溫槽設(shè)定溫度10℃,熱風(fēng)機(jī)設(shè)定溫度400℃,分別在TEG熱面、冷面、雙面涂抹導(dǎo)熱系數(shù)1 W/(m·K)的導(dǎo)熱硅脂,調(diào)節(jié)TEG與系統(tǒng)間的界面接觸熱阻,研究不同位置的接觸熱阻對(duì)PCM溫度及系統(tǒng)輸出電壓的影響。

圖5為T(mén)EG僅在熱面、僅在冷面以及雙面均涂抹導(dǎo)熱系數(shù)1 W/(m·K)導(dǎo)熱硅脂時(shí),PCM溫度隨時(shí)間的變化曲線。

圖5 不同位置涂抹導(dǎo)熱硅脂情況下PCM的溫度Fig.5 Temperatures of PCM with different layers by applying thermally conductive silicone grease

由圖可知,3種情況下PCM溫度在加熱階段隨時(shí)間而升高,但溫度提升的速度以及達(dá)到的最高溫度,均有著顯著的區(qū)別。在TEG冷面涂抹導(dǎo)熱硅脂時(shí),溫度升高速度最快,且達(dá)到的最高溫度最高,達(dá)到225℃;在熱面涂抹導(dǎo)熱硅脂時(shí),溫度上升速度顯著放緩,最高溫度達(dá)到205℃。上述兩種情況下,PCM分別在2 050 s和2 700 s時(shí)達(dá)到相變溫度196℃,開(kāi)始發(fā)生相變。而在TEG雙面涂抹導(dǎo)熱硅脂的情況下,PCM溫度上升速度最慢且達(dá)到的最高溫度最低,僅達(dá)到186℃,未能發(fā)生相變。這可能是由于調(diào)節(jié)不同部位接觸熱阻對(duì)相變儲(chǔ)熱模塊儲(chǔ)熱能力的影響不同導(dǎo)致的。

為了進(jìn)一步分析接觸熱阻對(duì)PCM相變過(guò)程的影響,實(shí)驗(yàn)研究了接觸熱阻與冷端散熱器介質(zhì)溫度之間的關(guān)系。圖6為在TEG僅在熱面、僅在冷面及雙面均涂抹導(dǎo)熱系數(shù)1 W/(m·K)導(dǎo)熱硅脂時(shí)冷卻水溫度隨時(shí)間的變化曲線。

圖6 不同位置涂抹導(dǎo)熱硅脂情況下冷端冷卻水平均溫度Fig.6 Average temperature of cooling water with different layers by applying thermally conductive silicone grease

由圖可知,只在TEG冷面與冷端換熱器之間涂抹導(dǎo)熱硅脂時(shí),TEG與相變模塊間的接觸熱阻較大,相變模塊中的熱量不能有效導(dǎo)出,PCM溫度在3種情況下最高,且冷端冷卻水平均溫度最低,最高時(shí)僅達(dá)到19℃;只在熱面涂抹導(dǎo)熱硅脂時(shí),由于減小了TEG與PCM之間的熱阻,增大了TEG與PCM之間界面?zhèn)鳠崮芰?會(huì)一定程度地削弱相變模塊的儲(chǔ)熱能力,使PCM的溫度降低,此時(shí)的TEG就起到了肋片散熱的作用,又因?yàn)檎麄€(gè)溫差發(fā)電系統(tǒng)由石棉包裹,由相變模塊導(dǎo)出的熱量大部分還是由冷端冷卻水帶走,所以冷卻水平均溫度比在冷面涂抹導(dǎo)熱硅脂時(shí)要高,最高達(dá)到21℃;雙面涂抹導(dǎo)熱硅脂時(shí),冷卻水平均溫度達(dá)到最高。因?yàn)樵赥EG雙面涂抹導(dǎo)熱硅脂時(shí),由于同時(shí)有效減小了相變模塊與冷端換熱器之間的熱阻,所以由風(fēng)管傳遞至相變模塊的熱量并不能有效地被相變模塊儲(chǔ)存,而是更多地通過(guò)TEG傳遞至冷端換熱器,使冷卻水平均溫度升高,從而導(dǎo)致PCM未能發(fā)生相變。

