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摘要：在工业制造过程中，有大量的中高温余热，特别是在冶金领域，节能潜力极为巨大。所谓温差发电技术，即利用热电转换材料，可以直接把热能转变成电能。与传统的能源转换手段相对，这种新型的技术更加环保，没有任何噪声干扰，也不会产生任何有毒的物质，而且效率更高、使用寿命更久、并且更加稳定。尽管在许多特定环境中，传统的余热再生手段难以达成目标，然而，通过使用半导体温度差来进行发电，能够成功地回收和使用余热。所以，把这种温差发电回收技术运用到工业领域的中高温余热回收中显得尤为关键。

关键词：中高温余热回收；半导体；温差发电；热系统

伴随着世界经济的飞速扩张和人口的激增以及工业化步伐的提高，对能源的需求急剧攀升，从而使得能源限制问题变得更为突出。从中国快速发展的角度来看，能源问题更为严重，可以总结为需求增长迅速，供应和储备不足，使用效率低下，浪费和污染问题严重。为了平衡中国的能源和资源以及其与经济社会进步的冲突，有必要增强能源、资源的使用效益，并积极推动循环经济的发展。在一些如航空、军事等特定的领域，温差发电技术已经展现出其不可或缺的影响力。由于半导体科技的发展与升级，温差发电技术正在逐渐走向产业化与民用化的道路。

一、温差发电模块设计分析

1.散热器

作为温差发电模块的核心部分，散热器的作用在于增强其冷端的冷却性能。主要通过自然冷却或者引入风扇来增强冷却效果，以此来减少发电元件冷端的温度（如图1）。

2.风扇布局

各种风扇的布局方式会影响其换热性能，考虑到半导体温差发电模块的散热器尺寸较大，因此设计了多样化的冷却散热方法。在这里选择了额定电压5V的轴流风扇，具体的风扇参数请参见表1。

3.关键技术

本文主要采取如下措施优化温差发电模块的冷却成效：

（1）散热器设计

该装置的冷却效能的优劣，主要取决于散热器的肋效率和散热面积。可利用肋片导热的物理模型来推断获得优质的散热器形式。但是，这种计算方法需要基于一个假设下使用，即换热系数为常数，使用CFD技术来评估散热器的冷却性能，能够更精确地描绘出散热器肋片之间的空气流场，从而获取更精确的换热系数。

（2）冷却方式

若是使用强制风冷的冷却技术，必须明确风扇的分布位置，这样才能实现最佳的冷却效果。例如，可以将风扇设立在散热器的顶部，叫做冲击式的冷却技术，或者将风扇设立在散热器的端部，叫做横掠式的冷却技术。另外，冷却风扇的数目和压力也会对冷却效果产生重大影响。

二、半导体温差发电模块热分析

经过数值模拟可知：温差发电模块的冷却性能主要受到散热器的覆盖范围、内部的空气流速、冷却技术以及风扇的压力等多重要素的影响。（1）通过对20种各异的散热器展开研究发现，散热器的降温性能主要取决于其散热表面和肋间的空气流速。在全盘评估了散热器的质量和材料成本后发现，采用肋片厚度为1毫米，高度为75毫米，间距为75mm的散热器更加适宜，可达98.2℃的温差。（2）风扇的分布位置可改变温差发电模块的冷却性能，使用顶部冲击冷却方案会优于使用端部横掠冷却的策略。另外，当使用2风扇的顶部冲击冷却技术时，随着风扇间隔的减少，其冷却效率也会提高。在风扇间隔达到最低时，发电元件的冷热端的温度差异能够达到97℃。（3）虽然升高风扇的压力有助于提升肋片之间的冷却空气的流速，然而，这种方法在改善换热效率上的效果并不显著。此外，由于升高风扇的压力会产生额外的电能，因此，在使用温差发电模块时，采取低压力的风扇是比较恰当的。

三、性能实验

（1） 经过对温差发电元件的导热系数进行测试分析，可知其与温度的关系与数值模拟预先确立的导热系数的演变规律一致。（2）通过使用2风扇的最小间距冲击冷却技术，可证实其冷却效果的优异性，且得到的输出电压也较为理想。实际的温度变化特性与数值模拟的结果非常接近，因此，利用数值模拟的手段来探索温差发电的定性规律的可靠性较高。（3）通过比较强制对流与自然对流两种冷却手段对温差发电模块的影响，可知，当加热功率达到380W的情况下，前者产生的输出电压会高于后者，高出幅度大约为1.5V。此外，当热流密度增加时，采用强制对流冷却的方法具备了更广阔的发电潜力。

总结

综上所述，在考虑到工业生产过程中的中高温余热后，特创建了半导体温差发电系统，研究并评估了温差发电模块的热系统，并且为其设计出了一种高效的散热装置。此外，我们通过对比各种冷却方式下的温差发电模块的输出电压和功率，得出了一种合适的实施策略。

参考文献

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[3]曹军.全自动低温热管技术在矿井回风余热回收中的应用分析[J].中国煤炭.2023（1）.