不同接觸熱阻工況下,TEG輸出電壓隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)一步證實(shí)了這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(見(jiàn)圖7)。由圖可知,在TEG僅在熱面、僅在冷面以及雙面均涂抹導(dǎo)熱系數(shù)1 W/(m·K)導(dǎo)熱硅脂的3種條件下,系統(tǒng)輸出電壓從高到低的排序依次為:雙面涂抹>冷面涂抹>熱面涂抹,且在雙面涂抹時(shí)系統(tǒng)輸出的電壓顯著高于另外兩種情況?？芍陔p面涂抹時(shí),通過(guò)TEG的熱流量最大,由熱風(fēng)機(jī)風(fēng)管發(fā)出的熱量能夠最為順利地通過(guò)TEG傳遞至冷端換熱器,但與此同時(shí),由于PCM并未發(fā)生相變,所以電壓曲線在下降過(guò)程中并未放緩。雖然在TEG雙面涂抹導(dǎo)熱硅脂時(shí)系統(tǒng)輸出的電壓最高,但由于削弱了相變儲(chǔ)熱模塊的儲(chǔ)熱能力,導(dǎo)致PCM穩(wěn)定電壓的作用失效。在冷面、熱面涂抹時(shí),在4 250 s～4 450 s間出現(xiàn)了電壓緩慢下降平臺(tái),對(duì)應(yīng)了PCM凝固放熱階段,與圖5結(jié)果一致。

圖7 不同位置涂抹導(dǎo)熱硅脂情況下輸出電壓Fig.7 Output voltage with different layers by applying thermally conductive silicone grease

2.2 相變儲(chǔ)熱模塊與TEG熱面間界面接觸熱阻對(duì)PCM的影響

恒溫槽設(shè)定溫度10℃,熱風(fēng)機(jī)設(shè)定溫度為400℃,通過(guò)在TEG熱面與相變儲(chǔ)熱模塊間涂抹導(dǎo)熱系數(shù)分別為1、3 W/(m·K)導(dǎo)熱硅脂,調(diào)節(jié)TEG與冷端換熱器間的界面接觸熱阻,研究不同接觸熱阻對(duì)于PCM溫度及系統(tǒng)輸出功率的影響。

圖8為T(mén)EG熱面與相變儲(chǔ)熱模塊間分別涂抹導(dǎo)熱系數(shù)分別為1、3 W/(m·K)導(dǎo)熱硅脂時(shí),儲(chǔ)熱模塊中PCM溫度隨時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯?在填充了更高導(dǎo)熱系數(shù)的間隙介質(zhì)后,PCM溫度上升的速度明顯加快;冷卻階段前,同時(shí)間內(nèi)PCM達(dá)到的溫度更高,達(dá)到的最高溫度比低導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)約高26℃。

圖8 TEG熱端涂抹不同導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅脂時(shí)PCM的溫度Fig.8 Temperature of PCM with hot end of TEG by applying thermally conductive silicone grease of different thermal conductivity

圖9 顯示在涂抹更高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱硅脂的情況下,PCM溫度上升速度明顯更快,達(dá)到相變溫度(196℃)的時(shí)間提前了約800 s,且在加熱至相變溫度196℃ 后,PCM溫度上升速度顯然更快。這是因?yàn)樵诶錈嵩礈囟群愣〞r(shí),接觸面之間添加更高導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅脂后,冷熱源間的總體熱阻減小,熱流量增加,同時(shí)間內(nèi)相變儲(chǔ)熱模塊獲得的熱量更多,溫度上升更快。

圖9相變材料初始相變時(shí)間Fig.9 Initial phase change time of PCM

圖10 為降溫階段(4 000～6 000 s)在TEG熱面與相變儲(chǔ)熱模塊間填充不同導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅脂情況下,相變模塊溫度隨時(shí)間的變化?？芍谕磕▽?dǎo)熱系數(shù)1 W/(m·K)導(dǎo)熱硅脂時(shí),PCM的最高溫度為212℃,在4 350 s時(shí)開(kāi)始發(fā)生液-固相變,在4 650 s時(shí)完成相變過(guò)程,相變放熱階段持續(xù)約300 s;在涂抹導(dǎo)熱系數(shù)3 W/(m·K)導(dǎo)熱硅脂時(shí),PCM的最高溫度為238℃,在4 390 s時(shí)開(kāi)始發(fā)生相變,4 600 s時(shí)完成相變過(guò)程,相變放熱階段約持續(xù)210 s。由此可知,在涂抹更高導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅脂的情況下,相變模塊達(dá)到的最高溫度更高,冷卻至相變溫度196℃所需的時(shí)間更長(zhǎng),但相變放熱過(guò)程時(shí)間明顯減少。因?yàn)樵诶鋮s階段,相變儲(chǔ)熱模塊代替風(fēng)管成為系統(tǒng)熱源,在PCM溫度降至相變溫度196℃ 時(shí),PCM開(kāi)始發(fā)生凝固,此時(shí)PCM溫度不變,且PCM凝固所放出的熱量相同,由于在相變儲(chǔ)熱模塊與TEG間填充了更高導(dǎo)熱系數(shù)的介質(zhì),導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)PCM釋放的熱量更多,所以使凝固放熱階段的持續(xù)時(shí)間縮短。

圖10 PCM相變持續(xù)時(shí)間Fig.10 Time of duration of PCM phase change

TEG輸出電壓的大小取決于TEG冷熱兩端的溫差,冷端冷卻水溫度變化對(duì)熱電發(fā)電性能具有一定的影響。圖11為在TEG與相變儲(chǔ)熱模塊間填充不同導(dǎo)熱系數(shù)間隙介質(zhì)情況下,冷端冷卻水溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知,在TEG熱面涂抹導(dǎo)熱系數(shù)分別為1、3 W/(m·K)的兩種導(dǎo)熱硅脂時(shí),冷卻水溫度相差較小,最大溫差不超過(guò)1.5℃,在4 000 s加熱至最高溫度時(shí)以及降溫階段,相差不超過(guò)0.5℃。由此可見(jiàn),在TEG熱面與相變儲(chǔ)熱模塊間填充更高導(dǎo)熱系數(shù)的間隙介質(zhì)對(duì)冷端冷卻水的溫度影響較小。這是因?yàn)門(mén)EG冷面與換熱器間兩個(gè)壁面受表面粗糙度的影響存在著空隙,接觸面積通常很小,接觸熱阻較大,所以TEG冷面上的熱量很難傳遞至換熱器,因而在熱面涂抹不同導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅脂對(duì)冷端冷卻水溫度影響不大。

圖11 TEG熱端涂抹不同導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅脂時(shí)冷卻水平均溫度Fig.11 Average temperature of cooling water with hot end of TEG by applying thermally conductive silicone grease of different thermal conductivity

2.3 冷端換熱器與TEG冷面間接觸熱阻對(duì)PCM的影響

恒溫槽設(shè)定溫度10℃,熱風(fēng)機(jī)設(shè)定溫度400℃,通過(guò)在TEG冷面與冷端換熱器間涂抹導(dǎo)熱系數(shù)分別為1、3 W/(m·K)導(dǎo)熱硅脂,調(diào)節(jié)TEG與冷端換熱器間的界面接觸熱阻,研究不同接觸熱阻對(duì)于PCM溫度以及系統(tǒng)輸出功率的影響。

圖12為換熱器冷卻水平均溫度隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知,在冷端換熱器與TEG間填充更高導(dǎo)熱系數(shù)間隙介質(zhì)時(shí),換熱器冷卻水平均溫度高于涂抹低導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅脂時(shí)的溫度,在加熱至最高溫度時(shí),相差溫度約為2℃?？芍赥EG冷面與換熱器間涂抹更高導(dǎo)熱系數(shù)的介質(zhì)對(duì)冷端冷卻水平均溫度有一定的提升效果,但提升并不顯著。這是因?yàn)槔涠死鋮s水一直在被恒溫水箱冷卻,冷端帶走的熱量不能直觀的表示出來(lái),但是相較于調(diào)節(jié)TEG熱面與相變儲(chǔ)熱模塊之間接觸熱阻時(shí)冷卻水的溫度變化,此時(shí)冷端溫度的變化較為明顯。

圖12 TEG冷端涂抹不同導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅脂時(shí)冷端冷卻水平均溫度Fig.12 Average temperature of cooling water with cold end of TEG by applying thermally conductive silicone grease of different thermal conductivity

圖13 為T(mén)EG冷面與冷端換熱器之間填充不同導(dǎo)熱系數(shù)間隙介質(zhì)情況下PCM溫度隨時(shí)間變化的曲線。由圖可知,在填充更高導(dǎo)熱系數(shù)間隙介質(zhì)情況下,PCM溫度隨時(shí)間變化曲線僅略高于涂抹低導(dǎo)熱系數(shù)間隙介質(zhì)時(shí)的曲線,二者溫差較小。這是因?yàn)樵谕磕ǜ邔?dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅脂時(shí),雖然熱源與換熱器間總熱阻減小,二者之間的熱流量增加,但受TEG熱面與換熱器間兩個(gè)壁面表面粗糙度的影響存在著空隙,接觸熱阻較大,因而相變儲(chǔ)熱模塊中儲(chǔ)存的熱量很難傳遞至TEG熱面,最終導(dǎo)致在冷端換熱器與TEG間涂抹不同導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅脂時(shí),PCM溫度相差很小。由此可知調(diào)控TEG與換熱器之間的接觸熱阻對(duì)熱端PCM的影響較小。

圖13 TEG冷端涂抹不同導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱硅脂時(shí)PCM溫度Fig.13 Temperature of PCM with cold end of TEG by applying thermally conductive silicone grease of different thermal conductivity

2.4 接觸熱阻對(duì)系統(tǒng)輸出電壓的影響

圖14 為分別在TEG冷、熱面涂抹不同導(dǎo)熱系數(shù)時(shí),溫差發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知,減小TEG任意一側(cè)與系統(tǒng)間的接觸熱阻均能有效提升系統(tǒng)輸出電壓。相較于減小TEG熱面與系統(tǒng)的接觸熱阻,減小TEG冷面與系統(tǒng)的接觸熱阻對(duì)于提升系統(tǒng)輸出電壓的效果更為明顯。但是,在TEG冷面涂抹導(dǎo)熱硅脂時(shí),PCM對(duì)于電壓的穩(wěn)定效果并不顯著,電壓的下降速度過(guò)快。主要原因有兩個(gè):一是因?yàn)門(mén)EG熱面與相變儲(chǔ)熱模塊間兩個(gè)壁面受表面粗糙度的影響存在著空隙,實(shí)際接觸面積很小,接觸熱阻較大,PCM在凝固放熱階段釋放的熱量很難有效地傳遞至TEG的熱面;二是相較于在TEG熱面涂抹導(dǎo)熱硅脂,在TEG冷面與換熱器之間涂抹導(dǎo)熱硅脂能使冷端冷卻水在冷卻階段水溫下降得更快,導(dǎo)致TEG冷熱兩面間的溫差下降速度變快,使電壓的穩(wěn)定階段并不明顯,削弱了PCM穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓的能力(見(jiàn)圖15)。

圖14 不同位置涂抹導(dǎo)熱硅脂輸出電壓Fig.14 Output voltage with optimizing heat conduction of different layers by applying thermally conductive silicone grease

圖15 冷卻階段冷卻水平均溫度Fig.15 Average temperature of cooling water at cooling stage

3 結(jié) 論

本文針對(duì)TEG冷熱兩側(cè)與溫差發(fā)電系統(tǒng)間的接觸熱阻問(wèn)題,系統(tǒng)研究了TEG與發(fā)電系統(tǒng)間的接觸熱阻對(duì)于PCM和系統(tǒng)輸出電壓的影響,得到如下結(jié)論:

(1)同時(shí)減小TEG兩側(cè)與系統(tǒng)間的接觸熱阻可以有效提升系統(tǒng)的輸出電壓,但相變儲(chǔ)熱模塊的儲(chǔ)熱能力可能會(huì)被削弱,甚至失去穩(wěn)定電壓的作用。

(2)減小TEG兩側(cè)任意一側(cè)與發(fā)電系統(tǒng)間的接觸熱阻,均能有效的提高系統(tǒng)的輸出功率,但減小TEG冷面與換熱器間的接觸熱阻,系統(tǒng)的輸出功率提升效果更為顯著。與此同時(shí),PCM穩(wěn)定電壓的作用會(huì)有一定程度的削弱。